337904 DE - Herr Nickel

Hydrostatische Radialkolbenmaschine und Kolben für eine hydrostatische Radialkolbenmaschine

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Radialkolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und einen Kolben für eine derartige Radialkolbenmaschine. In der EP 0 524 437 A1 ist eine Radialkolbenmaschine gezeigt, bei der in einem Zylinderblock eine Vielzahl von Kolben in Radialrichtung verstellbar geführt sind. Diese Kolben begrenzen gemeinsam mit einer Zylinderbohrung einen Arbeitsraum, dessen Volumen sich mit dem Hub der Kolben ändert. Der Zylinder ist drehbar in einem Gehäuse gelagert, wobei die von den Arbeitsräumen entfernten Endabschnitte der Kolben über Rollen an einem Hub- ring abgestützt sind. Dieser drehfest mit dem Gehäuse verbundene Hubring hat eine Hubfläche, die den Hub der Kolben bei der Rotation des Zylinderblocks bestimmt. Die Druckmittelzufuhr und -abfuhr zu den jeweiligen Arbeitsräumen wird über eine Ventilplatte gesteuert. Eine derartige Hydromaschine kann sowohl als Pumpe als auch als Motor betrieben werden. Die einzelnen Rollen sind bei dem Stand der Technik an einem Rollenkäfig, der Teil eines Kolbens ist, hydrostatisch gelagert, wobei jede Rolle vom Rollenkäfig in Radialrichtung um mehr als 180° Umfangswinkel umgriffen und somit in Radialrichtung gesichert ist. Der Rollenkäfig ist mit einer Gleitlagerfläche ausgeführt, in der eine hydrostatische Drucknut ausgebildet ist, die in Druckmittelverbindung mit dem Arbeitsraum steht, so dass abgesehen von Drossel- und Spalteffekten in der Drucknut ein Druck anliegt, der in etwa demjenigen im Arbeitsraum entspricht.

Bei der Radialkolbenmaschine gemäß der EP 0 524 437 A1 sind die Rollen in einem großen Winkelbereich hydrostatisch abgestützt. Der hydrostatische Druck wirkt dabei natürlich nicht

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BESTÄTIGUNGSKOPIE nur auf die Rollen, sondern auch an der Gleitlagerfläche der Kolben. Wenn der Druck über einen großen Winkelbereich vorhanden ist, so werden die Bereiche eines Kolbens seitlich der Rolle von dem Druck etwas von der Rolle weggebogen. Zudem werden die Rollen beim Abrollen auf der Hubfläche von einer Kraft beaufschlagt, die in etwa senkrecht auf der Hub- fläche steht und damit eine Komponente senkrecht zu einer von der Kolbenachse und der Rollenachse aufgespannten Ebene hat und deshalb eine Rolle einseitig an eine Wand des Rollenkäfigs drückt. Um zu vermeiden, dass aufgrund der angeführten Effekte insbesondere bei hohen Drücken ein großer Spalt zwischen einer Rolle und der anderen Wand eines Rollenkäfigs auftritt, hat man bei der Radialkolbenmaschine nach der EP 0 524 437 A1 die Kol- ben mit einer Aussparung versehen. Diese bewirkt, dass die Kolben zentral geschwächt werden und, wenn die Rollen an der tiefsten Stelle des Rollenkäfigs gegen die Kolben drücken, die sich seitlich der Rollen befindlichen Bereiche entgegen der auf sie wirkenden Druckkraft nach innen zurückgeschwenkt werden. Die Leckage über den Spalt zwischen Rolle und Kolben ist somit auch dann gering, wenn sich die Drucknut über einen großen Winkelbereich erstreckt.

Nachteilig ist jedoch, dass die Kolben am Boden des Rollenkäfigs geschwächt werden und dadurch die Ausbildung eines Ölfilms zwischen Rolle und Kolben insbesondere bei großen Lasten und damit hohen Drücken erschwert und eventuell unvollkommen ist.

In der US 5,979,295 ist eine Radialkolbenmaschine offenbart, bei der der Rollenkäfig durch zwei beidseitig an den Kolben angesetzte zylindersegmentförmige Schalenabschnitte gebildet ist. Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Radialkolbenmaschine mit einem guten Wirkungsgrad und einen Kolben für eine derartige Radialkolbenmaschine zu schaffen.

Diese Aufgabe wird im Hinblick auf die Radialkolbenmaschine durch die Merkmals- kombination des Patentanspruches 1 und im Hinblick auf die Kolben durch die Merkmale des nebengeordneten Patentanspruches 11 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Seite 2 von 13 Erfindungsgemäß hat die Radialkolbenmaschine einen Zylinderblock, in dem eine Vielzahl von Kolben radial verschiebbar geführt ist, wobei diese jeweils mit einer Zylinderbohrung einen Arbeitsraum begrenzen. Die Kolben sind jeweils über eine Rolle an einem Hubring abgestützt, so dass sie bei einer Relativbewegung zwischen Hubring und Zylinderblock ei- nen Hub durchführen. Die Rollen sind drehbar in einem Rollenkäfig aufgenommen und dabei hydrostatisch entlastet, wobei in einer Gleitlagerfläche eine umlaufende hydrostatische Drucknut ausgebildet ist, die vorzugsweise über einen Versorgungskanal mit der jeweiligen Arbeitskammer verbunden ist. Erfindungsgemäß ist die Drucknut derart in der Gleitlagerfläche positioniert, dass sich auch bei ungünstigen Betriebsbedingungen der Radialkolbenmaschine ein zwischen dem Außenumfang der Rollen und der Gleitlagerfläche bildender Spalt nicht oder nur unwesentlich hin zur Drucknut öffnet, so dass die eingangs erläuterten Leckagen stark verringert werden können. Durch eine Verkleinerung des Winkelbereichs, in dem die Drucknut liegt, wird dabei auch erreicht, dass die druckbeaufschlagte Fläche am Kolben kleiner wird und die seitlichen Bereiche der Kolben weniger von den Rollen weggebogen werden. Es genügt deshalb eine relativ geringe Verkleinerung des Winkelbereichs gegenüber dem Bekannten für eine Verringerung der Leckage, da nicht nur die Drucknut in Richtung geringerer Spaltbreite wandert, sondern auch der spalt nicht mehr so weit nach innen reicht.

Somit wird insbesondere bei einer Radialkolbenmaschine mit massiven Kolben ohne innere Ausnehmung eine gute hydrostatische Entlastung der Rollen, sondern auch eine verbesserte Bildung eines hydrodynamischen Ölfilms zwischen Rolle und Kolben erhalten. Diese erfindungsgemäße Lösung wendet sich ab von herkömmlichen Lösungen, bei denen man stets versucht, durch eine sich über einen möglichst großen Umfangsbereich erstreckende hydrostatische Drucknut eine bestmögliche hydrostatische Abstützung der jeweiligen Rolle zu gewährleisten. Es zeigte sich überraschender weise, dass durch das bewusste Inkaufnehmen einer etwas verringerten Wirkfläche für die hydrostatische Abstützung durch die erheblich verminderte Leckage der Wirkungsgrad der Radialkolbenmaschine, insbesondere bei hohen Drücken wesentlich verbessert werden konnte. Dies geht einher mit einer deutlichen Verringerung der Reibungsverluste gegenüber den herkömmlichen Lösungen, wobei diese Verbesserungen sowohl im Motor- als auch im Pumpenbetrieb auftreten.

Seite 3 von 13 Die Reduzierung der Leckage und die Verbesserung der Fluidfilmbildung und die damit einhergehend Verringerung der Reibungsverluste lässt sich weiter verbessern, wenn die Drucknut innerhalb eines Winkelbereiches von +/- 60 Grad der Gleitlagerfläche bezogen auf eine an der Kolbenachse und der Rollen-Achse aufgespannten Ebene verläuft., wenn also die Drucknut nicht über einen von der Ebene aus gemessenen Winkel hinausgeht, der kleiner/gleich 60 Grad ist. Unter dem Begriff„Winkelbereich" wird dabei der Winkel verstanden, wie er in der später erläuterten Figur 2 eingezeichnet ist.

Der Wirkungsgrad der Radialkolbenmaschine lässt sich weiter verbessern, wenn die

Drucknut in einem Winkelbereich ausgebildet ist, der sich in Umfangsrichtung der Gleitlagerfläche innerhalb von +/- 60 Grad und +/- 30 Grad erstreckt, wenn also der Winkelbereich, in dem sich die Drucknut befindet, nicht größer als 120 Grad und nicht kleiner als 60 Grad ist. Somit könnte sich also die Drucknut im einen Extremfall zu beiden Seiten der Ebene von null bis sechzig Grad und im anderen Extremfall zu beiden Seiten der Ebene von null bis 30 Grad erstrecken. Insbesondere sollte sich der Winkelbereich maximal zwischen +/- 55 Grad und minimal zwischen +/- 30 Grad bezogen auf die von einer Kolbenachse und einer

Rollenachse aufgespannte Ebene erstreckenalso maximal 110 Grad und minimal 60 Grad groß sein. Der Aufbau des Kolbens ist besonders einfach, wenn der Rollenkäfig einstückig mit einem Kolbenhemd ausgebildet ist.

Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit weiter verbesserter hydrostatischer Abstützung ist die Erstreckung der Drucknut in Richtung der Rollenachse größer als in Umfangsrichtung.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umgreift der Rollenkäfig die jeweilige Rolle formschlüssig, so dass sie unverlierbar aufgenommen ist. Die hydrostatische Drucknut kann länglich mit zwei etwa parallel zur Rollen-Achse verlaufenden geraden Nutabschnitten und zwei diese verbindenden gekrümmten Nutabschnitten ausgeführt sein.

Seite 4 von 13 Bei einer derartigen Variante kann die Versorgungsnut in die geraden Nutabschnitte einmünden.

Das Entstehen von Deformationen und einer damit einhergehenden Spaltbildung lässt sich weiter verringern, wenn der Kolben in dem sich an den Rollenkäfig anschließenden Teil massiv ausgebildet ist.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Zylinderblock drehbar und der Hubring gehäusefest angeordnet. In kinematischer Umkehr könnte jedoch auch der Hub- ring verdreht werden und der Zylinderblock still stehen.

Der erfindungsgemäße Kolben für eine Radialkolbenmaschine hat einen Rollenkäfig, an dem eine Gleitlagerfläche mit einer umlaufenden hydrostatischen Drucknut ausgebildet ist, wobei diese in Umfangsrichtung innerhalb eines Winkelbereiches verläuft, dessen maximale Weite kleiner oder gleich +/- 60 Grad , vorzugsweise kleiner oder gleich +/- 55 Grad, aber nicht kleiner als +/- 30 Grad ist.

Die Kolben sind bevorzugt massiv ohne eine innere Ausnehmung. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand schemati- scher Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen

Figur 1 einen stark vereinfachten Schnitt durch eine Radialkolbenmaschine,

Figur 2 eine Detaildarstellung der Radialkolbenmaschine aus Figur 1 ,

Figur 3 eine Draufsicht auf einen Rollenkäfig der Radialkolbenmaschine

gemäß Figur 1 und

Figur 4 einen Vergleich der Filmdicke und der Leckage einer erfindungsgemäßen Radialkolbenmaschine mit einer herkömmlichen Radialkolbenmaschine.

Figur 1 zeigt einen Radialschnitt durch eine erfindungsgemäße Radialkolbenmaschine 1 , in deren nicht dargestelltem mehrteiligen Gehäuse ein Zylinderblock 2 drehbar gelagert ist. Dieser hat eine Innenverzahnung 4, die in Eingriff mit einer Antriebs- bzw. Abtriebswelle (je nach Betriebsmodus der Maschine) steht. Im Zylinderblock 2 ist eine Vielzahl von Zylinder- Seite 5 von 13 bohrungen 6 ausgebildet, in denen jeweils ein massiver Kolben 8 ohne innere Ausnehmung verschiebbar geführt ist. Dieser begrenzt mit der jeweiligen Zylinderbohrung 6 einen Arbeitsraum 10, der über eine nicht dargestellte Ventil- oder Steueranordnung alternierend mit Nieder- oder Hochdruck verbindbar ist. An dem vom Arbeitsraum 10 entfernten Kolbenhemd jedes Kolbens 8 ist ein Rollenkäfig 12 ausgebildet, in dem eine Rolle 14 drehbar gelagert ist, die an einer Hubfläche 16 eines Hubrings 18 abrollt, der gehäusefest angeordnet ist beziehungsweise ein Teil des Gehäuses bildet.

Figur 2 zeigt einen Teilbereich der Radialkolbenmaschine 1 mit einer Zylinderbohrung 6, dem darin verschiebbaren Kolben 8 und der Rolle 14, die an der Hubfläche 16 des Hubrings 18 abrollt. Der Kolben 8 begrenzt mit der Zylinderbohrung 6 die Arbeitskammer 10, die je nach Drehwinkelposition des Zylinderblocks 2 mit Hoch- oder Niederdruck verbunden ist.

Gemäß Figur 2 ist der Rollenkäfig 12 einstückig mit dem Kolben 8 ausgebildet und umgreift mit seinen in der Draufsicht gemäß Figur 3 gut sichtbaren Seitenwangen 20, 22 den Außenumfang der Rolle 14 um einen Umfangswinkel von mehr als 180°, so dass diese in Radialrichtung gesichert ist. Der Rollenkäfig 12 bildet dabei eine kreiszylindersegmentförmige Gleitlagerfläche 24, deren Durchmesser demjenigen der Rolle 14 entspricht. Zur hydrostatischen Entlastung oder Abstützung der Rolle 14 ist in der Gleitlagerfläche 24 eine umlaufende hyd- rostatische Drucknut 26 ausgebildet, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel durch zwei parallel zur Rollen-Achse 28 verlaufende gerade Nutabschnitte 30, 32 und zwei diese verbindende gekrümmte Nutabschnitte 34, 36 gebildet ist. Letztere sind beim dargestellten Ausführungsbeispiel kreisbogenförmig gekrümmt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Verhältnis des Kolbendurchmessers zum Rollendurchmesser in etwa 1.2 bis 1.4.

In der Ansicht gemäß Figur 3 ist die Länge I der Drucknut 26 deutlich größer als deren Breite b. Die Drucknut 26 ist über ein Versorgungskanal 38 mit dem Arbeitsraum 10 verbunden, so dass in der Drucknut 26 in etwa der gleiche Druck wie in dem Arbeitsraum 10 anliegt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel verläuft der Versorgungskanal 38 parallel zur Kolbenach- se 40 (Figur 2).

In der Seitenansicht gemäß Figur 2 erstreckt sich die Drucknut 26 in Umfangsrichtung der Gleitlagerfläche 24 über den in Figur 2 mit A gekennzeichneten Bereich, der deutlich schmaler als bei den herkömmlichen Lösungen ist. Bezogen auf eine in Figur 2 senkrecht zur Zei-

Seite 6 von 13 chenebene verlaufenden und durch die Kolbenachse 40 und die Längsachse 28 der Rolle 14 verlaufende Ebene erstreckt sich dieser Bereich A nach beiden Seiten über einen Winkel a, der bei dem in den Figuren 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiel 45 Grad ist. Allgemein kann der Winkel α maximal 60 Grad, vorzugsweise maximal 55 Grad, und minimal 30 Grad sein. Besonders vorteilhaft liegt der Winkel α zwischen 40 Grad und 50 Grad. Die Breite b der Drucknut 26 wird in der Ansicht nach Figur 3 vergleichsweise gering, was zu dem im Folgenden erläuterten Vorteil führt.

Zur Erläuterung sei angenommen, dass die Radialkolbenmaschine 1 als Motor betrieben wird und in dem Arbeitsraum 10 ein vergleichsweise hoher Druck anliegt. Durch diesen Druck in dem Arbeitsraum 10 wird die Rolle 14 gegen die Hubfläche 16 gedrückt, so dass aufgrund der Anstellung der Hubfläche 6 eine Kraft F _N auf die Rolle 14 wirkt. In der Darstellung gemäß Figur 2 drückt diese Kraft F _N die Rolle 14 nach rechts, so dass diese gegen die transversale Kraft F _T des Rollenkäfigs 12 abgestützt wird. Aufgrund einer unvermeidbaren Deformation des Rollenkäfigs 12 und auch der Rolle 14 öffnet sich in der Darstellung gemäß Figur 2 links ein etwa sichelförmiger Spalt 42, der beim eingangs beschriebenen Stand der Technik zu einer Leckage führte. Erfindungsgemäß ist der Winkel α und somit der Bereich A so gewählt, dass die Leckage von der Drucknut 26 zum Spalt 42 auf ein Minimum reduziert ist. In der Darstellung gemäß Figur 2 erkennt man, dass die Drucknut 26 gerade noch unter- halb des Spalts 42 verläuft und somit im Wesentlichen keine Druckmittelverbindung und somit eine stark reduzierte Leckage entsteht. Dabei liegt es auf der Hand, dass die Leckage nicht vollständig vermieden werden kann. Durch geeignete Relativpositionierung der Drucknut 26 mit Bezug zu dem bei ungünstigen Betriebsbedingungen maximal zu erwartenden Spalt 42 kann diese Leckage jedoch ganz erheblich reduziert werden.

Bei der Konzeption der Drucknut 26 ist darüber hinaus darauf zu achten, dass die Rolle 14 in den mit A und mit B gekennzeichneten Bereichen hydrostatisch unterstützt wird und in dem mit C gekennzeichneten Bereich ein hydrodynamischer Ölfilm entsteht. Die Bereiche B und C verlaufen in der Darstellung gemäß Figur 2 außerhalb des von der Drucknut 26 umgriffe- nen Bereiches, wobei der gegenüber den herkömmlichen Lösungen vergrößerte wirksame Flächenbereich B beim Starten des Motors eine seitliche Abstützung ausbildet. Wobei der gegenüber den herkömmlichen Lösungen vergrößerte wirksame Flächenbereich B beim Anlaufen des Motors als seitliche Abstützung wirkt. Zusätzlich wird während der Drehung seit-

Seite 7 von 13 lieh ein großer Stützbereich (B + C) gebildet, der es ermöglicht, dass sich ein dicker hydrodynamischer Ölfilm bildet. Dieser hydrodynamische Ölfilm trennt die Hubrolle 14 und die Lagerfläche 64 im Seitenbereich des Rollenkäfigs 12 wirksam sowohl während des Arbeitshubes als auch während des Rückhubes des Kolbens 8. Mit anderen Worten gesagt, durch die Ausbildung der Drucknut 26 in einem vergleichsweise geringen Winkelbereich A (2a) werden die für eine seitliche hydrostatische und hydrodynamische Abstützung wesentlichen Flächenbereiche B und C gegenüber den eingangs beschriebenen Lösungen deutlich vergrößert, so dass bei verringerter Leckage die Reibung sowohl während des Anlaufens des Motors als auch während des Motorbetriebs deutlich verringert ist.

Dies wird anhand der Figur 4 verdeutlicht.

Figur 4a zeigt ein Diagramm, in dem die Leckage Q _L an einem Kolben als eine Funktion der Gleitgeschwindigkeit v bei einer herkömmlichen und einer erfindungsgemäßen Ra- dialkolbenmaschine gegenüber gestellt wird, wobei die Verläufe für unterschiedliche Drücke (100 bar, 200 bar, 300 bar) aufgenommen wurden. Die gestrichelten Kurven zeigen die Leckage für eine herkömmliche Radialkolbenmaschine, die durchgehenden Linien für eine erfindungsgemäße Radialkolbenmaschine. Man erkennt deutlich, dass die Leckage bei der erfindungsgemäßen Radialkolbenmaschine deutlich geringer als bei einer herkömmlichen Radialkolbenmaschine ist.

Figur 4b zeigt ein Diagramm, in dem die Minimum-Filmdicke d der erfindungsgemäßen Radialkolbenmaschine und einer herkömmlichen Radialkolbenmaschine im Bereich C gegenüber gestellt ist. In diesem Diagramm sind die Filmdicken als eine Funktion der Gleitge- schwindigkeit v bei unterschiedlichen Drücken (100 bar, 200 bar, 300 bar) aufgetragen. Die gestrichelten Kurven zeigen die Filmdicke für eine herkömmliche Radialkolbenmaschine, die durchgehenden Linien für eine erfindungsgemäße Radialkolbenmaschine. Deutlich ablesbar ist, dass die Filmdicke bei der erfindungsgemäßen Radialkolbenmaschine im vergleichbaren Druckbereich stets größer als bei einer herkömmlichen Radialkolbenmaschine ist.

Den Diagrammen nach den Figuren 4a und 4b liegen Kolben mit einem Winkel α von 48 Grad zugrunde. Auch ein Winkel α von 48 Grad ist ein bevorzugter Winkel.

Seite 8 von 13 Gemäß den von der Anmelderin durchgeführten Versuchen konnte durch die erfindungsgemäße Konstruktion eine Reduktion der Leckage im Bereich von 40% bis 75% gegenüber einer herkömmlichen Lösung erzielt werden, wobei die Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik besonders deutlich bei höheren Drücken ist. Die Reibungsverluste konnten insbesondere im Pumpenmodus gegenüber den herkömmlichen Lösungen um 50% bis 75% verringert werden. Dabei ist allerdings zu beachten, dass die Reibung beim Start der Maschine aufgrund der verringerten, durch die Drucknut 26 bestimmten Abstützfläche etwas größer als bei herkömmlichen Lösungen sein können. Erfindungsgemäß wird dieser Nachteil jedoch in Kauf genommen, da die vorstehend genannten Vorteile bei weitem überwiegen.

Offenbart sind eine Radialkolbenmaschine und ein Kolben für eine Radialkolbenmaschine, bei denen in Radialrichtung bewegbare Kolben über eine Rolle entlang einer Hubfläche eines Hubrings geführt sind. Die Rolle ist hydrostatisch über eine Drucknut in einer Gleitlagerfläche eines Rollenkäfigs abgestützt. Die Geometrie der Drucknut ist so gewählt, dass zum einen die Leckage verringert ist und zum anderen die seitliche Abstützung durch Vergrößern von hydrostatischen und hydrodynamischen Flächenabschnitten verbessert ist.

Seite 9 von 13 Bezuqszeichenliste:

1 Radialkolbenmaschine

2 Zylinderblock

4 Innenverzahnung

6 Zylinderbohrung

8 Kolben

10 Arbeitskammer

12 Rollenkäfig

14 Rolle

16 Hubfläche

18 Hubring

20 Seitenwandung

22 Seitenwandung

24 Gleitlagerfläche

26 Drucknut

28 Achse

30 gerader Nutabschnitt

32 gerader Nutabschnitt

34 gekrümmter Nutabschnitt

36 gekrümmter Nutabschnitt

38 Versorgungsnut

40 Kolbenachse

42 Spalt

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