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Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine mit
einer Vorrichtung zur Minderung von Strömungspulsationen.
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Beim Betrieb von hydrostatischen
Kolbenmaschinen kommt es bauartbedingt zu einer Pulsation des Drucks
durch ungleichförmige
Förderung
des verwendeten Druckmittels, welches sich über das Leitungssystem ausbreitet.
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Aus der
DE 100 34 857 A1 ist eine
Vorrichtung zum Mindern der Pulsation bekannt, bei der in dem Umsteuerbereich
des Steuerspiegels eine Druckausgleichsleitung ausmündet, welche
mit der hochdruckseitigen Steuerniere über eine gesteuerte Drossel
verbunden ist. Die gesteuerte Drossel besteht aus einem Kolben,
welcher eine Steuerkante aufweist, wobei die Gleichgewichtsposition
des Kolbens durch eine Druckfeder sowie in entgegengesetzter Richtung
durch eine Druckkraft eingestellt wird, wobei die Druckkraft durch
den in der Hochdrucksteuerniere herrschenden Druck erzeugt wird. Mit
diesem System läßt sich
im Vergleich zu herkömmlichen
Steuerkerben eine verbesserte Anpassung an den jeweiligen Betriebszustand
der Kolbenmaschine erreichen.
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Nachteilig an der vorstehend beschriebenen Kolbenmaschine
ist, daß sich
die Strömungspulsationen,
welche zwar nur gemindert auftreten, sich jedoch nicht vollständig vermeiden
lassen, auf den Steuerkolben übertragen,
und somit der Steuerkolben seinerseits zu einer Schwingung angeregt
werden kann. Dies hat einen unmittelbaren Einfluß auf die Effektivität des Druckausgleichs,
der durch die variable Drossel ermöglicht werden soll. Weiterhin
ist nachteilig, daß aufgrund
der Bewegung des Steuerkolbens, der durch die Pulsation des Drucks
in der Hochdrucksteuerniere unvermeidlich ist, ein erheblicher Verschleiß an der
Pulsationsminderungsvorrichtung auftritt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine
Kolbenmaschine mit Pulsationsminderung zu schaffen, welche einfach
und kostengünstig
zu realisieren ist und die keine zusätzlichen Bauteile und keinen
zusätzlichen
Bauraum erfordert.
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Die Aufgabe wird durch die Kolbenmaschine mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine hat den Vorteil,
daß zum
Erzeugen einer Pulsationsminderung lediglich eine Druckausgleichsleitung
vorzusehen ist, welche zwischen einer Arbeitsleitung und einer in
einem Umsteuerbereich eines Steuerspiegels angeordneten Öffnung angeordnet
ist. Bei der Anordnung der Druckausgleichsleitung ist lediglich zu
berücksichtigen,
daß die
Ausmündung
in der Arbeitsleitung an einer Stelle vorzusehen ist, welche ein phasenrichtiges
Abgreifen der in der Arbeitsleitung fortschreitenden Druckwelle
ermöglicht.
Durch dieses phasenrichtige Abgreifen ist es einerseits möglich, einen
Druckanstieg in einem Zylinderraum bei einer als Pumpe betriebenen
Kolbenmaschine zu erreichen. Andererseits ist es ebenso möglich, durch das
Abgreifen einer gezielten Phase der in der Arbeitsleitung fortschreitenden
Druckwelle eine Druckverringerung in einem Zylinder während des Überstreichens
des Umsteuerbereichs zu erreichen, wenn eine Kolbenmaschine als
Motor betrieben wird. Damit wird durch eine einfache Auswahl des
Punktes, in dem die Druckausgleichsleitung in der Arbeitsleitung mündet, erreicht,
daß für eine Pumpe
das Druckmaximum und für
einen Motor dagegen ein Druckminimum reduziert wird. Die fortschreitende
Druckwelle in der Arbeitsleitung wird durch das phasenrichtige Abgreifen
in ihrer Amplitude verringert, wodurch die Körperschallübertragung auf nachfolgende
Bauteile und damit letztlich deren Schallabstrahlung verringert wird.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine
möglich.
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Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine ist in der
Zeichnung schematisch dargestellt und wird in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Axialkolbenmaschine nach dem Stand
der Technik;
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2 eine
Draufsicht auf einen Steuerspiegel einer als Pumpe betriebenen Axialkolbenmaschine;
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3 eine
Draufsicht auf einen Steuerspiegel einer als Motor betriebenen Kolbenmaschine;
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4 eine
Draufsicht auf den Steuerspiegel der Axialkolbenmaschine aus 1 zu einem späteren Zeitpunkt;
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5 eine
Draufsicht auf den Steuerspiegel der Axialkolbenmaschine aus 3 zu einem späteren Zeitpunkt;
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6 eine
Draufsicht auf einen Steuerspiegel der Axialkolbenmaschine aus 1 mit einem zusätzlichen
Druckspeicher; und
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7 eine
Draufsicht auf einen Steuerspiegel einer Axialkolbenmaschine aus 3 mit einem zusätzlichen
Druckspeicher.
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In 1 ist
ein Schnitt durch eine an sich bekannte Axialkolbenmaschine 1 dargestellt.
Im Inneren eines nicht dargestellten Gehäuses der Axialkolbenmaschine 1 ist
eine Zylindertrommel 2 angeordnet, wobei die Zylindertrommel 2 drehbar
bezüglich einer
Mittelachse 12 gelagert ist. In der Zylindertrommel 2 sind
Zylinderöffnungen 3, 4 vorge sehen,
wobei die Zylinderöffnungen 3, 4 parallel
zu der Mittelachse 12 angeordnet sind und gleichmäßig über den
Umfang verteilt sind. In den Zylinderbohrungen 3, 4 sind Kolben 5, 6 angeordnet,
die in den Zylinderöffnungen 3, 4 verschiebbar
gelagert sind.
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Die Zylinderbohrungen 3, 4 weisen
an einem stirnseitigen Ende der Zylindertrommel 2 jeweils
eine Zylinderöffnung 7, 8 auf,
wobei während
der Drehung der Zylindertrommel 2 die Zylinderöffnungen 7, 8 nacheinander
eine erste Steuerniere 9 und eine zweite Steuerniere 10 überstreichen,
wobei die Steuernieren 9, 10 in einem Steuerspiegel 11 angeordnet sind,
welcher drehfest mit dem Gehäuse
der Axialkolbenmaschine 1 verbunden ist. Die Steuernieren 9, 10,
welche sich entlang eines Kreissegments erstrecken, sind mit jeweils
einer in der 1 nicht
dargestellten Arbeitsleitung verbunden.
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An ihren von den Steuernieren 9, 10 abgewandten
Enden weisen die Kolben 5, 6 jeweils einen näherungsweise
kugelförmigen
Fortsatz 13, 14 auf, dessen Kugelgeometrie mit
einer Ausnehmung 15, 16 eines Gleitschuhs 17,
bzw. 18, korrespondiert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
stützen
sich die Gleitschuhe 17, 18 auf einer Schwenkscheibe 25 ab. Um
die Kontaktfläche
zwischen den Gleitschuhen 17, 18 und der Schwenkscheibe 25 mit
Schmiermittel zu versorgen, weisen sowohl die kugelförmigen Fortsätze 14, 13 als
auch die Gleitschuhe 17, 18 jeweils eine Druckölbohrung 21, 22 bzw. 23, 24 auf.
Damit sind aus dem Druckmittelreservoir sowohl die Kontaktstellen
zwischen den Gleitschuhen 17, 18 und der Schwenkscheibe 25 als
auch zwischen den Kugelköpfen 13, 14 und
den korrespondierenden Ausnehmungen 15, 16 der
Gleitschuhe 17, 18 ausreichend geschmiert.
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Zum Betrieb als Axialkolbenpumpe
wird die Zylindertrommel 2 um ihre Mittelachse 12 gedreht, wobei
aufgrund der Neigung der Schwenkscheibe 25 bezüglich der
Mittelachse 12 die in der Zylindertrommel 2 angeordneten
Kolben 5, 6 eine Hubbewegung ausführen, wobei
sie während
einer Saughubbewegung mit einer Niederdrucksteuerniere verbunden sind,
während
einer Hochdruckhubewegung dagegen mit einer Hochdrucksteuerniere.
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In 2 ist
eine Draufsicht auf einen Steuerspiegel 11 einer Axialkolbenpumpe
dargestellt, wobei die Drehrichtung der Zylindertrommel 2 durch
einen Pfeil angegeben ist. Die Zylindertrommel 2 weist gleichmäßig über ihren
Umfang verteilt neun Zylinderbohrungen auf, deren Zylinderöffnungen
in 2 gestrichelt dargestellt
und mit dem Bezugszeichen 35.1 bis 35.9 gekennzeichnet
sind. In dem Steuerspiegel 11 ist eine Hochdrucksteuerniere 9 als
erste Steuerniere sowie eine Saugsteuerniere 10 als zweite
Steuerniere angeordnet. Zwischen der Steuerniere 9 und
der Steuerniere 10 ist jeweils ein Bereich vorgesehen,
in dem die Zylinderöffnungen 35.1 bis 35.9 weder
zu der einen noch zu der anderen Steuerniere 9, 10 Kontakt
haben. Diese Bereiche sind als Umsteuerbereich 30 bzw.
Umsteuerbereich 31 gekennzeichnet.
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In dem Umsteuerbereich 30,
welcher von den Zylinderöffnungen 35.1 bis 35.9 während des Wechsels
von der Niederdruck- auf die Hochdruckseite überstrichen wird, ist eine Öffnung angeordnet, welche
ein erstes Ende 32 einer Druckausgleichsleitung 33 bildet.
Die Druckausgleichsleitung 33 weist ein zweites Ende 34 auf,
welches in eine Arbeitsleitung 27 mündet. Die in 2 dargestellte Axialkolbenmaschine 1 saugt über eine
Arbeitsleitung 28 Druckmittel aus einem Tankvolumen 29 an
und befördert
es, wie durch den Pfeil angegeben, in die Arbeitsleitung 27.
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Durch die endliche Anzahl von Kolben 3, 4 und
dem ungleichförmigen
Geschwindigkeitsverlauf während
eines Pumphubes kommt es beim Betrieb einer Axialkolbenmaschine 1 zu
Ungleichförmigkeiten
in der Förderstrommenge.
Diese Ungleichförmigkeiten
in der Förderstrommenge
resultieren in einer Druckpulsation, wie sie schematisch in der
Arbeitsleitung 27 dargestellt ist. Ausgehend von der Hochdrucksteuerniere 9 schreitet
eine Druckwelle entlang der Arbeitsleitung 27 fort. Eine
Länge L
der Arbeitsleitung 27 zwischen der Hochdrucksteuerniere 9 und dem
zweiten Ende 34 der Druckausgleichsleitung 33 ist
dabei so bemessen, daß die
fortschreitende Druckwelle in der Arbeitsleitung 27 in
dem Moment, an dem das zweite Ende 34 der Druckausgleichsleitung 33 ein
Maximum aufweist, zu dem das erste Ende 32 in dem Umsteuerbereich 30 in
Kontakt mit einer weiteren Zylinderöffnung tritt.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel
kommt als nächstes
die Zylinderöffnung 35.6 in Überdeckung
mit der Öffnung
an dem ersten Ende 32 der Druckausgleichsleitung 33.
Befindet sich zu dem Zeitpunkt, an dem die Zylinderöffnung 35.6 in Überdeckung
mit der Öffnung
des ersten Endes 32 der Druckausgleichsleitung 33 ist,
an dem zweiten Ende 34 der Druckausgleichsleitung 33 ein
Druckmaximum in der Arbeitsleitung 27, so findet ein Druckausgleich
statt, in dem der Druck in der Zylinderbohrung, welche mit der Zylinderöffnung 35.6 verbunden
ist, über
die Druckausgleichsleitung 33 erhöht wird. Wegen des in die Druckausgleichsleitung 33 einströmenden Druckmittels
ist die Amplitude der in der Arbeitsleitung 27 fortschreitenden
Druckwelle im weiteren Verlauf erniedrigt. Damit wird eine Druckpulsationsminderung
erreicht.
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Im Folgenden wird die Funktion nur
schematisch anhand eines die Allgemeinheit nicht einschränkenden
Beispiels erläutert.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel
mit neun Bohrungen in der Zylindertrommel 2 ist bei der gezeigten
Anordnung des ersten Endes 32 der Druckausgleichsleitung 33 zu
dem Zeitpunkt, zu dem die Überdeckung
zwischen der Öffnung
an dem ersten Ende 32 der Druckausgleichsleitung 33 und
der Zylinderöffnung 35.6 beginnt,
das Verhältnis
zwischen den Winkeln α, β, welche
die Zylinderöffnungen 35.9 bzw. 35.8 mit
der Mittelachse der Arbeitsleitung 27 einschließen 1:4.
Ein Druckmaximum in der Arbeitsleitung 27 entsteht jeweils
dann, wenn eine Zylinderöffnung 35.1 bis 35.9 mit
der Mittelachse der Arbeitsleitung 27 einen bestimmten
Winkel einschließt,
der sich entsprechend der Kolbenzahl pro Umdrehung zyklisch wiederholt.
Demnach ist zu dem dargestellten Zeitpunkt das Druckmaximum in der
Arbeitsleitung 27 von der Seite der Hochdrucksteuerniere 9 aus
um etwa eine ¼-Wellenlänge λ fortgeschritten.
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Daraus ergibt sich für den dargestellten,
bevorzugten Fall von neun Zylinderbohrungen, die gleichmäßig über eine
Zylindertrommel 2 verteilt angeordnet sind, eine Länge L zwischen
der Hochdrucksteuerniere 9 und dem zweiten Ende 34 der Druckausgleichsleitung 33,
die gleich ¼λ ist. Die
Wellenlänge λ ergibt sich
dabei aus der Frequenz der Pulsationen, welche sich wiederum aus
der Anzahl der Zylinderbohrungen und der Drehzahl der Zylindertrommel 2 ermitteln
läßt. Um einen
Restdruck zu entspannen, mündet
in den Umsteuerbereich 31 zudem ein Verbindungskanal 39 aus,
dessen zweites Ende in die Steuerniere 10 mündet.
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In 3 ist
eine entsprechende Vorrichtung für
eine Axialkolbenmaschine 2 dargestellt, welche als Hydromotor
betrieben wird. Über
die Arbeitsleitung 28 wird ein Hochdruck, welcher beispielsweise durch
die in 2 dargestellte
Axialkolbenmaschine erzeugt wird, dem Hydromotor zugeführt. Die
Drehrichtung ist, wie durch den Pfeil gekennzeichnet, entgegen dem
Uhrzeigersinn. Beim Überstreichen
des Umsteuerbereichs 31 durch die Zylinderöffnungen 35.1 bis 35.9 wird
der durch die Füllung
auf der Hochdruckseite erzeugte Hochdruck in der Zylinderbohrung über die
Druckausgleichsleitung 33 zum Teil in die Arbeitsleitung 27 entspannt.
Das zweite Ende 34 der Druckausgleichsleitung 33 ist
dabei so mit der Arbeitsleitung 27 verbunden, daß zum Zeitpunkt,
zu dem die Zylinderöffnung 35.1 in
Kontakt mit der Öffnung
an dem ersten Ende 32 der Druckausgleichsleitung 33 tritt,
an dem zweiten Ende 34 der Druckausgleichsleitung 33 ein
Druckminimum herrscht. Durch das teilweise Angleichen zwischen dem
Druck in dem Zylinder und dem Druck in der Arbeitsleitung 27 ergibt
sich wiederum, wie vorstehend bereits für das Beispiel einer Axialkolbenpumpe
ausführlich
dargestellt wurde, eine Verringerung der Amplitude der Druckschwankungen
in der Arbeitsleitung 27 und damit eine verringerte Schallabstrahlung
der nachfolgend an der Arbeitsleitung angeschlossenen Bauteile.
Weiterhin ist für
einen langsamen Druckaufbau in Drehrichtung vor der Steuerniere 10 eine
Vorsteuerkerbe 40 ausgebildet.
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In 4 ist
die Axialkolbenmaschine 2 aus 2 noch einmal für einen späteren Zeitpunkt dargestellt.
Die Druckwelle, welche sich in der Arbeitsleitung 27 ausbreitet,
ist entsprechend dem Drehwinkel der Zylindertrommel 2 um ¾λ weitergeschritten,
wobei sich dementsprechend an dem Ende der Arbeitsleitung 27,
welches zu der Hochdrucksteuerniere hin orientiert ist, ein Druckmaximum
befindet, welches durch den zu der Zylinderöffnung 35.8 gehörenden Kolben
verursacht wird. Dieses am Anfang der Arbeitsleitung 27 entstehende
Druckmaximum bewegt sich mit Schallgeschwindigkeit entlang der Arbeitsleitung 27,
wobei es an dem zweiten Ende 34 der Druckausgleichsleitung 33 zu
dem Zeitpunkt angelangt sein muß,
zu dem die in Drehrichtung nächstfolgende
Zylinderöffnung 35.5 in Überdeckung
mit der Öffnung
an dem ersten Ende 32 der Druckausgleichsleitung 33 gelangt
ist.
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Aus dem verbleibenden Drehwinkel γ zwischen
der Zylinderöffnung 35.5 und
der Öffnung
an dem ersten Ende 32 der Druckausgleichsleitung 33 im
Verhältnis
zu dem Zwischenwinkel 6 zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Zylinderöffnungen,
beispielsweise 35.2 und 35.3, ergibt sich der
minimale Abstand zwischen dem zweiten Ende 34 der Druckausgleichsleitung 33 und
der Hochdrucksteuerniere 9 in Einheiten der Wellenlänge λ entsprechend
vorgenannter Definitionen. Ist ein Verbinden des zweiten Endes 34 der
Druckausgleichsleitung 33 an dem so berechneten Punkt der Arbeitsleitung 27 nicht
möglich,
so ist, jeweils um λ verschoben,
ein identisch wirkender Anschlußpunkt
möglich.
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In 5 ist
der entsprechende Fall für
die Axialkolbenmaschine aus 3 für einen
späteren Zeitpunkt
dargestellt. Im dargestellten Beispiel ist der verbleibenden Winkel φ, welchen
der Zylinder mit der Zylinderöffnung 35.2 bis
zu der Öffnung
am ersten Ende 32 der Druckausgleichsleitung 33 zurücklegen muß, zugrunde
zu legen. Der minimale Abstand zwischen der Mündungsöffnung an dem zweiten Ende 34 der
Druckausgleichsleitung und der Auslaßsteuerniere 9 der
Axialkolbenmaschine 1 wird daher aus dem Quotienten des
verbleibenden Winkels φ und des
Zwischenwinkel 6 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zylinderöffnungen 35.2 und 35.3 bestimmt, wobei
wegen des Abgriffs des Druckminimums im Gegensatz zu dem vorstehend
für eine
Pumpe beschriebenen Fall eine Verschiebung um λ/2 zu berücksichtigen ist.
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Bei der Bestimmung der Länge L kann
berücksichtigt
werden, daß eine
Druckschwankung, welche sich in der Arbeitsleitung 27 fortpflanzt,
ebenfalls eine Laufzeit entlang der Druckausgleichsleitung 33 hat.
Zu berücksichtigen
ist eine geänderte
Phasenlage dabei, indem die Phasenverschiebung entlang der Druckausgleichsleitung
als Längenänderung
der Länge
L berücksichtigt
wird.
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In 6 und 7 sind zwei weitere Ausführungsbeispiele
für erfindungsgemäße Pulsationsminderungen
dargestellt, wobei jeweils zusätzlich
zu der bereits ausgeführten
Pulsationsminderung durch einen phasenrichtigen Abgriff einer Druckschwankung in
der Arbeitsleitung 27 ein Speicherelement 38 vorgesehen
ist. Mit Hilfe des Speicherelements 38 ist es zusätzlich möglich, den
Betriebsbereich, in dem die Pulsationsminderung wirksam ist, zu
vergrößern. An der
Einmündung
der Druckausgleichsleitung 33 in die Arbeitsleitung 27 an
dem zweiten Ende 34 kann alternativ eine definierte Querschnittsfläche vorzugesehen
werden.