DE2912254C2 - "Umlauf-Hubkolbenmaschine" - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Umlauf-Hubkolbenmaschine, deren Rotor mehrere Kolben-Zylinder-Einheiten aufweist, wobei die Hubbewegung der Kolben, die an dem dem Arbeitsmedium abgewandten Ende eine konvexe Oberfläche aufweisen, durch eine radial bzw. axial äußere, negative Nocken aufweisende stationäre Kurvenbahn bewirkt wird, wobei im ansteigenden Teil der negativen Nocken der Winkelbereich, in dem die Steigung zunimmt, größer ist als der Winkelbereich, in dem die Steigung abnimmt, und die Steigung der negativen Nocken in der äußersten Hubstellung des Kolbens Null ist.

Eine derartige Umlauf-Hubkolbenmaschine ist aus der DE-AS 20 04 322 bekannt Eine solche Maschine kann prinzipiell sowohl als hydraulischer Motor als auch als hydraulische Pumpe eingesetzt werden.

Die Umsetzung des hydraulischen oder pneumatischen Druckes in die Drehbewegung bei einem Motor oder die Umsetzung einer Drehbewegung in einen hydraulischen oder pneumatischen Druck bei einer Pumpe wird durch die in der Innenwand des Stators eingearbeiteten Nocken, deren Kontur die Kolben folgen, bewirkt Die Kolben bewegen sich mit ihrer konvexen Oberfläche auf der Oberfläche der Nocken, die im Bereich des Obergangs von der Kolbenbewegung nach außen zur Rückstellbewegung nach innen konkav gewölbt sind.

Bei der aus der DE-AS 20 04 322 bekannten Umlauf-Hubkolbenmaschine ist im ansteigenden Teil

ίο der negativen Nocken der Winkelbereich, in dem die Steigung zunimmt, größer als der Winkelbereich, in dem die Steigung abnimmt Die Nockenform ist so ausgebildet, daß ein Bereich konstanter Beschleunigung und ein Bereich konstanter Verzögerung entsteht Dabei ist der Bereich konstanter Beschleunigung gegenüber dem Bereich konstanter Verzögerung vergrößert so daß ein asymmetrisches Geschwindigkeitsdiagramm entsteht.
Untersuchungen haben gezeigt daß mit einer derartigen Nockenform kein optimales Drehmoment erzielt wird, so daß das Verhältnis von Drehmoment zu Verschleiß von Kolben bzw. Führungsbahn nicht optimal ist

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, für eine Umlauf-Hubkolbenmaschine der eingangs genannten Art das Verhältnis von Drehmoment zu Verschleiß von Kolben bzw. Führungsbahn zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zunahme der Steigung derart verläuft daß sie von einem anfänglich höheren Wert in einen kleineren Wert übergeht, der über mehr als die Hälfte des Winkelbereiches, in dem die Steigung zunimmt etwa konstant bleibt und dann kontinuierlich abfällt, bis die Abbremsung des Kolbens in seiner äußersten Hubstellung maximal ist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der kontinuierliche Abfall der Beschleunigung, der in eine Abbremsung übergeht, die in der äußersten Hubstellung des Kolbens maximal ist ohne Schaden in Kauf genommen werden kann, da in der radial äußersten Position des Kolbens die Form der Nocke am besten der Oberflächenform des Kolbens angepaßt ist. Die Schmiegung kann am besten durch das Verhältnis der Krümmungsradien der Kolbenoberfläche und der Nockenoberfläche charakterisiert werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der negativen Nocke wird im Bereich des Maximums der Auswärtsbewegung ein kleinerer Krümmungsradius erzeugt Die von der Innenwand des Stators aufzunehmenden Kräfte werden dabei wegen der günstigen Schmiegung über eine größere Fläche verteilt, so daß keine punktuellen Beschädigungen an der Innenwand des Stators auftreten. Es ergibt sich daher bei der erfindungsgemäßen Nockenform im ansteigenden Teil der negativen Nocke, der für die Leistungserzeugung entscheidend ist, eine verbesserte Pressungsverteilung, so daß die Nockenform hinsichtlich des erzeugten Momentes erheblich verbessert ist. Selbstverständlich muß in jedem Fall der

ω Krümmungsradius der negativen Nocke größer werden als der der Kolbenoberfläche.

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

Eine optimierte Nockenform ergibt sich dann, wenn der Winkelbereich bei ca. 70% liegt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der abnehmende Teil der negativen 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 abnehmende Teil der Nocken einen wesentlich kleineren Winkelber-nich einnimmt als der ansteigende Teil, da dann auf dem Umfang der Innenwand mehr negative Nocken untergebracht ig werden können als bei einer symmetrischen Nockenform. In diesem Fall ist dann eine Umkehrung der Drehrichtung nicht mehr sinnvoll.

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

Die hier gewählte Terminologie »ansteigender Teil« und »abnehmender Teil« bezieht sich aut' die Ausführungsform als Motor, wobei der ansteigende Teil der momenterzeugende Teil ist Beim Obergang vom Motorbetrieb zum Pumpenbetrieb der Umlauf-Hubkolbenmaschine kann dieselbe Nockenform verwendet werden, wobei die Drehrichtung des Rotors umgekehrt werden muß. In diesem Fall ist der »ansteigende Teil« weiterhin der die Leistung erzeugende Teil der negativen Nocke, führt jedoch hierbei den Kolben aus seiner äußersten Stellung in eine weiter innenliegende Stellung zurück. Dadurch wird auf das gepumpte Medium Druck ausgeübt.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch einen hydraulischen Umlauf-Hubkolbenmotor,

Fig.2a—2c eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Nockenform mit der ersten und zweiten Ableitung im Vergleich zu bekannten Nockenformen,

Fig.3a—3c eine graphische Darstellung der Kontur einer erfindungsgemäßen unsymmetrischen Nocke mit deren erster und zweiter Ableitung.

Die Umlauf-Hubkolbenmaschine in F i g. 1 weist ein Gehäuse 1 auf, aus dessen einer Stirnwand eine Abtriebswelle des Motors herausragt. Die Welle geht im Innern des Gehäuses in einen etwa zylinderförmigen Rotor 4 über, der eine Anzahl von kugelförmigen Kolben 5 trägt, die gegen die Innenwandung einer in dem Gehäuse eingesetzten Hülse 6 anliegen. Die Hülse ist drehfest am Gehäuse 1 befestigt und bildet den Stator des Motors. Die sogenannten Kugelkolben 5 sind beispielsweise auf drei in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Motors liegenden Kreisbahnen angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel befinden sich in einer Ebene sechs derartige bügelkolben 5.

Die Kugelkolben 5 sind jeweils in einer zylinderförmigen Bohrung 11 radial verschiebbar gelagert. Die zylinderförmigen Bohrungen U verjüngen sich zum Innern 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.

Für den Betrieb des Motors wird öl unter Druck in den Motor gepumpt. D'eses öl gelangt in die Zuleitungen 14 und beaufschlagt die Kugelkolben 5, in deren zylinderförmige Bohrungen 11 das öl aufgrund des teilweisen oder vollständigen Zusammenfallen der öffnungen 12 und 13 gelangen kann. Die öffnungen 13 der Zuleitungen 14 sind so ausgerichtet, daß die Kugelkolben dann voll mit unter Druck stehendem Öl beaufschlagt werden, wenn sie sich auf dem ansteigenden Teil einer negativen Nocke 21 befinden. Die negative Nocke 21 ist, wie näher bezeichnet, konkav gewölbt Wenn der Kugelkolben 5 seiue radial äußerste Position erreicht hat ist er nicht mehr mit einer Zuleitung 14 verbunden. Bei einer weiteren Rotation des Rotors 4 entsteht eine Flüssigkeitsverbindung zu einer benachbarten öffnung 13, die zu einer Zuleitung 14 gehört durch die das öl aus der zylinderförmigen Bohrung 11 wieder abfließen kann. Hierzu steht die entsprechende Zuleitung 14 über einen Steuerschieber mit einer Ablauföffnung in Verbindung.

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

In Fig.2a ist die Form einer erfindungsgemäß ausgebildeten negativen 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 negativen Nocke 22, mit einer strichpunktierten Linie eine negative Nocke 23 in Form einer modifizierten Sinuide und mit einer gestrichelten Linie eine negative Nocke 24 in Form einer Gutmann-Kurve dargestellt.

Zur Verdeutlichung der Eigenschaften der erfindungsgemäßen Nockenform 21 im Vergleich zu den bekannten zeigt F i g. 2b die erste Ableitung und F i g. 2c die zweite Ableitung der in Fig. 2a dargestellten Kurven.

In den Fig.2 und 3 bezeichnet PHIden Drehwinkel der Umlauf-Hubkolbenmaschine, 5 die Auslenkung der Kugel an der negativen Nocke 21, SG die durch die erste Ableitung gebildete Radialgeschwindigkeit der Kugel u. SS die Radialbeschleunigung der Kugel.

Aus F i g. 2a ist deutlich, daß die erfindungsgemäße Nockenform 21 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 F i g. 2b, die die erste Ableitung, d. h. den Verlauf der Steigung, der in F i g. a dargestellten Kurven zeigt. Während die dargestellten bekannten Kurven ihre maximale Steigung genau in der Mitte des für den ansteigenden Teil der Nocke zur Verfügung stehenden Winkelbereichs erreichen, geschieht dies bei der erfindungsgemäßen negativen Nocke 21 erst nach knapp 70% des Winkelbereichs. Die erste Ableitung der bekannten Nockenformen verläuft spiegeisymmetrisch zu der Mitte des Winkelbereichs, während die erste Ableitung der erfindungsgemäßen Nockenkurve 21 diese Symmetrie nicht aufweist. Der Winkelbereich, in dem die Steigung im ansteigenden Teil der negativen Nocke zunimmt, ist bei der erfindungsgemäßen Nockenform 21 also wesentlich größer als der Winkelbereich, in dem die Steigung wieder abnimmt.

Fig. 2c zeigt eine weitere interessante Eigenschaft der erfindungsgemäßen Nockenform 21. Die Beschleu-

nigung, nämlich die zweite Ableitung, der auf der negativen Nocke 21 verlaufenden Kugel ist über einen weiten 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 negativen Nocke 21 beendet ist. Die Zunahme der Steigung der Nockenkurve, d. h. die Beschleunigung der auf dieser Nockenkurve bewegten Kugel, fällt am Anfang des Winkelbereichs von einem hohen Wert auf einen praktisch konstanten Wert und dann ab zu dem stark ausgeprägten maximalen negativen Wert am Ende des ansteigenden Teils der negativen Nocke.

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 Wert mit geringer Steigung annähert.

Durch den vergleichsweise langsamen Anstieg der negativen Nocke 21 wird ein günstiger Pressungswinkel zwischen Kugel und Nocke erzielt. Der Pressungswinkel ist der Winkel, der zwischen der Achse der zylinderförmigen Bohrung 11 und der Kurvennormalen der Nockenkurve 21 eingeschlossen wird. Zum Zeitpunkt der maximalen Kraftübertragung von dem Druckmedium auf den Kugelkolben 5 ist die Pressung zwischen Kugel und Nocke wesentlich günstiger als bei den bekannten Nockenformen. Die Pressungskräfte sind gegenüber den bekannten Nockenformen größer, wenn die Schmiegung zwischen Kugel und Nocke besonders günstig ist. Dadurch entsteht eine optimale Gesamtbelastung von Kugelkolben 5 und negativer Nocke bei einem optimal übertragbaren Moment.
F i g. 3 zeigt eine erfindungsgemäß ausgestaltete unsymmetrische Nockenform 2Γ, bei der der ansteigende Kurventeil unverändert ist, der abnehmende 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 der Nockenform 21' einer Parabel 2. Ordnung. Die zweite Ableitung zeigt eine konstante Beschleunigung für den abfallenden Teil der Nockenform 2Γ. Diese Form des Polynoms

3. Ordnung für den absteigenden Teil der Nockenform 2Γ ist optimal hinsichtlich der Kriterien, daß die Rückstellung des Kolbens auf einem möglichst geringen Winkelbereich erfolgen soll, ohne daß eine Klemmung des Kolbens in der negativen Nocke eintritt.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der negativen Nocken 21 erbringt eine entscheidende Verbesserung des Verhältnisses Drehmoment/Bauvolumen und der Haltbarkeit der Umlauf-Hubkolbenmaschinen.

Für den Pumpbetrieb einer Umlauf-Hubkolbenmaschine wird lediglich die Drehrichtung geändert, so daß die dargestellten Nockenformen nicht von links nach rechts, sondern von rechts nach links durchlaufen werden. In jedem Fall wird an dem als »ansteigenden Teil« bezeichneten Teil der Nockenform 21 bzw. 21' die Nutzleistung erzeugt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Umlauf-Hubkolbenmaschine, deren Rotor mehrere Kolben-Zylinder-Einheiten aufweist, wobei die Hubbewegung der Kolben, die an dem dem Arbeitsmedium abgewandten Ende eine konvexe Oberfläche aufweisen, durch eine radial bzw. axial äußere, negative Nocken aufweisende stationäre Kurvenbahn bewirkt wird, wobei im ansteigenden Teil der negativen Nocken der Winkelbereich, in dem die Steigung zunimmt, größer ist als der Winkelbereich, in dem die Steigung abnimmt, und die Steigung der negativen Nocken in der äußersten Hubstellung des Kolbens Null ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunahme der Steigung derart verläuft, daß sie von einem anfänglich höheren Wert 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, bis* die Abbremsung des Kolbens (5) in seiner äußersten Hubstellung maximal ist

2. Umlauf-Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im ansteigenden Teil der negativen Nocken (21) der Winkelbereich mit zunehmender Steigung mindestens 60% des Winkelbereichs des gesamten ansteigenden Teils ausmacht

3. Umlauf-Hubkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelbereich mit zunehmender Steigung ca. 70% ausmacht

4. Umlauf-Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der abnehmende Teil der negativen Nocken (2Γ) eine andere Kurvenform aufweist als der ansteigende Teil.

5. Umlauf-Hubkolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der abnehmende Teil der negativen Nocken (21') die Kurvenform eines Polynoms 3. Grades aufweist.

6. Umlauf-Hubkolbenmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der abnehmende Teil der negativen Nocken (21') einen wesentlich kleineren Winkelbereich einnimmt als der ansteigende Teil.