EP0888499B1 - Kolben für eine hydrostatische axialkolbenmaschine - Google Patents

Kolben für eine hydrostatische axialkolbenmaschine Download PDF

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EP0888499B1
EP0888499B1 EP97905034A EP97905034A EP0888499B1 EP 0888499 B1 EP0888499 B1 EP 0888499B1 EP 97905034 A EP97905034 A EP 97905034A EP 97905034 A EP97905034 A EP 97905034A EP 0888499 B1 EP0888499 B1 EP 0888499B1
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piston
curvature
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radius
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Josef Beck
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Brueninghaus Hydromatik GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B1/00—Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders
    • F04B1/12—Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders having cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
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    • F04B1/12—Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders having cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F04B1/122—Details or component parts, e.g. valves, sealings or lubrication means
    • F04B1/124—Pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00—Metals
    • F05C2201/04—Heavy metals
    • F05C2201/0469—Other heavy metals
    • F05C2201/0475—Copper or alloys thereof
    • F05C2201/0478—Bronze (Cu/Sn alloy)

Definitions

  • the invention relates to a piston for a hydrostatic axial piston machine, arranged in particular in a swashplate design with a cylinder drum axial cylinder bores and a swash plate on which the pistons are supported.
  • the Pistons consist of a piston skirt with a piston face and with an in the cylindrical bore reciprocating cylindrical surface and one piston head supporting the swash plate.
  • Such pistons for axial piston machines are known for example from DE A 23 20 554 and DE-A 36 09 892. At least the end regions of the cylindrical outer surface facing the end pressure surface of these pistons are chamfered or rounded off for a variety of reasons. It is known to the person skilled in the art that in such machines the piston play and the kinematics of such machines inevitably lead to an alternating inclination of the piston in the cylinder bore, which causes increased friction and wear, particularly in the case of soft cylinder material, for example bronze. During the piston movement, a scraping effect occurs on the wall of the cylinder bore through the end edges of the piston / outer surface.
  • the invention has for its object a piston for a hydrostatic To create an axial piston machine in which the wear at the insertion and removal point the piston skirt is further reduced and at the same time the hydraulic-mechanical and volumetric efficiency of the hydrostatic machine is improved.
  • the piston is according to the preamble of claim 1 characterized in that the outer surface of the piston skirt on its in the Piston front end merging front end area and / or their towards the piston head a rear bevel with a constantly changing radius of curvature having.
  • This is not only a reduction in the friction at the piston ends thereby achieved that the chamfer profile the different sized inclinations of the Piston is adapted in its back and forth movement in the cylinder bore, but a lower tolerance for the permissible piston play can also be assumed become.
  • the invention enables a better lubricating film build-up for removing the Frictional heat of the cylinder bore wall. After all, it's a surprising one Improvement of hydraulic-mechanical and volumetric efficiency, were measured up to 3%, achieved in that the chamfer profile the effective face pressure area of the piston enlarged.
  • the axial piston machine shown schematically in section in FIG Swashplate design consists of a housing 1, the input / output shaft 2, the Cylinder drum 3, the housing cover 4 with control disc 5, the swash plate 6, the Pistons 7, which move in cylinder bores 8 of the cylinder drum 3 in that they are supported by sliding shoes 9 on the swash plate 6.
  • the inclination of the Swash plate 6 can by an adjusting device 10 and thus the stroke volume of the Machine can be changed.
  • this axial piston machine is of the usual type and there is no need for a more detailed description.
  • the pistons 7, in the embodiment shown hollow pistons, consist of a Piston shaft 15 with a pressure-sensitive piston face 11.
  • the piston shaft 15 has one cylindrical outer surface 12 which slides on the wall 13 of the cylinder bore 8.
  • On the side facing away from the piston face 11 goes into the piston head 14 over, which is mounted in the shoe 9.
  • To illustrate the kinematics in the Figure 2 shows the inclination of the pistons 7 in the cylinder bores 8 greatly exaggerated shown.
  • the decisive points for the emergence of the scraping effect are the end areas of the Piston skirt.
  • the front end portion of the piston skirt 15, in which the Piston shaft 15 merges into the piston end face 11 is designated Y and for Embodiments in Figures 4 and 6 shown enlarged.
  • the rear end area of the piston skirt 15 is designated X and for the two embodiments in the Figures 5 and 7 are shown enlarged.
  • the chamfer profile 16 begins at the piston face 11 with a small one Radius of curvature R1 and continues with increasing radii of curvature to the lateral surface 12, in which the radius of curvature R2 reaches infinite size.
  • the chamfer profile 16 tapers into the lateral surface, becoming ever flatter.
  • the between the piston face 11 and the beginning of the chamfer profile 16 with a small Radius of curvature R1 resulting edge 17 is functionally meaningless since this edge in no inclined position of the piston in the area of the wall of the cylinder bore comes. Generally, this edge 17 is so far inward of the piston center axis laid, i.e.
  • the chamfer profile 16 is so large that it is also used as an introductory phase Assembly of the pistons to avoid damage to the cylinder bore wall serves.
  • the chamfer profile 18 in the rear end region of the piston skirt 15 according to FIG. 5 starts from the side of the piston head 14 with a small radius of curvature R3, runs with continuously increasing radii of curvature into the outer surface 12 of the piston, where it reaches the radius of curvature R2 of infinite size of the lateral surface.
  • the chamfer profile 19 has on the side of the Piston face 11 initially again has a small radius R4, which remains constant or increasing continuously changes into a large radius of curvature R5.
  • This Radius of curvature R5 can also be infinitely large, which means that in this area a conical annular chamfer pressure surface 20 is formed.
  • Radius of curvature R6 continues, the radii of curvature R7 etc. again increasing continuously until they have the radius of curvature R2 with the value infinite of the lateral surface 12 reach the piston, so that the chamfer profile 19 here also continuously and flat in the lateral surface 12 merges.
  • the conical annular pressure surface 20 increases the hydraulic-volumetric efficiency of the piston.
  • the angle between one axial surface line of the pressure surface 20 and an axial surface line of the surface surface 12 of the piston should be less than 5 °.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine hydrostatische Axialkolbenmaschine, insbesondere in Schrägscheibenbauform mit einer Zylindertrommel, darin angeordneten axialen Zylinderbohrungen und einer Schrägscheibe, an der die Kolbenabgestützt sind. Die Kolben bestehen aus einem Kolbenschaft mit einer Kolbenstirnfläche und mit einer sich in der Zylinderbohrung hin- und herbewegenden zylindrischen Mantelfläche sowie einem sich an der Schrägscheibe abstützenden Kolbenkopf.
Derartige Kolben für Axialkolbenmaschinen sind beispielsweise aus der DE A 23 20 554 und DE-A 36 09 892 bekannt. Zumindest die der stirnseitigen Druckfläche dieser Kolben zugewandten Endbereiche der zylindrischen Mantelfläche sind aus den verschiedensten Gründen abgeschrägt oder abgerundet. Dem Fachmann ist bekannt, daß bei derartigen Maschinen das Kolbenspiel und die Kinematik solcher Maschinen zwangsläufig zu einer wechselnden Schrägstellung des Kolbens in der Zylinderbohrung führt, was eine erhöhte Reibung und Verschleiß bewirkt, insbesondere bei weichem Zylindermaterial, z.B. Bronze. Während der Kolbenbewegung tritt an der Wandung der Zylinderbohrung ein Schabeeffekt durch die Endkanten der Kolben/Mantelfläche auf. Damit während der Kolbenbewegung an der Wandung der Zylinderbohrung kein Schabeeffekt auftritt, sind die Zylinderbohrungen in diesem Bereich teilweise frei bearbeitet. Um die Abnützung der Wandungen des Zylinders zu verringern, ist bei dem Kolben nach DE-A 23 20 554 der innere Endabschnitt des Kolbens zur stirnseitigen Druckfläche hin abgeschrägt. Bei dieser Ausführung mit Anfasungen (Abschrägungen) tritt ohne eine freie Bearbeitung der Wandung der Zylinderbohrung weiterhin Verschleiß an der Ein- und Austauchstelle des Kolbenschaftes auf, da die Anfasung ihrerseits Kanten hat.
Es wurde festgestellt, daß diese Kanten der Anfasung oder auch mit gleichem, kleinem Krümmungsradius gebrochene Kanten die genannte Schabwirkung nicht vermeiden. Diese Schabwirkung verhindert den Aufbau des zur Abführung der Reibungswärme benötigten Leckölschmierfilmes und neigt zum Verklemmen der Kolben in der Zylinderbohrung (Schubladeneffekt).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für eine hydrostatische Axialkolbenmaschine zu schaffen, bei dem der Verschleiß an der Ein- und Austauchstelle des Kolbenschaftes weiter vermindert ist und gleichzeitig der hydraulisch-mechanische und volumetrische Wirkungsgrad der hydrostatischen Maschine verbessert ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Kolben nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche des Kolbenschaftes an ihrem in die Kolbenstirnseite übergehenden vorderen Endbereich und/oder ihrem zum Kolbenkopf hin liegenden hinteren Endbereich eine Anfasung mit stetig veränderten Krümmungsradien aufweist. Dadurch ist nicht nur eine Reduzierung der Reibung an den Kolbenschaftenden dadurch erreicht, daß das Anfasungsprofil den unterschiedlich großen Schrägstellungen des Kolbens bei seiner Hin- und Herbewegung in der Zylinderbohrung angepaßt ist, sondern es kann auch von einer geringeren Toleranz für das zulässige Kolbenspiel ausgegangen werden. Die Erfindung ermöglicht einen besseren Schmierfilmaufbau zur Abführung der Reibwärme der Zylinderbohrungswandung. Schließlich ist eine überraschende Verbesserung des hydraulisch-mechanischen und volumetrischen Wirkungsgrades, gemessen wurden bis zu 3 %, dadurch erreicht, daß das Anfasungsprofil die wirksame stirnseitige Druckfläche des Kolbens vergrößert.
Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
  • Fig. 1 schematisch im Schnitt eine Axialkolbenmaschine in Schiefscheibenbauart,
  • Fig. 2 schematisch in einer Schnittansicht Zylindertrommel, Schiefscheibe und Kolben mit stark übertrieben dargestellter Schrägstellung der Kolben in den Zylinderbohrungen,
  • Fig. 3 im Schnitt einen Kolben mit Gleitschuh,
  • Fig. 4 vergrößert im Ausschnitt den Bereich Y in Figur 3,
  • Fig. 5 vergrößert im Ausschnitt den Bereich X in Figur 3,
  • Fig. 6 vergrößert im Ausschnitt den Bereich Y in Figur 3 einer anderen Ausführungsform und
  • Fig. 7 vergrößert im Ausschnitt den Bereich X in Figur 3 der anderen Ausführungsform.
    • Die in Figur 1 schematisch im Schnitt dargestellte Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauform besteht aus einem Gehäuse 1, der An/Abtriebswelle 2, der Zylindertrommel 3, dem Gehäusedeckel 4 mit Steuerscheibe 5, der Schiefscheibe 6, den Kolben 7, die sich in Zylinderbohrungen 8 der Zylindertrommel 3 dadurch bewegen, daß sie sich über Gleitschuhe 9 an der Schiefscheibe 6 abstützen. Die Schrägstellung der Schiefscheibe 6 kann durch eine Verstelleinrichtung 10 und damit das Hubvolumen der Maschine verändert werden. Insgesamt ist diese Axialkolbenmaschine von üblicher Bauart und es erübrigt sich eine nähere Beschreibung.
    Die Kolben 7, bei der gezeigten Ausführungsform Hohlkolben, bestehen aus einem Kolbenschaft 15 mit druckwirksarner Kolbenstirnseite 11. Der Kolbenschaft 15 hat eine zylindrische Mantelfläche 12, welche an der Wand 13 der Zylinderbohrung 8 gleitet. Auf der der Kolbenstirnseite 11 abgewandten Seite geht der Kolbenschaft in den Kolbenkopf 14 über, der in dem Gleitschuh 9 gelagert ist. Zur Verdeutlichung der Kinematik ist in der Figur 2 die Schrägstellung der Kolben 7 in den Zylinderbohrungen 8 stark übertrieben dargestellt.
    Die für die Entstehung des Schabeffektes entscheidenden Stellen sind die Endbereiche des Kolbenschaftes. Der vordere Endbereich des Kolbenschaftes 15, in welchem der Kolbenschaft 15 in die Kolbenstirnseite 11 übergeht, ist mit Y bezeichnet und für die Ausführungsformen in den Figuren 4 und 6 vergrößert dargestellt. Der hintere Endbereich des Kolbenschaftes 15 ist mit X bezeichnet und für die beiden Ausführungsformen in den Figuren 5 und 7 vergrößert dargestellt.
    Das Anfasungsprofil 16 nach Figur 4 beginnt an der Kolbenstirnseite 11 mit einem kleinen Krümmungsradius R1 und setzt sich mit stetig größer werdenden Krümmungsradien bis zur Mantelfläche 12 fort, in welcher der Krümmungsradius R2 unendliche Größe erreicht. Das Anfasungsprofil 16 läuft stetig flacher werdend in die Mantelfläche aus. Die zwischen der Kolbenstirnseite 11 und dem Beginn des Anfasungsprofiles 16 mit kleinem Krümmungsradius R1 entstehende Kante 17 ist funktionell bedeutungslos, da diese Kante in keiner Schrägstellung des Kolbens in den Bereich der Wandung der Zylinderbohrung kommt. Im allgemeinen ist diese Kante 17 so weit nach innen zur Kolbenmittelachse gelegt, d.h. das Anfasungsprofil 16 ist so groß, daß es auch als Einführungsphase bei der Montage der Kolben zur Vermeidung von Beschädigungen der Zylinderbohrungswandung dient. Das Anfasungsprofil 18 im hinteren Endbereich des Kolbenschaftes 15 nach Figur 5 beginnt von der Seite des Kolbenkopfes 14 her mit kleinem Krümmungsradius R3, läuft mit stetig größer werdenden Krümmungsradien in die Mantelfläche 12 des Kolbens aus, wo sie den Krümmungsradius R2 unendlicher Größe der Mantelfläche erreicht.
    Bei der Ausführungsform nach Figur 6 weist das Anfasungsprofil 19 auf der Seite der Kolbenstirnfläche 11 zunächst wiederum einen kleinen Radius R4 auf, der gleichbleibend oder größer werdend stetig in einen großen Krümmungsradius R5 übergeht. Dieser Krümmungsradius R5 kann auch unendlich groß sein, was bedeutet, daß in diesem Bereich eine konisch ringförmige Anfasungs-Druckfläche 20 gebildet wird. Anschließend setzt sich das Anfasungsprofil 19 mit gegenüber dem Krümmungsradius R5 wieder kleinerem Krümmungsradius R6 fort, wobei die Krümmungsradien R7 usw. wieder stetig größer werden, bis sie den Krümmungsradius R2 mit dem Wert unendlich der Mantelfläche 12 des Kolbens erreichen, so daß das Anfasungsprofil 19 auch hier kontinuierlich und flach in die Mantelfläche 12 übergeht. Die konisch ringförmige Druckfläche 20 erhöht den hydraulisch-volumetrischen Wirkungsgrad des Kolbens. Der Winkel zwischen einer axialen Mantellinie der Druckfläche 20 und einer axialen Mantellinie der Mantelfläche 12 des Kolbens sollte kleiner als 5° sein. Das Anfasungsprofil 21 nach Figur 7 im hinteren Endbereich X beginnt bei dieser Ausführungsform von der Kolbenkopfseite her mit einem konstanten Krümmungsradius R8, hat einen sehr großen, über einen kleinen Bereich konstant bleibenden Krümmungsradius R9 und geht dann mit gegenüber R9 zunächst etwas kleinerem Krümmungsradius in die anschließend wieder größer werdenden Krümmungsradien R10 über, bis diese den Krümmungsradius R2 unendlicher Größe der Mantelfläche 12 erreichen.

    Claims (6)

    1. Kolben für eine hydrostatische Axialkolbenmaschine, insbesondere in Schrägscheibenbauform mit einer Zylindertrommel (3), darin angeordneter axialer Zylinderbohrungen (8) und einer Schrägscheibe (6), an der die in den Zylinderbohrungen hin- und herbeweglichen Kolben (7) abgestützt sind, bestehend aus einem Kolbenschaft (15) mit einer Kolbenstirnfläche und mit einer in der Zylinderbohrung anliegenden zylindrischen Mantelfläche (12) sowie einem sich an der Schrägscheibe (6) abstützenden Kolbenkopf (14),
      dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche (12) des Kolbenschaftes (15) an ihrem in die Kolbenstirnseite (11) übergehenden vorderen Endbereich (Y) und/oder ihrem zum Kolbenkopf hin liegenden hinteren Endbereich (X) eine Anfasung (16; 18; 19; 21) mit stetig veränderten Krümmungsradien aufweist.
    2. Kolben nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, daß die Anfasung (16; 18; 19; 21) der Mantelfläche von dem Kolbenschaftende beginnend mit einem kleinen Krümmungsradius und anschließend größer werdenden Krümmungsradien in die zylindrische Mantelfläche (12) mit dem Radius unendlich ausläuft.
    3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2,
      dadurch gekennzeichnet, daß die stetige Änderung der Krümmungsradien derart gewählt ist, daß ein zumindest annähernd logarithmisch verlaufendes Anfasungs-Profil (16; 18) an den Endbereichen der Mantelfläche (12) gegeben ist.
    4. Kolben nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, daß die Anfasung (19; 21) der Mantelfläche von dem Kolbenschaftende mit einem kleinen Krümmungsradius (R4; R8) beginnt, sich mit einem großen, vorzugsweise unendlich großen Krümmungsradius (R5; R9) unter Bildung einer konisch ringförmigen Anfasungs-Druckfläche (20) fortsetzt und anschließend mit wieder kleinerem (R6) und dann größer werdenden Krümmungsradien (R7) in die zylindrische Mantelfläche mit unendlichem Krümmungsradius (R2) übergeht.
    5. Kolben nach Anspruch 4,
      dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel der Konizität der Anfasungs-Druckfläche (20) zu der zylindrischen Mantelfläche (12) kleiner als 5° ist.
    6. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, daß das Anfasungs-Profil an dem vorderen Endbereich und an dem hinteren Endbereich der Mantelfläche des Kolbenschaftes unterschiedlich ist.
    EP97905034A 1996-03-18 1997-02-17 Kolben für eine hydrostatische axialkolbenmaschine Expired - Lifetime EP0888499B1 (de)

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    Application Number Priority Date Filing Date Title
    DE19610595 1996-03-18
    DE19610595A DE19610595C1 (de) 1996-03-18 1996-03-18 Kolben für eine hydrostatische Axialkolbenmaschine
    PCT/EP1997/000742 WO1997035110A1 (de) 1996-03-18 1997-02-17 Kolben für eine hydrostatische axialkolbenmaschine

    Publications (2)

    Publication Number Publication Date
    EP0888499A1 EP0888499A1 (de) 1999-01-07
    EP0888499B1 true EP0888499B1 (de) 2002-06-05

    Family

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    Application Number Title Priority Date Filing Date
    EP97905034A Expired - Lifetime EP0888499B1 (de) 1996-03-18 1997-02-17 Kolben für eine hydrostatische axialkolbenmaschine

    Country Status (6)

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    US (1) US5970845A (de)
    EP (1) EP0888499B1 (de)
    JP (1) JP2000506585A (de)
    KR (1) KR100382835B1 (de)
    DE (2) DE19610595C1 (de)
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