DE19932864B4

DE19932864B4 - Hydraulischer Flügelmotor und hydraulisches System mit einem hydraulischen Flügelmotor

Info

Publication number: DE19932864B4
Application number: DE19932864A
Authority: DE
Inventors: Hakon Sverre Pedersen; Eirik Naess
Original assignee: Individual
Current assignee: Pedersen Hakon Sverre Hop No; Oil States Skagit Smatco LLC
Priority date: 1998-07-20
Filing date: 1999-07-14
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2019-07-15
Also published as: US6464478B1; KR20000011735A; NO308962B1; NO983338L; DE19932864B9; NO308962B2; DE19932864A1; NO983338D0; KR100546467B1

Abstract

Reversierbarer, hydraulischer Flügelmotor, der mindestens zwei Arbeitskammern (13, 14) und einen Rotor (9) mit Flügelschlitzen (10) und Flügel (11) in den Flügelschlitzen aufweist wobei jede Arbeitskammer (13, 14) eine mit Schlitzöffnungen (16, 17, 18, 19) ausgerüstete Bahn (15) hat, an die gelegt die Flügel laufen, wobei Dichtungsstreifen (12) in den jeweiligen Flügelschlitzen (10) lose angeordnet sind und von den Flügeln (11) gegen die Bahn (15) federbelastet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jede Arbeitskammer (13, 14) mit mindestens vier Schlitzöffnungen (16a, 16b) und mit wenigstens sechs Nuten (20, 21, 22) die parallel zu den Schlitzöffnungen (16a, 16b) angeordnet sind, in der Bahn (15) versehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen reversierbaren hydraulischen Flügelmotor, der mindestens zwei Arbeitskammern aufweist und der einen Rotor mit Flügelschlitzen und Flügel in den Flügelschlitzen umfasst, wobei jede Arbeitskammer eine mit Schlitzöffnungen ausgerüstete Bahn hat, an die gelegt die Flügel laufen. Ein solcher Flügelmotor ist beispielsweise aus DE 25 31 491 A1 bekannt.

Insbesondere in den küstennahen Bereichen besteht ein wachsender Bedarf nach Winden beachtlicher Kapazität. Niederdruck-Hydraulikeinrichtungen einschließlich hydraulische Flügelmotoren werden in der Praxis für diesen Zweck als sehr geeignet befunden.

Von besonderem Interesse sind Mehrmotor-Systeme, die eine Anzahl von Drehmoment/Geschwindigkeit-Bereichen und dynamische Bremseffekte, die um ein Vielfaches größer als eine eingebaute Pumpwirkung sind, aufweisen.

Es ist jedoch eine Tatsache, dass Bestandteilgröße, Rohrgröße und Gewicht unhandlich groß sein können, wenn die Kapazitäten groß sind. Es besteht also ein Bedarf, sowohl den Arbeitsdruck als auch die Motorantriebsgeschwindigkeit zu steigern, ohne die Betriebssicherheit zu mindern und ohne den Geräuschpegel zu steigern.

Es ist bekannt, dass bei einem Niederdruck-Mehrkammer-Motor der Rotor so breit als möglich sein sollte, z.B. 80–90° des Rotordurchmessers, um ein optimales Hubvolumen zu erreichen.

Bei bestehenden hydraulischen Flügelmotoren der genannten Art sind die Schlitzöffnungen in der Bahn so angeordnet, dass sie axial zentrisch sind. Die Breite der Schlitzöffnung beträgt normalerweise etwa 30 % der Breite der Bahn. Die Breite der Schlitzöffnung sollte im Hinblick auf die Berührungsfläche der Flügel mit der Bahn so schmal als möglich sein. Andererseits sollte die Breite der Schlitzöffnung im Hinblick auf die Strömungsbedingungen im Motor so groß als möglich sein. Wenn ein Flügel beginnt, in eine Arbeitskammer des Motors einzutreten, muss das Ölvolumen, das hinter dem Flügel einen ungefähr dreieckigen Querschnitt hat, mit Öl nachgefüllt werden. Die Ölgeschwindigkeit von der Schlitzöffnung und hinaus zu den Seiten durch den Spalt, der einen ungefähr dreieckigen Querschnitt hat, ist relativ hoch; was einen entsprechend großen Druckabfall und Geräusch zur Folge hat. Wenn ein Flügel beginnt, eine Arbeitskammer zu verlassen, findet das Umgekehrte statt. Es muss nämlich das „dreieckige Volumen" vor dem Flügel relativ rasch von den Seiten her und zu der Schlitzöffnung hin geleert werden, was einen entsprechenden Druckanstieg und Geräusch zur Folge hat. Wenn der Motor durch die Last als Pumpe betrieben wird, werden Bedingungen verschlechtert. Wenn ein Flügel die Arbeitskammer betritt, muss das „dreieckige Volumen" hinter dem Flügel mit Öl aufgefüllt werden und zwar aus der Schlitzöffnung und hinaus zu den Seiten. Die Ölgeschwindigkeit von der Schlitzöffnung und hinaus zu den Seiten durch den Spalt, der einen ungefähr dreieckigen Querschnitt hat, wird relativ hoch sein, was mit einem entsprechend hohen Druckabfall verbunden ist. Die Gefahr einer Kavitation und von Geräusch wächst dann ganz beträchtlich an, sogar wenn der Motor bei einem relativ hohen Fülldruck gespeist wird. Wenn ein Flügel die Kammer verlässt, muss das „dreieckige Volumen" vor dem Flügel sehr schnell geleert werden, was einen örtlichen Druckanstieg zur Folge hat.

Um den Druckabfall oder den örtlichen Druckaufbau in dem „dreieckigen Volumen" zu vermindern, ist es bekannt, zwei Nuten parallel zu der entsprechenden Schlitzöffnung in die Bahn zu fräsen. Um Kavitation zu verhindern, besonders wenn der Motor als Bremse arbeitet, müssen die Breite und die Anzahl der Nuten relativ groß sein, um die erwünschte Wirkung zu erzeugen. Die Berührungsfläche der Flügel wird dann entsprechend vermindert.

Selbstverständlich sind die Anlage und Dichtung der Flügel gegenüber der Bahn von Bedeutung. Die bekannte Lösung, die bei weitem die größte Geräuschverminderung ergibt, besteht darin, „einen Flügel in dem Flügel" zu benutzen. Das bedeutet, dass ein loser bzw. lockerer Dichtungsstreifen an dem freien Ende des Flügels in dem Flügelschlitz angeordnet ist. Relativ schwache Federn, die in den Flügel eingebaut sind, halten den Dichtungsstreifen gegen die Bahn. Wenn der Flügel sich zu dem großen Radius der Arbeitskammer hin bewegt, bewegen die Federn den Dichtungsstreifen in Dichtstellung, bevor der Flügel die Drehmomentübertragung übernimmt.

Sogenannte „Durchschläge" werden daher wirksam ausgeschaltet. Bei dieser bekannten Bauweise sind Verformungen und Dichtungsstreifen-Abnützung ausgeglichen.

Die Dichtungsstreifen sind aus einem reibungsarmen Kunststoffmaterial, dem relativ kleine Massekräfte zugeordnet sind. Ein Nachteil der Benutzung solcher „loser Dichtungsstreifen" am freien Flügelende ist, dass das Material der Dichtungsstreifen einen relativ kleinen Elastizitätskoeffizienten hat, was dem Dichtungsstreifen eine begrenzte Steifigkeit gibt. Insbesondere wenn der Dichtungsstreifen die axiale mittige Schlitzöffnung passiert, kann der Dichtungsstreifen in die Schlitzöffnung hinein „fischen".

Aus DE 25 31 491 A1 ist eine Flügelzellenmaschine bekannt, auf deren Flügel eine nach außen gerichtete Federkraft wirkt und bei der an jedem inneren Ende des Flügels mindestens ein Kölbchen anliegt, das in einer radial verlaufenden und in den Schlitz mündenden Bohrung des Rotors dicht gleitend angeordnet ist.

US 4 619 595 offenbart eine Kontrollvorrichtung für einen Kompressor einer Autoklimaanlage, bei der überschüssiges Einfließen von Kühlmittel in den Zylinder verhindert wird, wenn die Zahl der Umdrehungen und die Motorgeschwindigkeit steigt. Der Fließwiderstand wird in Abhängigkeit des einfließenden Kühlmittels reguliert. Die Raumauslastung wird anhand des Fließwiderstandes bei steigender Motorgeschwindigkeit verringert.

In US 4 481 770 ist ein System beschrieben, um den Druck eines Hydraulikmotors zu kontrollieren. Durch ein vorprogrammiertes selbsttätiges Kontrollventil wird der Fluss beschleunigt bzw. verzögert und der Druck somit geregelt. Dieses System ersetzt komplexe Kontrollventilanordnungen.

Das Ziel der Erfindung ist es, einen hydraulischen Flügelmotor mit großer Kapazität zu schaffen. Die beachtliche Kapazität wird durch Steigern des Arbeitsdrucks und der Motorantriebsgeschwindigkeit geschaffen und zwar, ohne irgendein Anwachsen des Geräuschpegels zu verursachen. Des weiteren soll ein hydraulisches System mit einem Flügelmotor mit großer Kapazität geschaffen werden, das sich durch seinen einfachen, robusten Aufbau und einfache Komponenten auszeichnet.

Dies Ziel ist erfindungsgemäß mit einem hydraulischen Flügelmotor der eingangs genannten Art erreicht, der dadurch gekennzeichnet ist, dass Dichtungsstreifen in einer an sich bekannten Weise in den jeweiligen Flügelschlitzen lose angeordnet sind und von dem Flügel in Richtung gegen die Bahn federbelastet sind und dass jede Arbeitskammer mit mindestens vier Schlitzöffnungen in der Bahn versehen ist.

Die Erfindung ermöglicht, dass der bzgl. des Rotordurchmessers breitest mögliche Rotor gegeben ist, was mit der Erzielung eines optimalen Hubvolumens verbunden ist. Optimales Hubvolumen bedeutet: Optimales Drehmoment mit minimalem Gewicht bei einem gegebenen Druck.

Ein breitestmöglicher Rotor ergibt einen minimalen Rotordurchmesser bei einem gegebenen Hubvolumen.

Da die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors im Hinblick auf die Motorantriebsgeschwindigkeit ein begrenzender Parameter ist, ergibt ein minimaler Rotordurchmesser in der Theorie auch eine optimale Motorantriebsgeschwindigkeit. Jedoch werden die inneren Strömungsbedingungen in dem Motor verschlechtert, wenn die Rohrbreite relativ zum Rohrdurchmesser ansteigt.

Da der erfindungsgemäße Motor mit wenigstens vier Schlitzöffnungen für jede Arbeitskammer versehen ist, in der Praxis mit zwei relativ engen Schlitzöffnungen anstatt nur einer axial mittigen Schlitzöffnung, sind die inneren Strömungsbedingungen im Motor ganz erheblich verbessert.

Die Ausführungsform mit wenigstens vier Schlitzöffnungen für jede der Motor-Antriebskammern bedeutet auch, dass die Halterung der losen bzw. lockeren Dichtungsstreifen gegen die Bahn ganz erheblich verbessert ist. Die Motorantriebsgeschwindigkeit kann daher gesteigert werden. Da, wie bereits erwähnt, die losen Dichtungsstreifen diejenige bekannt Lösung sind, die bei weitem die größte Geräuschverminderung ergibt, kann der Druck gesteigert werden.

Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft, wenn parallel zu den schmalen Schlitzöffnungen drei Nuten erzeugbar sind, von denen eine eine axial mittige Stel lung hat und zwei Nuten an den Rändern der Bahn sind, und zwar so, dass die Strömungsbedingungen weiter verbessert sind. Dies bedeutet, dass ein Motor, der einen in Relation zum Rotordurchmesser maximal breiten Rotor hat, mit optimaler Antriebsgeschwindigkeit antreibbar ist, d.h. optimale Ausgangsleistung hat.

Die Erfindung umfasst auch ein hydraulisches System mit einem reversierbaren hydraulischen Flügelmotor, der mindestens zwei Arbeitskammern aufweist und Strömung in beide Richtungen aufweist und der einen Rotor mit Flügelschlitzen und Flügel in den Flügelschlitzen umfasst, wobei jede Arbeitskammer eine mit Schlitzöffnungen ausgerüstete Bahn hat, an die gelegt die Flügel laufen; mit einer Pumpe, die ein hydraulisches Arbeitsmittel, z.B. Öl, zur Betätigung des Flügelmotors zuführt; mit einem Steuerventil zum Steuern der Antriebsgeschwindigkeit und Rotationsrichtung des Flügelmotors; ein Folgeventil zur Auswahl von aktiven Arbeitskammern; mit einem Druckminderventil in Serie mit der Pumpe; und mit einem doppelt wirksamen Rückschlagventil parallel zu dem Motor, dadurch gekennzeichnet, dass Dichtungsstreifen in einer an sich bekannten Weise in den jeweiligen Flügelschlitzen lose angeordnet sind und von dem Flügel in Richtung gegen die Bahn federbelastet sind und dass jede Arbeitskammer mit mindestens vier Schlitzöffnungen in der Bahn versehen ist.

Ein hydraulisches System dieser Art ist besonders bevorzugt. In diesem Zusammenhang wird auf die NO-PS 154 491 verwiesen, die ein hydraulisches System offenbart und beschreibt, wie es hier als bekannt unterstellt wird. Die NO-PS 154 491 bezieht sich auf Mehrfachmotor-Systeme, die eine Anzahl von Drehmoment/Geschwindigkeit-Bereichen und eine Bremswirkung, die um ein Vielfaches größer ist als die installierte Pumpwirkung, aufweisen. Das Gerät gemäß der Erfindung lässt sich in einem System dieser Art mit Vorteil verwenden.

Zusätzlich wird auf die NO-PS 163 892 verwiesen, die auch ein hydraulisches System offenbart und beschreibt, das hauptsächlich für die Betätigung von Winden gedacht ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben, in der
1 zeigt einen Längsschnitt durch einen hydraulischen Flügelmotor gemäß der Erfindung, gemäß Linie A-A in 2,
2 zeigt einen Querschnitt des hydraulischen Flügelmotors, gemäß Linie B-B in 1,
3 zeigt eine Schlitzöffnung- und Nut-Anordnung gemäß der Erfindung und
4 zeigt ein hydraulisches System, in das die Erfindung eingefügt ist.
Der neue hydraulische Flügelmotor, der in 1, 2 und 3 gezeigt ist, ist hauptsächlich in einer an sich bekannten Weise entworfen und gebaut. Somit umfasst der hydraulische Flügelmotor ein Motorgehäuse 1, das Kanäle 2, 3 und 4 und zwei Seitendeckel 5a, 5b hat. Eine Motorwelle 6 ist in den Seitendeckeln 5a, 5b in geeigneten Walzenlagern 7, 8 abgestützt. Auf der Welle 6 ist ein Rotor 9, der Flügelschlitze 10 mit Flügeln 11 hat, die darin angeordnet sind und mittels Federn 12' belastete Dichtungsstreifen 12 hat.
Der Motor hat zwei Arbeitskammern 13, 14.
Die Flügel 11 und deren Dichtungsstreifen 12 laufen gegen eine Bahn 15 im Motorgehäuse 1. Jede Arbeitskammer 13, 14 hat (Ansaug- bzw. Auslass-) Schlitzöffnungen 16, 17 und 18, 19.
Gemäß der Erfindung hat der Flügelmotor wenigstens vier Schlitzöffnungen für jede Arbeitskammer und eine typische Schlitzöffnungsanordnung ist in 3 gezeigt.
Wie in 3 gezeigt, sind über die Breite der Bahn (zwischen den kappenartigen Seitendeckeln 5a, 5b) zwei relativ enge Schlitzöffnungen 16a, 16b angeordnet, anstatt wie vorbekannt nur eine axial mittige Schlitzöffnung. Die Verwendung von zwei solch schmalen Schlitzöffnungen 16a, 16b ergibt eine erhebliche Verbesserung bzgl. der inneren Strömungsbedingungen in dem Motor. Zwecks weiterer Verbesserung der Strömungsbedingungen sind in 3 drei ausgefräste Nuten 20, 21, 22, eine axial mittige Nut 21 und zwei Nuten 20, 22 an den Rändern der Bahn; alle Nuten sind parallel zu den zwei Schlitzöffnungen 16a, 16b angeordnet.
Die in 3 gezeigte Ausführungsform bedeutet, dass ein Motor, der relativ zum Rotordurchmesser den breitest möglichen Rotor hat, auch in der Lage ist, mit optimaler Antriebsgeschwindigkeit d.h. mit optimaler Leistungsabgabe getrieben zu werden.
4 zeigt, wie die Erfindung in ein hydraulisches System eingefügt werden kann. Das in 4 gezeigte hydraulische System umfasst einen hydraulischen Flügelmotor, z.B. wie in 1–3 gezeigt. Das System umfasst auch eine Pumpe 23, ein Steuerventil 24 zum Steuern der Antriebsgeschwindigkeit und -richtung der Rotation des Flügelmotors, ein Folgeventil 25 zur Auswahl der aktiven Arbeitskammern 13, 14, ein in Serie mit der Pumpe geschaltetes Druckminderventil 26 und ein parallel zu dem Motor geschaltetes doppelt wirksames Rückschlagventil 27.
Das hydraulische System in 4 ist bei einem Stillstand gezeigt. Ein Gewichtsrechteck 28 symbolisiert eine Last an einer nicht gezeigten Winde, zu deren Betätigung der hydraulische Motor benutzt ist. Mit Hilfe des Steuerventils 24 und des Folgeventils 25 kann das gezeigte hydraulische System eingestellt werden zum Anheben und Absenken unter Anwendung einer Kammer oder beider Kammern, bei einer Rotationsrichtung im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn. Der blockierende Ölstrom ist in 4 durch dicke Linien gezeigt.

Claims

Reversierbarer, hydraulischer Flügelmotor, der mindestens zwei Arbeitskammern (13, 14) und einen Rotor (9) mit Flügelschlitzen (10) und Flügel (11) in den Flügelschlitzen aufweist wobei jede Arbeitskammer (13, 14) eine mit Schlitzöffnungen (16, 17, 18, 19) ausgerüstete Bahn (15) hat, an die gelegt die Flügel laufen, wobei Dichtungsstreifen (12) in den jeweiligen Flügelschlitzen (10) lose angeordnet sind und von den Flügeln (11) gegen die Bahn (15) federbelastet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jede Arbeitskammer (13, 14) mit mindestens vier Schlitzöffnungen (16a, 16b) und mit wenigstens sechs Nuten (20, 21, 22) die parallel zu den Schlitzöffnungen (16a, 16b) angeordnet sind, in der Bahn (15) versehen ist.
Hydraulischer Flügelmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nut (21) so angeordnet ist, dass sie axial mittig ist, und zwei Nuten (20, 22) an den Rändern der Bahn (15) angeordnet sind.
Hydraulisches System mit einem reversierbaren hydraulischen Flügelmotor, der mindestens zwei Arbeitskammern (13, 14) und einen Rotor (9) mit Flügelschlitzen (10) und Flügel (11) in den Flügelschlitzen aufweist, wobei jede Arbeitskammer (13, 14) eine mit Schlitzöffnungen ausgerüstete Bahn (15) hat, an die gelegt die Flügel laufen, mit einer Pumpe (23), die ein hydraulisches Arbeitsmittel zur Betätigung des Flügelmotors zuführt, mit einem Steuerventil (24) zum Steuern der Antriebsgeschwindigkeit und Rotationsrichtung des Flügelmotors, mit einem Folgeventil (25) zur Auswahl von aktiven Arbeitskammern (13, 14), mit einem Druckminderventil (26) in Serie mit der Pumpe (23) und mit einem doppelt wirksamen Rückschlagventil (27) parallel zu dem Motor, dadurch gekennzeichnet, dass jede Arbeitskammer (13, 14) mit mindestens vier Schlitzöffnungen (16a, 16b) und wenigstens sechs Nuten (20, 21, 22) die parallel zu den Schlitzöffnungen (16a, 16b) angeordnet sind, in der Bahn (15) versehen ist.
Hydraulisches System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nut (21) so angeordnet ist, dass sie axial mittig ist, und zwei Nuten (20, 22) an den Rändern der Bahn (15) angeordnet sind.
Hydraulisches System mit einem reversierbaren hydraulischen Flügelmotor, der mindestens zwei Arbeitskammern (13, 14) aufweist, mit einer Pumpe (23), die ein hydraulisches Arbeitsmittel zur Betätigung des Motors zuführt, mit einem Steuerventil (24) zum Steuern der Antriebsgeschwindigkeit und Rotationsrichtung des Flügelmotors, mit einem Folgeventil (25) zur Auswahl von aktiven Arbeitskammern (13, 14), mit einem Druckminderventil (26) in Serie mit der Pumpe und mit einem doppelt wirksamen Rückschlagventil (27) parallel zu dem Motor, dadurch gekennzeichnet, dass jede Arbeitskammer (13, 14) mit mindestens vier Schlitzöffnungen (16a, 16b) und wenigstens sechs Nuten (20, 21, 22) die parallel zu den Schlitzöffnungen (16a, 16b) angeordnet sind, in der Bahn (15) versehen ist.
Hydraulisches System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nut (21) so angeordnet ist, dass sie axial mittig ist, und zwei Nuten (20, 21) an den Rändern der Bahn angeordnet sind.