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Axialkolbenpumpe bzw. -motor Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenpumpe
bzw. -inotor mit Schrägscheibe und hin- und hergehenden, drehbaren Kolben, bei welcher
die Kolben stets an der Schrägscheibe anliegen und die Kolben an den der Schrägscheibe
zugekehrten Stirnseiten unter dem Winkel der Arbeitsfläche der Schrägscheibe abgeschrägt
sind und die Kolben durch die Drehung der Triebwelle angetrieben werden.
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Es sind bereits Pumpen bzw. Motoren bekannt, deren Kolben an ihrem
äußeren Kopfende im gleichen Winkel abgeschrägt sind wie die als Kegel ausgebildete
Schiefscheibe. Hierbei läßt sich nur eine sehr kleine Exzentrizität verwirklichen,
die einen sehr kleinen Hub der Kolben und ein geringes Hubvolumen bedingt. Als Ölmotor
ist die bekannte Anordnung infolge des kleinen Hubvolumens nicht geeignet, weil
sich aus dem Anstellwinkel auf der als Kegel ausgebildeten Schiefscheibe nur -geringe
Umfangskräfte ergeben, durch die ein Drehmoment nicht erzielt werden kann.
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Es ist weiter eine mit Dampf betriebene Kolbenmaschine bekannt, bei
der in den Kolben selbst drehbar gelagerte Köpfe vorgesehen sind, deren abgeschrägte
Stirnseite parallel zu einer Schiefscheibe liegt. Die Kolben müssen durch Druck
auf die Schiefscheibe aufgedrückt werden, der aber nur im Betriebszustand der Maschine
vorhanden ist. Die Kolben können daher vor Inbetriebnahme der Maschine ungeordnet
und wahllos im Raum stehen, und bei Einleitung von Dampf kann plötzlich ein Kolben
vorschießen, ohne daß der Schuh des Kolbens parallel zur Schiefscheibe liegt, wodurch
leicht Zerstörungen eintreten können.
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Weiter ist eine Kolbenpumpe mit gegenläufigen Kolben bekannt, die
durch einander symmetrisch gegenüberliegende Schiefscheiben angetrieben werden.
Die Parallelität des abgeschrägten äußeren Kolbenendes zur Planfläche der Schiefscheibe
hat hierbei den Zweck, Steuerungsaufgaben der Kolben durch Rotation zu erfüllen.
Eine zwangläufige Anlage der Kolben an der Schiefscheibe ist nicht gewährleistet.
Die Abstiitzung der Kolben durch Federn führt zu einem sehr großen Aufwand, weil
zwischen den Federn und den Kolben Elemente eingeschaltet werden müssen, die die
Rotation der Kolben ermöglichen, da .sonst der bindende Zusammenhang steuertechnisch
unterbrochen wird.
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Weiter ist es bekannt, die Bewegung von Kolben über Zahnräder durchzuführen
und den Kolben eine bestimmte Lage zu einer Taumelscheibe zu geben. Die Drehbewegung
der Kolben hat hierbei die Aufgabe, die Steuerschlitze und Bohrungen in eine bestimmte
rhythmische Abhängigkeit zu bringen, um die Wirkungsweise als Pumpe sicherzustellen.
Schließlich ist es bekannt, die beiden Kolbenenden eines Pumpenkolbens zwischen
zwei parallelen Schiefscheiben einzuspannen. Die Kraftübertragung erfolgt hierbei
durch kugel- oder kegelförmig abgedrehte Kolbenenden. Die Kraftübertragung mit der
örtlichen Flächenpressung ist hierbei sehr begrenzt, da nicht nur Abwälzbewegungen
eintreten, sondern während der Periode höchster Beanspruchung auch Rutschbewegungen,
die Zerstörungen verursachen können.
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Durch die Erfindung sollen die bekannten Mängel bei einer Axialkolbenpumpe
bzw. -motor vermieden werden und ein Zwanglauf der Kolben zur Parallelführung der
Stirnfläche mit der Schrägscheibe erreicht werden. Eine hydraulische oder pneumatische
Vorspannung soll vorgesehen werden, und der Radantrieb für die Drehbewegung aller
Kolben soll bewirken, daß alle Kolben stets vollständig parallel zur Schrägung der
Taumelscheibe stehen, wobei es gleichgültig ist, ob die Taumelscheibe feststeht
oder die Zylindertrommel als feststehendes Gehäuse ausgebildet ist. Die in den Zylinderräumen
zu ermöglichenden Drücke und Kolbenkräfte sollen infolge des satten Anliegens der
Kolben an der Schrägscheibe bedeutend gesteigert werden, so daß auf dem gleichen
Raum eine Maschine mit einem großen Drehmoment untergebracht werden kann. Die 1Kolbenköpfe
sollen hierbei ein sattes Anliegen an der Schrägscheibe in jeder Lage haben.
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Die Aufgabe nach der Erfindung wird dadurch gelöst, daß zwischen Welle
und Kolben Ritzel und ein Zahnkranz mit Innen- und Außenverzahnung derart eingeschaltet
ist; daß alle Kolben gleichzeitig in gleicher Drehrichtung mit der Welle beaufschlagt
werden und die Flächen an den stirnseitigen abgeschrägten
Enden
der Kolben stets parallel zur Schrägung der Schrägscheibe gehalten werden.
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Bei einer Axialkolbenpumpe- bzw. -motor mit mitumlaufendem Zylinderblock
ist vorgesehen, daß die Kolben an beiden Stirnseiten zueinander parallele Schrägflächen
besitzen und-beide Stirnseiten zwischen an sich bekannten Schrägscheiben mit zueinander
parallelen Schrägflächen eingespannt sind.
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Bei einer weiteren Axialkolbenpumpe bzw. -motor mit feststehendem
Zylinderblock sind im Gehäuse befestigte Kolbenführungsstangen vorgesehen, von denen
die Kolben mit einer zylindrischen Axialbohrung gleiten, mit einer durchgehenden
Zentralbohrung versehen sind, durch .die die Axialbohrungen aller Kolben mit einem
durch eine Druckduelle speisbaren Raum und untereinander ständig in Verbindung stehen.
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_ In der Zeichnung ist der--Erfindungsgegenstand in mehreren Ausführungsbeispielen
dargestellt; es zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt mit feststehender Schrägscheibe,
Fig. 2 einen Querschnitt-näch Linie II-II der Fig. 1, Fig. 3 einen Längsschnitt.
mit drehbarer Schrägscheibe, Fig. 4 eine andere Ausführungsform als Teilschnitt
und Fig. 5 die zugehörige Seitenansicht.
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. - Das Prinzip einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine mit feststehender-#3chrägscheibe
und drehender Zylindertrommel zeigt-Fig. 1. Durch die Bohrungen 1 in der feststehenden
"Zentralachse 2 gelangt die Druckflüssigkeit über die --Steuerschlitze 3 in der
Achse 2 und über die Schlitze 4 in die drehbare Steuerbuchse 5 sowie durch die Bohrungen
6 in der Zylindertrommel 7 zu den Zylinderräumen B. In diesen laufen die Kolben
9, welche an ihrem äußeren Ende eine Verzahnung 10 und eine abgeschrägte Stirnfläche
11 tragen können, mit der sie sich gegen die feststehende Schrägscheibe 12 abstützen.
Die Kolben 9 besitzen an ihrem inneren Ende Kolbenstangen 13, welche in den Führungen
14 die Zylindertrommel 7 durchstoßen. Die Stangen 13 besitzen an ihrem äußeren Ende
Abschrägungen 15, die sich gegen die rückwärtige feststehende Schrägscheibe 16 abstützen.
Die Arbeitsfläche 28 der Schrägscheibe 16 ist parallel der Arbeitsfläche 27 der
Schrägscheibe 12. Die Abschrägungen 15 und 11 der Kolben 9 sind auch parallel zueinander.
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Tritt durch die Bohrungen und Schlitze 1, 3, 4 und 6 Druckflüssigkeit
in die Zylinderräume 8 ein und tritt in bekannter Weise durch die Bohrung 6, Steuerschlitz
17, Bohrung 18 die Betriebsflüssigkeit in entspanntem Zustand wieder aus und ist
ferner die Aufteilung der Steuerschlitze -3 und 17 und der Bohrungen 1 und 18 in
bekannter Weise sinngemäß durchgeführt, dann üben die Kolben 9 über die Flächen
11 auf die Schrägscheibe 12 ein Drehmoment aus, welches rückwärts gerichtet die
Trommel 7 in Umdrehung versetzt (Reaktionswirkung). Dabei wird ein Drehmoment erzielt,
welches nur abhängig ist von dem Hubvolumen einer Umdrehung und dem Druckunterschied
zwischen Eintritt und Austritt in der Betriebsflüssigkeit sowie vom hydraulischen
und mechanischen Wirkungsgrad des Triebwerkes.
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Es kann ein Zahntrieb für die Drehungserzwingung an den Kolben9 vorgesehen
sein. Von der Zylindertrommel 7 werden zwei Zahnritzel 19 mitgenommen, die auf dem
feststehenden Zahnrad 20 abrollen, welche mit der Zentralachse 2 fest verbunden
ist. Die Zahnritzel 19 sind mittels der Achswellen 22 in der Zylindertrommel
7 gelagert. _Sieübertragen die Drehbewegung mit Richtungsumkehr auf den innen-
und außenverzahnten Zahnkranz 23, der sich gegen die Verzahnungen 10 sämtlicher
Kolben 9 abstützt und die Drehbewegung der Zahnritzel 19 in einem bestimmten Übersetzungsverhältnis
sinngemäß so auf die Verzahnungen 10 und damit die Kolben 9 überträgt, daß die abgeschrägten
Stirnflächen 11 der Kolben 9 stets voll an der Arbeitsfläche 27 der Schrägscheibe
12 anliegen.
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Die Zylindertrommel 7 ist mit der Welle 24 fest verbunden, die durch
die Schrägscheibe 12 hindurchführt und in dieser bzw. dem Hauptgehäuse 21 gelagert
ist. Die Schrägscheibe 12 ist mit dem Hauptgehäuse 21 fest verbunden. Die Zylindertrommel
7 kann mittels eines Lagers im Hauptgehäuse 21 zusätzlich gelagert werden. An sich
genügt die Lagerung mittels der Steuerbuchse 5 auf der Zentralachse 2 und die Lagerung
der mit der Zylindertrommel 7 fest verbundenen Welle 24 im Hauptgehäuse 21 über
die Buchse 25 sowie das Längslager 26. Das Hauptgehäuse hat den Zweck, die Schrägscheiben
12 und 16 sowie die Zentralachse 2 aufzunehmen und einen Ölfang für das Lecköl zu
bilden.
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In Fig. 3 ist eine Ausführungsform für eine feststehende Zylindertrommel
und eine drehbare Schrägscheibe 42 wiedergegeben. Durch die Bohrungen 31 der rotierenden
Zentralachse 32 gelangt die Druckflüssigkeit über die Bohrungen 33 der Achse 32
und über die Schlitze 34 in der feststehenden Steuerbuchse 35 sowie durch die Bohrungen
36 in dem Gehäuse 37 zu den Zylinderräumen 38. In diesen laufen die Kolben 39, welche
an ihrem äußeren Ende eine Verzahnung 40 und eine abgeschrägte Stirnfläche 41 tragen,
mit der sie sich gegen die drehbare Schrägscheibe 42 abstützen.
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Es kann vorgesehen werden, daß die Kolben 39 mit ihren Axialbohrungen
44 auf festen Kolbenführungsstangen gleiten. Die Stangen 43 sind mit ihrem rückwärtigen
Ende in dem Gehäuse 37 befestigt. Ihre Zentralbohrungen 46 sind mit dem durch eine
Druckquelle speisbaren Raum 47 im Gehäuse 45 verbunden. Auf diese Weise werden die
Bohrungen 44 aller Kolben 39 über die Bohrungen 46 der Kolbenführungsstangen 43
mit dem Raum 47 verbunden. Das Volumen dieser Bohrungen 44 und 46 ist bei einer
Umdrehung der Schrägscheibe 42 annähernd konstant. Dadurch wird bewirkt, daß die
einlaufenden Kolben 39 durch Verdrängung in den Bohrungen 44 die Bewegung der auslaufenden
Kolben erzwingen und so ständig ein Andrücken der Kolben 39 mit den abgeschrägten
Stirnflächen 41 an der drehbaren Schrägscheibe 42 verursachen. Durch die Bohrung
48 wird dem Raum 47 und den damit zusammenhängenden inneren Kolbenräumen eine gewisse
Druckflüssigkeitsmenge zugeführt, durch welche etwaige Leckverluste und die Schwankungen
des eingeschlossenen Volumens ausgeglichen werden. Je nnach Bedarf kann dieser Druck
mit zunehmender Geschwindigkeit und daher zunehmendem Beschleunigungsbedarf der
Kolben 39 bei der Bewegung aus der inneren Endlage gesteigert werden.
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In Fig.3 ist eine zweite Möglichkeit dargestellt, die Auslaufbewegung
der Kolben 39 zu erzwingen. Mit der Schrägscheibe 42 ist ein Ring 49 zwangläufig
verbunden, der in die Ausdrehungen 50 der Kolben 39 eingreift und den verstärkten
Kolbenkopf 51 von rückwärts erfaßt.
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Die Kolben 39 werden über die Verzahnungen 40 von dem Zahntrieb 52,
53, 54 in entsprechender Weise, wie für Fig. 1 beschrieben, mit gleicher Winkelgeschwindigkeit
angetrieben. Die Flächen 41 stehen
dann stets parallel zur Arbeitsfläche
55 der Schrägscheibe 42 und auch parallel zum Ring 49.
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Tritt durch die Bohrungen und Schlitze 31, 33, 34 und 36 Druckflüssigkeit
in die Zylinderräume 38 ein und tritt in bekannter Weise durch die Bohrung 56, Schlitz
57, Bohrung 58 die Betriebsflüssigkeit in entspanntem Zustand wieder aus und ist
ferner die Aufteilung der Bohrung 33 und Schlitz 57 und der Bohrungen 31 und 58
in bekannter Weise sinngemäß durchgeführt, dann üben die Kolben 39 über die Flächen
41 auf die Schrägscheibe 42 ein Drehmoment aus, welches die Schrägscheibe und damit
die Welle 59 in Umdrehung versetzt. Das dabei erzielte Drehmoment ist nur abhängig
vom Hubvolumen einer Umdrehung und dem Druckunterschied zwischen Eintrittszustand
und Austrittszustand der Betriebsflüssigkeit sowie vom hydraulischen und mechanischen
Wirkungsgrad des Triebwerkes. Wird die Welle 59 durch eine Energiequelle angetrieben,
so wird in den Zylinderräumen 38 Unterdruck erzeugt und je nach Führung der Leitungsanschlüsse
60 und 61 Flüssigkeit angesaugt oder verdrängt.
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Das durch Axialkolbenmaschinen verdrängte Hubvolumen ist dargestellt
durch das Produkt Kolbenzahl X Kolbenflächen X Kolbenhub. Bei den in Fig. 1 bis
3 dargestellten Ausführungsbeispielen mit Übertragung des Drehmomentes durch direkte
Berührung zwischen Kolbenkopf und Schrägscheibe wird auf die Laufbahn des Kolbens
eine mit zunehmendem Schrägungswinkel annähernd quadratisch zunehmende Normalkraft
übertragen. Die starke Zunahme resultiert aus der durch die Neigung hervorgerufenen,
mit dem Sinus des Neigungswinkels anwachsenden Komponente und der aus dem Sinus
des Neigungswinkels herrührenden Vergrößerung des Kolbenhubes und der damit verbundenen
Vergrößerung des Momentes.
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Um nun den Kolben 39 von Auflagedrücken und Momenten weitgehend zu
entlasten, wird der Kolben mit einem verstärkten Kopf 51 ausgeführt (Fig. 4). Dieser
verstärkte Kopf 51 läuft in Aussparungen 62 des Gehäuses 37. Er nimmt die Auflagedrücke
N in kreuzkopfähnlicher Wirkung auf und entlastet die Kolben 39 von Normaldrücken.
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Die auf der Schrägscheibe 42 mit Ring 49 aufgelagerte Stirnfläche
41, die - wie oben beschrieben -mit dem Innenraum des Zylinders zum Zwecke der Druckentlastung
in bekannter Weise verbunden sein kann, kann zum Zwecke vereinfachter Herstellung
und zum Zwecke der Abdichtung des gebildeten Druckraumes 63 beispielsweise mit einer
Kunststoffschicht 64 überzogen werden, die - vorzugsweise bei Verwendung von Mineralölen
als Druckflüssigkeit ölfest ist und so mit dem Kolbenkopf 51 verbunden wird, daß
sie den mechanischen Beanspruchungen gewachsen ist. Auf diese Weise wird auch bei
kleinen Verzahnungsfehlern eine schädliche Kantenpressung zwischen den Kopfflächen
des Kolbenkopfes 51 und der Schrägfläche 42 und Ring 49 unterbunden.