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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein technisches Verfahren und Gerät wobei mindestens eine perfekte Dichtung eingesetzt wird, wenn die Antriebswellendrehbewegung von einem geschlossenen Raum, der die Krafteingangswelle umgibt, zu einem benachbarten Raum übertragen wird, der die Kraftausgabewelle umgibt, beziehungsweise umgekehrt. Die vorliegende Erfindung schützt kritische Maschinenkomponenten vor Umweltverschmutzungen, vor Korrosion sowie vor von eintretender Flüssigkeit oder Feuchtigkeit verursachten Kurzschlüssen.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Mechanische Flächendichtungen zum Bereitstellen eines Schutzes für Maschinen vor schwierigen Betriebsbedingungen und zum Ermöglichen, dass sich eine Drehwelle vom Inneren eines stationären Gehäuses außerhalb des Gehäuses erstreckt, sind wohl bekannt. Jedoch können Abnutzung, Korrosion und große Fluktuationen bei Druck und Temperatur ein Versagen der Flächendichtung zur Folge haben. Über die Jahre sind verschiedene technische Versuche unternommen worden, um das Design der Flächendichtungsanordnung zu verbessern, um ihre Zuverlässigkeit zu verbessern und um die Instandhaltungskosten zu verringern.
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Die andere bekannte Lösung ist es, eine magnetische Kupplung mit einem Luftspalt zu verwenden, um einen Motor von seiner Last zu isolieren. Die fundamentalen Grenzen einer Maschine, die eine magnetische Kupplung verwendet, sind ihre begrenzte Drehmomentlast, die Kupplungsgröße und die Erzeugung von Hitze an der Kupplung. Jedoch gibt es viele industrielle Maschinenanwendungen, die ein hohes Drehmoment und eine komplizierte Steuerung benötigen, denen jedoch Raum zur Realisierung der magnetischen Kupplung fehlt. Oder die Maschine selbst ist sehr hohem externem Druck ausgesetzt oder wird unter solchen Bedingungen betrieben, sodass die regelmäßigen Wartungsarbeiten schwierig sind.
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Der Kernkraftwerksunfall aufgrund ausgefallener Reservegeneratoren nach dem großen Beben in Japan 2011 hat eindringlich die Notwendigkeit für neue Generatoren- und Pumpenkonstruktionen, die die Überflutung mit Meerwasser überstehen können, verdeutlicht. Die mechanische Dichtung spielt eine kritische Rolle sowohl bei wasserdichten Generator- als auch bei wasserdichten Pumpenkonstruktionen.
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Beide, mechanische Flächendichtungen und magnetische Kupplungen, sind für bestimmte Arten von Betriebsumgebungen und -bedingungen geeignet, aber sie sind im Allgemeinen keine problemfreien Lösungen. Trotzdem ist die Überwindung des Drehwellendichtungsproblems technisch herausfordernd. Es gibt viele Industrien unter anderem im Bereich Automobil, Pumpen, elektrische Stromerzeugung, Wasserfahrzeuge, Luftfahrt, Ölfeldbetriebe, Raffinerien, chemische Fabriken, Nahrungsverarbeitung, usw., die immer noch eine bessere Dichtungslösung benötigen, die Drehbewegungen von einem geschlossenen Raum in den sich daran anschließenden Raum oder umgekehrt übertragen können.
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Das fundamentale mathematische Problem beim Ersetzen einer traditionellen Flächendichtungslösung einer Drehwelle ist es, zu vermeiden, die unendlich vielen periodischen Randbedingungen abzudichten, die zwischen der Drehwelle und dem stationären Gehäuse auftreten, was einen am Verbinden oder Festklemmen irgendeiner Dichtung an dieser Schnittstelle hindert.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gebondete oder festgeklemmte Dichtungslösung für eine Drehwelle und ihr geschlossenes Gehäuse bereitzustellen, indem die Drehbewegung einer Eingangswelle mithilfe einer Antriebswellenkupplung in zwei oszillierende Bewegungen umgewandelt wird und dann wird anschließend ein dritter Oszillator an der entgegen gesetzten Seite dieser Kupplung verwendet, um die Oszillation in eine Rotation einer Ausgangswelle umzuwandeln. Der dritte Oszillator ist an der Kupplung montiert und bewegt sich rechtwinklig zu der Bewegung der Kupplung. Es gibt eine feste Wand, die die Eingangswelle in der Mitte der Antriebswellenkupplung von der Ausgangswelle trennt.
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Da die Oszillatoren nicht unendlich viele periodische Randbedingungen erzeugen, kann man deshalb mindestens eine geklebte oder festgeklemmte Dichtung zwischen der Antriebswellenkupplung und ihrem geschlossenen Gehäuse anordnen. Diese perfekte Dichtung und die Antriebswellenkupplung schützen nicht nur die empfindlichen Elemente der Maschine vor der externen Umgebung und vor extremen Substanzen, sondern erlauben auch die Übertragung einer Drehbewegung, um eine externe Last anzutreiben. Jede der oszillierenden Bewegungen kann durch lineare Bewegungslager, -hülsen, -getriebe oder Rollen- und Schienenkombinationen geführt werden, um die Reibung zu verringern und um die Hitzeerzeugung zu vermeiden. Ohne extreme Temperaturen an der Antriebswelle können gummiähnliche Materialien, Verbindungen oder ähnliches als Dichtungsmaterialien verwendet werden.
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Bei Anwendungen, bei denen es zum häufigen Starten und Stoppen von Antriebswellen kommt, können Magnete, die an den Flügeln der Oszillatoren an jeder Seite der Antriebswellenkupplung angebracht sind, verwendet werden, um zu verhindern, dass es an der Ausgangswelle zu Rotationsbifurkationen kommt, wenn der außermittige Stift an dem Ende der Eingangswelle an einer von zwei bestimmten Winkelposition startet, beispielsweise bei 0 und 180 Grad entsprechend der vorliegenden Erfindung, wobei die Ausgangswelle immer gezwungen wird, der Eingangswelle zu folgen, um in dieselbe Richtung zu drehen.
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Um die mechanische Übertragung der vorliegenden Erfindung zusammenzufassen: ein außermittiger Stift an einem Ende einer Eingangsdrehwelle startet sowohl eine vertikale als auch eine horizontale Oszillation an der Antriebswellenkupplung und ein zweiter vertikaler Oszillator, der an einem gegenüberliegenden Ende der Antriebswellenkupplung angeordnet ist, zwingt eine verbundene Ausgangswelle dazu, in synchroner Weise mit der Eingangswelle zu drehen.
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Die Neuheit, Eigenschaften, weitere Aufgaben und Funktionalitäten der vorliegenden Erfindung können eindeutig durch Einbeziehen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verstanden werden.
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IN DEN ZEICHNUNGEN IST
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1 eine perspektivische Ansicht der mechanischen Anordnung einer Rotationsantriebswellenkupplung,
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2 eine Explosionsansicht des Oszillationswandlers der vorliegenden Erfindung,
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3 eine Querschnittansicht der mechanischen Anordnung der vorliegenden Erfindung,
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4 eine perspektivische Ansicht einer Dichtung der vorliegenden Erfindung und sind
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5(a) und (b) Darstellungen der Bifurkationen der winkeligen Stiftpositionen sowohl der Eingangswelle wie der Ausgangswelle auf einem Einheitskreis.
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Die essentiellen Komponenten der Rotationsantriebswellenkupplung sind eine Eingangswelle, ein Oszillationswandler, eine Ausgangswelle, eine Dichtung und ein Gehäuse. In 1 ist die perspektivische Ansicht der mechanischen Anordnung der Rotationsantriebswellenkupplung gezeigt. Um ein klares Bild der erfindungsgemäßen Rotationsantriebswellenkupplung zu erhalten, ist der hintere Bereich des Gehäuses 12, der einen Antriebsmotor umfassen kann, weggelassen.
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Nun wird auf die vorliegende Erfindung 10 detailliert Bezug genommen. In 1 ist die Einheit 30 der Oszillationswandler, der einen vertikalen Oszillator mit einem Flügel 64 und einen Schaft 62 umfasst, der sich vertikal innerhalb zweier linearer Lager/Buchsen 38 und 34 bewegt. Jedoch ist in der Figur nicht der ähnliche oder identische vertikaler Oszillator an dem gegenüberliegenden Ende des Oszillationswandlers 30 gezeigt. Die Einheit 30 selbst bewegt sich horizontal innerhalb von zwei weiteren linearen Lagern/Buchsen 52 und 54, die durch die zwei Stützplatten 44 und 46 an der Innenseite des Gehäuses 12 befestigt und damit verschweißt sind. Die Einheit 30 kann sich durch Verwendung von Komponenten mit geringer Reibung, wie beispielsweise Rädern, Getrieben, Schienen, Hülsen oder Lagern, die an dem Dach und Boden des Gehäuses 12 verankert sind, horizontal bewegen. Lineare Lager/Buchsen bedeutet hier eine eindimensionale lineare Bewegungsvorrichtung, die es dem Schaft nicht erlaubt, sich zu drehen, während er in Bewegung ist. Wenn man es bevorzugt, gewöhnliche Buchsen zu verwenden, sollte die Oszillatorkonstruktionsoption mit zwei Schäften in Betracht gezogen werden, um die Rotation des Schafts zu verhindern. In der Figur sind auch der Eingangsdrehschaft 22 und der Ausgangsdrehschaft 16 gezeigt. Es wird später beschrieben werden, wie der Ausgangsdrehschaft 16 und der Stift 18 in Eingriff mit dem Oszillationswandler 30 stehen. Der Eingangsdrehschaft 22 verwendet denselben Eingriffsmechanismus.
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2 zeigt die Explosionsdarstellung des Oszillationswandlers 30 zusammen mit der Ausgangswelle 16. Die Ausgangswelle 16 umfasst einen außermittigen Stift 18 an einem Ende, der mit dem vertikalen Oszillator mit Flügel 88 und Schaft 82 durch ein Kugellager 80 in Eingriff stehen kann, das in der Mitte dieses Oszillators eingebettet ist. Zwei Permanentmagnete 84 und 86 sind unter dem Flügel 88 des vertikalen Oszillators angeordnet. Die Magnete 84 und 86 erstrecken sich im Inneren eines extrudierten Ausschnitts 84 in der Mitte des Oszillationswandlers 30, um durch eine dünne, nicht magnetische Wand 42 mit den Magneten 66 und 68 an der gegenüberliegenden Seite des Oszillationswandlers 30 zu interagieren, um die zwei vertikalen Oszillationsbewegungen zu synchronisieren. Die dünne Wand 42 und der Körper des Oszillationswandlers 30 können aus speziellen, nicht magnetische, Materialien hergestellt sein, beispielsweise Hastelloy, Titan, usw., um es der magnetischen Anziehungskraft zu ermöglichen, hindurch zu wirken. Der extrudierte Stutzen 26 wird verwendet, um, wie in 3 und 4 gezeigt, eine Dichtung 14 zu montieren. Lineare Lager/Buchsen 32 und 36 führen den vertikalen Oszillationsschaft 82 und lineare Lager/Buchsen 52 und 54 führen den horizontalen Oszillationsschaft 70 und 72 des Oszillationswandlers 30.
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Genauer gesagt wird mit Verweis auf die in 3 gezeigte Erfindung die Ausgangswelle 16 an der Mündung 28 des Gehäuses 12 durch ein Axiallager 24 gestützt. Eine gewellte Dichtung 14 ist mit ihrem Ende mit geringerem Durchmesser mit der Mündung 28 des Gehäuses 12 verbunden und ist mit dem anderen Ende mit dem Extrusionsteil 26 an dem Oszillationswandler 30 verbunden. Das Extrusionsteil 26 kann auch in 2 gesehen werden. Der Raum, der von der Ausgangswelle eingenommen wird, ist durch das Axiallager 24, die Dichtung 14 und den Oszillationswandler 30, der eine dünne Wand 42 in der Mitte umfasst, umschlossen. Das Axiallager 24 ist an der Mündung 28 des Gehäuses 12 angebracht. Deshalb gibt es eine perfekt verbundene Isolierung zwischen dem Raum, der durch die Ausgangswelle eingenommen wird, und dem Raum, der durch die Eingangswelle eingenommen wird. Auch wenn es nicht entscheidend ist, kann trotzdem eine Oberflächendichtung an der Mündung 28 des Gehäuses 12 eingesetzt werden, um zusätzlichen Schutz bereitzustellen.
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In 3 sind auch die zwei vertikalen Oszillatoren gezeigt, die in Bezug auf die dünne Wand 42 des Oszillationswandlers 30 symmetrisch gebaut sind. Die Eingangswelle 22 mit Stift 20 steht im Eingriff mit einem weiteren vertikalen Oszillator, der an der Eingangsseite des Oszillationswandlers 30 innerhalb der Lager/Buchsen 34 und 38 gleitet. Das durch den außermittigen Stift 20 der Eingangswelle 22 erzeugte Drehmoment wird alle drei Oszillationsbewegungen starten und die verbundene Ausgangswelle 16 wird passiv gezwungen werden, der Rotation der Eingangswelle 22 zu folgen. Der Motor, der den Eingangsdrehschaft 22 verankert und antreibt, ist hier nicht gezeigt.
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4 zeigt die gewellte Dichtung 14, die mit der Mündung 28 im Gehäuse 12 und auch mit der Stütze 26 des Oszillationswandlers 30 aus 3 verbunden ist. Die Dichtung 14 wird horizontalen Oszillationen ausgesetzt. Deshalb wird zusätzlich zur Länge und Welligkeit durch die Verwendung eines gummiartigen weichen Materials, ähnlichen Verbindungen oder Vergleichbarem die Belastung der Dichtung 14 verringert und ihrer Lebensdauer verlängert.
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Um die Bifurkationen in Rotationsrichtung zu erklären, die an einer der zwei horizontalen Stabposition des außermittigen Stifts der Eingangswelle bei 0 und 180 Grad passieren, welches die zwei Schnittpunkte mit der horizontalen Achse sind, wenn man aus der axialen Richtung der Eingangswelle auf den außermittigen Stift blickt, zeigen
5a und b beide erlaubten Rotationspositionen für die Stiftpositionen der Eingangswelle und der Ausgangswelle in Abhängigkeit von der Zeit entlang eines Einheitskreises, der bei 0° beginnt. Unter Verwendung von 60 RPM als Beispiel ist das Donutsymbol
die winkelige Stiftposition der Eingangswelle und das Kreuzsymbol x ist die winkelige Stiftposition der Ausgangswelle.
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Es wird nun Bezug genommen auf 5a und b. 5a zeigt die zwei Wellen, wie sie synchron rotieren, und 5b zeigt die zwei Wellen, wie sie in entgegen gesetzte Richtungen rotieren, eine im Uhrzeigersinn und die andere gegen den Uhrzeigersinn und beide Rotationsmöglichkeiten sind mechanisch erlaubt. Bei häufigen Stopps und Starts bei Rotationsanwendungen muss man die Möglichkeit der Erzeugung einer unvorhersehbaren Ausgangswellenrotationsrichtung vermeiden, wenn die Stiftposition der Eingangswelle gelegentlich speziell an diesen zwei Positionen startet. Die bevorzugte Lösung ist es, wie vorher erläutert, Paare von Permanentmagneten zu verwenden, um die zwei vertikalen Oszillatoren zu zwingen, sich unabhängig von der Startposition des Eingangswellenstifts in dieselbe Richtung zu bewegen.
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Natürlich gibt es auch andere mechanische Vorrichtungen, beispielsweise spezielle Klammern oder Ratschen, usw., die entweder entlang der Eingangswelle, der Ausgangswelle oder beiden angeordnet werden können, um ihre Wellen zu zwingen, in einer ausgewählten Richtung zu drehen. Andere Lösungen umfassen die Steuerung des Servomotors, um die Eingangswelle zu zwingen, nur an einer anderen Position als den zwei Bifurkationspositionen zu stoppen. Deshalb kann unsere Erfindung mithilfe von anderen unidirektionalen mechanischen Vorrichtungen oder Verfahren auch ohne die Verwendung der Magneten funktionieren.
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Es ist einleuchtend, dass die zwei horizontalen Bifurkationspositionen aufgrund der speziellen Anordnung der orthogonalen Oszillatoren in der Rotationsantriebswellenkupplung bei 0 und 180 Grad sind. Sie können auch abhängig davon, wie man die Kupplungsanordnung relativ zu ihrem Gehäuse dreht, an anderen Winkelpositionen sein.
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Um die Rotationsübertragung zusammenzufassen: ein außermittiger Stift 20 an einem Ende des Eingangsdrehschafts 22 startet zwei orthogonale Oszillationsbewegungen, eine ist die horizontale Oszillation des Oszillationswandlers 30 und die andere ist die vertikale Oszillation eines vertikalen Oszillators mit Flügel 64 und Schaft 62, der sich vertikal innerhalb linearer Lager/Buchsen 34 und 38 bewegt. Der Oszillationswandler 30 mit Schäften 70 und 72 bewegt sich horizontal innerhalb linearer Lager/Buchsen 52 und 54, die fest durch Platten 44 und 46 an der Innenseite des Gehäuses 12 angebracht sind. An der gegenüberliegenden Seite des Oszillationswandlers 30 ist ein zweiter vertikaler Oszillator mit Flügel 88 und Schaft 82, der sich vertikal innerhalb linearer Lager/Buchsen 32 und 36 bewegt und der mit dem Stift 18 der Ausgangswelle 16 in Eingriff steht, um die Ausgangswelle 16 zu zwingen, synchron mit der Eingangswelle 23 zu rotieren.
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Die Vorteile der vorliegenden Erfindung umfassen und zwar nicht abschließend, dass zum ersten Mal eine verbundene oder festgeklammerte Dichtung ermöglicht wird, während Rotationswellenbewegungen vom inneren eines umschlossenen Bereichs in seinen benachbarten Bereich übertragen werden. Anders als die magnetische Kopplung ist dies ein direktes eins zu eins Drehmomentübertragungsverhältnis ohne Verlust. Die Steuerung der Ausgangsrotationsgeschwindigkeit ist auch viel einfacher als bei der magnetischen Kopplung. Mit einer perfekten Dichtung und verbesserter Zuverlässigkeit kann man Anwendungen für diese neue Erfindung in vielen herausfordernden industriellen Umgebungen finden.
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Dieser Erfindung konzentriert sich auf die Konzepte der mechanischen Konstruktion und es ist kein Aufwand eine Miniaturisierung der Größe der Konstruktion vorzunehmen. Man kann sich leicht die Verwendung einer Antriebswellenkupplung zusammen mit irgendeiner anderen mechanischen Vorrichtung vorstellen, beispielsweise mit Getriebegehäusen, Ratschen, Kupplungen, usw. Bei Hochdruckanwendungen kann man Druckausgleichsflüssigkeiten in den Kammern an beiden Seiten der verbundenen oder festgeklammerten Dichtung verwenden, um starke Verformungen der Dichtung zu verhindern.
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In ihrer breitesten Ausführungsform ist die vorliegende Erfindung sowohl ein Verfahren als auch ein Apparat, um die Möglichkeit zur Herstellung einer perfekten Dichtung bereitzustellen, während gleichzeitig Rotationswellenbewegungen aus ihrem umschlossenen Raum in ihren angrenzenden Raum oder umgekehrt übertragen werden. Diese neue Erfindung und ihre Technologie haben das Potential, viele unserer Industrien, die momentan Flächendichtungen und magnetische Kupplungen in ihren Produkten verwenden, zu revolutionieren.
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Während die vorangehende schriftliche Beschreibung der Erfindung es einem normalen Fachmann ermöglicht, das, was momentan als deren beste Form betrachtet wird, herzustellen und zu benutzen, werden normale Fachleute die Existenz von Variationen, Kombinationen und äquivalenten Änderungen der spezifischen Ausführungsformen, Verfahren und Beispiele hierin erkennen und anerkennen. Die Erfindung soll deshalb nicht durch die oben beschriebenen Ausführungsformen, Verfahren und Beispiele beschränkt werden, sondern nur durch all die Ausführungsformen und Verfahren, die in den Umfang und Geist der Erfindung fallen.
