Drehkolbenmaschine. Den Gegenstand vorliegender Erfindung bildet eine Drehkolbenmaschine, die mit einem ringförmigen, in einem ebenfalls ring förmigen Zylinderraum exzentrisch beweg lichen Kolben versehen ist, dessen eine Stirn seite durch eine feste Wand und dessen an dere Stirnseite durch eine mit dem Kolben verbundene Deckscheibe abgeschlossen wird, welcher Zylinderraum an einer Stelle durch eine radiale Wand unterbrochen ist, für die eine entsprechende Aussparung im Kolben vorgesehen ist, der durch einen mit der Antriebswelle der Maschine verbundenen Kurbelzapfen angetrieben wird, dadurch ge kennzeichnet, dass der Kolben sowohl in ach- sia.ler,
als auch in radialer Richtung auf dem Kurbelzapfen frei beweglich angeordnet ist, und dass die Deckscheibe unter der Wirkung eines auf ihre Aussenseite ausgeübten Druckes an der einen Stirnseite der Zylinderwände anliegt, während das dichtende Anliegen des Kolbens an den zylindrischen Innenwänden des Zylinderraumes ausschliesslich durch die Fliehkraft bewirkt wird.
Bei Maschinen der oben angegebenen Art ist es bekannt, die abdichtende Anliegung in achsialer Richtung zwischen der mit dem Kolben verbundenen Deckscheibe und den freien Endflächen der Zylinderwände mit- telst eines auf der Aussenseite der Deck scheibe erzeugten Druckes zu bewirken, der entweder von dem Mittel herrührt, mit wel chem die Pumpe arbeitet, oder von Atmo sphärendruck, wenn die Maschine als Va kuumpumpe benutzt wird. Dieses Prinzip der Dichtung wird auch gemäss der vorlie genden Erfindung benutzt.
Bei Maschinen der hier in Frage kommen den Art tritt ein Faktor auf, der bisher nicht berücksichtigt worden ist, nämlich die Flieh kraft, welche der Drehgeschwindigkeit der Maschine direkt proportional ist. Da die Lein stung der Maschine ausserdem direkt propor tional mit der Drehgeschwindigkeit ist, so hat dies zur Folge, dass man von einer be stimmten Leistung ausgehend die Maschine bedeutend kleiner bauen kann, wenn man ih. eine der Abmessungsverminderung entspre- chend erhöhte Drehzahl gibt.
Selbstverständ lich liegen sowohl technische wie ökonomische Vorteile darin, die Maschine so klein wie möglich zu bauen, insbesondere da sie mei stens durch elektrische Motoren angetrieben werden, und die kleinen Elektromotoren, die für den Antrieb gewöhnlich in Frage kom men, sind aus bekannten Gründen, die jedoch mit der Erfindung nichts zu tun haben, für ganz ansehnliche Geschwindigkeiten gebaut, weshalb es auch wünschenswert ist, dass die Pumpen oder Kompressoren dieser Art mit der Drehgeschwindigkeit des Motors ange trieben werden können, so dass man sie direkt, ohne Zwischengetriebe mit dem Motor kup peln kann.
Bei den bekannten Maschinen ist dies un möglich, weil eine Komponente des Dreh momentes die Abdichtung des Ringkolbens im Zylinder in radialer Richtung bewirken muss. Diese Komponente addiert sich mit der Fliehkraft, die bei den hier in Frage kom menden hohen Umlaufsgeschwindigkeiten be deutende Werte erreicht, und das Ergebnis war, dass die Maschine warmläuft und bei grossen Geschwindigkeiten unbrauchbar ist.
Die Nachteile werden ausserdem dadurch vergrössert, dass die anfänglich zylindrischen Berührungsflächen des Kolbens und des Zy linders durch die ungleichförmige Gleitbe wegung ungleichmässig abgenutzt werden, so dass das Zentrum des Kolbens, das ursprüng lich eine kreisförmige Bahn beschrieb, nach einer gewissen Betriebszeit nicht mehr eine kreisförmige Bewegung ausführt. Ausserdem verschiebt sich der Kolben auf Grund des Verschleisses, auch noch in achsialer Rich tung.
Einige beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes sind in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigt: Fig. 1 eine Drehkolbenmaschine im Ach sialschnitt, Fig. 2 die Maschine im Querschnitt nach der Linie II-II in Fig. 1;
Fig. 3 zeigt im Achsialschnitt eine Detail variante von Fig. 1, Fig. 4 eine andere Ausführungsform der Maschine im Querschnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 5, Fix. 5 einen Achsialschnitt der Maschine nach der Linie V-V in Fig. 4, Fig. 6 schematisch die gegenseitige Lage von Kurbelzapfen, Hülse und Arretierungs- mittel in einer neuen Maschine, die noch kei nem Verschleiss ausgesetzt worden ist;
Fig. 7 zeigt in ähnlicher Weise die gegen seitige Lage von Kurbelzapfen, Hülse und Arretierungsmittel in einer abgenutzten Ma schine; Fig. 8 ist ein Schema, das veranschau licht, welche ungünstige Lage einzelne Teile der Maschine einnehmen könnten, wenn die Arretierungsmittel nicht vorhanden wären;
Fig. 9 und 10 sind Diagramme, welche unter verschiedenen Verhältnissen diejenigen Kräfte veranschaulichen, die zur Erhaltung einer dichtenden Anliegung zwischen dem Kolben und der Zylinderwand auftreten.
In Fig. 1 und 2, bezeichnet 1 das Gehäuse, das von der Grundplatte 2 getragen wird und mit zwei gleichachsigen zylindrischen Wän den 3 und 4 versehen ist, die den ringförmi gen Zylinderraum 5' bilden, in dem- der eben falls ringförmige Kolben 5 arbeitet. Der Kolben 5 ist im Zylinderraum 5' exzentrisch beweglich und liegt mit der Aussenwand gegen die Wand 3 und mit der Innenwand gegen die Wand 4 an, so dass im Zylinder mondsichelförmige Arbeitskammern gebildet werden. Der Kolben ist mit einer Deckscheibe 6 versehen, die dicht gegen die Stirnseiten der Zylinderwände 3, 4 anliegt, so dass sie den Zylinderraum 5' auf der einen Seite ab schliesst.
Am gegenüberliegenden Ende ist dieser Zylinderraum durch eine feste Wand abgeschlossen, die mit den Wänden 3 und =1 aus einem Stück besteht.
Der Kolben 5 wird durch einen Kurbel zapfen 7 der Antriebswelle 7' in Bewegung versetzt, die in einem Gehäusedeckel 8 ge lagert ist. Der Zapfen 7 hat rechteckigen Querschnitt und trägt eine in gewissem Masse radial auf demselben verschiebbare aussen zylindrische Hülse 9; auf der eine mit der Deckscheibe 6 und mit dem Kolben 5 ver bundene Nabe 6' drehbar gelagert ist. Die sich drehende Antriebswelle 7' versetzt also mittelst des Kurbelzapfens 7 und der Hülse 9 den Kolbenkörper 6', 6, 5 in eine kreisende Bewegung.
Durch die radiale Verschiebbarkeit der Hülse 9 auf dem Kurbelzapfen 7 wird er reicht, da.ss der Kolben 5 trotz unregel mässiger Abnutzung durch Reibung an den Zylinderwänden sich selbsttätig gegen die Zylinderwände 3, 4 anlegt und in Anliegung mit denselben verbleibt. Diese Anliegung wird durch die Fliehkraft bewirkt.
Das achsiale Anliegen der Deckscheibe des Kolbens gegen die Stirnflächen der Zy linderwände wird durch das auf der Aussen seite der Deckscheibe wirkende, unter einem geeigneten Druck stehende Arbeitsmittel oder bei Verwendung der Drehkolbenmaschine als Vakuumpumpe durch unter Atmosphären druck stehende Luft bewirkt. Der die Deck scheibe 6 umgebende Raum ist durch einen Deckel 1.5 abgeschlossen. Dieser Deckel 15 ist in der Mitte mit einer Warze 15' versehen, welche sich in geringem Abstand von einer Erhebung 62 der Deckscheibe 6' befindet. Der Kolben 5 wird in Umfangsrichtung durch eine den Zylinderraum,5' radial durch setzende Querwand 16 geführt.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Detailvariante .steht der Kolben unter der Wirkung einer Feder 12, die schräg zwischen dem Zapfen 7 und der Hülse 9- angebracht ist, wobei diese letztere mit einem Flansch 11 versehen ist, der von der Feder achsial gegen 'die Nabe 6' angedrückt wird. Die Hülse ist nach aussen durch einen Deckel 10 abgedeckt.
Die Feder beeinflusst den Kolben derart, dass dieser sowohl in achsialer wie in radialer Richtung zum Anliegen gegen seine Dich- tungsflächen gezwungen wird. Die Feder kann immerhin auch so angebracht werden, dass sie nur entweder achsial oder radial wirkt. Auch können mehrere Federn vorge sehen werden, so dass die eine in achsialer und die andere in radialer Richtung wirkt.
Die Feder 12 dient nur dazu, den Kolben beim Stillstehen und Anlassen der Maschine gegen die Anliegüngsflächen leicht anzu drücken.
Beiderseits der Querwand 16 sind im ringförmigen Zylinderraum Ein- und Aus- lässe 20, 21 für das Arbeitsmittel angebracht.
Bei der Ausführungsform gemäss den Fig. 4 und 5 werden für entsprechende Teile die gleichen Hinweisungszahlen gebraucht wie beim Beispiel gemäss Fig. 1 und 2,.
Diese Drehkolbenmaschine unterscheidet sich von der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform dadurch, dass der Kurbel zapfen 7 kreiszylindrisch ist, und dass die Hülse 9 exzentrisch und drehbar auf dem, selben gelagert ist. Es ist ohne weiteres klar, dass, wenn die Hülse 9 um den Zapfen 7 ge dreht wird, die Hülsenmitte gegenüber der Maschinenachse radial verschoben wird, ge nau wie wenn gemäss den Fig. 1 und 2 die ganze Hülse gegenüber dem Zapfen radial verschiebbar wäre. Die Lage des Hülsen zentrums gegenüber dem Zapfen 7 ist für die Lage des Kolbens 5 im Zylinderraum mass gebend.
Auch in diesem Falle wird somit der Kolben trotz einer unregelmässigen Ab nutzung stets gegen die Zylinderwände an liegen können.
Das Anliegen cler Deckscheibe 6 in ach sialer Richtung an die Stirnflächen der Zylinderwände wird durch eine Feder<B>18</B> be wirkt, die auf dem Zapfen 7 angeordnet ist und sich gegen die auf demselben in achsialer Richtung verschiebbar und 'drehbar ange brachte Hülse stützt. Während des Betrie bes steht die Aussenseite der Deckscheibe ausserdem unter dem Druck des Arbeits mittels bezw. unter Atmosphärendruck der Luft.
<I>Es</I> ist klar, dass, wenn die Hülse voll ständig frei auf dem Zapfen 7 drehbar ge lagert wäre und man versuchen würde, die Antriebswelle 7' in zur angegebenen Dreh richtung entgegengesetzten Richtung zu drehen, sich die Hülse derart auf dem Zapfen drehen würde, aass der Kolben in folge der Exzentrizität zwischen Zapfen 7 und Hülse 9 im Zylinderraum festgeklemmt würde, was eine Beschädigung der Maschine zur Folge haben könnte und folglich nicht vorkommen darf.
Zur Begrenzung der Drehung der Hülse 9 auf dem Zapfen 7 ist ein in der Antriebs welle 7' befestigter Zapfen 13 vorgesehen, welcher in eine Aussparung 14 in der Hülse greift. Diese Aussparung ist derart angeord net, dass, wenn dessen einer Rand 17 gegen den Zapfen anliegt (Fig. 6), sich das Zen trum 19 der Hülse 9 hinter dem Zentrum 22 des Zapfens 7 in der mit dem Pfeil angedeu teten Drehrichtung gesehen befindet. Dabei entsteht ein gewisser Winkel v zwischen den beiden Linien, die -vom Zentrum 22 des Zapfens 7 nach den beiden Zentren 19 bezw. 23 für die Hülse bezw. die Antriebswelle gezogen sind.
Wenn das Zentrum 19 diese Lage hat, wird der Kolben 5 vom Zapfen 7 nachgezogen, im Gegensatz zu Fig. 8, wo er vom Zapfen 7 vor sich her geschoben wird. Durch Wahl der Grösse des Winkels v wird also ein. bestimmter Radialdruck erhalten. Wenn das Zentrum 19 (Fig. 8) vor dem Zentrum 22 liegt, was vorkommen könnte, wenn die Drehung der Hülse gegen über dem Zapfen nicht begrenzt wäre, so würde, der Kolben 5 mit äusserst grossem Druck gegen die Zylinderwände 3, 4 gepresst, wodurch- der Wirkungsgrad der Maschine wegen Leistung von bedeutender Reibungs arbeit, stark herabgesetzt würde.
Der dem Rand 17 gegenüberliegende Rand 24 der Aussparung 14 hat die Aufgabe, nach einem weit fortgeschrittenen Verschleiss der Maschine gegen den Zapfen 13 anzuliegen, so- dass das weitere Ausschwingen des Kol bens 5 in radialer Richtung um den Zapfen 7 verhindert wird. Nach einem solchen Ver schleiss braucht die Maschine nur mit einem neuen Kolben- etwas grösserer Wandstärke versehen zu werden, um vollständig betriebs bereit zu werden.
Die zusammenwirkenden Organe, der Zäpfen 13 und der Rand 24, dienen auch da zu, ein Festkeilen des Kolbens zu verhindern, falls die Maschine dazu gebracht werden sollte, in der für normalen Betrieb entgegen gesetzten Richtung angetrieben zu werden.
Die Wirkungsweise der in Fig. -6 und 7 dargestellten Einrichtung ist aus den schema-. tischen Zeichnungen in Fig. 9 und 10 ersicht lich.
In Fig. 9 ist das Zentrum der Antriebs welle 7' mit einem greis 23 angegeben, und mit diesem Zentrum ist das Zentrum 22 des Zapfens 7 fest verbunden, was durch eine ausgezogene Linie zwischen diesen Zentren veranschaulicht wird. Die Hülse 9 ist dreh bar auf diesem Zentrum 22' gelagert, was durch einen um das genannte Zentrum ge zogenen greis veranschaulicht wird, der mit dem Zentrum 19 mitteIst einer ausgezogenen Linie verbunden ist.
Beim Umlaufen der Antriebswelle in der vom Pfeil A angegebenen Richtung wird der mit der Welle verbundene Zapfen 7 bezw. das Zentrum 22 eine kreisförmige Bähn be schreiben, wobei der auf der Hülse 9 ge lagerte Kolben 5 durch die Zentrifugalkraft radial nach aussen zu werfen versucht wird, was aber durch die Zylinderwände 3, 4 ver hindert wird, die den von der Fliehkraft ver ursachten Kolbendruck aufnehmen müssen. Lage und Richtung der Fliehkraft sind durch einen Pfeil C angegeben. Die Richtung der Normalreaktion des Kurbelzapfens auf den Kolben ist durch einen vom Zentrum 19 aus gehenden Pfeil P angegeben.
Diese Kraft P versucht, das Zentrum 19 um das Zentrum 22-zu drehen, das heisst die Kraft P besitzt eine durch das Zentrum 19 gehende Kompo nente, die die gleiche Richtung hat wie die Kraft C und sich somit zu derselben addiert, wodurch ein noch grösserer Anliegungsdruck zwischen dem Kolben und den ZyIinder- wänden auftritt.
Wenn die Maschine mit hohem Drucke arbeitet, wird die Kraft P umso grösser, und dadurch wird der gennannte Anliegungsdruck entsprechend grösser. Die Vorrichtung be wirkt somit, dass der für den Betrieb der Ma schine erforderliche Anliegungs- und Dich tungsdruck -selbsttätig zunimmt, wenn der Druck in der Maschine zunimmt. Um dies zu erreichen muss also (wie in Fig. 9 gezeigt)
das gemeinsame Zentrum der Hülse 9 und des Kolbens 5 auf einer durch den Dreh mittelpunkt der Maschine 23 und einen Punkt t auf der Berührungslinie zwischen Kolben und Zylinderwand gehenden geraden Linie a liegen, und ausserdem muss das genannte Zen trum auf der gleichen Seite einer zur Ge raden a normalen, durch das Zentrum 22 des Zapfens 7 gehenden Linie b liegen wie das Zentrum 23.
In der gleichen Fig. 9 ist eine andere Lage 19a des Zentrums 19, mit gestrichelten Li nien angegeben. Dabei wirkt die Kraft P entgegen der Fliehkraft, so dass der Anlie- gungsdruck gegen die Zylinderwände 3, 4 vermindert wird, was dann von Vorteil ist, wenn der von der Fliehkraft erzeugte Anlie- gungsdruck grösser als mit Rücksicht auf die während des Betriebes auftretenden Drücke erforderlich ist. In diesem Falle liegt das Zentrum 19 auch auf der Geraden a, aber in bezug auf das Zentrum 23 auf der ent gegengesetzten Seite von der vom Zentrum 22 ausgehenden Normalen b auf die Ge rade a.
Wenn das Zentrum 19 gegenüber dem Zentrum 23 um einen Winkel geschwenkt wird, der etwas grösser ist als v', so wird die Kraft P die Fliehkraft vollständig aufheben, wodurch der Anliegungsdruck so gering wird, dass Undichtheiten zwischen Kolben 5 und Zylinderwänden 3, 4 auftreten können, wodurch die Maschine nur mit schlechtem Wirkungsgrad arbeiten würde. Um dies zu vermeiden, ist der Anschlag 24 so angeord net, dass er nach einem maximalen Verschleiss des Kolbens und der Zylinderwände auf den Kurbelzapfen auftrifft und dadurch eine weitere Verdrehung der Büchse gegenüber dem Kurbelzapfen verhindert.
In Fig. <B>10</B> wird die Lage der Zentren 19 und 22 nach einer weit fortgeschrittenen Ab nutzung des Kolbens und der Zylinderwände 3, 4 gezeigt, die beispielsweise bei der Ma schine gemäss Fig. 8 auftreten könnte. Wenn dabei die Maschine in der vom Pfeile B an gegebenen Richtung angetrieben werden würde, so ist aus der Richtung der einge zeichneten Kräfte (Fliehkraft C, Druck P des Arbeitsmittels, Antriebskraft P') ersicht lich, dass ein ansehnlicher Druck in Richtung der Kraft C auftreten würde, wodurch die einzelnen Teile der Maschine zusammenge- klemmt und beschädigt würden.