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Drehkolbenmaschine Die Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine,
Pumpe oder einen Flüssigkeitsmotor, mit einem eine Mehrzahl von radial beweglichen
Schiebern enthaltenden, zylindrischen Drehkolben und einem innerhalb des Gehäuses
den Drehkolben umgebenden normal zylindrischen, an diametral gegenüberliegenden
Stellen durch vier Verstellorgane zu annähernd einer Ellipse verformbaren Ring,
an dessen Innenwand die Schieber dichtend anliegen.
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Bei den bisher bekanntgewordenen Ausführungsformen hat man versucht,
dem verformbaren Ring eine elliptische Gestalt zu vermitteln, wobei vier radial
bewegliche Verstellkolben mit Polschuhen angewandt worden sind, die an dem verstellbaren
Ring in Abständen von 90° zueinander eingreifen und unabhängig voneinander gesteuert
werden müssen. Die radial zum Arbeitsraum angeordneten Polschuhe und Verstellkolben
werden im Gehäuse und in zusätzlichen Zylindern geführt, wobei im Verhältnis zum
nutzbaren Arbeitsraum sehr große Außenmaße der Maschine sich ergeben. Nach einer
weiteren bekannten Ausführungsform findet eine elastische Förderraumwand Anwendung,
die aus mehreren Stücken besteht und keinen geschlossenen Ringkörper darstellt.
über radial angeordnete Druckstempel, an diesen angelenkte Gabelstücke und über
außerhalb des Maschinengehäuses liegende Hebel werden die elastischen Förderraumwandteile
mittels einer handbetätigten Verstellspindel verstellt, was einen erheblichen baulichen
Aufwand und große Außenmaße der bekannten Pumpe bedingt. Es sind noch weitere Konstruktionen
bekannt, um die einzelnen Teile von verstellbaren Förderraumwänden bei der Verstellbewegung
richtig zu führen und aufeinander abzustimmen. Auch sie sind jedoch mechanisch außerordentlich
verwickelt aufgebaut und umständlich zu betätigen. Bei den bekannten Vorrichtungen
liegen außerdem zahlreiche Variable vor, so daß sich eine err öhte Fehlermöglichkeit
bezüglich des Erzielens einer gewünschten annähernden Ellipsenform des verformbaren
Rings ergibt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile bekannter
Konstruktionen mit verstellbaren Förder- bzw. Arbeitsraumwänden zu vermeiden und
eine Drehkolbenmaschine zu schaffen, bei der die Verstelleinrichtung konstruktiv
sehr einfach ausgeführt ist sowie keine großen Außenmaße der Maschine erforderlich
sind und die Verstellorgane selbst schon als hydraulische Kolben dienen können,
wobei eigene Verstellkolben, die eine Vergrößerung des Gehäuses in radialer Richtung
zur Folge hätten, vermieden werden. Diese Aufgabe wird bei einer Drehkolbenmaschine,
Pumpe oder einem Flüssigkeitsmotor der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß je zwei um 90° gegeneinander versetzte Verstellorgane durch die beiden
Endteile eines in seiner Mitte mit einem Kipplager schwenkbar im Gehäuse gelagerten,
gleicharmigen Verstellkipphebels gebildet und damit starr miteinander verbunden
sind.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform weisen die beiden Verstellkipphebel
als Auflager .im Mittelteil je einen Vorsprung auf, und im Gehäuse sind zwischen
den Ellipsenachsen des Ringes ein Paar diametral gegenüberliegende Lager vorgesehen,
die zur Bildung der Kipplager die Vorsprünge aufnehmen.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Lager für
die Verstellkipphebel als Zylindersegmente ausgebildet, die koaxial zu dem Drehkolben
liegen, und weisen die Vorsprünge der Verstellkipphebel eine zylindersegmentförmige
Außenfläche auf, wobei die Zylinderachse jeder dieser Außenflächen parallel zu der
Drehachse des Drehkolbens verläuft.
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Nach einem weiteren erfindungsgemäßen Merkmal sind an dem Gehäuse
zwei Rippen zwischen den beiden Verstellhebeln so angeordnet, daß der Ring während
aller Biegungen an diesen Rippen abgestützt ist. Ferner können Einrichtungen zur
Ausübung einer hydraulischen Druckkraft hinter jedem Paar der diametral gegenüberliegenden
Arme der Verstellkipphebel vorgesehen sein.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung kann also der Ring zu annähernd
einer Ellipse verformt werden, wobei zwischen dem Drehkolben und dem Ring zwei im
Querschnitt sichelförmige Arbeitsräume entstehen, die von den Schiebern in Förder-
oder Arbeitszellen unterteilt werden. Bei der dadurch gegebenen
Symmetrie
sind alle hydraulischen Belastungen um den Umfang des Drehkolbens herum ausgeglichen,
und es wird keine radiale Belastung auf die Welle ausgeübt, so daß dies auch die
Benutzung von einfachen, billigen Lagern gestattet.
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In der Zeichnung, die beispielsweise Ausführungsformen zeigt, ist
F i g. 1 ein Längsquerschnitt durch eine Ausführung der Erfindung nach den Radialebenen
der Linie I-I in F i g. 5, F i g. 2 eine Querschnittsansicht nach der Linie 11-H
in F i g. 1, F i g. 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht, ähnlich der F i g. 2,
die in größeren Einzelheiten die Wirkung der Maschine und die Mittel zur Einstellungsverschiebung
zeigt, F i g, 4 eine graphische Darstellung, die das Ringverstellungsverhältnis
zwischen den kleinen und großen Achsen einer Ellipse erläutert, F i g. 5 eine senkrechte
Querschnittsansicht auf einer Ebene nach Linie VI-VI in F i g. 1, in Richtung der
Pfeile gesehen.
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In der Zeichnung ist die Maschine als Pumpe so gezeigt, daß sie einen
Gehäuseteil 10 aufweist, der eine Antriebswelle 12 in einem Gleitlager
14 trägt, wobei sich die Welle 12 bis hinter die Fläche 16 des Gehäuseteils
10 erstreckt und bei 18 mit einem Drehkolben 20 verkeilt ist. Der Drehkolben 20
ist mit einer Reihe von zum Umfang offenen Radialschlitzen 22 versehen, in die Schieber
24 zur radialen Gleitbewegung eingepaßt sind. Die Außenenden der Schieber 24 sind
bei 26 zur Gleitberührung mit der Innenfläche 28 eines Ringes 30 abgerundet.
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Der Ring 30, der aus Metall besteht und normal zylindrisch ist, weist,
in Wellenrichtung gesehen, die gleiche Länge wie der Drehkolben 20 auf und ist im
Pumpengehäuse 32, d. h. in einem Gehäusering, untergebracht, der etwa die gleiche
Dicke wie der Drehkolben 20 hat. Mit Rücksicht auf das erforderliehe Laufspiel muß
natürlich das Pumpengehäuse 32 etwas dicker als der Drehkolben 20 oder der Ring
30 sein.
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Während der Ring 30 sonst gleichmäßige Wandstärke hat, besitzt er
verdickte Bereiche 34 an vier Stellen, die umfangsmäßig an dem Ring um 90° voneinander
im Abstand angeordnet sind. Diese Bereiche 34 dienen einem Doppelzweck, nämlich
erstens, um eine Leiste vorzusehen, die als Druckpunkt für @ die allgemeine Verformung
des Ringes ohne die Erzeugung einer örtlichen Verformung des Ringes in diesem Bereich
benutzt werden kann, und zweitens, um eine Leiste zu bilden, die gegen Schultern
35 an den Verstellhebeln 36 anliegt, um die Drehung des genannten Ringes zu verhindern.
Da die Bereiche 34 sich nicht verformen, känn keine Gleitbewegung der Schieber 24
in den Schieberschlitzen 22 stattfinden, während die Schieber -über den Innenteil
des Ringes in der Nähe der verdickten Bereiche 34 laufen. Dabei ist der Ring so
geschliffen, daß die Innenfläche des Ringes in diesen Bereichen genau zentrisch
zur Mitte 38 der Pumpenwelle ist.
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Die allgemeine Verformung des Ringes wird, wie vorher bemerkt, mittels
der Verstellhebel bzw. Verstellkipphebel36 ausgeführt, von denen jeder einen Vorsprung
40 hat, der in ein putenförmiges Lager 42 im Pumpengehäuse 32 eingreift.
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Da die Verformung eines Zylinders in eine Ellipse durch Auferlegung
einer Last auf einen Durchmesser des Zylinders eine größere Verschiebung längs der
Achse der Belastung ergibt als längs der unter rechtem Winkel dazu liegenden Achse,
muß eine Anpassung in der Maschine hergestellt werden, um den Ring auf der Saugseite
oder unter rechtem Winkel zu der belasteten Achse zu hinterlegen.
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Es wird auf F i g. 4 Bezug genommen, die eine graphische Darstellung
zeigt, welche auf der senkrechten Achse das Bewegungsausmaß eines Ringes gegen seine
Mitte zeigt, wenn er belastet ist. Auf der Ordinate ist das Ausmaß der Ringbewegung
von der Mitte weg gezeigt. Es ist zu bemerken, daß bei einer Biegung gegen die Mitte
von beispielsweise 2,54 mm die Ringbewegung auf dßr unbeanspruchten Achse 2,16 mm
betragen wird. Die Ringbewegung gegen die Mitte von 2,54 mm ist das Maximum, für
welches die Pumpe nach der Zeichnung entworfen ist, und die Ringbewegung von der
Mitte um 2,16 mm fort ist das Maximum, bis zu welchem die Pumpe imstande ist. Diese
Bewegungen sind experimentell durch Verformung eines rohrförmigen Ringes dieser
Type und durch Messung des Verformungsbetrages längs beider Achsen der Ellipse bestimmt.
Um die Bewegungsabweichungen den kleinen und großen Achsen der Ellipse anzupassen,
unter Berücksichtigung, daß eine Umkehrung der Pumpe durch eine Umkehrung der großen
und kleinen Achsen der Ellipse verschiedene Bewegungsausmaße längs dieser Achsen
erfordert, ist es notwendig, den Verstellkipphebel36 in einer solchen Weise zu konstruieren,
daß diese Änderungen in der Bewegung aufgenommen werden können.
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Zu diesem Zweck sind die nach einwärts gekehrten Teile 44 der Lager
42 in dem Pumpengehäuse 32 auf einem Radius aus der Mitte 38 der Pumpenwelle 12
geschliffen. Der Außenradius der Außenfläche des Vorsprunges 40 ist bei 46 auf einen
genauen Radius vom Punkt P aus geschliffen, der geometrisch wie folgt bestimmt ist.
Man mißt von dem Innendurchmesser des Ringes in der normalen oder in der Ruhestellung,
wenn der Ring unverformt ist, gegen die Mitte in das Bodensegment des Ringes das
Ausmaß gewünschter Ringbewegung gegen die Mitte, wie es in dem unteren Teil von
F i g. 3 dargestellt ist, und mißt dann wieder aus der Normalstellung des Ringes
im rechten Segment auf das gewünschte Ausmaß an Ringbewegung von der Mitte fort,
erzeugt eine Reihe von Linien, die sich im Punkt 48 schneiden. Ein Radius wird vom
Punkt 48 zu dem Mittelpunkt 38 der Welle gezogen und dieser Radius schneidet an
dem Punkt P die Mittellinie des Hebels 36. Der Punkt P wird sich natürlich von der
gezeigten Stelle zu einem Punkt X längs des Bogens R bewegen, wenn der Hebel 36
aus der gezeigten Stellung zu der anderen Grenzstellung des Ringes 30 verschwenkt
wird. Ferner wird so bei der Bewegung von dem Punkt P zu dem Punkt X der Ring zu
dem neutralen oder zylindrischen Zustand zurückgebracht und dann in der umgekehrten
Richtung um die entgegengesetzten Achsen verformt, um die Pumpe zu veranlassen,
ihre Saug- und Druckseiten umzukehren.
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Ortsfeste Rippen 51 an dem Gehäuse'32 berühren die Außenfläche des
Ringes 30 zwischen den Hebeln 36, wobei diese Punkte an dem Ring neutral sind und
nicht an der Verformung des Ringes teilnehmen, wenn die Verstellung gewechselt wird,
und dazu dienen, die richtige Gestalt und Funktion des Ringes aufrechtzuerhalten.
Die
Enden 52 der Hebel 36 berühren als Verstellorgane die Außenflächen der verdickten
Bereiche 34 des Ringes 30 und beide sind an den Berührungsflächen so geschliffen,
daß mindestens annähernd 50 % der zu einem Ringbereich 34 weisenden Innenfläche
54 jedes Endteils 52 eines Hebels 36 und der Außenfläche 56 des Bereiches 34 bei
irgendeiner Verstellage des Ringes in gegenseitiger Berührung gehalten werden. Die
endseitig nach außen weisenden Flächen 58 der Hebel 36 sind auf einem Radius von
dem Punkt Y aus geschliffen und befinden sich in konstanter Berührung mit Dichtungen
60, die durch Federn an die Flächen 58 gepreßt werden, um mit dem Pumpengehäuse
Steuerkammern 68 und 70 zu bilden, die durch die Vorsprünge 40 jeweils voneinander
getrennt sind.
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Außer dem Lager 42 ist das Pumpengehäuse 32 auch noch bei 62 und 64
mit Ausnehmungen versehen, um die Hebel 36 aufzunehmen, wobei die Ausdehnungen 64
mit Anschlägen 66 versehen sind, die dazu dienen, die Schwenkbewegung des Hebels
36 zu begrenzen. Jeder Hebel 36 soll genau die gleiche Stärke wie der Drehkolben
20 und der Ring 30 aufweisen, damit auf diese Weise das unerwünschte Durchlecken
von Förder- oder Arbeitsflüssigkeit durch seitliche Spalte hinter den Hebel vermindert
oder unterbunden ist.
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Wenn die Pumpe nicht verstellt wird, werden in der Kammer 68 und der
Kammer 70 auf entgegengesetzten Seiten des Vorsprunges 40 gleiche Drücke auf den
Hebel 36 wirken. Dementsprechend werden die Außenenden 52 des Hebels 36 in
gleichen radialen Abständen von der Mitte 38 der Pumpenwelle stehen und es wird
keine Gleitbewegung der Schieber 24 in den Schlitzen des Rotors 20, wenn er gedreht
wird, stattfinden. Bei Bedarf einer Verstellung oder einer Druckerzeugung wird ein
nicht gezeigter Ventilmechanismus den Steuerdruckstrom in der Kammer 68 und den
Saugdruckstrom in der Kammer 70 erzeugen, wodurch der Hebel 36 veranlaßt
wird, sich in die Betätigungsstellung, die in F i g. 3 gezeigt ist, zu bewegen,
in welcher der Ring 30 in Richtung seiner senkrechten Achse zusammengedrückt und
in Richtung seiner horizontalen Achse im wesentlichen vom Druck befreit ist. Im
Zustand maximaler Verstellung wird die Außenfläche des Hebels 36 den Anschlag 66
auf der horizontalen Achse berühren. Das Gleiche gilt für den Hebel 36 auf
der diametral gegenüberliegenden Seite des Drehkolbens.
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Aus den F i g. 1, 3 und 5 ist ersichtlich, daß Druckkanäle 72 und
76 und Saugkanäle 74 und 78 vorgesehen sind. Während ein Schieber 24 sich aus der
Stellung, die durch die Linie 80 bezeichnet ist, zu der Stellung bewegt, die durch
die Linie 82 bezeichnet ist, ist er dem maximalen Arbeitsdruck unterworfen. über
diesen Bereich findet auch zwischen den Druck- und Saugkanälen eine Anlage durch
mindestens einen Schieber statt, wodurch für eine Abdichtung gegen das Entweichen
von Saugdruck zwischen den Kanälen gesorgt ist. Es ist dementsprechend verständlich,
daß die maximale seitliche Belastung auf den Schieber vorhanden ist, wenn er sich
in der stützenden oder abdichtenden Stellung befindet und sich über den Bereich
zwischen den Mittellinien 80 und 82 bewegt.
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Der Schieber 24 ist nicht gezwungen, in dem Schlitz 22 zu gleiten,
während er sich zwischen diesen Stellungen bewegt, so daß daher bei maximaler Belastung
ein Minimum an Schieberabnutzung eintritt. Wenn jeder Schieber durch die Mittellinie
82 hindurchgeht, sind beide Seiten des Schiebers dem Saugdruck aus dem Kanal 74
ausgesetzt und wenn der Schieber sich in dem Schlitz 22 nach auswärts bewegt, in
dem er der Innenkontur 28 des Ringes in der verformten Stellung nach F i g. 3 folgt,
wird Förderflüssigkeit aus dem Kanal 74 in die Förderzelle gezogen, die zwischen
der Innenfläche des Ringes, der Außenfläche des Drehkolbens 20, den entsprechenden
Gehäuseseitenwänden und den Schiebern 24 gebildet ist.
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Ferner ist, wenn jeder Schieber den Saugkanal 74 verläßt, was durch
die Linie 84 angedeutet ist, derselbe gegen Arbeitsdruck aus dem Druckkanal
76
durch den nächstbenachbarten Schieber 24 abgedichtet. Wenn dieser nächstbenachbarte
Schieber 24 die Kante des Arbeitsdruckkanals 76 bei etwa der Linie 86 kreuzt, wird
der folgende Schieber dem Arbeitsdruck ausgesetzt sein und wird seinerseits die
Verschlußfunktion zwischen Arbeits- und Saugdruck in dem Bereich zwischen den Linien
84 und 86 aufnehmen.
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Es ist auch zu bemerken, daß die Innenfläche 28 des Ringes 30 zwischen
den Linien 84 und 86 einen unveränderlichen Radius von der Mitte 38 der Pumpe aus
bildet und dementsprechend sind die Schieber 24, während sie die Verschlußfunktion
ausführen und während sie maximalen Druckdifferenzen ausgesetzt sind, nicht genötigt,
irgendeine Gleitbewegung in den Schlitzen 22 auszuführen. Jeder der Saug- und Druckkanäle
steht an den Mündungsstellen zum Ring 20
mit den jeweiligen Räumen an der
Außenseite und der Innenseite des Ringes in Verbindung, um Drücke auf entgegengesetzten
Seiten des Ringes auszugleichen und örtliche unerwünschte Verformungen aus diesem
Grunde zu vermeiden.
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Durch diesen Ausgleich von Drücken auf der Innen- und Außenfläche
des Ringes wird ein mittlerer Bereich zwischen den Schultern 35 des Hebels 36 dem
Arbeitsdruck ausgesetzt. Da dieser Bereich sich in gleicher Weise zu beiden Seiten
des Mittelpunktes Y des Vorsprunges 40 auf den Hebel 36 auswirkt, sucht der Arbeitsdruck
den Hebel 36 gegen das Lager 42 zu drücken. Diese ausgeglichene Anordnung macht
es auch möglich, dem Hebel mit einer Minimalkraft eine Steuerbewegung zu erteilen
und die Notwendigkeit zur Benutzung ausreichender Kraft auszuschalten, um den Arbeitsdruck
bei Durchführung einer Umsteuerung zu überwinden.
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Aus F i g. 1 ist auch noch ersichtlich, daß das Gehäuseteil
10 mit einer Platte 88 versehen ist, die an ihrem Außenrand zwischen
dem Pumpengehäuse 32 und dem Lagergehäuse 10 befestigt ist, wobei das Lagergehäuse
gegen die Mitte der Welle 12 hin bei 90 vertieft ist, um der Platte 88 zu gestatten,
sich in Richtung der Wellenachse zu biegen. Durch entsprechende Nuten und Kanäle
wird Flüssigkeit unter Druck in besondere Kompensationsräume 96 hinter der Platte
88 geleitet, was ein dichtendes Anliegen der Platte 88 an die linke Stirnfläche
des Drehkolbens 20 ermöglicht und eine Verminderung des Laufspielraumes zwischen
der Platte 88 und dem Drehkolben 20 und dementsprechend zwischen dem Drehkolben
20 und dem Gehäusedeckel 100 ergibt. Nähere Einzelheiten hierzu und
weitere Wirkungen der Platte 88 werden hier nicht weiter erläutert.
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Der Deckel 100 ist mit einer axialen Öffnung 104 versehen,
die ein Innengewinde aufweist, um eine Saugleitung anschließen zu können, die über
radial
angeordnete Kanäle 106 mit den Saugkanälen 74 und 78 (F i
g. 5) in Verbindung steht.
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Jeder Druckkanal 72 und 76 ist durch einen Kanal 108 mit je
einem innen mit Gewinde versehenen Auslaß 110 verbunden. Diese beiden Auslässe
können benutzt werden, um Förderflüssigkeit an verschiedene Verbraucher zu liefern
oder können außerhalb der Pumpe vereinigt sein. Die linke Stirnfläche 112 des Deckels
100, die an das Pumpengehäuse 32 und den Drehkolben 20 angrenzt, ist
mit einer ringförmigen Nut 114 versehen, die zur Pumpenwelle 12 konzentrisch
ist. Diese Nut ist in einem Kreisbereich angeordnet, der den radial inneren Enden
der Schieberschlitze 22 entspricht, steht über einen Kanal 116 mit den Druckauslässen
110 in Verbindung und kann Druckflüssigkeit den Kammern unter jedem Schieber in
den Schieberschlitzen zu- und abführen.
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Leckflüssigkeit, die zur Schmierung an das Wellenlager 14 gelangen
muß, wird nach rechts längs der Pumpenwelle zwischen dem Drehkolben und der Pumpenwelle
mittels des Kanals 118 abgezogen, der zum Saugkanal 106 führt.