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Hydraulischer Radial-Kugelkolbenmotor
Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Radial-Kugelkolbenmotor mit einem in Gleitlagern drehbar in einem Gehäuse angeordneten Rotor, bei welchem wenigstens eine radial verlaufende Bohrung oder Ausnehmung als Zylinder für einen oder für zwei als Kugeln oder Rollen ausgebildete Kolben dient, welche auf einer den Rotor umgebenden gehäusefesten Rollbahn ablaufen.
Bei Motoren der eingangs genannten Art ist die Möglichkeit gegeben, mit einem im Vergleich zu andern Antriebsmotoren einfachen Aufbau und bei vergleichsweise geringen Abmessungen relativ hohe Antriebsleistungen zu erzielen. Die eingangs genannten Motoren gehören im Hinblick auf ihr Bauprinzip zu den Radial-Kolbenmaschinen. Diese Maschinen können generell als Pumpen, Kupplungen, Bremsen oder wie im vorliegenden Falle als Motore arbeiten. Grundsätzlich ist die Umkehrung eines Motors in eine Pumpe und umgekehrt möglich ; es ist jedoch je nach jeweiligem Zweck mit Nachteilen zu rechnen, wenn eine Maschine nicht für den ursprünglich vorgesehenen Zweck verwendet wird.
Die Erfindung befasst sich hauptsächlich mit Radial-Kugelkolbenmotoren. Besonderes Anwendungsgebiet sollen Antriebsaufgaben in Steuer- und Regelkreisen sein, wobei die zu diesen Zwecken verwendeten Motoren als Drehmomentverstärker verwendet sein sollen und eine eingeführte oder energiearm vorgegebene Grösse, beispielsweise eine Bewegungsgrösse, unverändert, jedoch mit hohem Drehmoment, abgeben sollen.
Es ist möglich, Steuer- und Regelkreise und die zur Bildung solcher Kreise erforderlichen Vorrichtungen sehr klein auszubilden, d. h. in wenigen dms Raum unterzubringen. Es ist daher verständlich, dass die Motoren, die die Steuer- oder Regelimpulse oder-befehle in Antriebsarbeit umsetzen, so klein und leistungsfähig wie nur irgend möglich ausgebildet sein müssen. Zugleich muss von solchen Motoren aber auch verlangt werden, dass sie mit möglichst geringen Verlusten arbeiten.
Im Interesse einer feinfühligen und trägheitslosen Steuerung oder Regelung müssen Motoren der in Rede stehenden Art fehlerfrei, d. h. so genau wie irgend möglich steuerbar sein und auf Steuer- bzw. Regelimpulse möglichst feinfühlig ansprechen.
Zu diesen Forderungen gehört ausserdem auch noch die Verwirklichung eines stufenlos erfassbaren möglichst grossen Drehzahlbereiches und die Möglichkeit, den Motor beliebig schnell in seiner Drehrichtung aus beliebigen Drehzahlen heraus umkehren zu können. Ausserdem verlangt die einwandfreie Erfüllung von Regelaufgaben schliesslich noch einen Motor, der auch im Drehzahlbereich nahe Null, d. h. bei äusserst geringen Drehzahlen oder Winkelgeschwindigkeiten, genau entsprechend den gegebenen Befehlen verlustarm und einwandfrei arbeitet.
Die bekannten Motoren der eingangs genannten Art weisen ein Gehäuse auf, in welchem ein Rotor, der die Form einer Glocke oder eine Topfform mit am Boden einstückig angeformtem Wellenstumpf aufweist, drehbar gelagert ist. Im Rotor sind radiale oder im wesentlichen radial verlaufende Bohrungen oder Ausnehmungen vorgesehen und in diese Kugeln oder auch walzenförmige Rollen eingepasst, welche auf einer oder mehreren insbesondere axial nebeneinander angeordneten gehäusefesten oder vom Gehäuse gehaltenen Rollbahnen ablaufen, wenn entsprechend der Form dieser exzentrisch zum Rotor gelagerten Rollbahnen über einen in den inneren Hohlraum der Topf- oder Glockenform des Rotors eingrei-
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fenden Steuerzylinder in gesteuerter Weise Druckflüssigkeit zugeführt bzw. abgeleitet wird.
Für die eingangs genannten Antriebsaufgaben in Steuer- und Regelkreisen sind die bekannten Motoren aus zahlreichen Gründen nicht geeignet. Zur Beeinflussung des Laufes der bekannten Motoren bedient man sich in der Praxis beispielsweise verschiedener Massnahmen. Aus der deutschen Patentschrift Nr. 873207 ist es bekannt, den in das Innere des Rotors eingreifenden Steuerzylinder in bezug auf die gehäusefeste Rollbahn zu verdrehen, um die Motorleistung zu verändern. Bei dieser Massnahme wird aber die Lage der von der Rollbahn bestimmten Totpunkte, welche unveränderlich ist, zur Lage der durch die Druckflüssigkeitszufuhr bzw. -abfuhr bestimmten Totpunktefehlerhaft, so dass sich nicht vermeiden lässt, dass die einzelnen Zylinder eines solchen Motors im Bereich ihrer Totpunkte als Pumpen oder Bremsen und nicht als Motoren arbeiten.
Dabei geht ein sehr hoher Anteil der zugeführten Leistung verloren oder wird in Wärme umgesetzt ; zugleich wird der Verschleiss gross und die Lebensdauer verringert sich. Die wesentlichste Eigenschaft, die gemäss den eingangs genannten Forderungen für Regelund Steueraufgaben vorhanden sein muss, nämlich eine möglichst geringe Baugrösse bei hoher Antriebsleistung, lässt sich aber bei dieser Energieverschwendung keinesfalls verwirklichen.
Eine andere Art der Beeinflussung des Motorlaufes zeigt die österr. Patentschrift Nr. 97044. Dabei wird der im Gehäuse gehaltene Ring, der die Rollbahn für die Kugelkolben oder walzenförmigen Kolben bildet, in Form eines exzentrisch zum Rotor gelagerten Kreisringes ausgebildet und dieser Kreisring durch Druckeinwirkung verformt, so dass er die Form eines Langrundes oder einer Ellipse annimmt. Zunächst ist festzustellen, dass eine solche Art der Steuerung ohne das Vorhandensein einer gewissen Mindeststeuerleistung, die im vorliegenden Falle relativ gross ist, undenkbar ist ; denn es bedarf erheblicher Kräfte, um einen metallischen Laufring zu verformen. Aufwendig wird der Bau solcher Motoren infolge der zum Verformen der Rollbahn benötigten Einrichtungen.
Ausserdem führt die Verformung des Laufringes zu einer Veränderung der geometrischen Beziehung zwischen Rotor und Rollbahn, durch welche der Kolbenhub verändert wird. Eine Veränderung des Kolbenhubes führt aus naheliegenden Gründen zu einer Senkung der Leistung, d. h. eine solche Massnahme steht in krassem Widerspruch zu der Forderung, bei kleinsten Abmessungen hohe Antriebsleistungen zu erzielen.
Es sind auch noch zahlreiche andere motorgebundene Steuerungsarten bekannt, die im einzelnen hier nicht ausführlich behandelt zu werden brauchen, weil sie zum Teil zur Steuerung von Radial-Kolbenmaschinen bei deren Arbeitsweise als Pumpen dienen oder weil durch die Art der Steuerung zumindest die Baugrösse des Motors vergrössert oder dessen Leistungsfähigkeit in bezug auf seine Baugrösse vermindert wird.
Die Leistungsfähigkeit eines Motors der in Rede stehenden Art wird massgeblich von seinen Verlusten bestimmt. Diese Verluste sind bei den bekannten Motoren zum Teil recht gross. Sie setzen sich aus mechanischen Widerstandsverlusten und aus hydraulisch bedingten, insbesondere Leckverlusten zusammen.
Die Widerstandsverluste beruhen insbesondere darauf, dass die Rotoren der bekannten Motoren nur an einem Ende des glocken-oder topfförmigen Körpers gelagert sind, so dass trotz der Verwendung der an sich teuren und aufwendigen Wälzlager infolge des beim Betrieb entstehenden Kippmoments ein zum erheblicher Drehwiderstand im Lager entsteht, der zu einer relativ starken Erwärmung bei starkem Verschleiss führt. Die bereits vorgeschlagenen Massnahmen zur Senkung der Reibungsverluste zwischen Kolben und Laufbahn sowie zwischen Kolben und Zylinder führen ausnahmslos (s. z. B. die brit. Patentschrift Nr. 3827 A. D. 1914), dazu, dass sich die Abmessungen des Motors im Vergleich zur Leistung in erheblicher Weise vergrössern.
Auch der Senkung der Leckverluste sind Grenzen gesetzt. Will man nämlich die Reibungsverluste zwischen Kugelkolben und Zylinderwandung gering halten, dann muss ein gewisses Mindestspiel zwischen Kugel und Zylinderwandung vorhanden sein. Je höher der Flüssigkeitsdruck ist, umso grösser werden bei diesem Mindestspiel die Leckverluste. Will man hingegen die Leckverluste klein halten, führt nur die gegenteilige Massnahme zum Erfolg, d. h. die als Kolben dienende Kugel muss in den Zylinder möglichst eng, vorzugsweise im Gleitsitz, eingepasst sein. Eine gewisse unvermeidliche Gleitreibung als Widerstand lässt sich dabei nicht vermeiden. Eine reibungsbedingte Erwärmung lässt sich ebenfalls nicht umgehen.
Die Erfahrungen mit bekannten Motoren haben gezeigt dass diese Massnahmen relativ rasch zu starkem Verschleiss führen, weil die ungleichmässige Erwärmung von Rotor und Kugel zu Verklemmungen der Kugel in dem Zylinder und damit zu gesteigerter Reibung und schliesslich zu einem Fressen, gegebenenfalls Blockieren, führt. Dabei wird häufig der Motor zerstört. Als Abhilfe wird beispielsweise in der brit. Patentschrift Nr. 578392 vorgeschlagen, die Zylinder im Bereich des Kugelkolbenhubes mit lösbar eingesetzten Buchsen auszurüsten, und diese Buchsen aus Material von besonderer Wärmeleitfähig-
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keit, besonderer Festigkeit, besonderer Härte usw. auszubilden.
Es ist offensichtlich, dass mit einer solchen Massnahme der eingangs genannten Forderung nach einfachem Aufbau insbesondere aber nach geringer Baugrösse nicht entsprochen wird.
Aus den genannten Patentschriften ist zu entnehmen, dass bei der Konstruktion von Radial-Kolbenmotoren relativ hohe Verluste, eine mehr oder weniger geringe Lebensdauer, eine fest vorgegebene nicht überschreitbar Leistungsfähigkeit und eine gewisse Mindestbaugrösse, die für die eingangs genannten Forderungen zu gross ist, nicht unterschritten werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, die aufgezeigten Nachteile der bekannten Radial-Kolbenmotoren zu vermeiden und eine Bauform eines solchen Motors zu finden, die bei geringen Verlusten, langer Lebensdauer, feinfühliger und weitgehend trägheitsloser Steuerbarkeit des Motors zugleich die nahezu kleinstmögliche Bauweise bei einer gegebenen Leistung gewährleistet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Rotor als zylindrische Walze ausgebildet ist und bei einem mit zwei Kolben ausgerüsteten Zylinder einen das Zweifache des Kugeldurchmessers betragenden Durchmesser aufweist, welcher höchstens um einen geringen Betrag, der eine gegenseitige Berührung der Kugeln in der unteren Totpunktlage ausschliesst, vergrössert ist, wogegen bei nur einem Kolben je Zylinder der Durchmesser der als Kolben dienenden Kugel etwa das 0, 7fache des Rollbahndurchmessers beträgt, und dass zur Druckflüssigkeitszufuhr und-ableitung gehäusefeste, zugleich als Gleitlager für den Rotor ausgebildete Steuerhülsen mit bogenförmigen Steuerkammern und am Rotor in umfängliche Steueröffnungen ausmündende, im wesentlichen radial zu den Zylindern verlaufende Steuerkanäle vorgesehen sind.
Die mechanischen Verluste, aber auch die Leckverluste werden weiter verringert und dadurch die Steuerempfindlichkeit des Motors und zugleich seine Leistungsfähigkeit gesteigert, wenn dieser nach einem weiteren Merkmal der Erfindung so ausgebildet ist, dass zwischen jeweils zwei axial benachbarten Zylindern eine jeweils beiden zugleich dienende Steuerhülse vorgesehen ist, und dass alle Steuerhülsen über im Gehäuse in axialer Richtung verlaufende Kanäle miteinander und mit ins Gehäuse mündenden Druckflüssigkeitszufuhr-bzw.-ableitrohren verbunden sind.
Um die Steuerung und Regelung so empfindlich wie nur irgend möglich zu gestalten, zugleich aber auch zu verhindern, dass durch das unvermeidbare Lecken Flüssigkeit verloren geht, sieht die Erfindung vor, dass jedem Zylinder im Gehäuse eine Leckkammer zugeordnet ist, und dass alle Leckkammern miteinander und mit einer getrennt aus dem Gehäuse herausgeführten Rohrleitung verbunden sind.
Die von der Erfindung wie vorstehend vorgeschriebene Bemessung der Motorteile steht im krassen Widerspruch zur aus den bereits genannten Patentschriften entnehmbaren Lehre, hohe Maximalleistungen durch möglichst grosse Anzahlen von gedrängt beieinander angeordneten Zylindern und Kolben zu erzielen. Die neue Ausbildung, d. h. vorgeschriebene Bemessung der Motorbauteile, berücksichtigt aber die geometrischen Zusammenhänge zwischen der exzentrischen Rollbahn, der Kugel und der als Zylinder dienenden Bohrung des Rotors in der Form, dass sie das praktisch verwirklichbare, maximal erzielbare Wellendrehmoment bei einer minimalen Motorgrösse, insbesondere bei einem geringstmöglichen Motordurchmesser nicht primär von der Anzahl und räumlichen Konzentration der Zylinder und Kolben abhängig macht.
Durch rechnerische Ableitung lässt sich ermitteln, dass bei einer als Kolben wirkenden Kugel der kleinste Motordurchmesser dann zu verwirklichen ist, wenn der Kugeldurchmesser etwa das 0, 7fache des Rollbahndurchmessers beträgt. Dabei ist bei der Kleinhaltung der Motorabmessungen und der Ableitung der Bemessungsvorschrift besonderer Wert darauf gelegt worden, dass der Motordurchmesser so klein wie irgend möglich wird.
In den vorstehenden Bemessungsvorschriften heisst es, dass der Motor erfindungsgemäss eine Kugel aufweisen soll, deren Durchmesser etwa das 0, 7fache des Rollbahndurchmessers beträgt. Dieser Wert lässt sich bei den eingangs genannten bekannten Motoren jedoch nicht verwirklichen ; das bedeutet, dass zur Schaffung des erfindungsgemässen Motors und der Verwirklichung seiner vorteilhaften Eigenschaften die zusätzlichen Ausbildungsvorschriften wesentlich mitbestimmend sind. Dazu gehört im besonderen Masse die Zuführung der Druckflüssigkeit in radialer Richtung aus dem Gehäuse in ein oder mehrere Gleitlager.
Bei den bekannten Ausführungsformen von Radial-Kolbenmotoren lässt sich wegen der bereits erwähnten Fehler, insbesondere Nachteile der einseitigen Lagerung in Wälzlagern, eine Bauform nicht wesentlich verbessern, bei welcher die als Kolben dienende Kugel im Durchmesser das 0,3fache des Rollkreisdurchmessers beträgt.
Wesentliche Vorteile der Kleinhaltung des Motordurchmessers, insbesondere der geringstmöglichen Bemessung des Rotors und der zugleich mehrfachen Abstützung in Gleitlagern, die zugleich auch Steuer-
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hülsen sind, sind folgende : Der Rotor ist mehrfach abgestützt und durch den in den Druckkammern anstehenden Druck druckentlastet, so dass die Reibungsverluste so gering wie nur irgend möglich sind. Der genaue Rundlauf des Rotors lässt eine enge Gleitsitzeinpassung der Kugel im Zylinder zu und fördert damit die Senkung der Leckverluste. Die kleinen Leckverluste und die geringen Reibungsverluste führen gemeinsam zu einem hohen Leistungsfaktor des Motors, und sie bilden darüber hinaus die Voraussetzung für eine hohe Ansprechempfindlichkeit, wie sie zu Steuerungszwecken gefordert wird.
Dieser Forderung kommt ausserdem der geringe Motordurchmesser entgegen ; denn bei einem geringen Durchmesser wird die rotierende Masse klein, und die zur Veränderung der Rotation benötigte Beschleunigungsenergie kann auf ein Minimum herabgesenkt werden. Bekanntlich geht der Durchmesser von Drehkörpern mit seiner vierten Potenz in die Trägheit ein, so dass der Durchmesserverringerung bei dem neuen Motor im Hinblick auf schlagartig durchzuführende Drehzahl- und Drehrichtungsänderungen die grösste Bedeutung zukommt.
Ein Ausführungsbeispiel des neuen Motors ist in den Zeichnungen dargestellt. Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen als Einkolben-Mehrzylindermotor ausgebildeten Radial-Kugelkolbenmotor. Die Fig. 2,3 und 4 zeigen Schnitte längs der Linien ici-11, III-III bzw. IV-IV in der Fig. 1. Die Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch einen als Mehrzylinder-Doppelkolbenmotor ausgebildeten Radial-Kugelkolbenmotor.
Die Fig. 6,7, 8 und 9 zeigen Schnitte längs den Linien VI-VI, VII-VII, VIII-VIII bzw. IX-IX in Fig. 5.
In den Figuren sind, unabhängig von den beiden Bauvarianten des neuen Motors, einander gleiche oder zumindest entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Bauteile, die unter dem Einfluss der Ausbildung als Einfach- oder Doppelkolbenmotor unterschiedliche Formen aufweisen, sind zur Unterscheidung bei der Ausbildung als Doppelkolbenmotor bei gleichen Bezugszeichen durch den Index a hervorgehoben.
Der neue Motor ist in den beiden Ausführungsbeispielen als Mehrzylindermotor ausgebildet. Er weist ein Gehäuse 1 und einen Rotor 2 auf. Der Rotor 2 weist die Gestalt einer zylindrischen Walze auf und ist an beiden Enden mit im Durchmesser verjüngten Wellenenden 3 und 4 ausgerüstet, die sowohl zur Abnahme der Antriebsleistung als auch zur Abnahme einer Steuergrösse, beispielsweise einer Bewegungsgrösse, dienen. Gegenüber dem Gehäuseinneren sind die Wellenenden 3, 4 mittels Dichtungen 5 abgedichtet.
In dem Rotor sind in radialer Richtung verlaufende Bohrungen 6 in axialem Abstand voneinander und zugleich in radialem Winkel zueinander versetzt angebracht. In diese Bohrungen 6 bzw. 6a sind Kugeln 7 bzw. 7a als Kolben eingesetzt. Die Kugeln laufen bei einer Rotation des Rotors 2 auf Rollbahnen 9 bzw. 9a ab.
Zwischen zwei benachbarten als Zylinder dienenden Bohrungen 6 oder 6a ist jeweils eine Steuerhülse 10 bzw. 10a in das Gehäuse eingebaut. Diese Steuerhülse 10 bildet zugleich ein Gleitlager für den Rotor 2. In ihr sind jedoch bogenförmige Kammern 11 bzw. 11a vorgesehen, die über geeignete im Gehäuse verlaufende Kanäle 17 bzw. 17a und Kammern 18 bzw. 18a sowie Kanäle 19 mit Rohranschlüssen 12'verbunden sind, über welche der Motor mit Steuerventilen od. dgl. und Druckflüssigkeitsquellen usw. verbunden ist.
Im Bereich der Kammern 11 oder 11a liegen am Aussenumfang des Rotors vorgesehene Steueröffnungen 12 bzw. 12a, die über Kanäle 13 bzw. 13a mit den zugehörigen Zylindern 6 oder 6a in Verbindung stehen, so dass die in den Kammern 11 oder 11a anstehende Druckflüssigkeit während der Rotation des Rotors 2 zunächst den Zylindern 6 oder 6a zugeführt, beim Passieren des entsprechenden Totpunktes wieder abgeführt wird. Die in den Kammern der Steuerhülse 10 anstehende Druckflüssigkeit wirkt dem Druck entgegen, mit welchem sich der Rotor 2 auf dem Gleitlager, das die Steuerhülse bildet, abstützt. Das bedeutet, dass der Rotor zwischen jeweils zwei benachbarten und zu einem Paar zusammengefassten Zylindern, welche gemeinsam von einer Steuerhülse gesteuert werden, auch in Gleitlagern aufgenommen ist und auf Druckflüssigkeitspolstern aufschwimmt.
Es wird auf diese Weise eine weitgehende Senkung der Lagerreibung erzielt.
Bei dem in den Fig. 1-4 gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Einkolbenmotor.
Die Rollbahn 9 hat die Form eines exzentrischen Kreisringes. Diese Form gewährleistet einen ausserordentlich glatten, ruhigen Lauf der Kugel und schafft die Voraussetzung für die Erzielung hoher Rotordrehzahlen. Zur Kleinhaltung des Rotordurchmessers ist die Kugel insbesondere so bemessen, dass ihr Durchmesser das 0, 65fache des Rollbahndurchmessers beträgt.
Bei der Ausbildung des neuen Motors als Doppelkolbenmotor wird der geringste Motordurchmesser bei höchstmöglicher Motorleistung dann erreicht, wenn der Rotordurchmesser das Doppelte oder geringfügig mehr als das Doppelte des Kugeldurchmessers beträgt. Durch die geringfügige Überbemessung des
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Rotordurchmessers wird verhindert, dass die Kugeln 7a in der unteren Totpunktlage einander gegenseitig berühren oder unter dem Einfluss von Beschleunigungskräften bei hohen Drehzahlen gegeneinander prallen und sich beschädigen. Die Rollbahn 9a hat bei der Doppelkolben-Motorausbildung die Form eines Langrundes oder einer Ellipse. Die Form der Rollbahn 9 oder auch 9a kann abgewandelt werden, wenn, bezogen auf eine volle Umdrehung des Rotors, ein besonders ausgebildeter Verlauf des Wellendrehmoments erzielt werden soll, z.
B. ein möglichst konstanter und glatter Verlauf des Drehmoments. Die vom Motor erwartete Endleistung lässt sich nunmehr durch beliebige Addition einer entsprechenden Anzahl axial hintereinander angeordneter Zylinder bei gleichbleibend kleinstmöglichem Motordurchmesser verwirklichen.
Um die Flüssigkeit nicht zu verlieren, die durch das unvermeidbare Lecken zwischen den Kugeln und den Zylindern austritt, sind Leckkammern 14 bzw. 14a vorgesehen und über im Gehäuse vorgesehene Kanäle 15 miteinander und mit einer Leckflüssigkeitsabführleitung 16 verbunden. Auf diese Weise wird bei begrenztem festem Flüssigkeitsvolumen ein Flüssigkeitsverlust vermieden, zugleich aber auch eine Beeinträchtigung der Steuerempfindlichkeit durch die Leckflüssigkeit verhindert.
Es ist schliesslich aus den Zeichnungen noch erkennbar, dass mit Ausnahme der beiden Wellendichtungen 5 keine Abdichtung des Motors erforderlich ist, weil die Steuerhülse in ihrer Funktion als Gleitlager zugleich abdichtend wirken. Damit ist gegenüber den bekannten Bauformen nicht nur eine erhebliche Senkung des Aufwandes, sondern auch eine weitgehende Vereinfachung erzielt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Hydraulischer Radial-Kugelkolbenmotor mit einem in Gleitlagern drehbar in einem Gehäuse angeordneten Rotor, bei welchem wenigstens eine radial verlaufende Bohrung oder Ausnehmung als Zylinder für einen oder für zwei als Kugeln oder Rollen ausgebildete Kolben dient, welche auf einer den Rotor umgebenden gehäusefesten Rollbahn ablaufen, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) als zylindrische Walze ausgebildet ist und bei einem mit zwei Kolben (7a) ausgerüsteten Zylinder (6a) einen das Zweifache des Kugeldurchmessers (7a) betragenden Durchmesser aufweist, welcher höchstens um einen geringen Betrag, der eine gegenseitige Berührung der Kugeln (7a) in der unteren Totpunktlage ausschliesst, vergrössert ist, wogegen bei nur einem Kolben (7) je Zylinder (6) der Durchmesser der als Kolben dienenden Kugel (7)
etwa das 0,7fache des Rollbahndurchmessers beträgt, und dass zur Druckflüssigkeitszufuhr und-ableitung gehäusefeste, zugleich die Gleitlager (10, 10a) für den Rotor (2) bildende Steuerhülsen mit bogenförmigen Steuerkammern (11, 11a) und am Rotor in umfängliche Steuer- öffnungen (12,12a) ausmündende, im wesentlichen radial zu den Zylinder verlaufende Steuerkanäle (13,13a) vorgesehen sind.
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Hydraulic radial piston motor
The invention relates to a hydraulic radial spherical piston motor with a rotor rotatably arranged in plain bearings in a housing, in which at least one radially extending bore or recess serves as a cylinder for one or two pistons designed as balls or rollers, which are fixed to the housing surrounding the rotor Run off the runway.
With motors of the type mentioned at the beginning, there is the possibility of achieving relatively high drive powers with a construction that is simple in comparison to other drive motors and with comparatively small dimensions. The engines mentioned at the beginning belong to the radial piston machines in terms of their construction principle. These machines can generally work as pumps, clutches, brakes or, as in the present case, as motors. In principle, it is possible to reverse a motor into a pump and vice versa; however, depending on the respective purpose, disadvantages are to be expected if a machine is not used for the originally intended purpose.
The invention is primarily concerned with radial piston piston engines. A special area of application should be drive tasks in control and regulating loops, whereby the motors used for these purposes should be used as torque amplifiers and should output an introduced or low-energy specified variable, for example a movement variable, unchanged but with high torque.
It is possible to make control and regulating circuits and the devices required to form such circuits very small; H. to accommodate in a few dms room. It is therefore understandable that the motors that convert the control or regulating pulses or commands into drive work must be designed as small and powerful as possible. At the same time, however, such motors must also be required to work with the lowest possible losses.
In the interest of a sensitive and inertia-free control or regulation, motors of the type in question must be error-free, i. H. be controllable as precisely as possible and respond as sensitively as possible to control and regulation pulses.
These requirements also include the implementation of a continuously detectable speed range as large as possible and the possibility of being able to reverse the direction of rotation of the motor at any speed from any speed. In addition, the perfect fulfillment of control tasks ultimately requires a motor that can also operate in the speed range close to zero, i.e. H. at extremely low speeds or angular velocities, exactly in accordance with the commands given, works with little loss and flawlessly.
The known motors of the type mentioned at the beginning have a housing in which a rotor, which has the shape of a bell or a pot shape with a shaft stub integrally formed on the bottom, is rotatably mounted. Radial or essentially radial bores or recesses are provided in the rotor and balls or also roller-shaped rollers are fitted into these, which run on one or more roller tracks that are fixed to the housing or are held by the housing, in particular axially adjacent, if the shape of these roller tracks eccentrically to the rotor via a into the inner cavity of the pot or bell shape of the rotor
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Fenden control cylinder is supplied or discharged pressure fluid in a controlled manner.
The known motors are unsuitable for numerous reasons for the drive tasks in control and regulation circuits mentioned at the beginning. In practice, for example, various measures are used to influence the running of the known motors. From the German patent specification No. 873207 it is known to rotate the control cylinder, which engages in the interior of the rotor, with respect to the roller track fixed to the housing in order to change the engine output. With this measure, however, the position of the dead centers determined by the runway, which cannot be changed, is incorrect in relation to the position of the dead centers determined by the hydraulic fluid supply or discharge, so that it cannot be avoided that the individual cylinders of such an engine are in the area of their dead centers as Pumps or brakes rather than motors.
A very large proportion of the power supplied is lost or converted into heat; at the same time the wear is great and the service life is reduced. The most essential property that must be present for regulating and control tasks according to the requirements mentioned at the beginning, namely the smallest possible size with high drive power, cannot be achieved with this waste of energy.
Another way of influencing the running of the engine is shown in Austrian Patent No. 97044. The ring held in the housing, which forms the roller path for the spherical pistons or cylindrical pistons, is designed in the form of a circular ring mounted eccentrically to the rotor and this circular ring is deformed by the action of pressure so that it takes the form of a long circle or an ellipse. First of all, it should be noted that such a type of control is unthinkable without the presence of a certain minimum control output, which in the present case is relatively large; because it takes considerable forces to deform a metallic race. The construction of such motors is expensive because of the facilities required to deform the runway.
In addition, the deformation of the race leads to a change in the geometric relationship between rotor and runway, which changes the piston stroke. A change in the piston stroke leads, for obvious reasons, to a reduction in performance, i. H. Such a measure is in stark contrast to the requirement to achieve high drive powers with the smallest dimensions.
There are also numerous other types of engine-related controls that do not need to be dealt with in detail here, because they are used in part to control radial piston machines when they operate as pumps or because the type of control at least increases the size of the engine or its performance is reduced in relation to its size.
The performance of an engine of the type in question is largely determined by its losses. With the known motors, these losses are sometimes quite large. They consist of mechanical resistance losses and hydraulic losses, especially leakage losses.
The drag losses are based in particular on the fact that the rotors of the known motors are only supported at one end of the bell-shaped or pot-shaped body, so that, despite the use of the expensive and complex roller bearings, the tilting torque generated during operation results in considerable rotational resistance in the bearing , which leads to a relatively strong warming in the event of heavy wear. The measures already proposed to reduce the friction losses between the piston and the raceway as well as between the piston and cylinder lead, without exception (see British patent specification No. 3827 AD 1914), that the dimensions of the engine are considerably larger than the output .
There are also limits to reducing leakage losses. If you want to keep the friction losses between the ball piston and the cylinder wall low, there must be a certain minimum clearance between the ball and the cylinder wall. The higher the fluid pressure, the greater the leakage losses with this minimum clearance. If, on the other hand, you want to keep the leakage losses small, only the opposite measure will lead to success, i.e. H. the ball serving as a piston must fit as tightly as possible into the cylinder, preferably with a sliding fit. A certain unavoidable sliding friction as resistance cannot be avoided. A friction-related heating cannot be avoided either.
Experience with known engines has shown that these measures lead to heavy wear and tear relatively quickly, because the uneven heating of the rotor and ball leads to the ball jamming in the cylinder and thus to increased friction and ultimately to seizure, possibly blocking. This often destroys the engine. As a remedy, it is suggested, for example, in British patent specification No. 578392, to equip the cylinder in the area of the ball piston stroke with releasably inserted bushings, and to make these bushings made of material with special thermal conductivity
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ability to develop special strength, special hardness, etc.
It is obvious that such a measure does not meet the initially mentioned requirement for a simple structure, but in particular for a small size.
From the patent specifications mentioned, it can be seen that in the construction of radial piston motors, relatively high losses, a more or less short service life, a fixed performance that cannot be exceeded and a certain minimum size, which is too large for the requirements mentioned above, are not undershot can be.
The object of the invention is to avoid the disadvantages of the known radial piston motors and to find a design of such a motor that guarantees almost the smallest possible design for a given power with low losses, long service life, sensitive and largely inertia-free controllability of the motor .
This object is achieved according to the invention in that the rotor is designed as a cylindrical roller and, in the case of a cylinder equipped with two pistons, has a diameter that is twice the ball diameter, which is at most a small amount, which excludes mutual contact of the balls in the bottom dead center position , is enlarged, whereas with only one piston per cylinder the diameter of the ball serving as a piston is about 0.7 times the diameter of the roller path, and that for the supply and discharge of hydraulic fluid, control sleeves that are fixed to the housing and are also designed as sliding bearings for the rotor, with arcuate control chambers and on the rotor Control channels opening into circumferential control openings and extending essentially radially to the cylinders are provided.
The mechanical losses, but also the leakage losses, are further reduced and thereby the control sensitivity of the motor and at the same time its performance is increased if, according to a further feature of the invention, it is designed in such a way that a control sleeve that serves two simultaneously is provided between each two axially adjacent cylinders , and that all control sleeves are connected to one another via channels running in the axial direction in the housing and to hydraulic fluid supply and discharge pipes opening into the housing.
In order to make the control and regulation as sensitive as possible, but at the same time also to prevent fluid from being lost due to the unavoidable leakage, the invention provides that a leakage chamber is assigned to each cylinder in the housing, and that all leakage chambers with each other and are connected to a pipeline led out separately from the housing.
The dimensioning of the engine parts prescribed by the invention as above is in stark contradiction to the teaching, which can be gathered from the patent specifications already mentioned, of achieving high maximum performance through the largest possible number of cylinders and pistons arranged close together. The new training, d. H. prescribed dimensioning of the engine components, but takes into account the geometric relationships between the eccentric roller track, the ball and the bore of the rotor serving as a cylinder in such a way that they do not primarily achieve the practically realizable, maximum achievable shaft torque with a minimum engine size, especially with the smallest possible engine diameter depends on the number and spatial concentration of the cylinders and pistons.
With a mathematical derivation it can be determined that with a ball acting as a piston, the smallest motor diameter can be realized when the ball diameter is approximately 0.7 times the roller path diameter. When keeping the motor dimensions small and deriving the dimensioning specification, particular importance was attached to ensuring that the motor diameter is as small as possible.
In the above dimensioning regulations it is stated that, according to the invention, the motor should have a ball, the diameter of which is approximately 0.7 times the diameter of the roller track. However, this value cannot be achieved in the known motors mentioned at the beginning; this means that for the creation of the motor according to the invention and the implementation of its advantageous properties, the additional training regulations are essential. This includes, in particular, the supply of the hydraulic fluid in the radial direction from the housing into one or more slide bearings.
In the known embodiments of radial piston motors, because of the errors already mentioned, in particular the disadvantages of one-sided mounting in roller bearings, a design in which the diameter of the ball serving as the piston is 0.3 times the pitch circle diameter cannot be improved significantly.
Significant advantages of keeping the motor diameter small, in particular the smallest possible dimensioning of the rotor and at the same time multiple supports in plain bearings, which at the same time also control
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sleeves are as follows: The rotor is supported several times and relieved of pressure by the pressure in the pressure chambers, so that the friction losses are as low as possible. The exact concentricity of the rotor allows a tight sliding fit of the ball in the cylinder and thus promotes the reduction of leakage losses. The small leakage losses and the low friction losses together lead to a high power factor for the motor, and they also form the prerequisite for high responsiveness, as is required for control purposes.
This requirement is also met by the small motor diameter; because with a small diameter, the rotating mass becomes small and the acceleration energy required to change the rotation can be reduced to a minimum. As is well known, the diameter of rotating bodies enters the inertia with its fourth power, so that the reduction in diameter in the new motor is of greatest importance with regard to sudden changes in speed and direction of rotation.
An embodiment of the new engine is shown in the drawings. Fig. 1 shows a longitudinal section through a radial piston engine designed as a single-piston multi-cylinder engine. 2, 3 and 4 show sections along the lines ici-11, III-III and IV-IV in FIG. 1. FIG. 5 shows a section through a radial spherical piston motor designed as a multi-cylinder double piston motor.
6, 7, 8 and 9 show sections along the lines VI-VI, VII-VII, VIII-VIII and IX-IX in FIG.
In the figures, regardless of the two construction variants of the new engine, parts that are the same or at least correspond to one another are provided with the same reference symbols. Components that have different shapes under the influence of the design as a single or double piston engine are highlighted with the same reference numerals by the index a to distinguish them when designed as a double piston engine.
The new engine is designed as a multi-cylinder engine in the two exemplary embodiments. It has a housing 1 and a rotor 2. The rotor 2 has the shape of a cylindrical roller and is equipped at both ends with tapered shaft ends 3 and 4, which serve both to decrease the drive power and to decrease a control variable, for example a movement variable. The shaft ends 3, 4 are sealed off from the inside of the housing by means of seals 5.
Bores 6 extending in the radial direction are provided in the rotor at an axial distance from one another and at the same time offset from one another at a radial angle. Balls 7 and 7a are used as pistons in these bores 6 and 6a. When the rotor 2 rotates, the balls run on roller tracks 9 or 9a.
A control sleeve 10 or 10a is installed in the housing between two adjacent bores 6 or 6a serving as cylinders. This control sleeve 10 also forms a slide bearing for the rotor 2. In it, however, arcuate chambers 11 and 11a are provided, which are connected to pipe connections 12 'via suitable channels 17 and 17a and chambers 18 and 18a and channels 19 running in the housing , via which the engine or with control valves. Like. And hydraulic fluid sources, etc. is connected.
In the area of the chambers 11 or 11a, on the outer circumference of the rotor, there are control openings 12 and 12a, which are connected to the associated cylinders 6 or 6a via channels 13 or 13a, so that the pressure fluid present in the chambers 11 or 11a during the Rotation of the rotor 2 is initially supplied to the cylinder 6 or 6a, and is removed again when the corresponding dead center is passed. The pressure fluid present in the chambers of the control sleeve 10 counteracts the pressure with which the rotor 2 is supported on the sliding bearing that forms the control sleeve. This means that the rotor is also accommodated in plain bearings between two adjacent cylinders combined to form a pair, which are jointly controlled by a control sleeve, and floats on pressure fluid cushions.
In this way, a substantial reduction in bearing friction is achieved.
The embodiment shown in FIGS. 1-4 is a single-piston engine.
The runway 9 has the shape of an eccentric circular ring. This shape ensures an extremely smooth, quiet run of the ball and creates the conditions for achieving high rotor speeds. In order to keep the rotor diameter small, the ball is dimensioned in particular so that its diameter is 0.65 times the roller path diameter.
When the new engine is designed as a double-piston engine, the smallest engine diameter with the highest possible engine power is achieved when the rotor diameter is twice or slightly more than twice the ball diameter. Due to the slight oversizing of the
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The rotor diameter prevents the balls 7a from touching one another in the bottom dead center position or from colliding with one another under the influence of acceleration forces at high speeds and damaging one another. The runway 9a has the shape of a long circle or an ellipse in the double-piston engine design. The shape of the runway 9 or 9a can be modified if, based on a full revolution of the rotor, a specially designed curve of the shaft torque is to be achieved, e.g.
B. a constant and smooth curve of the torque as possible. The final output expected from the engine can now be achieved by arbitrarily adding a corresponding number of cylinders arranged axially one behind the other with the smallest possible engine diameter remaining the same.
In order not to lose the liquid that escapes through the unavoidable leakage between the balls and the cylinders, leakage chambers 14 and 14a are provided and connected to one another and to a leakage liquid discharge line 16 via channels 15 provided in the housing. In this way, with a limited fixed volume of liquid, a loss of liquid is avoided, but at the same time an impairment of the control sensitivity due to the leakage liquid is prevented.
Finally, it can still be seen from the drawings that, with the exception of the two shaft seals 5, no sealing of the motor is required because the control sleeve, in its function as a slide bearing, also has a sealing effect. Compared to the known designs, this not only results in a considerable reduction in effort, but also in a far-reaching simplification.
PATENT CLAIMS:
1. Hydraulic radial spherical piston motor with a rotor rotatably arranged in plain bearings in a housing, in which at least one radially extending bore or recess serves as a cylinder for one or for two pistons designed as balls or rollers, which run on a roller track fixed to the housing surrounding the rotor , characterized in that the rotor (2) is designed as a cylindrical roller and, in the case of a cylinder (6a) equipped with two pistons (7a), has a diameter that is twice the ball diameter (7a), which is at most a small amount, one excludes mutual contact of the balls (7a) in the bottom dead center position, is enlarged, whereas with only one piston (7) per cylinder (6) the diameter of the ball (7) serving as piston
0.7 times the diameter of the runway, and that for the supply and discharge of hydraulic fluid, the control sleeves are fixed to the housing and also form the slide bearings (10, 10a) for the rotor (2) with arcuate control chambers (11, 11a) and circumferential control openings on the rotor (12,12a) opening out control channels (13,13a) extending essentially radially to the cylinder are provided.