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Durch das Arbeitsmittel berührungsfrei geführter Kolben für Hubkolbenmaschinen
Die Erfindung betrifft einen durch das Arbeitsmittel berührungsfrei geführten Kolben
für Hubkolbenmaschinen, der an seinem Mantel mindestens drei symmetrisch angeordnete
Zentrierräume aufweist, die mit dem Arbeitsraum durch Strömungswege für das Arbeitsmittel
verbunden sind, wobei sich in den Strömungswegen jeweils eine Einrichtung befindet,
die einem Druckabbau in den Zentrierräumen durch die Strömungswege entgegenarbeitet.
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Für einfach wirkende Kolbenmaschinen ist ein derartiger Kolben bekanntgeworden,
bei dem in den Strömungswegen vom Arbeitsraum zu den Zentrierräumen jeweils eine
Drosselstelle vorgesehen ist. Solange sich so ein Kolben in koaxialer Lage zur Zylinderbohrung
befindet, herrscht in allen Zentrierräumen ein gleich hoher Druck, der abhängig
ist vom Druck des Arbeitsmittels im Hubraum, vom Ausmaß der Drosselung in den Strömungswegen,
vom Hubraum zu den Zentrierräumen und vom Spalt zwischen den die Zentrierräume umgebenden
Teilen des Kolbenmantels und der Zylinderbohrung. Wird durch irgendwelche auf den
Kolben einwirkende Normalkräfte der Kolben aus der koaxialen Lage zur Zylinderbohrung
gebracht, dann verkleinert sich auf der einen Seite der Spalt zwischen dem Kolbenmantel
und der Zylinderbohrung, während dieser auf der gegenüberliegenden Seite um denselben
Wert größer wird. Damit tritt in den Zentrierräumen, die von dem verkleinerten Spalt
umgeben sind, eine Verzögerung des Druckabbaus ein, während in den Zentrierräumen,
die vom vergrößerten Spalt umgeben sind, eine Beschleunigung des Druckabbaus eintritt.
Dies führt zu einer Druckdifferenz, aus der eine entgegen der Normalkraft wirkende,
den Kolben in seine zentrierte Lage zurückbringende Kraft entsteht. Durch den Umstand,
daß bei einfach wirkenden Kolbenmaschinen das Arbeitsmittel im Arbeitsraum großen
Druckschwankungen unterworfen ist, kann jedoch nicht immer eine nach Größe und Wirkungsdauer
ausreichende zentrierende Kraft erzeugt werden, so daß ein unter allen Umständen
berührungsfreier Lauf des Kolbens in dem Zylinder nicht gewährleistet ist. Die bereits
erwähnten Drosselstellen in den Strömungswegen vom Arbeitsraum zu den Zentrierräumen
sollen zur Vergrößerung der Wirkungsdauer des in die Zentrierräume eingeströmten
Arbeitsmittels, also zur Verzögerung des Druckabbaus dienen. Dabei ist der Druckabbau
abhängig von der durch den Spalt zwischen dem Kolbenmantel und der Zylinderbohrung
ausströmenden Arbeitsmittelmenge und der beim Absinken des Arbeitsraumdruckes aus
den Zentrierräumen durch die Strömungswege in den Arbeitsraum zurückströmenden Arbeitsmittelmenge.
Drosselstellen in den Strömungswegen können ein Zurückströmen von Arbeitsmittel
aus den Zentrierräumen nicht verhindern, zumal eine allzu große strömungshemmende
Wirkung sich auch auf den Druckaufbau in den Zentrierräumen zu den Zeiten des Arbeitsablaufs,
in denen im Arbeitsraum ein gegenüber den Zentrierräumen höherer Druck herrscht,
nachteilig auswirken muß. Für die angestrebte berührungsfreie Führung des Kolbens
haben diese Drosselstellen den Nachteil, daß bei höherem Druck im Arbeitsraum die
Zuführung von Arbeitsmittel zu den Zentrierräumen behindert ist und bei geringerem
Druck im Arbeitsraum Arbeitsmittel durch Zurückströmen aus den Zentrierräumen verlorengeht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die berührungsfreie Führung
eines Kolbens zu verbessern, indem das Arbeitsmittel schneller und ungehinderter
den Zentrierräumen zugeführt und seine Wirkungsdauer in diesen vergrößert wird.
Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß in den Strömungswegen Rückschlagventile
vorgesehen sind, die eine Strömung vom Arbeitsraum zu den Zentrierräumen zulassen,
jedoch eine entgegengesetzte Strömung verhindern. Die Anordnung eines Rückschlagventils
in einem Kolben ist zwar an sich bekannt, jedoch sollen dabei elastische Kolbenringe
durch einen mittels des Rückschlagventils aufzubauenden und zu haltenden Druck in
ihre Ringnuten dichtend herangepreßt werden. Diese Anordnung kann zur Zentrierung
eines berührungsfrei laufenden Kolbens, an dem keine Dichtungselemente, wie Kolbenringe
od. dgl., vorgesehen sein sollen, nicht dienen. Die erfindungsgemäße Anordnung bringt
nicht nur eine Verbesserung bei einfach wirkenden Kolbenmaschinen, sondern
ermöglicht
darüber hinaus auch die Anwendung eines durch das Arbeitsmittel berührungsfrei geführten
Kolbens auf doppeltwirkende Kolbenmaschinen, wobei beide Arbeitsräume durch mit
Rückschlagventilen versehene Strömungswege mit den Zentrierräumen verbunden sind.
Die Wirksamkeit der Druckkräfte in den Zentnerräumen über den gesamten Zeitraum
eines Arbeitsspieles kann in vorteilhafter Weise dadurch erhöht werden, daß zusätzlich
zu den Rückschlagventilen zwischen diesen und den Zentrierräumen Druckspeicherräume
in die Strömungswege eingeschaltet sind, welche über Drosselstellen in die Zentrierräume
münden. Zur besseren Beherrschung der veranlaßten Vorgänge und insbesondere für
Kolben in doppeltwirkenden Maschinen ist es vorteilhaft, wenn die Zentrierräume
zumindest teilweise von Entlastungskanälen umgeben sind. Diese Entlastungskanäle
sind dann vorzugsweise über eine Sammelleitung und über als Rückschlagventil arbeitende
Absperrorgane mit den Hubräumen in Verbindung stehend. Insbesondere bei Kolben für
doppeltwirkende Maschinen ist es sinnvoll, am Kolbenmantel in axialem Abstand voneinander
mehrere Entlastungskanäle hintereinander anzuordnen, wobei zwischen je zwei Entlastungskanälen
sich eine Gruppe von Zentrierräumen befindet.
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Zur näheren Erläuterung des Erfindungsgegenstandes sollen die in den
Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele dienen. Dabei sind gleiche oder sich
entsprechende Teile in allen Figuren mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
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F i g. 1 stellt den auszugsweisen Schnitt durch den Zylinder 1 einer
doppeltwirkenden Kolbenmaschine dar, in dem ein durch das Arbeitsmittel berührungsfrei
geführter Kolben 2 hin- und herbeweglich ist. In den beiden Stirnflächen 3, 4 des
Kolbens sind Rückschlagventile 5, 6 . . . vorgesehen, von denen Strömungswege mit
Drosselstellen 7, 8 ... in am Kolbenmantel angeordnete Zentnerräume
9, 10, 11 ... führen. Der Kolben 2 ist mit einem allseitig gleich großen
Kolbenspiel 12 in den Zylinder 1 eingezeichnet. Während des Betriebes der Maschine
geht der Kolben hin und her, wodurch jeweils einer der Hubräume 13, 14 verkleinert
wird, so daß das in ihm verarbeitete Mittel auf höheren Druck gebracht wird. Durch
diesen höheren Druck strömt das zur Führung des Kolbens 2 erforderliche Mittel durch
die Rückschlagventile und die Strömungswege mit der Drosselstelle in die Zentrierräume
9, 10, 11... und baut dort, da die Abströmung durch die Spalte, die durch
das Kolbenspiel bestimmt und zwischen dem Kolbenmantel 15 und der Zylinderlaufbahn
16 vorhanden sind, kleiner sind als die Zuströmquerschnitte einen dem Druck im Hubraum
entsprechenden und den Kolben 2 allseitig belastenden, d. h. zentrierenden Druck
auf. Solange die Zuström- und Abströmquerschnitte jede für sich gleich groß sind,
müssen die Drücke in den um den Kolbenmantel angeordneten Zentrierräumen gleich
hoch sein, und da die Flächen gleich groß sind, auf die der Druck einwirken kann,
sind auch die durch den Druck erzeugten Kräfte, deren Resultierende in jedem Zentrierraum
radial gerichtet ist, gleich groß und heben sich gegenseitig auf. Der Kolben läuft
für den Fall, daß diese zentrierenden Kräfte wirksam sind und keine den Kolben aus
der zentrierten Lage bringenden, sogenannten Normalkräfte vorhanden sind, berührungsfrei
im Zylinder 1. Durch die eingebauten Rückschlagventile 5, 6 ... bleibt der
Druck in den Zentnerräumen 9, 10, 11 ... länger erhalten als im Hubraum 13
oder 14, so daß auch in den Zeiten, während denen in den Hubräumen 13 oder
14 kein höherer Druck erzeugt ist, noch genügend Druck in den Zentrierräumen
9, 10, 11 ... vorhanden ist, um zentrierende Kräfte zu erzeugen. Kommt der
Kolben 2 durch irgendeine einwirkende Normalkraft aus seiner zentrierten Stellung,
so verändert sich der Spalt 12 zwischen dem Kolbenmantel 15 und der Zylinderwandung
16, so daß dieser in Richtung der wirkenden Kraft kleiner wird, während er auf der
anderen Seite sich gleichzeitig um denselben Betrag vergrößert. Durch diesen vergrößerten
Spalt kann nunmehr der in den dort liegenden Zentrierräumen befindliche Druck rasch
entweichen, während er sich auf der anderen Seite zumindest im verringerten Umfang
abbaut, unter Umständen, d. h. für den Fall des aufbauenden Druckes im Hubraum,
sich noch vergrößert. Durch diese Druckunterschiede entstehen unterschiedliche Radialkräfte
auf den Kolben 2, die der Normalkraft entgegenwirken und diese überwindend den Kolben
2 wieder in seine zentrierte Lage zurückführen.
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F i g. 2 zeigt den Längsschnitt durch einen Zylinder 21 mit einem
Kolben 22 für doppeltwirkende Maschinen. Der Kolben 22 ist aus einem Grundkörper,
der auch die vordere Stirnfläche 23 bildet, den ringförmigen Mantelteilen 24 und
25 und dem ringförmigen, die hintere Stirnfläche 26 bildenden Bodenteil 27 zusammengesetzt,
wobei letzterer durch die angedeutete Schraubverbindung 28 mit dem Grundkörper verbunden
ist. Auch bei dieser Ausführung befinden sich in den Stirnflächen 23 bzw. 26 je
eine Anzahl von Rückschlagventilen 5 bzw. 6. Zwischen dem die Kolbenstange 29 umschließenden
Grundkörper des Kolbens und den ringförmigen Mantelteilen 24, 25 und dem Bodenteil
27 befindet sich ein ringförmiger Druckspeicherraum 30, der über die Rückschlagventile
5 bzw. 6 mit den Hubräumen 13 bzw. 14 in Verbindung steht. Von dem
Druckspeicherraum 30 führen radiale Bohrungen 31 und Ringkanäle 32 zu den Drosselspalten
33, 34 und 35, die an der äußeren Mantelfläche 36 des Kolbens 22 münden.
Zwischen den Drosselspalten 33-34 und 34-35 befinden sich Entlastungskanäle
37 und 38 in Form von um die Mantelfläche 36 geführten Ringnuten. Von diesen Ringnuten
führen radiale Bohrungen 39, 40 zu einer Sammelleitung 41, die über
die Rückschlagventile 42 und 43 mit den Hubräumen 13
bzw.
14 in Verbindung steht.
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Ist der Druck in einem der Hubräume 13 bzw. 14
größer
als im Druckspeicherraum 30, strömt durch das betreffende Rückschlagventil 5 oder
6 Arbeitsmittel in den Druckspeicherraum 30 und verteilt sich von dort auf die Drosselspalte
33, 34 und 35, durch die eine je nach Bemessung dieser Drosselspalte
festgelegte Menge des Arbeitsmittels strömen kann. Im Spalt zwischen Kolbenmantelfläche
36 und Zylinderfläche 21 baut sich nun von den Drosselspalten 33, 34 und 35 ausgehend
je ein Polster von führendem Mittel auf, dessen Druck gegen die Entlastungskanäle
37 und 38 und gegen das jeweilige Stirnende des Kolbens, das den entspannten Hubraum
begrenzt, abnehmend ist. Aus den Entlastungskanälen 37, 38 kann das Mittel dann
ungehindert durch Radialkanäle 39, 40 und die Sammelleitung 41 über
Rückschlagventile 42 oder 43 in den entlasteten Hubraum
13
oder 14 überströmen. Je kleiner der Spalt zwischen Kolbenmantelfläche 36 und Zylinderlaufbahn
21 ist, um so größer kann der Druck des Druckpolsters sein. Dadurch entsteht eine
den Kolben 22 in der Zylinderlaufbahn 21 zentrierende Kraft, die geeignet ist, die
auf den Kolben einwirkenden Normalkräfte zu überwinden- und dadurch diesen während
seiner Hin- und Herbewegung berührungsfrei in der Zylinderlaufbahn zu führen.
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Um den Kolbenkörper ohne jede Berührung an der Zylinderwand zu führen
und um eventuelle folgenschwere Nachteile einer halbtrockenen oder trockenen Reibung
auszuschalten, ist eine exakte Dimensionierung der Drosselstellen in Abhängigkeit
von ihrer Anzahl, vom zur Verfügung stehenden Druck des Arbeitsmittels bzw. des
führenden Mittels und in Abhängigkeit von der Größe der Zentrierräume und dem Spiel
zwischen Kolbenmantel und Zylinderlaufbahn erforderlich. Als Arbeitsmittel kommen
alle Flüssigkeiten und Gase in Betracht.