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Als Pumpe oder Motor verwendbare Axial- oder Radial-Kolbenmaschine
Die Erfindung betrifft eine als Pumpe oder Motor verwendbare Axial- oder Radial-Kolbenmaschine
mit gerader Kolbenzahl, deren Kolben mit einer Taume;lscheibe bzw. einem Exzenter
zusammenwirken und die paarweise in Längs- bzw. Querebenen angeordnet #:ind und
bei der die Steuerung des Mediums durch die -Maschinenwelle erfolgt. Ausgehend von
jenen vorbekannten als Pumpe oder Motor verwendbarcn Axial-oder Radial-Kolbenmaschinen,
deren Kolben von einer Taumelscheibe bzw. voii einem Exzenter betätigt werden, setzt
sich die Erfindung zum Ziel, bei diesen Maschinen eine Fliissigheitsförderung bzw.
Flüssigkeitsentnahme von möglichst weitgehender und vollständiger Gleichförmigkeit
zu erreichen und dabei dennoch mit einfach zu beherrschenden und die Herstellung
nicht erschwerenden Mitteln auszukommen.
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Bei der Verwirklichung dieser Erfindung wurde die Erkenntnis verwertet,
,daß innerhalb des sinusförmilgen Verlaufs der Flüssigkeitsförderung in Abhängigl:eit
von der Kolbenstellung das fast geradlinige Mittelstück der Kurve die Bedingung
.der Gleichförmigkeit am ehesten erfüllt und daß bei einer Be->chränkung der Nutzförderung
auf dieses Kurvenstück und bei entsprechender Vorschachtelung der N utzhühe der
einzelnen Kolben das Ziel der Gleichförmigkeit der Förderung bzw. Entnahme allein
durch Anordnung einiger weniger Kanäle und Steuerungsmittel erreicht werden kann.
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Es ist an sich schon bekannt, drei und mehr Kolben durch Kanäle untereinander
zu verbinden, jedoch war es hierb°i nicht möglich und nicht vorgesehen, die Fördermengen
des Nutzhubes eines Kolbens zu begrenzen und einen Teil des Hubes ohne Arbeitsleistung
einen mit umgekehrtem Druckvorzeichen arbeitenden anderen, mit diesem paarweise
zusammengehörigen Kolben während der entsprechenden Phase als Nichtnutzliuli zuzuführen.
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Es ist deshalb gemäß der Erfindung vorgesehen, daß zur Erreichung
der Glei.ehförmigkeit der Flüssigkeitsförderung bzw. -entrahme in der Maschinenwelle
Querbohrungen sowie über einen Teil des Umfangs der Maschinenwelle angeordnete Ringnuten
vorgesehen sind, durch die die Zylinder der paarweise gegenüberliegend angeordneten
und im Gegentakt arbeitenden Kolben im wesentlichen während des ersten und letzten
Viertels des Gesamthubes der Kolben kurzgeschlossen werden.
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Durch diese mit der Erfindung erreichte Abgabe der Fördermenge des
Nichtnutzhubes an einen paarweise zugeordneten und im gleichen Augenblick mit umgekehrtem
Druckvorzeichen arbeitenden anderen Kolben wird neben der besonders guten Gleichförmigkeit
auch eine hohe Wirtschaftlichkeit der Maschine erzielt. Besonders günstig läßt sich
die Erfindung verwirklichen, wenn bei acht Kolben die sich zur Hälfte überdeckenden
Nutzhübe je 90° ausmachen, so @daß für die beiden Nichtnutzhiibe je 45° des Gesamthubes
von 180° verbleiben.
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Hierdurch gleichen sich die durch den Sinusverlauf der Kolbenwegkurven
bedingten Abweichungen der Förderleistung (Ausbauchungen) von der Geraden bei zwei
benachbarten Kolben aus.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele für den Gegenstand der
Erfindung dargestellt. Darin zeigt Fig.1 einen Längsschnitt durch eine Vielkolbenpumpe
(1)zw. -motor) mit doppeltwirkenden Taumelscheiben, wobei die Kolben in Gegenkolbenanordnung
vorgesehen sind, Fig.2 einen Querschnitt durch eine mit radialem Querexzenter arbeitende
Achtkolbenpumpe (bzw. -motor) , Fig. 3 eine. Ansicht eines Teils .der Welle 31,
Fig.4 eine schematische Darstellung der Wegkurven der verschiedenen Kolben.
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Wenn im folgenden von einer Pumpe, einem Pumpenkörper oder Pumpenteilen
gesprochen wird, so soll dies jeweils auch in gleicher Weise den Fall umfassen,
daß das ganze Aggregat als Motor ausgebildet und betrieben wird.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist mit 10 ein Pumpenkörper
bezeichnet, in dessen zentraler Bohrung 101 der verdickte Teil 111 einer Welle 11
umläuft. Diese Welle 11 trägt an ihren. beiderseitigen Zapfen 112 und 113 Taumetscheiben
13 und 14, die mit ihren Naben 131 bzw. 141 auf den Wellenzapfen 112 und 113 verkeilt
sind. Diese Taumelscheiben tragen in üblicher Weise Axialkugellager 15 und 16.
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Die Zapfen 112 und 113 sind an ihren äußersten Enden
über Radiaxlager 17 und 18 in Lagerschildern 19 und 20 gelagert, .die stirnseitig
gegen die beiden Seiten des Pumpenkörpers 10 gespannt sind. In konzentrisch
angeordneten
Bohrungen 102 des Pumpengehäuses 10 sind je zwei Kolben 21 in Achsrichtung verschiebbar.
Jeweils beide Kolben 21 der gleichen Bohrung werden durch eine zwischen ihnen eingeschaltete
Druckfeder 22, die mit ihren Enden in entsprechenden Sackbohrungen der Kalben 21
stecken, auseinandergedrängt, und zwar so weit, bis sie an den Stirnringen der Kugellager
15 und 16 der beiden Taumelscheiben 13 und 14 anliegen. Im verdickten Teil 111 und
im einen Wellenzapfen 113 .der Welle il sind mindestens zwei ausmittig angebrachte
Längskanäle 114 und 115 untergebracht. Über einen Ringkanal 116 und abgedichtete
stopfbüchsenartige Ringe 23 steht der Kanal 115 mit einem Förderkanal 201
im Lagerschild 20 in Verbindung, wie auch immer die Winkelstellung der Welle 11
zum Lagerschild 20 sei. In ähnlicher Weise steht der Kanal 114 über eine Ringnut
117 der Welle 11 mit einem Saugkanal 202 im Lagerschild in Verbindung._ Die inneren
Enden der Längskanäle 114 und 115 münden in radialen Onerkanälen 118 und 119, deren
erweiterter Auslaß auf :dem Umfang des Wellenteils 111 ein Bogenstück einnimmt,
das der noch näher .zu beschreibenden Arbeitsweise der Pumpe (Nutzhub) entspricht.
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Außerdem sind im Weldenteil111 Querbohrungen 111d vorgesehen, die
in am Umfang liegenden Erweiterungen 111b ausmünden, wobei auch diese Erweiterungen
einen Bogenbereich erfassen, der der Arbeitsweise der Pumpe entspricht: Im Pumpenkörper
10 sind Kanäle 103 und 104 erkennbar, die von der Längsmitte der die Kolben 21 führenden
Bohrungen 102 ausgehen und einerseits als Steuerkanal 103, 104 im Bereich
der Querbohrungen 118, 119 in die Bohrung 101 und andererseits über Zweigkanäle
105 im Bereich der Querbohrung 111 a ebenfalls in die Bohrung 101 einmünden. Für,den
Antrieb der Pumpe ist im Stirnende112 eine zentrische Bohrung 112a zur Aufnahme
und zum Verkeilen des Antriebswellenstummels vorgesehen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.2 ist der Schnitt -durch eine
Erweiterung 301 des Pumpenkörpers gelegt, der in dem darunterliegenden engeren Teil
301b und im entsprechenden oberliegenden engeren Teil die Hauptwelle 31 lagert,
wobei der geschnittene Teil 301 mit den erwähnten Lagerungsteilen für die
Welle 31 aus einem einzigen, z. B. gegossenen Körper besteht.
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Im Pumpenkörper 301 sind acht radiale Sackbob rungen 302, in :denen
je ein Kolben 41 längsgeführt und durch eine Schraubenfeder 42 in Richtung gegen
die Drehachse hin gedrängt ist. Diese Kolben kommen auf den Umfang einer Exzenterscheibeanzuliegen.
Diese Scheibe 34 ist an der Welle 31 im Bereich der Pumpenerweiterung 301 vorgesehen
und läuft in dem erweiterten Raum301a um. Zur Vermeidung einer Reibung an den Kuppen
der Kolben 41 ist über Wälzkörper (Nadeln 14) auf dem Exzenter 34 ein Ring 15 gelagert,
der die Exzenterbewegungen, aber nicht die Drehung mitmacht.
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Aus der Zeichnung ist zu ersehen, .daß die die Kolben 41 führenden
Zylinder 302 über Kanäle 303 mit dem die Welle lagernden Teil 301b (s. Fig. 3) das
Pumpenkörpers verbunden sind. Sie münden über Zweigkanäle 304 und 305 in die Lagerfläche
für die Welle 31. Die Zweigkanäle 304 korrespondieren dabei mit Umfangsaussparungen
318 und 319, die im dargestellten Beispiel 90° des Umfangs der Welle 31 ausmachen.
Die Zweigkanäle 305 münden an solcher Stelle in die Lagerfläche der Welle 31, daß
sie mit anderen Umfangsaussparungen 311b korrespondieren, von denen im gezeichneten
Beispiel zwei diametral gegenüberliegen und um 90° zu den Aussparungen 318 und 319
versetzt erkennbar sind. Dabei sind diese Aussparungen 311b, welche nicht ganz 90°
des Umfangs abdecken, untereinander durch eine Querbohrung 311a verbunden.
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Bei dem Onerschnitt durch die Welle 31 ist zu erkennen, daß sie zwei
Kanalpaare 315 und 316 enthalten, wobei die zu einem Paar gehörenden Kanäle mit
den Ausschnitten 318 bzw. 319 und somit untereinander in Verbindung stehen. Diese
Kanäle führen zum Stirnende der Welle und sind dann in einer dem oberen Teil der
Fig. 1 entsprechenden Weise mit Förder-und Saugleitung der Pumpe verbunden.
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In der Zeichnung sind die Kolben 41 noch zusätzlich mit Unterbezeichnungen
(/1 bis /8) versehen. Für jeden Kolben 41/1 bis 41/8 sind :die Kolbenwege in Abhängigkeit
vom Drehwinkel des Exzenters 34 in Fig. 4 eingezeichnet. Hierbei ist zu erkennen,
daß diese Wage sich überschneiden. Verfolgt man z. B. die Wegkurve 41/4 in Fig.
4, so ergibt sich, daß der Kolben bei der Stellung 0, die der untersten Totpunktlage
(0°) des Exzenters 34 in Fig. 2 entsprechen soll, seine unterste Totpunktstellungeinnimmt,
wie dies auch aus Fig. 2 hervorgeht. Bei einer Verdrehung um 45° in PfeilrichtungA
(Fig. 2) legt der Kolben :den Ansaugweg von der 0-Linie bis zur Linie a in Fig.
4 zurück. Im Gegensatz zu den üblichen Pumpen saugt der so bewegte Kolben diesen
Teil des Ansaugvolumens nicht aus dem allgemeinen Ölvorrat, sondern über die Kanäle303,
305 sowie über die Ausschnitte 311 b und den Querkanal 311 a aus dem
Zylinder des diametral gegenüberliegenden Kolbens 41/8, der bei dieser Winkeldrehung
um den entsprechenden Betrag nach außen zurückgeht. Der- Kolben 8 hat sich :dabei
gemäß dem Schaubild in Fig. 4 von der Linie c bis zur Linie b bewegt. Das vom Kolben
41/4 während dieser Zeit benötigte Ölvolumen entspricht gerade,dem während dieser
Zeit beim Kolben 41/8 überflüssig werdenden Ölvolumen. Durch entsprechende Gestaltung
der Aussparungen 311 cc und 311 b und der Enden der Kanäle 305 ist während
dieses beschriebenen Weges der Kolben 41/4 und 41/8 gewährleistet, daß die Verbindung
der zugehörigen Sackbohrungen 302 mit dem allgemeinen Ölreservoir und mit der eigentlichen
Förderleitung des Öls unterbrochen ist.
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Erst wenn die Exzenterscheibe nach einem 45°-Weg den Kolben in eine
der Stellung des Kolbens 41/5 entsprechende Stellung freigegeben hat und er sich
somit über die Linie a hinauserhoben hat, ist er mit der Förderleitung verbunden
und leistet Nutzarbeit. Von nun an saugt der Kolben 41/4 über die Kanäle 304 und
303 aus .den Kanälen 315 über den Ausschnitt 319 Öl aus dem Ölvorrat an, und zwar
entsprechend dem flachen Verlauf der Sinuskurve bis zum Erreichen der Linie b in
Fig. 4 (Stellung entsprechend Kolben 41/7). Während dieser Zeit ;gibt nach genau
dem gleichen Gesetz in umgekehrter Richtung der Kolben 41/8 das diesem Förderweg
von der Linie b bis a (90°) entsprechende Ölvolumen über die Kanäle 303,
304 sowie den Ausschnitt 318 an die Druckkanäle 316 ab. Im letzten Rest des Weges
des Kolbens 41/4 (von b
nach c) entsprechend einer Verschiebung aus der Stellung
des Kolbens 41/7 in diejenige des Kolbens 41/8 ist die Verbindung zur Saugleitung
315 und Druckleitung 316 wieder zugesteuert, und von diesem Augenblick erhält der
Kolben 41/4 seine Restfüllung von dem ihm gegenüberliegenden und von der Stellung
a nach 0 laufenden Kolben 41/8.
Bei dieser Kolbenanordnung ist also
erreicht, daß einerseits die Kolben nur auf einem mittleren Arbeitsbereich (im Beispiel
90° zwischen a und b) ihres Hubes arbeiten und daß diese mittleren Arbeitsbereiche
aufeinanderfolgender Kolben sich je zur Hälfte überdecken. Dies ergibt eine ausgezeichnete
Vergleichmäßigung der Fördermenge. Andererseits wird dies Ziel aber bei der erwähnten
Kanalanordnung auch in besonders wirtschaftlicher Weise erreicht, indem immer ein
drückender Kolben während seines Nichtarbeitshubes die überschüssige Restölmenge
an einen gerade eine solche Restmenge benötigenden, saugenden Kolben während dessen
Nichtarboitshub abgibt. Diese letzterwähnte Maßnahme ist besonders wichtig beim
Arbeiten des Aggregates als Motor, weil nämlich bei einem Motor diese Leerhubbereiche
zwischen b und c einerseits und 0 und a andererseits andernfalls mit Drucköl ausgeglichen
werden müßten, was zu einer nicht unwesentlichen Herabsetzung des Wirkungsgrades
des Motors führen würde.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist die Arbeitsweise genau entsprechend
der oben geschilderten. Auch hier arbeiten immer zwei diametral gegenüberliegende
Kolbenpaare 21 in der Weise miteinander, daß sie während des Leerhubhereiches an
den beiden Enden des Hubes einander die überschüssige bzw. benötigte Ölmenge zuschieben.
Die einander in Fig. 1 und 2 entsprechenden Kanäle führen hinsichtlich der letzten
beiden Stellen gleiche Bezugsziffern (105 entspricht z. B. 305).
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In beiden Ausführungsbeispielen, auf die jeweils das Schema der Fig.
4 gleichermaßen anwendbar ist, werden die kleinen Abweichungen der Sinuslinie von
der gestrichelten konstanten Steigungslinie zwischen a und b auch
noch dadurch zum .größten Teil ausgeglichen, daß die Bäuche zweier benachbarter
Kolbenwege im selben Winkeldrehbereich umgekehrt zueinander liegen. Während also
beim Durchlaufen des Winkels von 45 bis 90° beim Kolben 41/4 die Ausbauchung der
Sinuslinie gegenüber der geradlinigen konstanten Steigung nach unten durchhängt,
ist sie beim benachbarten Kolben 413 genau fest entsprechend nach oben gewölbt.
In der unteren Hälfte der Fig. 4 ist dies, auf eine waagerechte gerade Linie bezogen,
noch deutlicher dargestellt. Immer wird jeweils ein negativer Kurvenbauch kompensiert
durch einen positiven Kurvenbauch. Dies wird dadurch erreicht, daß die mittleren
Arbeitsbereiche (z. B. zwischen a. und b) bei aufeinanderfolgenden Kolben sich jeweils
zur Hälfte überdecken.
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Die vorbeschriebene Steuerung erzielt unter Verweildung von Steuerkanälen
und -kanten mit geringstem Abstand die gewünschte Wirkung der gleichförmigen Förder-
und Entnahmegeschwindigkeit (Pumpe, Motor). Lösungen dieser Aufgabe mit an sich
auch denkbaren Ventilen würden zufolge der Verzögerung der Abschluß- und Öffnungszeiten
der Ventile Unterbrechungen und Veränderungen dieser Gleichförmigkeit bringen. Dazu
würde durch die Notwendigkeit zusätzlicher Steuer- und Betätigungselemente eine
unerwünschte Erhöhung der Störanfälligkeit treten.