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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Umwandlung von Druckluftenergie
in mechanische Drehenergie nach der Gattung des Hauptanspruchs sowie
von einem druckluftangetriebenen Luftmotor nach der Gattung des
Anspruchs 2, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens
nach Anspruch 1.
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Es
ist ein Druckluftmotor mit fluidisch betätigbarem Drehantrieb
bekannt, bei dem Druckluftenergie in mechanische Drehenergie gewandelt
wird, indem ein druckluftbeaufschlagter Schwenkkolben eine hin-
und hergehende Schwenkbewegung in eine Drehbewegung einer Abtriebswelle
umsetzt, unter Einsatz einer Freilaufkupplung zwischen Schwenkkolben
und Abtriebswelle, wobei die Vorteile eines Luftmotors gegenüber
einem Elektromotor hervorgehoben sind (
DE G 93 20 601 ). Die bei
diesem Druckluftmotor durch Druckluft erzeugte rotative Bewegung
ist jedoch nachteiligerweise nicht kontinuierlich sondern entsprechend
der Bewegung des Schwenkkolbens und dem Einsatz der Freilaufkupplung
je nach Drehwiderstand ungleichmäßig. Ein anderer Nachteil
dieses bekannten Schwenkkolbenluftmotors besteht in dem aufwendigen
komplizierten Aufbau und der außerdem erforderlichen Freilaufkupplung, bzw.
der hiermit verbundenen verhältnismäßig
großen Abnutzung der einzelnen Motorteile. Außerdem ist
die Herstellung eines solchen Druckluftmotors außerordentlich
aufwendig, wodurch er auch entsprechend teuer wird.
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Ein
anderer bekannter druckluftbetriebener Antriebsmotor (Druckluftmotor)
mit allerdings einem umlaufenden, eine Abtriebswelle betätigenden
Rotor, weist in Art eines Flügelzellenaggregats durch Federn
oder Fliehkraft radial an die Wand gepresste Flügelzellen
auf, wie es auch bei Luftverdichtern in vielfältiger Weise
bekannt ist (
DE OS
31 17 412 A1 ). Der Nachteil dieser Art von Antrieb besteht
darin, dass die Dichtflügel in Richtung des umlaufenden Wellenrotors
eine rechtwinkelige Flächenberührung mit der Gehäusewand
aufweisen, auf der sie entlang gleiten, mit dem Nachteil, dass es äußerst
schwierig ist, hier eine geringe Reibung und entsprechende Dichtheit
zu erzielen, ganz abgesehen von den Nachteilen der äußerst
hohen Herstellkosten und der Probleme bezüglich Abnutzung
aufgrund Abdichtung und Schmierung, was sich natürlich
unmittelbar auf die Lebensdauer, bzw. dem abnehmenden Wirkungsgrad
des Druckluftmotors bei entsprechender Dauer des Einsatzes auswirkt.
Der druckluftbetriebene Antriebsmotor soll dort zudem für
Druckluftwerkzeuge, z. B. Schleifer, Verwendung finden, bei denen es
bekanntlich weniger auf die tatsächliche Antriebsqualität
ankommt, dafür aber auf die Lebensdauer.
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Bei
wieder einem anderen bekannten Druckluftmotor (
DE OS 196 13 262 A1 ) erfolgt
der Rotationsantrieb der Abtriebswelle über eine von zwei über ein
Rädergetriebe gekoppelten Wellen, welche zwei Drehkolben
tragen, die in dem Gehäuse durch Beaufschlagung mit Druckluft
gegenläufig in eine Drehbewegung versetzt werden, ähnlich
der Umkehrung eines Rootsgebläses in einem Druckluftmotor.
Auch hier besteht das Problem vor allem in der Abdichtung, bzw.
der Abnutzung und der damit gegebenen Undichtheit nach einer bestimmten
Betriebsdauer, da die beiden Drehkolben in radialer Hinsicht jeweils
auf Wanden von Zylinderbohrungen bzw. dem Gegenläufer laufen
und in axialer Richtung wiederum mit ihren glatten Stirnflächen
auf entsprechenden glatten Stirnflächen des Gehäuses
laufen, wobei eine nachträgliche Korrektur zur Abdichtung
nach Abnutzung oder bei Spaltänderungen durch Temperaturänderungen
nicht möglich ist. Zwar sollen Gehäusewand und
Drehkolbenbeschichtung elastisch sein, um diesen bekannten Nachteil
zu kompensieren, was jedoch mit einem entsprechenden Aufwand verbunden ist.
Auch hier ist daran gedacht mit einem solchen Drehkolbenrundlaufmotor
eine Werkzeugmaschine, bzw. eine Bohrspindel, anzutreiben. In jedem
Fall sind der elastischen Ausgestaltung solcher Drehkolben erhebliche
Grenzen gesetzt, da die Drehkolben auf der Gehäusewand
reiben und nicht abrollen, was bei einem elastischen Zwischenbereich
zu einer starken Bremswirkung, bzw. einem erheblichen Verlust der
Drehkräfte, bzw. des Drehmoments an der Abtriebswelle des
Druckluftmotors führt.
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Ein
Hauptproblem von Druckluftmotoren, die die Strömungsenergie
der Druckluft in Drehenergie einer Welle umsetzen besteht in der
Qualität dieser Umsetzung, nämlich inwieweit die
eine Energie in die andere mit möglichst geringen Verlusten
umsetzbar ist. Hier wurden vom Fachmann Flügelzellenpumpen bevorzugt,
weil sowohl die Reibung als auch die innere Dichtheit der Arbeiträume übersehbar
schien und vor allem diese grundsätzlichen für
den Wirkungsgrad entscheidenden Merkmale durch Pumpen dieser Art
bereits bekannt waren.
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Dem
erfindungsgemäßen Verfahren mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 sowie dem erfindungsgemäßen
Druckluftmotor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 2,
insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch
1, stand deshalb eine Voreingenommenheit der Fachwelt entgegen.
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Für
den Fachmann war es nicht vorstellbar, dass eine Stirnzahnradpumpe
als Druckluftmotor dienen könne, da die Druckluft in Art
ihres Angriffs auf die Arbeitsflächen des Motors, also
insbesondere in den Arbeitsräumen, kompensierend wirken
würde, wobei zwar in der Praxis Pneumatikmotoren als Möglichkeit
angedeutet wurden (
DE
42 41 320 C2 ), aber in der Praxis wegen der genannten Voreingenommenheit
nicht gebaut wurden. Gründen bestanden außerdem
darin, dass die bekannten Druckluftmotoren entweder beim Rotationsantrieb
Schwankungen aufwiesen oder den erforderlichen Drehmomenten nicht
zu genügen schienen. Es ist auch ein anderer Motor auf
Drehkolbenbasis beschrieben (
US 3,856,440 )
mit Stirnverzahnung aufweisenden Drehkolben, wobei die Zähne
eine zykloidische Abwicklung der Lauffläche aufweisen,
so dass eine Motorwirkung mit Abtriebsaufgabe entstehen könnte.
An eine Umwandlung von Druckluftenergie in mechanische Drehenergie
für bestimmte Zwecke ist aber nicht gedacht und auch nicht
vorbeschrieben, und aufgrund des häufig Vorhandenseins
von Druckluftenergie und vor allem auch bei dem grundsätzlich
vorhandenen Bedarf an mechanischer Drehenergie auch nicht nahegelegt.
Der Fachmann denkt bei Druckluftmotoren, die eine Umkehrung zu Pumpen und
Verdichtern aufweisen, vor allem an rotierende Teile, deren vom
Antriebsmedium beaufschlagte Flächen bezüglich
der Drehachse eine Hebelwirkung in Drehrichtung aufweisen, wie beispielsweise
eine Flügelzelleneinrichtung. Hierbei wird meist nicht
beachtet, dass der dem Antriebsflügel folgende, den Arbeitsraum
abschließende nächste Flügel eine der Drehrichtung
teilweise entgegenwirkende Kraft erzeugt. Diese in Bezug auf die
Drehrichtung negative Wirkung besteht auch bei dem erstgenannten
Luftmotor (
DE G 93 20
601 ). Obwohl es sich dort nur um relativ geringe Schwankungen
bei der erzeugten mechanischen Drehenergie handelt, sind diese Schwankungen
bei den heute gegebenen hohen Anforderungen an die Gleichmäßigkeit
der Drehqualität bei der Umsetzung in mechanische Drehenergie
unvertretbar und nachteilig, besonders im Hochdrehzahlbereich, z.
B. für Zahnbehandlungsgeräte.
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In
jedem Fall wird entgegen der Annahme eines Fachmannes überraschenderweise
auch aufgrund der günstigen Verdrehanordnung bei einer
solchen Stirnverzahnung und der Gestaltungsfreiheit der Abluftöffnung
ein außerordentlich hoher Wirkungsgrad erreicht, d. h.
die besonders in manchen Einsatzbereichen angestrebte hohe Drehzahl
wird bei der Erfindung überraschend erzielt, wobei vor
allem die Verluste der meist nur begrenzt vorhandenen Druckluft
auf ein Minimum reduzierbar sind.
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Gemäß dem
Verfahren kann dieses Aggregat zur Umsetzung der mechanischen Drehenergie bei
einem Hochdrehzahlgenerator dienen, wie er beispielsweise nicht
nur in der Dentaltechnik gebraucht wird und bei dem der Läufer
mit dem als Wellenrotor dienenden Drehkolben drehschlüssig
gekoppelt ist.
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Gemäß einem
kennzeichnenden Merkmal des Verfahrens weisen die außer
dem Gehäuse den Arbeitsraum begrenzenden Arbeitsflächen
des Wellenrotors eine Stirnverzahnung auf, die außer auf dem
Wellenrotor auf einem mit den Zähnen desselben zusammenwirkenden
und deshalb entsprechend verzahnten Gegenrotor vorgesehen ist, dessen Drehachse
zu der des Wellenrotors einen bestimmten Winkel aufweist, aber die
gleiche Drehrichtung aufweist, wie der Wellenrotor, wobei die ineinandergreifende
Verzahnung als Trochoidenverzahnung ausgebildet ist. Auch diese
Vorgabe steht in einem gewissen Widerspruch zu den Annahmen eines Fachmanns,
da Arbeitsräume zwischen Stirnzahnrädern als für
Motoren kaum geeignet gelten, besonders bei Trochoidenverzahnungen,
bei denen ein weiches Abwickeln der Wände der Zahnräder
zum Arbeitsraum gewünscht ist.
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Dies
gilt entsprechend auch für die vorteilhafte Ausgestaltung
des Druckluftmotors, bei dem eine Stirnzahnscheibe mit der Abtriebswelle
verbunden ist und eine zweite Stirnzahnscheibe unter einem bestimmten
Verdrehwinkel zur ersten Stirnzahnscheibe den Arbeitsraum bildend
mit dieser kämmt, wobei eines der Teile als Zykloidenteil
eine zykloidische Abwicklung der Lauffläche aufweist und
wobei die Zähne des anderen mit diesem kämmend
zusammenwirkenden Teil als Steuerteil Zahnkämme aufweist,
welche an den Flanken des Zykloidenteils entlang laufen. Wie oben
erwähnt ist ein solcher Drehkolbenmotor an sich bekannt
(
DE OS 42 41 320 A1 ),
wurde allerdings aufgrund der Voreingenommenheit der Fachwelt nie
zur Umsetzung in mechanische Drehenergie eingesetzt. Gemäß einem
kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 2 ist mindestens einer der Rotoren
auf einem Wälzlager angeordnet.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stützen
sich die zur Lagerung des Wellenrotors und/oder des Gegenrotors
vorgesehenen Wälzlager im Gehäuse des Motors ab.
Besonders bei pneumatisch arbeitenden Aggregaten ist der Leichtlauf
wichtig, wobei hier auch die Schmierung der Lagerung ein nicht unerhebliches
Problem darstellt, was möglicherweise Mitursache für
die Voreingenommenheit der Fachwelt ist.
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Nach
einer diesbezüglichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
ist das Wälzlager im Gehäuse von einer in Richtung
der Drehachse verschraubbaren Stützmutter getragen und
axial mit dem Rotor im Gehäuse verstellbar. Hierdurch kann zumindest
eine Justierung der Rotoren im Gehäuse bzw. zueinander
vorgenommen werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Einlasskanal über
einen bestimmten Verdrehwinkel verteilt, schmäler aber
in Drehrichtung sich erweiternd ausgebildet, entsprechend der zwischen
den Rotoren druckseitig gebildeten schmalen Öffnung zum
Arbeitsraum hin.
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Nach
einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
ist der Auslasskanal über einen bestimmten Verdrehwinkel
verteilt zum Abbau verhältnismäßig weit
ausgebildet entsprechend dem an dieser Stelle zum Auslasskanal weit
offenen Arbeitsraum. Der Arbeitsraum kann hier nach außen
offen sein, da die der Druckluft eingegebene Energie bereits verbraucht
ist.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung ist
mit einer Variante in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden
näher beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 einen
Längsschnitt entlang den Drehachsen I und II eines
Druckluftmotors mit Stirnradverzahnung;
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2 einen
Teilschnitt durch die Variante des Pumpengehäuses bei gegenüber 1 um
90° verdrehter Lage;
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3 einen
Schnitt entsprechend der Linie III-III in 2 und in
einem etwas verkleinertem Maßstab und
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4 eine
Einsicht in das Gehäuse entsprechend dem Pfeil IV in 2 in
ebenfalls leicht verkleinertem Maßstab.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Bei
dem in 1 im Längsschnitt dargestellten durch
Druckluft angetriebenen Motor sind in einem Gehäuse 1 zwei
als Drehkolben dienende Rotoren gelagert, nämlich ein Wellenrotor 2 und
ein Gegenrotor 3, die mit stirnseitig angeordneten Zähnen 4 und 5 entsprechend
ineinander greifen und dabei mit dem Gehäuse 1 Motorarbeitsräume 6 begrenzen. Die
Drehachse des Wellenrotors 2 ist mit I bezeichnet,
die Drehachse vom Gegenrotor 3 mit II. Die beiden
Drehachsen I und II schließen einen Winkel α < 180° ein,
so dass beim Rotieren der Rotoren 2 und 3 die
Motorarbeitsräume 6 sich entsprechend vergrößern,
bzw. verkleinern. Der in 1 dargestellte Längsschnitt
durch den Luftmotor geht durch diese beiden Drehachsen I und II.
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Das
Gehäuse 1 weist innen zur Aufnahme der Rotoren
einen zylindrischen Abschnitt 7 und einen sphärischen
Abschnitt 8 auf, wobei Letzterer in einen zylindrischen
Abschnitt 9 übergeht zur Aufnahme der Lagerung
des Gegenrotors 3 und entsprechend dessen versetzter Mittelachse II.
Der Gegenrotor 3 ist auf einem Wälzlager 10 drehgelagert,
welches durch einen Stützstopfen 11 eingespannt
im zylindrischen Abschnitt 9 des Gehäuses 1 angeordnet ist.
Der Stützstopfen 11 ist zur Befestigung des Wälzlagers 10 in
das Gehäuse 1 eingeschraubt.
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Zwischen
den Rotoren ist, um die aufgrund des Winkels α zwischen
den Drehachsen
I und
II sich beim Rotieren ergebenden
pendelnden Bewegung zwischen den Rotoren zu ermöglichen,
eine kugelige Auflagefläche
12 vorgesehen, die
auch gleichzeitig die durch die Stirnzähne
4 und
5 der
Rotoren gebildeten Motorarbeitsräume
6 voneinander
trennt. Bei den Stirnzähnen
4 und
5 ist
eine zykloide Verzahnung vorgesehen mit den bekannten Vorteilen
(
DE PS 42 41 320 C2 ).
Der das eigentliche Leistungsteil bildende Wellenrotor
2 ist
ebenfalls auf einem Wälzlager
13 drehgelagert,
welches für sich von einer Stützmutter
14 getragen
wird, die einerseits in dem zylindrischen Abschnitt
7 des
Gehäuses
1 geführt ist, aber andererseits
dort über ein Gewinde
15 in das Gehäuse
1 eingeschraubt
ist. Hierdurch ist einerseits ein leichter Drehlauf des Wellenrotors
2 gewährleistet
und andererseits eine gewisse Justierbarkeit, auch in Bezug auf
den sphärischen Abschnitt
8 bzw. den Gegenrotor
3.
Der Wellenrotor
2 weist außerdem eine Kupplungsöffnung
16 auf
zur Aufnahme einer nicht dargestellten Drehkupplung, um die Drehbewegung
zu übertragen. Am Gehäuse
1 ist ein Flansch
17 angeordnet,
um ein anzutreibendes Aggregat entsprechend befestigen zu können.
Außerdem ist auf der Rückseite des Gehäuses
1 ein
Flansch
18 vorgesehen zum Anschluss für den Drucklufteinlass
in einen an dieser Stelle noch kleinen Motorarbeitsraum.
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Bei
der in den 2 bis 4 dargestellten Variante
des Luftmotors ist das Gehäuse einerseits gegenüber
dem in 1 dargestellten Schnitt um 90° verdreht
dargestellt und außerdem über die gesamte Länge
zylindrisch ausgebildet. Hierdurch fallen die Drehachsen I und II bei
der Darstellung ineinander, was lediglich als Perspektive aber auch
in 4 erkennbar ist. Die denen in 1 entsprechenden
Dinge sind mit der gleichen Bezugszahl wie in 1 versehen
und durch einen Indexstrich unterschieden. Es ist allerdings nur
ein Gehäuse als Variante dargestellt, wobei der in 2 gezeigte
Anschnitt dazu dienen soll die Auslassöffnung 19 nach Ausnutzung
der Druckluft, d. h. nach deren Entspannung, zu verdeutlichen.
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So
ist wie in 3 gezeigt im Gehäuse 1 auf der
Druckluftseite eine Anschlussbohrung 20 vorgesehen für
den Einlass der Druckluft in den hier nicht dargestellten aber gegenüberliegenden
an dieser Stelle kleinen Pumpenarbeitsraum 4. Auf der gegenüberliegenden
Seite ist im Gehäuse 1 eine entsprechend große
Auslassöffnung 19 vorgesehen, um ein tatsächliches
Entspannen der Druckluft zu erzielen. Durch die Erfindung wird erreicht,
dass mit einem einfachen trochoidenstirnverzahnten Drehkolben unter Druck
zugeführte Luft und durch deren Entspannen ein Wellenrotor
angetrieben wird, der wiederum als Motor dient.
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Alle
in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der
Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln
als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein.
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Variante in 2 bis 4
- I
- Drehachse
von 2
- II
- Drehachse
von 3
- α
- ∡ zwischen I und II
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 9320601
U [0002, 0007]
- - DE 3117412 A1 [0003]
- - DE 19613262 A1 [0004]
- - DE 4241320 C2 [0007, 0024]
- - US 3856440 [0007]
- - DE 4241320 A1 [0011]