DE2912254A1

DE2912254A1 - Rotationskolbenmaschine

Info

Publication number: DE2912254A1
Application number: DE19792912254
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl Ing Mettner; Heinz Dr Ing Mueller
Original assignee: Feinmechanische Werke Mainz GmbH
Current assignee: Feinmechanische Werke Mainz GmbH
Priority date: 1979-03-28
Filing date: 1979-03-28
Publication date: 1980-11-06
Also published as: IT1131099B; DE2912254C2; FR2452614B3; GB2046353A; GB2046353B; FR2452614A1; IT8020974A0

Description

Patentanwälte GRAMM +LINS

-3·

Dipl.-Ing. Werner Gramm Dipl.-Phys. Edgar Lins

D-3300 Braunschweig

Feinmechanische i/erke
tfainz GmbH
Postfach 2020

Telefon: (05 31)80079

6500 ilainz 1 Telex: 09 52

Anwaltsakte 3 7 6 7 DL· Pt. Datum 27. März 1979

"Rotationskolbenmaschine"

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine mit einem Rotor, der eine .lehrzahl von Kolben aufweist, die mit ihrer Oberfläche an einer Innenwand eines Stators anliegen, wobei die Innenwand des Stators mit negativen Nocken versehen ist, die eine kontrollierte Auslenkbewegung des Kolbens in radialer bzw. axialer Richtung und eine Rückstellung des Kolbens in seine Ausgangsposition bewirken, wobei die Oberfläche des Kolbens eine konvexe Form aufweist und die Steigung der Nocke in der radial äußersten Stellung des Kolbens null ist.

Line derartige Maschine ist beispielsweise aus der DE-OS 27 16 496 bekannt. Eine solche Rotationskolbenmaschine kann sowohl als hydraulischer Motor als auch als hydraulische Pumpe eingesetzt werden.

Die Umsetzung des hydraulischen oaer pneumatischen Druckes in die Drehbewegung bei einem i4otor oder die Umsetzung einer Drehbewegung in einen hydraulischen oder pneumatischen Druck bei einer Pumpe wird durch die in der Innenwand des Stators eingearbeiteten i-iocken, eier en Kontur die Kolben folgen, be-

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wirkt. Die Kolben bewegen nmit ihrer konvexen Oberfläche auf der Oberfläche der Nocken, die im Bereich des Übergangs von der Kolbenbewegung nach radial außen zur Rückstellbewegung nach radial innen konkav gewölbt sind.

Es ist bekannt, die Nocken sinus-förmig auszubilden, so daß die Innenwand eine sinus-Wellenform aufweist. Es rist ersichtlich, daß die Form der Nocken einen erheblichen Einfluß auf den Betrieb der Maschine und/oder den Verschleiß des Stators hat. Die Innenwand des Stators nimmt die von dem Kolben erzeugten Kräfte auf, so daß deren Haltbarkeit entscheidend von den von dem Kolben erzeugten Kräften und deren Übertragung au die Innenwand beim Umlaufen abhängt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Rotationskolbenmaschine der eingangs erwähnten Art zu erstellen, deren Nocken hinsichtlich des Betriebs und/oder der Haltbarkeit der Maschine verbessert sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im ansteigenden Teil der Nocke der Winkelbereich, in dem die Steigung zunimmt, größer ist als der Winkelbereich, in dem die Steigung abnimmt.

Bei allen bekannten, für diesen Anwendungsfall in Betracht zu ziehenden Nockenformen liegt der Umkehrpunkt zwischen zunehmender und abnehmender Steigung, d.h. also der Punkt der maximalen Steigung, genau in der Mitte des für den ansteigenden Teils des Nockens zur Verfügung stehenden Winkelbereichs. Grund für diese Kurvenformen ist die Vorstellung, daß der Kolben eine möglichst gleichmäßige Bewegung auszuführen hat und daher für die positive Beschleunigung in radialer Richtung der gleiche Winkelbereich zur Verfügung stehen muß, wie für die negative Beschleunigung in radialer Richtung.

Entgegen dieser Vorstellung lehrt die Erfindung, daß ein ver-

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bessertes Ergebnis bei Rotationskolbenmaschinen dadurch erzielbau ist, daß der Kurvenverlauf für die Steigung der Nockenform im j ansteigenden Teil unsymmetrisch verläuft. Die Steigungszunähme geschieht bei der erfindungsgemäß ausgestalteten Nooke langsamer als bei den bekannten und dauert über einen größeren , Winkelbereich an. Daher muß die Abnahme der Steigung über einen

geringeren Winkelbereich durchgeführt werden, was zu einer ; größeren negativen Beschleunigung führt. Der Erfindung liegt : die Erkenntnis zugrunde, daß eine derartige negative Be-, schleunigung ohne Schaden in Kauf genommen werden kann, da in

■ der radial äußersten Position des Kolbens die Form der Nocke ϊ

am besten der Oberflächenform des Kolbens angepaßt ist und daß bei einer kleineren Breite des Maximums der Nocke eine

j günstigere Schmiegung zwischen Nocke und Kurve erzielt wird.

j Die Schmiegung kann am besten durch das Verhältnis der Krümmungs-

{ radien der Kolbenoberfläche und der Nockenoberfläche

! charakterisiert werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestal-

I tung der Nocke wird im Bereich des Maximums der radialen Aus-

j wärtsbewegung ein kleinerer Krümmungsradius erzeugt. Die von

I der Innenwand des Stators aufzunehmenden Kräfte werden dabei

ι wegen der günstigen Schmiegung über eine größere Fläche ver- {

; teilt, so daß keine punktuellen Beschädigungen an der Innenwand

j des Stators auftreten. Es ergibt sich daher bei der erfindungs-

: gemäßen Nockenform im ansteigenden Teil der Nocke, der für die

I Leistungserzeugung entscheidend ist, eine verbesserte Pressungs-

i Verteilung, so daß die Nockenform hinsichtlich des erzeugten

I Momentes erheblich verbessert ist. Selbstverständlich muß in

' jedem Fall der Krümmungsradius der Nocke größer sein als der

ι der Kolbenoberfläche.

ι
ι
I Vorzugsweise beträgt der Winkelbereich mit zunehmender Steigung j mindestens 60 % des Winkelbereichs für den gesamten ansteigenden I Teil der Nocke.

Eine optimierte Nockenform ergibt sich dann, wenn der Winkel-

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bereich bei ca. 70 % liegt.

Vorzugsweise wird der ansteigende Teil so ausgebildet, daß die ! Zunahme der Steigung über dem größten Teil des Winkelbereichs [ nahezu konstant ist.

j In einer bevorzugten Ausführungsform geht die Zunahme der ] Steigung von einem höheren Wert am Anfang des ansteigenden ] Teils der itfocke in einen kleineren Wert über, der über mehr als i
die Hälfte des Winkelbereichs, in dem die Steigung zunimmt, etwa konstant bleibt und dann kontinuierlich abfällt. Für eine derartige Nockenform ergeben sich hinsichtlich der auftretenden Moment hervorragende Ergebnisse.

Die Abbremsung des Kolbens in radialer Richtung ist vorzugsweise in der äußersten Stellung des Kolbens maximal.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der absteigende Teil der Nocke eine andere Kurvenform auf als der ansteigende Teil. Hierdurch wird zwar bei umkehrung der Drehrichtung, beispielsweise eines hydraulischen Motors, nicht mehr das maximal mögliche Moment erzeugt, andererseits kann unter Verzicht auf diese Möglichkeit der Wirkungsgrad des Motors erheblich gesteigert werden, insbesondere, wenn der absteigende Teil der Nocke einen wesentlich kleineren Winkelbereich einnimmt als der ansteigende Teil, da dann auf dem Umfang der Innenwand mehr Nocken untergebracht werden können als bei einer symmetrischen Nockenform. In diesem Fall ist dann eine Umkehrung der Drehrichtung nicht mehr sinnvoll.

Für den absteigenden Teil der Nocke hat sich die Kurvenform eines Polynoms 3. Grades als optimal herausgestellt unter dem Gesichtspunkt, daß der absteigende Teil der Nocke einen möglichst kleinen Winkelbereich einnehmen soll und nicht zum Klemmen des Kolbens führen darf.

Die hier gewählte Terminologie "ansteigender Teil" und "absteigender Teil" bezieht sich auf die Ausführungsform als

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Motor, wobei der ansteigende Teil der momenterzeugende Teil j ist. Beim übergang vom Motorbetrieb zum Pumpenbetrieb der j Radialkolbenmaschine kann dieselbe Nockenform verwendet werden, wobei die Drehrichtung des Rotors umgekehrt werden muß. ι In diesem Fall ist der "ansteigende Teil" weiterhin der die ! Leistung erzeugende Teil der Nocke, führt jedoch hierbei den ^; Kolben aus seiner radial äußersten Stellung in eine radial j weiter innen liegende Stellung zurück. Dadurch wird auf das i gepumpte Medium Druck ausgeübt. I

¹ Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung j dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. i

Es zeigen: '

■ Figur 1 einen Längsschnitt durch einen hydraulischen Radial- ' ; kolbenmotor

Figur 2 einen Querschnitt durch den Radialkolbenmotor entlang
der Linie A-A in Figur 1

! Figur 3 einen Querschnitt durch den Radialkolbenmotor entlang
! der Linie B-B in Figur 1

; Figur 4a eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Nockenform
: ~ ^C mit der ersten und zweiten Ableitung im Vergleich zu
; bekannten Nockenformen

^: Figur 5a eine grafische Darstellung der Kontur einer erfindungs-

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_: gemäßen, unsymmetrischen Nocke mit deren erster und

zweiter Ableitung

; Der Radialkolbenmotor besteht aus einem Gehäuse 1, aus dessen
; einer Stirnwand eine Abtriebswelle 2 des Motors herausragt.

j Innerhalb der Stirnwand, des Gehäuses 1 ist die Abtriebswelle

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mit Hilfe eines O-Ringes 3 abgedichtet. Die Welle 2 geht im Inneren des Gehäuses in einen in etwa zylinderförmigen Rotor 4 über, der eine Anzahl von Kugelkolben 5 trägt, die gegen die Innenwandung einer in dem Gehäuse eingesetzten Hülse 6 anliegen. Die Hülse 6 ist mittels eines Zylinderstiftes 7 drehfest am Gehäuse 1 befestigt und bildet den Stator des Motors. Der Rotor 4 ist in dem Gehäuse 1 mittels zweier Stirnlager8, 9 gehalten. Die Kugelkolben sind auf drei in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Motors liegenden Kreisbahnen angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel befinden sich in einer Ebene sechs derartiger Kugelkolben 5. Die Kugelkolben laufen in einer dafür vorgesehenen, leicht kreisförmig ausgebildeten Mulde 10 in der Innenwand der Hülse 6 um.

Die Kugelkolben 5 sind in einer zylinderförmigen Bohrung 11 radial verschiebbar gelagert. Die zylinderförmigen Bohrungen 11 verjüngen sich zum Inneren des Rotors 4 hin und bilden eine öffnung 12, die mit entsprechenden, radial ausgerichteten öffnungen 13 von axial verlaufenden Ölleitungen 14 zusammenfallen können. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind innerhalb des hohl ausgeführten Rotors vier axial verlaufende Ölleitungen 14 vorgesehen. Diese Leitungen sind ortsfest in dem Gehäuse 1 gelagert. Sie gehen jenseits des von der Welle 2 abgewandten Stirnlagers 9 in einen Steuerschieber 15 über, der ebenfalls in einer festen, aber einstellbaren Lage im Gehäuse 1 befestigt ist. Der Steuerschieber ist von zwei axial nebeneinander liegenden Ringkanälen 16, 17 umgeben, von denen der eine mit einer Zulauföffnung 18 und der andere mit einer Ablauföffnung 19 verbunden ist. Beide Ringkanäle 16, 17 sind über jeweils zwei Querbohrungen 20 mit jeweils zwei einander gegenüberliegenden Ölleitungen 14 verbunden, von denen demzufolge zwei zur Zuleitung und zwei zur Ableitung des Hydrauliköls dienen.

Die von der Welle 2 abgewandte Stirnseite des Gehäuses 1 weist noch eine parallel zur Achse verlaufende Bohrung 21 auf, die

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mit dem Innenraum des Gehäuses zwischen den beiden Stirnlagern
3, 9 in Verbindung steht und zur Abführung von Lecköl dient« i

über den Zulauf 18 wird beispielsweise öl unter Druck in den \ Motor gepumpt. Dieses öl gelangt in die mit dem entsprechenden \ Ringkanal 16 verbundenen Leitungen 14 und beaufschlagt die j Kugelkolben 5, in deren zylinderförmige Bohrung^ei?1 das öl auf- i grund des teilweisen oder vollständigen Zusammenfaliens der ! öffnungen 12 und 13 gelangen kann. Die öffnungen 13 der öl- ^: leitungen 14 sind so ausgerichtet, daß die Kugelkolben dann I voll mit unter Druck stehendem öl beaufschlagt werden* wenn sie j sich auf dem ansteigenden Teil einer Nocke 21 befinden. Die i Nocke 21 ist konkav gewölbt, stellt sich daher als eigentliche ; negative Hocke dar. Wenn der Kugelkolben 5 seine radial äußerste ! Position erreicht hat, ist er nicht mehr mit einer Zuleitung 14 ι verbunden. Bei einer v/eiteren Rotation entsteht eine Flüssigkeitsverbindung zu einer benachbarten öffnung 13, die zu einer ' Ölleitung 14 gehört, durch die das öl aus der zylinderförmigen | Bohrung 11 wieder abfließen kann. Hierzu steht die ent- I sprechende Ölleitung 14 mit dem Ringkanal 17 über den Steuerschieber 15 in Verbindung, der zu der Ablauföffnung 19 gehört.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Nocken in
einer Ebene vorgesehen, so daß zwei Zuleitungen und zwei Ableitungen erforderlich sind.

In Figur 4a ist die Form einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Nocke 21 mit einer durchgezogenen Linie dargestellt. Zum Vergleich hierzu sind für einen gleichen Winkelbereich und eine
gleiche Amplitude drei Vergleichskurven aufgezeichnet, die die
Form bekannter Nocken charakterisieren. Mit der punktierten
Linie ist die Form einer biharmonischen Nocke 22, mit einer
strichpunktierten Linie die Form einer modifizierten Sinuide 23
und mit einer gestrichelten Linie eine Nocke in Form einer
Gutmann-Kurve 24 dargestellt.

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Zur Verdeutlichung der Eigenschaften der erfindungsgemäßen Nockenform 21 im Vergleich zu den bekannten zeigt Figur 4b die erste Ableitung und Figur 4c die zweite Ableitung der in Figur 4a dargestellten Kurven.

Aus Figur 4a ist deutlich, daß die erfindungsgemäße Nockenform bis zum Erreichen der maximalen Amplitude im überwiegenden Winkelbereich unterhalb der bekannten Kurven verläuft, d.h. die Steigung über einen weiten Teil des Winkelbereichs wesentlich geringer ist und die Kurve erst im letzten Teil des Winkelbereichs die bekannten Kurvenformen erreicht.

Verdeutlicht wird dieser Sachverhalt anhand der Figur 4b, die die erste Ableitung, d.h. den Verlauf der Steigung, der in Figur a dargestellten Kurven zeigt. Während alle bekannten Kurven ihre maximale Steigung genau in der Mitte des für den ansteigenden Teil der Nocke zurVerfügung stehenden Winkelbereichs erreichen, geschieht dies bei der erfindungsgemäßen Nocke 21 erst nach knapp 70 % des Winkelbereichs. Die erste Ableitung der bekannten Nockenformen verläuft spiegelsymmetrisch zu der Mitte des Winkeibereichs, während die erste Ableitung der erfindungsgemäßen Nockenkurve 21 diese Symmetrie nicht aufweist. Der Winkelbereich, in dem die Steigung im ansteigenden Teil der Nocke zunimmt, ist bei der erfindungsgemäßen Nockenform also wesentlich größer als der Winkelbereich, in dem die Steigung wieder abnimmt.

Figur 4c zeigt eine weitere interessante Eigenschaft der erfindungsgemäßen Nockenform 21. Die Beschleunigung, nämlich die zweite Ableitung, der auf der Nocke 21 verlaufenden Kugel ist über einen vielten Winkelbereich nahezu konstant und fällt dann auf einen hohen Wert negativer Beschleunigung ab. Die maximale negative Beschleunigung wird genau in dem Punkt erreicht, in dem der ansteigende Teil der Nocke 21 beendet ist. Die Zunahme der Steigung der Nockenkurve, d.h. die Beschleunigung der auf dieser

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Nockenkurve bewagten Kugel, fällt am Anfang des Winkelbereichs i von ainem hohen Wert auf einen praktisch konstanten Wert und dann : ab zu dem stark ausgeprägten maximalen negativen Wert am Lnde

des ansteigenden Teils der iSiocke. !

Die bekannten Nockenformen zeigen in der zweiten Ableitung ein ; völlig anderes Verhalten, da die zweite Ableitung bei der Hälfte ; des Winkelbereichs durch null verläuft und am Ende des ansteigenden Teils ebenfalls wieder null ist oder sich einem negativen
Viert mit geringer Steigung annähert. \

Durch den vergleichsweise langsamen Anstieg der Nocke 21 wira ein ; günstiger Pressungswinkel zwischen Kugel und Itocke erzielt. Der ^! Pressungswinkel ist der Winkel, der zwischen der Achse der j zylinderförmigen Bohrung 11 und dem momentanen Tangentialwinkel j der Nockenkurve 21 eingeschlossen wird. Zum Zeitpunkt der maxima-! len Kraftübertragung von dem Druckmedium auf den Kugelkolben b ι ; ist die Pressung zwischen Kugel und Nocke wesentlich günstiger | als bei den bekannten Nockanformen. Der Pressungswinkel wird
gegenüber aen bekannten üoc kenformen ungünstiger, wenn die
Schmiegung zwischen Kugel und Wocke besonders günstig ist.
Dadurch entstellt eine optimale Gesamtbelastung von Kugelkolben b
und Laufiaulde 1ü bei einem optimal übertragbaren Moment.

. Figur 5 zeigt eine erfindungsgeaiäß ausgestaltete unsymmetrische

j nockenform 21', bei der der ansteigende Kurventeil unverändert
ist, eier absteigende Kurventeil jedoch einem Polynom 3. Ordnung

entspricht und auf einem wesentlich kleineren'Winkelbereich auf
■ den Hub null zurückgeht. Die erste Ableitung der Kurve entspricht

im abfallenden Teil uer ^ockenfonu 21 * einer Parabel 2. Ordnung.
Die zweite Ableitung zeigt eine konstante Beschleunigung für dei.

abfallenden Tail eier ^ockenform 21 ' . Diese Form des Polynoms
3. Ordnung für Usn abstaigenden Teil der Kockenform 21' ist Qp-, tiiaal hinsichtlich dor Kriterien, daß die Rückstellung des KoI-
; bans auf einein, möglichst geringen Winkelbereich erfolgen soll,
I ohne daß eine Klemmung des Kolbens in der bocke eintritt.

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; Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der nocken 21 erbringt eine i entscheidende Verbesserung des Verhältnisses Drehmoment/Baui volumen und der Haltbarkeit der Rotationskolbenmaschinen.

I Für den Pumpbetrieb einer Rotationskolbenmaschine wird lediglich

die Drehrichtung geändert, so daß die dargestellten Nockenformen j nicht von links nach rechts, sondern von rechts nach links I durchlaufen werden. In jedem Fall wird an dem als "ansteigenden

j Teil" bezeichneten Teil der hockenform 21 bzw. 21· die Nutz-'. leistung erzeugt.

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Claims

Patentansprüche:

{ 1. !Rotationskolbenmaschine mit einem Rotor, der eine Mehrzahl von Kolben aufweist, die mit ihrer Oberfläche an einer Innenv/and eines Stators anliegen, wobei die Innenwand des Stators mit negativen Nocken versehen ist, die eine kontrollierte Auslenkbewegung des Kolbens in radialer bzw. axialer Richtung und eine Rückstellung des Kolbens in seine Ausgangsposition bewirken, wobei die Oberfläche des Kolbens eine konvexe Form aufweist und die Steigung der Nocke in der radial äußersten Stellung des Kolbens null ist, dadurch gekennzeichnet, daß im ansteigenden Teil der JMocke (21) der winkelbereich, in dem die Steigung zunimmt, größer ist als der Winkelbereich, in dem die Steigung abnimmt.
2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im ansteigenden Teil der Nocke (21) der Winkelbereich mit zunehmender Steigung mindestens 60 % des Winkelbereichs des gesamten ansteigenden Teils ausmacht.

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3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 2, da durch.-gekennzeichnet, daß der Winkelbereich mit zunehmender Steigung ca. 70 % ausmacht.
4. ftotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche "V- 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunahme der Steigung über dem größten Teil des Winkelbereichs nahezu konstant ist.
5. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunahme der Steigung von einem höheren Wert am Anfang des ansteigenden Teils der Nocke (21) in einen kleineren Wert übergeht, der über mehr als die Hälfte des Winkelbereichs, in dem die Steigung zunimmt, etwa konstant bleibt und dann kontinuierlich abfällt.
6. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 r 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbremsung des Kolbens (5) in radialer Richtung in der äußersten Stellung des Kolbens (5) maximal ist.
7. Rotationskolbenmaschine nach einem uer Ansprüche 1-6/ dadurqh gekennzeichnet, daß der absteigende Teil der Nocke (21') eine andere Kurvenform aufweist als der ansteigende Teil.
8. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der absteigende Teil der Nocke (21·) die Kurvenform eines Polynoms 3. Grades aufweist.
9. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 7 oder ö, aaaurcn gekennzeichnet, daß der absteigende Teil der Nocke (21·) einen wesentlich kleineren Winkelbereich einnimmt als der ansteigende Teil.

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ORIGINAL INSPECTS