DE3401880C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verdrängermaschine zur Gewinnung mechanischer Arbeit aus gasförmigen oder flüssigen Medien oder zur Übertragung mechanischer Arbeit auf gasförmige oder flüssige Medien.

Verdrängermaschinen gliedern sich in zwei Gruppen, näm­ lich Schubkolbenmaschinen und Drehkolbenmaschinen. Einen guten Überblick über den Stand der Technik bei Ver­ drängermaschinen und auch über ihre Eigenschaften ge­ winnt man aus den Ausführungen von Hansen Pfaff in der Zeitschrift "Ölhydraulik und Pneumatik" 1958 Heft 5, Seiten 177 bis 182 und Heft 6, Seiten 209 bis 217, sowie aus der VDI-Zeitschrift Band 91 Nr. 10 vom 15. 5. 1949 auf den Seiten 239 bis 246, wo H. U. Tänzler eine Zu­ sammenstellung über Drehkolbenpumpen und Drehkolben­ kraftmaschinen gegeben hat.

Die letzte umfassende Zusammenstellung von Verdränger­ maschinen, allerdings mit Blick auf ihre Anwendbarkeit bei der Drucklufterzeugung, stammt von I. Püschel, ver­ öffentlicht in den VDI-Nachrichten Nr. 35 vom 28. 08. 1968, Seite 14, in Nr. 36 vom 4. 09. 1968, Seite 29 und in der Nr. 37 vom 11. 09. 1968, Seite 32.

Um die Nachteile der bekannten Drehkolbenmaschinen zu vermeiden, erschien eine Lösung dadurch möglich, daß man auf das in der Getriebelehre bekannte Prinzip des Kreuzschleifenmechanismus zurückgriff. Dieses Prinzip ist aus dem Getriebelehrbuch von Prof. Kraemer, Verlag G. Braun, Karlsruhe, 1950, Seite 147, zu entnehmen. Der Hinweis auf ein solches Prinzip bei einer Verdränger­ maschine ist in der deutschen Patentschrift 1 78 264 aus dem Jahre 1904 dargestellt und beschrieben. Wegen der sich bei der konstruktiven Durchbildung ergebenden Schwierig­ keiten wurde eine solche Maschine bisher nicht gebaut. Diese Schwierigkeiten bestehen insbesondere in hohen Präzisionsanforderungen, einer biegeweichen Kurbelwelle und einem erheblichen Platzbedarf für die Lagerung der Kurbelwelle und der Kolben. Das damit bedingte Anwachsen der axialen Abmessungen vergrößert die Schwierig­ keiten beim Abdichten durch die Verbiegung des zwangs­ weise verlängerten Gehäuses unter dem Einfluß von Temperaturdifferenzen.

Weiterhin ist eine Drehkolbenmaschine bekannt (US- PS 32 58 992), die nach dem Prinzip des Ellipsenzirkels arbeitet. Bei dieser Maschine sind die Zylinder fest­ stehend und die Kolben führen oszillierende Bewegungen aus. Diese bekannte Anordnung bewirkt, daß die Schwer­ punkte der beiden Kolben einen gemeinsamen Gesamtschwer­ punkt erzeugen. Die in diesem Punkt zusammengefaßte ver­ doppelte Masse rotiert und verlangt zum Ausgleich ihrer Massenkräfte eine verdoppelte, um 180° versetzte Gegen­ masse. Die Gegenmasse, ein zusätzliches, die Konstruktion verteuerndes Bauelement, nimmt einen großen Bauraum in der Umgebung der Drehmitte weg und zwingt dazu, die Kol­ benböden der beiden Doppelkolben mittels sehr langer Kolbenstangen auseinander zu rücken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verdränger­ maschine der bekannten Art so auszubilden, daß eine einfache Montage und Justierung der bewegten Bauteile (Baugruppe Exzenter/Kolben/Zylinder) bei kompakter Bauweise ermöglicht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe wurde erfindungsgemäß nun darin gefunden, daß die Arbeitskolben jeweils dreige­ teilt sind, und zwar in einen stabilen Verbindungsring und die zugehörigen Kolbenenden, wobei die Kolbenenden an zwei gegenüberliegenden Seiten der Verbindungsringe festgeschraubt sind.

Eine vorteilhafte Bauform sieht vor, daß die beiden Ver­ bindungsringe sich nur in begrenzten Winkelbereichen, von den Lagersitzen der Kolbenlager beginnend, nach außen hin auf die Dicke der Kolbendurchmesser verbreitern, der restliche Winkelbereich der Verbindungsringe dagegen so weit ausgespart ist, daß Raum bleibt für die Relativ­ bewegung der beiden Verbindungsringe zueinander, wenn deren Traglager axial dicht nebeneinander angeordnet sind.

Erfindungsgemäß kann man die Maschine auch so bauen, daß die Achsen der Kolben durch die Mitten der ihnen zu­ geordneten Kolbenlager gehen, wobei gegebenenfalls die Kolbenenden während der Montage auf den Berührungs­ flächen noch leicht verschieblich sind und nach Aus­ richtung auf die ihnen zugeordneten Zylinderachsen festschraubbar sind.

Eine weitere erfindungsgemäße Bauform sieht vor, daß zur Minimierung des schädlichen Raumes die Kolbenböden der Kolbenenden genau der Gehäusekontur nachgeformt sind, wobei ein Drehen der Kolben um ihre Achsen mit Hilfe eines Fixierstiftes verhinderbar ist.

Schließlich ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Sitze für die Kolbenlager Exzenter sind, deren Außenkontur über die Sitze der Kurbelwellenlager hinausragt oder diese gerade noch berührt.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine der­ artige Verdrängermaschine nach dem Prinzip des Kreuzschleifenmechanismus,

Fig. 2 die erfindungsgemäße Ausbildung einer biegesteifen Kurbelwelle,

Fig. 3 die Unterteilung der Kolben in Einzel­ teile, wobei auch die für die Kollisions­ vermeidung wichtigen Winkelbereiche skizziert sind und

Fig. 4 einen Längsschnitt durch Fig. 3, um die Maßnahmen aufzuzeigen, die ein axiales Verkürzen der Maschine er­ möglichen.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Maschine ist inner­ halb eines Gehäuses 8 ein Zylinderstern 7 gelagert, wo­ bei der Zylinderstern 7 auf einer Drehachse 6 ange­ ordnet ist. Die senkrecht aufeinanderstehenden Kolben 4, 5 sind in Arbeitsräumen 9, 10, 11, 12 des Zylindersterns 7 geführt. Zwischen dem Gehäuse 8 und dem Zylinderstern 7 befindet sich der Abdicht­ spalt 15. Der Ausgangsraum für die Medien ist mit dem Bezugszeichen 13 und der Ansaugraum mit dem Bezugszeichen 14 versehen. Die Lagerung der Kurbel­ welle erfolgt im Lager 1 und die der Kolben 4, 5 in den Lagern 2, 3.

Eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Maschine ist in den Fig. 2 bis 4 dargestellt. Um eine sehr biegesteife Kurbelwelle zu erhalten, soll diese kurz und dick sein und die Verwendung von Kugellagern erlauben. Es werden daher die Sitze für die Lagerinnen­ ringe der Kugellager 34 und 35 als Exzenter 32 und 33 ausgebildet, deren Kontur an der kritischsten Stelle noch über die Kontur für die Sitze der Lagerinnen­ ringe der Kurbelwellenlager 31 und 31′ hinausgeht. Die Steifheit der Kurbelwelle wird noch zusätzlich durch das axiale Zusammenrücken der Exzenter 32 und 33 er­ höht, wie in Fig. 2 gezeigt. Die Kolbenachsen sollen natürlich durch die Mitten der Kugellager 34 bzw. 35 gehen. Damit könnten die Kolbenstücke 40 und 40′ bzw. 44 und 44′ sich nur um die Mitten der Lager 34 bzw. 35 aufblähen, was zunächst in axialer Richtung der Kurbel­ welle eine frühe Begrenzung befürchten läßt. Diese Klippe ist aber zu umgehen, wenn man bei den Verbindungs­ ringen 43, 47 Aussparungen für deren Relativbewegung schafft.

Erfindungsgemäß wird nun ein Kolben dreigeteilt, wie in Fig. 3 gezeigt. In der Mitte verbleibt ein stabiler Ring 43, der in seiner Bohrung den Außenring von Kugel­ lager 34 aufnimmt, sich dann gleichmäßig, vom Außenring des Kugellagers beginnend, verbreitert bis zur Dicke der Kolbenteile 40 und 40′. An zwei diametral gegenüber­ liegenden Seiten sind Flächen 41 und 41′ angefräst, die ein Anschrauben der beiden Kolbenenden gestatten. Beim Anwachsen der Ringdicke käme es bald zur Kollision, dort, wo die Ringe 43 und 47 axial einanderzugewendet sind. Deshalb wird das Verdicken der Ringe in Richtung der Kolben in einem begrenzten Winkelbereich 42 und 42′ vorgenommen. Das gilt natürlich nur auf den einander zugewandten Seiten der Ringe. Der zulässige Winkel­ bereich wird durch eine Kollisionsuntersuchung fest­ gestellt. Der verbleibende Winkelbereich steht dem ge­ rade dort verdickten Teil des anderen Ringes zur Ver­ fügung, damit die beiden Ringe ohne Kollision ihre Relativbewegung ausführen können.

In Fig. 3 ist die Kollisionsuntersuchung erkennbar und ebenso die noch erlaubten Winkelbereiche für die, zu den Kolben hin vorgenommenen Ringverdickungen. Mit dem axialen Zusammenrücken der Kolben ist die Kompensation des, von den Trägheitskräften in den Kolbenschwer­ punkten herrührenden, Kräftepaares (F 1 × A) erleichtert, da der Abstand der Kräfte stark verringert wurde. Die Kompensation kann schon innerhalb des Gehäuses voll­ zogen werden, ohne daß die Gegengewichte 36 und 37 die Lager 31 und 31′ axial nach außen schieben mußten.

Mit dem axialen Zusammenrücken der Kolben 40, 43, 40′ und 44, 47, 44′ ist es auch leicht möglich, für beide Zy­ linder (Arbeitsräume 9 und 11 bzw. Arbeitsräume 10 und 12) einen einzigen Zuleitungskanal und einen einzigen Ableitungskanal für das Medium zu verwenden.

Durch das Schrumpfen der axialen Abmessungen der Maschine ist die schon erwähnte Krümmung des Gehäuses infolge von Temperaturunterschieden an den verschiedenen Stellen am Umfang des Gehäuses verringert. Der Dicht­ spalt 15 kann dünner gewählt werden.

Die Dreiteilung eines Kolbens bringt noch weitere Vorteile. Auf den Flächen 41, 41′ und 45, 45′ können die Kolben­ teile 40, 40′ und 44, 44′ vor dem endgültigen Fest­ schrauben in ihrer Lage noch leicht korrigiert werden. In Fig. 3 erkennt man, daß sowohl eine horizontale Lagenkorrektur als auch eine Korrektur senkrecht zur Bildebene möglich ist. Damit können die Achsen der Kol­ ben in genaue Übereinstimmung mit den Zylinderachsen ge­ bracht werden. Eine hochpräzise Fertigung kann deshalb auf den aus einem Stück gefertigten, kompakten Zylinder­ stern 7 beschränkt bleiben. Dieser übernimmt bei der Montage die Rolle einer Hilfslehre.

Da er außerdem in axialer Richtung in gleichem Maße wie die Kurbelwelle verkürzt werden konnte, wächst seine Biegesteifigkeit an. Wegen der unterschiedlichen Druck­ verteilung im Dichtspalt 15, besonders der Konzentration hoher Drücke um den Ausgangsraum 13, muß eine hohe Biege­ steifigkeit angestrebt werden. Die hohe Biegesteifigkeit des Zylindersterns ist eine der wesentlichen Vor­ aussetzungen für die Verwirklichung eines dünnen Dicht­ spaltes.

Die massiven Verbindungsringe 43 und 47 liefern ein sehr großes äquatoriales Trägheitsmoment. Denkt man sich in Fig. 3 den Ring 43 mit den Kolbenteilen 40 und 40′ an seinen Enden, feststehend, so dreht sich während des Be­ triebes der Kraftvektor der Trägheitskräfte immer gleich­ mäßig weiter, und zwar mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle. Steht der Vektor senkrecht zur Achse der Kolbenteile 40 und 40′, so ist genau in der Mitte des Ringes 43 das größte Biegemoment. Gerade hier hat aber der Verbindungsring sein größtes Trägheitsmoment gegen dieses Biegemoment. Damit kann die Durchbiegung klein gehalten werden. Die Gesamtresultierende der Trägheits­ kraft wird im Lager 34 bzw. 35 des zweiten Kolbens weitgehend aufgenommen und die Normalkräfte zwischen Kolben und Zylindern bleiben klein.

Die Dreiteilung des ursprünglichen Kolbens 4 in die Kol­ benteile 40, 40′ und den Verbindungsring 43 würde eine Verdrehung der Kolbenteile 40 und 40′ um ihre Achse zulassen. Da die Kolbenböden von 40 und 40′ aber genau parallel zur Innenkontur des Gehäuses gestaltet wurden, um den schädlichen Raum klein zu halten, muß eine unzulässig große Drehung bei der Montage durch den Fixierstift 48 ver­ hindert werden, damit die Berührung von Kolbenböden und Gehäuse ausgeschlossen bleibt.

Der Rückgriff auf den Kreuzschleifenmechanismus könnte zunächst vermuten lassen, daß die Relativbewegung von Kolben 4 und 5 die Exzentrizität und damit den Kolbenhub sehr einengen würde. Bei der konstruktiven Durchbildung der Verdrängermaschine stellt man jedoch fest, daß der wünschenswerte Hub verwirklicht werden kann. Wegen der sehr biegesteifen Kurbelwelle hat man außerdem die Möglichkeit, die Kolbenfläche zu vergrößern. Das be­ deutet, daß man hier die Möglichkeit hat, das Verhältnis Kolbendurchmesser zu Kolbenhub im Vergleich zu existierenden Kolbenmaschinen sprunghaft vergrößern zu können. Damit steht aber eine, für einen guten Wirkungsgrad sehr wirksame Maßnahme in großem Umfang zur Anwendung offen.

Aufgrund des, durch einen sehr engen Dichtspalt und der hohen Drehzahl, gut gelösten Abdichtproblems und des durch er­ hebliche Verminderung der Normalkräfte zwischen Kolben und Zylindern verwirklichten guten mechanischen Wirkungs­ grades, erzielt man auch einen guten Gesamtwirkungs­ grad und dies alles bei relativ einfacher Bauweise mit wenig Einzelteilen, geringer Anforderung an die Herstellgenauigkeit und geringerem Wartungsaufwand.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen tritt kaum Ver­ schleiß auf, und man kann deshalb mit einer langen Lebens­ dauer rechnen, zumal nur Kugellager verwendet werden, die auf Lebenszeit mit Schmierstoff versehen sind.

Durch die um 180° versetzte Anordnung der Exzenter mit zugehörigen gleichen Kolben ist die vollkommene statische Auswuchtung gegeben. Da die Kolben in axialer Richtung sehr dicht zusammengerückt werden, gelingt die voll­ kommene dynamische Auswuchtung noch innerhalb des Maschinengehäuses durch die Anbringung der Gegen­ gewichte 36 und 37.

Die Maschine ist somit völlig frei von nach außen in Erscheinung tretenden Massenkräften und Massenmomenten. Die vollkommene Auswuchtung der Verdrängermaschine macht Fundamente überflüssig. Damit treten Vibrationen und die mit ihnen einhergehenden Geräusche überhaupt nicht auf. Bei der Verwendung als Kraftmaschine, z. B. in Gestalt einer handgeführten Bohrmaschine, muß dieser Vorteil besonders hoch eingeschätzt werden.

Wegen der vollkommenen statischen und dynamischen Aus­ wuchtung in Verbindung mit der kurzen biegesteifen Kurbel­ welle sind hohe Drehzahlen möglich.

Die in der Achse der Kurbelwelle verkürzte Bauweise in Verbindung mit der kurzen biegesteifen Kurbel ermöglicht einen sehr kleinen Dichtspalt 15. Das Zusammentreffen hoher Drehzahlen mit einem kleinen Dichtspalt löst aber das Abdichtproblem.

Es werden keine, die Drehzahl einengenden und zudem noch kostenaufwendigen Ventile benötigt.

Es ist schließlich zu beachten, daß die hohen Dreh­ zahlen den Bau kleiner und kompakter Maschinen ermöglichen. Bei Einsatz der Verdrängermaschine als Arbeitsmaschine können, wegen der hohen Drehzahl, billige Antriebs­ maschinen benutzt und Untersetzungsgetriebe gespart werden. Mit dieser so gestalteten Verdrängermaschine ist sehr leicht ein großes Verhältnis Kolbendurchmesser zu Hub zu verwirklichen, was den Gesamtwirkungsgrad der Maschine erheblich verbessert.

Durch die erfindungsgemäße kurze, biegesteife Gestaltung der Kurbel, die erfindungsgemäße steife Ausbildung der Verbindungsringe 43 und 47 für die beiden Kolben, ist das Auftreten von Normalkräften zwischen Kolben und Zy­ lindern selbst bei hohen Drehzahlen stark herabgesetzt. Damit vermindern sich der schädliche Verschleiß und die für einen schlechten Wirkungsgrad verantwortliche Reibarbeit.

Claims (6)

1. Verdrängermaschine zur Gewinnung mechanischer Arbeit aus gasförmigen oder flüssigen Medien oder zur Übertragung mechanischer Arbeit auf gasförmige oder flüssige Medien nach dem Funktionsprinzip des Kreuzschleifen­ mechanismus, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitskolben jeweils dreigeteilt sind, und zwar in einen stabilen Verbindungs­ ring (43) bzw. (47) und die zugehörigen Kolbenenden (40) und (40′) bzw. (44) und (44′), wobei die Kolbenenden (40) und (40′) bzw. (44) und (44′) an zwei gegenüberliegenden Seiten der Ver­ bindungsringe (43) bzw. (47) festgeschraubt sind.

2. Verdrängermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Verbindungsringe (43) und (47) sich nur in den Winkelbereichen (42) und (42′) bzw. (46) und (46′), von den Lagersitzen der Kolbenlager (34) bzw. (35) beginnend, nach außen hin auf die Decke der Kolbendurchmesser verbreitern, der restliche Winkelbereich der Verbindungsringe dagegen soweit ausgespart ist, daß Raum bleibt für die Relativbewegung der beiden Verbindungsringe zueinander, wenn deren Traglager (34) und (35) unmittelbar nebeneinander angeordnet sind.

3. Verdrängermaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Kolben (40) und (40′) bzw. (44) und (44′) durch die Mitten der ihnen zugeordneten Kolbenlager (34) bzw. (35) gehen.

4. Verdrängermaschine nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kolbenenden (40) und (40′) bzw. (44) und (44′ ) während der Montage auf den Berührungsflächen (41) und (41′) bzw. (45) und (45′) noch leicht verschieblich sind und nach Ausrichtung auf die ihnen zugeordneten Zylinderachsen fest­ schraubbar sind.

5. Verdrängermaschine nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Minimierung des schädlichen Raumes die Kolbenböden der Kolbenenden (40), (40′), (44) und (44′) genau der Gehäusekontur nachgeformt sind und ein Fixierstift (48) an­ gebracht ist, der ein Drehen der Kolben um ihre Achse ver­ hindert.

6. Verdrängermaschine nach dem Prinzip des Kreuzschleifen­ mechanismus, dadurch gekennzeichnet, daß die Sitze für die Kolbenlager (34) und (35) Exzenter sind, deren Außenkontur über die Sitze der Kurbelwellenlager (31) und (31′) hinaus­ ragt oder diese gerade noch berührt.