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Dokumentenidentifikation DE10360172B4 29.09.2005
Titel Hydraulischer Motor
Anmelder Sauer-Danfoss ApS, Nordborg, DK
Erfinder Larsen, Henning Lund, Sydals, DK;
Hansen, Kim René, Soenderborg, DK
Vertreter Patentanwälte Knoblauch und Knoblauch, 60322 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 20.12.2003
DE-Aktenzeichen 10360172
Offenlegungstag 14.07.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 29.09.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.09.2005
IPC-Hauptklasse F03C 2/08
IPC-Nebenklasse F04C 2/10   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Motor mit einem Verdrängerabschnitt, der ein rotierendes und orbitierendes Verdrängungselement aufweist, einem Ventilabschnitt, der einen in einer Gehäusebohrung drehbar gelagerten Ventilschieber aufweist, und einer Kupplungseinrichtung, die die rotierende Bewegung des Verdrängungselements auf den Ventilschieber überträgt.

Ein derartiger hydraulischer Motor ist beispielsweise aus US 5 788 471 A bekannt. Der Verdrängerabschnitt weist hierbei ein Zahnrad mit Außenzähnen auf, das in einem Zahnring, der mit nach innen weisenden Zähnen versehen ist, orbitiert und dabei gleichzeitig rotiert. Zwischen den Zähnen des Zahnrades und den Zähnen des Zahnringes ergeben sich dabei Druckkammern, die unter der Steuerung des Ventilschiebers in Übereinstimmung mit der jeweiligen relativen Position des Zahnrades zum Zahnring mit Hydraulikflüssigkeit unter Druck versorgt werden oder Hydraulikflüssigkeit zum Tank hin abfließen lassen können. Die Verbindung zwischen dem Zahnrad und dem Ventilschieber erfolgt dabei über eine auch als "dog bone" bezeichnete Kardanwelle, die über eine Verzahnung mit dem Zahnrad in Eingriff steht. Diese Verzahnung läßt eine Neigung der Kardanwelle gegenüber der Rotationsachse des Zahnrades zu. Der Ventilschieber ist über eine weitere Verzahnung mit der Kardanwelle verbunden. Eine Abtriebswelle ist einstückig mit dem Ventilschieber verbunden, so daß die Kardanwelle auch die Abtriebswelle antreibt. Bei einer derartigen Ausgestaltung ergibt sich ein erstes Problem dadurch, daß sich gewisse Undichtigkeiten um den Ventilschieber herum ergeben. Ein zweites Problem ergibt sich dadurch, daß die Ansteuerung der einzelnen Druckkammern durch den Ventilschieber lastabhängig ist. Durch die beiden Verzahnungen an den Enden der Kardanwelle ergibt sich ein Spiel, das die Ansteuerung des Verdrängerabschnitts durch den Ventilabschnitt erschwert.

Ein ähnlicher Motor ist aus US 4 992 034 bekannt. Hier ist der Ventilabschnitt von der Abtriebswelle entkoppelt. Dementsprechend sind zwei Kardanwellen vorgesehen, wobei eine Kardanwelle den Ventilschieber antreibt und die andere Kardanwelle die Abtriebswelle. Die den Ventilschieber antreibende Kardanwelle ist wesentlich kürzer ausgebildet, so daß das Risiko von Verwindungen unter einer stärkeren Last klein bleibt. Dennoch sind hier zwei Verzahnungen vorgesehen, deren Spiel sich addiert und dazu führt, daß der Ventilschieber etwas hinter dem Zahnrad her hinkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Betriebsverhalten des Motors zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei einem hydraulischen Motor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Kupplungseinrichtung mindestens ein Kupplungselement aufweist, das mit dem Verdrängungselement über einen ringförmigen Eingriffspfad in Verbindung steht, der in jeder Stellung des Verdrängungselements in Überdeckung mit einer vorbestimmten, durch einen Punkt des rotierenden Ventilschiebers beschriebenen Kreislinie steht.

Bei dieser Ausgestaltung kann man den Ventilschieber konzentrisch zu der Achse eines Kreises anordnen, der die orbitierende Bewegung des Verdrängungselements bestimmt. Bei einem derartigen Verdrängungselement gibt es entlang des Eingriffspfads in jeder Position des Verdrängungselements einen Punkt, der auf einem Kreis liegt. Dieser Punkt bewegt sich bei einer Bewegung des Verdrängungselements entlang des Eingriffspfades. Gleichzeitig wird dieser Punkt durch das Verdrängungselement in einer kreisförmigen Bewegung um die Rotationsachse des Ventilschiebers geführt. Wenn man nun den Ventilschieber mit diesem Punkt in Eingriff bringt, kann man auf relativ einfache Weise einen direkten Antrieb des Ventilschiebers durch das Verdrängungselement realisieren, ohne daß man eine geneigte oder zumindest neigbare Kardanwelle benötigt. Die Rotationsgeschwindigkeiten von Verdrängungselement und Ventilschieber stimmen überein, so daß man auf einfache Weise eine synchrone Steuerung der Druckkammern, die im Verdrängungselement ausgebildet sind, mit dem Ventilschieber erreichen kann. Dadurch, daß der Ventilschieber direkt durch das Verdrängungselement angetrieben wird, sind weniger Verbindungen zwischen relativ zueinander bewegbaren Teilen erforderlich, so daß ein durch solche Verbindungen hervorgerufenes Spiel ganz erheblich reduziert werden kann. Dadurch ist es möglich, die einzelnen Druckkammern wesentlich genauer als bisher anzusteuern.

Auch ist von Vorteil, wenn das Kupplungselement spielfrei mit dem Ventilschieber verbunden ist. Dies läßt sich am einfachsten durch eine starre Verbindung realisieren. In diesem Fall kann nur in der Verbindung zwischen dem Kupplungselement und dem Verdrängungselement ein Spiel entstehen, das jedoch relativ kleingehalten werden kann, weil hier keine Verzahnung erforderlich ist.

Bevorzugterweise ist das Kupplungselement als Vorsprung ausgebildet, der in einer dem Verdrängerabschnitt zugewandten Stirnseite des Ventilschiebers angeordnet ist. Dieser Vorsprung kann einerseits einstückig mit dem Ventilschieber ausgebildet sein. Er kann jedoch andererseits auch als getrenntes Teil ausgebildet sein, das mit dem Ventilschieber verbunden wird. Beispielsweise kann man einen Zylinderstift in die Stirnseite des Ventilschiebers einsetzen. Anstelle eines Zylinderstifts können natürlich auch andere Geometrien verwendet werden, beispielsweise eine Halbkugel, ein Konus oder ähnliches.

Vorzugsweise ist der Eingriffspfad kreisförmig ausgebildet. Damit kann man dafür sorgen, daß die Bewegung von Ventilschieber und Verdrängungselement genau synchron zueinander erfolgen.

Vorzugsweise ist der Eingriffspfad durch eine Vertiefung auf der dem Ventilabschnitt zugewandten Stirnseite des Verdrängungselements gebildet. Der Vorsprung am Ventilschieber ragt dann in diese Vertiefung hinein. Wenn sich das Verdrängungselement bewegt, also rotiert und orbitiert, dann liegt das Kupplungselement, also beispielsweise der Vorsprung, immer an der Außenseite der Vertiefung an.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Eingriffspfad durch eine Bohrung im Verdrängungselement gebildet ist, deren Durchmesser einem Durchmesser eines Kreises entspricht, auf dem das Verdrängungselement orbitiert. Dadurch, daß man für den Eingriffspfad im Grunde nur eine Flanke benötigt, über die eine Druckkraft auf das Kupplungselement ausgeübt werden kann, kann man den Eingriffspfad auch als Bohrung ausbilden. In diesem Fall wird das Kupplungselement nur durch die Innenwand der Bohrung gesteuert, Dies reicht aus, um in beiden Drehrichtungen eine zuverlässige Kupplung zwischen dem Verdrängungselement und dem Ventilschieber zu gewährleisten. Dadurch, daß man die Bohrung mit einem Durchmesser versieht, der in enger Beziehung zu dem Orbit-Kreis des Verdrängungselements steht, läßt sich auf einfache Weise sicherstellen, daß die Verbindung zwischen dem Kupplungselement und dem Eingriffspfad praktisch spielfrei ist. Das Kupplungselement gleitet an einer Gleitfläche des Angriffspfades entlang.

Bevorzugterweise liegt der Ventilschieber mit seiner Stirnseite am Verdrängungselement an. Dies ist eine einfache Möglichkeit, um die Drucktaschen abzudichten, die im Verdrängungsabschnitt gebildet sind. Die dem Ventilschieber gegenüberliegende Seite des Verdrängungsabschnitts ist ohnehin durch eine Stirnplatte abgeschlossen.

Vorzugsweise deckt die Stirnseite des Ventilschiebers den Eingriffspfad in jeder Position des Verdrängungselements ab. In diesem Fall wird vermieden, daß zwischen benachbarten Drucktaschen über den Eingriffspfad ein Kurzschluß entsteht.

Auch ist von Vorteil, daß das Verdrängungselement als Zahnrad ausgebildet ist und mehrere Eingriffspfade in Umfangsrichtung gleichförmig auf die Zähne verteilt sind. In diesem Fall wird eine Belastung, die zum Antrieb des Ventilschiebers erforderlich ist, in Umfangsrichtung gleichförmig auf das Verdrängungselement verteilt. Dies hält den Verschleiß klein und verhindert, daß sich mit der Zeit eine ungleichförmige Ansteuerung der Druckkammern im Verdrängungsabschnitt ergibt.

Vorzugsweise weist jeder Zahn einen Eingriffspfad auf. In diesem Fall wird die Belastung eines einzelnen Kupplungselements minimiert und die Lebensdauer der Maschine erhöht.

Auch ist von Vorteil, wenn in Umfangsrichtung mindestens drei Kupplungselemente vorgesehen sind. Mit drei Kupplungselementen erreicht man einen zufriedenstellenden Eingriff zwischen dem Verdrängungselement und dem Ventilschieber.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Eingriffspfad in Radialrichtung radial innerhalb eines Bereichs angeordnet ist, in dem sich Druckkammern des Verdrängungsabschnitts befinden. Auch in diesem Fall wird verhindert, daß sich über den oder die Eingriffspfade Kurzschlüsse zwischen Druckkammern ergeben. Aus den Druckkammern kann keine Hydraulikflüssigkeit in die Eingriffspfade hinein fließen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:

1 einen schematischen Längsschnitt durch eine hydraulische Maschine,

2 einen Schnitt II-II nach 1,

3 eine entsprechende Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform und

4 verschiedene Positionen eines Verdrängungselements zur Erläuterung der Wirkungsweise des hydraulischen Motors.

Ein Hydraulikmotor 1 weist einen Verdrängerabschnitt 2 und einen Ventilabschnitt 3 auf, die durch eine Ventilplatte 4 verbunden sind. Der Verdrängerabschnitt 2 ist auf der dem Ventilabschnitt 3 gegenüberliegenden Seite durch einen Deckel 5 abgeschlossen. Auf der dem Verdrängerabschnitt 2 gegenüberliegenden Seite ist der Ventilabschnitt 3 ebenfalls durch einen Deckel 6 abgedeckt.

Im Verdrängerabschnitt 2 ist ein Zahnrad 7 mit Außenzähnen 8 innerhalb eines Zahnringes 9 angeordnet, dessen Innenzähne 10 durch Rollen gebildet sind. Das Zahnrad 7 begrenzt gemeinsam mit dem Zahnring 9 Druckkammern 11, die sich dann, wenn das Zahnrad 7 im Zahnring 9 rotiert und orbitiert, vergrößern und verkleinern. Den sich vergrößernden Druckkammern 11 wird dabei Hydraulikflüssigkeit unter Druck zugeführt. Aus den sich verkleinernden Druckkammern 11 kann Hydraulikflüssigkeit abfließen. Um diese Flüssigkeitszufuhr und -abfuhr steuern zu können, weist der Ventilabschnitt 3 einen Ventilschieber 12 auf, der in einer Bohrung 13 eines Gehäuses 14 drehbar gelagert ist. Der Ventilschieber 12 steht dabei konzentrisch zum Zahnring 9.

Der Ventilschieber 12 weist mehrere nur schematisch dargestellte Nuten 15, 16 auf, die sich in Umfangsrichtung oder axial erstrecken können, und dafür vorgesehen sind, Flüssigkeit über Gehäusekanäle 17 von einem nicht näher dargestellten Druckanschluß zu Druckkammern 11 oder von Druckkammern 11 über einen Gehäusekanal 18 zu einem nicht näher dargestellten Tankanschluß zu leiten.

Der Ventilschieber 12 ist an seiner Stirnseite, die dem Verdrängerabschnitt 2 gegenübersteht, mit mehreren stiftartigen Vorsprüngen 19 versehen. Das Zahnrad 7 weist eine entsprechende Anzahl von kreisförmigen Ausnehmungen 20 auf. Wenn sich nun das Zahnrad 7 im Zahnring 9 bewegt, also rotiert und orbitiert, dann werden die Vorsprünge 19 in den Ausnehmungen 20 mitgenommen und zwar so, daß lediglich die rotierende Bewegung auf die Vorsprünge 19 übertragen wird. Die orbitierende Bewegung wird dadurch aufgenommen, daß sich die Vorsprünge 19 in der Ausnehmung 20 bewegen können. Die Vorsprünge 19 gleiten also an einer Gleitfläche 21 entlang, die durch die Innenwand der Ausnehmungen 20 gebildet ist. Die Gleitfläche 21 bildet also einen Eingriffspfad, mit dem die Vorsprünge 19 in Eingriff stehen. Die Ausnehmungen 20 überdecken dabei einen Kreisring, in dem die Vorsprünge 19 angeordnet sind. Theoretisch handelt es sich dabei um eine Kreislinie. Da die Vorsprünge 19 aber eine endliche Erstreckung haben, sind sie auf einem Kreisring angeordnet. Die Ausnehmungen 20 sind nun so angeordnet und haben eine solche Größe, daß jede Ausnehmung 20 in jeder Position des Zahnrades 7 diesen Kreisring freiläßt.

Wie aus 1 zu erkennen ist, sind die Ausnehmungen 20 in der Stirnseite des Zahnrades 7 ausgebildet, das dem Ventilabschnitt 3 gegenüberliegt. Sie haben daher eine begrenzte Tiefe. Sie liegen soweit radial innen, daß sie nicht mit der Mündung eines Gehäusekanals 17, 18 in Überdeckung kommen oder auf andere Weise benachbarte Druckkammern 11 kurzschließen. Die Ausnehmungen 20 dienen ausschließlich dazu, die Vorsprünge 19 zu führen.

Dargestellt ist, daß die Vorsprünge 19 die Form von Zylinderstiften haben. Dies ist aber nicht zwingend. Die Vorsprünge 19 können auch die Form von Halbkugeln, Kugeln, Kegeln oder ähnlichen Elementen haben. Günstig ist, wenn die Vorsprünge 19 eine kreisrunde Querschnittsform haben.

Eine Abtriebswelle 22 steht über eine Zahnpaarung 23 mit dem Zahnrad 7 in Verbindung. Die Abtriebswelle 22 ist durch den Ventilschieber 12 hindurchgeführt, ohne allerdings Kräfte auf den Ventilschieber 12 zu übertragen.

In der Ausgestaltung nach 2 hat das Zahnrad sechs Zähne 8. Jedem zweiten Zahn 8 ist eine Ausnehmung 20 zugeordnet, so daß sich insgesamt drei Ausnehmungen 20 und entsprechend drei Vorsprünge 19 ergeben.

3 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung, bei der lediglich eine Ansicht entsprechend einer Linie II-II nach 1 zu erkennen ist, wobei diese Ansicht dieses Mal von dem Zahnrad 7 zum Ventilschieber 12 gerichtet ist. Gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in den 1 und 2 versehen.

Die Ausnehmungen 20 sind dieses Mal radial weiter außen angeordnet, also in den Zähnen. Der Ventilschieber 12 deckt nun einen Teil der Ausnehmungen ab. Radial innerhalb des Ventilschiebers 12 ist ein Deckel 24 angeordnet, der ebenfalls die Stirnseite des Zahnrades 7 abdeckt und damit abdichtet.

Die Ausnehmungen 20 sind als Durchgangsbohrungen ausgebildet. Die Ausnehmungen 20 haben einen Durchmesser, der einem Kreis 25 entspricht, der die orbitierende Bewegung des Zahnrades 7 im Zahnrad 9 beschreibt. Die Ausnehmungen 20 sind allerdings etwas größer als dieser Kreis 25, um die endliche Größe der Vorsprünge 19 aufnehmen zu können.

Es ist zu erkennen, daß alle Vorsprünge 19 immer an der Gleitfläche 21 ihrer Ausnehmung 20 anliegen. Dies soll anhand von 4 erläutert werden.

In 4a ist eine Situation dargestellt, wo ein Zahn 8 aus einer Position heraus bewegt wird, in der die entsprechende Druckkammer 11 ihr kleinstes Volumen eingenommen hat. In die Druckkammer 11 wird also hier Hydraulikflüssigkeit unter Druck eingespeist. Bei der weiteren Bewegung in Richtung eines Pfeiles 26 bewegt sich der Vorsprung 19 in der Ausnehmung 20 etwas nach unten, liegt aber nach wie vor an der Gleitfläche 21 an. Dieses Anlage bleibt erhalten, auch wenn sich, wie in 4c dargestellt, der Zahn 8 weiter in Richtung des Pfeils 26 dreht. Wenn, wie in 4d dargestellt, die Spitze des Außenzahnes 8 der Spitze des Innenzahnes 10 gegenüberliegt, dann ist der Vorsprung 19 etwa bis zur größten radialen Erstreckung der Ausnehmung 20 gewandert. Dabei ist zu berücksichtigen, daß nicht nur der dargestellte Vorsprung 19 durch das Zahnrad 7 angetrieben ist, sondern auch die anderen drei Vorsprünge 19. Man kann also davon ausgehen, daß immer mindestens ein Vorsprung 13 in Umfangsrichtung geschoben wird.

Mit der dargestellten Ausgestaltung ist es möglich, den Ventilschieber 12 direkt durch das Zahnrad 7 anzutreiben, wobei lediglich die rotierende Bewegung des Zahnrades 7 auf dem Ventilschieber 12 übertragen wird, nicht jedoch die orbitierende Bewegung.

Da lediglich eine bewegliche Verbindung vorhanden ist, nämlich die Verbindung zwischen den Vorsprüngen 19 und den Gleitflächen 21, ist auch nur ein entsprechend kleines Spiel vorhanden. Die Position des Ventilschiebers 12 kann also wesentlich besser der Position des Zahnrades 7 folgen.

Der Eingriffspfad ist hier als Gleitfläche 21 dargestellt. Dies ist auch die einfachste Ausgestaltung, weil die Vorsprünge bei der Bewegung des Zahnrades 7 immer in Anlage an der Gleitfläche 21 gehalten werden. Es ist aber natürlich auch möglich, einen Eingriffspfad durch eine kreisförmige Nut zu bilden.


Anspruch[de]
  1. Hydraulischer Motor mit einem Verdrängerabschnitt, der ein rotierendes und orbitierendes Verdrängungselement aufweist, einem Ventilabschnitt, der einen in einer Gehäusebohrung drehbar gelagerten Ventilschieber aufweist, und einer Kupplungseinrichtung, die die rotierende Bewegung des Verdrängungselements auf den Ventilschieber überträgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungseinrichtung mindestens ein Kupplungselement (19) aufweist, das mit dem Verdrängungselement (7) über einen ringförmigen Eingriffspfad (21) in Verbindung steht, der in jeder Stellung des Verdrängungselements (7) in Überdeckung mit einer vorbestimmten, durch einen Punkt des rotierenden Ventilschiebers (12) beschriebenen Kreislinie steht.
  2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupplungselement (19) spielfrei mit dem Ventilschieber (12) verbunden ist.
  3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupplungselement (19) als Vorsprung ausgebildet ist, der in einer dem Verdrängerabschnitt (2) zugewandten Stirnseite des Ventilschiebers (12) angeordnet ist.
  4. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingriffspfad (21) kreisförmig ausgebildet ist.
  5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingriffspfad (21) durch eine Vertiefung (20) auf der dem Ventilabschnitt (3) zugewandten Stirnseite des Verdrängungselements (7) gebildet ist.
  6. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingriffspfad (21) durch eine Bohrung im Verdrängungselement (7) gebildet ist, deren Durchmesser einem Durchmesser eines Kreises (25) entspricht, auf dem das Verdrängungselement (7) orbitiert.
  7. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschieber (12) mit seiner Stirnseite am Verdrängungselement (7) anliegt.
  8. Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseite des Ventilschiebers (12) den Eingriffspfad (21) in jeder Position des Verdrängungselements (7) abdeckt.
  9. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdrängungselement als Zahnrad ausgebildet ist und mehrere Eingriffspfade (21) in Umfangsrichtung gleichförmig auf die Zähne (8) verteilt sind.
  10. Motor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zahn (8) einen Eingriffspfad (21) aufweist.
  11. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in Umfangsrichtung mindestens drei Kupplungselemente (19) vorgesehen sind.
  12. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingriffspfad in Radialrichtung radial innerhalb eines Bereichs angeordnet ist, in dem sich Druckkammern (11) des Verdrängungsabschnitts (2) befinden.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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