DE19828939A1 - Axialkolbenmaschine mit gekrümmter Lauffläche an der Hubscheibe - Google Patents

Abstract

Eine Axialkolbenmaschine ist mit einer Mehrzahl von jeweils in einer Zylinderbohrung (4) längsbeweglichen, an einer Lauffläche (7) einer Hubscheibe (1) abgestützten Hubkolben (5) versehen. Die Hubscheibe (1) ist gegenüber einer zur Rotationsachse (R) der Axialkolbenmaschine senkrechten Querebene (Q) unter Bildung eines Neigungswinkels (beta) schräg angeordnet. Erfindungsgemäß ist die Lauffläche (7) - in Blickrichtung auf die Längsmittelebene der Axialkolbenmaschine gesehen - zumindest im Bereich der am weitesten aus den Zylinderbohrungen (4) ausgetauchten Hubkolben (5) mit einer konkaven, insbesondere sphärischen Krümmung versehen. Dadurch kann - unter Ausnutzung der zulässigen Materialbelastungen - bei einer gleichbleibenden, maximal möglichen Kolbenquerkraft der Neigungswinkel (beta) der Hubscheibe (1) erhöht werde. Infolgedessen erhöht sich der geometrische Volumenstrom der Axialkolbenmaschine und damit deren Leistung. Die Krümmung der Lauffläche (7) ist bevorzugt derart bemessen, daß die Flächenpressungen der Hubkolben (5) in den Zylinderbohrungen (4) und/oder die Durchbiegungen der Hubkolben (5), die während des Betriebs auftreten, nicht mehr als 20%, insbesondere nicht mehr als 15% voneinander abweichen. Der Neigungswinkel (beta) der Hubscheibe (1) beträgt mit Vorteil zwischen 20 DEG und 30 DEG .

Description

Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine mit einer Mehrzahl von jeweils in einer Zylinderbohrung längsbeweglichen, an einer Lauffläche einer Hubscheibe abgestütz­ ten Hubkolben, wobei die Hubscheibe gegenüber einer zur Rotationsachse der Axial­ kolbenmaschine senkrechten Querebene unter Bildung eines Neigungswinkels schräg angeordnet ist.

Derartige Axialkolbenmaschinen sind in vielfältigen Ausgestaltungen bekannt. Im wesentlichen werden zwei Hauptgruppen unterschieden: Bei den Axialkolbenmaschi­ nen in Taumelscheibenbauweise rotiert die Hubscheibe, während die Zylinderbohrun­ gen, in denen sich jeweils ein längsbeweglicher Hubkolben befindet, gehäusefest sind. Bei den Axialkolbenmaschinen in Schrägscheibenbauweise ist die Hubscheibe verdrehfest im Gehäuse der Axialkolbenmaschine, während die Zylinderbohrungen der Hubkolben in einer rotierenden Zylindertrommel angeordnet sind. Beide Ausfüh­ rungen gibt es sowohl mit verstellbarem als auch mit konstantem Neigungswinkel der Hubscheibe. Prinzipiell können beide Triebwerkstypen als Pumpe oder als Motor ein­ gesetzt werden.

Die Größe des Hubs der Hubkolben ist für den geometrischen Volumenstrom der Axialkolbenmaschinen und damit für deren Leistungsvermögen maßgeblich. Der Hub stellt eine Funktion des Neigungswinkels der Hubscheibe dar, wobei der Hub mit zunehmendem Neigungswinkel anwächst.

Die Höhe der noch zulässigen Spannungen im Material (Flächenpressung, Kolben­ durchbiegung) bildet den Grenzfaktor für die bei der Kraftzerlegung an der Hub­ scheibe entstehende, maximal zulässige Kolbenquerkraft und den bei gegebenem maximalen Betriebsdruck der Axialkolbenmaschine noch zulässigen Neigungswinkel der Hubscheibe. Dabei ist stets der am weitesten aus seiner Zylinderbohrung aus­ getauchte und unter Betriebsdruck stehende Hubkolben maßgebend. Insbesondere an den Kanten von Zylinderbohrung und Hubkolben können hohe Spannungen auf­ treten.

Für eine Leistungserhöhung der Axialkolbenmaschine wäre es am einfachsten, den Neigungswinkel der Hubscheibe zu vergrößern. Eine solche Vergrößerung wirkt sich aber überproportional auf die Belastung des Hubkolbens aus, denn dabei wird nicht nur die Kolbenquerkraft abhängig vom Neigungswinkel vergrößert, sondern zusätzlich durch den weiter aus der Zylinderbohrung ausgetauchten Hubkolben ein ent­ sprechend dem verlängerten Hebelarm verstärktes Kippmoment aufgebracht.

Bei den bekannten Axialkolbenmaschinen des Standes der Technik beträgt der Neigungswinkel daher nicht mehr als 18° bis 20°.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Axialkolbenmaschine der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die bei geringen Abmessungen ein großes Leistungsvermögen aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lauffläche - in Blick­ richtung auf die Längsmittelebene der Axialkolbenmaschine gesehen - zumindest im Bereich der am weitesten aus den Zylinderbohrungen ausgetauchten Hubkolben mit einer konkaven, insbesondere sphärischen Krümmung versehen ist.

Eine solche Lauffläche bewirkt, daß die Kolbenquerkraft, die auf den am weitesten aus seiner Zylinderbohrung ausgetauchten und unter Betriebsdruck stehenden Hubkolben wirkt und die sich aus der Kraftzerlegung an der Abstützung des Hub­ kolbens an der Lauffläche der Hubscheibe ergibt, nicht allein vom Neigungswinkel der Hubscheibe bestimmt wird, sondern auch von der Krümmung der Lauffläche. Es ergibt sich daher unter Einbeziehung der Krümmung der Lauffläche ein gegenüber dem Neigungswinkel der Hubscheibe kleinerer Abstützwinkel des Hubkolbens auf der Lauffläche der Hubscheibe.

Infolgedessen ist bei gleichbleibendem Neigungswinkel der Hubscheibe die Kolben­ querkraft des am weitesten ausgetauchten Hubkolbens verringert. Umgekehrt kann dies im Sinne der Erfindung insofern genutzt werden, als bei gleichbleibender, maximal möglicher Kolbenquerkraft, d. h. bei Ausnutzung der maximal zulässigen Materialbelastungen, der Neigungswinkel der Hubscheibe erhöht und damit die Leistung der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine beträchtlich gesteigert wird.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Krüm­ mung der Lauffläche derart bemessen ist, daß die Flächenpressungen der Hubkolben in den Zylinderbohrungen und/oder die Durchbiegungen der Hubkolben, die während des Betriebs auftreten, nicht mehr als 20%, insbesondere nicht mehr als 10% von­ einander abweichen. Auf diese Weise ergibt sich eine gleichmäßige Belastung aller Hubkolben und Zylinderbohrungen.

Als besonders vorteilhaft hat sich eine Axialkolbenmaschine erwiesen, bei der der Neigungswinkel der Hubscheibe zwischen 20° und 30° beträgt. Eine solche Axial­ kolbenmaschine weist bei geringen Außenabmessungen einen großen geometrischen Volumenstrom auf und damit ein hohes Leistungsvermögen. Die Belastungen der Hubkolben und Zylinderbohrungen sind durch die erfindungsgemäße Krümmung der Lauffläche im Vergleich zu bekannten Triebwerken dennoch nicht größer.

Die Erfindung ist auf verschiedene Arten von Axialkolbenmaschinen anwendbar prinzipiell auch unabhängig davon, wie die Abstützzug der Hubkolben an der Laufbahn der Hubscheibe erfolgt, beispielsweise mittels Kugelkappen oder Gleitschuhen. Besonders günstig ist jedoch eine Anordnung, bei der die Hubkolben mittels Gleit­ schuhen auf der Lauffläche der Hubscheibe abgestützt sind, deren der Hubscheibe zugewandte Gleitfläche eine konvexe, insbesondere sphärische Krümmung aufweist, wobei der Krümmungsradius der konvexen Gleitfläche im wesentlichen dem Krüm­ mungsradius der konkaven Lauffläche der Hubscheibe entspricht.

Eine solche Gleitschuhkonstruktion ist hoch belastbar und ermöglicht daher einen hohen Betriebsdruck, woraus ein großes Leistungsvermögen der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine resultiert.

Zweckmäßigerweise sind die Gleitschuhe mittels einer Niederhaltescheibe in Richtung zur Lauffläche der Hubscheibe kraftbeaufschlagbar, wobei die den Gleitschuhen be­ nachbarte Stirnseite der Niederhaltescheibe eine konvexe, insbesondere sphärische Krümmung aufweist.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindungen werden anhand des in der sche­ matischen Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die Figur zeigt einen Schnitt durch eine verstellbare Axialkolbenmaschine in Schräg­ scheibenbauweise in Blickrichtung auf deren Längsmittelebene. Die Längsmittelebene erstreckt sich längs der Rotationsachse R einer Axialkolbenmaschine und ist zu einer planparallel ausgebildeten Lauffläche der Hubscheibe senkrecht angeordnet. Die Längsmittelebene ist somit die Ebene, in der der Neigungswinkel der Hubscheibe dargestellt ist.

Eine nichtrotierende Hubscheibe 1 ist in bekannter Weise von einer rotierenden Trieb­ welle 2 durchsetzt, mit der eine Zylindertrommel 3 drehstarr verbunden ist. Die Zylin­ dertrommel 3 enthält mehrere konzentrische Zylinderbohrungen 4, in denen jeweils ein Hubkolben 5 angeordnet ist. Jeder Hubkolben 5 ist über eine Kugelgelenkanord­ nung mit Hilfe eines Gleitschuhes 6 auf einer Lauffläche 7 der Hubscheibe 1 abge­ stützt.

Die Hubbewegung der Hubkolben 5 entsteht durch die Schrägstellung der Hub­ scheibe 1, die um einen Winkel zu einer zur Rotationsachse R senkrechten Querebene Q geneigt ist. Dieser Neigungswinkel β ergibt sich aus geometrischen Gründen auch zwischen der Rotationsachse R und einer zur Lauffläche 7 senkrechten Ebene S und ist dort dargestellt.

Durch die Abstützung der Hubkolben 5 auf der schrägen Hubscheibe 1 werden Kolbenquerkräfte hervorgerufen, die auf die Hubkolben 5 einwirken und nach in der Figur oben gerichtet sind. Die Kolbenquerkräfte sind - bedingt durch die Kraftzerle­ gung an der Lauffläche 7 - abhängig vom Abstützwinkel, unter dem die Hubkolben 5 bzw. die Gleitschuhe 6 gegen die Lauffläche 7 der Hubscheibe 1 anliegen.

Der Abstützwinkel ist bei den bekannten Axialkolbenmaschinen des Standes der Technik, die eine planparallele Lauffläche an der Hubscheibe aufweisen, identisch mit dem Neigungswinkel β der Hubscheibe 1.

Die Kolbenquerkräfte erzeugen Flächenpressungen und Durchbiegungen der Hub­ kolben 5. Der am weitesten aus seiner Zylinderbohrung 4 ausgetauchte und unter Betriebsdruck stehende Hubkolben 5 ist dabei am stärksten belastet. Am Außenende 4a seiner Zylinderbohrung 4 ergeben sich die größten Belastungen bezüglich der Flächenpressung. Die-dort zulässige Materialbelastung bestimmt bei gegebenem Betriebsdruck der Axialkolbenmaschine den größtmöglichen Neigungswinkel β der Hubscheibe 1, der bei den bekannten Axialkolbenmaschinen des Standes der Technik 18°-20° beträgt.

Erfindungsgemäß ist die Lauffläche 7 der Hubscheibe 1 zumindest im Bereich der am weitesten aus den Zylinderbohrungen 4 ausgetauchten Hubkolben 5 mit einer kon­ kaven Krümmung versehen. Diese Krümmung ist im vorliegenden Ausführungs­ beispiel als sphärische Krümmung mit einem Krümmungsradius K ausgebildet.

Durch die Krümmung der Lauffläche 7 ist bei der Kraftzerlegung auf der Lauffläche 7 nicht der Neigungswinkel β allein wirksam, sondern zusätzlich ein sich aus der Krüm­ mung ergebender Winkel X. Für den am weitesten aus seiner Zylinderbohrung 4 ausgetauchten Hubkolben 5 resultiert daraus bei der Kraftzerlegung auf der Lauf­ fläche 7 ein Abstützwinkel α, der sich aus der Differenz zwischen dem Neigungs­ winkel β und dem sich von der Krümmung der Lauffläche 7 bestimmten Winkel X ergibt und der demnach kleiner ist als der Neigungswinkel β.

Infolgedessen ergibt sich bei unverändertem Neigungswinkel β durch die konkave Krümmung der Lauffläche im Bereich des am weitesten aus seiner Zylinderbohrung 4 ausgetauchten Kolbens 5 eine verringerte Kolbenquerkraft. Umgekehrt ermöglicht dieser Effekt - unter Ausnutzung der zulässigen Materialbelastungen - bei einer gleichbleibenden, maximal möglichen Kolbenquerkraft eine Vergrößerung des Neigungswinkels β der Hubscheibe, was einer Erhöhung des geometrischen Volumenstroms und damit einer Leistungssteigerung der erfindungsgemäß aus­ gestalteten Axialkolbenmaschine gleichkommt.

Die der Hubscheibe 1 zugewandte Gleitfläche 6a der Gleitschuhe 6 weist eine kon­ vexe, insbesondere sphärische Krümmung auf. Hierbei entspricht der Krümmungs­ radius der konvexen Gleitfläche 6a im wesentlichen dem Krümmungsradius der konkaven Lauffläche 7 der Hubscheibe 1.

Die Gleitschuhe sind mittels einer Niederhaltescheibe 8 in Richtung zur Lauffläche 7 der Hubscheibe 1 kraftbeaufschlagbar. Zum Ausgleich der unterschiedlichen Neigun­ gen der Gleitschuhe 6 weist die den Gleitschuhen 6 benachbarte Stirnseite 8a der Niederhaltescheibe 8 eine konvexe, insbesondere sphärische Krümmung auf.

Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß bei einer Krümmung der Lauffläche 7, wie sie im vorliegenden Ausführungsbeispiel gezeigt ist, für den am weitesten in seine Zylinderbohrung 4 eingetauchten Hubkolben 5 ein Abstützwinkel γ resultiert, der sich aus der Addition des Neigungswinkels β und des von der Krümmung der Lauffläche 7 bestimmten Winkels X ergibt. Der Abstützwinkel γ ist demnach größer als der Nei­ gungswinkel β. Dadurch ergeben sich für den eingetauchten Hubkolben 5 zwar ver­ größerte Kolbenquerkräfte, allerdings sind diese bezüglich der Belastungen Flächen­ pressung und Durchbiegung des Hubkolbens 5 unkritisch, da der Hubkolben 5 auf seiner ganzen Länge in der Zylinderbohrung 4 gegenüber der Kolbenquerkraft abgestützt ist.

Für eine möglichst gleichmäßige Belastung der Zylindertrommel 3 und der Hubkolben 5 ist die Krümmung der Lauffläche 7 vorzugsweise derart bemessen ist, daß die Flächenpressungen der Hubkolben 5 in den Zylinderbohrungen 4 und/oder die Durch­ biegungen der Hubkolben 5, die während des Betriebs auftreten, nicht mehr als 20%, insbesondere nicht mehr als 10% voneinander abweichen.

Die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine weist bevorzugt einen Neigungswinkel β der Hubscheibe 1 auf, der zwischen 20° und 30° beträgt.

Claims (5)

1. Axialkolbenmaschine mit einer Mehrzahl von jeweils in einer Zylinderbohrung längsbeweglichen, an einer Lauffläche einer Hubscheibe abgestützten Hub­ kolben, wobei die Hubscheibe gegenüber einer zur Rotationsachse der Axialkolbenmaschine senkrechten Querebene unter Bildung eines Neigungs­ winkels schräg angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lauf­ fläche (7) - in Blickrichtung auf die Längsmittelebene der Axialkolbenmaschine gesehen - zumindest im Bereich der am weitesten aus den Zylinderbohrungen (4) aus­ getauchten Hubkolben (5) mit einer konkaven, insbesondere sphärischen Krümmung versehen ist.

2. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krüm­ mung der Lauffläche (7) derart bemessen ist, daß die Flächenpressungen der Hubkolben (5) in den Zylinderbohrungen (4) und/oder die Durchbiegungen der Hubkolben (5), die während des Betriebs auftreten, nicht mehr als 20%, ins­ besondere nicht mehr als 10% voneinander abweichen.

3. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (β) der Hubscheibe (1) zwischen 20° und 30° beträgt.

4. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hubkolben (5) mittels Gleitschuhen (6) auf der Lauffläche (7) der Hubscheibe (1) abgestützt sind, deren der Hubscheibe (1) zugewandte Gleit­ fläche (6a) eine konvexe, insbesondere sphärische Krümmung aufweist, wobei der Krümmungsradius der konvexen Gleitfläche (6a) im wesentlichen dem Krüm­ mungsradius (K) der konkaven Lauffläche (7) der Hubscheibe (1) entspricht.

5. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleit­ schuhe (6) mittels einer Niederhaltescheibe (8) in Richtung zur Lauffläche (7) der Hubscheibe (1) kraftbeaufschlagbar sind, wobei die den Gleitschuhen benach­ barte Stirnseite (8a) der Niederhaltescheibe (8) eine konvexe, insbesondere sphärische Krümmung aufweist.