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Umlaufkolbenmaschine
Die Erfindung bezieht sich auf eine Umlaufkolbenmaschine, insbesondere eine parallelachsige Umlaufkolbenmaschine, mit einem Mantel, der mit Laufflächen ersehen ist, ie achsnahe und achsferne Zonen aufweisen und einem Kolben, bestehend aus einer Kolbennabe und Kolbenschieber, wobei zwischen zwei achsnahen Zonen je eine Arbeitskammer gebildet wird.
Bei bekannten Maschinen ieser Art wird der Kolbenschieber gegen den Arbeitsdruck in den Zylinderraum hineingeschoben, so dass beachtliche Drücke zu überwinden sind. Ausserdem bestehen die Kolben aus zwei Teilen, die durch einen schmalen Steg exzentrisch miteinander verbunden sind. Der in die Spalträume eindringende Druck biegt den Kolben auf und dies führt schon bei geringen Drücken zum Klemmen. Die Kolben werden über eine Kurbelwelle zwangsläufig mitgenommen und führen eine hin- und hergehende Bewegung aus. Dies ergibt den Nachteil, dass auf iese Kolben während der Bewegung stets seitliche Drücke der Pressluft einwirken, also Drücke senkrecht zu der Bewegungsrichtung, so dass ein Festfressen in den Führungen aller Voraussicht nach in kürzester Zeit eintreten wird.
Auf alle Fälle wird in verhältnismässig sehr kurzer Zeit ein grosser Verschleiss erfolgen und die Maschine schonn deswegen nicht mehr funktionsfähig sein.
Derartige Maschinen konnten bisher also nur für beschränkte Drücke des Betriebs- oder Arbeitsmediums ausgebildet werden. Die Anwendung von hohen und höchsten Drücken bringt verschiedenartige Probleme mit sich. Einerseits müssen die Kolbenschieber sehr stabil ausgebildet werden, um den bei hohen Drücken auftretenden Kräften genügende Festigkeit entgegenzusetzen. Bildet man die Kolbenschieber aber massiv aus, so zeigt sich, dass bei einer als Motor betriebenen Maschine die Kolbenschieber jeweils nach dem Unterfahren der die Arbeitskammern trennenden Trennwände in den dem Druck des Arbeitsmediums unterliegenden Arbeitsraum hineinbewegt werden. Ein massiver Schieber würde hiebei Arbeitsmedium verdrängen und würde gleichzeitig einer seinem Querschnitt und dem Druck des Arbeitsmediums entsprechenden Kraft unterliegen, die seiner Verstellbewegung entgegenwirkt.
Bei der Anwendung von hohen und höchsten Drücken würden diese Kräfte sehr gross, was sich gerade deshalb besonders nachteilig auswirkt, weil die Anwendung hoher und höchster Drücke zu kleinen Abmessungen der Maschine führt, elche also nur eine beschränkte Dimensionierung der für die Bewegung er Kolbenschieber erforderlichen Teile zulässt. Bei der Anwendung hoher und höchster Drücke werden zudem besonders hohee Anforderungen an die Dichtung zwischen der Druckseite und der entlasteten Seite der Kolbenschieber gestellt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine allen diesen Anforderungen entsprechende Ausbildung einer Umlaufkolbenmaschine der eingangs geschilderten Art zu schaffen, beider auch die Nachteile der bekannten Maschinen nicht auftreten.
Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, dass in jeder von den achsfernen Laufflächen des Mantels, der Kolbennabe undd Seitenteilen begrenzten Arbeitskammer mindestens ein Kolbenschieber an der achsfernen Lauffläche des Mantels anliegt, wobei die Seitenteile mit dem Kolben est verbunden und die Kolbenschieber in en Seitenteilen geführt sind sowie die Kolbenschieber rohrförmig mit offenen Enden ausgebildet sind. Durch die Anordnung mindestens eines Kolbenschiebers in jeder Arbeitskammer wird bei hohen und höchsten Drücken des Arbeitsmediums dafür gesorgt, dass sich die
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bei der Drehung des Läufers der Arbeitsmaschine auftretenden und auf die Drehachse wirkenden
Kräfte, die von dem Druck des Arbeitsmediums herrühren, gegenseitig aufheben.
Bei einer asymmetrisch ausgebildeten Maschine würden dagegen auf die Achse oder Lagerung des Läufers der Maschine sehr hohe umlaufende oder sogar umspringende Radialkräfte zur Auswirkung kommen, die die
Verwirklichung einer solchen Maschine in Frage stellen ürden. Durch ie rohrförmige Ausbildung der
Kolbenschieber wird ihnen eine grosse Festigkeit verliehen. Die offenen Enden er Kolbenschieber bieten zudem die Gewähr, dass beim Einschiebender Kolbenschieber in die Arbeitskammer das durch den
Kolbenschieber verdrängte Medium durch den Kolbenschieber abströmen und in den vom
Kolbenschieber zufolge seiner Verschiebebewegung freigegebenen Raum eindringen kann. Es befindet sich also an beiden Rohrenden während der Bewegung der Kolbenschieber der gleiche Druck, wodurch die Verstellkräfte denkbar gering werden.
Das Arbeitsmedium wird durch en Kolbenschieber auch nicht in die Arbeitskammer hineinverdrängt, sondern kann zum rückwärtigen Ende des Kolbenschiebers abströmen.
Die rohrförmige Ausgestaltung der Kolbenschieber bringt den weiteren Vorteil mit sich, dass diese trotz ihrer grossen Widerstandskraft nur ein verhältnismässig geringes Gewicht aufzuweisen brauchen.
Ausserdem wird an der Berührungsstelle zwischen den Kolbenschieber und den Seitenteilen eine verhältnismässig grosse Dichtlänge erzielt, welche insbesondere bei den zur Anwendung gelangenden hohen und höchsten Drücken einen wesentlichen Vorteil bietet.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung ist jeder Kolbenschieber nach Massgabe einer in sich geschlossenen, dem Verlauf der Lauffläche angepassten Steuerkurve durch mit ihm verbundene, mit der Steuerkurve zusammenwirkende Führungselemente radial oder axial verschiebbar, wobei sich die
Steuerkurve und die Führungselemente in jedem Fall ausserhalb der Arbeitskammern befinden. Diese
Steuerkurve sorgt dafür, dass die Kolbenschieber im Bereich der achsnahen Zonen der Lauffläche aus dem Bereich der Arbeitskammern herausbewegt werden, um ein Auflaufen der Kolbenschieber auf diese achsnahen Zonen zu vermeiden. Dabei wird man, um das zur Verfügung stehende Volumen der Arbeitskammern vollständig auszuutzen, die Radialbewegung der Kolbenschieber in einem verhältnismässig kleinen Winkelbereich am Ende der Arbeitskammern vornehmen.
Im übrigen kann die Steuerung auch mittels anderer kinematischer Elemente durchgeführt werden. Man kann die Steuerung auch so ausbilden, dass die Steuerkurve als Kurvennut geformt ist, in elche am Ende von schwenkbar mit den Kolbenschieber verbundenen Lenkern gelagerte Laufrollen eingreifen. Gegebenenfalls ist die Steuerkurve nur im Bereich der achsnahen Zonen der Lauffläche als Kurvennut ausgebildet, im übrigen Verlauf dagegen als nach aussen gewendete Kurvenbahn.
Vorteilhafterweise ist die Steuerkurve in einzelnen Bereichen auf der Lauffläche elastisch ausgebildet.
Soweit bei einer bekannten Umlaufkolbenmaschine Kolbenschieber mit Stössel verbunden sind, die an em der Achse zugewendeten Ende mit Laufrollen versehen sind, liegen diese unter der Wirkung von Druckfedern an einem zentralen feststehenden Nocken an. Entsprechend dem Verlauf der Laufflächen weist auch der Nocken achsnahe und achsferne Zonen auf. Je kleiner man nun den Winkelbereich für den Übergang von einer achsnahen auf eine achsferne Zone, oder umgekehrt, wählt, um so steiler wird der Anstieg der Steuerkurve in diesem Übergangsbereich und in Abhängigkeit davon die radiale Beschleunigung des Kolbenschiebers.
Die zulässige Beschleunigung der Kolbenschieber, ebenso wie die erforderlichen Übergangsbögen im Verlauf der Steuerkurve setzen dem Winkelbereich der Übergangsbewegung eine untere Grenze und der Drehzahl des umlaufenden Kolbens eine obere Grenze. Wenn nun eine solche Umlaufkolbenmaschine bei hohen und höchsten Drücken Verwendung findet, so kann man die Abmessungen solcher Maschinen sehr klein halten. Je kleiner aber die Abmessungen der Maschine werden, desto grösser werden die Steigungen der Steuerkurve, wenn die Verstellbewegung der Kolbenschieber innerhalb eines begrenzten Sektors vorgenommen werden soll.
Durch die besondere Ausbildung der Steuerkurve nach dem Vorschlag der Erfindung ist es nun möglich geworden, dass ohne Überschreitung der zulässigen Kolbenschieberbeschleunigung die Maschine insgesamt sehr kleine Abmessungen erhalten kann.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt : Fig. 1 einen Radialschnitt durch die Mitte des ringförmigen Arbeitsraumes der Maschine, Fig. 2 einen Axialschnitt durch die in Fig. l gezeigte Maschine, Fig. 3 einen Querschnitt durch die Einbettung eines runden Kolbenschiebers in die Seitenteile des Kolbens, Fig. 4 einen Querschnitt durch einen runden Kolbenschieber, welcher durch eine innere Rippe verstärkt ist, Fig. 5 einen Querschnitt eines aus zwei nebeneinander angeordneten Rohren bestehenden Kolbenschiebers, Fig. 6 einen Axialschnitt durch eine Maschine, bei der die Achsen der
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Kolbenrohre parallel zur Drehachse der Maschine verlaufen, Fig.
7 einen Axialschnitt durch eine Maschine, bei der die einen Ringraum bildenden Arbeitskammern in dem umlaufenden Teil eingearbeitet sind, Fig. 8 einen Ausschnitt des Radialschnittes nach der Linie A-A in Fig. 7 und Fig. 9 ein Beispiel des Zusammenbaus von zwei Einzelmaschinen, die spiegelbildlich einander zugeordnet und zu einer Baueinheit zusammengefasst sind.
In den Fig. l bis 3 ist ein hydraulischer Motor dargestellt, bei dem ein Ständer--l-durch
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--2-- festArbeitskammern auf.
Insgesamt sind vier Kolbenschieber --6-- vorhanden und hiedurch wird erreicht, dass ständig beide Arbeitskammern wirksam sind. Auch beträgt die Zahl der Kolben das Doppelte der Zahl der Trennwände, wodurch erreicht wird, dass sich die Radialbeanspruchungen durch den Druck des Arbeitsmediums in den beiden Arbeitsräumen gegenseitig stets aufheben. Die Kolbenschieber --6-werden durch beiderseits offene, runde Rohre gebildet.
Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf die Verwendung runder Rohre, sondern es können auch Rohre mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt verwendet werden.
Die Achse der Kolbenschieber --6-- verläuft in radialer Richtung und in der gleichen Richtung werden die Kolbenschieber --6-- bei der Drehung des Kolbens --3-- aus den Kammern-9-
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gleichartig arbeitende Kammern der Maschine, d. h. also bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 je zwei einander gegenüberliegende Kammern --9-- miteinander zu verbinden. Aus den Fig. 2 und 3 ist zu
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--25-- desKolbenschieber --6-- die dem Bogenmass 24-24 entsprechende, vergrösserte Dichtungslänge. Bei gleicher Breite 25 des Ringraumes --4-- und des Durchmessers der Kolbenschieber würde zwischen diesen und den Seitenwänden des Ringraumes nur Linienberührung vorhanden sein.
Auch in Umfangrichtung ist durch die Kolbenschieber für die Abdichtung zwischen deren vorderer Stirnseite und der Innenmantelfläche des Ständers-l-eine grössere Länge als bei den Flachschiebern der herkömmlichen Bauart vorhanden.
Die hier vorliegende geringste Dichtungslänge entspricht zweimal der Wandstärke des Kolbenschiebers. Die Überlegung, die Kolbenschieber wegen der Beanspruchung durch die hohen Drücke des Arbeitsmediums dickwandig auszuführen, wirkt sich demnach gleichzeitig im Sinne einer Verbesserung der Dichtung aus.
Es ist möglich und auch im Sinne der Erfindung, an der Stirnseite des Kolbenschiebers, die mit der Innenmantelfläche des Ständers-l-zusammenwirkt, besonderes, die Dichtwirkung und/oder die Gleiteigenschaft unterstützendes Material, wie z. B. ölfesten Gummi, Lagermetalle od. dgl anzubringen, das auch als konzentrischer Ring in den Kolbenschieber eingesetzt sein kann.
Aus Fig. l ist weiter ersichtlich, dass die in Bewegungsrichtung gemessene Länge der Trennwände - an ihrer dem Boden des Ringraumes benachbarten Stelle grösser als der Durchmesser der Kolbenschieber ist. Hiedurch wird bewirkt, dass beim Unterfahren der Trennwände-5-durch die Kolbenschieber-6-, wie es die beiden in Fig. l mit horizontal gerichteter Achse stehenden Kolbenschieber zeigen, die nach innen gerichtete Stirnseite der Trennwand-5-während des ganzen Unterfahrvorganges mit der Bodenmantelfläche des Ringraumes dichtend zusammenwirkt.
Bei der Drehung der Kolbennabe werden die Kolbenschieber --6-- aus den Kammern-9- in den Ringraum --4-- hinein- und wieder aus diesem herausbewegt. Dies geschieht, wie das skizzierte Beispiel zeigt, mechanisch mittels der durch den Bauteil --10-- mit dem Kolbenschieber - 6-- verbundenen Rolle --11-- und der Lauffläche --12--. Die Bewegung könnte auch hydraulisch erfolgen oder der mechanischen Bewegungseinrichtung könnte auch eine hydraulische Bewegungshilfe zugeordnet sein.
Das Stück --13-- der Lauffläche --12-- kann hiebei, wie z. B. für die obere Hälfte der Lauffläche in Fig. 1 dargestellt, durch die Gummi-od. dgl. Unterlage--14--elastisch ausgebildet oder mittels der Federn --15-- gefedert angeordnet sein. Hiedurch wird bewirkt, dass die Kolbenschieber - an deer Ringraummantelfläche des Ständers--l--mit einer der Federung entsprechenden
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Pressung anliegen.
Die Vorschubbewegung der Kolbenschieber --6-- in den Ringraum--4--hinein kann hiebei durch Anschläge begrenzt werden. Als Anschläge können die Spitzen --16-- der in Fig. 2
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Gleit-und Dichtungsringe-17-oder--20-- dienen.
Auch können beide Anschläge gleichzeitig wirksam sein. Dies ist im vorliegenden Fall von besonderer Bedeutung, da, wie schon erwähnt, durch die hohen Drücke des Arbeitsmediums auf die Anschläge ganz erhebliche Kräfte zur Auswirkung kommen können.
Während auf der linken Seite der Fig. 2 für die Abdichtungen zwischen dem Ständer-l-und der Kolbennabe --3-- Dichtungsringe --17-- dargestellt sind, die auch gleichzeitig zur Lagerung der Kolbennabe --3-- dienen, kann diese Abdichtung auch in jeder denkbaren andern Art und Weise erfolgen. Auf der rechten Seite der Fig. 2 sind dementsprechend Ringwulstdichtungen-21-- angedeutet. Die Lagerung der Kolbennabe --3-- an dem Ständer --1-- kann ebenfalls in jeder andern denkbaren Art und Weise erfolgen. Aus den Fig. l und 2 ist zu ersehen, dass die Lauffläche --12-- möglichst weit aussen angeordnet ist, wodurch sich verhältnismässig geringe Steigungen für die Kurven ergeben.
In Fig. 2 ist die Lauffläche --12-- oben, der Antriebsflansch-22-für die Kolbennabe --3-- nach unten angeordnet. Die Lauffläche verläuft demnach und hiedurch ergeben sich besonders einfache, bauliche Abmessungen auf der der Antriebsseite entgegengesetzten Seite des Ringraumes --4--, Es wäre auch denkbar, beiderseits des Ringraumes --4-- je eine Lauffläche-12- anzuordnen.
Die Fig. 4 stellt einen Querschnitt durch einen runden Kolbenschieber dar, welcher durch einen in Richtung der Hauptkraftachse verlaufenden Steg verstärkt ist.
Dies kann im Hinblick auf die vorgesehenen, hohen Drücke von Bedeutung sein, u. zw. insbesondere auch dann, wenn man die Kolbenschieber, um ein geringes Gewicht für diese zu erreichen, dünnwandig ausbildet, was bei schnellaufenden Maschinen von Vorteil ist. Man wird die Stirnseite der Kolbenschieber auch in diesem Fall, um ausreichende Dichtlängen zu erzielen, dickwandig ausbilden.
Die Fig. 5 zeigt einen Querschnittt durch einen Kolbenschieber, der aus zwei in Richtung der Arbeitskammerbreite nebeneinander angeordneten Rohren zusammengesetzt ist. Dadurch wird die Abmessung des Kolbenschiebers in Umfangsrichtung verkürzt, was wichtig ist, wenn es darauf ankommt, den Ringraum in möglichst viele Arbeitskammern zu unterteilen. Die Ausbildung des Kolbenschiebers aus zwei Rohren hat den Vorteil, dass auch in diesem Fall, wie bei dem aus einem runden Rohr bestehenden Kolbenschieber, die Räume, in denen sich die Kolbenschieber in der Kolbennabe --3-- radial bewegen, durch einfaches Ausbohren der Kolbennabe --3-- hergestellt werden können.
Dass auch der aus zwei Rohren zusammengesetzte Kolbenschieber beiderseits in die Seitenwände des Ringraumes eingreift, ist gleichfalls aus Fig. 5 zu ersehen ; man erzielt dadurch eine möglichst grosse Dichtlänge. Gegenüber dem aus nur einem Rohr bestehenden Kolbenschieber fällt das betreffende Bogenstückk naturgemäss kürzer aus.. Es ist jedoch denkbar, die Dichtung durch zusätzliche Dichtungseinrichtungen --23-- zu verbessern. Derartige Massnahmen könnten auch bei dem aus einem Rohr bestehenden Kolbenschieber vorgesehen werden.
Die Fig. 6 gibt ein Ausführungsbeispiel für eine nach der Erfindung ausgebildete Maschine wieder, bei der die Achsen der Kolbenrohre parallel zur Drehachse der Maschine verlaufen. Sie stellt gleichzeitig ein Beispiel für den Fall dar, dass zwei oder mehrere Einzelmaschinen zu einer Maschineneinheit baulich zusammengefasst sind. Auch in diesem Fall sind die Kammern --9-- der beiden gleichartig miteinander wirkenden Kolben --6-- miteinander verbunden, u. zw. durch die Bohrung--26--.
Eine weitere Bauform ist in den Fig. 7 und 8 dargestellt, wo der feststehende Ständer --27--,
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--29-- undAuslässe--30-für das Arbeitsmedium angeordnet. In dem umlaufenden Teile --31-- der Maschine ist ein Ringraum --32-- ganz ausgespart. Er wird durch den Ständer-27-zylindrisch abgeschlossen. In dem umlaufenden Teil--31--sind Rohrkolben--33--axial beweglich eingesetzt. Bei der Drehung des Läufers --31-- werden die Kolben --33-- mittels Bolzen --34-- und Rollen --35-- durch Kulissen --36-- rhythmisch aus der Kammer --37-- in den
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freigegeben.
Nach dem Vorschlag der Erfindung ist die in der durch die Maschinenachse und die Kolbenachse
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gelegten Ebene gemessene Breite-40-der Kolbenrohre-33-grösser als das betreffende Mass des Ringraumes, in diesem Fall die radiale Höhe--41--. Hiedurch wird bewirkt, dass zwischen dem Rohrkolben und den betreffenden Ringraumwänden nicht nur Linienführung vorliegt, sondern eine grosse Dichtlänge, in Umfangsrichtung gesehen, vorhanden ist.
Die Trennwände --28-- sind, wie aus Fig. 8 ersichtlich ist, in Umfangsrichtung so stark ausgebildet, dass sie diee Durchtrittsöffnungen --38-- in der Ringraumwand, durch die das Kolbenrohr in den Ringraum hinein- und wieder aus diesem herausbewegt wird, überdecken. Ebenso wird die für die Bewegung des Kolbenrohres im Läufer-31-vorhandene Aussparung-39- überdeckt, da deren Länge--43--in Umfangsrichtung wesentlich kleiner ist als die in Umfangsrichtung gemessene Stärke der Trennwand-28-.
In Fig. 9 ist ein Ausführungsbeispiel skizziert, bei dem zwei Einzelmaschinen in der Weise spiegelbildlich zueinander angeordnet und zu einer Baueinheit zusammengefasst sind, dass sie einen gemeinsamen Ringraum bilden. Der Ringraum --32-- ist in diesem Falle in der Mitte der Maschine angeordnet. Von beiden Seiten werden die Kolben --33-- nach Art eines Boxermotors gegenläufig in den Ringraum --32-- hinein- und wieder aus diesem herausbewegt. Die Kolben --33-- treffen hiebei in der Mitte des Ringraumes --32-- aufeinander und es werden geeignete Mittel angewendet, um die Berührungsstelle der beiden Kolben während der Zeit der Berührung dicht zu gestalten.
Die Lösung nach Fig. 9 hat gegenüber der Anordnung der Fig. 6 den besonderen Vorteil, dass der Weg, den die Kolben rhythmisch zurückzulegen haben, nur halb so gross ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Umlaufkolbenmaschine, insbesondere parallelachsige Umlaufkolbenmaschine, mit einem Mantel, der mit Laufflächen versehen ist, die achsnahe und achsferne Zonen aufweisen, und einem Kolben, bestehend aus einer Kolbennabe und Kolbenschiebern, wobei zwischen zwei achsnahen Zonen
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achsfernen Laufflächen des Mantels, der Kolbennabe und Seitenteilen begrenzten Arbeitskammer mindestens ein Kolbenschieber an der achsfernen Lauffläche des Mantels anliegt, wobei die Seitenteile mit dem Kolben fest verbunden und die Kolbenschieber in den Seitenteilen geführt sind sowie die Kolbenschieber rohrförmig mit offenen Enden ausgebildet sind.
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