DE2451325C3 - Parallel- und außenachsige Rotationskolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine parallel- und außenachsige Rotationskolbenmaschine mit Kämmeingriff zwischen mindestens einem über seinen Umfang mit walzenartigen Kolben versehenen Kolbenrotor und mindestens einem Nutenrotor, die beide innerhalb eines Gehäuses mit Ein- und Auslaßöf'fnungen aufweisenden Seitenteilen umlaufen, deren Einlaßöffnungen innerhalb und nahe des Eingriffsbereiches liegen.

Eine derartige Rotationskolbenmaschine ist als Verdiditerteil einer Brennkraftmaschine aus der US-PS 15 096 bekannt

Bei der bekannten Maschine weisen die in ihrem Grund jeweils eine kleine, axial verlaufende Rinne auf, die abwechselnd mit einer Auslaßöffnung und einer Einiaßö/fnung in einer Stirnwand des die beiden Rotoren aufnehmenden Gehäuses in Verbindung gelangt Die AuslalJöffnüflg und die Einlaßöffnung liegen in unmittelbarer Nähe und auf gegenüberliegenden Seiten einer durch die Achsen der beiden Rotoren und durch den Totpunkt des Kämmeingriffs hindurchgehende Ebene. Die Einlaßöffnung ist als Längsschlitz ausgebildet, welcher zu sich vefgößerriden Arbeitsräumen führt, die sowohl innerhalb als auch außerhalb des Kämmeingriffs der beiden Rotoren liegen. Die Auslaßöffnung überdeckt im wesentlichen nur einen Bereich, welcher dem Querschnitt der axial verlaufenden Rinne ¹S im Grund der Nuten des Nutenrotors entspricht und auf deren Bewegungsbahn liegt

Dieser bekannte Verdichtungsteil ist ausschließlich als Pumpe für gasförmige Strömungsmedieiv verwendbar, er läßt sich jedoch aus folgenden Gründen meht als Strömungsmittelmotor verwenden:

Wenn durch die Auslaßöffnung ein Druckmedium eingeleitet wird, wird bereits nach einer kleinen Drehung der beiden miteinander kämmenden Rotoren die Zufuhr des Druckmediums wieder abgeschaltet,

I^ noch bevor eine erwähnenswerte Vergrößerung des Arbeitsraumes stattgefunden hat Die dem als Strömungsmittelmotor verwendeten Verdichter von außen zuführbare Druckenergie ist daher äußerst ge.ing, so daß schon von diesem Gesichtspunkt aus keine erwähnenswerte mechanische Energie abgenommen werden kann.

Da die Auslaßöffnung des Verdichers mit der axial verlaufenden Rinne im Grund der Nut des Nutenrotors fluchtet, liegt die Auslaßöffnung radial außerhalb des in die entsprechende Nut eintauchenden walzenartigen Kolbens des Kolbenrotors. Das in die axial verlaufende Rinne im Grund der Nat des Nutenrotors eintauchende Druckmedium übt daher auf den Kolbenrotor keinerlei Drehmoment aus. Lediglich auf den Nutenrotor wird ein

jo minimales Drehmoment ausgeübt, das aus einer in einer Richtung wirkenden Kraftresultierenden und dem als Hebelarm wirkenden Abstand zwischen der axial verlaufenden Rinne und der Drehachse des Nutenrotors besteht Dieses Drehmoment ist so klein, daß es kaum

Η ausreichen dürfte, die Reibungswiderstände der gegeneinander bewegten Teile zu überwinden und die Maschine in Gang zu bringen.

Es ist daher die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, eine Rotationskolbenmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die ein hohes Drehmoment bei kleinen Abmessungen abgibt.

Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Kolben über radial verlaufende Trennwände mit der Kolbennabe verbunden sind und daß der Kolbenrotor mindestens an einer Stirnseite über seine Kolben mit einer Ventilscheibe eine Rotoreinheit bildend verbunden ist deren Ventilöffnungen radial innerhalb und radial außerhalb der Gehäusemantel-Innenkontur gleichmäßig verteilt sind und die die in den Seitenteilen

w befindlichen Ein- und Auslaßöffnungen übersteuert, wovon auch die Auslaßöffnungen innerhalb und nahe des Eingriffsbereiches liegen.

Die radial verlaufenden Trennwände zwischen der Nabe und den walzenartigen Kolben führen zu einer

Yi beträchtlichen Erhöhung der Kraftresultierenden aufgrund einer Steigerung der wirksamen, vom Druckmedium beaufschlagten Flächendifferenz sowie zu erheblich größeren Hebelarmen. Die größeren Kraftresultierenden und die größeren Hebelarme führen zu einer erheblichen Zunahme des den Rotoren erteilten Drehmomentes. Die mindestens an einer Stirnseite des Kolbenrotors angeordnete Ventilscheibe mit ihren in bestimmter Weise verteilten Ventilöffnungen läßt das Strömungsmedium an den Stellen ein' und austreten, an

denen die optimale Wirkung erzielt wird. Der besondere Aufbau der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine macht es darüber hinaus möglich, daß sowohl auf den Kölbenfötöf als auch auf den Nutenrotor

Drehmomente übertragen werden. Die Rotationskolbenmaschine gemäß der Erfindung kann daher bei kleinen Abmessungen ein überaus hohes Drehmoment abgeben, insbesondere dadurch, daß im Eingriffsbereich drei Kraftimpulse pro Umdrehung und Kolben wirksam sind.

Die mindestens an einer Stirnseite des Kolbenrotors angeordnete Ventilscheibe dient darüber hinaus als Träger für die wstzenartigen Kolben und als Element zur Kraftübertragung von den walzenartigen Kolben ") zur Welle. Da der Kolbenrotor mit der an mindestens einer Stirnseite angeordneten Ventilscheibe eine Rotoreinheit bildet weist der Kolbenrotor seitlich geschlossene, taschenartige Kammern auf, in welche der Nutenrotor eintaucht Hierdurch können an den Stirnseiten der Rotationskolbenmaschine keine Spaltverluste zwischen den bewegten Teilen und den Stirnwänden des Gehäuses auftreten. Darüber hinaus gestattet dieser Aufbau eine einfache und damit entsprechend billige Herstellung des Kolbenrotors.

Die Rotationskolbenmaschine gemäß der Erfindung entspricht in ihrer Wirkungsweise einer langhubigen Kolbenmaschine mit hohem Drehmoment Derartige Antriebe sind insbesondere bei Werkzeugmaschinen sowie Förder- und Hebezeugen von Bedeutung.

Da bei der Rotationskolbenmaschine gemäß der Erfindung auch die Auslaßöffnungen in gleicher Weise wie die Einlaßöffnungen innerhalb und außerhalb nahe des Eingriffsbereiches liegen, kann die Maschine sowohl als die Pumpe, als auch als Strömungsmittelmotor in verwendet und durch einfaches Umsteuern des zugeführten Strömungsmediums in entgegengesetzten Drehrichtungen angetrieben werden.

Es ist zwar eine Rotationskolbenmaschine mit einem Nutenrotor und einem Kolbenrotor bekannt (FR-PS Ji 13 14 670), bei welcher der Kolbenrotor um den Umfang verteilte, kugelförmige Kolben aufweist die an von der Nabe radial ausgehenden Stützarmen befestigt sind. Diese Stützarme sollen durch eine öffnung in der den Kolbenrotor umgebenden, mantelartigen Umfangswand Luft ansaugen und zusammen mit den kugelförmigen Kolben in die taschenartigen Nuten des Nutenrotors bringen. Davon abgesehen, daß die die kugelförmigen Kolben tragenden Stützarme keine Trennung zwischen den einzelnen von den kugelförmigen Kolben umgrenzten Räumen schaffen sollen und können und daher nicht mit den die Kolben und Kolbennabe verbindenden Trennwänden der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine vergleichbar sind, hat diese bekannte Rotationskolbenmaschine einen von der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine völlig unterschiedlichen Aufbau, mit welchem es nicht möglich ist, hohe Drehmomente bei kleinen Abmessungen zu erzielen.

Ferner ist eine Strömungsmittelmaschine mit einer ■>■> Taumelscheibe bekannt (US-PS 32 49 061), die eine mit der umlaufenden Welle verbundene Ventilscheibe zur Steuerung des Strömungsmediums aufweist Die mit der Welle verbundene Ventilscheibe dieses bekannten Taumelscheibenniotors gibt jedoch keinen Hinweis auf f,o den besonderen Aufbau der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine Und auf die bestimmte, gegenseitige, erfindungsgemäße Zuordnung verschiedener Maschinenelemente, unter denen sich neben anderem auch eine Ventilscheibe beiindet b')

Wenn vorzugsweise die Ventilöffnungen um die Kolben derart gruppiert sind, daß die radial innenliegenden Ventilöffnüngen zwischen den Kolben auf einer Kreislinie angeordnet sind, lassen sich den jeweiligen Bedürfnissen angepaßte Bauformen ohne eine Beeinträchtigung des Funktionsprinzips der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine herstellen.

Die öffnungs- und Schließpunkte der Ventilöffnungen lassen sich sehr einfach und genau festlegen, wenn die Ein- und Auslaßöffnungen in den Seitenteilen des Gehäuses jeweils der Bewegungsbahn der radial innen- und außenliegenden Ventilöffnungen entsprechende Schlitze sind.

Eine vereinfachte Bauform der Rotationskolbenmaschine gemäß der Erfindung läßt sich dadurch erzielen, daß die Schlitze in den Seitenteilen jeweils zu einer Einlaßöffnung und einer Auslaßöffnung zusammengefaßt sind.

Wenn der Kolbenrotor mit einer An- oder Abtriebswelle drehfest verbunden ist kann die Rotationskolbenmaschine gemäß der Erfindung in ihrer Eigenschaft als Motor oder Pumpe verwendet werden.

Im nachstehenden wird ein Ausfür .ingsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen nähe- erläutert in den Zeichnungen zeigen

Fig. 1—3 schematische Seitenansichten der Rotationskolbenmaschine in verschiedenen Betriebssteilungen,

F i g. 4 einen Querschnitt in der Ebene der Achsen der Rotationskolbenmaschine und

F i g. 5 eine auseinandergezogene, perspektivische Darstellung der in den Fig. 1—4 gezeigten Rotationskolbenmaschine.

Die in den Zeichnungen gezeigte Rotationskolbenmaschine ist als hydrostatischer Motor ausgebildet und weist ein Gehäuse mit zwei Seitenteilen 3 und 5 und einen Mantel 4 auf (F i g. 4). Die Bezugszeichen 6 und 7 beziehen sich auf Ventilscheiben, die in entsprechende Ausnehmungen in den Seitenteilen 3 und 5 eintauchen. Ein Kolbenrotor 8 und ein Nutenrotor 9 sind im Gehäuse drehbar gelagert und stehen miteinander in Kämmeingriff. Der Kolbenrotor 8 weist sechs walzenartige Kolben Sa auf, die über radial verlaufende Trennwände Bb mit der Nabe 8c des Kolbenrotors 8 verbunden sind. Die Kolbennabe 8c ist mittels eines Keiles mit einer Abtriebswelle 1 drehfest verbunden. Der Nutenrotor 9 ist auf einer Achse 2 gelagert Die Innenwand des Mantels 4 folgt dem Außenumfang des Kolbenrotors 8 und des Nutenrotors 9 und weist ein Profil in Form von zwei sich überschneidenden Kreisen mit einer unteren Oberschneidungskante 10 und einer oberen Überschneidungskante 11 auf. Die Ventilscheiben 6 und 7 besitzen Ventilöffnungen 12a', 12a"und Mb, von denen die Ventilöffnung 12' und 12a" radial innerhalb der Gehäusemantel-Innenkontur und die Ventilö'fr.ungen 126 radial außerhalb der Gehäusemantel-Innenkontur liegen. Die Ventilöffnungen der Ventilscheiben 6 und 7 sind bei dem dargestelltun Ausführungsbeispiel als kreisrunde Löcher ausgebildet und übersteuern schlitzförmige Ein- und Auslaßöffnungen 13a und 13£> in den Seitenteilen 3 und 5.

Die in F i g. 5 gezeigten Einzelteile der Rotationskolbenmaschine !assen sich auf einfache Weise herstellen und zusammenbauen.

Die auf den Kolbenrotör 8 wirkenden Kräfte werden aufgrund des besonderen Aufbaus der Rotationskolbenmaschine nicht über die dünnen Trennwände 8b auf die Nabe 8c und die Welle 1 übertragen, sondern durch die beiden Ventilscheiben 6 und 7, die neben den Ventilöffnungen auch Bohrungen oder Ausnehmungen besitzen, in denen die walzenartigen Kolben 8a sitzen.

Die wirksam werdenden Kräfte werden daher von den walzenartigen Kolben 8a auf die Ventilscheiben 6 und 7 und von diesen über eine Keilverbindung auf die Nabe 8cund die Abtriebswelle 1 übertragen,

Die Ventilscheiben 6 und 7 haben die Wirkungsweise eines Drehschiebers. Sie haben einen größeren Durchmesser als der Kolbenrotor 8. Hierdurch ist es möglich, in den radial außerhalb des Umfariges des Kolberifotöfs 8 liegenden Flächen der Ventilscheiben 6 und 7 die /adial außerhalb der Gehäusemantel-Innenkontur liegenden Yentilöffnungen 126 anzuordnen, deren Bewegungsbahn sich mit den radial außerhalb der Gehäuseimantel-Innenkontur liegenden Ein- und Auslaßöffnungen 136 in den Seitenteilen 3 und 5 deckt.

Die radial innerhalb der Gehäusemantel-Innenkontur liegenden Ventilöffnungen 12a' und 12a" der Ventilscheiben 6 und 7 sind bei dem dargestellten Ausfühjungsbeispiel so angeordnet, daß jeweils zwei dieser Ventilöffnungen jeweils einem Kolben 8a zugeordnet sind. Die Bewegungsbahn der radial innenliegenden Ventilöffnungen 12a' und 12a" stimmt mit den radial innerhalb der Gehäusemantel-Innenkontur liegenden Ein- und Auslaßöffnungen 13a in den Seitenteilen 3 und 5 überein.

Die einander zugewandten Flächen der beiden Ventilscheiben 6 und 7 haben einen gegenseitigen Abstand, welcher der lichten Weite des Mantels 4 des Gehäuses entspricht. Die Seitenteile 3 und 5 des Gehäuses sind zu diesem Zweck mit kreisrunden Ausnehmungen versehen, in denen die Ventilscheiben 6 und 7 Platz finden (F i g. 4 und 5).

Im nachstehenden wird die Wirkungsweise der Rotationskolbenmaschine näher erläutert. Wenn sich die Ventilscheiben 6 und 7 drehen, werden die radial innen und außenliegenden Ventilöffnung 12a', 12a"und 126 abwechselnd »geöffnet« und »geschlossen«. Die in den Fig. 1—3 mit einem Pluszeichen versehenen Ventilöffnungen sind mit den Einlaßöffnungen in den Seitenteilen für die Zufuhr eines Druckmediums, wie Drucköl, verbunden. Die mit einem Minuszeichen versehenen Ventilöffnungen sind mit den Auslaßöffnungen verbunden, aus welchen das Drucköl wieder austritt. Die Ventilöffnungen ohne ein Plus- oder Minuszeichen sind als geschlossen zu betrachten.

Wenn ein Ziffernblatt einer Uhr auf den Kolbenrotor 8 in den Fig. 1 —3 projiziert wäre, so stünde in Fig. 1 der Kolben I gerade auf 9 Uhr, der Kolben II auf 7 Uhr und der Kolben III auf 11 Uhr.

In F i g. 1 hat der Kolben I in seiner 9-Uhr-StelIung gerade den oberen Totpunkt in seiner einen Zylinder darstellenden Nut des Nutenrotors erreicht Die in der Nutkammer über dem Kolben I sichtbare radial außenliegende Ventilöffnung 126 ist geschlossen. Die dem Kolben I zugeordneten beiden radial innenliegenden Yentilöffnungen 12a' und 12a" sind ebenfalls geschlossen, da sie vom Nutenrotor abgedeckt sind. Dagegen ist die radial innenliegende Ventilöffnung 12a in der 7.30-Uhr-SteIIung offen, die in der Kammer 8a zwischen den beiden Kolben I und II liegt Hier strömt das Drucköl in diese Kammer 8a ein und drängt den Kolben II nach rechts in Richtung 6 Uhr. Die so entstehende Drehbewegung wirkt als erster Impuls auf die Welle 1.

In F i g. 2 ist die Stellung gezeigt, welche der Kolben I in seiner Nutenkammer aufgrund der Drehbewegung des Kolbenrotors einnimmt Es wurde hierbei nicht nur die dem Kolben I zugeordnete, radial außenliegende Ventilöffnung 126, sondern es wurden auch die beiden dem Kolben I zugeordneten radial innenliegenden Ventilöffnurigen 12a' und 12a" geöffnet Durch die radial außenliegende Ventilöffnung 126 und durch die

to obere, radial inneriiegendc Ventilöffnung 12a' strömt nun Drucköl in die Nutenkammer ein und drängt den Kolben I aus dieser Nutenkammer aus. Diese Kolbenbewegung bewirkt den zweiten Impuls, der an der Welle 1 als drehende Kraft wirksam wird.

Dieser Vorgang wird durch das Drucköl unterstützt, das gleichzeitig auch durch die untere, radial innenliegende Ventilöffnung 12a"des Kolbens I in die Kammer .8a zwischen dem Kolben I und dem Kolben H einströmt und dort die Karnmerfüllung beschleunigt

Im weiteren Verlauf der Drehung wird nun der Kolben I völlig aus seiner Nutenkammer ausgeschoben und in die in F i g. 3 gezeigte 730-Uhr-SteIIung gebracht Dabei wird zwar die radial außenliegende Ventilöffnung 126 des Kolbens I geschlossen, jedoch strömt nun das Drucköl durch die obere, radial innenliegende Ventilöffnung 12.3'des Kolbens I in die Kammer 8a, die zwischen dem Kolben I und dem Kolben III liegt Das Drucköl bewirkt hier den dritten Impuls und drängt den Kolben I weiter nach 6 Uhr. Zwischenzeitlich begann die

jo Impulsfolge bereits wieder mit dem ersten Impuls beim nachfolgenden Sektor des Kolbenrotors.

Aus der vorstehenden Erläuterung geht hervor, daß während einer sechstel Umdrehung der Welle 1 insgesamt drei Kraftimpulse wirksam werden, so daß bei einer vollen Umdrehung um 360° instesamt 6x3=18 Kraftimpulse wirken.

Wie aus den Fig. 1—3 hervorgeht, überschneiden sich die einzelnen Impulse in ihrer Wirkung derart daß der stillstehende Motor aus jeder Stellung des

•to Kolbenrotors sofort anläuft sobald das Drucköl zu strömen beginnt Da der Öldruck auf dem gesamten Hebelarm vom walzenartigen Kolben bis zur Welle 1 wirksam wird, tritt auch jeweils ein entsprechend hohes Drehmoment auf.

Da die Ventilöffnungen 12a' und 12a" und 126 der Ventilscheiben 6 und 7 symmetrisch zu den walzenartigen Kolben 8 und die Ein- und Auslaßöffnungen 13a, 136 symmetrisch zum oberen Totpunkt eines in eine Nut eintauchenden walzenartigen Kolbens angeordnet sind, treten bei jeder Fließrichtung des Drucköls die gleiten Kraftimpulse auf. Dies bedeutet, daß die Drehrichtung der Rotationskolbenmaschine beliebig geändert werden kann und der Impulsablauf beim Vorwärts- und Rückwärtslauf gleich ist Dies gilt sowohl für das einströmende Öl als auch für das ausströmende Öl, da sich die Schließ- und Öffnungszeiten der Ventilöffnungen sinngemäß ergänzen.

Der Vor- und Rücklauf, sowie die Drehzahl der Rotationskolbenmaschine können durch ein einfaches

bo Steuerventil geregelt werden, das bei den gewählten Stellungen für die Laufrichtung der Rotationskolbenmaschine den Ölstrom entsprechend umlenkt und dosiert

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Parallel- und außenachsige Rotationskolbenmaschine mit Kämmeingriff zwischen mindestens einem über seinen Umfang mit walzenartigen Kolben versehenen Kolbenrotor und mindestens einem Nutenrotor, die beide innerhalb eines Gehäuses mit Ein- und Auslaßöffnungen aufweisenden Seitenteilen umlaufen, deren Einlaßöffnungen innerhalb und nahe des Eingriffsbereiches liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (8a^über radial verlaufende Trennwände (8b) mit der Kolbennabe (8c) verbunden sind und daß der Kolbenrotor (8) mindestens an einer Stirnseite über seine Kolben (8a) mit einer Ventilscheibe (6, 7) eine Rütoreinheit bildend verbunden ist, deren Ventilöffnungen (12a' 12a", t2b) radial innerhalb und radial außerhalb der Gehäusemantel-Innenkontur gleichmäßig verteilt sind und die die in den Seitenteilen (3, 5) befindlicher Ein- und Auslaßöffnungen (13a, 13Z>j übersteuert wovon auch die Auslaßöffnungen innerhalb und naJie des Eingriffsbereiches liegen.

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilöffnungen (12a', 12a", \2b) um die Kolben (8a) derart gruppiert sind, daß die radial innenliegenden Ventilöffnungen (12a', \2a") zwischen den Kolben (Sa^ auf einer Kreislinie angeordnet sind.

3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Auslaßöffnungcn (13a, 136; in den Seitenteilen (3,5) des Gehäuses jeweils der Bewegungsbahn der radial innen und außenliegenüen Veiitilöffnungen (12a', 12a", 12Z>jentsprechende Schlitze sind.

4. Rotationskolbenmaschine n-ch Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze in den Seitenteilen (3,5) jeweils zu einer Einlaßöffnung und einer Auslaßöffnung zusammengefaßt sind.

5. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenrotor (8) mit einer An- oder Abtriebswelle (1) drehfest verbunden ist