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Radial-Kugelkolbenmotor
Die Erfindung betrifft einen Radial-Kugelkolbenmotor mit wenigstens einem, als radiale Bohrung eines in Gleitlagern drehbar gelagerten Rotors ausgebildeten, mit Druckflüssigkeitszuführ- und -ablei- tungskanälen verbundenen Zylinder, der eine Kugel als Kolben aufnimmt, die auf einer den Rotor umgebenden, in einem Gehäuse gehaltenen Rollbahn abläuft.
Motoren der eingangs genannten Art werden bevorzugt dann verwendet, wenn auf kleine Abmessung der Motoren besonderer Wert gelegt wird.
Werden Motoren der eingangs genannten Art zu Antriebszwecken in Steuer- oder Regelkreisen verwendet, dann sind besondere Forderungen zu erfüllen. Motoren für den genannten Zweck müssen in der Drehzahl und Drehrichtung beliebig schnell und stufenlos regelbar bzw. steuerbar sein.
Als Antriebsmedium dient eine Druckflüssigkeit. Die Arbeitsweise von Motoren lässt sich auch durch den Flüssigkeitsdruck beeinflussen, und es ist daher zur Erfüllung der bereits genannten Forderungen unerlässlich, dass solche Motoren auch mit hoher Empfindlichkeit auf Veränderungen des Flüssigkeitsdruckes reagieren.
Es sind zahlreiche unterschiedliche Ausführungsformen von hydraulischen Radial-Kolbenmaschinen bekannt, die zum Teil als Pumpen, zum Teil als Motoren Anwendung finden. Bei diesen bekannten Maschinen besitzt der Rotor die Form einer Glocke oder eines Topfes, an dessen Boden eine Welle zur drehbaren Lagerung des Topfes angeformt ist.
In den Hohlraum des glocken-oder topfförmigen, drehbar gelagerten Rotors ragt ein vom Gehäuse gehaltener Steuerzylinder hinein, der einendig mit Druck- flüssigkeits-Zufuhr-bzw..-Ableitrohren, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung von Steuerelementen, wie Ventilen od. dgl., verbunden ist und anderendig im Inneren des Rotors mit Steueröffnungen des Rotors zusammenwirkende Steuerschlitze oder-Öffnungen aufweist, durch welche den einzelnen als Zylinder dienenden Bohrungen entsprechend der Lage der Zylinder zur Rollbahn während der Rotation stets entweder eine Verbindung mit der Druckflüssigkeitsquelle oder eine Verbindung mit der Ableitrohrleitung od. dgl. bereitgehalten wird. Zur Regelung bzw. Steuerung der bekannten Motoren werden bevorzugt Ventile od. ähnl. Einrichtungen verwendet, die in die Zuleitungen eingeschaltet werden.
Es ist aber auch bereits bekannt (brit. Patentschrift Nr. 105, 638), die Rollbahn der Motoren zur Beeinflussung der Arbeitsweise mechanisch zu verformen, so dass z. B. aus einem exzentrisch zum Rotor angeordneten Kreisring als Rollbahn ein elliptisch od. ähnl. geformter Ring wird. Es ist offensichtlich, dass mit solchen Massnahmen die Geometrie im Inneren des Motors beeinträchtigt wird und dass hinsichtlich der Arbeitsweise Nachteile entstehen. Diese Art der Steuerung hat ausserdem den Nachteil, dass zur Verformung der Rollbahnen hohe Kräfte aufzuwenden sind, d. h. komplizierte und aufwendige Vorrichtungen benotigt werden. Im Interesse einer grossen Verschleissfestigkeit und langen Lebensdauer der Motoren werden die Rollbahnen bei bekannten Motoren gern aus harten oder gehärteten Werkstoffen gefertigt.
Es ist offensichtlich, dass Rollbahnen aus derartigen Werkstoffen, wenn überhaupt, dann nur in zu Steuerungszwecken vollig unzureichendem. Masse verformbar sind.
Es ist ausserdem bekannt, die Arbeitsweise des Motors dadurch zu beeinflussen, dass der in den Rotor eingreifende Steuerzylinder in bezug auf die gehäusefeste Rollbahn verdreht wird (siehe z. B. deutsche
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Patentschrift Nr. 873207). Eine Beeinflussung der Arbeitsweise des Motors oder auch einer als Pumpe arbeitenden Maschine ist auf diese Weise zweifellos möglich. Es wird jedoch durch die Verschiebung der Steuerschlitze oder-Öffnungen im Steuerzylinder in bezug auf die Rollbahn eine Verschiebung des Totpunktes bewirkt. Die Totpunkte des Kolbens liegen, durch die Form der Rollbahn bedingt, da, wo die Rollbahn den geringsten, und da, wo sie den grössten Abstand von der Drehachse des Rotors aufweist.
Der einwandfreie Lauf der Radial-Kugelkolbenmaschine ist nur dann gewährleistet, wenn der Wechsel von Druckflüssigkeitszufuhr zu Druckflüssigkeitsableitung und umgekehrt in entsprechender Weise exakt an den Totpunkten erfolgt. Durch die Verschiebung des Steuerzylinders erfolgt dieser Wechsel aber nicht mehr in den Totpunkten, sondern mehr oder weniger früher oder später, bezogen auf die Rotation des Rotors. Dieser Fehler zwischen dem mechanischen und dem durch die Druckmittelsteuerung bedingten Totpunkt führt dazu, dass eine als Pumpe arbeitende Maschine im Bereich der Totpunkte Fehler macht und als Motor arbeitet, während eine als Motor arbeitende Maschine im Bereich der Totpunkte als Pumpe oder in anderer Form als Energieverbraucher wirkt.
Es ist offensichtlich, dass eine solche Art der Steuerung der Arbeitsweise des Radial-Kolbenmotors nicht geeignet ist, wenn die bereits eingangs erwähnten Aufgaben in Steuer- und Regelkreisen erfüllt werden sollen.
Die Ansprechempfindlichkeit, insbesondere Druckempfindlichkeit, leichte Drehzahl- und Drehrichtungs-Steuerbarkeit einer Radial-Kolbenmaschine ist schliesslich in hohem Masse von der mechanischen Präzision abhängig, mit welcher die einzelnen Teile gefertigt und eingepasst sind. Bei den bekannten Maschinen ergeben sich jedoch sehr erhebliche, zum Teil durch die bereits genannten ungünstigen Steuerungsmassnahmen bedingte Nachteile. Ein gewisses notwendiges Spiel zwischen Kolben und Zylinder führt dazu, dass die Rotoren bekannter Motoren unrund laufen und verschleissfördernden axialen Belastungskomponenten ausgesetzt sind. Der unrunde Lauf des Rotors führt zunächst zu der Tatsache, dass der gemäss Rotorabmessungen verfügbare Kolbenhub nicht ausgenutzt werden kann, weil sonst der Rotor an der Rollbahn anschlagen würde.
Damit geht nicht nur Leistung, sondern auch ein erheblicher Steuerbereich verloren. Wenn man unter solchen Bedingungen ein einwandfreies Abrollen der als Kugel dienenden Kolben sicherstellen will, so ist dies nur möglich, wenn zwischen Kugel und Zylinder ein relativ grosser Spalt freigehalten wird. Jeder enge, bis zum Gleitsitz verminderte Spalt führt unter dem Einfluss der radialen und axialen Belastungen, die auftreten, zu hohen Reibwiderständen und damit verbundener schnellerer Erwärmung, die schliesslich zu einem Verklemmen der Kugel im Zylinder führt.
Der Motor blockiert und ist danach entweder unbrauchbar oder reparaturbedürftig. Bei Motoren, bei welchen an Stelle der Kugeln Walzen oder Rollen als Kolben verwendet werden (s. z. B. franz. Patentschrift Nr. 458. 597) verkanten die Walzen mit dem Rotor und laufen nicht mehr plan auf der Rollbahn. Es ist offensichtlich, dass dabei der einwandfreie Lauf des Motors ernsthaft gefährdet ist, insbesondere aber ein rascher und starker Verschleiss der Kolben und der Laufbahn nicht zu vermeiden ist.
Aus der brit. Patentschrift Nr. 105, 638 ist es z. B. bekannt, in die als Zylinder dienenden Bohrungen auswechselbare Buchsen einzusetzen, die durch geeignete Materialwahl und andere Massnahmen, wie z. B. besondere Materialbehandlung, dafür sorgen sollen, dass bei engem Spalt zwischen Kugel und Zylinder ein geringerer Reibwiderstand und eine geringe Erwärmung erzielt wird.
Alle solchen Massnahmen sind aus den bereits genannten Gründen, namlich dem unrunden Lauf des Rotors, den unvermeidbaren zusätzlichen Axialbelastungen zwischen Zylinder und Kolben, ungeeignet, Kugel und Zylinder so eng masslich aufeinander abzustimmen, dass zwischen dem Kolben und den Zylinderwandungen nur vernachlässigbare Druckflüssigkeitsmengen vorbeiströmen. Im Gegenteil, bei den bekannten Maschinen treten zwischen Kolben und Zylinderwandung sehr hohe Leckverluste auf, und es ist offensichtlich, dass ein Motor mit hohen Leckverlusten unmöglich auf schwache Druckänderungen empfindlich und möglichst trägheitslos zu reagieren vermag.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Nachteile der bekannten Radial-Kol- benmaschinen zu vermeiden, insbesondere einen Radial-Kugelkolbenmotor der eingangs genannten Art so auszubilden, dass er bei einfachem Aufbau, einfacher Herstellungsweise und langer Lebensdauer einen stufenlos in der Drehzahl sowie beliebig in der Drehrichtung, insbesondere aber auch auf Druckanderungen empfindlich und schnell reagierenden, weitgehend verlustarmen Lauf sicherstellt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass wenigstens eines der Gleitlager mit zwei bogenförmigen Kammern ausgerüstet ist, welche mit einer Druckflüssigkeitsquelle bzw. mit einem Sumpf verbunden sind und denen über axiale Kanäle mit den Zylindern kommunizierende Steueroffnungen des Rotors gegenüberliegen. Dadurch, dass die Beeinflussung des Laufs von getrennten Steuerelementen, wie Ventilen od. dgl., und nicht von motoreigenen Einrichtungen abhangig gemacht wird, lasst sich der Aufbau des Motors so vervollkommnen, dass geringe mechanische Verluste bei hohem Leistungs-
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vermögen und eine sehr grosse Steuer-, insbesondere Druck-Steuerempfindlichkeit erzielt wird.
Um einen Motor der vorgenannten Art besonders leistungsfähig, langlebig, insbesondere ansprechempfindlich zu gestalten, kennzeichnet sich nach einer weiteren erfindungsgemässen Ausbildung dieser Motor dadurch, dass jedes der beiden Gleitlager zur Senkung der Lagerreibung mit bogenförmigen Kammern ausgerüstet ist, die im Sinne einer Lagerdrucksenkung mit der Druckflüssigkeitsquelle bzw. dem Sumpf verbunden sind.
Die Herstellung des Motors wird dann besonders einfach und bei einem Mehrzylindermotor die Erzielung eines für Steuerungs- und Regelzwecke besonders günstigen, vorzugsweise konstanten Drehmomentes ermöglicht, wenn mehrere Zylinder axial hintereinander und in bezug aufeinander im Winkel radial zueinander versetzt im Rotor vorgesehen sind und deren Kugelkolben eine gemeinsame Rollbahn zugeordnet ist.
Für die Verwendung in Steuer- und Regelkreisen bzw. zu Antriebszwecken in Steuer- und Regelkreisen wird der Motor besonders geeignet, wenn an beiden Stirnseiten des Rotors im Durchmesser verjüngte Wellenenden vorgesehen und aus dem Gehäuse herausgeführt sind.
Ein Ausführungsbeispiel des Motors gemäss der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt. Fig. l zeigt einen Längsschnitt durch den Motor, Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht des Rotors mit seinen Lagern, Fig. 3 zeigt einen Schnitt längs der Linien 111-111 in Fig. l.
In den Figuren ist ein mit zwei Wellenenden ausgerüsteter Neun-Zylindermotor gezeigt. Dieser Motor weist ein Gehäuse 1 auf, in welchem ein Rotor 2 drehbar gelagert ist. Einstückig mit dem Rotor sind an seinen beiden Enden Wellenenden 3 und 4 verbunden, die aus dem Gehäuse 1 auf gegenüberliegenden Stirnseiten herausragen. Die Wellenenden 4 bzw. 3 sind in bezug auf den zylindrischen Rotor 2 im Durchmesser abgesetzt.
Der Rotor trägt eine Hülse 5, in welcher radial verlaufende Bohrungen 6, 28 als Zylinder des Motors vorgesehen sind. Wie aus den Fig. 1, 2 und 3 zu erkennen ist, sind die Zylinder in drei axial hintereinander angeordneten Ebenen angeordnet, und es sind in jeder Ebene drei Zylinder in einem radialen Winkel von 1200 zueinander versetzt vorgesehen.
Als Kolben sind in den Zylindern Kugeln 7 aufgenommen, die möglichst eng in die Zylinder eingepasst sind, damit möglichst wenig hydraulische Druckflüssigkeit zwischen den Kugeln und den Zylinderwandungen hindurchströmen kann. Anderseits muss aber auch so viel Spiel zwischen den Zylinderwandungen und der Kugel 7 vorhanden sein, dass eine in Grenzen bleibende gleitende Bewegung zwischen Kugel und Zylinderwandung gewährleistet ist. Das bedeutet, der Reib- oder Gleitwiderstand muss durch entsprechende Wahl der Passung klein gehalten werden.
Die als Kolben für die Zylinder 6 dienenden Kugeln 7 laufen auf einer Rollbahn 8 ab, die drehfest in das Gehäuse 1 eingesetzt ist, und die die Form eines exzentrisch zur Drehachse des Rotors 2 verlaufenden Kreisringes aufweist. Es sind auch andere Kurvenformen der Rollbahn 8 möglich, die Kreisform hat jedoch gegenüber allen andern Formen den Vorteil, dass der Lauf der als Kolben dienenden Kugeln 7 glatt und stetig erfolgt.
Der Rotor 2 ist in Gleitlagern 9 und 10, die im Gehäuse 1 befestigt sind, aufgenommen.
Das Gleitlager 10 ist zugleich als Steuerhülse ausgebildet und dient der Steuerung der Druckmittelzufuhr zu den einzelnen Zylindern 6. In das Gleitlager 10 sind zu diesem Zweck zwei halbkreisförmige Kammern 11 und 12 eingearbeitet. Die Kammer 11 ist als Druckzuführkammer und die Kammer 12 als Druckmittel-Ableitkammer ausgebildet. Die Aufgaben der beiden Kammern können beliebig vertauscht werden, wenn die Drehrichtung des Rotors 2 gewechselt werden soll. Die Kammern 11 und 12 sind mit im Gehäuse vorgesehenen Anschlussstutzen 13 und 14 verbunden, die zum Anschluss von Rohrleitungen dienen. Diese Rohrleitungen führen über geeignete Steuerglieder, wie Ventile od. dgl., zu einer Druckmittelquelle bzw. einem Sumpf.
Das beispielsweise in die Kammer 11 eintretende Druckmittel wird über Steueröffnungen 15 im Rotor 2 axial verlaufenden Kanälen 16 zu geleitet und über diese den Zylindern 6, 28 zugeführt. Je Zylinder 6, 28 ist eine Steueröffnung 15 und ein Kanal 16 vorgesehen. Solange sich eine Steueröffnung 15 im Zuge der Rotation des Rotors 2 innerhalb der Druckkammer 11 befindet, wird dem Zylinder Druckmittel zugeführt. Ver- lässt die Steueröffnung 15 die Druckkammer 11 und tritt sie anschliessend in die Ableitkammer 12 ein, dann kann Druckmittel aus dem Zylinder abfliessen. Auf diese Weise ist die Funktion des hydraulischen Radial-Kugelkolbenmotors gewährleistet.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind in den Gleitlagern 10 und 9 neben den Steuerkammern 11 und 12 zusätzliche Kammern 17, 18 bzw. 19, 20 vorgesehen, die über Kanale 21, 22 bzw. 23, 24 mit den Druckmittelkammern 11 und 12 in Verbindung stehen. Die Verbindung ist so gewalt, dass
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der unter dem Einfluss der Arbeitsdrücke in den Gleitlagern 10 und 9 auftretende Lagerdruck des Rotors durch den in den Kammern anstehenden Gegendruck weitgehend oder nahezu vollständig aufgeho- ben wird. Dies geschieht, wie bereits erwähnt, durch entsprechende Verbindung der einzelnen Kammern mit der Druck- bzw. Ableitkammer. Wird bei einem Wechsel der Drehrichtung des Rotors die Funktion bzw.
Aufgabe der Steuerkammer 11 und 12 vertauscht, so dass die Steuerkammer 12 als Druckkammer arbeitet und die Steuerkammer 11 als Ableitkammer dient, dann ändert sich sinngemäss auch die Druckzufuhr zu den Kammern 17, 18, 19 und 20 in den Gleitlagern 9 und 10, so dass die zur Aufhebung der Lagerdrücke erforderlichen neuen Verhältnisse selbstätigwieder hergestellt werden.
Durch die neue Ausbildung wird eine einfache Fertigung des Motors ermöglicht. Die Gleitlager 9 und 10 wirken von sich aus weitgehend abdichtend. Lediglich an den beiden Wellenenden 3 und 4 sind Dichtungen 25 und an den Gehäusestirnseiten weitere Dichtungen 26 erforderlich, um Leckerscheinungen zu vermeiden. Die unvermeidbare Leckflüssigkeit, die zwischen den Kugeln 7 und den Zylinderwandungen austritt, wird durch einen Leckkanal 27 aufgenommen und getrennt, unter Umgehung der zu den Anschlussstutzen 13 und 14 führenden Rohrleitungen, in den Ölkreislauf oder Druckmittelkreislauf zurückgeführt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Radial-Kugelkolbenmotor mit wenigstens einem als radiale Bohrung eines in Gleitlagern drehbar gelagerten Rotors ausgebildeten, mit Druckflüssigkeitszuführ- und -ableitungskanälen verbundenen Zylinder, der eine Kugel als Kolben aufnimmt, die auf einer den Rotor umgebenden, in einem Gehäuse gehaltenen Rollbahn abläuft, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Gleitlager (9, 10) mit zwei bogenförmigen Kammern (11, 12) ausgerüstet ist, welche mit einer Druckflüssigkeitsquelle bzw. einem Sumpf verbunden sind und denen über axiale Kanäle (16) mit den Zylindern (6, 28) kommunizierende Steueröffnungen (15) des Rotors gegenüberliegen.