DE3445979C1 - Drehkolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine mit

— einem Gehäuse, in dem zwei Zylinderräume zwischen einem Einlaß und einem Auslaß einander überschneidend ausgebildet sind,

— zwei Wellen, die sich durch je einen der Zylinderräume erstrecken und zu gegensinniger Drehung miteinander verbunden sind, und

— zwei zueinander komplementären Drehkolben, die an je einer der Wellen befestigt sind und je eine zur zugehörigen Welle gleichachsige Kopffläche aufweisen, die periodisch mit dem Gehäuse und, im Überschneidungsbereich der beiden Zylinderräume, mit je einer zur Welle des komplementären Drehkolbens gleichachsigen Fußfläche Dichtungszonen bilden.

Drehkolbenmaschinen dieser Gattung sind seit langem bekannt, beispielsweise aus der DE-PS 23 243, der GB-PS 5 75 350 und der DE-AS 10 02 562. Bei solchen bekannten Maschinen weist jeder der Drehkolben eine Umfangsfläche auf, welche die zugehörige Welle vollständig umschließt und sich zusammensetzt aus mindestens einer zylindrischen Kopffläche, mindestens einer ebenfalls zylindrischen Fußfläche und Flanken, die beispielsweise evolventenförmig gestaltet sind und benachbarte Enden zusammengehöriger Kopf- und Fußflächen miteinander verbinden. Die beiden Drehkolben greifen zahnradartig ineinander und ihre Umfangsflächen wälzen sich aneinander ab, wenn entweder eine der beiden Wellen angetrieben wird, damit die Drehkolbenmaschine als Pumpe oder Gebläse ein Fluid fördert oder wenn der Maschine ein Fluid unter Druck zugeführt wird, das die beiden Drehkolben antreibt, damit die Maschine als Motor ein Drehmoment nach außen abgibt.

Die zahnradartig ineinandergreifenden Drehkolben bekannter gattungsgemäßer Maschinen können sich ebenso wie normale Zahnräder nur in solchen Punkten schlupffrei aneinander abwälzen, in denen gedachte Wälzkreise der beiden Drehkolben einander berühren. Wenn die beiden Wellen, wie üblich, durch unmittelbar miteinander kämmende, gleichgroße Zahnräder miteinander verbunden sind, dann sind deren Wälzkreise und ebenso die Wälzkreise der beiden Drehkolben gleich groß; ihr Durchmesser stimmt mit dem Achsabstand der beiden Wellen überein. In allen nicht auf dem zugehörigen Wälzkreis liegenden Punkten der beiden Drehkolben ist deren Wälzbewegung ein Schlupf überlagert, der mit zunehmendem Abstand vom Wälzkreis zunimmt und einen größten Betrag jeweils dann erreicht, wenn eine zylindrische Kopffläche eines Drehkolbens sich an der zylindrischen Fußfläche eines anderen Drehkolbens abwälzt.

Um zu verhindern, daß dieser Schlupf im Betrieb erhebliche Reibungswiderstände hervorruft und zu einer raschen Zerstörung der Umfangsflächen der Drehkolben führt, ist es bei gattungsgemäßen Maschinen bisher üblich, den Achsabstand der beiden Wellen so zu wählen, daß zwischen den einander zugeordneten Kopf- und Fußflächen der beiden Drehkolben stets ein Spalt freibleibt; dieser Spalt muß im Ruhezustand verhältnismäßig groß sein, da die beiden Wellen im Betrieb von Druckkräften des strömenden Mediums zueinander hin gebogen werden können. Der Spalt zwischen Kopf- und Fußflächen, die sich somit nur theoretisch aneinander abwälzen, hat jedoch den Nachteil, daß ein vor allem im Teillastbetrieb erheblicher Anteil des strömenden Mediums zwischen den beiden Drehkolben hindurchströmt, wodurch Leistungsverluste auftreten und eine genaue Regelung der bekannten Maschinen erschwert oder sogar unmöglich gemacht wird. Vor allem als hydraulische oder pneumatische Drehkolbenmotoren haben bekannte gattungsgemäße Maschinen im Teillastbetrieb ein unbefriedigendes Regelverhalten; sie können bei Unterschreitung eines bestimmten Fluiddurchsatzes je Zeiteinheit plötzlich stehenbleiben, da das gesamte Fluid zwischen den Drehkolben hindurchströmt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Drehkolbenmaschine der eingangs beschriebenen Gattung derart weiterzubilden, daß die Strömungsverluste vermindert werden und, soweit sie unvermeidlich

sind, das Regelverhalten der Maschine weniger beeinträchtigen als bisher.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst,

— daß zwischen jedem Drehkolben und der zugehörigen Welle mindestens eine Hülse angeordnet ist, die gegenüber diesem Drehkolben abdichtet, auf der zugehörigen Welle frei drehbar gelagert ist und die zu dieser Welle gleichachsige Fußfläche bildet, und

— daß jede der Fußflächen an der Kopffläche des komplementären Drehkolbens spielfrei abwälzbar ist.

Durch die spielfreie Abwälzung zwischen Kopf- und Fußflächen wird das hydraulische oder pneumatische Förder- oder Arbeitsmedium, mit dem die erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine als Pumpe oder Motor betrieben wird, so gut wie vollständig daran gehindert, zwischen den genannten Flächen hindurchzuströmen. Strömungsverluste zwischen dem Gehäuse und den Kopfflächen sowie den Stirnflächen der Drehkolben lassen sich, wie schon bei bekannten gattungsgemäßen Drehkolbenmaschinen, verhältnismäßig gering halten; bei der erfindungsgemäßen Maschine sind somit die Strömungsverluste insgesamt gering und bleiben deshalb ohne wesentlichen Einfluß auf das Regelverhalten.

Gleichzeitig werden durch die Erfindung Reibungswiderstände und dadurch bedingte Verschleißerscheinungen äußerst gering gehalten, da die freie Drehbarkeit der erfindungsgemäßen Hülsen dafür sorgt, daß deren als Fußflächen dienende Mantelflächen sich im wesentlichen schlupffrei an den Kopfflächen der Drehkolben abwälzen. Ein geringfügiger Schlupf kann allenfalls zu Beginn des Eingriffs einer Kopffläche mit einer Fußfläche solange auftreten, bis diese Fußfläche auf eine Umfangsgeschwindigkeit beschleunigt worden ist, die mit derjenigen der Kopffläche übereinstimmt. Wegen der freien Drehbarkeit der Hülsen ist es jedoch ausgeschlossen, daß sich ein etwaiger Verschleiß an einer bestimmten Stelle konzentriert; wenn überhaupt, nutzen sich die Fußflächen derart gleichmäßig ab, daß sie rund bleiben.

Die erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine kann dadurch weitergebildet sein,

— daß die Hülsen mit je einem Nadellager auf der zugehörigen Welle gelagert sind und

— daß die aneinander abwälzbaren Kopf- und Fußflächen radial zueinander hin vorgespannt sind.

Durch diese Maßnahmen wird die Abdichtung zwischen Kopf- und Fußflächen noch verbessert und ihr Verschleiß besonders gering gehalten.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist ferner dadurch gekennzeichnet,

— daß jeder Drehkolben über mindestens einen ringförmigen Steg mit der zugehörigen Welle verbunden ist, und

— daß jede Hülse axial neben dem zugehörigen Steg abdichtend angeordnet ist.

Diese Ausführungsform kann dadurch weitergebildet sein,

— daß auf jeder der Wellen zwei Hülsen, durch einen mittig angeordneten Steg voneinander getrennt gelagert sind,

— daß die Hülsen mit je einer vom zugehörigen Steg abgewandten Stirnfläche gegen das Gehäuse abdichten und

— daß die Stege einen geringfügig kleineren Außendurchmesser haben als die zugehörigen Hülsen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine,
F i g. 2 den Querschnitt H-II in F i g. 1,
F i g. 3 den Querschnitt III-III in F i g. 1 und
F i g. 4 einen der F i g. 3 entsprechenden Querschnitt einer abgewandelten Drehkolbenmaschine.

Die in F i g. 1 bis 3 dargestellte Drehkolbenmaschine hat ein Gehäuse 10, das sich im wesentlichen zusammensetzt aus einer in F i g. 1 oberen, brillenartigen Deckplatte 11 mit zwei Lagereinsätzen 12, von denen nur einer gezeichnet ist, einer rahmenartigen Getriebeplatte 13, einer ebenfalls rahmenartigen Zylinderplatte 14 und einer unteren Deckplatte 15. Durch den dargestellten Lagereinsatz 12 erstreckt sich ein Wellenzapfen 16 einer Welle 17. Die Welle 17 und eine Welle 18 sind parallel zueinander in je einem der Lagereinsätze 12 und in der unteren Deckplatte 15 gelagert.

Auf den beiden Wellen 17 und 18 ist innerhalb der rahmenartigen Getriebeplatte 13 je ein Zahnrad 19 bzw. 20 befestigt; diese beiden Zahnräder sind gleich und kämmen gemäß F i g. 2 nahezu spielfrei miteinander.

In der Zylinderplatte 14 sind gemäß F i g. 2 gleichachsig mit je einer der beiden Wellen 17 und 18 zwei Zylinderräume 21 und 22 ausgebildet, deren Durchmesser etwas größer ist als der Achsabstand der beiden Wellen, so daß die beiden Zylinderräume einander überschneiden. Im axial mittleren Bereich jedes Zylinderraums 21, 22 ist an der zugehörigen Welle 17 bzw. 18 ein kreisringförmiger Steg 23 bzw. 24 einstückig ausgebildet.

An jedem der Stege 23,24 ist mit Schrauben 25 bzw. 26 ein im wesentlichen kreisringsektorförmiger Drehkolben 27 bzw. 28 befestigt. Jeder der Drehkolben 27,28 hat eine kreiszylindrische Kopffläche 29 bzw. 30, die nahezu spielfrei und somit abdichtend an der Wand des zugehörigen Zylinderraums 21 bzw. 22 anliegt. Jeder der beiden Drehkolben 27, 28 erstreckt sich gemäß F i g. 3 über einen Bogen von 180° und ist in Umfangsrichtung durch zwei evolventenförmige Flanken 31 bzw. 32 begrenzt. Seitlich liegt jeder Drehkolben 27, 28 gemäß F i g. 1 mit je einer ebenen Stirnfläche abdichtend an der Getriebeplatte 13 bzw. der unteren Deckplatte 15 an.

Auf jeder der Wellen 17,18 ist beiderseits des zugehörigen kreisringförmigen Stegs 23 bzw. 24 je ein Nadellager 33 bzw. 34 angeordnet, auf dem eine Hülse 35 bzw. 36 aus gehärtetem Stahl gelagert ist. Die Hülsen 35, 36 haben je eine kreiszylindrische Außenfläche, die im wesentlichen spielfrei und somit abdichtend an einer entsprechenden Innenfläche des zugehörigen Drehkolbens 27 bzw. 28 anliegt und im folgenden als Fußfläche 37 bzw. 38 bezeichnet wird. Die Hülsen 37 und 38 sind vollständig gleich; ihre Fußflächen 37 bzw. 38 haben einen Durchmesser, der geringfügig — um allenfalls wenige hundertstel Millimeter — größer als der Außendurchmesser des zugehörigen ringförmigen Stegs 23 bzw. 24 und so gewählt ist, daß jede Fußfläche 37, 38 einer Hülse 35 bzw. 36 an der Kopffläche 30 bzw. 29 des mit der jeweils anderen Hülse 36 bzw. 35 gleichachsigen Drehkolbens 28 bzw. 27 unter radialer Vorspannung abwälzbar ist.

Unabhängig davon, ob die dargestellte Drehkolbenmaschine als Pumpe oder als Motor arbeitet, drehen sich die beiden Wellen 17,18 in Richtung des Pfeils 41 bzw. 42; dabei gelangt ein pneumatisches oder hydraulisches Förder- oder Arbeitsmedium durch einen Einlaß 43 in den Überschneidungsbereich der beiden Zylinderräume 21, 22 und strömt durch einen Auslaß 44 ab. In jeder möglichen Drehwinkelstellung der beiden Wellen 17,18 sind Einlaß 43 und Auslaß 44 durch die Drehkol-

ben 27,28 und Hülsen 35,36 voneinander getrennt.

Jeder der Drehkolben 27, 28 liegt mit seiner radial inneren Zylinderfläche derart reibschlüssig auf der Fußfläche 37 bzw. 38 der zugehörigen Hülse 35 bzw. 36 auf, daß er diese mit der Winkelgeschwindigkeit der beiden Wellen 17, 18 mitnimmt. Im Verlauf jeder Umdrehung der beiden Wellen 17 und 18 kommt die Kopffläche 29 bzw. 30 jedes Drehkolbens 27, 28 mit der Fußfläche 38 bzw. 37 der gegenüberliegenden Hülse 36 bzw. 35 zeitweise in Eingriff; dabei wird die betreffende Hülse derart beschleunigt, daß die an ihr ausgebildete Fußfläche die Umfangsgeschwindigkeit der sich an ihr abwälzenden Kopffläche annimmt, so daß die Abwälzung schlupffrei stattfindet. Die Winkelgeschwindigkeit der betroffenen Hülse 35 bzw. 36 nimmt also vorübergehend — bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 bis 3 für eine halbe Umdrehung — zu.

Nach dem Ende der Abwälzung sinkt die Winkelgeschwindigkeit der betroffenen Hülse 35 bzw. 36 wieder auf den Betrag der Winkelgeschwindigkeit der mit ihr gleichachsigen Welle 17 bzw. 18. Die periodische Beschleunigung der Hülsen 35 und 36, die für deren spielfreie Abwälzung am Drehkolben 28 bzw. 27 erforderlich ist, findet nahezu augenblicklich statt, da die Hülsen nur eine geringe träge Masse haben und da die Abwälzung, wie beschrieben, unter radialer Vorspannung stattfindet und somit zur Übertragung ausreichender Umfangskräfte imstande ist.

Die Drehkolbenmaschine gemäß Fig.4 unterscheidet sich von der in F i g. 1 bis 3 dargestellten im wesentlichen dadurch, daß jeder der beiden Drehkolben 27 und 28 in zwei gleichgroße kreisringsektorförmige Abschnitte unterteilt ist, die einander diametral gegenüber an der zugehörigen Welle 17 bzw. 18 befestigt sind. Infolgedessen sind die Wellen 17,18 frei von Unwucht, und die Drehkolbenmaschine eignet sich deshalb für höhere Drehzahlen. Die beiden Abschnitte des Drehkolbens 27 erstrecken sich im Beispiel gemäß Fig.4 über je etwa 150°, während die beiden Abschnitte des Drehkolbens 28 sich über je etwa 30° erstrecken. Die beiden Drehkolben 27 und 28 ergänzen sich also wie bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 bis 3 auf insgesamt 360° abzüglich eines kleinen Winkels, der einem geringfügigen Spiel zwischen den mit einander kämmenden Flanken 31 und 32 entspricht.

Bei beiden Ausführungsformen gemäß F i g. 1 bis 3 einerseits und F i g. 4 andererseits kann zwischen jedem Steg 23, 24 und dem zugehörigen Drehkolben 27 bzw. 28 ein in F i g. 1 und 3 dargestelltes Paßstück 45 eingebaut sein, das Dichtigkeit und Festigkeit der Verbindung zwischen dem betreffenden Steg und dem zugehörigen Drehkolben verbessert.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims (4)

Patentansprüche:

1. Drehkolbenmaschine mit

— einem Gehäuse (10), in dem zwei Zylinderräume (21,22) zwischen einem Einlaß (43) und einem Auslaß (44) einander überschneidend ausgebildet sind,

— zwei Wellen (17, 18), die sich durch je einen der Zylinderräume (21,22) erstrecken und zu gegensinniger Drehung miteinander verbunden sind, und

— zwei zueinander komplementären Drehkolben (27,28), die an je einer der Wellen (17,18) befestigt sind und je eine zur zugehörigen Welle gleichachsige Kopffläche (29, 30) aufweisen, die periodisch mit dem Gehäuse (10) und, im Überschneidungsbereich der beiden Zylinderräume (21, 22), mit je einer zur Welle (18, 17) des komplementären Drehkolbens (28,27) gleichachsigen Fußfläche (38,37) Dichtungszonen bilden, dadurchgekennzeichnet,

— daß zwischen jedem Drehkolben (27,28) und der zugehörigen Welle (17, 18) mindestens eine Hülse (35,36) angeordnet ist, die gegenüber diesem Drehkolben abdichtet, auf der zugehörigen Welle (17,18) frei drehbar gelagert ist und die zu dieser Welle gleichachsige Fußfläche (37,38) bildet, und

— daß jede der Fußflächen (37,38) an der Kopffläche (30, 29) des komplementären Drehkolbens (28, 27) spielfrei abwälzbar ist.

2. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

— daß die Hülsen (35, 36) mit je einem Nadellager (33,34) auf der zugehörigen Welle (17,18) gelagert sind und

— daß die aneinander abwälzbaren Kopf- und Fußflächen (29,38; 30,37) radial zueinander hin vorgespannt sind.

3. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

— daß jeder Drehkolben (27, 28) über mindestens einen ringförmigen Steg (23,24) mit der zugehörigen Welle (17,18) verbunden ist und

— daß jede Hülse (35,36) axial neben dem zugehörigen Steg (23,24) abdichtend angeordnet ist.

4. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

— daß auf jeder der Wellen (17,18) zwei Hülsen (35, 36), durch einen mittig angeordneten Steg (23, 24) voneinander getrennt gelagert sind,

— daß die Hülsen (35,36) mit je einer vom zugehörigen Steg (23,24) abgewandten Stirnfläche gegen das Gehäuse (10) abdichten und

— daß die Stege (23,24) einen geringfügig kleineren Außendurchmesser haben als die zugehörigen Hülsen (35,36).