Hydrostatische Kolbenmaschine mit Ausgangsvolumenström in Umfangsrichtung

Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Kolbenmaschine.

Bei einer hydrostatischen Kolbenmaschine, in deren Gehäuse eine Zylindertrommel drehbar angeordnet ist, deren Zylinderbohrungen mit einer saugseitigen und einer druckseitigen Steuerniere wechselweise verbindbar sind, wird die maximal erreichbare Drehzahl maßgeblich durch die Strömungsbedingungen beim Eintritt des Druckmittels aus der saugseitigen Steuerniere in die Zylinderbohrungen bestimmt. Durch Verbesserungen der strömungstechnischen Randbedingungen kann das Einströmen des Druckmittels in die Zylindertrommeln auf der Saugseite verbessert werden. Allerdings sind aufgrund der geometrischen Gegebenheiten solche Maßnahmen, wie beispielsweise Vergrößern des durchströmbaren Querschnitts durch Vergrößern der öffnung in der Zylindertrommel oder der Fläche der Saugniere ebenso Grenzen gesetzt, wie der Verbesserung des Einströmfaktors beispielsweise durch abgerundete Kanten.

Aus der DE 30 18 711 C2 ist es außerdem bekannt, dem Druckmittel auf der Saugseite eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente zuzufügen, wodurch das Auftreten von Kavitation bei Erreichen der Drehzahlgrenze verhindert wird. Um eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente zu erzeugen, ist in einer Anschlussplatte ein Laufrad einer Pumpe angeordnet. Die zusätzliche Pumpe wirkt als Hilfspumpe. Ihr Laufrad wirkt mit einem Sammler zusammen. Der Sammler ist als Kanal sich ändernden Strömungsquerschnitts ausgebildet. Das in den Bereich der Steuerniere eintretende Druckmittel setzt sich aus zwei Komponenten zusammen. Zum einen tritt durch das Laufrad unmittelbar beschleunigtes Druckmittel in die Steueröffnung der Anschlussplatte ein. Zum anderen wird ein Teil des von dem Laufrad angesaugten Druckmittels zunächst in den Sammler gefördert und in einem sich verjüngenden Abschnitt des Sammlers zurück zum Laufrad

befördert, wo es eine weitere Beschleunigung erfährt, bevor es ebenfalls in die Steuerniere eintritt.

Die beschriebene Anordnung hat den Nachteil, dass zwingend eine zusätzliche Pumpe erforderlich ist, die dem angesaugten Druckmittel zusätzliche Energie verleiht. Die Anordnung des Laufrades in axialer Verlängerung der Welle der Kolbenmaschine hat weiterhin den Nachteil, dass der Bauraum der hydrostatischen Kolbenmaschine sich beträchtlich vergrößert. Dabei kann eine andere Anordnung nicht vorgesehen werden, da aufgrund der speziellen Ausprägung des Laufrads die Schaufelenden unmittelbar im Bereich des Eintritts in die Steuerniere angeordnet sein müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydrostatische Kolbenmaschine zu schaffen, bei der die durch die saugseitigen Strömungsbedingungen bestehende Drehzahlgrenze erhöht wird.

Die Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Kolbenmaschine nach Anspruch 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen hydrostatischen Kolbenmaschine ist in einem Gehäuse eine Zylindertrommel drehbar gelagert. In der Zylindertrommel sind mehrere Zylinderbohrungen angeordnet, die über Zylinderöffnungen in der Zylindertrommel mit einer ersten bzw. einer zweiten Steueröffnung verbindbar sind. Während eines Umlaufs der Zylindertrommel werden die Zylinderöffnungen der Zylinderbohrungen wechselweise mit der ersten bzw. der zweiten Steueröffnung verbunden. Die erste Steueröffnung steht mit einer Niederdruckleitung und die zweite Steueröffnung mit einer Hochdruckleitung in Verbindung. Zum Erzeugen eines Volumenstroms in Umfangrichtung ist mit der ersten Steueröffnung ein erster Anschluss eines Kanals und gegenüberliegend ein zweiter Anschluss des Kanals verbunden. Durch die gegenüberliegende Anordnung der beiden Anschlüsse des Kanals ergibt sich ein Nebenkreis,

wobei als Bestandteil dieses Nebenkreises die erste Steueröffnung vorgesehen ist. Dadurch entsteht eine Strömung durch den Kanal, wobei das durch den Kanal strömende Fluid dem jeweils aus der Niederdruckleitung angesaugten und über die erste Steueröffnung den Zylinderbohrungen zugeführte Druckmittel eine Beschleunigung erfährt. Durch diese Beschleunigung erfährt das angesaugte und in die Zylinderbohrungen einzusaugende Druckmittel eine tangentiale Komponente.

Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, dass zum Erzeugen der tangentialen Geschwindigkeitskomponente lediglich ein zusätzlicher Kanal vorzusehen ist. Auf eine Hilfspumpe kann im einfachsten Fall vollständig verzichtet werden. Das Ausbilden der Strömung entsteht nicht durch das Beschleunigen mittels der Flügel eines Laufrads, sondern allein aufgrund der Strömung in dem Nebenkreis beim Ansaugen des Druckmittels aus der Niederdruckleitung. Ein Teil des durch die Steueröffnung strömenden aus der Niederdruckleitung angesaugten Druckmittels wird zur Füllung der Zylinderbohrung verwendet, wohingegen der andere Teil in den an dem ersten Anschluss mit der Steueröffnung verbunden Kanal einströmt. über den Kanal wird das Druckmittel zurück zu dem zweiten Anschluss gefördert, wo es auf das aus der Niederdruckleitung einströmende Druckmittel trifft und so für eine Beschleunigung des angesaugten Druckmittels in Umfangsrichtung sorgt.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen hydrostatischen Kolbenmaschine ausgeführt.

Insbesondere ist es vorteilhaft, den ersten und den zweiten Anschluss auf einen gemeinsamen Umfangskreis anzuordnen, welcher zentrisch um die Drehachse der Zylindertrommel angeordnet ist. Auf diese Weise stimmt die in der ersten Steueröffnung ausgebildete Strömungsrichtung exakt mit der Umlaufrichtung der Zylindertrommel überein.

Die Strömungsrichtung in der ersten Steueröffnuήg und die Bewegungsrichtung der Zylinderöffnung sind damit entlang der ersten Steueröffnung parallel, wodurch sich die Eintrittsbedingungen für das Druckmittel in die Zylinderbohrungen verbessern. Damit kommt es nicht zur gefürchteten Kavitation und die Maximaldrehzahl lässt sich erhöhen. Hierzu ist es insbesondere vorteilhaft, die an die erste Steueröffnung angrenzenden Abschnitte des Kanals tangential bezüglich des Umfangkreises anzuordnen. Durch die tangentiale Anordnung der Abschnitte im Bereich um die erste Steueröffnung wird eine Wirbelbildung in der Strömung verhindert und somit ebenfalls das Risiko für das Auftreten von Kavitation verringert.

Um eine besonders günstige Beschleunigung des angesaugten Druckmittels aus der Niederdruckleitung zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Niederdruckleitung in den Kanal ausmündet. Das in dem Kanal im Kreis geförderte Druckmittel sowie das neu angesaugte Druckmittel aus den Niederdruckleitungen werden somit bereits vor dem Eintritt in den Bereich der ersten Steueröffnung miteinander vermischt und auf eine gemeinsame Geschwindigkeit gebracht. Das Druckmittel wird dann über den gemeinsamen Anschluss der ersten Steueröffnung zugeführt, wodurch keine gegenseitige negative Beeinflussung der Strömungsrichtung durch zwei im Bereich der ersten Steueröffnung vorhandene Anschlüsse auftreten kann.

Weiterhin ist es vorteilhaft einen Verbindungsabschnitt des Kanals außenliegend an einer Anschlussplatte einer hydrostatischen Kolbenmaschine vorzusehen. Durch eine solche außenliegende Anordnung werden die Gussgeometrien, die erforderlich sind, um die Anschlussplatte herzustellen einfach gehalten. Es ist lediglich erforderlich, die Anschlüsse zu der ersten Steueröffnung an der Anschlussplatte vorzusehen. Mittels bewährter Verbindungsund Dichttechniken kann dann in einfacher Weise eine Verrohrung außen an der Anschlussplatte angeordnet werden.

Andererseits ist es vorteilhaft, den Kanal vollständig innerhalb der Anschlussplatte auszubilden. Mit einer innerhalb der Anschlussplatte vorgesehenen Kanalanordnung wird erreicht, dass außen an der hydrostatischen Kolbenmaschine keine zusätzlichen Rohrleitungen erforderlich sind. Dies lässt einerseits die Außenflächen der Anschlussplatte frei, so dass Anschlussmöglichkeiten der Druck- oder Hochdruckleitung einfach realisiert werden können und andererseits ist der Kanal somit vor mechanischer Beschädigung geschützt.

Dabei ist eine besonders vorteilhafte Anordnung des Kanals in einem zwischen den beiden Steueröffnungen ausgebildeten Abschnitt der Anschlussplatte angeordnet. Das Vorsehen des Kanals in dem Bereich zwischen den beiden Steueröffnungen führt zu einer optimierten Ausnutzung des vorhandenen Bauraums der Anschlussplatte. Eine Vergrößerung der Anschlussplatte, wobei in dem vergrößerten Bereich der Kanal untergebracht wird, ist daher nicht erforderlich. Außerdem ist die Steueröffnung in der Regel nierenförmig ausgebildet, so dass die Strömung bei einem zwischen den Steuernieren angeordneten Kanal in etwa entlang eines Ovals erfolgt. Stärkere Umlenkungen, wie sie bei außerhalb der Steuerniere liegenden Kanalverlauf erforderlich sind, können somit entfallen.

Zusätzlich kann es vorteilhaft sein, den Kanal mit einer Hilfspumpe zu verbinden. Somit lassen sich innerhalb des Kanals noch höhere Strömungsgeschwindigkeiten erreichen und somit die Umfangsgeschwindigkeit des Druckmittels im Bereich der ersten Steueröffnung noch höheren Drehzahlen anpassen.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen hydrostatischen Kolbenmaschine sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer hydrostatischen Kolbenmaschine ;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Anschlussplatte der erfindungsgemäßen hydrostatischen Kolbenmaschine ;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Anschlussplatte einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Kolbenmaschine und

Fig. 4 eine Ansicht der Anschlussplatte entlang des Schnittes IH-III der Fig. 3.

Bevor auf spezielle Ausführungsbeispiele zur Realisierung einer Anschlussplatte einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Kolbenmaschine eingegangen wird, soll zunächst zum besseren Verständnis eine hydrostatische Kolbenmaschine 1 mit ihren wesentlichen Bauteilen erläutert werden. Die hydrostatische Kolbenmaschine 1 weist eine Anschlussplatte 2 auf; welche gemeinsam mit einem Gehäuseteil 9 ein Gehäuse der hydrostatischen Kolbenmaschine 1 bildet. Im Inneren des Gehäuses ist eine Antriebswelle 5 drehbar in einem ersten Lager 17 und einem zweiten Lager 18 gelagert, wobei ein Abschnitt 24 der Antriebswelle 5 mit einem korrespondierenden Abschnitt 23 einer Zylindertrommel 6 drehfest verbunden ist. Die Zylindertrommel 6 liegt an dem der Anschlussplatte 2 zugewandten Ende an einem Steuerspiegel 4 an, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel sphärisch ausgeführt ist und die Zylindertrommel 6 auf diese Weise an einer korrespondierenden Ausnehmung zentriert.

Zum Anschluss einer Hochdruck- bzw. einer Niederdruckleitung sind in der Anschlussplatte 2 eine erste Steueröffnung 12 sowie eine zweite Steueröffnung 15 vorgesehen. Die Steueröffnungen 12 und 15 sind über

Niederdruck- bzw. Hochdruckanschlüsse 16S bzw. 16D mit einer Niederdruckleitung bzw. einer Hochdruckleitung verbunden, die in der Fig. 1 nicht dargestellt sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Steuerspiegel 4 mit der ersten Steueröffnung 12 und der zweiten Steueröffnung 15 korrespondierende öffnungen 19 bzw. 20 auf.

In der Zylindertrommel 6 sind mehrere Zylinderbohrungen 26 angeordnet. Auf der der Anschlussplatte 2 zugewandten

Seite weist die Zylindertrommel 6 für jede Bohrung eine

Zylinderöffnung 27 auf. Die Zylinderöffnungen 27 sind so in der Zylindertrommel 6 angeordnet, dass sie bei einer

Drehung der Zylindertrommel 6 abwechselnd mit der öffnung 19 bzw. 20 und somit mit der ersten Steueröffnung 12 und der zweiten Steueröffnung 15 verbunden sind.

In den Zylinderbohrungen 26 sind Laufbuchsen 28 eingebracht. In den Laufbuchsen 28 sind jeweils Kolben 29 angeordnet. Die Kolben 29 sind über eine Kugelgelenkverbindung 30 mit einem Gleitschuh 31 verbunden. Der Gleitschuh 31 stützt sich auf einer Scheibe

32 ab. Zur hydrostatischen Entlastung der Gleitschuhe 31 und zur Schmierung der Kontaktfläche zwischen dem Gleitschuh 31 und der Scheibe 32 ist in dem Gleitschuh 31 eine Schmierölbohrung 33 vorgesehen. Die Schmierölbohrung

33 steht über eine in dem Kolben 29 angeordnete Bohrung 34 mit der Zylinderbohrung 26 in Kontakt und wird somit während eines Druckhubs mit Schmiermittel versorgt.

Die Scheibe 32 ist fest mit einer Schwenkwiege 3 verbunden, an der ein Hebelarm 14 angeordnet ist. Der Hebelarm 14 steht in Wirkverbindung mit einem Verstellkolben 13, wodurch der Neigungswinkel der Schwenkwiege 3 relativ zur Rotationsachse der Antriebswelle 5 verstellbar ist. Aufgrund der Schrägstellung der Schwenkwiege 3 führen die Kolben 29 in der Zylindertrommel 6 in ihren jeweiligen Zylinderbohrungen 26 eine Hubbewegung aus. Während eines

Saughubs wird dabei über den Niederdruckanschluss 16S sowie die erste Steueröffnung 12 Druckmittel in die Zylinderbohrung 26 angesaugt. Dementsprechend wird während eines Druckhubs das aus der Zylinderbohrung 26 durch den Kolben 29 verdrängte Druckmittel über die zweite Steueröffnung 15 und den Hochdruckanschluss 16D beispielsweise in eine nicht dargestellte Arbeitsleitung gefördert .

In der Fig. 2 ist eine schematische Darstellung für ein erstes Ausführungsbeispiel einer Anschlussplatte 2 einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Kolbenmaschine 1 dargestellt. Die Anschlussplatte 2 ist in der Fig. 2 mit ihrer dem Inneren der hydrostatischen Kolbenmaschine 1 zugewandten Seite dargestellt. In der Anschlussplatte 2 ist eine erste Steueröffnung 12 sowie eine zweite Steueröffnung 15 zu erkennen. Die erste Steueröffnung 12 sowie die zweite Steueröffnung 15 sind als Steuernieren ausgebildet. Die Steuernieren erstrecken sich entlang eines Umfangskreises 35 der zentrisch bezüglich der Drehachse der Antriebswelle 5 angeordnet ist. Der Radius des Umfangskreises 35 entspricht dem Abstand der Mitte der Zylinderöffnungen 27 von der Drehachse der Antriebswelle 5. Damit sind während eines Umlaufs der Zylindertrommel 6 die Zylinderöffnungen 27 wechselweise in überdeckung mit der ersten Steueröffnung 12 und der zweiten Steueröffnung 15.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die zweite Steueröffnung 15 über den Hochdruckanschluss 16D mit einer hochdruckseitigen Arbeitsleitung eines nicht weiter dargestellten hydraulischen Kreislaufs verbunden. Die erste Steueröffnung 12 steht dagegen über den

Niederdruckanschluss 16S mit einem Tankvolumen 36 in Verbindung. Die gezeigte Anschlussplatte ist zum Anschluss der hydrostatischen Kolbenmaschine 1 in einem offenen

Kreislauf vorgesehen.

Beim Betrieb der hydrostatischen Kolbenmaschine 1 als Pumpe wird über den Niederdruckanschluss 16S Druckmittel aus dem Tankvolumen 36 angesaugt und während eines Saughubs über die erste Steueröffnung 12 und die jeweils damit in Verbindung stehenden Zylinderöffnungen 27 in die Zylinderräume 26 gefördert. Erfindungsgemäß ist ein Kanal 37 vorgesehen, welcher einen Nebenkreis ausbildet und über einen ersten Anschluss 38 und einen zweiten Anschluss 39 mit der ersten Steueröffnung 12 verbunden ist. Benachbart zu dem ersten Anschluss 38 bzw. zweiten Anschluss 39 weist der Kanal 37 einen ersten Abschnitt 40 bzw. einen zweiten Abschnitt 41 auf. Der erste Abschnitt 40, der an den ersten Anschluss 38 angrenzt, verläuft zunächst entlang des Umfangskreises 35 oder tangential, bevor er zu einem Rohranschluss 42 hin zur Außenseite der Anschlussplatte 2 geführt ist.

Dementsprechend ist auch benachbart zu dem zweiten Anschluss 39 der zweite Abschnitt 41 des Kanals 37 entlang des Umfangskreises 35 oder tangential weitergeführt, bevor er aus der Anschlussplatte 2 hin zu einem zweiten Rohranschluss 43 geführt ist. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist der erste Rohranschluss 42 mit dem zweiten Rohranschluss 43 über eine außenliegende Verrohrung 44 verbunden. Der Einfachheit halber ist die außenliegende Verrohrung einstückig dargestellt. Ebensogut ist es jedoch möglich, eine mehrteilige Verrohrung 44 vorzusehen, wobei es besonders vorteilhaft sein kann, die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Kanals 37 durch eine in dem Kanal 37 angeordnete oder damit verbundene Hilfspumpe zu erhöhen.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Zusammenführung des Niederdruckanschlusses 16S und des Kanals 37 außerhalb der Anschlussplatte 2 vorgesehen. Der Kanal 37 weist hierzu eine Verzweigung 45 auf. Der gemeinsame Eintritt des über den Niederdruckanschluss 16S angesaugten Druckmittels mit dem in dem Kanal 37 im Kreis strömenden Druckmittel über den ersten Rohranschluss 42

und den gemeinsamen ersten Abschnitt 40 hat den Vorteil, dass im Zeitpunkt des Eintritts in die erste Steueröffnung 12 das gesamte strömende Druckmittel bereits eine weitgehend homogene Geschwindigkeitsverteilung hat. Dies betrifft sowohl den Betrag der Geschwindigkeit als auch die Strömungsrichtung. Die Strömungsrichtung ist näherungsweise parallel zu der Zeichenebene und verläuft entlang des Umfangkreises 35 in der durch den Pfeil angegebnen Richtung. Die Strömungsrichtung stimmt damit mit der Drehrichtung der Zylindertrommel 6 überein, wobei bevorzugt eine übereinstimmung der Rotationsgeschwindigkeit mit der Strömungsgeschwindigkeit entlang des Umfangkreises 35 der ersten Steueröffnung 12 vorgesehen ist.

Anstelle der Verzweigung 45 außerhalb der Anschlussplatte 2 ist es ebenso möglich, zum Zuführen des Druckmittels aus dem Tankvolumen 36 einen Niederdruckanschluss 16S vorzusehen, welcher über eine separate Anschlussstelle mit einem entsprechenden Kanal innerhalb der Anschlussplatte 2 verbunden ist. Der Kanal 37 ist in jedem Fall möglichst verlustarm auszuführen.

In der Fig. 3 ist eine weitere Ausgestaltung einer Anschlussplatte .2' dargestellt. Im Gegensatz zu dem zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel ist der Kanal 37 bei dem

Ausführungsbeispiel der Fig. 3 als innenliegender Kanal innerhalb der Anschlussplatte 2' ausgeführt. Dabei ist vorzugsweise der Kanal 37 im Bereich der Abschnitte 40' und 41' benachbart zu dem ersten Anschluss 38 bzw. dem zweiten Anschluss 39 ebenfalls in Umfangsrichtung weitergeführt. Der erste Abschnitt 40' und der zweite

Abschnitt 41' sind über einen Verbindungsabschnitt 50 des

Kanals 37 miteinander verbunden, wobei dieser Verbindungsabschnitt 50 zwischen der ersten Steueröffnung

12 und der zweiten Steueröffnung 15 angeordnet ist.

Die Zusammenführung des in dem Kanal 37 im Kreis gepumpten Druckmittels sowie des über den Niederdruckanschluss 16S

angesaugten Druckmittels erfolgt in einem Vereinigungsbereichs 51, der vorzugsweise in dem Bereich des ersten Abschnitts 40' angeordnet ist. Durch das Anordnen des Vereinigungsbereich 51 in dem Bereich des ersten Abschnitts 40' wird sichergestellt, dass die beiden Teilströmungen in dem Kanal 37 bzw. dem Niederdruckanschluss 16S vor dem Eintritt in die erste Steueröffnung 12 am ersten Anschluss 38 eine einheitliche Strömungsrichtung erreichen.

Sowohl in der Fig. 2 als auch in der Fig. 3 ist durch die gestrichelte Darstellung angedeutet, dass die einzelnen Kanalabschnitte bzw. Anschlüsse in einem nicht sichtbaren Bereich der Anschlussplatte 2 bzw. 2' liegen und zu der in den Fig. 1 bzw. 2 dargestellten sichtbaren Fläche der Anschlussplatten 2 bzw. 2' nicht offen sind.

Eine Schnittdarstellung der Anschlussplatte 2' entlang der Linie III-III ist in der Fig. 4 dargestellt. Auf der rechten Seite der Fig. 4 ist die dem Gehäuseinneren der hydrostatischen Kolbenmaschine 1 zugewandte Seite der Anschlussplatte 2' dargestellt. Dementsprechend sind die Ausmündungen der ersten Steueröffnung 12 bzw. der zweiten Steueröffnung 15 zu erkennen. In dem an die erste Steueröffnung 12 angrenzenden Vereinigungsbereich 51 münden in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Saugleitungskanal 52 sowie der erste Abschnitt 40' aus. Die beiden Teilströmungen vereinigen sich in dem Vereinigungsbereich 51 und strömen gemeinsam in den Bereich der ersten Steueröffnung 12.

Die Erfindung ist nicht auf die ausgeführten Darstellungsbeispiele begrenzt. Vielmehr sind auch einzelne Merkmale der Ausführungsbeispiele in beliebiger Weise miteinander kombinierbar.