Taumelkolbenmasehine mit Flächenabdichtung. Die Erfindung bezieht sieh auf eine Kol benmaschine mit Flächenabdichtung, zum Beispiel zur Verwendung als Pumpe, Ge bläse, Kompressor oder Motor, bei der in einem Kugelgehäuse ein, durch eine im Ge häuse achsial gelagerte, Saug- und Druck raum voneinander trennende Trennwand an der Umdrehung gehinderter Taumelkolben schräg mit Bezug zu der ihn tragenden Welle gelagert ist und besteht darin, däss der Tau melkolben wenigstens eine Förderfläche be sitzt,
die mit einem Flächenteil gegen eine Anschnittfläche eines mit gleicher Winkel geschwindigkeit wie die Antriebswelle um laufenden, seitlichen Teils dichtend anliegt, und dass die Anschnittfläche bei der taumeln den Bewegung des Kolbens dessen Förder- fläche bestreicht. Die Erfindung umfasst also solche Taumelkolbenmaschinen, bei denen der Taumelkolben eine oder zwei Förderflächen besitzt,
wobei im letzteren Falle jede Förder- fläche dichtend gegen eine seitliche An schnittfläche eines umlaufenden Seitenteils anliegt. Bei allen bekannten Taumelkolbenma- schinen wälzt sich ein schräg auf der ihn tragenden Welle, an der Umdrehung gehin derter Kolben mit seinen Förderflächen an festen Gehäusewandungen oder auch festen Zwischenwandungen ab, und die wandernde Berührung zwischen den Kolbenförderflächen und den genannten festen Wandungen wird durch eine Linie gebildet,
die lediglich in theoretischer Hinsicht eine einwandfreie Ab dichtung zwischen Saug- und Druckraum ,der Maschine gewährleistet. -Rein praktisch ist es nicht möglich, durch eine solche Berüh rungslinie einen :dauernden Abschluss zwi schen Saug- und Druckraum aufrecht zu er halten, .da dumch Terschleiss, Bearbeitung usw.
die Förderflüssigkeit oder das Förder- gas infolge der Potentialdifferenz (Druck unterschied) immer von einem in den andern Raum überströmen wird. Dieses Überströmen vom Druck- zum Saugraum verringert die Arbeitsfähigkeit der Maschine und verursacht Reibungsverluste, so dass sie zur Förderung einer bestimmten Menge mehr Arbeitsauf- wand erfordert als ohne die genannten Ver luste nötig wäre.
Ebenfalls russ zur Errei chung einer -bestimmten Förderleistung :die Umlaufzahl höher gehalten werden als bei vollkommener Abdichtung erforderlich wäre, wodurch anderseits der Verschleiss an den Reibungsstellen grösser wird und damit die Umdichtigkeit wächst.
Die sich ergebenden Nachteile für Maschi nen der in Frage stehenden Art werden er findungsgemäss vollkommen ausgeschaltet, und zwar dadurch, dass ,die Förderfläche bezw. die Förderflächen des Taumelkolbens mit einem Flächenteil seitlich gegen eine An schnittfläche eines mit gleicher Winkelge- schwindigkeit wie die Antriebswelle umlau fenden Seitenteils dichtend anliegen, und dass diese Anschnittfläche bei der taumelnden Be wegung .des Kolbens die gegenüberliegende Förderfläche 'bestreicht, wobei Mittel vorge sehen sind,
die beim Vorbeigehen der An schnittfläche bei der Trennwand einen dich tenden Abschluss zwischen Saug- und Druck raum herstellen. Ermöglicht wird diese flä- chenförmige Berührung zum Beispiel da durch, @dass -der gegen die Förderfläche des Kolbens abdichtende Teil mit dem .Schräg lagerzapfen des Kolbens bezw. mit der An triebswelle starr verbunden ist.
Es wird durch das Umlaufen der "genann- ten, gegen die Förderfläche An schnittfläche gleichzeitig erzielt, dass keine Reibungsverluste zwischen Fördermedium und diesen Flächen mehr .auftreten, wie es bisher der Fall war.
Da der umlaufende Seitenteil angeschnit ten ist, so würde sich zwischen der, das Ge häuse in Saug- und Druckraum teilenden Trennwand und der Anschnittfläche des Sei tenteils ein Zwischenraum ergeben, wenn letz tere bei der Trennwand vorbeikommt, durch den .die Flüssigkeit von .der Druck- zur Saug seite strömen kann.
Um dieses zu vermeiden, ist zweckmäss.igerweise die Länge .der Berüh rungsfläche zwischen Kolbenförderfläche und der umlaufenden Anschnittfläche grösser als die Endbreite einer im Kolben vorgesehenen Ausnehmung, in .der bei einem Taumelkol- ben mit nach aussen divergierenden Förder- flächen zweckmässig ein Kegelzapfen, bei einem Taumelkolben mit parallelen Förder- flächen ein Zylinderzapfen. drehbar gelagert,
welcher Zapfen seinerseits mit einem Schlitz über die Trennwand fasst. Es wird durch diese Anordnung nicht nur ein dichter Ab schluss zwischen Saug- und Druckraum er zielt, sondern gleichzeitig erreicht, dass der Verschleiss zwischen der Trennwand und dem Kolben erheblich herabgesetzt wird. Natur gemäss ist es auch möglich, den Zylinderzap fen bei einem Taumelkolben mit nach aussen divergierenden Förderflächen und den Kegel zapfen bei einem Taumelkolben mit paral lelen Förderflächen anzuordnen.
Zweckmässig ist aber die vorerwähnte Anordnung, da dort die schädliche Raumbildung am klein sten ist.
Auf der Zeichnung -ist der Erfindungs gegenstand in einem Ausführungsbeispiel mit verschiedenen Varianten dargestellt, und zwar zeigen: Fig. l einen vertikalen Achsschnitt durch die Taumelkolbenmaschine, Fig. 2 die, Aufsicht auf die Antriebswelle mit den damit umlaufenden Seitenteilen, Fig. 3 einen Schnitt längs des Schlitzes eines Kegelzapfens, der längs der Trennwand hin- und hergleitet und in einer Kolbenaus nehmung gelagert ist, Fig. 4 einen Schnitt nach Linie IV-IV der Fig. 3,
Fig. 5,die Aufsicht auf den Kegelzapfen nach Fig. 3 und 4, Fig. 6 einen Schnitt nach Linie VI-VI der Fig. 2, Fig. 7 einen Querschnitt durch einen Kol ben, der parallele Förderflächen besitzt, Fig. 8 den Grundriss eines Kolbens mit nach aussen konvergierenden Förderflächen, Fig. 9 die Aufsicht auf -die bewegten Teile der Taumelkolbenmaschine,
Fig. 10 den Taumelkolben nach Fig. 1, Fig. 11 die Wirbeldrosselung des Förder mediums zwischen Gehäuse und Kolbenum fang, Fig. 12 schematisch einen Horizontal schnitt durch die bewegten Teile der Ma schine zur Erläuterung der einzelnen Winkel grössen.
Gemäss Fig. 1 ist in einem Kugelgehäuse 1 mit seitlichen Einsatzstücken 2 in den La gerbüchsen 3 eine Antriebswelle 4 .gelagert. Die Welle 4 läuft von beiden Seiten her in Kugelausschnitte 5 und 6 innerhalb des Ge häusen aus, zwischen denen eine ursprüng lich beidseitig abgeflachte Kugel 7 liegt, in die der Schräglagerzapfen 8 mit den seit lichen kegeligen Lagerflächen 9 und 10 für den Taumelkolben 11 eingedreht ist.
Durch diese kegeligen Lagerflächen 9 und 10, deren Kegelscheitel zweckmässi; in oder nahezu im Mittelpunkt des Taumelkolbens liegen, wird ein Verecken und damit ein starker Ver schleiss,des Kolbens im Lager vermieden. Der Taumelkalben 11 besitzt eine Ausnehmung 12, in der ein Kegelzapfen 14 sitzt, der über die vom Gehäuse festgehaltene achsiale Trennwand 13 fasst, welche Saug- und Druckraum der Maschine voneinander trennt.
Links und rechts (in Achsialrichtung gese hen) von der Trennwand 13 schliessen sich am Gehäuse 1 der Saugstutzen 32 und der Druckstutzen in bekannter Weise an. Der Kegelzapfen 14, wie er in Fig. 3 bis 5 dar gestellt ist, fasst mit einem .Schlitz 14a über die Trennwand 13.
Bei der taumelnden Be wegung des Kolbens 11, .dessen Förder flächen 17 nach aussen divergieren, wird di* ser Kegelzapfen 14 vom Kolben mitgenom men und gleitet mit seinem Schlitz 14a längs der Trennwand 13 hin und her, wobei sieh der Kolben 11 ausserdem um den Zapfen 14 hin- und herdreht. Der Kolben 11 kann da durch seinen Bewegungen. hemmungslos fo:l- ben, so dass die Reibungsverluste sehr klein sind. Ausserdem wird durch diese Anord nung ein dichter Abschluss zwischen den Kolbenförderseiten gewährleistet.
Bei Taumelkolben gemäss F.ig. 7, bei dem die Förderflächen 17a parallel zueinander lie gen, erhält der Zapfen 14' zweckmässiger weise eine zylindrische Form, da dadurch die schädliche Raumbildung in den äussersten Schräglagen des Kolbens am kleinsten ist, ebenso wie sie bei Taumelkolben mit nach aussen divergierenden Förderflächen dann am kleinsten ist, wenn der Zapfeneine kege- lige Form hat.
Die beiden Kugelausschnitte 5 und 6 sind nach dem Gehäusemittel hin je einem Kegel stumpf mit den Kegelflächen 5a und 6a ver sehen, die als Begrenzungswandung für den Arbeitsraum dienen, der anderseits durch das Kugelgehäuse 1, den Kolben 17 und die ein gestochene Kugel 7 begrenzt wird. Von den Kegelstümpfen ist ein Teil abgeschnitten, und zwar so, dass die Schnittfläche 16 einen Kegelflächenteil darstellt, der den Förder- flächen 17 .des Taumelkolbens 11 entspricht oder wenigstens nahezu entspricht.
Zur Erklärung, wann zwischen den Kol- benförderflächen und den Flächen 5a und 6a bezw. 16 eine Linien- bezw. eine Flächen berührung eintritt, wird anhand der Fig. 12 folgendes ausgeführt:
Eine Linienberührung zwischen den För- derflächen 17 des Taumelkolbens 11 und den beiden vollständig gedachten Kegelflächen 5a und 6a tritt ein, wenn zwei Winkel 18 (halbe Schwenkwinkel des Taumelkolbens, die durch den Winkel .des Schräglagerzap- fens 8 zur Wellenachse bestimmt sind) gleich dem Winkel 20 sind,
der zwischen der be treffenden Kegelfläche und der zugehörigen Kolbenförderfläche in den äussersten Lagen des Taumelkolbens genommen ist. Unter äussersten Lagen werden dabei die Lagen des Taumelkolbens verstanden, in denen die in einer Ausnehmung des Taumelkolbens ge lagerten Zapfen sich in den beiden äussersten Stellungen befinden. Der Winkel 19 des Taumelkolbens kann gleich, kleiner oder grö sser sein als der Winkel 18.
Um jedoch ein gutes Führungsverhältnis des Taumelkolbens 11 an der Trennwand 13 zu erzielen, soll der Winkel 19 gleich oder grösser als der Winkel 18 (halber Schwenkwinkel) sein. Bei Flächenberührung zwischen den Förder- flächen 17 des Taumelkolbens 11 und den die beiden Kegelflächen 5a und 6a als Umfangs flächen aufweisenden Kegelstümpfen muss der Winkel 20 kleiner sein als zwei Winkel 18; es ist daher dieser entsprechende Winkel 21 kleiner als zwei Winkel 18.
Die Länge 22 der Ansehnittfläche 16, wie die oben an geführte Schnittfläche 16 benannt werden soll; wird grösser, je kleiner der Winkel 21 gewählt wird. Die am Umfang der Kegel stümpfe genommene Länge der Anschnitt fläche 16 muss gleich oder grösser sein als die Breite 23 der Ausnehmung 12 im Kolben.
Da auf jeder Kolbenseite eine Druck- und Saugkammer vorhanden ist, wird diese Be messung erforderlich, weil sich zwischen den Anschnittflächen 16 und den Enden 13a und 13b der Trennwand 13 eine Öffnung bei der Umdrehung der ersteren ergibt, durch die das Fördermedium von der Druck- zur Saug seite überströmen könnte (Fig. 9). Bei Stel lungen der Anschnittflächen 16 ausserhalb der Trennwand 13 wird eine Abdichtung zwischen Saug- und Druckkammer durch das Anliegen der Kegelflächen 5a und 6a gegen die Enden 13a und 13b der Trennwand 13 bewirkt.
Sobald das vordere Ende der An schnittflächen 16, bezogen auf die Drehrich tung, an der Trennwand 13 vorbeiläuft, bil det sich der oben genannte Zwischenraum zum Beispiel zwischen dem Ende 13a der Trennwand 13 und der Anschnittfläche 16 (Fig. 1 und 9), der dadurch abgedichtet wird, dass der Taumelkolben 11 an den Stellen 24 oder/und 25 noch gegen die Anschnittflächen 16 liegt, das heisst, dass die Länge 22 der Anschnittfläche 16 grösser oder gleich gross wie die Breite 23 der im Kolben vorgese henen Ausnehmung 12 gemacht wird.
Wird ein Kolben 11 verwendet, bei dem die Lagerflächen 9 und 10 und die Förder- flächen 17 des Kolbens 11 nach aussen diver gieren und den gleichen Kegelspitzenwinkel haben (Fig. 1 und 9), dann laufen die An schnittflächen 16 in die kegeligen Lager flächen 8 und 10 (Fig. 2).
Es ist aber auch möglich, die Flächen abdichtung bei andern Kolbenarten zu erzie len. Hat ein Kolben beispielsweise die Form nach Fig. 8, das heisst, konvergieren die För- derflächen nach aussen und sind die Flächen 5a und 6a vertikale Ebenen, dann müssen diese Flächen mit einer konkaven, kegeligen Anschnittfläche kombiniert sein, in die sich die Förderflächen 26 des Kolbens einschmie- gen können. Die Flächen 5a und 6a müssen auch hier an der Umdrehung der Welle teil nehmen.
Bei einem Kolben, dessen beide Förder- flächen 17a parallel zueinander verlaufen (Fig. 7), das heisst bei einem ebenen, platten- förmigen Kolben, und bei Anwendung von kegeligen Flächen 5a und 6a müssen letztere mit einer Anschnittfläche kombiniert sein, .die eine ebene Fläche ist und wieder mit der Welle umläuft.
Durch die Anschnittflächen werden in ge wissem Sinne die Lagerflächen für den Tau melkolben zum Kolbenumfang hin vergrö ssert, so dass durch die flächenförmige Ab dichtung zwischen :den Förderflächen des Taumelkolbens und den umlaufenden Seiten flächen auch die eigentlichen, innern Lager flächen des Taumelkolbens entlastet werden, wodurch wieder die Lebensdauer der Ma schine verlängert wird.
Der Taumelkolben 11 (Fig. 1, 9, 10, 11), der zur Herabsetzung der schwingenden Mas sen beispielsweise hohl ausgebildet ist, ist am Umfang flanschartig nach innen abge bogen und mit nutenförmigen Aussparungen 27 versehen. Diese Nuten 27 der beiden Kolbenhälften 11a und 11b (Fig. 10) sind gegeneinander versetzt, so dass die in sie eindringende Flüssigkeit nicht die Saug- und Druckseite der Maschine miteinander ver binden kann.
Diese Nuten 27 dienen als Drosselung für die etwa zwischen innerer Gehäuseumfangswandung und dem Kolben umfang durchströmende Flüssigkeit, da sich in den Nuten Wirbel bilden (Fig. 11), die eine sogenannte. Wirbeldrosselung hervor rufen und ein glattes Durchströmen der Flüssigkeit verhindern. Es kann daher auf einen Gleitkontakt zwischen Kolbenumfang und Gehäusewandung verzichtet werden, wo durch wieder etwaige Reibungsverluste ver mieden werden.
Dadurch, dass die Flächen 5a und 6a bezw. 16 mit der Welle umlaufen, ist es mög lich, eine einwandfreie Lagerung vorzusehen, indem die nach innen gezogenen Lagerbüch sen 3a die ganze Kugelfläche der beiden Ku gelausschnitte 5 und 6 beschlagen. Die Ab dichtung des Arbeitsraumes 15 der Welle 4 entlang wird durch Packungen 28 erreicht.
Die Wirkungsweise der Maschine ist fol gende: Durch .die Welle 4 wird der Schräglager zapfen des Taumelkolbens in Umdrehung versetzt, so dass der Kolben 11, der .durch die Trennwand 13 und einen geschlitzten Zapfen an der Umdrehung gehindert wird, eine Schwenkbewegung ausführt, der eine Dreh bewegung überlagert ist. Die Grösse der Schwenk- und Drehbewegung ist durch den Winkeldes Schräglagerzapfens 8 zur Achse der Antriebswelle 4 gegeben. Der Arbeits raum 15 wird durch die Trennwand 13 in Saug- und Druckraum unterteilt.
Durch die schräge Lage des Kolbens 11 und seine Berüh rung mit dem Gehäuse wird wieder der Saug- und auch der Druckraum in je zwei Kam mern unterteilt., die sich bei der taumelnden Bewegung des Kolbens 11 auf der Saugseite abwechselnd von Null auf ein Maximum ver grössern und auf der Druckseite abwechselnd von diesem Maximum bis auf Null abneh men, so dass ein mehr oder weniger konti nuierlicher Flüssigkeitsstrom durch die Ma schine erzeugt wird.
Wären nun die Flächen 5a und 6a rings herum einheitlich und fest, so würde sich der Taumelkolben 11 beidseitig an ihnen mit Linienberührung relativ abwälzen, wenn die genannten Bedingungen für die einzelnen Winkelgrössen vorliegen. Laufen aber die ringsherum geschlossen gedachten Flächen 5a und 6a mit dem Schräglagerzapfen um und würde der Winkel 20 doppelt so gross sein als der halbe Schwenkwinkel 18, dann wird der Taumelkolben 11 ebenfalls nur mit Li nienberührung gegen die Flächen 5a und 6a liegen.
Bei dieser Ausführung ist aber schon der Vorteil gegeben, dass Relativgeschwindig- keiten und -damit Reibungsverluste zwischen Fördermedium und den Flächen 5a und 6a vermieden werden.
Wird der Winkel 20 jedoch auf den Win kel 21 verkleinert; das heisst, wird der Win kel 20 kleiner als der Schwenkwinkel 2X18 gemacht, und sind die Flächen 5a und 6a mit Anschnittflächen kombiniert, wie oben angeführt, dann schmiegt sich der Kolben 11 beidseitig, diagonal dem Gehäusemittel gegenüberliegend, flächenförmig mit seinen Förderflächen 17 an die Anschnittflächen 16 an.
Wird nun die Welle 4 in Umdre hung versetzt, dann laufen die Anschnitt- flächen 16 mit um, und gleichzeitig werden durch die erzeugte taumelnde Bewegung des Kolbens 11 die Förderflächen 17 des Taumel kolbens von diesen Anschnittflächen 16 be strichen, .das heisst, es findet während einer vollen Umdrehung der Welle zwischen den Förderflächen 17 und den Anschnittflächen 16 eine dauernde flächenförmige Berührung statt, und damit ist ein vollkommen dichter Abschluss zwischen Saug- und Druckraum der Maschine erzielt.
Die Berührungsflächen zwischen den Förderflächen und den An schnittflächen brauchen nicht vollkommen konform sein, denn es genügt in den meisten Fällen, wenn die Form der Anschnittflächen nur annähernd der Form der Förderflächen entspricht, mit andern Worten, es kann die Wölbung der Anschnittfläehen und der För- derflächen auch etwas voneinander abwei chen.
Die Kegelflächen 5a und 6a kommen nicht mit den Förderflächen 17 in Berüh rung. Diese Kegelflächen 5a und 6a haben nur die Aufgabe, mit den Enden der Trenn wand 13 dicht abzuschliessen, um dadurch eine Verbindung zwischen Saug- und Druck raum der Maschine zu vermeiden.
Damit durch die Maschine auch Flüssig keiten mit faseriger oder körniger Beimen gung gefördert werden können, und damit diese Beimengungen nicht zwischen die An schnittflächen 16 und die Förderflächen 17 gelangen, sind an den Enden der Anschnitt flächen 16 Aussparungen 30 vorgesehen, die in eine Abstreichkante 31 auslaufen, durch die die körnigen Teile zurückgehalten wer den. Durch die Anordnung dieser Ausspa rungen 30 mit der Abstreichkante 31 wird sogar ein Fördern von körnigen Substanzen, "v ie zum Beispiel -Getreide usw., möglich, ohne dass dadurch irgendwelche Hemmungen in der Maschine auftreten.
Bei der erläuterten Maschine haben alle den Maschinenraum 15 begrenzenden Teile mit Ausnahme der Gehäuseinnenwandung 1 eine fortschreitende Bewegung, deren Re lativgeschwindigkeit zum Fördermedium gleich Null oder relativ gering ist, so dass die Maschine mit geringsten Strömungsver lusten arbeitet.
Da überall weiter eine Flä chenabdichtung zwischen den bewegten und feststehenden Teilen bezw. den bewegten Tei len der Maschine gegeben ist und auch be sonders zwischen den Förderflächen 17 des Taumelkolbens 11 und den Anschnittflächen 16 eine flächenförmige Abdichtung vorliegt, so kann die Maschine äusserst kompendiös gebaut werden und schon mit ganz geringen Tourenzahlen laufen, wodurch der Verschleiss auf ein Minimum reduziert ist.
Statt mit einem zweiseitig wirkenden Taumelkolben kann die Maschine auch mit einem nur einseitig wirkenden Taumelkol- ben und nur einem mit einer Anschnitt fläche versehenen, mit gleicher Winkelge schwindigkeit wie die Antriebswelle umlau senden Seitenteil gebaut werden.