DE19507545C2 - Drehkolbenmaschine (Hydromotor oder -pumpe) - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine (Hydromotor oder -pumpe) mit umlaufendem Verdrängerkolben, mit umlaufendem Dichtungskolben und mit Zahnradtrieb zwischen Verdrängerkolben und Dichtungskolben.

Bei den in Hydraulikanlagen eingesetzten bekannten Hydromotoren und Hydropumpen mit variablem Verdrängervolumen handelt es sich um Axialkolben-, Radialkolben- oder Flügelzellenausführungen. Der prinzipielle Aufbau dieser Ausführungen wirkt sich nachteilig auf Geräuschentwicklung und Wirkungsgrad aus, insbesondere auch auf den Gesamtwirkungsgrad in hydrostatischen Getrieben.

Alle hauptsächlich als Drehkolbenpumpen bekannten Drehkolbenmaschinen haben nur konstantes Verdrängervolumen und werden in hydrostatischen Antrieben wegen des Ungleichförmigkeitsgrades und der schwierigen Dichtprobleme der nur mit Linieberührung aneinander gleitenden Drehkolbenkonturen nicht verwendet.

Zur Verbesserung des Ungleichförmigkeitsgrades ist die axiale Aneinanderreihung mehrerer, jeweils mit den zwei Drehkolben gebildeter Sektionen bekannt. Die prinzipiellen Dichtprobleme an der nur mit einem gewissen Mindestspiel möglichen Linienberührung der Drehkolben, die funktionsbedingt aneinander vorbeigleiten müssen, bleiben jedoch bestehen. Es wurde auch eine Drehkolbenpumpe vorgeschlagen, bei der zwei stabförmige Förderkolben zwecks Änderung der Fördermenge in axialer Richtung verschoben werden. Ein hoher Wirkungsgrad ist auch bei den Gestaltungsmöglichkeiten, die dieses Prinzip zuläßt, nicht erreichbar. Es sind nur geringe Spaltlängen realisierbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verdrängerprinzip mit variablem oder konstantem Verdrängervolumen für Drehkolbenmaschinen zu entwickeln, welches gleichmäßig und pulsationsfrei arbeitet, die direkte Übertragung der hydrostatischen Kraft auf die Hydromotor- bzw. von der Hydropumpenwelle ermöglicht und Voraussetzungen für enge und lange Dichtspalte sowie große Durchflußquerschnitte in jeder Stellung der bewegten Teile bietet.

Die Aufgabe ist in vorteilhafter Weise mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst. Die hydrostatische Kraft wird direkt als Umfangskraft auf den Rotor bzw. vom Rotor übertragen und die gleichmäßige, nicht pulsierende Arbeitsweise sowie der Parallellauf der Verdrängersysteme bei Übernahme der hydrostatischen Kraft bringt einen schwingungsarmen Lauf und einen niedrigen Geräuschpegel mit sich. Auch die Zahnräder sind nicht an der Übertragung der Leistung beteiligt.

Nicht vorhandene translatorisch bewegte Teile und die weitgehende hydrostatische Druckentlastung oder der vollständige axiale hydrostatische Druckausgleich an den Rotoren, die weitgehende hydrostatische Druckentlastung sowie der vollkommene hydrostatische Druckausgleich während jeder halben Umdrehung der Drehschieber und die großen Durchflußquerschnitte der Steuerkanäle in jeder Stellung der Rotoren sorgen für einen hohen mechanisch-hydraulischen Wirkungsgrad.

Die erfindungsgemäße Ausführung und Anordnung der Verdrängersysteme läßt geringe Spalthöhen und große Spaltlängen zwischen den bewegten Bauteilen zu, vermeidet eine komplizierte Absperrfunktion zwischen Drehschieberaussparung und Rotorsegment vollkommen und bietet somit die Voraussetzung für einen hohen volumetrischen Wirkungsgrad. Die hydrostatische Stellmöglichkeit des Verdrängervolumens ist sehr vorteilhaft in die Konstruktion der Drehkolbenmaschine integriert.

Ausführungsbeispiele

Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Drehkolbenmaschine mit variablem Verdrängervolumen und einem Rotor.

Fig. 2 Schnitte A-A und B-B in Fig. 1, schematische Darstellung des Flüssigkeitsstromes bei Verwendung als Hydromotor, Rotor gegenüber Längsschnitt 90° gedreht dargestellt.

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Drehkolbenmaschine mit variablem Verdrängervolumen und zwei außen angeordneten Rotoren.

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine Drehkolbenmaschine mit variablem Verdrängervolumen und zwei innen angeordneten Rotoren.

Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine Drehkolbenmaschine mit konstantem Verdrängervolumen und beiderseits zweier Rotoren angeordneter Verdrängerräume.

Fig. 6 einen Querschnitt durch eine Drehkolbenmaschine gemäß Fig. 5.

Fig. 7 einen Längsschnitt durch eine Drehkolbenmaschine mit variablem Verdrängervolumen und beiderseits zweier Rotoren angeordneter Verdrängerräume.

Erfindungsgemäß sind immer zwei abwechselnd wirkende Verdrängersysteme mit gleichem Schluck- bzw. Fördervolumen in Reihe geschaltet. Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1, Fig. 3 und Fig. 4 sind zwei, bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 5 und Fig. 7 je zwei aufgeteilte Verdrängersysteme angeordnet.

Bei der Drehkolbenmaschine mit variablem Verdrängervolumen nach Fig. 1 sind die Rotorsegmente 5, 6 an den Planseiten eines Rotors 4 angeordnet. Das komplette Gehäuse besteht aus den Gehäuseteilen 23, 24, den Flanschteilen 19, 20, dem Zwischenstück 25 und dem Deckel 26, die durch nicht dargestellte Schrauben in axialer Richtung miteinander verschraubt sind. Die kreisringförmigen Kanäle 1, 2 mit längenveränderlichem Rechteckqurschnitt werden gebildet durch die Gehäuseteile 23, 24, die Flanschbuchsen 19, 20 und stirnseitg einerseits durch die axial verschiebbaren Buchsen 11, 12 und anderseits durch die Planseiten des Rotors 4. Der auf der Hydromotor- bzw. Hydropumpenwelle sitzende Rotor 4 trägt zwei um 180° versetzte, axial verschiebbare Rotorsegmente 5, 6. Diese laufen in den kreisringförmigen Kanälen 1, 2 um und werden mit Arbeitsdruck an die Stirnseiten der Buchsen 11, 12 gedrückt. Eine Anfangsdruckkraft, z. B. durch nicht dargestellte federde Elemente, ist dabei erforderlich. Die Drehschieber 8, 9, von Welle 3 über Zahnräder 27, 28 gleicher Zähnezahl und Welle 7 angetrieben, geben den Rechteckquerschnitt der kreisringförmigen Kanäle 1, 2 abwechselnd zum Durchlauf der Rotorsegmente frei oder sperren ihn ab.

In der Fig. 2 wird beispielsweise Motorbetrieb und Rechtsdrehung der Welle angenommen. Die Druckflüssigkeit wird zu den Kanälen D1 geleitet. Das Rotorsegment wird in der dargestellten Drehrichtung getrieben, gleichzeitig verkleinert sich der Verdrängerraum auf der Abflußseite und die Druckflüssigkeit wird von den Kanälen A1 über Verbindungsleitung oder Verbindungskanal 10 und Kanäle D2 zum zweiten Verdrängersystem geführt.

Dort erfolgt um 180° versetzt der entspechende Vorgang von D2 zu A2, dabei strömt die Druckflüssigkeit über große Querschnitte unter Arbeitsdruck von D1 über A1 zu D2. Während die Übertragung der hydrostatischen Leistung auf die Welle des Hydromotors in dem einem Verdrängersystem erfolgt, wird in dem anderen Verdrängersystem durch den jeweiligen Drehschieber 8, 9 auch der Weg für das umlaufende Rotorsegment 5, 6 freigegeben. Das in der Drehkolbenmaschine vorhandene Druckflüssigkeitsvolumen ist unabhängig von der Stellung der in jedem Drehschieber 8, 9 vorhandenen Aussparung zum freien Durchlauf des Rotorsegmentes immer gleich. Einem durch beide Verdrängersysteme fließendem konstantem Volumenstrom entspricht bei gleichen Schluckvolumina in beiden Verdrängersystemen eine konstante Drehzahl des Hydromotors.

Die Übernahme der hydrostatischen Kraft von dem einem zum anderen Verdrängersystem erfolgt durch die erfindungsgemäß vorgesehene Reihenschaltung der Verdrängersysteme syncron, weil die Reihenschaltung einen Parallelbetrieb beider Verdrängersysteme bei der Übernahme des Antriebsmomentes durch das andere Verdrängersystem und eine entsprechende Anordnung der Steuerkanäle zuläßt.

Die in Fig. 2 dargestellten Rückschlagventile 35, 36 erlauben auch Differenzen der beiden Verdrängervolumina, diese lassen sich jedoch durch deren Syncronstellung sehr gering halten. Die syncrone Stellung der beiden Verdrängervolumina kann beispielsweise über syncrone Wegstellung an den Buchsen 11 und 12 oder bei Hydromotoren auch über vergleichende Drehzahlmessung erfolgen. Bei syncroner Stellung fließt auch bei dem kurzzeitigen Parallellauf beider Verdrängersysteme keine Druckflüssigkeit über die beiden Rückschlagventile 35, 36. Das kann erfindungsgemäß zum Stellen oder Regeln der Verdrängersysteme ausgenutzt werden, indem die Strömung durch die beiden Rückschlagventile auf Null gestellt oder geregelt wird. Die Zahnräder 27, 28 übertragen nur das durch Reibung erforderliche Moment zum Antrieb der Drehschieber 8, 9, welches durch den vollkommenen axialen Druckausgleich, vollkommenen radialen Druckausgleich auf ca. 180° und radiale hydrostatische Entlastung auf ca. 180° Drehschieberwinkel gering gehalten wird. In Fig. 2 sind an den Drehschiebern 8, 9 beispielsweise die Entlastungstaschen 21 und -bohrungen 22 angegeben.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 mit variablem Verdrängervolumen liegen die Rotorsegmente 5, 6 spiegelbildlich innen an je einer Planseite von zwei Rotoren 4 und die Zahnradübersetzung 27, 28 zentral. Das komplette Gehäuse besteht aus dem Gehäuseteil 23, den Flanschteilen 19, 20 und dem Deckel 26.

Bei hydrostatischer Stellung des Schluck- bzw. Fördervolumens wird zur Verringerung den Anschlüssen 30 und 32 Druckflüssigkeit zugeführt und von den Anschlüssen 29 und 31 wird Druckflüssigkeit abgeführt, bei Vergrößerung des Schluck- bzw. Fördervolumens umgekehrt. In Richtung Vergrößerung des Schluck- bzw. Fördervolumens wirkt auch der momentane Arbeitsdruck in den kreisringförmigen Kanälen 1, 2.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für variables Verdrängervolumen, bei dem die Planseiten zweier Rotoren mit den Rotorsegmenten 5, 6 spiegelbildlich nach außen angeordnet sind. Fig. 5 und Fig. 6 zeigen ein Ausführungsbeispiel mit konstantem Verdrängervolumen, bei dem die Rotorensegmente 5, 6 an allen vier Planseiten zweier Rotoren 4 und dementsprechend die Drehschieber 8, 9 auch doppeltseitig angeordnet sind, dadurch laufen die beiden Rotoren mit einem vollkommemen axialen hydrostatischen Druckausgleich.

Einen vollkommenen axialen hydrostatischen Druckausgleich an den Rotoren bei variablem Verdrängervolumen ermöglicht die Ausführung nach Fig. 7. An den beiden inneren Planseiten der beiden Rotoren sind die Rotorsegmente für einen konstanten Anteil des Verdrängervolumens und an den äußeren Planseiten sind die axial verschiebaren Rotorsegmente für einen variablen Anteil des Verdrängervolumens angeordnet.

Claims (9)

1. Drehkolbenmaschine (Hydromotor oder -pumpe) mit umlaufendem Verdrängerkolben, mit umlaufendem Dichtungskolben und mit Zahnradtrieb zwischen Verdrängerkolben und Dichtungskolben, mit folgenden Merkmalen:
jeweils zwei, sich mit der Übertragung der hydrostatischen Kraft abwechselnde, durch kreisringförmige Kanäle (1, 2) mit Rechteckquerschnitt, durch mindestens einen mit der Welle (3) verbundenen Rotor (4), durch am Rotor (4) um 180° versetzte Rotorsegmente (5, 6) sowie durch von der Welle (3) mit Zahnrädern (27, 28) gleicher Zähnezahl über eine zweite Welle (7) angetriebene Drehschieber (8, 9) gebildete Verdrängersysteme sind über eine Verbindungsleitung oder einen Verbindungskanal (10) in Reihenschaltung angeordnet;
die Rotorsegmente (5, 6) sind an beiden Planseiten eines Rotors (4), an je einer Planseite zweier Rotoren (4) spiegelbildlich innen oder spiegelbildlich außen oder an beiden Planseiten mehrerer Rotoren (4) und die Zahnräder (27, 28) zentral oder an einem Wellenende der Welle (3) angeordnet.

2. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechteckquerschnitt des Verdrängersystems längenveränderlich ausgebildet ist, daß jedes Rotorsegment (5, 6) fliegend, im Rotor axial verschiebbar und an der Planseite des Rotors (4), die eine Seite des kreisringförmigen Kanales (1, 2) bildet, andeordnet ist, wobei an der gleichen Planseite des Rotors (4) auch der zugehörige Drehschieber (8, 9) mit einer Breite größer oder gleich der Maximallänge des Rechteckquerschnittes des kreisringförmigen Kanales (1, 2) angeordnet ist und an der den kreisringförmigen Kanal (1, 2) begrenzenden anderen Seite eine mit einer nach der Form des Drehschiebers (8, 9) und des zugeordneten Stirndeckels (13, 14) oder Bundes der Bundbuchse (13, 14) gestaltete Buchse (11, 12) axial verschiebbar angeordnet ist.

3. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in Reihe geschalteten Verdrängersysteme derart aufgeteilt sind, daß nur Verdrängersysteme mit längenveränderlichem oder nur mit konstantem Rechteckquerschnitt der kreisringförmigen Kanäle (1, 2) oder Kombinationen von beiden angeordnet sind.

4. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchsen (11, 12) als Ringkolben mit einerseits voller Ringfläche und andererseits mit einer Teilringfläche entsprechend der durch den Stirndeckel (13, 14) oder den Bund der Bundbuchse (13, 14) gebildeten Form axial hydrostatisch verschiebbar angeordnet sind.

5. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes axial verschiebbare Rotorsegment (5, 6) durch einen hinter diesem im Rotor (4) vorhandenen geschlossenen Raum und durch eine von einer stirnseitigen Nut des Rotorsegmentes ausgehenden Bohrung (15, 16) mit dem momentanen, von der Rotorstellung abhängigen Arbeitsdruck hydrostatisch an die den kreisringförmigen Kanal (1, 2) begrenzende Stirnseite der Buchse (11, 12) andrückbar angeordnet ist, wobei zum axialen Vorspannen federnde Elemente zwischen Rotorsegment (5, 6) und Rotor (4) innerhalb des Rotors angeordnet sein können.

6. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rotor (4) am Umfang durch Bohrungen (17) von der Stirnseite des kreisringförmigen Kanales (1, 2) zu Taschen (18) zur gegenüberliegenden Planseite axial hydrostatisch druckentlastet oder durch Aufteilung jedes Verdrängersystemes auf zwei Planseiten eines Rotors druckausgeglichen angeordnet ist.

7. Drehkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehschieber (8, 9) durch entsprechende Taschen (21) und Bohrungen (22) radial hydrostatisch druckentlastet und axial druckausgeglichen angeordnet sind.

8. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im System Rückschlagventile (35, 36) angeordnet sind.

9. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Synchronstellung der beiden variablen Verdrängersysteme Geräte zur Strömungsmessung in den für die Rückschlagventile (35, 36) vorgesehenen Leitungen angeordnet sind.