DE1751379C3 - Hochdruck-Umlaufkolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochdruck-Umlaufkolbenmaschine mit Hubeingriff und Schlupfeingriff zwischen emem exzentrisch angeordneten, sich drehenden Kolben, bestehend aus einer Kolbennabe und in ihr in Nuten radial beweglichen Kolbenschiebern, und einem Gehäusemantel, der beidseitig von Seitenteilen begrenzt ist, die mit dem Kolben verbunden sind und Radialschlitze aufweisen, die mit den Nutflanken in der Kolbennabe fluchten, um die Kolbenschieber seitlich zu führen, mit an den Seitenteilen anschließenden Endtei- !en, wobei Endteile, Seitenteile und Kolbennabe von durchgeherden Bolzen durchsetzt sind.

Eine derartige HochdruckUmlaufkolbenmaschine ist aus der US PS 32 46 574 bekannt. Bei dieser bekannten Konstruktion werden die die Kolbenschieber führenden Seitenteile von den Endtcilcn überkragt, und der axiale Zusammenhalt wird durch die Endteile, Seitenteile und Kolbennabi; durchsetzende Bolzen gewährleistet. Bei dieser bekannten Konstruktion ist nachteilig, daß jedes einzelne, aufgrund der radial nach außen offenen Schlitze gebildete Segment jeweils eine hohe Tangentiallast aufnehmen muß, was aufgrund der elastischen Verformbarkeit des Materials zu einer tangentialen Auslenkung des jeweiligen Seitenteilsektors und auch zu einer Verformung der Bolzen führen kann. Diese an sich geringfügigen, aber bei den hohen Drücken doch bemerkbaren Verformungen führen in der Praxis zum Verklemmen der Kolbenschieber in den Schlitzen, insbesondere im Bereich der Niederdruckzone der Maschine, wodurch dann aufgrund des auftretenden Festklemmen des betreffenden Kolbenschiebers die Maschine zu Bruch gehen kann. Ferner ist ungünstig, daß aufgrund der periodisch wechselnden Belastung der Einzelsektoren Materialermüdungen auftreten können, die die Lebensdauer der Maschine wesentlich verkürzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochdruck-Umlaufkolbenmaschine der eingangs definierten Art so weiter zu oilden, daß tangentiale Verformungen der Schlitze in den Seitenteilen infolge der hohen Drücke praktisch ausgeschaltet werden.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Bolzen Paßsit/ haben und daß die Radialschlitze in den Seitenteilen radial innerhalb der Umfangswandung der Seitenteile enden.

Aus der US-PS 14 88 729 ist /war eine Niederdruckmaschine bekannt, bei der Radialschlitze in den Seitenteilen radial innerhalb der Umfangswandung der Seitenteile enden, aber das radiale Verschließen dieser Schlitze hat dabei den Zweck, die radiale Auswärtsbewegung der Kolbenschieber zu verhindern, um in bestimmten Bereichen eine Berührung der Kolbenschieber mit der Innenfläche des Gehäusemantels zu vermeiden. Das Problem einer Tangentialverformung von Seitenteilsektoren ist in dieser Patentschrift nicht ίο angesprochen und trifft bei Niederdruckmaschinen dieser Art auch nicht auf. Die axiale Lagefixierung der einzelnen Bestandteile der Maschine erfolgt mittels einer Reihe von Schraubbolzen, die äußere Endteile mit dem Gehäusemantel verbinden.

Durch die Maßnahme nach der Erfindung wird eine gegen auftretende Tangentialkräfte besonders stabile Anordnung erhalten, da einerseits die Seitenteilsegmente in sich stabil und andererseits die Gesamtheit der Segmente durch die im Paßsitz eingebrachten Bolzen zu einer in Axialrichtung und vor allem in Tangentialrichtung stabilen und im wesentlichen starren Einheit zusammengefaßt sind. Störende Verformungen werden damit praktisch ausgeschaltet, so daß die Gefahr des Verklemmens von Kolbenschiebern und die Gefahr des Auftretens von. Leckage vermieden wird.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen zu entnehmen. Bekannte oder zum Verständnis der Erfindung nicht unbedingt notwendige Einzelheiten wurden hierbei teilweise fortgelassen.

Im einzelnen zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Umlaufkolbenmaschine,

J5 Fig.2 einen Querschnitt durch Fig. 1 entlang der Linie H-Il,

Fig. 3 bis P die Einzelteile der Kolbeneinheit nach F i g. 1 in getrennter Darstellung, und zwar

F i g. 3 einen Teil-Längsschnitt durch die Kolbennabe -to im Schnitt nach Linie III der F i g. 6,

Fig.4 einen Längsschnitt durch ein Seitenteil nach Linie IVder Fig. 7,

F i g. 5 einen Längsschnitt durch ein Endteil nach Linie Vder Fig.8,
F i g. 6 einen Querschnitt durch F i g. 3 nach Linie Vl, Fig. 7 einen Querschnitt durch Fig. 4 nach Linie VII, Fig. 8 einen Querschnitt durch Fig. 5 nach Linie VIII,

Fig.9 bis 15 Einzelteile einer Kolbeneinheit in einer anderen Ausführungsform, und zwar
so Fig.9 einen Längsschnitt durch einen Teil eines Steuerkörpers,

Fig. 10 einen Längsschnitt durch ein Endteil,

Fig. Il einen Längsschnitt durch eine mit einem Seitenteil vereinigte Kolbenuabe nach Linie Xl der Fig. 14,

Fig. 12 einen Längsschnitt durch das zweite Seitenteil,

Fig. 13 einen Längsschnitt durch das zweite Endteil, Fig. 14 einen Querschnitt durch Fig. 11 nach Linie XIV,

Fig. 15die Seitenansicht eines Verschlußkörpers,der in eine der Kammern des in Fig. 13 dargestellten Teiles einsetzbar ist,

Fig. 16 einen schematischen Querschnitt durch eine h^r> bekannte Kolbeneinheil entsprechend dem US-Patent 32 46 574 und

F i g. I 7 einen schcmatischcn, der Fig. 16 entsprechenden Querschnitt durch eine erfindungsgemäU

ausgebildete Kolbeneinheit.

In der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 8 ist der Kolben 81 in einem Gehäuse 80 umlauffähig gelagert. Zwischen Kolbennabe 81, deren Seitenteilen 83 und 84 und dem umschließenden Gehäusemantel 82 werden die den Arbeitsraum bildenden einzelnen Arbeitskammern 95 gebildet Sie werden durch Kolbenschieber 185 voneinander getrennt, die in den durch die Endteile 85 und 86 axial verschlossenen Radialschlitzen 93 und 94 in den Seitenteilen 83,84 bzw. in der Kolbennabe 81 radial beweglich gelagert sind und dadurch den Arbeitsraum in die einzelnen Arbeitskammern 95 unterteilen. Diese ändern beim Umlauf des Kolbens ihr Volumen periodisch zwischen einem Kleinst- und einem Höchstwert, so daß sie bei einem Umlauf der Kolbeneinheit sich abwechselnd einmal vergrößern und einmal verkleinern. Durch die im Kolben angeordnetenKanäle, z. B. 184 oder 97,98 (F i g. 11 und 10), wird dabei Fluid in die Arbeitskammern 95 herein- oder aus ihnen herausgeleitet. Die Steuerung der Fluidströme geschieht durch stationäre Steuerkörper, z. B. 181 oder 81, an deren stationärer Steuerfläche entsprechend ausgebildete Steuerflächen der Kolbeneinheit anliegen, sowie durch Zuleitungs- und Ableitungskanäle und Steuerfenster 182,183(F i g. 1,2) oder 482,583 (F i g. 9).

Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 bis 8 sind die Endteile Seitenteile und die Kolbennabe mit einer zentralen Rotorbohrung gleichen Durchmessers versehen, in die die Buchse 90 so eingesetzt ist, daß die Teile der Kolbeneinheit sich passend auf ihr zentrieren. Die Innenfläche der mit der Kolbeneinheit rotierenden Buchse 90 ist als Steuerfläche ausgebildet. Von ihr aus gehen die Kanäle im Kolben 81, welche in die jeweiligen Arbeitskammern 95 einmünden. Innerhalb der Bohrung in der Buchse 90 ist der Steuerkörper 81 so angeordnet, daß dessen zylindrische Außenfläche dicht in die Buchse

90 eingepaßt ist und die Außenfläche des Steuerkörpers die stationäre Steuerfläche bildet, die zusammen mit der rotierenden Steuerfläche, also der Innenfläche der Buchse, den Stenerspiegel bildet, durch den die Zuführung und Abführung des Fluids gesteuert wird und zwischen dessen Steuerflächen sich ein Fluidfilni befindet. Anstelle der dargestellten Ausführung, bei der eine Buchse 90 in die Teile der Kolbeneinheit eingesetzt ist, kann die Kolbeneinheit auch so ausgebildet sein, daß die Wände der zentralen Kolbenbohrung die rotierende Steuerfläche bilden und der Steuerkörper direkt in ihr gleitet.

Die Kolbennabe 81 und deren Seitenteile 83 und 84 sind in bekannter Weise mit etwa radialen Schlitzen 94 und 93 versehen, in denen die Kolbenschieber in etwa radialer Richtung auswärts und einwärts beweglich gelagert sind. Die durch die Schlitze 93 gebildeten Sektoren in den Seitenteilen 83 und 84 sind durch Stege

91 radial außerhalb der Schlitzteile 93 miteinander üu durchgehenden Umfangswandungen verbunden, indem die Stege die Schlitze 93, die auch auf ihrer radialen Innenseite durch Stege verschlossen werden, auch auf ihrer radialen Außenseite verschließen. Außerdem werden Kolbennabe 81, deren Seitenteile 83 und 84 und die Endteile 85 und 86 durch miteinander fluchtende, um die Kolbenachse verteilte Bohrungen 58 in axialer Richtung durchsetzt. Vorzugsweise besitzt jedes Segment der Teile mindestens eine solche Bohrung 58. In die gemeinsamen, fluchtenden Bohrungen 58 sind die Zentrierbuchsen 88 und in diese die Haltebolzen 89 eingepaßt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Bolzen 89 außerdem durch den Flansch 87 der Maschinenwelle hindurchgeführt, und durch Muttern axial außerhalb des Endteils 85 und des Flansches 87 zusammengehalten und gespannt. Der Flansch 87 kann gegebenenfalls auch fortgelassen werden.
In Fig.2 ist in einem der Schlitze, und zwar in demjenigen, durch den die Schnittlinie I gelegt ist, der zugeoidnete Kolbenschieber nicht dargestellt, damit im Schnitt nach Fig. 1 die Ausbildung der Schlitze 93 und 94 und die Arbeitskammer 95 besser sichtbar werden. In

ίο der praktischen Ausführung sind jedoch alle Schlitze mit Kolbenschiebern besetzt.

Aus den Einzelteilfiguren 3 bis 8 ist ferner ersichtlich, daß die einzelnen Teile als ebene Ringe oder Scheiben mit Bohrungen und Schlitzen ausgebildet sind. Diese werden praktisch entweder mittels Bohrer oder Räumnadeln hergestellt und mit Feinwerkzeugen nachgearbeitet, oder sie werden in entsprechenden Formen, z. B. aus Leichtmetallen, Sintermetallen, Bakeliten, Kunststoffen od. dgl. gepreßt. Sie werden dann plan geschlifen und sind so einfache Teile, die exakt herstellbar sind, da inbesondere im Spritzgußverfahren und im Preßverfahren die Schlitze 93 und 94 sowie auch die Bohrungen 58 in den verschiedenen Teilen genau fluchten, wenn die Formen gemeinsam bearbeitet werden, so daß zwischen den einzelnen Formen relativ zueinander keine Fehler entstehen können. Wie die praktische Erprobung gezeigt hat, können durch Pressen solcher Teile aus Sintermetallen mittels gemeinsam hergestellter und gemeinsam feinbearbeiteter Preßformen absolute Genauigkeit der hergestellten Teile mit Abweichungen von weniger als einem hundertstel Millimeter erzielt werden.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig.9 bis 15 ist der stationäre Steuerkörper 581 mit einer Endfläche

J5 versehen, die als Steuerfläche dient und in die fluidleitende Kanäle 482 und 583 einmünden. Das Endteil 485 ist mit Kanälen 98 versehen, die mit entsprechenden fluidleitenden Kanälen 97 im Seitenteil 483 bzw. in der mit diesem aus einem Stück bestehenden Kolbennabe 481 kommunizieren. Die Kanäle 97 erstrecken sich jedoch nur teilweise durch die Kolbennabe 481 und sind in Richtung auf die radial benachbarte Arbeitskammer offen, indem sie die Kolbennabe in radialer Richtung in Form einer Öffnung unterbrechen. Die Kanäle 97 dienen der Zuführung und Ableitung des Fluids zu und von den betreffenden zugeordneten Arbeitskammern. Sie können auch, wie im Ausführungsbeispiel dargestellt ist, so ausgebildet sein, daß sie einen Sitz für die Mutter oder den Kopf eines in die Bohrung 58 im Endteil 51 der Kolbennabe eingepaßten Haltebolzens bilden. Der Bolzen sitzt dann mit dem Kopf in dem Sitz 53 des Endteils 96 und erstreckt sich mit seinem Bolzenschaft durch die zugeordneten Bohrungen 58 in der Kolbennabe 481, im Seitenteil 84 und im Endteil 96. Der Sitz 53 kann in dem Endteil jeweils dort eingearbeitet sein, wo eine Mutter oder ein Bolzenkopf aufzunehmen ist.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ferner das Endteil % mit Kammern 99 versehen. In sie münden

M) Verbindungsbohrungen 52 ein, die sich axial durch das Endteil 96 und das benachbarte Seitenteil 91 erstrecken bzw. in einen der Schlitze im Seitenteil 91 einmünden. In die Kammer 99 sind Verschlußkörper 55 axial beweglich eingepaßt. Dichtmittel, wie z. Ii. Ringdichtungen 56,

i>-> könnc-i zur Abdichtung der zwischen dem VerschluU-körper 55 und dem Endteil % gebildeten Kammer vorgesehen sein. In die Kammer 99 kann Fluid aus den Kanälen 482 oder 583 über die Kanüle 98 und 97 in die

Arbeitskammer ein- und in umgekehrter .Strömungsrichtung aus ihnen heraustreten. Der dabei in der jeweiligen Arbeitskammer ausgebildete Druck im Fluid pflanzt sich durch die zugeordnete Bohrung 52 auch in die zugeordnete Kammer oder zugeordnete Kammern 99 fort und bewirkt dadurch eine axiale hydraulische Abstützung der Kolbeneinheit, die sich in axial entgegengesetzter Richtung am Steuerkörpcr 581 abstützt.

Die Teile der Kolbeneinheit können mit einer zentralen Bohrung versehen sein, durch die man eine Welle oder ein Rohr hindurchführen kann, oder man kann in diesen Teilen Keilnuten, Keile, Sechskant· oder Mehrkantbohrungen od. dgl. vorsehen, so daß diese einen entsprechend geformten Schaft oder eine entsprechend geformte Welle aufnehmen können, um entweder von dieser in Umlauf versetzt zu werden oder die betreffende Welle od. dgl. zum Umlauf anzutreiben. Die erläuterte Ausführungsform ist konstruktiv und montagemäßig besonders einfach, da die durchgehende Welle das Anflanschen derselben erübrigt und außerdem durchgehende Teile Verbindungen zu anderen Maschinen schaffen können.

Die Auswirkung der Ausbildung der Kolbeneinheit nach der Erfindung wird am besten anhand von Fig. 16 und 17 verständlich. Fig. 16 zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführung nach dem bekannten US-PS 32 46 574. Die radialen Schlitze in der Kolbennabe und in den Seitenteilen sind radial nach außen offen. Die Seitenteile sind jedoch von einem passenden Ring 412 umschlossen, der dabei auch die Schlitze in den Seitenteilen radial nach außen verschließt. Kolben und Seitenteile sind durch die in Bohrungen eingepaßten Bolzen 405, 406 usw. bei gegenseitiger Zentrierung zusammengehalten. Bei mittleren Drücken ist die Arbeitsweise einer solchen bekannten Kolbeneinheit einwandfrei. Bei hohen Drücken aber treten hohe Leckverluste und Verklemmungen auf. die bis zum Bruch der Maschine führen können. Die genaue Untersuchung der Ursachen dieser Erscheinung zeigt, daß am der Hochdruckzone her Fluidkräfte in Richtung der Pfeile 40t und 402 auf die Kolbenschieber 409 und 410 wirken. Diese versuchen an sich den Kolben in Richtung der Pfeile 414 zu zerbrechen. Nur die schwachen inneren Stege 403 und 404 sowie der umgebende Ring 412 und die Bolzen 405, 406 in den Bohrungen verhindern das Zerbrechen des Kolbens bzw. der Seitenteile unter hoher Belastung in Richtung der Pfe e 401 und 402. Für niedere und mittlere Drücke ist d2s auch ausreichend. Bei hohen und höchsten Drücken aber reicht die Tragkraft dieser Teile nicht aus. um Deformationen zu verhindern, da die einzelnen Sektoren jeweils nur an einem einzigen inneren Steg 403 oder 404 und jeweils nur an einem oder nur einzigen Bolzen 405 oder 406 hängen. Zum weiteren Nachteil wirkt sich der hohe Druck im Fluid auch noch dadurch aus, daß sich der Ring 412 unter den Fluidkräften in Richtung der Pfeile 413 radial nach außen aufweitet. Dadurch entsteht ein kleiner Spielraum 411 zwischen den Sektoren der Seitenteile und dem sie umgebenden Ring 412. Durch diesen Ringspalt entweicht Leckflüssigkeit aus Hochdruckkammern in Niederdruckkammern und es werden, was noch nachteiliger ist, die einzelnen Sektoren 407 und 408 im Ausmaße des Spaltes verlagerbar. Die gesamte hohe Belastung in Richtung der Pfeile 401 und 402 hängt dann ausschließlich an den einzelnen Segmenten 407 und 408, und diese wiederum hängen ausschließlich an den inneren Stegen 403 bzw. 404 und den einzelnen Bolzen 405 oder 406. Diese geben jedoch bei höheren Belastungen naturgemäß im Rahmen der elastischen Materialverformung nach, was ein Abkippen der Sektoren 407 und 408 in Richtung der Pfeile 414 bewirkt. Das Ausmaß der Abkippung ist zwar nur gering und beträgt nur einige tausendstel oder hundertstel Millimeter, aber es führt zum Festklemmen der betreffenden Kolbenschieber in den Schlitzen in det linken Hälfte von F i g. 16. denn dort verengen sich untei dem hohen Druck und der Abkippung der Sektoren 403 und 408 die Schlitze und klemmen dabei die Kolbenschieber darin fest. Es kommt alsdann zi Störungen oder zum Bruch der Maschine.

In F ig. 17 ist gezeigt, wie sich demgegenüber eint Ausführung nach der Erfindung verhält. Den bekannter inneren Stegen 404 in den Seitenteilen sind die äußerer Stege 91 und 94 zugeordnet, derart, daß die äußerer Stege die einzelnen Sektoren zwischen den Schlitzer fest zusammenhalten und mit ihnen ein einziges ir Umfangsrichtung durchgehendes Stück bilden. Eir Nachgeben in Tangentialrichtung von einem Sektoi zum nächsten ist dadurch ausgeschlossen. Kräfte, die aul einen Teil des Seitenteiles übertragen werden, pflanzer sich gleichmäßig durch das ganze Seitenteil fort unc verteilen dadurch die Belastung auf den größten Teil de« Seitenteils, während sie vorher nur auf den einzelner Sektoren desselben iag. Da fluiddurchströmte Umlauf kolbenmaschinen selten weniger als mindestens !

Kolbenschieber und 5 Arbeilskammern haben, werder nach der erfindungsgemäßen Ausführung mindestens ! Bolzen 89 verwendet, die je einen Seitenteilsektor mii dem unnachgiebigen Endteil verbinden und deshalb hohe Tangentialkräfte aufnehmen und Deformationer widerstehen können. Diese tangentiale Unnachgiebig keit wird noch unterstützt durch die inneren unc äußeren Endteilstege 404 bzw. 91 und 94 sowie die anderen (in Fig. 17 nicht numerierten) Seitenteilstege Die Tangentialbelastung in Richtung der Pfeile 401 unc 402 wird deshalb nicht nur durch die Bolzen 89 in der beiden den Stegen 404 benachbarten Sektoren getra gen. sondern durch die Summe aller sich durch die Seitenteile und Endteile erstreckenden und passend ir sie eingesetzten Bolzen 89 und durch die Summe allei inneren und äußeren Seitenteilstege 404 bzw. 91 und 9* usw.

Gegenüber zwei tragenden Bolzen und Stegen nacr den bekannten Ausführungen erhält man somi mindestens fünf in den unnachgiebigen Seitenteiler unterstützend tragende Bolzen 89 und ferner minde stens zehn (innere und äußere) tragende Seitenteilstege da alle Bolzen und Stege, gleichgültig in welcher Sektoren sie sich befinden, nunmehr in Tangentialrich tung tragen und entsprechende Belastungen aufnehmen Die Belastung der einzelnen Bolzen und Stege in Nähe der belasteten Kolbenschieber im Bereiche des innerer bzw. äußeren Totpunktes ist also trotz größerei Belastbarkeit der Kolbenschieber bedeutend verringert denn die Kräfte sind auf eine größere Anzah

wi tragfähiger Bolzen, Stege und Segmente verteilt

Es wird somit größere Dichtheit höhere Druckbelast barkeit und geringere Teilbelastung der Materialien be gesteigerter Maschinenleistungsfähigkeit erreicht Di« Maschinen können daher selbst bei Verwendung vor

6S Materialien geringerer Festigkeit mit größeren Leistun gen als bisher arbeiten. Daraus ergibt sich auch dis Möglichkeit die Teile billig zu pressen oder zu formen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1
Patentanspruch:

Hochdmck-Umlaufkolbenmaschine mit Hubeingriff und Schlupfeingriff zwischen einem exzentrisch angeordneten, sich drehenden Kolben, bestehend aus einer Kolbennabe und in ihr in Nuten radial beweglichen Kolbenschiebern, und einem Gehäusemantel, der beidseitig von Seitenteilen begrenzt ist, die mildern Kolben verbunden sind und Radialschlitze aufweisen, die mit den Nutflanken in der Kolbennabe fluchten, um die Kolbenschieber seitlich zu führen, mit an den Seitenteilen anschließenden Endteilen, wobei Endteile, Seitenteile und Kolbennabe vor· durchgehenden Bolzen durchsetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Bolzen (89) Paßsitz haben und daß die Radialschlitze (93,94) in den Seitenteilen. (83, 84) radial innerhalb der Umfangswandung der Seitenteile enden.