DE4115257A1 - Drehkolbenmaschine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine mit einem Gehäuse, welches eine Rotorkammer bildet, in der ein scheibenförmiger Rotor um eine Achse drehbar angeordnet ist, ferner mit mehreren Kolben, die jeweils in einer im wesentlichen radial verlaufenden Ausnehmung ("Zylinder­ bohrung") des Rotors radial verschiebbar gelagert sowie bezüglich dieser abgedichtet sind und mit einer Stirnfläche an einen in der zugehörigen Zylinderbohrung gebildeten Arbeitsraum angrenzen, mit einer zur Steuerung der radialen Lage der Kolben im Rotor bei dessen Drehung bezüglich des Gehäuses dienenden Führungsvorrichtung, welche ein ring­ förmiges Bauteil aufweist, das an den Kolben jeweils über ein Abnahmeglied angreift. Eine solche Drehkolbenmaschine ist aus den Dokumenten WO 88/00 640 und EP-A-48 415 bekannt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehkolbenmaschine der oben angegebenen Art zu schaffen, welche sich durch einen geringen Verschleiß und damit durch hohe Lebensdauer sowie durch effektives und betriebssicheres Arbeiten auszeichnet.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekenn­ zeichnete und im folgenden näher erläuterte Erfindung gelöst.

Da bei der vorliegenden Erfindung die Abnahmeglieder bezüglich der zugehörigen Kolben sowie bezüglich des hohl­ zylinderförmigen Führungsteiles nur geringfügige Bewegungen ausführen und das Führungsteil durch ein Wälzlager am Gehäuse gelagert ist, ist der Verschleiß auch bei hoher Belastung der Kolben gering.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, dabei werden noch weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine zur Sprache kommen. Es zeigt

Fig. 1 einen etwas vereinfachten Axialschnitt einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Drehkolbenmaschine;

Fig. 2 einen Schnitt in einer Ebene 2-2 der Fig. 1;

Fig. 3 eine Ansicht der in Fig. 1 rechten Stirnseite des Rotors;

Fig. 4 eine Stirnansicht der in Fig. 1 linken Stirnseite einer Steuerscheibe der Drehkolbenmaschine gemäß Fig. 1;

Fig. 5 einen Axialschnitt einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Drehkolbenmaschine;

Fig. 6 eine Darstellung einer Exzentrizität-Verstell­ vorrichtung für die Drehkolbenmaschine gemäß Fig. 5 und

Fig. 7 einen Axialschnitt der Verstellvorrichtung gemäß Fig. 6.

Die in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Drehkolbenmaschine hat ein Gehäuse 12, in dem sich ein Rotor 14 befindet. Das Gehäuse besteht aus zwei durch Schraubenbolzen verbundenen Teilen 12a, 12b. Der Rotor ist durch einen Keil auf einer Welle 16 befestigt, die durch ein nicht dargestelltes Lager um eine Achse 18 drehbar bezüglich des Gehäuses 12 gelagert ist. Der Rotor 14 wird in axialer Richtung durch eine Schraube 76 auf der Welle 16 gehalten. Wenn die Drehkolben­ maschine als Pumpe bestimmt ist, kann die Welle 16 die Abtriebswelle eines Motors, wie eines Elektromotors, sein.

Der Rotor 14 weist eine koaxiale, ringförmige Ausnehmung 20 auf und hat ferner eine vorzugsweise ungerade Anzahl, im vorliegenden Falle fünf, radiale, im Querschnitt kreis­ förmige Ausnehmungen ("Zylinderbohrungen") 22, welche im äußeren Teil des Rotors einen größeren Durchmesser haben als im inneren. Die Zylinderbohrungen 22 nehmen jeweils einen Kolben 24 auf, der einen äußeren Teil größeren Durchmessers und einen inneren Teil kleineren Durchmessers hat. Die inneren Teile der Kolben sitzen in den inneren Teilen der Zylinderbohrungen 22, die Arbeitszylinder für die Kolben und entsprechende Arbeitsräume 26 bilden und durch O-Ringdich­ tungen 28 bezüglich der inneren Teile der Zylinderbohrungen 22 abgedichtet sind. Die Kolben weisen jeweils im oberen, dickeren Teil ein zylindrisches Sackloch auf, in dem ein zylinder- oder zapfenförmiges Kopplungsteil 30 drehbar angeordnet ist. Jedes Kopplungsteil 30 hat einen bogen­ förmigen Schlitz 32, in den ein hohlzylinderförmiger Führungsring 34 im Gleitsitz eingreift. Die dickeren oberen Teile der Kolben weisen jeweils einen entsprechenden ge­ bogenen Schlitz 36 auf, der eine wesentlich größere radiale Abmessung hat als der Führungsring 34, so daß die Kolben eine gewisse Schwenkbewegung um die Achsen der Kopplungs­ teile 30 ausführen können, wie noch erläutert werden wird.

Der Führungsring 34 ist durch ein Wälzlager, insbesondere ein Kreuzrollenlager 38, um eine Achse 40 drehbar gelagert, welche parallel zur Achse 18 verläuft und einen vorgegebenen Exzentrizitäts-Abstand E von dieser hat. Der Abstand E wird durch einen Exzenterring 42 bestimmt, der exzentrische, zylindrische Innen- und Außenflächen aufweist. Auf der Außenseite des Exzenterringes sitzt das Lager 34. Zwischen der Innenfläche des Exzenterringes und der Motor- bzw. Rotorwelle 16 ist ein weiteres Lager, insbesondere ein Kreuzrollenlager 44 angeordnet. Ein Verdrehen des Exzenter­ ringes bezüglich des Gehäuses wird durch einen Positionier­ stift 46 verhindert, der in den Exzenterring 42 eingeschraubt ist und in ein entsprechendes Loch in der Innenwand des Gehäuseteiles 12a eingreift, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist. Der den Hub der Kolben bestimmende Exzenterring 42 ist auswechselbar, so daß die Maschine durch Einsetzen von Exzenterringen unterschiedlicher Exzentrizität E leicht an verschiedene Aufgaben angepaßt werden kann.

Von den im inneren Teil des Rotors gebildeten Arbeitsräumen 26 führt jeweils ein Kanal 48 zu einer kegelstumpfförmigen Fläche 50 an der Stirnseite des Rotors (Fig. 3). Die kegel­ stumpfförmige Fläche 50 schneidet etwas in die die Arbeits­ räume 26 bildenden zylindrischen Ausnehmungen ein und die Kolben sind an ihrem unteren Ende deshalb mit einer ent­ sprechenden Abschrägung 52 versehen. Der kegelstumpfförmigen, konkaven Fläche 48 liegt eine entsprechend konfigurierte kegelstumpfförmige konvexe Fläche 54 (Fig. 4) einer Steuer­ scheibe 56 gegenüber, welche halbmondförmige Vertiefungen 58, 60 aufweist, die mit einem Fluidkanal 62 bzw. 64 in Verbindung stehen, die je nach Drehrichtung des Rotors bezüglich des Gehäuses den Fluideinlaß bzw. Fluidauslaß der Drehkolbenmaschine bilden. Die kegelstumpfförmige Stirn­ fläche 54 der Steuerscheibe 56 wird durch eine Feder 66 fluiddicht an die Fläche 50 gepreßt. Die abdichtend an­ liegenden, nicht vertieften Bereiche 68 zwischen den bogen­ förmigen Vertiefungen 58, 60 sind in azimutaler Richtung mindestens so breit wie die Mündungen der Kanäle 48, damit die Kanäle nicht Einlaß und Auslaß kurzschließen können, wenn ihre Mündung über den Bereich zwischen den Vertiefungen 58, 60 gleitet.

Der Gehäuseteil 12b weist in seiner Stirnfläche eine Anzahl von Durchbrechungen 70 und in seiner Umfangsfläche eine Anzahl von Durchbrechungen 72 auf, welche zur Belüftung des Gehäuseinneren dienen. In entsprechender Weise ist die der Öffnung der Ausnehmung 20 abgewandte Stirnwand des Rotors 14 mit entsprechenden, zur Belüftung dienenden Durchbrechungen 74 versehen.

Wenn sich der Rotor bezüglich des Gehäuses dreht, führen die Kolben wegen der Exzentrizität E Hubbewegungen bezüglich des Rotors aus, wobei sie durch den Führungsring 34 über die Kopplungsteile 30 nach innen gedrückt werden, wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich ist. Bei ausreichend hoher Drehzahl wird von den Kopplungsteilen 30 nur eine Druckkraft auf die Kolben 24 übertragen: Für den nach innen gerichteten Hub der Kolben ist dies offensichtlich. Bei der Auswärtsbewegung der Kolben überwiegt bei ausreichend hoher Drehzahl die Zentri­ fugalkraft über die Reibungskräfte, so daß auch in diesem Falle von den Kopplungsteilen 30 nur eine nach innen gerichtete Druckkraft auf die Kolben ausgeübt wird. Man kann daher für die Kolben keramische Materialien, wie Aluminium­ oxidkeramik, Glaskeramik oder dergleichen verwenden, die zwar eine hohe Druckfestigkeit, jedoch eine verhältnismäßig geringe Zugfestigkeit aufweisen. Fertigt man auch den Rotor und die Steuerscheibe aus Keramik, so läßt sich die vor­ liegende Drehkolbenmaschine auch für hochagressive Medien verwenden.

Der den Hub der Kolben steuernde, bezüglich der Rotorachse exzentrische Führungsring 34 ist durch das Lager 38 frei drehbar gelagert. Er wird von den Kopplungsteilen 30 durch Reibung mitgenommen und läuft mit im wesentlichen der gleichen Drehzahl wie der Rotor um. Wegen der Exzentrizität des Führungsringes 34 bezüglich der Drehachse 18 des Rotors 14 führen die Kopplungsteile 30 jedoch bezüglich der Kolben geringfügige Schwenkbewegungen durch, während sich der Rotor bezüglich des Gehäuses dreht, und außerdem ändert sich der azimutale Abstand zwischen einem Paar benachbarter Kopplungs­ teile während jeder Umdrehung, so daß die Kopplungsteile 30 auf dem Führungsring etwas hin- und hergleiten. Diese azimutale Bewegung ist jedoch relativ gering, so daß kein wesentlicher Verschleiß auftritt. Außerdem kann man solche Materialpaarungen so wählen, so daß sich der Führungsring 34 praktisch nicht abnützt; die relativ einfach geformten und kleinen Kopplungsteile 30 lassen sich andererseits leicht auswechseln. Die Schlitze 36 in den Kolben sind, wie erwähnt, in radialer Richtung relativ breit, um die Pendel­ bewegung der Kolben nicht zu behindern.

Die Abschrägung 52 und die kegelstumpfförmigen, aufeinander­ gleitenden und gegeneinander abgedichteten Flächen 50, 54 gewährleisten einen besonders geringen Totraum, was vor allem dann von erheblicher Bedeutung ist, wenn die Maschine zur Förderung von kompressiblen Medien, wie Gasen, verwendet wird.

Die in den Fig. 5 bis 7 dargestellte Ausführungsform der vorliegenden Drehkolbenmaschine entspricht im Prinzip der gemäß den Fig. 1 bis 4, so daß für entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet worden sind. Der hauptsachliche Unterschied zwischen den beiden Drehkolben­ maschinen besteht darin, daß die Exzentrizität zwischen der Rotorachse 18 und der Achse 40 des Führungsringes 34 ver­ stellbar ist, so daß bei vorgegebener Drehzahl und Dreh­ richtung des Rotors bezüglich des Gehäuses der Durchsatz und die Förderrichtung geändert werden können. Weitere Unter­ schiede bestehen darin, daß die abdichtend aufeinander­ gleitenden Flächen 50, 54 auf der Stirnseite des Rotors 14 bzw. der Steuerscheibe 56 eben sind. Ferner befindet sich das Lager 38 für den Exzenterring auf der der Rotorwelle abgewandten Seite des Gehäuses. Der Rotor 14 ist durch mehrere Schrauben 65 an einer auf der Rotorwelle 14 drehfest verkeilten Mitnehmerscheibe 67 befestigt, an der er mit seiner einen Stirnfläche großflächig anliegt. Zwischen der Mitnehmerscheibe 67 und dem Rotor 14 kann eine nicht dar­ gestellte Zwischenlage aus Gummi, Kunststoff etc. vorgesehen sein. Durch diese Maßnahmen können die zwischen der Welle und dem Rotor auftretenden Scherkräfte und Spannungen klein gehalten werden, was vor allem dann von Bedeutung ist, wenn die Mitnehmerscheibe aus Metall, der Rotor dagegen aus einem keramischen Material besteht.

Der Führungsring 34 bildet einen integralen Teil des inneren Laufringes des Kreuzrollenlagers 38 und das Kreuzrollenlager 38 ist außen in einem dem Exzenterring 42 entsprechenden Bauteil 42a angeordnet. Das Bauteil 42a hat auf zwei ent­ gegengesetzten Seiten zwei Führungsnuten 78 (Fig. 6), in denen entsprechende Führungsleisten 82 gleiten, die am Gehäuse 10 angebracht und in Fig. 5 in Umfangsrichtung um 90° versetzt dargestellt sind. Das Bauteil 42a und damit der Versatz zwischen der Rotorachse 18 und der Achse 40 des Führungsringes 34, also die Exzentrizität E ist mittels einer Stellschraube 80 in Richtung des eingezeichneten Doppelpfeiles verschiebbar.

Die Stellschraube 80 befindet sich an der Stelle, wo die Kolben ihren inneren oder äußeren Hubumkehrpunkt (Totpunkt) durchlaufen, so daß sie keine wesentlichen Kräfte aufnehmen muß. Die Kräfte werden vielmehr durch die Führungsleisten 78 auf das Gehäuse übertragen.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele lassen sich selbst­ verständlich in der verschiedensten Weise abwandeln, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. Beispielsweise kann man für höhere Belastungen den Rotor auf beiden Seiten mit Sacklöchern für Kopplungsteile 30 versehen und auf beiden Seiten einen Führungsring 34 mit einem entsprechenden Lager anordnen. Die eine Seite könnte dann also hinsichtlich der Kolbensteuerung ähnlich wie bei Fig. 1 und die andere Seite ähnlich wie bei Fig. 5 aussehen.

Der Führungsring 34 bildet vorzugsweise eine integrale Fort­ setzung des einen Laufringes des zugehörigen Wälzlagers, er kann jedoch auch aus einem getrennten Teil bestehen, das an dem betreffenden Laufring befestigt, z. B. auf diesen auf­ geschrumpft ist, was jedoch den Raumbedarf erhöht.

Die vorliegende Drehkolbenmaschine kann sowohl als Pumpe als auch als druckmittelbetätigter Motor dienen.

Zweckmäßige Werkstoffe sind:

Gehäuse
Aluminiumlegierung
Rotor 14	Glaskeramik
Kolben 24	Glaskeramik
Kopplungsteil 30	PTFE/Kohle
Führungsring 34	Stahl
Steuerscheibe 56	Siliciumcarbid

Claims (12)

1. Drehkolbenmaschine mit

• - einem Gehäuse (12), welches eine Rotorkammer bildet,
• - einem in der Rotorkammer angeordneten, um eine Achse (18) drehbaren Rotor (14), der eine Anzahl von im wesentlichen radial verlaufenden Zylinderbohrungen (22) aufweist,
• - einer Welle (16), an der der Rotor (14) angebracht ist,
• - einem Kolben (24) in jeder der Anzahl von Zylinderbohrungen (22), welcher jeweils mit der zugehörigen Zylinderbohrung (22) einen Arbeitsraum (26) begrenzt;
• - einer Steuervorrichtung (30, 34), die im Gehäuse angeordnet ist und bei der Drehung des Rotors (14) bezüglich des Gehäuses (12) eine hin- und hergehende Bewegung jedes Kolbens (24) in der zugehörigen Zylinderbohrung (22) bewirkt und
• - einer Fluideinlaß- und Fluidauslaßeinrichtung (52, 56, 62, 64) zum Zuführen und Abführen von Fluid zu jedem Arbeitsraum,

dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung einen hohlzylinderförmigen Führungsring (34) aufweist, der durch ein Wälzlager (38) bezüglich des Gehäuses (12) drehbar gelagert und mit jedem Kolben (24) über ein Kopplungsteil (30) gekoppelt ist, das bezüglich des zugehörigen Kolbens um eine parallel zur Rotorachse verlaufende Achse schwenkbar ist und einen bogenförmigen Schlitz aufweist, in den der Führungsring (34) eingreift.

2. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Führungsring (34) einen integralen Teil eines Laufringes des Wälzlagers (38) bildet.

3. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, gekenn­ zeichnet durch einen Exzenterring (42), an dem das Wälzlager (38) befestigt ist, und durch ein zweites, zum ersten Wälzlager exzentrisches Wälzlager, durch das der Exzenterring (42) bezüglich der Welle (16) drehbar gelagert ist.

4. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (46), die eine Drehung des Exzenterringes (42) bezüglich des Gehäuses (12) verhindert.

5. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Exzenterring (42) auswechselbar ist und daß Exzenterringe verschiedener Exzentrizitäten (E) vorgesehen sind.

6. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mit dem Rotor (14) verbundene Mitnehmerscheibe (67), die drehfest auf der Welle (16) befestigt ist und eine Stirnfläche aufweist, an der eine Stirnfläche des Rotors (14) anliegt.

7. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Wälzlager (38) an einem Bauteil (42a) angebracht ist, welches bezüglich der Achse (18) des Rotors (14) parallel zur Richtung, die Hubumkehrpunkte der Kolben verbindet, verschiebbar gelagert und mit einer Verstellvor­ richtung (80) versehen ist.

8. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluideinlaß- und Fluidauslaßeinrichtung eine Steuerscheibe (56) mit einer ringförmigen, vorspringenden kegelstumpfförmigen Fläche (54) enthält, die bogenförmige, mit Leitungskanälen (62, 64) in Verbindung stehende Vertiefungen (58, 60) aufweist und daß der Rotor (14) eine komplementär geformte Fläche (50) aufweist, in der Kanäle (48), die zu den Arbeitsräumen (26) führen, münden.

9. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und/oder zweite Wälzlager ein Kreuzrollenlager sind.

10. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Stirnflächen des Rotors eine ringförmige Ausnehmung (20) aufweist, daß jeder Kolben (24) und jede Zylinderbohrung (22) in einem radial äußeren Teil des Rotors einen größeren Durchmesser hat als in einem radial inneren Teil des Rotors.

11. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei auf entgegengesetzten Seiten des Rotors (14) gelagerte Führungsringe, die mit den Kolben über entsprechende Kupplungsteile (30) gekoppelt sind.