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Hubkolbenmaschine
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Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine, insbesondere einen
Verdichter, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Hubkolbenmaschinen bestehen im wesentlichen aus einem Zylinder, in
welchem ein Kolben abgedichtet verschiebbar angeordnet ist, sowie einem Einlaßventil
und einem Auslaßventil, über welche eine vom Kolben begrenzte Arbeitskammer be-
und entlüftbar ist. Der Kolben ist über eine Kolbenstange mit einer in einem Kurbelgehäuse
gelagerten Kurbelwelle verbunden.
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Diese bekannten Hubkolbenmaschinen weisen relativ große bewegliche
Massen auf, welche es erforderlich machen,
die einzelnen Teile sehr
eng zu tolerieren und Ausgleichsgewichte vorzusehen, um einen ruhigen Lauf der Hubkolbenmaschine
zu erzielen.
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Dieser Nachteil wird bei einer durch die DE-OS 27 21 418 bekannten
Hubkolbenmaschine dadurch vermieden, daß im Kolben eine Kulissenführung vorgesehen
ist, in welcher der Kurbelzapfen der Kurbelwelle gelagert ist. Der Kolben dieser
bekannten Hubkolbenmaschine wird also ohne Zwischenschalten einer Kolbenstange von
der Kurbelwelle angetrieben. Neben der Reduzierung der beweglichen Massen wird eine
kompakte Bauweise ermöglicht. Aus verschiedenen Gründen, wie z.B. bessere Wärmeableitung
bei Erzeugung hoher Drücke oder Erzeugung unterschiedlich hoher Drücke wird es gewünscht,
in einer als Verdichter ausgebildeten Hubkolbenmaschine mehrere Arbeitskammern vorzusehen.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Hubkolbenmaschine
der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß sich auf einfache Art und Weise
eine Maschine mit mehreren Arbeitskammern ergibt.
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Diese Aufgabe wird mit der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung
gelöst.
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Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden
in den Unteransprüchen aufgezeigt.
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Anhand der Zeichnung wird nachstehend ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung näher erläutert.
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Die Abbildung zeigt eine als Zwei-Stufen-Verdichter ausgebildete Hubkolbenmaschine,
welche zwei Kolben aufweist, die mittels über Zahnräder in Wirkverbindung stehende
Kurbelwellen
angetrieben werden.
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In der Abbildung ist eine als Zwei-Stufen-Verdichter ausgebildete
Hubkolbenmaschine dargestellt, welche einen in einem Zylinder 1 mittels zwei Dichtringen
18, 25 abgedichtet verschiebbar angeordneten ersten Kolben 21 und einen mittels
zwei Dichtringen 3, 8 abgedichtet verschiebbar angeordneten zweiten Kolben 4 aufweist.
Jeder der beiden Kolben 21 und 4 weist eine erste Wirkfläche und eine zweite Wirkfläche
auf, wobei die erste Wirkfläche und die zweite Wirkfläche eines jeden Kolbens 21,
4 einander entgegengerichtet sind. Die erste Wirkfläche des ersten Kolbens 21 begrenzt
eine erste Arbeitskammer 26 und die erste Wirkfläche des zweiten Kolbens 4 begrenzt
eine zweite Arbeitskammer 2. Von der zweiten Wirkfläche des ersten Kolbens 21 und
einer ersten Wand 15 wird eine dritte Arbeitskammer 17 begrenzt. Die zweite Wirkfläche
des zweiten Kolbens 4 und eine zweite Wand 10 begrenzen eine vierte Arbeitskammer
9. Von der ersten Wand 15 und der zweiten Wand 10 werden eine Einlaßkammer 52 und
eine Auslaßkammer 12 begrenzt, welche durch eine Wand 13 voneinander getrennt sind.
Die vom ersten Kolben 21 begrenzte dritte Arbeitskammer 17 ist über ein als Einlaßventil
20 ausgebildetes, in Richtung auf die dritte Arbeitskammer 17 zu öffnendes Rückschlagventil
mit der Einlaßkammer 52 und über ein als Auslaßventil 19 ausgebildetes, in Richtung
auf die Auslaßkammer 12 zu öffnendes Rückschlagventil mit der Auslaßkammer 12 verbindbar.
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In gleicher Weise ist die vom zweiten Kolben 4 begrenzte vierte Arbeitskammer
9 über ein als Einlaßventil 53 ausgebildetes, in Richtung auf die vierte Arbeitskammer
9 zu öffnendes Rückschlagventil mit der Einlaßkammer 52 und über ein als Auslaßventil
11 ausgebildetes, in Richtung auf die Auslaßkammer 12 zu öffnendes Rückschlagventil
mit der Auslaßkammer 12 verbindbar.
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Die Einlaßkammer 52 ist über einen Ansauganschluß 16 mit der Atmosphäre
verbunden. Der Zylinder 1 wird an seinen beiden Stirnseiten von je einem Zylinderkopf
33 bzw. 70 begrenzt, wobei jeder Zylinderkopf unter Zwischenschaltung einer Dichtplatte
28 bzw. 63 auf den Stirnseiten des Zylinders 1 mittels hier nicht dargestellter
Schrauben befestigt ist.
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Der die erste Arbeitskammer 26 begrenzende Zylinderkopf 33 weist einen
ersten Anschluß 34, welcher mit einer Auslaßkammer 31 verbunden ist und einen zweiten
Anschluß 29, welcher mit einer Einlaßkammer 30 in Verbindung steht, auf.
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Der die zweite Arbeitskammer 2 begrenzende Zylinderkopf 70 besitzt
ebenfalls einen mit einer Auslaßkammer 67 verbundenen ersten Anschluß 69 und einen
mit einer Einlaßkammer 66 verbundenen zweiten Anschluß 64. Die von den beiden Wänden
10, 15 begrenzte Auslaßkammer 12 weist einen Anschluß 14 auf. Der mit der im zweiten
Zylinderkopf 70 angeordneten Auslaßkammer 67 verbundene Anschluß 69 steht über eine
Druckmitteleitung 71 mit dem mit der im ersten Zylinderkopf 33 angeordneten Einlaßkammer
30 verbundenen Anschluß 29 in Verbindung. Über eine Druckmittelleitung 72 und die
Druckmittelleitung 71 ist der mit der von den beiden Wänden 10, 15 begrenzten Auslaßkammer
12 verbundene Anschluß 14 ebenfalls mit dem Anschluß 29 der im ersten Zylinderkopf
33 befindlichen Einlaßkammer 30 verbunden.
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Die erste Arbeitskammer 26 ist über ein in Richtung auf die Auslaßkammer
31 zu öffnendes, als Auslaßventil dienendes Rückschlagventil 32 mit der Auslaßkammer
31 und über ein in Richtung auf die erste Arbeitskammer 26 zu öffnendes, als Einlaßventil
dienendes Rückschlagventil 27 mit der Einlaßkammer 30 verbindbar. In gleicher Weise
ist die zweite Arbeitskammer 2 über ein als Auslaßventil dienendes Rückschlagventil
68 mit der ihr zugeordneten Auslaßkammer 67 und über ein als Einlaßventil dienendes
Rückschlagventil 65
mit der ihr zugeordneten Einlaßkammer 66 verbindbar.
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In einem rechtwinklig zur Zylinderlängsachse angeordneten Gehäuseteil
38 des Zylindergehäuses, welches von einem Deckel 40 verschlossen wird, ist der
Grundlagerzapfen 43 einer ersten Kurbelwelle mittels Wälzlagern 36, 37 gelagert.
Die beiden Wälzlager 36, 37 sind in einer Bohrung 45 des Gehäuseteiles 38 angeordnet.
Der Grundlagerzapfen 56 einer zweiten Kurbelwelle ist mittels zwei Wälzlagern 60,
61, welche in einer weiteren Bohrung 54 des Gehäuseteiles vorgesehen sind, gelagert.
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Der erste Kolben 21 weist eine in etwa rechtwinklig zur Kolbenlängsachse
verlaufende Ausnehmung 22 auf, in welcher ein Kulissenstein 34 verschiebbar angeordnet
ist.
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In eine Ausnehmung des Kulissensteiens 24 ragt der über eine Wange
35 mit dem Grundlagerzapfen 43 verbundene Kurbelzapfen 23 der ersten Kurbelwelle
43, 35,23 hinein. Der zweite Kolben 4 weist ebenfalls eine in etwa rechtwinklig
zur Kolbenlängsachse verlaufende Ausnehmung 5 auf, in welcher ein Kulissenstein
7 verschiebbar angeordnet ist. In eine Ausnehmung des Kulissensteines 7 ragt der
über eine Wange 62 mit dem Grundlagerzapfen 56 verbundene Kurbelzapfen 6 der zweiten
Kurbelwelle 56, 62, 6 hinein.
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Auf das freie Ende des Grundlagerzapfens 43 der ersten Kurbelwelle
43, 35, 23 ist ein erstes Zahnrad 42, -41 aufgeschoben und mittels einer Scheibe
39 drehfest mit der Kurbelwelle 43, 35, 23 verbunden. Ein zweites Zahnrad 58, 59
ist auf den Grundlagerzapfen 56 der zweiten Kurbelwelle 56, 62, 6 aufgeschoben und
mittels einer Scheibe 55 drehfest mit der Kurbelwelle 56, 62, 6 verbunden.
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Eine auf dem Grundlagerzapfen 56 angeordnte Mutter 57 sichert das
Zahnrad 58, 59 zusätzlich in axialer Richtung. Ein drittes Zahnrad 47, 46 ist zwischen
dem ersten Zahnrad 42, 41 und dem zweiten Zahnrad 58, 59 mittels eines Wälzlagers
48 auf einem Lagerzapfen 50 gelagert, welcher in der Bohrung eines Gehäusesteges
49 verankert ist. Das Wälzlager 48 ist durch einen auf dem Lagerzapfen 50 befestigten
Sicherungsring 51 in axialer Richtung gesichert.
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Die Zähne 41 des ersten Zahnrades 42, 41 und die Zähne 59 des zweiten
Zahnrades 58, 59 stehen mit den Zähnen 46 des dritten Zahnrades 47, 46 in Eingriff.
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Der Grundlagerzapfen 43 der ersten Kurbelwelle 43, 35, 23 weist eine
Verlängerung auf, die mittels eines Dichtrinaes 44 abgedichtet aus dem Deckel 40
des Gehäuseteiles 38 herausgeführt ist. Die Verlängerung ist mit hier nicht dargestellten
Antriebsmitteln für den Verdichter verbindbar.
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Um einen besonders ruhigen Lauf des Verdichters zu erzielen und die
Belastung der Lagerstellen der Kurbelwellen weiter zu verringern, kann jede Kurbelwelle
mit einem zweiten Grundlagerzapfen versehen werden, welcher in einer der ersten
Lagerstelle gegenüber auf der anderen Seite des Zylinders angeordneten Lagerstelle
gelagert wird.
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Der Antrieb der Kolben 21 und 4 kann auch mittels einer einfachen
Nockenwelle erfolgen, deren Nocken in einer entsprechenden Ausnehmung des zugehörigen
Kolbens geführt wird.
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Die Funktion des Verdichters gemäß der Abbildung wird nachstehend
näher erläutert.
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Es wird angenommen, daß die erste Kurbelwelle 43, 35, 23 des Verdichters
von einer Antriebseinrichtung in eine Drehbewegung versetzt wird (Drehrichtung rechts).
Das mit der ersten Kurbelwelle 43, 35, 23 verbundene Zahnrad 42, 41 treibt über
das dritte Zahnrad 47, 46 das mit der zweiten Kurbelwelle 56, 62, 6 verbundene zweite
Zahnrad 58, 59 an und versetzt so die zweite Kurbelwelle 56, 62, 6 gleichzeitig
in Drehbewegung. Die Drehbewegung der zweiten Kurbelwelle 56, 62, 6 ist der Drehbewegung
der ersten Kurbelwelle 43, 35, 23 gleich (Drehrichtung rechts). Der mit dem ersten
Kolben 21 über die Kulissenführung (Kulissenstein 24 / Ausnehmung 22) in Wirkverbindung
stehende Kurbelzapfen 23 der ersten Kurbelwelle 43, 35, 23 nimmt den ersten Kolben
21 mit. Der Kolben 21 bewegt sich in Richtung auf die erste Arbeitskammer 26 zu.
Gleichzeitig erfolgt durch die Drehbewegung der zweiten Kurbelwelle 56, 62, 6 über
die im zweiten Kolben 4 angeordnete Kulissenführung (Kulissenstein 7, Ausnehmung
6) eine Verschiebebewegung des zweiten Kolbens 4 in Richtung auf die zweite Arbeitskammer
2 zu. Über die Einlaßkammer 52 sowie die Einlaßventile 20 und 53 wird Luft in die
dritte Arbeitskammer 17 und die vierte Arbeitskammer 9 angesaugt. Die erste Arbeitskammer
26 wird über das Auslaßventil 32 sowie die Auslaßkammer 31 und den Anschluß 34 zu
einem hier nicht gezeigten Druckluftspeicher hin entlüftet. Die komprimierte Luft
aus der zweiten Arbeitskammer 2 gelangt über das Rückschlagventil 68, die Auslaßkammer
67 sowie den Anschluß 69 und die Druckmittelleitung 71 in die Einlaßkammer 30 der
ersten Arbeitskammer 26. Hat der erste Kolben 21 seine rechte Endlage und der zweite
Kolben 4 seine linke Endlage erreicht, so kehrt sich die Bewegungsrichtung der beiden
Kolben 21,4un.Dererste Kalben 21 wird nach links, in Richtung auf die dritte Arbeitskammer
17 zu bewegt und der zweite Kolben 4 wird nach rechts in Richtung auf die vierte
Arbeitskammer 9 zu bewegt.. Die
in der dritten Arbeitskammer 17
und in der vierten Arbeitskammer 9 befindliche Luft wird verdichtet. Ist ein durch
die Kraft der Ventilfedern der Auslaßventile 19, 11 vorbestimmter Druck in der dritten
Arbeitskammer 17 und in der vierten Arbeitskammer 9 erreicht, so öffnen die Auslaßventile
19 und 11. Über die Auslaßkammer 12, den Anschluß 14 sowie die Druckmittelleitungen
72, 71, die Einlaßkammer 30 und das Einlaßventil 27 strömt die vorverdichtete Luft
aus der dritten Arbeitskammer 17 und der vierten Arbeitskammer 9 in die erste Arbeitskammer
26.
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Über die Einlaßkammern 30, 66 und die Einlaßventile 27, 65 wird gleichzeitig
Luft in die erste Arbeitskammer 26 und die zweite Arbeitskammer 2 angesaugt. Hat
der erste Kolben 21 seine linke Endlage und der zweite Kolben 4 seine rechte Endlage
erreicht und kehrt sich die Bewegungsrichtung der beiden Kolben 21, 4 wieder um,
so wird die vorverdichtete Luft in der ersten Arbeitskammer 26 weiter verdichtet.
Bei Erreichen des vorbestimmten Druckwertes öffnet das Auslaßventil 32 und die Druckluft
aus der ersten Arbeitskammer 26 strömt durch die Auslaßkammer 31 und den Auslaß
34 zum Druckmittelspeicher. Die vorverdichtete Luft aus der zweiten Arbeitskammer
2 strömt über die Druckmittelleitung 71 und den Anschluß 29 in die zur ersten Arbeitskammer
26 gehörige Einlaßkammer 30.
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Es ist selbstverständlich auch möglich, zwei Druckmittelspeicher vorzusehen,
wobei ein erster Druckmittelspeicher mit der Auslaßkammer 31 der ersten Arbeitskammer
26 und ein zweiter Druckmittelspeicher direkt mit der Auslaßkammer 12 der dritten
Arbeitskammer 17 und der vierten Arbeitskammer 9 verbunden ist. In einem solchen
Fall würde dem ersten Druckmittelspeicher ein hoher Druck und dem zweiten Druckmittelspeicher
ein niedriger Druck entnommen werden können.