DE2433796A1

DE2433796A1 - Ringzylinder-maschine

Info

Publication number: DE2433796A1
Application number: DE2433796A
Authority: DE
Inventors: Walther Heynen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-07-13
Filing date: 1974-07-13
Publication date: 1976-01-29

Description

Ringzylinder-Maschine Die heute gebräuchlichen Kraft- und Arbeitsmaschinen setzen den Druck ihres Arbeitsmediums in ein Drehmoment bzw. ein zugeführtes Drehmoment in einen Druck des Arbeitsmediums im wesentlichen wie folgt um: a) über Kolben, Pleuelstangen, Kurbelwellen (Motoren, Pumpen, Kompressoren) b) über Flügel (Flügelzellenpumpen und -Motoren, Turbinen) c) über Kreiskolben (Wankel, Huf) d) über Kolben und Kurvenführungen bzw. Taumelscheiben (Radial- bzw. Axial-Pumpen und -Motoren) e) als Schraubenpumpen und -Motoren (Hydraulik) Alle diese Kraftumsetzungen erfordern erheblichen baulichen Aufwand und zum Teil sehr komplizierte und damit kostspielige Gehäuse- und Zylinderformen oder Kolben und bewirken Wirkungsgrad- sowie Leckverluste infolge schlecht lösbarer Dichtungsprobleme.
Ihre Drehmomente werden erst von einer Mindestdrehzahl ab wirksam.
Aufgabe der nachstehend beschriebenen Erfindung war, diese Kraftumsetzung unter Ausschaltung der angeführten Nachteile so zu vereinfachen und durchzuführen, daß das Arbeitsmedium direkt auf einen oder mehrere Kolben wirkt, die in einem oder mehreren Ringzylindern, welche zentrisch um eine Welle und mit ihrer Ringebene senkrecht zu dieser angeordnet sind, umlaufen und - wie später beschrieben - mit der Welle in Verbindung stehen, wobei das Dichtproblem gegenüber den vergleichbaren Maschinen besser zu lösen war. Zudem war anzustreben, Kräfte, die aus dem Arbeitsvorgang resultieren, von den Wellenlagern fernzuhalten, ihren Einfluß auf die Reibungsfläche Kolben/Zylinder zu vermindern oder weitgehend auszuschließen und einen Massenausgleich der sich bewegenden Teile ohne Zusatzgewichte zu erzielen.
Diese Aufgabenstellung wird durch nachstehend beschriebenes und in den Abb, 1 bis 6 erläutertes erfindungsgemäßes Anordnung und Ausführungsprinzip voll erfüllt: Ein Arbeitsmedium, das flüssig, gasförmig oder dampfförmig sein kann, setzt bei Kraftmaschinen seinen Druck in tangentialer Richtung innerhalb eines bzw. mehrerer zentrisch um eine Welle und senkrecht zu dieser in einem oder mehreren Gehäusen angeordneter Ringzylinder in ein Drehmoment an der Welle um. Bei Arbeitsmaschinen erfolgt die Umsetzung bei gleicher Anordnung umgekehrt.
Das Arbeitsmedium stützt sich dabei einerseits gegen einen oder mehrere in dem oder den Ringzylindern frei umlaufende - aber mit der Welle in Verbindung stehende - Arbeitskolben, andererseits gegen in dem oder den Gehäusen senkrecht zu den Ringzylinderebenen achsparallel angeordnete, hin- und hergehende Stützkolben ab, die jeweils die Ringzylinder zu gegebener Zeit an festgelegten Punkten in Arbeitsräume teilen, diese abdichten und für den Kolbendurchgang wieder freigeben.
Die Zahl der Ringzylinder, Arbeitskolben und Stützkolben ist so gewählt, daß eine ununterbrochene Beaufschlagung der Arbeits- bzw. Stützkolben durch das Arbeitsmedium möglich und damit ein bei jeder Drehzahl gleichbleibendes Drehmoment erreichbar ist.
Bei Maschinen dieses Prinzips werden daher Schaltgetriebe überflüssig.
Die Anordnung der drehenden bzw. sich bewegenden Teile erfolgt dabei so symmetrisch um die Welle, daß ein vollkommener Massenaus gleich ohne Zusatzgewichte erreicht wird.
Der tangentiale Angriff des Arbeitsmediums an den Arbeitskolben vermindert die Reibungskräfte zwischen Arbeitskolben und Ringzylinder.
Die Anordnung der Arbeits- bzw. Stützkolben sowie des zugehörigen Steuerungssystems erlaubt eine Umkehrung der Drehrichtung der Welle durch einfaches Umschalten der Flußrichtung des Arbeitsmediums. Umkehrgetriebe können daher bei Verwendung dieses Maschinenprinzips entfallen.
Das erfindungsgemäßeAnordnungs- und Ausführungsprinzip erlaubt sowohl ein Arbeiten mit feststehendem Gehäuse und drehender Welle, umgekehrt mit feststehender Welle und drehendem Gehäuse (z. B.
Nabenmotor), sowie ein gleichzeitiges entgegengesetztes Drehen von Welle und Gehäuse (z.B. für zwei gegenläufige Luftschrauben).
Durch Wirken eines Drehmomentes von außen auf Welle oder Gehäuse arbeitet die erfindungsgemäße Anordnung auch als Pumpe oder Kompressor für das Arbeitsmedium.
Die in Achsrichtung hin- und hergehenden Stützkolben, deren Bewegung mechanisch oder mit Hilfe des Arbeitsmediums erfolgt, treten jeweils in die Ringzylinder ein, um das Arbeitsmedium gegenüber den Arbeitskolben abzustützen und die Ringzylinder in vorgegebene Arbeitsräume zu teilen. Sie geben den Ringzylinderraum bei Durchlauf des Arbeitskolbens wieder frei, während ein anderer Stutzkolben die Abstützfunktion übernimmt.
Die Stützkolben sind vornehmlich erfindungsgemäß so angeordnet, daß sie zugleich zwei parallel zueinander liegende Ringzylinder bedienen. Bei jedem Hub eines Stützkolbens wird damit ein Ringzylinder in Arbeitsräume geteilt und die Abstützfunktion für das Arbeitsmedium übernommen, dabei gleichzeitig der zweite Ringzylinder für den Durchgang des in -ihm laufenden Arbeitskolbens in diesem Bereich freigegeben.
Jeder Stützkolben erfüllt damit je zwei Funktionen in zwei Arbeitskreisen.
Gleichzeitig wird damit eine Herabsetzung der mittleren Kolbengeschwindigkeit der Stützkolb en erzielt.
Die Stützkolben besitzen erfindungsgemäß einen - normal kreisförmigen -Querschnitt, der größer ist als die radiale Querschnittsausdehnung des abzusperrenden Ringzylinders. Dadurch werden die bei Eintritt des Stützkolbens in die Ringzylinder entstehenden Arbeitsräume gehäuseseitig durch Dichtflächen gegeneinander abgedichtet.
Die Querschnittsform der Ringzylinder und damit der Arbeitskolben kann verschieden sein. Sie richtet sich nach konstruktiven und Herstellungs-Gesichtspunkten, nach der Abdichtung, der Größe und Leistung sowie dem Anwendungsgebiet der Maschine.
Erfindungsgemäß sind die Ringzylinder so im Gehäuse angeordnet, daß der Ringzylinder bezogen auf seinen Querschnitt auf drei Seiten vom Gehäuse umschlossen ist, während die vierte Seite als nach außen offene Ringfläche eine einfache Abdichtung des Ringzylinders und zugleich eine mit der Welle in Verbindung stehende Kolbenführung ermöglicht.
Die offene Ringfläche kann sowohl in radialer wie auch in axialer Richtung des Gesamtaggregates den Ringzylinderkanal nach außen begrenzen.
Vorzugsweise liegt aus nachstehend beschriebenen Gründen erfindungsgemäß der Ringzylinder so im Gehäuse, daß die offene Fläche in axialer Richtung angeordnet ist.
Diese Anordnung hat zwei Vorteile.
Der Ringzylinder ist nur noch in dieser ebenen Ringfläche nach außen abzudichten und der Druck des Arbeitsmediums nur in dieser (axialen) Richtung aufzunehmen, während der radiale Druck sowie der axiale Gegendruck im Ringzylinder vom Gehäuse aufgenommen werden.
Die offene Ringzylinderseite wird nun durch eine auf die Welle aufgesetzte und mit dieser verdrehfest verbundene Scheibe abgedichtet.
Die zur Reibungsverminderung ausgebohrten Stirnflächen der Stützkolben dichten nach Einlauf in den Ringzylinder und Anlage an diesen Wellenscheiben die Arbeitsräume an diesen ab, Durch die erfindungsgemäß vornehmlich paarweise Anordnung der Ringzylinder ist es damit möglich, den in axialer Richtung wirkenden Druck des Arbeitsmediums in zwei Wellenscheiben abzufangen, von denen eine fest gegen einen Wellenbund anliegt, die andere - axial verschieblich - z.B. mit Hilfe einer auf der Welle angeordneten Mutter gegen das Gehäuse gepreßt wird.
Zwischen Mutter und verschieblicher Wellenscheibe ist dabei erfindungsgemäß ein federndes Glied (z. B. eine oder mehrere Tellerfedern) angeordnet, so daß der Andruck und damit die Reibung der Wellenscheibe am Gehäuse dem Druck des Arbeitsmediums angepaßt werden kann.
Wellenbund und Wellenmutter nehmen also den Axialdruck beider Ringzylinder auf und setzen ihn innerhalb der Welle ab. Durch diese erfindungsgemäße Anordnung der Ringzylinder und Wellenscheiben wird eine Übertragung von Kräften aus dem Arbeitsmedium auf die Wellenlager ausgeschaltet. Diese brauchen also nur von außen auf die Welle wirkende Kräfte aufzunehmen.
Bei radial geöffneten Ringzylindern werden die Druckkräfte aus dem Arbeitsmedium zwar ebenfalls vom mitumlaufenden Mitnehmerteil der Arbeitskolben aufgenommen. Es ist jedoch hierbei eine Einstellbarkeit nicht gegeben.
Wie schon erwähnt, laufen die Arbeitskolben in den Ringzylindern frei um.
Sie sind mit der Welle erfindungsgemäß nicht starr verbunden, da dies bei temperaturbedingten verschiedenen Ausdehnungen der Verbindungsteile sowie für die radialen Fertigungstoleranzen Schwierigkeiten ergeben würde0 Ihre Verbindung mit der Welle bzw. den als Mitnehmer ausgebildeten Wellenscheiben erfolgt über GleitstücXoder Zapfen, die in den Arbeitskolben oder Wellenscheiben geringe radiale Bewegungen zulassen.
Die Steuerung des Arbeitsmediums und gegebenenfalls der Stützkolben erfolgt über mit der Welle umlaufende Steuerelemente. Praktischerweise ist ein solches eine zwischen Welle und Gehäuse angeordnete Steuerhülse.
Über Bohrungen im Gehäuse - oder gegebenenfalls in der Welle - wird ihr das Arbeitsmedium zugeführt bzw. von ihr abgeleitet.
In die Steuerhülse eingearbeitete Steuerkanäle führen über unmittelbar in Drehrichtung vor bzw. hinter den Stützkolben in die Ringzylinder einlaufende Bohrungen im Gehäuse den Ringzylindern das Arbeitsmedium zu bzw. leiten es ab. Ebenso werden - wie im folgenden Beispiel - über die Steuerhülse mit dem Arbeitsmedium die Bewegungen der Stützkolben bewirkt, sofern diese nicht mechanisch gesteuert werden0 Die Steuerung der Stützkolben erfolgt erfindungsgemäß so, daß diese in einen Druckraum des jeweiligen Ringzylinders einlaufen. Dadurch und durch eine Endlagendämpfung wird ein verschleißarmes Arbeiten der Stützkolben gesichert.
Am Beispiel eines hydraulischen Motors sei das erfindungsgemäße Prinzip mit seinen erfindungsgemäßen Konstruktionseinzelheiten in den Abbildungen 1 bis 3 dargestellt und erläutert.
Der Motor arbeitet in diesem - einfachsten - Beispiel mit zwei Ringzylindern und zwei Arbeitskolben, die gegeneinander um 180° versetzt sind, und mit drei um je 1200 gegeneinander versetzten Stützkolben.
Abb. 1 zeigt einen Längsschnitt durch den Motor, Abb. 2 einen Querschnitt in der Ebene A, B, C, D der Abb. 1.
In Abb. 3 ist die abgewickelte Außenfläche der Steuerhülse mit den eingearbeiteten Steuerkanälen dargestellt.
Um die Welle 1 ist das Gehäuse 2 ringförmig angeordnet. Zwischen Welle 1 und Gehäuse 2 ist die Steuerhülse 3 eingeschoben und mit den Keilen 4 auf der Welle 1 festgelegt. Ebenso sind die Wellenscheiben 5 und 6 mit den Keilen 4 auf der Welle 1 gegen Verdrehen gesichert, Wellenscheibe 6 jedoch axial verschiebbar.
In das Gehäuse 2 sind die Ringzylinder 7 und 8 eingearbeitet. In ihnen laufen die Arbeitskolben 9 und 10. Sie werden von den in den Arbeitskolben 9, 10 in radialen Gleitführungen gelagerten und in den Wellenscheiben 5, 6 befestigten Gleitstücken 11 und 12 mitgenommen.
Wellenscheibe 5 liegt an dem Bund 13 der Welle 1 an, Wellenscheibe 6 wird unter Zwischenschaltung der Tellerfeder 14 von der Mutter 15 einstellbar gegen das Gehäuse 2 im Bereich des Ringzylinders 8 gepreßt.
In Abb. 1 ist im Schnitt auch die Lage und Funktion der Stützkolben 16, 17 und 18 an Hand des Stützkolbens 17 zu erkennen. Dieser sperrt z. Z.
den Ringzylinder 7 ab und gibt den Ringzylinder 8 für den Durchlauf des Arbeitskolbens 10 frei. Die Bohrungen 19 bzw. 20 (außerhalb der Schnittebene der Abb. 1) führen das Ö1 der Steuerhülse 3 zu bezw. leiten es von ihr zurück, die Bohrung 21 (ebenfalls in Abb. 1 außerhalb der Schnittebene) dient der Leckölabführung.
Die Gehäusedeckel 22 und 23 sind mit den Bolzen 24 am Gehäuse 2 befestigt. Sie tragen die Wellenlager 25 und die Wellendichtungen 26 und enthalten die Gewindebohrungen 27 für eine Flanschbefestigung des Aggregates.
Zwischen den Gehäusedeckeln 22, 23 und dem Gehäuse 2 eingelegte Einstellscheiben 28 sorgen für das notwendige Spiel der Lager 25. Dichtringe 29 dichten das Gehäuse 2 gegen die Gehäusedeckel 22, 23 ab.
Welle, Steuerhülse, Gehäuse, Arbeitskolben, Stützkolben, Wellenscheiben mit Gleitstücken, Keile, Federungsglied und Mutter bilden eine Montageeinheit, deren Funktion in diesem Montagezustand bereits geprüft werden kann.
Natürlich ist bei entsprechender Gehäuseform auch eine Fußbefestigung des Aggregates möglich.
Abb. 4 und 5 zeigen einige weitere Möglichkeiten der Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips. Angeführte Ziffern weisen auf entsprechende Teile der Abb. 1 und 2 hin.
Abb. 4 zeigt schematisch im Schnitt, daß das erfindungsgemäße Arbeitsprinzip auch für eine Erweiterung in Baukastenform geeignet ist. Hier in axialer Richtung.
Abb. 5 stellt schematisch im Schnitt die Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips für einen Dampfmotor mit - im Beispiel - einem Hochdruck- und einem Niederdruckteil mit je Ringzylindern dar, als Erweiterung des erfindungsgemäßen Prinzips in radialer Richtung.
Wie man leicht erkennen kann, ist das bisher beschriebene Prinzip mit seinen konstruktiven Details ausgesprochen für Arbeitsweisen anwenbar, die ununterbrochene Beaufschlagung der Arbeitskolben mit dem Arbeitsmedium bevorzugt, wobei die Drehzahlregelung duch Variieren der Menge und/oder Druckes des Arbeitsmediums erfolgt.
Es ist also bevorzugt geeignet für Hydraulikmotoren und -pumpen, für Pneumatikmotoren und -pumpen, für alle sonstigen Förderpumpen, Kompressoren und vor allem für Gas- und Dampfmotoren. Es sind dies gerade die Maschinen, die im Hinblick auf die Förderung des Umweltschutze s durch das erfindungsgemäße Prinzip hinsichtlich Laufruhe, Schwingungsfreiheit und Entfall von umweltverschmutzenden Abgasen wesentliche Anwendungsvorteile bieten, abgesehen von der Preiswürdigkeit, da hier fast ausschließlich billig herzustellende Drehteile Verwendung finden.
Andererseits wäre es natürlich auch möglich, dieses Arbeitsprinzip mit einigen Abänderungen für Verbrennungskraftmaschinen, Dieselmotoren usw. zu verwenden.
Auch für diese Maschinen bietet das Prinzip Verbesserungen. Wenn z. B.
zwischen den Stützkolben im Gehäuse zusätzlich Kompressionsräume./ angeordnet werden, wobei im Wechselbetrieb Arbeitskolben I für ders Antrieb des Arbeitskolbens II die Kompression übernimmt und umgekehrt, Kühlung und Steuerung auf diese Arbeitsweise abgestimmt werden und vor allem ein zweiter Arbeitskreis (s. Niederdruckteil des Dampfmotors in Abb.5) eine Vorkompression der Verbrennungsluft zugleich mit der Ausnutzung der Abgas energie - evtl. sogar mit Nachverbrennung - vornimmt, dürften mit preiswerter Herstellung, evtl.
Wegfall von Getrieben und Verbesserung der Abgas situation auch hier weitere Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Prinzips liegen.
Als wichtigstes Anwendungsgebiet, auf das der Erfinder bewußt hingearbeitet hat, sollte sich das Prinzip im Einsatz als Dampfmotor für Fahrzeuge erweisen, insbesondere wenn als Dampferzeuger die neuerdings entwickelten Wärmespeicher mit Metallfluoriden verwendet werden. Damit würde voraussichtlich der umweltfreundlichste, leiseste und lei chteste Fahrzeugantrieb geschaffen.

Claims

Ansprüche

1. tingzylinder-Maschine (RZ-M) dadurch gekennzeichnet, daß - um eine Welle und mit ihrer Ebene senkrecht und zentrisch zu dieser - in einem oder mehreren Gehäusen ein oder mehrere Ringzylinder mit jeweils auf dem gesamten Kreisumfang gleicher, aber beliebiger Querschnittsform angeordnet sind.

2. RZ-M nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Ringzylinder so in die Gehäuse eingearbeitet sind, daß sie in ihrer Querschnittsform weitgehend von den Gehäusen umschlossen sind und nur nach einer Richtung - axial oder radial - für die Verbindung der in ihnen umlaufenden Kolben mit der Welle geöffnet sind. Diese Öffnung bildet axial eine ebene Kreisringfläche, radial eine Zylindermantelfläche.

3. RZ-M nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß in den Ringzylindern Arbeitskolben gleicher Querschnittsform und in ihrer Längsausdehnung in Form von Kreisringsektoren frei umlaufen, wobei die Sektorenschnittflächen so gestaltet sind, daß der Druck des Arbeitsmediums tangential durch den Kolbenschwerpunkt verläuft.

4. RZ-M nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitskolben mit der Welle durch Mitnehmerelemente verbunden sind, die radiale Toleranzen zwischen Arbeitskolben und Welle ausgleichen.

5. RZ-M nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Mitnehmerelemente zugleich die Dichtelemente der offenen Zylinderseiten sind.

6. RZ-M nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Mitnehter- und Dichtelemente auf der Welle verdrehfest so gelagert sind, daß sie axial gegeneinander einstellbar und so zu verspannen sind, daß die auf sie aus dem Druck des Arbeitsmediums wirkenden Kräfte innerhalb der Welle abgesetzt werden, wobei in die Verspannungseinrichtung eingeschaltete Federelemente eine Abstimmung auf den Druck des Arbeismediums gestatten. .

7. RZ-M nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Druck-bzw. drucklosen oder druckverminderten Arbeitsräume innerhalb eines Ringzylinders dadurch gebildet werden, daß sich achsparallel in dem oder den Gehäusen gelagerte Stützkolben - vornehmlich mit Kreisquerschnitt - in die Ringzylinder einschieben, diese in Arbeitsräume teilen und für den Kolbendurchlauf zurückgezogen werden.

8. RZ-M nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung der Stützkolben mechanisch oder durch den Druck des Arbeitsmediums gesteuert wird.

9. RZ-M nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise je 2 parallel zueinander liegende Ringzylinder von den gleichen zwischen ihnen verschiebbaren Stützkolben bedient werden.

10. RZ-M nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß die Stützkolben - zumindest in radialer Richtung der Ringzylinder - eine größere Querschnittsausdehnung aufweisen als die entsprechenden Ringzylinderquerschnitte.

11. RZ-M nach Anspruch 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Ringzylinder, der in diesen umlaufenden Arbeitskolben und der Stützkolben sowie das Steuerungssystem so gewählt sind, daß eine ununterbrochene Beaufschlagung der umlaufenden Arbeitskolben durch das Arbeitsmedium gegeben ist.

12. RZ-M nach Anspruch 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Arbeitskolben, Stützkolben und des Steuerungssystems des Arbeitsmediums durch einfaches Umschalten des Zu- bzw. Rücklaufes des Arbeitsmediums eine Umkehrung der Drehrichtung der Maschine bewirkt.

13. RZ-M nach Anspruch 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium flüssig, gasförmig oder dampfförmig ist.

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14. RZ-M nach Anspruch 1 bis 13. dadurch gekennzeichnet, daß durch Erweiterung der Zahl der Gehäuseteile, der Ringzylinder, Arbeitskolben, Stützkolben sowie der Steuerungselemente in axialer und/oder radialer Richtung der Aufbau von aus Bausteinen gebildeten Baureihen der RZ-M gegeben ist.

15. RZ-M nach Anspruch 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, daß für Verbrennungskraftmaschinen nach diesem System in den Gehäusen außerhalb der Ringzylinder zusätzliche Kompressionsräume vorgesehen sind.