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Arbeitsschieber für Drehkolbenmaschinen Die Erfindung bezieht sich
auf Arbeitsschieber für eine Drehkolbenmaschine, insbesondere hydraulische oder
pneumatische Pumpe, Motor, Getriebe od. dgl., die die zwischen Rotor, Kapselring,
Rotorseitenwänden und mit ihnen gebildeten Arbeitskammern in Umlaufrichtung der
Maschine voneinander trennen und mittels axialer Verlängerungen in Schlitzen der
mit dem Rotor zusammen umlaufenden Rotorseitenwände radial oder nahezu radial gleiten.
Eine solche Bauart mit in den Rotorseitenwänden geführten Arbeitsschiebern zeichnet
sich vor allem dadurch aus, daß die früher bestehende Neigung der Arbeitsschieber,
unter der Wirkung der in den Arbeitskammern herrschenden Drücke in den Motorschlitzen
zu kippen, wenn sie dieselben mehr oder weniger verlassen haben, vollkommen unterbunden
wird. Gleichzeitig wird die Reibung an den Arbeitsschiebern wesentlich verringert.
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Aber auch bei einer solchen Konstruktion ist ein Rest von Reibungskräften
vorhanden. Solche Reibungskräfte verbleiben insbesondere zwischen den Arbeitsschiebern
und den sie führenden Schlitzen im Rotor. Diese Reibungskräfte werden dadurch hervorgerufen,
daß das Druckmedium in Umlaufrichtung oder in entgegengesetzter Richtung an den
Arbeitsschiebern angreift und beim Arbeiten der Maschine Druckdifferenzen zwischen
den Arbeitskammern entstehen, wobei die Druckgefälle mit jedem Umlauf des Rotors
wechseln. Während des Umlaufs gleiten die Arbeitsschieber in ihren Führungsschlitzen
abwechselnd im Rotor radial nach außen und radial nach innen, wobei sie mehr oder
weniger aus den Schlitzen heraustreten. Während dieser Bewegung ist der Mediumdruck
tangential zum Rotor an den Arbeitsschiebern wirksam, so daß diese in ihren Schlitzführungen
unter einseitigen Drücken gleiten und dadurch die den Wirkungsgrad vermindernde
Reibungsarbeit verrichten.
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Es ist bekannt, bei Arbeitsschiebern, die sich nur über die Länge
der Arbeitskammern erstrecken, Ausnehmungen in den Seitenflächen der Arbeitsschieber
vorzusehen. Diese Ausnehmungen sind unmittelbar mit den benachbarten Arbeitskammern
verbunden, so daß in ihnen stets der gleiche Druck wie in letzteren herrscht. Da
der Druck von der gleichen Seite wirkt, ist ein tangentialer Druckausgleich nicht
möglich.
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Die Erfindung bezweckt vor allem die Verringerung der Reibungsarbeit
zwischen Arbeitsschieber und Schlitzen und besteht darin, daß die Ausnehmungen in
den axialen Verlängerungen des Arbeitsschiebers angeordnet und jeweils mit der jenseits
des Arbeitsschiebers befindlichen Arbeitskammer durch Verbindungsleitungen, insbesondere
Bohrungen, verbunden sind.
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In den Ausnehmungen der Arbeitsschieberverlängerungen können dadurch
Druckfelder erzeugt werden, durch welche bei konsequenter Anordnung und Bemessung
dieser Felder die an den Arbeitsschiebern angreifenden tangentialen Kräfte teilweise
oder vollkommen ausgeglichen werden können. Es läßt sich dadurch ein druckausgeglichenes
Schwimmen der Arbeitsschieber in ihren Führungsschlitzen erreichen, so daß bei idealer
Ausführung keine metallische Berührung zwischen den Arbeitsschiebern und ihren Schlitzen
verbleibt. Die an den Arbeitsschiebern angreifenden Kräfte werden durch das Druckmittel
in den Ausgleichsfeldern auf die Schlitze und dadurch auf den Rotor der Maschine
übertragen. Der mechanische Angriff 'Metall auf Metall wird also durch den Angriff
allein des Arbeitsmitteldruckes auf das Metall ersetzt, wobei die Arbeitsschieber
in ihren Schlitzen frei schwimmen und die mechanischen Reibungskräfte auf ein Minimum
reduziert bzw. überhaupt aufgehoben sind. Lediglich die innere Reibung zwischen
den Molekülen innerhalb der Flüssigkeit, die um ein Vielfaches geringer als die
mechanische Reibung ist, verbleibt als kleiner Reibungsrest.
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Zum besseren stufenweisen Ausgleich der Drücke, entsprechend dem Heraustreten
der Arbeitsschieber in die Arbeitskammer, können mehrere radial übereinander angeordnete,
bei der Hin- und Herbewegung der Arbeitsschieber nacheinander zur Beaufschlagung
mit Druckmitteln gelangende Ausnehmungen vorgesehen sein, derart, daß ein stufenweiser
Druckausgleich ermöglicht wird.
Um einen genauen kontinuierlichen
Druckausgleich in tangentialer Richtung zu erhalten, können Mittel vorgesehen sein,
durch die die wirksame Druckfläche der Ausnehmungen in den Gleitflächen der Arbeitsschieberverlängerungen
mit dem Schieberhub relativ zum Rotor verändert wird, derart, daß mit der Vergrößerung
der Druckfläche, mit der ein Medium in den Arbeitskammern auf die Arbeitsschieber
wirkt, auch die wirksame Druckfläche der Ausnehmungen in den Gleitflächen der Arbeitsschieberverlängerungen
vergrößert wird. Hierzu können beispielsweise an den Schlitzwänden in den Rotorseitenwänden
fest angeordnete Schieberelemente dienen, welche in die radial auswärts geschlossenen
Ausnehmungen in den Gleitflächen der Arbeitsschieberverlängerungen radial von innen
her eingreifen und dadurch bei der radialen Bewegung der Arbeitsschieber die Ausnehmungen
veränderlich begrenzen.
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In den Zeichnungen sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt, und zwar zeigt F i g. 1 einen Schnitt durch eine Drehkolbenmaschine
entsprechend den Schnittlinien I-I in Fig. 2, F i g. 2 einen Schnitt nach Linie
II-II der F i g. 1, F i g. 3 einen Schnitt nach Linie IH-III der F i g. 1, F i g.
4 die Seitenansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Arbeitsschiebers, F i g.
5 einen Schnitt nach Linie V-V in F i g. 4, F i g. 6 die Draufsicht auf den in F
i g. 4 dargestellten Arbeitsschieber unter Angabe der an denselben angreifenden
Kräfte in tangentialer Richtung, F i g. 7 einen Teilschnitt nach Linie VII-VII in
F i g. 4, F i g. 8 einen Teilschnitt ähnlich F i g. 2 mit Darstellung der tangential
angreifenden Kräfte bei noch relativ geringer radialer Breite der die Arbeitskammern
begrenzenden Seitenflächen des Arbeitsschiebers, F i g. 9 eine gleiche Darstellung
wie F i g. 8, jedoch bei relativ großen, die Arbeitskammern begrenzenden Seitenflächen
des Arbeitsschiebers, F i g. 10 einen der F i g. 3 entsprechenden Teilschnitt, jedoch
in größerem Maßstab und für eine etwas andere Ausführungsform einer Gleitkufe, F
i g.11 eine Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung von Gleitschiebern im
Führungsschlitz des Arbeitsschiebers zur Erzeugung kontinuierlich veränderlicher
Druckfelder in den Arbeitsschieberverlängerungen und F i g. 12 einen Schnitt nach
Linie XII-XII der F i g. 11.
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Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 bis 3 gleiten die Arbeitsschieber
11 in radialen Schlitzen 7 und 8, die in den Rotor 2 und in die mit dem Rotor umlaufenden
Rotorseitenwände eingearbeitet sind. Nach außen ist die Drehkolbenmaschine durch
den Kapselring oder ein stationäres Gehäuse 6 verschlossen. Bei der Rotation des
Rotors werden die Arbeitsschieber 11 durch Fliehkraft und/oder weitere Kräfte radial
nach außen geschleudert, so daß sich die Gleitkufen 12, die in Ausfräsungen der
Arbeitsschieber gebettet sind, an den Kapselring 6 anlegen und an diesem gleiten.
Dabei entstehen zwischen dem Gehäuse 6, dem Rotor 2 und zwischen den Rotorseitenteilen
9 und 10, den verschiedenen Arbeitsschiebern Il mit deren Gleitkufen 12 Arbeitskammern
(Zellen), die bei der Umdrehung des Rotors ihr Volumen periodisch vergrößern und
verkleinern. Zwei solcher benachbarter Arbeitskammern sind mit 30 und 39 (F i g.
3) bezeichnet. Sie erhalten das Arbeitsmedium beispielsweise in bekannter Weise
aus der Steuerwelle 1 durch die Kanäle 29, und auf dem gleichen Wege drücken die
Arbeitskammern das Medium wieder heraus, so daß es einen anderen Kanal der Steuerwelle
1 betritt. Durch die Kanäle 4 im Wellenteil 5 und die Kanäle 3 tritt das Druckmedium
aus der Steuerwelle in die Räume der Schlitze 28 radial innerhalb der Arbeitsschieber.
Hier erzeugt das Druckmedium, indem es radial nach außen auf die Arbeitsschieber
wirkt, die Druckresultierende, die die Arbeitsschieber radial nach außen drückt.
Die Arbeitsschieber sind kürzer gehalten als die Schlitze in den Rotorseitenwänden,
oder sie haben radiale Bohrungen bzw. Fräskanäle, so daß das Druckmittel die Arbeitsschieber
radial nach außen an ihren seitlichen Enden umfließen kann oder durchfließen kann
und so in die Kammern 7a und 8a eintritt, die sich radial außerhalb der Arbeitsschieber
in den in den Rotorseitenwänden befindlichen Gleitschlitzen bilden.
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Aus diesen Räumen 7a und 8a kann das Druckmittel gegebenenfalls in
die Druckausgleichfelder 27 hereinfließen, die in die Gleitkufen 12 als Ausnehmungen
eingearbeitet sind und dadurch den radialen Druckausgleich der Arbeitsschieber bewirken.
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Wenn die Drehkolbenmaschine als Druckmittelmotor arbeitet und der
Kolbenrotor sich in Richtung des Pfeiles B (F i g. 3) dreht, bewirkt der Arbeitsdruck
in der Kammer 30 einen Druck auf die Arbeitsschieber 11 in Richtung des Pfeiles
B, der den Rotor in Drehung in Richtung dieses Pfeiles versetzt. Durch die in dem
Arbeitsschieber 11 befindlichen Bohrungen 23 und 21 bzw. 25 und 26 tritt das Druckmittel
aus dem Raum 30 in die Ausnehmungen für den tangentialen Druckausgleich 20 und 19,
18 und 17 ein. In den Ausnehmungen 17, 18, 19 und 20, die sich in den axialen Verlängerungen
der Arbeitsschieber befinden und somit in den Schlitzen der Seitenwände des Rotors
zur Anwendung kommen, ist also der gleiche Druck wirksam wie in der Vorderkammer
30, und der Druck in diesen Ausnehmungen ist dem Druck in der Arbeitskammer 30 in
Richtung des Pfeiles B entgegengesetzt gerichtet. Er gleicht den Arbeitsdruck in
Richtung des Pfeiles ganz oder teilweise aus, so daß die Arbeitsschieber 11 in ihren
Schlitzen ganz oder teilweise druckentlastet gleiten und im Falle idealer Druckentlastung
zwischen -den Wänden der Schlitze in Druckmittelfeldern und Druckmittelschichten
gleiten. Die Aufteilung in die Ausgleichsfelder 17 und 18 bzw. 19 und 20 zeigt nur
die prinzipielle Darstellung. In der Praxis werden eine größere Anzahl Druckmittelfelder
radial übereinander verwendet, so daß sich mit dem Heraustreten der Arbeitsschieber
in radialer Richtung eine feinstufige Vergrößerung und Verkleinerung der tangentialen
Druckausgleiche an den Arbeitsschiebern 11 entsprechend der größeren oder kleineren
radialen Bewegungen derselben erzielen läßt.
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Läuft dagegen die Drehkolbenmaschine als Druckpumpe in Richtung des
Pfeiles B; so entsteht der Fluiddruck in der vorderen Arbeitskammer 39 und bewirkt
einen tangentialen Druck auf den Arbeitsschieber 19. in Richtung des Pfeiles A.
Dieser Druck wird ausgeglichen durch die Ausnehmungen 17a, 18a, 19a
und 20a. Der Mediumdruck aus der vorderen Arbeitskammer 39 fließt zu den Druckausgleichsfeldern
17 a und 18 a durch die Bohrungen 24
und 24a (nicht dargestellt)
und zu den Druckausgleichsfeldern 19 a und 20 a durch die Bohrungen 22
und
22a (nicht dargestellt). Das an dem Arbeitsschieber 11 und der Kufe 12 dargestellte
Kräftebeispiel wiederholt sich bei entsprechenden Stellungen des Rotors an den anderen
Arbeitsschiebern 11 und Kufen 12 ebenfalls.
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Dadurch, daß die Arbeitsschieberverlängerungen 14 entsprechend weit
in die Schlitze 7 und 8 der mit umlaufenden Seitenwände hineinragen, wird genügend
Raum gewonnen, um die Druckausgleichsfelder in den Arbeitsschiebern so groß zu gestalten,
daß sie die tangentialen Druckkräfte an den Arbeitsschiebern in dem gewünschten
Maße ausgleichen können.
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In F i g. 4, 5, 6 und 7 ist gezeigt, wie die Balance-oder Ausgleichsfelder,
die den tangentialen Druckkräften entgegenwirken, in einen Arbeitsschieber eingearbeitet
sind sowie die Bohrungen, durch die das Druckmittel in die Ausgleichsfelder eintreten
kann. Zugleich ist dargestellt, wie der Arbeitsdruck an dem Arbeitsschieber angreift
und wie der Druck in den Ausgleichsfeldern auf den Arbeitsschieber wirkt. Der Arbeitsschieber
11 greift mittels seiner Verlängerungen 14 in die Seitenwände des Rotors in an sich
bekannter Weise ein. Gemäß der Erfindung sind in diese Verlängerungen 14 Ausnehmungen
17, 18, 19, 20 bzw. 17 a, 18 a, 19 a und 20 a oder durch weitere Unterteilung
noch mehr Ausnehmungen eingearbeitet, die geeignet sind, Druckmittel in sich aufzunehmen.
In diese Druckmittelfelder wird jeweils Druckmittel, das an der gegenüberliegenden
Seite des Arbeitsschiebers 11 angreift, durch entsprechende Bohrungen geleitet.
So wirkt der Arbeitsdruck in einer Druckzone 31 (F i g. 6, 7), die sich über die
Länge der Arbeitskammer erstreckt, in Richtung des Pfeiles C auf den Arbeitsschieber.
Dieser Druck pflanzt sich durch die Bohrung 21 in das Druckausgleichsfeld der Ausnehmung
20 fort, wie das in F i g. 7 gezeigt ist, und entsprechend durch die Bohrung
25 in das Druckausgleichsfeld der Ausnehmung 18. Auf entsprechende Weise werden
die Druckausgleichsfelder der Ausnehmungen 19 und 17 durch die Bohrungen 23 und
26 beaufschlagt. Die Wirkung des Ausgleichsdruckes auf den Arbeitsschieber in den
Ausgleichsfeldern ist in F i g. 6 durch die Positionen 32 und 33 dargestellt. Aus
F i g. 6 ist zu ersehen, daß auf die beschriebene Weise ein stabiles Druckkräftegleichgewicht
am Arbeitsschieber durch entgegengesetzt gerichtete, aber in der Summe der einzelnen
Felder gleich große Ausgleichsdruckfelder herstellbar ist.
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Wenn die Drehkolbenmaschine in umgekehrter Arbeitsweise verwendet
wird, wirkt die Druckzone 31 gemäß F i g. 6 nicht in Richtung des Pfeiles C, sondern
auf der gegenüberliegenden Seite des Arbeitsschiebers in umgekehrter Richtung. An
Stelle der Ausgleichsfelder (z. B. in Ausnehmungen 17, 18, 19 und 20) wird der Druck
dann durch entsprechende Bohrungen in gegenüberliegende Druckausgleichsfelder (z.
B. in Ausnehmungen 17a, 18a 19a und 20a) geleitet, wo er dann den
Druckzonen 32 und 33 gegenüberliegend und entgegengesetzt gerichtet wirkt.
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Je mehr sich der Arbeitsschieber im Schlitz radial nach außen bewegt,
um so größer wird das Feld, an dem das Arbeitsmittel angreift. In F i g. 8 ist veranschaulicht,
daß das Arbeitsdruckmittel nur in einer radial schmalen Druckzone 33 angreift, weil
der Arbeitsschieber nur entsprechend wenig radial nach außen im Schlitz bewegt wurde.
In diesem Falle sind die in F i g. 4 dargestellten Bohrungen 21 und 25 noch durch
den Rotorschlitz verdeckt, und es sind lediglich die Kammer 17 a und 19 a mit Druckmittel
beaufschlagt, das den Druckausgleich durch das Druckfeld 32 herstellt. In der Stellung
nach F i g. 9 hat sich der Arbeitsschieber weiter radial nach außen bewegt, so daß
nunmehr auch die Bohrungen 21 und 25 gemäß F i g. 4 aus dem Schlitz des Rotors herausgetreten
und mit der Arbeitskammer 39 entsprechend F i g. 3 in Verbindung getreten sind.
Der Arbeitsdruck in tangentialer Richtung wirkt nunmehr auf den Arbeitsschieber
11, wie in F i g. 9 durch die Druckzone 34 dargestellt. Die Druckausgleichsfelder
wirken hierbei entsprechend den Druckpfeilen 35 und 36 in F i g. 9.
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In F i g. 10 ist veranschaulicht, wie das radiale Kräftegleichgewicht
des Mediumdruckes an einem Arbeitsschieber hergestellt werden kann, indem das Druckmedium
aus der Kammer 40 radial innerhalb des Arbeitsschiebers im Rotorschlitz in eine
Radialausgleichskammer 37 zwischen Flügelkufe 12 und Gehäuse 6 geleitet wird.
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Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 11 und 12 weist der Arbeitsschieber
102 eine Gleitkufe mit einem Gleitteil 103 und einen Schwenkteil 104 auf. Doch kann
die Gleitkufe auch in beliebig anderer Weise, z. B. einteilig ausgeführt sein. Die
Besonderheit des Ausführungsbeispiels nach F i g. 11 und 12 besteht darin, daß der
in Verbindung mit F i g. 6 und 7 beschriebene tangentiale Druckausgleich des Arbeitsschiebers
stufenlos veränderbar ausgebildet ist, so daß der Arbeitsschieber 102 in den Rotorseitenwänden
in jeder radialen Stellung im Schlitz vollständig druckbalanciert sein kann. Dieses
wird dadurch erreicht, daß die Ausnehmungen bzw. Ausgleichsfelder 109 ihre
Größe verändern, wenn der Arbeitsschieber 102 seine Lage im Schlitz 112 verändert.
Die in die axialen Arbeitsschieberverlängerungen eingearbeiteten Ausgleichsfelder
109 sind radial zum Schlitzinnern 112 öffen gefräst und durch schieberartig wirkende
Verschlußplatten 110 durch die Stifte 111 in den Rotorseitenwänden festgehalten.
Beim Umlaufen des Rotors und bei der radialen Hin-und Herbewegung des Arbeitsschiebers
im Rotorschlitz vergrößern und verkleinern sich somit die Druckausgleichsfelder
109 entsprechend der Hin- und Herbewegung des Arbeitsschiebers 102 im Rotorschlitz.
Die Bohrungen 113 bewirken die Leitung des Druckausgleichsmediums in die Ausgleichsfelder
109 in entsprechender Weise, wie dieses in Hinsicht auf die Bohrungen 23, 26, 21,
25, 22 oder 24 beschrieben wurde.
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Im Falle der konsequenten und fehlerfreien Ausbildung der Größenverhältnisse
am Arbeitsschieber 102 der Anordnung der Bohrungen 113, der Ausbildung der Schwenkkufe
103,. der Gleitkufe und deren Ausgleichsfelder der Verschlußplatten 110 und der
Ausgleichsfelder 109 usw. kann erreicht werden, daß die mechanischen Teile des Ausführungsbeispiels
nach F i g. 11 und 12 nahezu ohne mechanische Berührung und ohne mechanische Reibung
mit anderen Teilen zwischen ölfilmen und öldruckfeldern zwischen dem Kolbenrotor
und Kapselring 107 schwimmen. Die mechanische Reibung kann somit teilweise und in
extremen Fällen fast vollständig aufgehoben
werden. Die Lebensdauer
des Ausführungsbeispiels nach F i g. 11 und 12 wird dadurch erheblich vergrößert.
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Wenn Arbeitsschieber mit Druckausgleichsfeldern, entsprechend dem
Ausführungsbeispiel nach F i g. 11 und 12, in Drehkolbenmaschinen eingebaut sind,
so wird das Drehmoment nicht mehr vom Fluidum an die Arbeitsschieber und von diesen
an den Rotor abgegeben, sondern es wird vom Druckmittel aus-den Arbeitskammern durch
die Arbeitsschieber in die Druckausgleichsfelder geleitet, und das Medium aus den
Druckausgleichsfeldern oder aus einigen derselben gibt das Drehmoment durch Fluidberührung
an die Rotorseitenwände weiter. In umgekehrter Weise wird bei angetriebenen Drehkolbenmaschinen,
die als Pumpen oder Kompressoren arbeiten, die im Rotor und den Seitenwänden vorhandene
Antriebsdrehkraft mit Hilfe der Druckausgleichsfelder und der Druckmittelleitungen
in das Fluidum hineingeleitet, ohne daß mechanische Berührung und Reibung zwischen
dem Rotor und den Arbeitsschiebern oder zwischen dem Kapselring oder stationären
Kapselgehäuse und den Arbeitsschiebern vorhanden sein muß.