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Arbeitsschieber für Drehkolbenmaschinen Die Erfindung bezieht sich
auf Arbeitsschieber für Drehkolbenmaschinen, welche vor allem für hohe Drücke geeignet
sind und z. B. als Flüssigkeits-, Luft-, Gas- und Dampfpumpe oder Flüssigkeits-,
Luft-, Gas- und Dampfmotor sowie als Verbrennungsmotor oder Flüssigkeitsgetriebe
arbeiten können, die in etwa radialen Schlitzen des Rotors und der Rotorseitenwände
radial hin- und hergleitend gelagert sind und mittels schwenkbar in ihnen gelagerter
Gleitkufen abdichtend an der radial inneren Fläche des Kapselringes anliegen.
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Durch die Verlängerung der Arbeitsschieber axial über die Arbeitsräume
hinaus und ihre Lagerung in Schlitzen der die Arbeitsräume axial begrenzenden Rotorseitenwände
wird einem Kippen der Arbeitsschieber und der Reibung derselben in den Schlitzen
wirksam entgegengearbeitet.
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Es sind Arbeitsschieber bekannt, die mit Bohrungen zur Zuleitung von
Drucköl zu den Laufflächen und zur Schmierung derselben versehen sind. Ein Druckausgleich
ist hierdurch praktisch nicht erzielbar, da die Bohrungen mit nur engen öffnungen
unmittelbar an der Lauffläche ausmünden und die Laufflächen der Arbeitsschieber
bei zum Kapselring exzentrischem Umlauf im wesentlichen nur Linienberührung mit
der Innenfläche des Kapselringes haben.
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Es ist des weiteren bekannt, die Gleitflächen aufeinandergleitender
Teile einer Maschine dadurch in einem bestimmten Abstand voneinander zu halten und
dadurch die Reibung zu verkleinern, daß man in einer dieser Gleitflächen eine Druckkammer
ausspart, die über eine Drosselöffnung mit einem flüssigen oder gasförmigen Medium
gespeist wird. Beispielsweise wurden solche mit Druckkammer zusammenwirkenden Gleitflächen
zwischen einem schwenkbar gelagerten, einem Zylinderraum gegenüberliegenden Kolbenkopf
einer sternförmigen Kolbenmaschine und einer hierzu exzentrischen, den Kolben steuernden
Ringfläche vorgesehen.
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Es sind ferner Drehkolbenmaschinen bekannt, deren Arbeitsschieber
mit Gleitkufen arbeiten, welche auf ihren Lager- und Gleitflächen mit Längs-und
Quernuten versehen sind, um dem Druckmedium aus einer benachbarten Kammer einen
Zutritt zu gewähren und eine Dichtwirkung auf die Kufe auszuüben. Alle diese bekannten
Konstruktionen sind jedoch nur für begrenzte Drücke geeignet und arbeiten meist
noch mit wesentlichen Reibungskräften zwischen Gleitkufe und Kapselring.
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Aufgabe der Erfindung ist vor allem eine Verringerung der Reibungskräfte,
die durch Zentrifugalwirkung und Mediumdruckkräfte erzeugt werden. Demgemäß besteht
die Erfindung darin, daß die Gleitkufen in an sich bekannter Weise auf ihrer dem
Kapselring zugekehrten Außenfläche Druckausgleichräume aufweisen und die Druckausgleichräume
in axialer Richtung mit Räumen oderKanälen innerhalb der Rotorseitenwände für die
Zuleitung von Druckmittel verbunden sind. Hierbei sind die Druckausgleichräume in
den Gleitkufen durch Längskanäle an den radialen Außenseiten der Gleitkufen bzw.
der axialen Verlängerungen der Arbeitsschieber mit den Schlitzen in den Rotorseitenwänden
verbunden.
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Hierdurch ist auf verhältnismäßig einfache Weise ein radialer Druckausgleich
an den Arbeitsschiebern (Flügeln) erzielbar, und zwar mittels eines vom Druck in
den Arbeitsräumen unabhängigen, z. B. ständig gleichbleibenden Druckes, der gegebenenfalls
auch auf die inneren Enden der Arbeitsschieber wirkt, was - abgesehen davon, daß
eine solche Anordnung die Maschine für besonders hohe Arbeitsdrücke geeignet macht
- für einen ruhigen Lauf der Maschine von Vorteil ist. Für den Druckausgleich kann
ein Druckmittel verwendet werden, welches die Arbeitsschieber außerhalb der Arbeitsräume
und innerhalb der Rotorseitenwände radial innerhalb und außerhalb sowie an den axialen
Enden der Arbeitsschieberverlängerungen umspült. Besondere Bohrungen, Längs- und
Quernuten sowie Leitungen innerhalb der Arbeitsschieber, die diese in unerwünschter
Weise
schwächen, sowie Leitungsverbindungen zwischen dem Arbeitsschieber und der in ihm
schwenkbar gelagerten Gleitkufe können gleichzeitig vermieden werden.
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Es kann demgemäß eine besonders stabile Bauart erzielt werden, die
gleichzeitig den Anforderungen an Dichtheit zwischen Arbeitsschieber und Kapselring
bzw. zwischen den einzelnen Arbeitsräumen entspricht und somit die Anwendung bei
sehr hohen Drücken ermöglicht.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weisen die axialen Verlängerungen
der Arbeitsschieber in an sich bekannter Weise radial über die Innenfläche des Kapselringes
hinausragende Ansätze auf. Durch diese Ansätze ist eine besonders gute Abdichtung
der in den Schlitzen der Rotorseitenwände gebildeten Kammern gegen die Arbeitsräume
der Maschine gewährleistet.
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Die Druckausgleichräume in den Gleitkufen werden z. B. durch Ausnehmungen
oder Ausfräsungen erhalten. Das in sie geleitete Druckmittel dient gleichzeitig
zur Schmierung der Gleitflächen zwischen Kufe und Kapselring. Um die in den Druckausgleichräumen
erzeugten Druckfelder gegen die Arbeitsräume der Maschine wirksam abzudichten, sind
die Gleitkufen bis zu den Rotorseitenwänden verbreitert, was zugleich die Stabilität
der Kufenlagerung erhöht.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung
zu entnehmen Es zeigt F i g. 1 einen Schnitt durch eine Drehkolbenmaschine entsprechend
der Schnittlinie 1-I in F i g. 2 und 3, F i g. 2 einen Schnitt entsprechend der
Schnittlinie II-11 in F i g. 1, F i g. 3 einen Schnitt entsprechend der Schnittlinie
III-111 in F i g. 1, F i g. 4 die Seitenansicht eines Arbeitsschiebers (Flügels)
der Drehkolbenmaschine in etwas anderer Gestalt als in F i g. 1 bis 3 und in etwas
größerem , Maßstab, F i g. 5 einen Schnitt entsprechend der Schnittlinie V-V in
F i g. 4, Fig. 6 eine vergrößerte Teildarstellung der F i g. 3 unter Erläuterung
der an den Arbeitsschiebern und an den Kufen in radialer Richtung auftretenden Kräfte
und ihrer Ausbalancierung durch entsprechende Gegendruckfelder, F i g. 7 die Seitenansicht
einer Gleitkufe, F i g. 8 einen Schnitt gemäß Schnittlinie VIII-VIII ; in F i g.
7, F i g. 9 eine Draufsicht auf die in F i g. 7 dargestellte Gleitkufe, F i g. 10
einen Schnitt durch eine mit einem Arbeitsschieber zusammengebauten Gleitkufe, entsprechend
Schnittlinie X-X in F i g. 11, F i g. 11 eine Seitenansicht zu F i g. 10, F i g.
12 einen Schnitt durch den Arbeitsschieber allein entsprechend der Schnittlinie
XII-XII in F i g. 13 und F i g. 13 eine Seitenansicht zu F i g. 12.
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Gemäß F i g. 1, 2 und 3 sind in dem mit der z. B. antreibenden Welle
20 fest verbundenen bzw. mit ihr aus einem Stück bestehenden Rotor
21 radiale Schlitze 22 eingearbeitet, in denen die Flügel oder Arbeitsschieber
23 gleiten und die sich bis in die mit dem Rotor umlaufenden und einen Teil
desselben bildenden Rotorseitenwände 24 erstrecken. Nach außen ist der Rotor bzw.
dessen Mittelteil von dem Kapselring 25 umschlossen, wobei zwischen Arbeitsschiebern
23 und Kapselring 25 Gleitkufen 26 zwischengeschaltet sind, die in Ausfräsungen
der Arbeitsschieber lagern. Beim Umlauf des Rotors werden die Arbeitsschieber 23
durch Fliehkraft und weitere Kräfte radial nach außen geschleudert, so daß sich
die Gleitkufen 26 an den Kapselring 25 anlegen und an diesem gleiten. Seitenhauben
27 verschließen den Rotor und die Rotorseitenwände axial und radial nach außen.
Zwischen dem Kapselring 25 und dem Rotor 21, den Rotorseitenwänden 24, den Arbeitsschiebern
23 und den zugeordneten Gleitkufen 26 werden hierbei Arbeitskammern gebildet, die
bei der Umdrehung des Rotors ihr Volumen periodisch vergrößern und verkleinern.
Zwei solcher benachbarter Arbeitskammern sind beispielsweise in F i g. 3 mit
28 und 29 bezeichnet. Die Arbeitskammern erhalten das Arbeitsmedium
aus einer feststehenden Steuerwelle 30, z. B. aus einem Zuleitungskanal 31
in dieser, über Kanäle 32 im Rotor, und auf dem gleichen Wege wird das Medium wieder
aus den Arbeitskammern herausgedrückt, so daß es einen anderen Kanal 33 der
Steuerwelle 30 betritt und über Bohrungen 34 abgeführt werden kann. Durch
Kanäle 35 kann ferner das Druckmedium aus der Steuerwelle in die Schlitze 22 im
Rotor eintreten, indem es sich sowohl auf die Räume 36 radial innerhalb der Arbeitsschieber
23 als auch auf die Räume 37 und 38 radial beiderseits der Arbeitsschieberverlängerungen
39 verarbeitet. Die Arbeitsschieber 23 sind kürzer als die Schlitze 22 im Rotor
bzw. in den Rotorseitenwänden 24 gehalten, oder sie haben radiale Bohrungen bzw.
Fräskanäle od. dgl., so daß das Druckmittel die Arbeitsschieberverlängerungen 39
radial nach außen umfließen bzw. dieselben durchfließen und somit von den radial
inneren Schlitzkammern 37 zu den radial äußeren Schlitzräumen oder -kammern 38 gelangen
kann. In den Schlitzräumen 36 radial innerhalb der Arbeitsschieber 23 erzeugt das
Druckmedium, indem es radial nach außen auf die Arbeitsschieber wirkt, eine Druckresultierende,
die die Arbeitsschieber radial nach außen drückt.
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Die Arbeitsschieber 23 weisen in ihrem der Länge des Kapselringes
25 entsprechenden Mittelteil eine Aussparung 40 auf (F i g. 4) bzw. die Verlängerungen
39 der Arbeitsschieber 23 radiale Ansätze 41.
Zur Lagerung der
jeweils zugeordneten Gleitkufe 26 ist der Arbeitsschieber 23 mit einer sich über
seine ganze Länge erstreckenden Ausfräsung 42 versehen, die im Mittelteil
des Arbeitsschiebers lediglich die Form einer teilkreisförmigen Lagernut 43 hat,
in den Kolbenschieberverlängerungen 24 bzw. in deren radialen Ansätzen 39 jedoch
etwa halbkreisförmige Ausnehmungen 44 bildet und radial auswärts zur Sicherung
der Gleitkufe durch Umbiegen 45 der Ansätze 41 teilweise geschlossen ist.
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Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 bis 3 ist die Gleitkufe 26 mehrteilig
ausgebildet, indem sie einerseits aus einem zylindrischen bolzenartigen Lagerteil
46, der sich etwa über die ganze Länge des Arbeitsschiebers 23 erstreckt, und andererseits
aus sich nur über die Länge des Kapselringes 25 bzw. der Arbeitskammern erstreckenden,
verbreiterten Gleitteilen 47 besteht. Diese Teile sind z. B. miteinander verschweißt.
Statt dessen können sie auch aus einem Stück gefertigt sein.
Die
Gleitkufen 26 weisen an ihren Gleitteilen 47 Ausnehmungen 48 auf, die Druckbalance-
oder Druckausgleichfelder bilden und mit den Ausnehmungen 44 bzw. den Schlitzräumen
38 in offener Verbindung stehen. Das Druckmittel kann infolgedessen in diese Druckausgleichfelder
einströmen und in denselben ein Druckfeld aufbauen, das auf die Arbeitsschieber
radial nach innen gerichtet ist, also der Druckwirkung in den Räumen 36 oder dieser
und der an den Arbeitsschiebern 23 angreifenden Fliehkraft entgegenwirkt und bei
richtiger Bemessung die an einem Arbeitsschieber resultierende Druckkraft aus dem
Raum 36 oder diese und die Zentrifugalkraft ausbalanciert. Der Arbeitsschieber kann
daher in radialer Richtung ganz oder teilweise frei von hydraulischen Druckkräften
oder diesen und Zentrifugalkräften sein. Gegebenenfalls kann auch der Arbeitsschieber
radial nach innen gedrückt werden, wenn der Mediumdruck so hoch wird, daß er die
Dichtung zwischen Kolbenleiste oder Gleitkufe und Kapselring aufhebt und als automatische
überlastsicherung wirkt. ' Zum Ausgleich der in Umfangsrichtung auf die Arbeitsschieber
wirkenden Drücke sind ferner die in die Verlängerungen 39 der Arbeitsschieber beiderseits
eingearbeiteten Ausnehmungen vorgesehen, die je mit den gegenüberliegenden Arbeitsräumen,
z. B. 28 oder 29, durch Bohrungen od. dgl. verbunden sind.
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In F i g. 6 ist veranschaulicht, wie das radiale Kräftegleichgewicht
des Mediumdruckes an einem Arbeitsschieber 23 hergestellt wird. Das Druckmedium
befindet sich sowohl in der Kammer 36 radial innerhalb des Arbeitsschiebers im Rotorschlitz
22 als auch über die Schlitzräume 37, 38, wie bereits oben beschrieben,
in der Ausnehmung 48 in der Gleitkufe 26. Wenn die Druckfläche f1 im Raum 36 und
die Druckfläche f., in der Ausnehmung 48 (F i g. 6) gleich groß sind,- ergibt sich
Kräftegleichgewicht des Druckmediums in radialer Richtung an Arbeitsschieber und
Gleitkufe. Infolge dieses radialen Druckgleichgewichtes am Arbeitsschieber schwimmt
der Arbeitsschieber mit der Gleitkufe zwischen Kapselring 25 und dem Rotor
21. Die Verbreiterungen des Gleitteiles 47 der Gleitkufe 26 tragen
hierbei zu einer stabilen Lagerung und einem stabilen Gleiten der Kufe 26 am Kapselring
25 bei. Außerdem dichten sie die jeweils benachbarten Arbeitsräume gegeneinander
sowie die Ausnehmungen 48 bzw. das in ihnen erzeugte Druckfeld f2 gegen die
Arbeitsräume, z. B. 28, 29, mittels der Dichtflächen 49 ab, wobei sie sich mit senkrecht
zur Längsrichtung stehenden Stirnflächen gegen die Rotorseitenwände anlegen. Der
Rotor 21 weist ferner im Ausführungsbeispiel nach F i g. 6 Ausfräsungen 50 auf,
in die die verbreiterten Gleitteile 47 der Gleitkufe eintreten können.
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In F i g. 7 bis 9 ist gezeigt, wie eine einteilige Gleitkufe 26 in
einen Arbeitsschieber 23 hineinmontiert wird. Die Kufe 26 ist hierbei mit ihrem
bolzenförmigen Lager- oder Schwenkteil 46 in der Ausfräsung 43 des Arbeitsschiebers
23 gelagert. Sie kann nicht aus dem Arbeitsschieber herausfallen, da die Ecken 45
der Schieberverlängerungen 39 nach innen umgebogen werden, sobald die Gleitkufe
in die Kolbenleiste hineingesetzt wurde.
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In F i g. 10 bis 13 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der
jedoch die Gleitkufe 26 wieder in einen Gleitteil 47 und einen hiervon gesonderten,
den Lager- oder Schwenkteil 46 bildenden Verbindungsbolzen unterteilt ist, was insbesondere
wegen der Möglichkeit einer zylindrischen Ausbildung des letzteren herstellungsmäßige
Vorteile hat. Ein betrieblicher Vorteil einer solchen Ausführungsform ist es ferner,
daß die Dreiteilung in Arbeitsschieber, Verbindungsbolzen und Gleitteil der Kufe
die Verwendung ganz verschiedener Materialien ermöglicht.
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Unterschiedlich ist ferner hierbei, daß der Gleitteil 47 den Lagerteil
46 mittels seiner Bohrung 51 um mehr als 180° umfaßt und auch die Bohrung 52 in
den Schieberverlängerungen 38 um mehr als 180° geschlossen ist. Der Schlitz 53 ermöglicht
jedoch auch hierbei die Verbindung zwischen den Schlitzkammern 38 und den
Ausnehmungen 48 in der Gleitkufe 26. Außerdem kann bei der Herstellung der
Bohrung 52 eine Unterstützung des Werkzeuges, z. B. der Räumnadel oder der Schleifwelle,
durch den Schlitz 53 erfolgen. Dadurch, daß die Bohrungen 51 und 52 mehr als halbe
Bohrungen sind, deren Öffnung schmaler ist als der Durchmesser der Bohrung, verbindet
der bolzenförmige Lagerteil 46, wenn er in axialer Richtung in die Bohrungen 51
und 52 eingeschoben wird, die Kufe 26 schwenkbar, aber derart mit dem Arbeitsschieber
23, daß die Kufe 26 nicht aus dem Arbeitsschieber 23 herausfallen kann. Auch brauchen
die beiden Teile 46 und 47 der Gleitkufe nicht fest miteinander verbunden zu werden,
so daß sie bei Bedarf ohne weiteres wieder auseinandergenommen und entfernt werden
können. Schließlich wird durch diese Anordnung eine besonders weitgehende Überdeckung
und dadurch bessere Abdichtung in den Dichtflächen zwischen den Stirnflächen des
Kufengleitteiles 47 und den seitlichen Ansätzen 41 der Arbeitsschieber erreicht.