DE19626938A1 - Sternförmige Kolben-Zylinderanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine sternförmige Kolben-Zylinderanordnung mit einer Welle, insbeson­ dere Radialkolbenpumpe mit Antriebswelle oder Sternmotor mit Abtriebswelle, wobei die Welle von radial ausgerichteten Zylindern umgeben ist, in denen verschiebbare Kolben angeordnet sind, die durch Pleuelstangen über einen Exzenter mit der Welle verbunden sind.

Bei einer Radialkolbenpumpe wird die Antriebswelle sternförmig von radial ausgerichteten Zylindern um­ geben, in denen Kolben angeordnet und bezüglich der Welle in radialer Richtung beweglich sind. Die Kol­ ben befinden sich zumeist näherungsweise in einer gemeinsamen Ebene und sind durch Pleuelstangen und einen Exzenter mit der Welle verbunden. Als Exzen­ ter, der im allgemeinen von etwa zylinderischer Ge­ stalt ist, kann beispielsweise eine aufgesetzte Scheibe oder ein gekröpfter Teil der Welle dienen. Wird die Antriebswelle in Rotation versetzt, so be­ wegen sich die Kolben in oszillierender Weise in den Zylindern, so daß durch eine geeignete Steue­ rung mittels Ventilen oder Schiebern eine Förderung fluider Medien möglich ist. Insbesondere bei einer großen Zahl der Zylinder, in denen die Bewegung der Kolben um einen Phasenwinkel versetzt erfolgt, ver­ eint die Radialkolbenpumpe den Vorteil des hohen erreichbaren Förderdrucks bei guter Überströmdich­ tigkeit, wie er bei einer gewöhnlichen Kolbenpumpe gegeben ist, mit einer über den gesamten Umlauf na­ hezu konstanten Fördermenge. Aus diesem Grund eig­ nen sich Radialkolbenpumpen speziell zum Einsatz in Kraftfahrzeugen, beispielsweise als Kompressoren zur Druckbeaufschlagung hydraulischer Systeme.

Von mechanisch analogem Aufbau sind - gegebenen­ falls mit Ausnahme einer Zündvorrichtung - Sternmo­ toren, bei denen ein in den Zylindern verbranntes Arbeitsgas, im allgemeinen ein Treibstoff-Luft-Ge­ misch, zum Antrieb der Kolben und damit der Welle dient. Für Sternmotoren gelten daher in gleicher Weise die nachfolgend beschriebenen Probleme und erfindungsgemäßen Lösungen.

Gebräuchliche Radialkolben sind in ihrem Aufbau vergleichsweise aufwendig, was in hohem Maße durch die eingesetzten Fertigungstechniken begründet ist. Weiterhin ist es notwendig, zumindest die Angriffs­ punkte der Pleuelstangen an dem von ihnen umgriffe­ nen Exzenter, in der Regel jedoch auch die Zylin­ der, in axialer Richtung der Welle gegeneinander zu versetzen. Auch in diesem Fall ist die nachteilige Folge eine Erhöhung des Aufwandes bei der Ferti­ gung. Insbesondere technisch einfache, zur Herstel­ lung von Massenprodukten geeignete Fertigungstech­ niken sind bisher beim Bau von Radialkolbenpumpen oder Sternmotoren nahezu unbekannt. Die Folge ist ein vergleichsweise hoher Preis, der die Einsatzbe­ reiche beschränkt.

Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Schaffung einer sternförmigen Kolben-Zylinderanord­ nung zur Aufgabe gestellt, bei der eine koplanare Anordnung aller Kolben und Pleuelstangen möglich ist und sich die Herstellung wesentlich vereinfa­ chen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die wellenseitigen Enden der Pleuelstangen an unterschiedlichen Punkten des Umfangs eines gemein­ samen Rings befestigt sind, die Pleuelstangen ge­ genüber dem Ring in dessen Ebene verschwenkbar sind, der Ring den Exzenter umgreift und der Ring achsenparallel zur Welle um den Exzenter drehbar ist.

Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung ist der Exzen­ ter von einem Ring umgeben, der achsenparallel zur Welle drehbar ist. Somit kann der Ring während ei­ nes Umlaufs der Welle auf der Oberfläche des Exzen­ ters abgleiten und seine Orientierung raumfest bei­ behalten, die aufgrund der Verbindung mit mehreren Zylindern vorgegeben ist. In seiner Lage ist er da­ gegen verschiebbar, so daß er den Bewegungen des Exzenters folgen kann und damit die Energieübertra­ gung zwischen Kolben und Welle gewährleistet ist. Prinzipiell ist ein Spiel zwischen dem Exzenter und dem Ring denkbar, d. h. der Innendurchmesser des Rings übersteigt den Außendurchmesser des Exzen­ ters. Mit zunehmender Abweichung verschlechtert sich jedoch die Momentübertragung zwischen Ring und Exzenter, so daß ein allseitiges Anliegen bevorzugt ist.

Die Bewegung der Kolben und Pleuelstangen der Vor­ richtung, z. B. einer Pumpe, erfolgt auf herkömmli­ che Weise. Die wellenseitigen Enden der Pleuelstan­ gen sind jedoch im Gegensatz zum Stand der Technik nicht unmittelbar am Exzenter befestigt, sondern an unterschiedlichen Punkten entlang des Ringumfangs. Damit die Kolben phasenverschoben gegeneinander be­ wegbar bleiben, ist es notwendig, daß die Pleuel­ stangen gegenüber dem Ring in seiner Ebene ver­ schwenkbar sind. Als Materialien der Bauteile bie­ ten sich Metalle oder Kunststoffe an, bei hohen thermischen oder mechanischen Belastungen, also insbesondere in Motoren, auch keramische Materia­ lien.

Der Vorteil der vorgeschlagenen Vorrichtung besteht insbesondere in der Möglichkeit einer ausgesprochen einfachen Fertigung. Je nach Material bietet sich beispielsweise die Herstellung durch Spritzgießen, Schmieden, Pressen oder Räumen an. Bevorzugt ist jedoch eine Fertigung durch Stanzung. Auf diese Weise lassen sich insbesondere einfache Ausführun­ gen von Pumpen bzw. Motoren auf preiswerte Weise herstellen. Dazu trägt bei, daß sich die Bauteile ohne axialen Versatz in einer gemeinsamen, gegebe­ nenfalls auch in zwei oder mehr Ebenen anordnen lassen.

Die Befestigung der Pleuelstangen kann auf unter­ schiedliche Weisen erfolgen, z. B. indem der Ring umlaufend mit parallel der Wellenachse verlaufenden Bohrungen versehen ist, in die endseitige Bolzen der Pleuelstangen eingreifen. Eine besonders vor­ teilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht je­ doch darin, daß der Ring umlaufend Aussparungen aufweist, die jeweils über einen Spalt mit seiner in radialer Richtung äußeren Seite in Verbindung stehen. Die zugehörigen Pleuelstangen sind mit ei­ ner endseitigen Verdickung versehen, die in die Aussparung eingebracht ist und durchgreifen den Spalt. Die Fixierung wird gewährleistet, indem der Durchmesser der Verdickung den des Spaltes über­ steigt. Zwischen Pleuelstange und Spalt besteht ein Spiel, d. h. der Durchgriff erfolgt beabstandet, da­ mit die Verschwenkbarkeit gegenüber dem Ring in ausreichendem Maße möglich ist. Speziell bei einer Fertigung von Ring und Pleuelstangen als Stanztei­ len wird auf diese Weise die Möglichkeit einer ein­ fachen Herstellung und Montage der Elemente gege­ ben.

In analoger Weise läßt sich auch die Verbindung zwischen Pleuelstangen und Kolben vornehmen. Dazu ist eine Aussparung im Kolben notwendig, die über einen Spalt mit seiner der Welle zugewandten Seite in Verbindung steht. Die Pleuelstange weist eine in die Aussparung eingelegte, kolbenseitige Verdickung auf, wobei die Bemaßung der Elemente relativ zuein­ ander in analoger Weise wie bei der Befestigung der Pleuelstangen am Ring vorzunehmen ist.

Mit dem Ziel einer einfachen Fertigung, großflächi­ gen Verteilung auftretender Kräfte und verschleiß­ armer Verschwenkbarkeit sind sowohl Aussparungen von Kolben bzw. Ring als auch die endseitigen Ver­ dickungen der Pleuelstangen bevorzugt von zylindri­ scher Gestalt. Dabei ist die Zylinderachse parallel der Wellenachse ausgerichtet. Speziell wenn sich die Durchmesser der zylindrischen Verdickung und der hohlzylindrischen Aussparung entsprechen, ist somit eine große Anlagefläche mit entsprechend ver­ ringerter lokaler Belastung sichergestellt.

An die Spalte zwischen Aussparungen und Kolben- bzw. Ringoberfläche besteht einerseits die Anforde­ rung eines geringen Durchmessers zur Gewährleistung einer guten mechanischen Stabilität; andererseits muß ihr Durchmesser eine genügende Verschwenkbar­ keit der Pleuelstangen gewährleisten. Daher wird vorgeschlagen, daß sich die Spalte in Richtung der äußeren Oberfläche von Ring bzw. Kolben, also in Richtung des Zentrums der Pleuelstange, in ihrem Durchmesser erweitern. Auf diese Weise wird auch bei minimalem Durchmesser eine ausreichende Ver­ schwenkbarkeit der Pleuelstangen gewährleistet.

Speziell bei höheren mechanischen Belastungen las­ sen sich auftretende Deformationen der Bauteile vermeiden, wenn die Ränder eines Spaltes mit einer Klammer verbunden sind. Vorteilhaft ist ein Paar von Klammern, die beidseitig der Pleuelstange an­ geordnet sind. Im Fall der Spalte im Ring sind an­ stelle einzelner, den Pleuelstangen zugeordneter Klammern ein oder zwei Klemmringe bevorzugt, die den Ring auf seiner in radialer Richtung äußeren Seite oder an einer oder beiden axialen Stirnseiten umgreifen.

Zum Zweck der Verminderung des Verschleißes und zur Erhöhung der Standzeit der Bauteile ist es von Vor­ teil, die Oberflächen der Lager zu vergüten. Im speziellen wird vorgeschlagen, die Oberflächen der Aussparungen und/oder Verdickungen der Pleuelstan­ gen zu härten. Weiterhin sind Gleitbeläge zweckmä­ ßig, die den Reibungskoeffizienten zwischen den Oberflächen vermindern und gegebenenfalls einen schmierstofffreien Betrieb gestatten.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er­ findung lassen sich dem nachfolgenden Beschrei­ bungsteil entnehmen, in dem anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläu­ tert wird. Die Zeichnung zeigt in prinzipienhafter Darstellung

Fig. 1 Schnitt durch eine erfindungsgemäße Radialkolbenpumpe,

Fig. 2 Schnitt durch die Verbindung zwischen Pleuelstange und Ring.

Die Darstellung in Fig. 1 gibt den Schnitt durch eine Radialkolbenpumpe senkrecht der Drehachse (1) der Welle (2), die zu ihrem Antrieb dient, wieder. Die Welle (2) ist sternförmig von Zylindern (3) mit darin befindlichen Kolben (4) umgeben, wobei stirn­ seitig an den Zylindern (3) angeordnete Ventile (5, 6) den Ein- und Auslaß fluider Medien, die durch die Pumpe gefördert werden, gestatten. Pleuelstan­ gen (7) verbinden die Kolben (4) mit einem Ring (8), der drehbar auf einem scheibenförmigen Exzen­ ter (9) der Welle (2) befestigt ist. Sowohl gegen­ über dem Ring (8) als auch gegenüber den Kolben (4) sind die Pleuelstangen (7) verschwenkbar.

Dreht sich die Welle (2) mit Exzenter (9), so folgt ihnen der Ring (8) zwangsläufig, d. h. seine Lage im Raum entspricht stets der des Exzenters (9). Seine Ausrichtung im Raum ist jedoch infolge der Verbindung mit den in ortsfesten Zylindern (3) ge­ führten Kolben (4) vorgegeben, so daß er der Rota­ tion der Exzenterscheibe (9) nicht folgt, sondern seine Innenfläche (10) auf ihr abgleitet. Der Ring (8) führt somit bei vorgegebener Ausrichtung eine oszillierende, kreisförmige Bewegung in der Zei­ chenebene aus. Auf diese Weise werden die Kolben (4) über die Pleuelstangen (7) bewegt.

Fig. 2 stellt einen Schnitt durch den Ring (8) im Bereich seiner äußeren Seite (11) dar, welcher die Verbindung zur Pleuelstange (7) zeigt. In gleichar­ tiger Weise läßt sich auch die Verbindung zwischen Pleuelstange (7) und Kolben (4) ausführen. Der Ring (8) weist eine zylindrische Aussparung (12) auf, die über einen Spalt (13) mit seiner äußeren Seite (11) in Verbindung steht. Der sich zur äußeren Seite (11) hin erweiternde Spalt (13) wird durch die Pleuelstange (7) durchgriffen, deren endsei­ tige, zylindrische Verdickung (14) in ihrem Durch­ messer der Aussparung (12) entspricht und die Pleu­ elstange fixiert. Aufgrund des Spiels zwischen den Rändern des Spalts (13) und der Pleuelstange (7) sowie der Ausführung von Aussparung (12) und Ver­ dickung (14) als konzentrische Zylinder, ist eine Verschwenkung der Pleuelstange (7) um die Zylinder­ achse (15) möglich, die parallel der Drehachse (1) verläuft. Oberflächliche Belagschichten (16, 17), beispielsweise Gleitbeläge oder gehärtete Schich­ ten, von Aussparung (12) und Verdickung (14) ver­ mindern den Verschleiß und gewährleisten eine leichtgängige Verschwenkbarkeit.

Insbesondere im Fall der Fertigung durch Stanzung lassen sich die Bauteile auf einfache Weise zusam­ menfügen, indem die Pleuelstangen (7) endseitig in Richtung der Zylinderachse (15) in die Aussparungen (12) eingelegt werden. Mittels einer Klammer (18), die vorzugsweise als den Ring (8) umlaufender Klemmring ausgebildet ist, werden die Pleuelstangen (7) in dieser Lage fixiert. In der Regel erweisen sich in axialer Richtung beidseitig der Pleuel­ stange (7) angeordnete Klammern (18) als zweckmä­ ßig, die zudem den Ring (8) durch Verbindung der Ränder des Spaltes (13) in seiner Form stabilisie­ ren. Speziell im Fall der Fertigung des Rings (8) als Gußteil besteht auch die Möglichkeit einer Formstabilisierung und Festlegung der Pleuelstangen (7), indem die Aussparungen (12) und/oder der Spalt (13) in axialer Richtung einseitig geschlossen sind.

Im Ergebnis entstehen auf diese Weise Radialkolben­ pumpen bzw. Sternmotoren, die sich durch die Mög­ lichkeit einer ausgesprochen einfachen und preis­ werten Fertigung auszeichnen.

Claims (9)

1. Sternförmige Kolben-Zylinderanordnung mit einer Welle, insbesondere Radialkolbenpumpe mit Antriebs­ welle oder Sternmotor mit Abtriebswelle, wobei die Welle von radial ausgerichteten Zylindern umgeben ist, in denen verschiebbare Kolben angeordnet sind, die durch Pleuelstangen über einen Exzenter mit der Welle verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die wellenseitigen Enden der Pleuelstangen (7) an unterschiedlichen Punkten des Umfangs eines gemein­ samen Rings (8) befestigt sind,
• - die Pleuelstangen (7) gegenüber dem Ring (8) in dessen Ebene verschwenkbar sind,
• - der Ring (8) den Exzenter (9) umgreift
• - und der Ring (8) achsenparallel zur Welle (2) um den Exzenter (9) drehbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ring (8) Aussparungen (12) auf­ weist, die über einen Spalt (13) mit seiner in ra­ dialer Richtung außen liegenden Seite (11) in Ver­ bindung stehen, die Pleuelstange (7) den Spalt (13) durchgreift und eine endseitige Verdickung (14) aufweist, deren Durchmesser den des Spaltes (13) übersteigt und die in die Aussparung (12) einge­ bracht ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kolben (4) eine Aussparung (12) aufweisen, die über einen Spalt (13) mit sei­ ner der Welle (2) zugewandten Seite in Verbindung stehen, und die Pleuelstange (7) den Spalt (13) durchgreift und eine endseitige Verdickung (14) aufweist, deren Durchmesser den des Spaltes (13) übersteigt und die in die Aussparung (12) einge­ bracht ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Aussparungen (12) und/oder Ver­ dickungen (14) von zylindrischer Gestalt mit paral­ lel der Drehachse (1) der Welle (2) ausgerichteter Zylinderachse (15) sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalte (13) sich in Richtung der äußeren Oberfläche von Ring (8) bzw. Kolben (4) erweitern.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder eines Spal­ tes (13) mit einer Klammer (18) verbunden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ring (8) stirnseitig oder radial außenseitig einen Klemmring aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der Aussparungen (12) und/oder Verdickungen (14) gehär­ tet oder mit einem Gleitbelag versehen sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Ring (8) und/oder Pleuelstangen (7) und/oder Kolben (4) Stanzteile sind.