Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Axialkolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 .

Aus dem Stand der Technik sind Axialkolbenmaschinen bekannt, die eine Mehrzahl von Zylinder-Kolben-Einheiten aufweisen. Dabei ergibt sich in den Zylinder-Kolben- Einheiten eine Abwinklung, die dem Schwenkwinkel der Maschine entspricht. Bei den gattungsgemäßen Maschinen sind entweder die Zylinder gegenüber einer gemeinsamen zylinderseitigen Scheibe oder die Kolben gegenüber dem jeweiligen Zylinder abgewinkelt. Dem entsprechend ergibt sich zwischen jedem Zylinder und einem jeweiligen im Zylinder aufgenommene Kopf eine Abwinklung, die dem Schwenkwinkel der Maschine entspricht. Der Durchmesser des Kopfes entspricht dem Durchmesser des Zylinders. Durch den Umlauf der Zylinder-Kolben-Einheiten ergibt sich im Betrieb eine stetige Schwenkbewegung zwischen dem Kopf und dem Zylinder.

Die Druckschriften US 4,776,257 und DE 10 2007 01 1 441 A1 zeigen jeweils eine Axialkolbenmaschine mit einzelnen Zylinderhülsen. Dabei sind entweder die Kolben schräg zu den Zylinderhülsen oder die Zylinderhülsen schräg zu den Kolben angestellt. An den Kolbenköpfen sind Dichtungen vorgesehen.

Insbesondere bei großen Schwenkwinkeln wird der Kolbenkopf oder die daran befestigte Dichtung als Kugelabschnitt ausgebildet. Damit ergibt sich, dass ein Äquator des Kugelabschnitts in Anlage mit einer kreisförmigen Berührlinie der Zylinderwand ist. Im Betrieb der Axialkolbenmaschine ändern der Äquator an der Dichtung und die Berührlinie in der Zylinderwand stetig ihre Lage.

Nachteilig an derartigen Axialkolbenmaschinen ist, dass über die kreisförmige Berührlinie der Zylinderwand und über den Äquator des Kugelabschnitts eine Querkraft übertragen werden muss. Wenn zum Beispiel die Maschine als Motor betrieben wird und der Zylinder mit Arbeitsdruck beaufschlagt wird, wird der Kolbenkopf seitlich an die Zylinderwand gedrängt und dort mit jedem Hub verschoben. Dadurch entstehen Reibungsverluste zwischen den Zylindern und den Kolben. Beim Anfahren des Motors ergeben sich hohe Losbrechkräfte.

Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine hydrostatische Axialkolbenmaschine zu schaffen, bei der die Querkraftübertragung zwischen Zylinder und einem darin aufgenommenem abgewinkeltem balligen Kopf (z.B. Kolbenkopf) mit verminderten Reibungsverlusten möglich ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine hydrostatische Axialkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 .

Die erfindungsgemäße hydrostatische Axialkolbenmaschine hat eine Mehrzahl von Zylindern, in denen jeweils ein balliger Kopf eingesetzt ist. Dessen Längsachse ist zu einer Zylinderlängsachse um einen Schwenkwinkel schwenkbar oder drehbar. Je nach Maschinenkonzept ist der Schwenkwinkel über eine Versteilvorrichtung der Maschine einstellbar oder es handelt sich um eine Konstantmaschine, bei der der Schwenkwinkel fest ist. Am Innenmantel des Zylinders benachbart zum Kopf ist ein einseitiger Mantelabschnitt mit Arbeitsdruck des Zylinders beaufschagbar. Erfindungsgemäß wird somit der Innenmantel des Zylinders nicht gleichmäßig vollumfänglich sondern ungleichmäßig mit Arbeitsdruck beaufschlagt. Über den einseitigen Mantelabschnitt erfolgt die Einleitung der Querkraft über das Arbeitsdruckmittel des Zylinders statt über eine linienförmi- ge Anpressung zwischen Kopf und Innenmantel des Zylinders. Damit ist eine Axialkolbenmaschine geschaffen, bei der die Querkraftübertragung zwischen Zylinder und einem darin aufgenommenen abgewinkelten Kopf mit verminderten Reibungsverlusten möglich ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben. Insbesondere, wenn vergleichsweise große Schwenkwinkel ermöglicht werden müssen, kann der Kopf ein Kugelabschnitt sein.

Bei einer ersten Variante der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine ist zwischen dem Innenmantel des Zylinders und dem Kopf eine Dichtung angeordnet, die ebenfalls um den Schwenkwinkel mit dem Kopf schwenkbar oder drehbar ist. Damit steht die Dichtung immer senkrecht zur Kopflängsachse. Dadurch gibt die Dichtung den einseitigen Mantelabschnitt frei und begrenzt ihn.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein Außenrand der Dichtung zwischen einer Kreisform und einer Ellipsenform veränderbar. Ein Durchmesser der Kreisform entspricht einem Durchmesser des Innenmantels des Zylinders, und die Ellipsenform ist größer als die Kreisform.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist die Dichtung elastisch. In einem entspannten Zustand beziehungsweise im ausgebauten Zustand weist die Dichtung eine maximale Ellipsenform auf. Diese kann größer als die Ellipsenform im eingebauten Zustand sein, wenn die Dichtung im eingebauten maximal verschwenkten Zustand elastisch zusammengedrückt ist. In einem eingebauten und maximal gespannten Zustand weist die Dichtung die Kreisform auf.

Zur Befestigung der Dichtung am Kopf und zur Ermöglichung der elastischen Verformung zwischen Kreisform und Ellipsenform kann der Kopf einen ersten Nutabschnitt benachbart zum Mantelabschnitt und einen dem ersten Nutabschnitt gegenüber liegende zweiten Nutabschnitt aufweisen. Dann kann die Dichtung in ihrer Kreisform in die Nutabschnitte abschnittsweise eintauchen. Die beiden Nutabschnitte können auch zu einer um den Kopf umlaufenden Nut weitergebildet sein, und die Dichtung kann vollumfänglich in die Nut eingesetzt sein.

Die Dichtung kann aus Kunststoff bestehen und auf den Kopf aufgespritzt sein. Als Kunststoff wird ein Elastomer bevorzugt. Bei einer zweiten Variante der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine ist der Kugelabschnitt schwenkbar oder drehbar in einem Ring aufgenommen, der zwischen dem Kugelabschnitt und dem Innenmantel angeordnet ist. Der Kugelabschnitt bildet mit dem Ring ein Kugelgelenk, und der Ring bildet mit dem Zylinder ein Schubgelenk. Der Ring hat eine Vielzahl radialer Durchgangsbohrungen, die den Anlagebereich des Kugelabschnitts mit dem Ring mit einem Ringspalt verbinden, der zwischen dem Ring und dem Innenmantel des Zylinders gebildet ist. Der einseitige Mantelflächeabschnitt wird dadurch im Ringspalt hergestellt, begrenzt und insbesondere mit Arbeitsdruck beaufschlagt, dass mehrere Durchgangsbohrungen, die einseitig am Ring angeordnet sind, über eine kreisförmige Steuerkante des Kugelabschnitts aufgesteuert werden. Der Kugelabschnitt ist vorzugsweise eine Halbkugel.

Bei einem besonders bevorzugten Anwendungsfall ist die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine ein Motor. Dabei wird der einseitige Mantelabschnitt mit Arbeitsdruck des Zylinders beaufschlagt, um ein Abriebsdrehmoment einer Abtriebswelle zu erzeugen.

Bei einer Ausgestaltung der Axialkolbenmaschine sind deren Zylinder von jeweiligen einzelnen Zylinderhülsen gebildet, die jeweils an dem Kopf um den Schwenkwinkel schwenkbar gelagert ist. Dabei entfällt ein Verschieben des Kopfes relativ zur Zylinderhülse. Der Kopf und die Zylinderhülse bilden (lediglich) ein Kugelgelenk zum Schwenken des Zylinderhülse. Ein jeweiliger Kolben ist an einem dem Kopf gegenüber liegenden Endabschnitt in die Zylinderhülse verschiebbar eingesetzt.

Bei einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Axialkolbenmaschine sind die Köpfe an einem jeweiligen Kolben ausgebildet, wobei der Kolben im Zylinder verschiebbar ist. Damit fällt die Kopflängsachse mit einer Kolbenlängsachse zusammen.

Im Folgenden werden anhand der Figuren verschiede Ausführungsbeispiele der Erfindung detailliert beschrieben.

Es zeigen Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Axialkolbenmotors in einer seitlichen schematischen Darstellung,

Figur 2 eine Zylinder-Kolben-Einheit eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine in einer seitlichen schematischen Darstellung,

Figur 3 eine Zylinder-Kolben-Einheit eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine in einer seitlichen schematischen Darstellung und

Figur 4 eine Zylinder-Kolben-Einheit eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine in einer seitlichen schematischen Darstellung.

Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Axialkolbenmotors in einer seitlichen geschnittenen schematischen Darstellung. Im Innern eines Gehäuses 1 ist eine Mehrzahl von Zylinder-Kolben-Einheiten (z.B. sechs Einheiten) auf einer Kreisbahn angeordnet, von denen in der Figur nur zwei Einheiten dargestellt sind. Im Gehäuse 1 sind ein Hochdruckanschluss HD und ein Niederdruckanschluss ND ausgebildet. Diese sind über jeweilige Kanäle mit jeweils einer kreisbogenförmigen Anschlussniere (nicht näher gezeigt) verbunden, von denen eine Anschlussniere oberhalb der Zeichenebene und die andere Anschlussniere unterhalb der Zeichenebene liegt. Die beiden Anschlussnieren stehen mit einer der Anzahl der Zylinder-Kolben-Einheiten entsprechenden Anzahl von Durchgangsausnehmungen 2 in Wirkverbindung, die gleichmäßig auf einer Kreisbahn eines scheibenartigen ersten Rotors 4 verteilt angeordnet sind, und im Betrieb an den beiden Anschlussnieren vorbeilaufen. Der Rotor 4 ist über eine hydrostatische Gleitlagerung axial und über ein Wälzlager 6 radial im Gehäuse 1 gelagert.

In axialer Verlängerung jeder Durchgangsausnehmung 2 ist über eine Verbindungshülse 8 ein erster Kugelabschnitt 9 befestigt. Die Verbindungshülsen 8 haben gegenüber dem jeweiligen ersten Kugelabschnitt 9 einen etwas verringerten Durchmesser. Auf prinzipiell ähnliche Weise ist an einem zum ersten Rotor 4 angestellten zweiter Rotor 10 eine entsprechende Mehrzahl Durchgangsausnehmungen 12 vorgesehen, wobei be- nachbart zu jeder Durchgangsausnehmung 12 am zweiten Rotor 10 ein Hohlkolben 14 befestigt ist, an dessen Endabschnitt ein jeweiliger zweiter Kugelabschnitt 16 angeordnet ist. Auch die Hohlkolben 14 haben gegenüber dem jeweiligen Kugelabschnitt 16 einen etwas verringerten Durchmesser. Die Durchgangsausnehmungen 12 sind einer hydrostatischen Gleitlagerung des zweiten Rotors 10 zugeordnet.

Um die Kugelabschnitte 9, 16 ist jeweils eine Zylinderhülse 18 als Begrenzung eines Arbeitsraumes 20 angeordnet. Dabei weisen beide Kugelabschnitte 9, 16 exakt den gleichen Durchmesser auf, der dem Innendruchmesser der Zylinderhülse 18 entspricht. Durch geeignete z.B. am Außenumfang der Zylinderhülsen 18 angeordnete Maßnahmen (nicht gezeigt) wird verhindert, dass diese im Betrieb von den ersten Kugelabschnitten 9 abgezogen werden.

Die Kommutierung, also die abwechselnde Verbindung der Arbeitsräume zum Hochdruck- und zum Niederdruckanschluss HD, ND des Axialkolbenmotors, erfolgt durch die oben beschriebenen (nicht gezeigten) Anschlussnieren und durch die ersten Kugelabschnitte 9. Der erste Rotor 4 ist axial verschiebbar an einer Triebwelle 24 befestigt und radial gelagert. Die axiale Lagerung des Rotors 4 gegenüber dem Gehäuse 1 übernimmt eine hydrostatische Gleitlagerung, die mit der Kommutierung zusammengeführt ist. Die Trennung von radialer und axialer Last ermöglicht eine sehr präzise Abstimmung der axialen Entlastung hin zu 100% Entlastungsgrad und damit eine sehr reibungsarme Abstützung.

Der zweite Rotor 10 wird von einem Triebflansch oder von einer Triebwelle 4 über einen Kardan 26 mitgenommen. Die ungleichförmige Drehübertragung, die einem Kardangelenk innewohnt, wird durch die beidseitigen Kugelabschnitte 9, 16 der Zylinder-Kolben- Einheiten ausgeglichen. Ebenfalls ausgeglichen wird die auf den zweiten Rotor 10 bezogene Ellipsenbahn von den Mittelpunkten der kolbenseitigen Kugelabschnitte 9, 16. Damit ist das System vollständig bestimmt, im Gegensatz zur Schrägachsenmaschine mit Kegelkolben mit unbestimmter Zylindermitnahme gemäß dem Stand der Technik. Der zweite Rotor 10 wird ebenfalls über eine hydrostatische Entlastung von einer Verstelllinse 28 entkoppelt. Eine jeweilige Zylinderlängsachse 30 ist gegenüber einer jeweiligen Längsachse 32 des ersten Kugelabschnitts 9 schräg angestellt. Dabei entspricht ein Winkel der Schrägstellung dem Schwenkwinkel der Axialkolbenmaschine. An jedem ersten Kugelabschnitt 9 ist eine umlaufende Dichtung 34 befestigt, die erfindungsgemäß stets senkrecht zur Längsachse 32 des Kugelabschnitts 9 steht. Daraus ergibt sich, dass am Innenmantel jeder Zylinderhülse 18 (in Figur 1 jeweils oben) ein etwa sichelförmiger einseitiger Mantelabschnitt 36 gebildet ist. Das Bezugszeichen 36 weist dabei auf den Teil des jeweiligen Mantelabschnitts 36, der sich durch die geschnittene Darstellung der Zylinderhülsen 18 ergibt. Damit ist eine jeweilige Querkraft der Zylinder-Kolben-Einheiten, die zur Bildung eines Abtriebdrehmoments der Triebwelle 24 nötig ist, gegenüber dem Stand der Technik vergleichmäßigt. Die jeweilige Querkraft ergibt sich erfindungsgemäß aus dem Arbeitsdruck jeder Zylinder-Kolben-Einheit, der über den jeweiligen einseitigen Mantelabschnitt 36 (in Figur 1 ) nach oben wirkt. Dabei sind insbesondere die Querkräfte derjenigen Zylinder-Kolben-Einheiten drehmomentbildend, die in Figur 1 unterhalb oder oberhalb der Zeichenebene angeordnet sind.

Figur 2 zeigt eine Zylinder-Kolben-Einheit eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine in einer seitlichen schematischen Darstellung. Im Zylinder 1 18 ist ein Kugelabschnitt 109 eines Kolbens 1 14 aufgenommen, wobei eine Zylinderlängsachse 130 gegenüber einer Längsachse 132 des Kolbens 1 14 angestellt ist. Die Anstellung ergibt sich dadurch, dass der Kolben 1 14 über einen Kolbenfuß 140 an einer Schrägscheibe 142 der Axialkolbenmaschine abgestützt ist, wobei die Schrägscheibe 142 zur Erzeugung der Hubbewegung des Kolbens 1 14 gegenüber der Zylinderlängsachse 130 angestellt ist.

Erfindungsgemäß ist eine Dichtung 134 am Kugelabschnitt 109 befestigt, die sich stets senkrecht zur Längsachse 132 des Kolbens 1 14 ausrichtet. Dazu hat die Dichtung 134 in der in Figur 2 gezeigten Momentaufnahme eine elliptische Form. Dadurch ergibt sich am Innenmantel des Zylinders 1 18 ein einseitiger Mantelabschnitt 136, dessen eine Seite in Figur 2 in dreieckiger Form erscheint. Dieser Mantelabschnitt 136 ist nicht vollumfänglich mit dem Arbeitsdruck des Zylinders 1 18 beaufschlagt, sondern im Wesent- lieh in Figur 2 im oberen Bereich der Zylinders 1 18. Damit ergibt sich gegenüber dem Stand der Technik eine vergleichmäßigte Einleitung der Querkraft, die gemäß dem Stand der Technik über eine strichförmige Berührung zwischen dem Kugelabschnitt 109 und dem Zylinder 1 18 erfolgen würde.

Erfindungsgemäß ist dazu eine hydraulische Gesamtkraft 144 gegenüber dem Stand der Technik derart vorteilhaft verändert, dass sie stets senkrecht zur Kolbenlängsachse 132 ausgerichtet ist. Dies wird dadurch erreicht, dass die Dichtung 134 stets senkrecht zur Längsachse 132 des Kolbens 1 14 ausgerichtet wird. Erfindungsgemäß wird keine Querkraft über den Kugelabschnitt 109 auf den Zylinder 1 18 übertragen.

Figur 3 zeigt eine Zylinder-Kolben-Einheit eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine. Dieses entspricht weitgehend dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2. Abweichend vom zweiten Ausführungsbeispiel ist eine Dichtung 234 geschnitten dargestellt. Die Dichtung 234 ist in eine umlaufende Nut 246 des Kugelabschnitts 109 eingesetzt. Die Dichtung 234 ist derart elastisch ausgebildet, dass sie einerseits die in Figur 3 gezeigte elliptische Form annehmen kann und andererseits in eine Kreisform zusammengedrückt werden kann. Die Kreisform entspricht dem Innendurchmesser des Zylinders 1 18 und etwa dem Außendurchmesser des Kugelabschnitts 109. Die Größe der Ellipsenform ergibt sich in Abhängigkeit der Schrägstellung der Schrägscheibe 142 und damit der Längsachse 132 des Kolbens1 14. Erfindungsgemäß wird keine Querkraft über den Kugelabschnitt 109 auf den Zylinder 1 18 übertragen. Stattdessen wird gemäß dem mit Bezug zur Figur 2 erläuterten Prinzip die drehmomentbildende Querkraft über den Mantelabschnitt 136 eingeleitet.

Figur 4 zeigt eine Zylinder-Kolben-Einheit eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine. Der Kolben 1 14 hat eine Halbkugel 309, die eine kreisförmige Steuerkante 334 hat. Die Halbkugel 309 ist in einen Ring 348 eingesetzt, der dazu eine konzentrische Ausnehmung in Form eines Kugelabschnitts hat. Zwischen einem kreiszylindrischen Außenumfang des Rings 348 und der Innenwand des Zylinders 318 ist ein Ringspalt 350 vorgesehen. Somit ist zwischen der Halbkugel 309 und dem Ring 348 ein Kugelgelenk gebildet, während zwischen dem Ring 348 und dem Zylinder 318 ein Schubgelenk gebildet ist.

Der Ring 348 weist eine Vielzahl von feinen radialen Durchgangsbohrungen 352 auf. Diese werden an ihrem jeweiligen innen liegenden Endabschnitt durch die Halbkugel 309 verschlossen und geöffnet. Durch die Schrägstellung der Schrägscheibe 142 und damit der Längsachse 132 des Kolbens 1 14 steht auch die umlaufende Steuerkante 334 schräg im Inneren des Rings 348, so dass (in Figur 4) oben mehr Durchgangsbohrungen 352 geöffnet sind, als (in Figur 4) unten. Durch diese ungleichmäßige Verteilung der geöffneten Durchgangsbohrungen 352 wird beim vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung der Mantelabschnitt 336 erzeugt, dessen maximale Ausdehnung b entlang der Zylinderlängsachse 130 dargestellt ist. Dadurch wird erfindungsgemäß die Übertragung der drehmomentbildenden Querkraft vom Kolben 1 14 an den Zylinder 318 über eine hydrostatische Lagerung zwischen dem Ring 348 und dem Zylinder 318

vergleichmäßigt.

Insbesondere bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 2 bis 4, bei denen der jeweilige Kolben 1 14 entlang der Zylinderlängsachse 130 bewegt wird, wird durch diese Vergleichmäßigung der Verschleiß verringert.

Offenbart ist eine hydrostatische Axialkolbenmaschine mit einer Mehrzahl von Zylindern, in denen jeweils ein balliger Kopf eingesetzt ist. Dessen Längsachse ist zu einer Zylinderlängsachse um einen Schwenkwinkel schwenkbar oder drehbar. Je nach Maschinenkonzept ist der Schwenkwinkel über eine Versteilvorrichtung der Maschine einstellbar oder es handelt sich um eine Konstantmaschine, bei der der Schwenkwinkel fest ist. Am Innenmantel des Zylinders benachbart zum Kopf ist ein einseitiger Mantelabschnitt mit Arbeitsdruck des Zylinders beaufschagbar. Erfindungsgemäß wird also der Innenmantel des Zylinders nicht gleichmäßig vollumfänglich sondern ungleichmäßig mit Arbeitsdruck beaufschlagt. Über den einseitigen Mantelabschnitt erfolgt die Einleitung der Querkraft über das Arbeitsdruckmittel des Zylinders statt über eine linienförmige Anpressung zwischen Kopf und Innenmantel des Zylinders.