DE4411383A1 - Drehkolbenmaschinen mit einem lagerfreien Kolbentriebwerk - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft Drehkolbenmaschinen, die hydraulische oder pneumatische Kräfte direkt, also ohne die Kolbenkräfte umlenkende Lager, in ein Drehmoment beziehungsweise in eine Drehbewegung umwandeln und umgekehrt. Die hier nur rotierenden Hauptteile sind zwei ineinandergreifende Rotoren, ein Zylinder- und ein Kolbenrotor, deren Drehachsen räumlich dicht beieinander liegen und geeignet huberzeugend konfiguriert sind, das heißt, einen gewissen Abstand zueinander haben, winklig angeordnet sind oder beides gleichzeitig. (Zwei Punkte in diesem Feld sind als Axial- und Radialmaschinen bekannt). Der Kolbenrotor besitzt ein lagerfreies Kolbentriebwerk beziehungsweise Antriebsmechanismus für die Kolben, das heißt, zwischen einem Kolben und einer Welle befinden sich keinerlei kraftübertragende Lager. Alle kraftüber­ tragenden Teile sind formschlüssig durch quasi verschleißlose Konstruktionselemente miteinander verbunden, die keine rollende oder gleitende Reibung erzeugen. Jedes zusammenwirkende Kolben- Zylinder-Paar bildet einen druckdichten Arbeitsraum. In den Kolben befinden sich keinerlei Kanäle. Der Zylinderrotor ist kompakt, das heißt, er besteht aus einer zusammenhängenden Kon­ struktion, kann also in einem Stück hergestellt sein, genauso wie der Kolbenrotor. Beide Teile sind lagerfrei, was bedeutet, daß sich innerhalb dieser Teile keine kraftübertragenden Lager befinden. Ein Lager zur Führung einer nach außen gehenden Welle zählt hierbei nicht. (Die Wellenlagerung muß nicht in Kontakt mit dem Fördermedium kommen und dient nur zur Führung, muß also grundsätzlich keine Kolbenkräfte verarbeiten). Der Kolbenrotor kann direkt an der Welle einer Antriebsmaschine angeschraubt sein, dann hat die gesamte Maschine kein einziges eigenes Lager. Durch das Fehlen üblicher Lager können derartige Maschinen abso­ lut ölfrei arbeiten.

In der US-Patentschrift 5 249 506 sind derartige Maschinen be­ schrieben. Dort bewegen sich die Zylinder und die Kolben auf räumlich dicht beieinanderliegenden und in sich geschlossenen quasi kreisförmigen Umlaufbahnen. Der Unterschied zwischen beiden Umlaufbahnen ist gerade so gewählt, daß eine kurze, rela­ tive Hubbewegung zwischen Kolben und Zylinder entsteht, und zwar im mitbewegten körperfesten System eines der beiden rotierenden Körper. (Im ruhenden System gibt es keine Hubbewegung, keine hin- und hergehenden Teile, also keinerlei oszillierende Massen­ kräfte.) Die Kürze dieser Hubbewegung wird sich dabei nicht als Nachteil erweisen. Die räumliche Konfiguration beider Drehachsen bzw. Umlaufbahnen ist grundsätzlich beliebig, aber beide Achsen liegen immer innerhalb aller vorhandenen Umlaufbahnen und meist dicht beieinander. Sie besitzen entweder eine kleine Exzentrizi­ tät, bilden einen kleinen Winkel zueinander oder beides. Die Richtung der Hubbewegung relativ zu den Drehachsen ist grund­ sätzlich frei wählbar, d. h. Axial- und Radialmaschinen sind nur Grenzfälle mit bestimmten Winkeln in diesem Feld.

Es wird eine Methode für eine Kraft- bzw. Drehmomentübertragung vorgestellt, die ohne Lager auskommt; insbesondere wurde diese Methode auf Rotationskolbenbauarten angewendet und es wurde ein lagerfreies Kolbentriebwerk für alle möglichen Bauarten kreiert. Diese Erfindung hat alle üblichen mitbewegten Lager innerhalb dieser Maschinen, die dem Fördermedium ausgesetzt wären, besei­ tigt. Das war der Kern dieser Erfindung. Diese Tatsache macht die gesamte Palette der Rotationskolbenmaschinen einfacher und befähigt sie ölfrei zu laufen. Das neue lagerfreie Kolbentrieb­ werk kann nicht nur für alle bekannten Rotationskolbenbauarten mit huberzeugenden Teilen verwendet werden, sondern auch für alle noch nicht erfundenen Bauarten, weil diese Erfindung auf physikalischen Gesetzen beruht, die immer angewendet werden kön­ nen; auf der Charakteristik (differentielle Ableitung) der Cosi­ nus-Funktion in der Nähe von 0°, die hier bei der Beschreibung der kinematischen Bewegungsabläufe eine entscheidende Rolle spielt. Das ist gleichzeitig der Grund warum es praktisch belie­ big viele Ausführungsbeispiele gibt.

Die Arbeitskammern sind so dicht und das Prinzip so druckstei­ gernd, daß bei hohen Förderdrücken eine zu große Reibung an den verbleibenden gleitenden Teilen entstehen würde, insbesondere wenn kein Öl verwendet werden kann. Der Bedarf an ölfreien Ma­ schinen wächst; Beispiele sind ölfreie Kompressoren, Wasserhy­ draulik-Systeme, insbesondere ein Hydraulikmotor für alle nicht­ abrasiven Flüssigkeiten zur Energierückgewinnung und mehr.

Aufgabe dieser Erfindung ist es, die vorgenannten Probleme zu beseitigen. Die Leistungsgrenzen dieser Maschinen sollen so weit wie möglich nach oben verschoben werden.

Ziel ist es, sämtliche bewegten Teile durch eine annähernd per­ fekte Druckkompensation fast vollständig von hydraulischen be­ ziehungsweise hydrostatischen Kräften zu entlasten, insbesondere die aneinander gleitenden Teile innerhalb dieser Maschine, so daß selbst bei hohen Drücken (100 bar und mehr) kein Schmiermit­ tel mehr benötigt wird.

Außerdem soll die Verwendung elastischer Teile dann vermieden werden, wenn sie die Funktion und die Leistungsfähigkeit dieser Maschinen beeinträchtigen würden.

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 in Verbindung mit den im Oberbegriff wiedergegebenen Merkmale gelöst.

Die Kolben sind formschlüssig durch eine Kolbenstange, meist eine einfache Schraube, oder direkt als Plungerkolben (Tauchkol­ ben), aber niemals durch irgendwelche Lager, mit einem rota­ tionssymmetrischen Kolbenträger verbunden, der sich nur um seine Symmetrieachse dreht; zusammen bilden diese Teile ein lagerfrei­ es und demzufolge quasi verschleißfreies und hoch belastbares Kolbentriebwerk. Die Kolbenkräfte werden direkt in ein Drehmo­ ment umgewandelt ohne irgendwelche rollende oder gleitende Lager zur Kraftübertragung zu verwenden. (Andere Verbindungselemente wie z. B. Gewinde sind in diesem Zusammenhang keine Lager).

Die Kolben, die Kolbenstangen und der Kolbenträger bilden zusam­ men den Kolbenrotor, der wiederum mit einer Welle fest verbun­ den, oder selbst Teil der Welle sein kann. Sämtliche gleitende Teile werden hydrostatisch entlastet, einschließlich einer Welle.

Die hauptsächlichen rotierenden Teile sind ein lagerfreier und kompakter Zylinderrotor und ein lagerfreier Kolbenrotor (keine mitrotierenden Lager), wobei beide Rotoren über die Kolben in den Zylindern drehfest miteinander verbunden sind. Die Kolben sind wenigstens in eine Richtung druckdicht und besitzen nie­ mals irgendwelche Kanäle (höchstens kleine Spritzdüsen im Falle eines Kompressors). Die Anzahl der Arbeitsräume für einen Satz Kolben und Zylinder ist beliebig, sie liegt zwischen 1 und meist nicht mehr als 8. (In der Praxis z. Z. 3, 4, 5 und 6). Die Kolben greifen in Zylinder eines Zylinderrotors ein. Um verschiedene Funktionen (z. B. Motor und Pumpe) in einer Maschine unterbringen, können mehrere Sätze von Kolben am Kolbenträger befestigt sein. Sie können radial auf verschiedenen Durchmessern kreisförmig oder axial entgegengesetzt mit dem gleichen Teilkreis angeord­ net sein. (Die letzte Variante ist a priori axial ausbalan­ ciert.) Die den Kolben entgegengesetzten Enden der Zylinder liegen in einer rotationssymmetrischen Fläche - der Steuerfläche des Zylinderrotors. Der Zylinderrotor ist kompakt und lückenlos, das heißt, zumindest die Steuerfläche des Zylinderrotors be­ sitzt, außer den Steuerkanälen zu den einzelnen Zylindern, keine unerwünschten Lücken. Das erlaubt eine einfache Schlitzsteuerung dieser Maschinen. (Unerwünschte Lücken in der Steuerfläche des Zylinderrotors würden eine einfache Schlitzsteuerung nicht erlauben.) Eine konventionelle Ventilsteuerung wäre natürlich auch möglich, aber aufwendiger. Bei der meist verwendeten Schlitzsteuerung werden die Zylinder einerseits durch die Kol­ ben, andererseits durch eine ruhende Steuerfläche verschlossen. Der Zylinderrotor gleitet mit seiner eigenen Steuerfläche dich­ tend an einem immer ruhenden rotationssymmetrischen Steuerspie­ gel beziehungsweise Steuerfläche entlang. (Das Gleiten des Zy­ linderrotors an einem Steuerspiegel stellt kein Lager dar, weil keine Kräfte übertragen werden.) Die Zylinderenden werden dabei dichtend gleitend über Steuerkanäle im Steuerspiegel geführt, über eine Saug- und eine Druckseite oder allgemein über eine Nieder- und eine Hochdruckseite. Die Kolben beziehungsweise Kolbenstangen können dabei schieben, ziehen oder beides innerhalb einer Umdrehung.

Damit die beiden Steuerflächen dichtend gleitend zueinander pas­ sen, müssen beide die gleiche Gestalt haben, vorzugsweise einer Ebene beziehungsweise Ringebene bei Axialkolbenmaschinen und eines Zylindermantels bei Radialkolbenmaschinen. Zwischen Axial- und Radialkolbenmaschinen liegen beliebig viele andere Varianten mit einem Kegelstumpfmantel als allgemeinsten Steuerspiegel, der einerseits in eine Ringebene (extrem flacher Kegelstumpf) und andererseits in einen Zylindermantel (extrem steiler Kegel­ stumpf) übergehen kann. Dieser Variationsprozeß verdeutlicht die Grenzfälle der Axial- und Radialkolbenmaschinen.

Die Kolbenstangen weisen etwa in Hubrichtung, welche grundsätz­ lich frei wählbar ist, das heißt, der Winkel zwischen der An­ triebsachse und einem jeweiligen Zylinder ist variierbar. Bei Radialkolbenmaschinen ist er 90°, bei Axialkolbenmaschinen ver­ änderlich bei nur kleinen Winkeln. Hier wird meistens nur die wichtigste Version, die einer Axialkolbenmaschine diskutiert; die Erfindung gilt aber grundsätzlich für alle Versionen.

Um das gesteckte Ziel zu erreichen wird folgende Gedankenkette verwendet; um Verschleiß bei hohen Drücken zu minimieren muß die Reibung, also der Auflagedruck minimiert werden. Der zu hohe Auflagedruck kann durch ein Kräftegleichgewicht an den beteilig­ ten, und gegeneinander bewegten Teilen beseitigt werden. Die entscheidende Größe dabei ist der Flüssigkeitsdruck, der auf die betreffenden Flächen einwirkt. Durch hydraulische Kräfte können enorme Auflagekräfte entstehen. Eine hydrostatische Druck-Kom­ pensation wird durch die Schaffung anderer druckbeaufschlagter Flächen am gleichen Teil mit einer entgegengesetzten Richtung der Druckfeldvektoren beziehungsweise Kraftvektoren erreicht. An beiden Rotoren befinden sich, beziehungsweise werden geschaffen, verschiedene druckbeaufschlagte Flächen mit entgegengesetzter Kraftrichtung. Bei zusätzlicher Ausnutzung verschiedener Druck­ niveaus können beide Rotoren immer ausbalanciert werden. Diese Methode ist grundsätzlich für Axial- sowie Radialkolbenmaschinen anwendbar und wirkt unabhängig von Förderdruck und Fördermenge, Drehzahl und anderen Parametern. Zusätzlich kann die Drehverbin­ dung zwischen den Rotoren weitgehendst drehmomentfrei gemacht werden.

Zum tieferen Verständnis dieser Erfindung muß der theoretische Hintergrund beleuchtet werden.

Beide bewegten, arbeitsraumbildenden Teile, der Kolben mit dem dazugehörigen Zylinder, laufen auf zwei etwas unterschiedlichen, aber räumlich dicht beieinanderliegenden, benachbarten und quasi kreisförmigen Umlaufbahnen so, daß eine geeignete Schwin­ gung zwischen diesen beiden Teilen im mitbewegten körperfesten System entsteht. Eine Komponente dieser Schwingung, die Schwin­ gung in Richtung der Zylinderachse, erzeugt die gewünschte Hub­ bewegung des Kolbens im Zylinder. Entsprechend Zylinderkoordina­ ten (z-Achse in der Zylinderachse) verbleibt immer eine uner­ wünschte Bewegungskomponente senkrecht zur Hubbewegung. Aufgabe ist nun, diese unerwünschten Verschiebungen zu eliminieren ohne Verlust anderer guter Eigenschaften dieser Maschinen und ohne Lager zu verwenden. Die Amplituden dieser Auslenkungen werden erst durch eine bestimmte räumliche Konfiguration minimiert, dann wird diese schädliche Bewegungskomponente völlig elimi­ niert, indem zwischen Kolben und Kolbendichtung ein bestimmtes seitliches Spiel gelassen wird, so daß jeder Kolben etwas von einer streng geraden Bewegung in der Zylinder-Symmetrieachse abweichen kann. Die Kolbendichtung muß wenigstens beim Arbeits­ takt dichtend an der Zylinderwandung geführt werden, während sich die Kolben auf einem mehr oder weniger deformierten Kreis­ bogen bewegen. Der mathematische Hintergrund ist wie folgt: eine kreisförmige Bewegung läßt sich in zwei zueinander senkrechte Komponenten zerlegen. Im Falle einer exakten Kreisbewegung sind die Amplituden für beide Komponenten gleich. Aber im Falle einer Schwingung innerhalb von nur 10° (+/-5°), anstatt einer Drehung um 360°, ist die Amplitude einer Bewegungskomponente nur etwa 1% der anderen. Ein kurzer Kreisbogen ist annähernd eine Gerade. Mathematisch wird dieser Sachverhalt durch die Cosinus-Funktion (beziehungsweise cos x -1) im Bereich um 0° herum beschrieben, die sich um 0° nur wenig ändert. Bei Axialkolbenmaschinen be­ stimmt diese Funktion die Amplitude der unerwünschten Verschie­ bungen senkrecht zur Hubbewegung. Bleibt man bei kleinen Nei­ gungswinkeln hat man es a priori nur mit kleinen Verschiebungen zu tun. Andererseits ist glücklicherweise die Öffnung des Volu­ mens schon bei kleinen Winkeln voll wirksam. (Bei Radialkolben­ maschinen ist es ähnlich, aber nicht ganz so günstig.) Auf diesem Verhalten beider Funktionen ist das Weglassen aller übli­ chen Lager zwischen einem Kolben und einer Welle aufgebaut. (Das ist das Geheimnis dieser Erfindung). Es werden allerdings relativ kleine Hübe, d. h., kleine Exzentrizitäten für Radial- bzw. kleine Neigungswinkel für Axialkolbenmaschinen verwendet. Dann können die nur geringen verbleibenden Verschiebungen senk­ recht zur Hubbewegung leicht eliminiert werden, ohne Lager ver­ wenden zu müssen. Die Amplitude dieser zu unterdrückenden Bewe­ gung bzw. Verschiebung beträgt z. B. Bei einer geeignet kon­ struierten Axialkolbenmaschine nur etwa 1% des kurzen Hubes (z. B. nur 0,1 mm bei einem Hub von 1 cm). Das normale seitliche Spiel eines Gewindes, einer losen Aufhängung für Turbinenschau­ feln oder anderer Konstruktionselemente, besonders das zum Hub seitliche Spiel zwischen Kolben und Kolbendichtung, oder die a priori gegebene Elastizität einer Kolbenstange beziehungsweise Schraube sind schon ausreichend, die unerwünschte Bewegungskom­ ponente (0,1 mm) zu eliminieren beziehungsweise aufzufangen. (Ein Kolben-Zylinderpaar kann dabei a priori immer starr mitein­ ander verbunden sein, wenn der Zylinderrotor ansonsten seitlich frei ist, die Konstruktion also nicht überbestimmt ist.) Ein größerer Hub würde (bis auf eine noch zu besprechende Ausnahme) tatsächlich richtiges elastisches Material oder andere Lösungen erfordern, aber ein größerer Hub ist auch für große Maschinen mit großen Fördermengen nicht nötig. Das Volumen eines Zylinders steigt mit dem Quadrat des Radius, aber nur linear mit der Länge des Zylinders; also ist es viel effektiver für eine Vergrößerung des Volumens, den Durchmesser von Kolben und Zylinder zu erhö­ hen, als den Hub. Praktisch ist das eine einfache photographi­ sche Vergrößerung der Maschine. Jede gewünschte Fördermenge ist möglich.

Das Reibungsproblem bei hohen Drücken, auch bei hohen Fördermen­ gen und nichtschmierenden Flüssigkeiten wie Wasser soll gelöst werden.

Die Physik zeigt den Weg: Reibung, und damit der Verschleiß, werden zunächst durch die Gleitgeschwindigkeit, durch Materia­ leigenschaften bestimmt und steigen linear mit der Auflagekraft beziehungsweise dem Anpreßdruck. Dieser soll minimiert werden, oder mit anderen Worten, die Summe aller an einem bewegten Teil angreifenden Kräfte soll möglichst zu Null gemacht werden. Der Zustand (Balance, Kräftegleichgewicht, Druck/Kraftentlastung) ist ideal, wenn nur der zur Abdichtung nötige sanfte Anpreßdruck zwischen zwei gleitenden Teilen übrig bleibt, und das in jedem Betriebszustand, bei jedem Druck; oder anders gesagt, wenn alle Teile nur einen geringen Bruchteil des tatsächlichen Druckes "erleben" und keine Kräfte auftreten, die das Material überfor­ dern würden.

Balance des Kolbenrotors

Die Kolben können grundsätzlich in bezug auf die Kolbenstangen ziehen, drücken oder beides in einem Arbeitszyklus, erst ziehen dann drücken.

Im Falle einer Radialkolbenmaschine entstehen keine Kräfte in axialer Richtung. Zu hohe radiale hydraulische Kräfte können dadurch kompensiert werden, indem zwei axial hintereinanderlie­ gende Ringe beziehungsweise Sätze von radial gerichteten Zylin­ dern in einem Zylinderrotor untergebracht sind und beide Systeme um 180° gegeneinander versetzt sind.

Im Falle einer Axialkolbenmaschine gibt es praktisch keine Radi­ alkräfte. In axialer Richtung gibt es verschiedene Möglichkei­ ten, den Kolbenrotor zusammen mit der an ihm befestigten Welle auszubalancieren. Die folgende erste Option wird für eine Pumpe beschrieben, gilt aber umgekehrt genauso für einen Wasserhydrau­ lik-Motor. Der einzige Arbeitstakt vollzieht sich beim Ansaugen über dem Einlaß, der Niederdruck- oder Arbeitsseite, wobei hinter den Kolben im Gehäuse der Förderdruck herrscht, die Kol­ benstangen also die Kolben gegen den Hochdruck ziehen und dabei über dem Einlaß für die einströmende Flüssigkeit Volumen freige­ ben. Das ist im Prinzip schon alles. Einen Kompressions- oder Ausstoßtakt gibt es nur insofern, daß die Kolben über der Hoch­ druckseite die Flüssigkeit in einem quasi Gleichdruckprozeß nur noch aus den Zylindern ausschieben. Die Hochdruckseite zwischen Steuerspiegel und Zylinderrotor muß demnach nicht abgedichtet werden. Auch brauchen die Kolben nur über der Einlaßseite druck­ dicht zu sein, also nur in einer Richtung abzudichten, d. h., es kann eine einfache Manschette als Kolbendichtung verwendet wer­ den. Diese Konstruktion erlaubt eine sehr einfache axiale Balan­ cierung des Kolbenrotors, wobei die Kolben und die Welle mit eingeschlossen sind. Hier gilt folgende Regel:
Der abgedichtete Querschnitt der Welle muß etwa der Summe der Querschnittsflächen aller gerade über der Niederdruckseite be­ findlichen Kolben sein. Da die Axialkräfte an den Kolben und an der Welle entgegengesetzt sind, heben sie sich auf. (Sollte bei größeren Maschinen der Querschnitt der Welle beziehungsweise der Durchmesser des Dichtringes einer Gleitringdichtung dazu zu klein sein, kann eine zweite Gleitringdichtung größeren Durch­ messers über die erste gesetzt werden, wobei der ringförmige Raum dazwischen druckentlastet ist.) So erhält man einen Rotor einer Hochdruckpumpe, der die hohen Kolbenkräfte nicht weiter­ leitet, sondern nur das gewollte Drehmoment, das heißt, der Kol­ benrotor kann direkt an der Welle eines genormten Elektromotors beziehungsweise einer anderen Antriebsmaschine befestigt sein. In diesem Fall hat die gesamte Pumpe kein einziges eigenes Lager! Es verbleiben selbstverständlich axiale Schwingungen, die durch geeignete Maßnahmen gedämpft werden können. In der Praxis hat es sich bewährt, einen gewissen Restbetrag der axialen Kräfte bewußt nicht zu kompensieren um axiale Schwingungen zu unterdrücken.

Eine zweite Option ist besonders für sehr große Kolben gedacht, oder bei Abwesenheit einer nach außen gehenden Welle. Hier gilt folgende Regel: Die Kolben beziehungsweise Kolbenstangen über der Saugseite können ziehen und über der Druckseite drücken, also bei einer Umdrehung beziehungsweise Arbeitszyklus erst ziehen und dann drücken. Jetzt kann durch Variierung des Druckes im Gehäuse (praktisch meist zwischen 50% und 80% des Förder­ druckes) immer eine axiale Balance des Kolbenrotors erzielt werden. In diesem Fall müssen die Kolbendichtungen in beide Richtungen dichten und die gesamte Steuerfläche ist abgedichtet, die Nie­ der- und die Hochdruckseite. Die Axialkräfte der Kolben können sich dabei schon gegenseitig aufheben, wobei eine hydraulische Axialkraft einer abgedichteten Welle mit berücksichtigt werden kann.

Im Falle einer hermetisch dichten Pumpe und nur drückenden Kolben läßt sich auch leicht eine axiale Balance des Kolbenro­ tors erreichen, indem der Förderdruck hinter einen Wellenstumpf innerhalb des Gehäuses geleitet wird, der dann den richtigen Durchmesser hat; oder man erzeugt an der Rückseite des Kolben­ trägers ein entsprechendes Druckpolster, wobei die Rückseite des Kolbenträgers dann dichtend an einer Gehäusewandung gleitet.

Bei größeren Maschinen kann der Innenraum des Zylinderrotors und des Steuerspiegels für eine durchgehende Welle freigemacht wer­ den. Dann sind der Zylinderrotor und der Steuerspiegel ringför­ mig.

Geht die Welle nur durch die Steuerseite und das Gehäuse ist druckbeaufschlagt, können die Axialkräfte der drückenden Kolben wieder mit der Axialkraft an der abgedichteten Welle ausbalan­ ciert werden. Wenn an einem Kolbenträger in beiden axialen Rich­ tungen die gleichen Kolben angebracht sind (z. B. Pumpe-Motor-Sy­ stem), und beide Systeme arbeiten bei dem gleichen Druck, ist schon der Kolbenträger axial im Gleichgewicht.

Die beschriebenen Methoden wirken auch bei Tauch- beziehungswei­ se Plungerkolben.

Balance des Zylinderrotors

Der Anpreßdruck des Zylinderrotors am Steuerspiegel hängt im wesentlichen vom Druck im Gehäuse und von dem Flächeninhalt der zwischen beiden Steuerflächen gegenüber dem Druck im Gehäuse abgedichteten Fläche ab, welche geeignet variiert werden kann. Eine endlich große Dichtzone beziehungsweise ringförmige Steuer­ zone, die die Steuerkanäle im Steuerspiegel und die offenen Zylinderenden überdeckt, ist nötig und muß demzufolge bei hohen Drücken druckkompensiert werden, weil der Zylinderrotor sonst zu stark an den Steuerspiegel gepreßt werden würde. Im wesentlichen sind das die Flächen zwischen zwei benachbarten Zylinderenden innerhalb der ringförmigen Steuerzone. Der Zylinderquerschnitt liefert keinen Beitrag für die Auflagekraft des Zylinderrotors am Steuerspiegel, da die entsprechende Kraft am Kolben bezie­ hungsweise Kolbenträger hängt. Andererseits heißt das, daß ein teilweise geschlossener Zylinderboden eine Kraft erzeugen kann, die vom Steuerspiegel weg weist, wenn der Druck im Gehäuse unter diese Stelle gelangt. Der Betrag der Kraft kann durch die Größe der Fläche eingestellt werden, indem zumindest eine meist kreis­ bogenartige Dichtlinie der ringförmigen Steuerzone mehr oder weniger unter die Zylinder verlegt wird. Meistens wird die äußere Dichtlinie nach innen verschoben und die Zylinderböden dementsprechend weit geschlossen. Die Saugseite ist balanciert, wenn die neue Fläche unter jedem Zylinder der abgedichteten Fläche zwischen zwei benachbarten Zylindern etwa gleich ist; oder anders gesagt, wenn die abgedichtete Steuerfläche den Kol­ benflächen über der Saugseite entspricht. (So sind die Kolben­ kräfte, axial in der Mitte, in eine Richtung durch die abgedich­ tete Welle kompensiert und die entsprechende Gegenkraft durch ein Druckpolster unter dem Zylinderrotor. Dann entspricht die Größe dieses Druckpolsters auch der Größe der abgedichteten Wel­ le.) An der Druckseite ist eine Balancierung nur nötig, wenn die Kolben dort auch Arbeit verrichten, d. h., ein Druckunterschied zwischen den Zylindern und dem Gehäuse überhaupt existiert. Im Falle daß die Kolben hier drücken und der Druck in den Zylindern größer als im Gehäuse ist, hat der Zylinderrotor mit total offe­ nen Zylinderenden das Bestreben abzuheben, d. h., eine Verschie­ bung der kreisbogenartigen Dichtlinie unter die Zylinder bringt auch hier eine Balancierung. Allerdings wäre ein halb geschlos­ sener Zylinderboden zu viel, deshalb wird hier die ruhende Steu­ erfläche beziehungsweise der Steuerspiegel entsprechend profi­ liert. So werden die Hoch- und die Niederdruckseite getrennt optimal druckkompensiert.

Diese Methode hat sich als sehr wirksam erwiesen, wobei nur der für eine Abdichtung nötige Auflagedruck übrig bleibt, was beson­ ders beim Betrieb dieser Maschine als Wasserhydraulik-Motor wichtig ist, da er sonst nicht anlaufen würde. Der Zylinderrotor kann nicht nur, trotz eines hohen Druckes im Gehäuse über ihm, zum Abheben vom Steuerspiegel gebracht werden, es kann auch, im Gegensatz zu einer einfachen Feder, das Druckfeld für Feinheiten strukturiert werden, d. h., an den Stellen, wo es zweckmäßig ist, kann mehr Andruck belassen werden. In der Praxis ist die ring­ förmige Steuerzone in Umfangsrichtung gesehen in der Nähe des oberen Totpunktes etwas schmaler als in der Nähe des unteren Totpunktes der Kolben, damit um den unteren Totpunkt herum mehr Andruck entsteht. Das sorgt für einen gleichmäßigeren Andruck des Zylinderrotors über seinem ganzen Querschnitt am Steuerspie­ gel, denn es gleicht den Effekt aus, daß ein mit den Kolben mit­ rotierender Zylinderrotor das Bestreben hat, sich gerade zu stellen, also zuerst um den unteren Totpunkt herum vom Steuer­ spiegel abzuheben.

Wo der Boden der Zylinder offen ist, ist grundsätzlich beliebig, (vorzugsweise innen) auch ob nur eine oder zwei Öffnungen bezie­ hungsweise Steuerkanäle im Boden der Zylinder sind.

Diese Methode wirkt unabhängig von allen anderen Parametern und gilt grundsätzlich auch für Radialkolbenmaschinen.

Die Steuerfläche ist grundsätzlich auch beliebig, aber unter der Randbedingung, daß sie rotationssymmetrisch ist, wie eine Krei­ sebene, Kreisringebene, Kegelmantel, Zylindermantel o. a.

Balance in Umfangsrichtung, seitlich zur Hubbewegung

Dieser Kräfteausgleich in Umfangsrichtung bedeutet hier, die Drehverbindung zwischen beiden Rotoren drehmomentfrei zu machen. Das nützliche Drehmoment kann direkt am Kolbenrotor angreifen, der dann das einzige Leistungsteil ist. (Grundsätzlich wäre es möglich, dieses Drehmoment auch am Zylinderrotor entstehen zu lassen.)

Die Kolben beziehungsweise Kolbendichtungen müssen gewisse seit­ liche Kräfte verarbeiten. Diese Kräfte sollen hier minimiert werden. Sie haben drei verschiedene Ursachen:
Zuerst müssen die schon besprochenen seitlichen Verschiebungen so ausgeglichen werden, daß eine Kolbendichtung seitlich nicht überlastet wird. Deshalb ist die ringförmige Kolbendichtung (al­ lerdings nur für einen ganz bestimmten Betrag) relativ zum Kolben beziehungsweise Schraubenkopf seitlich, also senkrecht zur Hubbewegung, beweglich beziehungsweise verschiebbar angeord­ net. Eine einzelne Kolbendichtung wird nur durch den Zylinder, wo sie abdichten muß, geführt; alle Kolbendichtungen zusammen führen aber den Zylinderrotor. Das ist kein Widerspruch und soll hier näher erklärt werden. (Die Kolbenringe eines klassischen Hubkolbensystems sind auch im Durchmesser größer als der Kolben, und der Kolben kann sich seitlich relativ zu den Kolbenringen und Zylinderwandungen bewegen.) Hier besteht die Kolbendichtung meist aus einem sphärischen Plastikring. (Die Schraubenköpfe berühren die Zylinder niemals.) Der Innendurchmesser der Kolben­ dichtung ist dann etwas größer als der Außendurchmesser der Kol­ benstange. So entsteht das besagte begrenzte seitliche Spiel in den Dichtungen mit einem Anschlag. Die seitliche Beweglichkeit aller Dichtungen zusammen ist gerade so groß, daß sie durch die Schrägstellung des Zylinderrotors aufgebraucht wird, so daß der geneigte Zylinderrotor seitlich keinen Spielraum mehr hat und demzufolge von allen Kolben gleichzeitig sicher geführt wird, ohne seitlich zu schwingen. Die Praxis zeigt, daß bei Erfüllung dieser delikaten Bedingungen der Zylinderrotor weder eine eigene Welle noch einen eigenen Antrieb benötigt, auch nicht bei Hoch­ leistungsmaschinen wie in der Wasserhydraulik. Die plastischen Dichtelemente haben also nicht nur eine Dichtfunktion, sondern auch eine gewisse Führungsfunktion. Sie sind eine Kombination zwischen einem Führungs- und einem Dichtring. Solche sphäri­ schen Dichtringe haben sich schon bewährt. Sie haben keine kör­ perfeste Dichtlinie. Die kreisförmige Dichtlinie beziehungsweise Dichtebene ändert ihren Winkel relativ zum Dichtteil aber nicht relativ zum Zylinder. Es besteht zwar theoretisch nur eine Li­ nienberührung zwischen Dichtung und Zylinderwand, die aber wan­ dert; das bedeutet, daß hinsichtlich des Verschleißes doch eine Fläche beteiligt ist, und das ist wiederum ein Grund, warum sie trotz einer Linienberührung so verschleißfest sind. (Ihre Gleit­ geschwindigkeit ist durch den hier möglichen kurzen Hub auch sehr gering.) Eine andere Variante ist ein kugelförmiger Kolben mit einem dünnen ringförmigen Gleitschuh beziehungsweise Hülse, ähnlich einem Schwenklager. Die Hülse ist zur Aufnahme des runden Kolbens innen sphärisch ausgebildet. Im Bereich der dünnsten Stelle beziehungsweise des Äquators können seitliche Kräfte übertragen werden, während sich an den Enden der Hülse Dichtlippen befinden. So kann hier die Dichtfunktion von der Führungsfunktion örtlich getrennt werden. (Die meist plastischen Gleitschuhe sind einstückig; sie schnappen ein, wenn man sie über den Kolben schiebt.)

Die Kolbenstangen können einfache Schrauben sein, die a priori mehr oder weniger seitlich elastisch sind. (Zugkräftige Schrau­ ben in einem flexiblen Kohlefasermaterial wären natürlich gut, müssen aber nicht sein). Es hat sich bewährt, die Schrauben lose im Kolbenträger einzuschrauben. Sie werden dann nur gegen Her­ ausdrehen gesichert, z. B. indem die abgeflachten Schraubenenden verdrehsicher in der Nut eines Plastikringes stecken. Das Spiel des Gewindes, seine Länge und die Länge der Kolbenstangen bezie­ hungsweise Schrauben sind gute Parameter zur Feineinstellung der seitlichen Auslenkungen der Kolben (und natürlich zum Ausgleich der Herstellungsungenauigkeiten). Alle seitlichen Beweglichkei­ ten addieren sich und können zusammen oder einzeln das besagte Problem lösen. Die Praxis zeigte, daß bei Axialkolbenmaschinen eine Neigung des Zylinderrotors von etwa 5° zwanglos möglich und ausreichend ist: auch die Wasserhydraulik-Motoren laufen bei derart kleinen Schrägwinkeln schon an.

Viele andere bekannte Verbindungselemente (Halterung einer Tur­ binenschaufel u. a.) liefern a priori eine gewisse seitliche Beweglichkeit und können hier verwendet werden. Auch können die Zylinder etwas seitlich beweglich im Zylinderrotor angebracht sein, z. B. kann ein O-Ring für eine druckdichte Verbindung zwi­ schen einem einzelnen Zylinder und dem Zylinderrotor verwendet werden, was eine kleine seitliche Verschiebbarkeit zuläßt.

Die zweite Ursache für seitliche Kräfte zwischen Kolben und Zylindern ist die Reibung des Zylinderrotors. Dieses Problem ist schon gelöst, indem der Zylinderrotor am Steuerspiegel ausbalan­ ciert wurde. (Die Reibung am Fördermedium spielt hier meist keine Rolle).

Die dritte Ursache für seitliche Kräfte sind die gegenüber den Zylindern geneigten Kolbenstangen beziehungsweise Dichtelemente, die dabei noch geneigte Dichtlinien im Zylinder erzeugen. Sphä­ rische Dichtelemente erzeugen grundsätzlich keine seitlichen hydraulischen Kräfte auf den Zylinder. Aber eine einfache, im Zylinder geneigte Scheibenförmige kurze Manschette mit einer körperfesten Dichtlinie erzeugt am Zylinder seitliche Kräfte, weil die Rotationssymmetrie am Zylinder gestört ist. Definiert man eine Flächennormale (ein Vektor, der eine Fläche symboli­ siert, senkrecht auf der Fläche steht und seine Länge ein Maß für den Flächeninhalt ist), für diese geschlossene Dichtlinie (alle Punkte dieser Dichtlinie liegen in einer Ebene), so ent­ steht nur dann keine seitliche Kraft, wenn dieser Vektor in der Symmetrieachse des Zylinders liegt. Dieser Vektor beschreibt bei einer Umdrehung der Rotoren und Verwendung einer Manschette einen Kegelmantel, also ist die Flächennormale wie die Kolben­ stangen zur Zylinderachse geneigt und es entstehen grundsätzlich seitliche Kräfte und auch ein Drehmoment. (Ein Ausweg wäre den Zylinderrotor als Leistungsteil zu behandeln.) Dieser Effekt läßt sich unterdrücken, indem die Flächennormale über der Ar­ beitsseite (dann nur einer) durch konstruktive Maßnahmen mehr in die Symmetrieachse der Zylinder gebracht wird, also die Neigung der Manschette beim Arbeitstakt kompensiert wird; oder sogar überkompensiert wird, um ein kleines Drehmoment in die richtige Richtung entstehen zu lassen. Das kann durch etwas in Umfangs­ richtung geneigte Kolbenstangen oder durch konstruktiv geneigte Manschetten geschehen. Das erhöht natürlich auf der gegenüber­ liegenden Seite (bei einer Drehung um 180°) den Neigungswinkel, aber dort muß die Manschette wie besprochen nicht abdichten.

Sphärische Dichtelemente haben den Vorteil, daß die Dichtlinie an ihnen so wandert, daß die Flächennormale a priori immer in der Symmetrieachse der Zylinder bleibt und demzufolge überhaupt keine nicht-rotationssymmetrischen hydraulischen Kräfte am Zy­ linder entstehen.

Vielleicht muß in Anbetracht all der Kompensationen die Frage, wie denn überhaupt eine hydraulische Kraft in ein nützliches Drehmoment umgewandelt wird, beantwortet werden.

Zeichnet man ein Kräfteparallelogramm für den Kolbenrotor, so heben sich alle Axialkräfte (von Kolben und Welle) auf und nur die in tangentialer beziehungsweise Umfangsrichtung liegende Komponente der etwas schräg am Kolbenträger angreifenden Kolben­ kräfte bleibt übrig - das nutzbare Drehmoment. Hierbei sind keine Lager beteiligt, also auch keine Lagerreibung! (Diese Drehmomententstehung ist also völlig anders als bei den bekann­ ten Axialkolben-Bauarten.) Diese Kraftkomponente fürs Drehmoment entsteht bei sphärischen Dichtelementen, indem sich die Flächen­ normale der Dichtlinie ihnen gegenüber neigt. Dadurch neigt sich der Kolbenkraftvektor aus der Symmetrieachse beziehungsweise Längsachse des Kolbens beziehungsweise Kolbenstange, wobei die Komponente in Umfangsrichtung das nützliche Drehmoment erzeugt.

Ja sogar die Kolbenstangen müssen zur Drehmomentübertragung fast keine seitlichen Kräfte auf den Kolbenträger übertragen wenn sie, schon in die Richtung des Kraftvektors weisend, also etwas in Umfangsrichtung geneigt, im Kolbenträger verankert werden, vorausgesetzt, daß sie nur auf Druck oder nur auf Zug belastet werden. Nur ziehende Kolbenstangen, bestehend aus einem Draht­ seil, würden automatisch in die Richtung der resultierenden Kraft zeigen, weil sie keine seitliche Stabilität haben, d. h., sie würden sich so weit in Umfangsrichtung neigen (und beide Rotoren verdrehen sich etwas gegeneinander), bis sie in die Richtung der Kolbenkraft weisen. Die Komponente in Umfangsrich­ tung erzeugt das nützliche Drehmoment. Das ist der eleganteste Weg, eine hydraulische Kraft direkt ohne Lager und Reibung in ein Drehmoment umzuwandeln. Praktisch kann man Kolbenstangen beziehungsweise Schrauben nehmen, die mit einem bestimmten Nei­ gungswinkel in tangentialer beziehungsweise Umfangsrichtung am Kolbenträger eingeschraubt sind. Damit sind auch die Kolbendich­ tungen weitgehendst von seitlichen Kräften befreit. (Geneigte Zylinder im Zylinderrotor würden theoretisch denselben Effekt haben, es entstehen aber unerwünschte Nebeneffekte.)

Diese Methoden können, entsprechend modifiziert, auch für Plun­ gerkolben angewendet werden. Die elastische Kolbendichtung ist dann am Eintritt des Kolbens in den konischen Zylinder ange­ bracht und etwas seitlich beweglich. Diese Dichtungen werden durch die Tauchkolben geführt, könnten also auch lose auf den Zylindern liegen. Die Zylinder sind dann etwas kegelstumpfartig geformt, damit die Plungerkolben bei ihrer Taumelbewegung rela­ tiv zu den Zylindern nicht an den Zylinderwandungen anstoßen. In diesem Fall ist der Zylinderrotor von vornherein drehmomentfrei. Die Plungerkolben können gerade oder schräg, fest oder mit einem seitlichen Spiel am Kolbenträger befestigt sein; und selbst können sie biegsam oder starr sein. Im Falle der nur über der Saugseite "ziehenden Kolben" müssen sie keinerlei Zug- oder Druckkräfte übertragen. Selbst ihre Halterungen werden kräfte­ frei, wenn sie über ihrem gesamten Querschnitt druckdicht am Kolbenträger angebracht sind. Dann haben die hydraulischen Kräfte (Förderdruck im Gehäuse) keinerlei Angriffsfläche. (Die verschwundene Kolbenkraft greift direkt am Kolbenträger an, der Plungerkolben beseitigt nur die Gegenkraft am Kolbenträger, die seinem abgedichteten Querschnitt entspricht.)

Die hier für eine Axialkolbenmaschine beschriebene Methode gilt grundsätzlich für Radialkolbenmaschinen auch.

Ein restliches Drehmoment zwischen beiden Rotoren kann bei Axialkolbenmaschinen durch einen noch zu besprechenden mitrotie­ renden Abstandsstift oder Feder, die sich dann in der Mitte zwi­ schen beiden Rotoren befinden, übertragen werden. Diese Verbin­ dungselemente sind dann drehfest an beiden Rotoren befestigt und in die richtige Umfangsrichtung vorgespannt. Auch könnte ein verstärkter Abstandsstift für eine Führung des Zylinderrotors mitbenutzt werden. Dann wäre der Stift als Verlängerung der Welle des Kolbenrotors mittels eines Schwenklagers mit dem Zy­ linderrotor verbunden. (Das ist aber kein Kraftübertragungsteil des Kolbentriebwerkes, weil es nur zur Führung dient.)

Die Leistungsfähigkeit dieser Maschinen ist nicht eingeschränkt, liegt also gewöhnlich über derjenigen heutiger Maschinen. Ande­ rerseits ist natürlich auch eine billige Konstruktion möglich, bei der z. B. der gesamte Kolbenrotor nur ein einziges Plastik­ teil und der Zylinderrotor nur eine Lochscheibe ist.

Auch kann die Version mit Plungerkolben sehr einfach werden, indem die Kolben nur einfache Stangen an einer Scheibe sind und der Zylinderrotor ein einziges Plastikteil ist.

Balance der Kolbenstangen in Längsrichtung

Sehr großvolumige Maschinen werden nicht durch Vergrößerung des Neigungswinkels oder der Exzentrizität konstruiert, sondern ein­ fach durch eine optische Vergrößerung der Maschine, das heißt, im wesentlichen durch eine Vergrößerung der Zylinder-beziehungs­ weise Kolbendurchmesser. Das kann bei hohen Drücken zu so hohen Zugkräften an den Kolbenstangen führen, so daß sogar Stahlstangen abreißen. Diese Kolbenstangen können von den hohen Zugkräften entlastet werden indem die Kolben nach hinten mit dem größtmög­ lichen Durchmesser verlängert werden. (Wegen der Schrägstellung der Kolben in den Zylindern ist dieser Durchmesser etwas kleiner als der Kolbendurchmesser.) Es kann plastisches oder gummiähnli­ ches Material sein, das aber überall druckdicht verbunden sein muß. Auch können die Halterungen der Kolbenstangen im Kolbenträ­ ger entlastet werden, indem das weiche Material zusätzlich am Kolbenträger druckdicht befestigt wird. (Plungerkolben haben demzufolge überhaupt keine Zugkräfte zu übertragen.) Die Kolben­ kraft greift nun direkt am Kolbenträger an. Das ermöglicht auch bei sehr großen Kolben die Verwendung von relativ schlanken Kol­ benstangen mit einer seitlichen Flexibilität. (Dieser Weg ist möglich, aber nicht notwendig. Es bleiben immer noch die seitli­ che Verschiebbarkeit der Kolbendichtungen und die anderen schon diskutierten Möglichkeiten.)

Balance im drucklosen Zustand

Beim Starten oder Trockenlauf einer Axialkolbenpumpe fehlt der Druck im Gehäuse, der den Zylinderrotor sanft am Steuerspiegel hält. Deshalb ist in der Längsachse des Kolbenrotors ein mitro­ tierender Stift als Abstandshalter angebracht, der sphärisch beziehungsweise schwenkbar im Zylinderrotor, in der Nähe des Schnittpunktes beider Drehachsen, axial gesehen etwa in der Hub­ mitte, lose gelagert ist und so ein Abheben des Zylinderrotors vom Steuerspiegel verhindert. Das restliche Axialspiel wird durch eine Druck-Spiralfeder ausgeglichen, die sich an einem Absatz auf dem Stift befindet und ihn gegen den Zylinderrotor, beziehungsweise den Zylinderrotor gegen den Steuerspiegel mit einer definierten Kraft drückt und sich dabei gegen den Kolben­ rotor abstützt. Die Kolbenreibung wird so gering wie möglich gehalten, damit auch die Federkraft gering gehalten werden kann, denn sie muß die Kolben-Reibungskräfte überwinden, die den Zy­ linderrotor vom Steuerspiegel abheben wollen. (Eine zu hohe Kol­ benreibung würde zum Abheben des Zylinderrotors vom Steuerspie­ gel führen und so zu einer Undichtheit.) Eine Balance mit mög­ lichst geringen Kräften sichert ein gutes Ansaugvermögen verbun­ den mit einer guten Trockenlauffähigkeit dieser Pumpen.

Balance der Wellendichtung

Wegen der hohen Drücke werden hier vorzugsweise druckentlastete Gleitringdichtungen verwendet. Sie benötigen dazu einen Absatz an der Welle, d. h., einen größeren Wellendurchmesser für den mitrotierenden Gleitring. Diesen kann hier die Rückseite des Kolbenträgers liefern, die wie eine Hülse geformt ist und so den Durchmesser der Welle vergrößert. Der Durchmesser dieser Hülse ist zusammen mit der passenden Gleitringdichtung so gewählt, daß sowohl der Kolbenrotor als auch die Gleitringdichtung axial entlastet werden.

Auch ohne eine nach außen gehende Welle für hermetisch dichte Maschinen kann eine derartige "Dichtung" ein Druckpolster schaf­ fen, das den Kolbenrotor axial ausbalanciert; und zwar in jedem Fall, unabhängig ob die Kolben drücken oder ziehen. Wenn die Kolben nur drücken, kann das Gehäuse drucklos sein, aber axial gegenüber den drückenden Kolben kann ein, sogar exzentrisches, Druckpolster aufgebaut werden, das den Kolbenrotor axial ausba­ lanciert.

Balance bei Anwesenheit von Fremdkörpern

Es ist immer von Vorteil, wenn solche Maschinen nicht sofort durch harte Fremdkörper im Fördermedium zerstört werden. Dazu sind bestimmte Maßnahmen nötig und möglich.

Die Axialkolbenvariante erweist sich auch hier wieder überlegen. Kommt ein Fremdkörper zwischen den Zylinderrotor und Steuerspie­ gel sollte der Zylinderrotor abheben können und wieder zurück­ kommen, sobald der Fremdkörper durchgeschleust ist. Das kann die Feder am Abstandsstift übernehmen. Der Distanzstift ist dann selbst so schwach, daß er ab einer bestimmten Axialkraft nach­ gibt und sich verbiegt oder aus zwei mit einer dem entsprechenden Preßpassung ineinandergesteckten Teilen besteht, die dann inein­ andergeschoben werden. Der Abstandsstift kann auch ganz fehlen. Die Zylinderwandungen können gegen Zerkratzen beziehungsweise Zerfurchen dadurch gesichert werden, indem die Kolbendichtungen nur in einer Hubrichtung einen Anschlag haben und von der ande­ ren Richtung her nur durch eine Druckfeder am Anschlag bezie­ hungsweise Schraubenkopf gehalten werden. Das geht am besten, wenn die Kolben nur "ziehen". Wenn jetzt ein Fremdkörper zwi­ schen Kolbendichtung und Zylinderwandung kommt und zu viel Rei­ bung erzeugt, wird die Druckfeder periodisch zusammengedrückt, und die dem entsprechende Kolbendichtung vollführt nicht mehr den vollen Hub; sie kann relativ zum Zylinder sogar stehenbleiben (der Hub erscheint dann zwischen Kolbendichtung und Schrauben­ kopf), bis der Fremdkörper durch die Vibrationen herausgeschüt­ telt wurde. Beide Maßnahmen zusammen machen derartige Maschinen sehr robust gegenüber einzelnen Fremdkörpern.

Diese Maschinen besitzen verglichen mit heutigen Verdrängerma­ schinen einen weit größeren Arbeitsbereich für alle möglichen Parameter, wie Druck, Fördermenge, Drehzahl u. a. und können dabei völlig ölfrei laufen, wie z. B. der Wasserhydraulik-Motor zeigt. Da derartige Maschinen sowohl als Motor als auch als Pumpe oder Kompressor verwendet werden können, ist es möglich beide Maschinen nicht nur in einem Gehäuse unterzubringen, was unter anderem eine nach außen gehende Welle mit Wellendichtung erspart, sondern zwei oder mehr Ringe von Zylindern in einem einzigen Zylinderrotor unterzubringen. (Entsprechend sind dann auch die Kolben in mehreren Ringen angeordnet.) Der innere Hoch­ druckteil kann z. B. als Hydraulikmotor und der äußere Teil als Pumpe oder Kompressor laufen. Viele andere Kombinationen sind möglich. (Tandembauweise, Kolben an beiden axialen Seiten des Kolbenträgers usw.).

Diese Maschinen, insbesondere die Axialkolbenvarianten, haben einen so großen Anwendungsbereich im Gebiet der Kraft- und Ar­ beitsmaschinen, daß er nur mit dem des Transistors in der Elek­ tronik verglichen werden kann. Es ist kaum ein Anwendungsfall vorstellbar, bei dem dieses System nicht angewendet werden kann.

Die Vorteile lassen sich nicht wegleugnen und liegen besonders im Fehlen der Lager und des üblichen Verschleißes, im Fehlen oszillierender Massenkräfte und Ventile usw., und im Erreichen einer optimalen Balance aller bewegten Teile und der daraus fol­ genden Druckfestigkeit, hohen Dichtheit und Leistungsfähigkeit bei absoluter Ölfreiheit mit einem hohen Wirkungsgrad etc. Nicht nur die Leistungsgrenzen derartiger Maschinen sind erweitert, es eröffnen sich auch neue Möglichkeiten wie der Wasserhydraulik oder der Energierückgewinnung bei Druckprozessen, oder eines ölfreien Kompressors mit Wasser als Sperrflüssigkeit, der Ver­ drängerturbine etc. Die Umstellung von Öl auf Wasser ist nicht nur umweltfreundlich und feuersicher, sie eröffnet auch neue Möglichkeiten; so braucht man für einen hydraulischen Wasser-An­ trieb nicht unbedingt eine Rückleitung, sondern verbraucht ein­ fach das Druckwasser, nachdem es den Wasserhydraulik-Motor pas­ siert hat: bei einer fahrbaren Beregnungsanlage, fahrbarem Feu­ erlösch-Roboter, Kanalreinigungsmaschine, hydraulische Greifer am Meeresboden usw.

Besonders bemerkenswert ist die Energierückgewinnung bei allen chemischen oder anderen Prozessen wie der Umkehrosmose, die unter Druck ablaufen, wobei die Energie der Druckflüssigkeit bisher nutzlos verschwendet wird. Der Hauptstrom einer solchen Flüssigkeit kann beim Entspannen Arbeit in einem Flüssigkeitsmo­ tor leisten, was das gleiche Prinzip ist wie die Pumpe, die den Druck erzeugt, nur umgekehrt läuft. Die Energieeinsparungen können enorm sein. Motor und Pumpe können dabei in einem Gehäuse untergebracht sein, was Wellendichtungen erspart, weil keine Antriebswelle nötig ist. Wird dieses System an einen schon vor­ handenen Druckprozeß angeschlossen, erzeugt es eine Druckflüs­ sigkeit ohne Energiekosten!

Wird die Motor-Pumpe-Maschine an eine Antriebsmaschine ange­ schlossen, kann deren Leistung wesentlich geringer sein. (Motor und Pumpe können auch einfach an beiden Wellenenden eines Elek­ tromotors montiert werden.) Zuerst gelangt eine Flüssigkeit durch die Pumpe unter Druck in eine Prozeßkammer, dann treibt sie bei ihrem Austritt den Hydraulikmotor an, der mit der zu­ rückgewonnenen Energie direkt die Pumpe antreibt. Bis auf Rei­ bungs- und eventuell andere Verluste kann praktisch die gesamte Energie, die vorher reingepumpt wurde, wiedergewonnen werden.

Durch das Fehlen des Kompressions- oder Ausstoßtaktes fehlen auch alle diesbezüglichen Nachteile, wie Flüssigkeitsschläge oder Kavitation, insbesondere bei der Förderung eines Flüssig­ keit-Gas-Gemisches. Diese Maschine zeigt einen fließenden Über­ gang zwischen einer Pumpe und einem Verdichter, also braucht man nur die Menge des mitgeführten Wassers gegenüber der Luft so weit zu reduzieren, bis man praktisch einen Verdichter hat.

Eine praktisch ausgeführte, noch bessere Methode ist Druckwasser als Betriebsflüssigkeit zu verwenden. So läßt sich ein sehr lei­ stungsstarker ölfreier Kompressor mit sehr hohem Wirkungsgrad bauen, bei dem sich Druckwasser im Gehäuse befindet, das als System- beziehungsweise Sperrflüssigkeit für eine vollständige Abdichtung der gasförmigen Komponente sorgt, indem es von außen durch alle Spalte in den Arbeitsraum eindringt, den Arbeitsraum also hinsichtlich der Gaskomponente vollständig abdichtet. Das Wasser (mit einer höheren Wärmekapazität als Öl) kühlt das Gas schon direkt beim Verdichtungsvorgang; dadurch wird eine fast isotherme Verdichtung, also der bestmögliche Wirkungsgrad er­ reicht. Leckverluste für das zu verdichtende Gas gibt es prak­ tisch nicht. Das Druckwasser verhindert auch ein Zurückströmen des verdichteten Gases in den Einlaß, indem kurz vor dem Ansaug­ takt das restliche tote Volumen vollständig mit Wasser ausge­ füllt wird. Die Praxis zeigt außerdem, daß diese Kompressoren extrem leise sind, weil das Wasser schon innerhalb der Maschine schalldämpfend wirkt. Die Vorteile gegenüber heutigen Kolben- und Schraubenverdichtern sind deutlich; das erreichbare einstu­ fige Verdichtungsverhältnis im ölfreien Betrieb ist wesentlich höher als beim besten ölgeschmierten Hubkolbenverdichter.

Die Maschine besitzt keinerlei oszillierende Massen, ist also eine reine Drehkolbenmaschine, die praktisch bei jeder gewünsch­ ten Drehzahl laufen kann. Die Herstellung derartiger Maschinen ist wesentlich vereinfacht, die Lebensdauer erhöht. (Die Rotoren müssen nicht so präzise geführt werden wie beim Schraubenver­ dichter; sie können nirgends anstoßen.)

Wie besprochen haben alle Maschinen nur kleine Hübe beziehungs­ weise Schrägwinkel, ansonsten würden die seitlichen Verschiebun­ gen zu groß werden. Es gibt eine Ausnahme zu dieser Regel, wenn bei einer Axialkolbenmaschine nur zwei um 180° versetzte, gegen­ überliegende torusförmige Zylinder verwendet werden. Zwei ent­ sprechende kugelförmige starre Kolben sind dann starr am Kolben­ träger befestigt. Im Schnittpunkt beider Drehachsen (der axial gesehen wieder in einer Ebene liegt, die durch die Mitte aller Hübe geht) liegt der Mittelpunkt einer gedachten Kugel. Jetzt werden die Symmetrieachsen der beiden Zylinder so kreisbogenar­ tig nach innen gebogen, daß sie in einem Großkreis der gedachten Kugel zum Liegen kommen. Auch bei größeren Schrägwinkeln bezie­ hungsweise Hüben entstehen nun überhaupt keine Verschiebungen zwischen Kolben und Zylindern. (Der mathematische beziehungswei­ se geometrische Hintergrund ist der, daß eine schräge Projektion jeden Winkel ändert, ausgenommen den Winkel 0° beziehungsweise 180°, weil das praktisch eine Gerade ist.) So entstehen keiner­ lei seitliche Verschiebungen, nur muß man gekrümmte Zylinder (Teil eines Torus) herstellen. Diese Konstruktion ist für einige Anwendungen geeignet, z. B. für einen, auch trocken laufenden Verdichter, wobei dann die Steuerkanäle möglichst weit innen liegen, um möglichst geringe Gleitgeschwindigkeiten zu haben.

Der Zylinderrotor kann hier auch durch eine Welle geführt werden und die Zylinderböden können ganz geschlossen werden, wobei kon­ ventionelle Ventile die Steuerung übernehmen können. Diese Vari­ ante kann auch als Verbrennungsmotor verwendet werden (grund­ sätzlich alle Verdichtervarianten). Da jegliche Unwucht fehlt, sind sehr hohe Drehzahlen möglich.

Es eröffnen sich aber auch ganz neue Möglichkeiten. Eine Einheit läuft als Verdichter zur Füllung einer Brennkammer und eine zweite Einheit läuft als Heißgasmotor. Das ist eine Turbine für kleine Leistungen wie sie für Kraftfahrzeuge gesucht wird und als "Verdrängerturbine" bezeichnet werden kann.

Auch eine Pumpe mit der Fördermenge Null besitzt eine technische Anwendung als hydrostatische Kupplung. Verwendet man einen Öl­ kreislauf so kann man durch Schließen des Auslaßkanals Drehmo­ ment von einem Rotor zum dann drehbar gelagerten Steuerspiegel mittels eines Druckpolsters übertragen. (Außerdem kann man hier den Druck im Gehäuse zum Anpressen des Zylinderrotors an den Steuerspiegel mitverwenden, was wie eine Reibungskupplung wirkt.)

Umgekehrt ließe sich diese Konstruktion als Retarder zum Bremsen verwenden.

Die beiden Rotoren könnten natürlich auch Drehmoment übertragen, um zwei nicht fluchtende Wellen zu verbinden. Die zwei Kugeln in zwei torusförmig gekrümmten Zylindern können z. B. für einen Vor­ derradantrieb für Kraftfahrzeuge verwendet werden, wobei das Gehäuse dann ein Gummibalg ist. Geschwenkt wird dabei um den Mittelpunkt der besagten gedachten Kugel.

Es soll nicht unerwähnt bleiben, daß mehrere Kugeln, besonders mit einem ringförmigen Gleitschuh, die an mehr oder weniger biegsamen Kolbenstangen beziehungsweise Schrauben befestigt sind, auch zwischen beiden Rotoren ein Drehmoment übertragen können, die dann beide auf zwei zu verbindenden Wellen sitzen. Das wäre besonders dann sinnvoll, wenn man nicht nur zwei Wellen miteinander verbinden, sondern auch Drehschwingungen dämpfen will. Das Verbiegen der Kolbenstangen dämpft dabei Drehschwin­ gungen, außerdem werden die seitlichen Belastungen gleichmäßig auf alle Kolben beziehungsweise Kugeln verteilt.

Die kinematischen Umkehrungen dieser Maschinen sind ebenfalls alle möglich.

Ein sich drehendes Gehäuse anstatt zweier sich drehender Rotoren ist eine einfache kinematische Umkehrung und immer möglich. Eine schrägachsige Drehbewegung wird dann durch eine Taumelbewegung ersetzt; der Zylinderrotor vollführt dann diese Taumelbewegung. Die Natur bietet noch eine andere kinematische Umkehrung. Der Zylinderrotor kann zusammen mit dem Steuerspiegel ruhen und der Kolbenrotor vollführt dann eine Taumelbewegung.

Nachstehend wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbei­ spiele näher erläutert; es zeigen

Fig. 1 eine 6-Zylinder-Axial-Drehkolbenmaschine in einem Längs­ schnitt,

Fig. 1a eine Draufsicht auf den halben Zylinderrotor am Steuer­ spiegel der Drehkolbenmaschine von Fig. 1,

Fig. 2 dasselbe von Fig. 1a, nur in einer anderen Version,

Fig. 3 den Längsschnitt eines Kolbens im Zylinder,

Fig. 4 den Längsschnitt eines anderen Kolbens im Zylinder,

Fig. 5 den Längsschnitt eines weiteren Kolbens im Zylinder,

Fig. 6 den Längsschnitt eines Plungerkolbens im Zylinder,

Fig. 7 einen Längsschnitt der gleichen Drehkolbenmaschine von Fig. 1, nur hier mit Plungerkolben,

Fig. 8 den Längsschnitt eines anderen Plungerkolbens im Zylin­ der,

Fig. 9 den Längsschnitt eines Kolbenrotors mit Zylinderrotor,

Fig. 9a den vergrößerten Kolben von Fig. 9,

Fig. 10 einen Kolben mit seiner Halterung im Kolbenträger,

Fig. 11 einen anderen Kolben am Kolbenträger,

Fig. 12 den Längsschnitt eines weiteren Kolbens,

Fig. 13 den Längsschnitt eines einzelnen Zylinders am Zylinder­ rotor,

Fig. 14 den Längsschnitt einer weiteren Drehkolbenmaschine,

Fig. 15 den Querschnitt einer Radial-Drehkolbenmaschine.

Fig. 1 zeigt den Querschnitt einer ölfreien Hochdruck-Wasser­ pumpe, die umgekehrt mit Druckwasser auch als Wasserhydraulik- Motor laufen kann. Das Gehäuse besteht aus einem mittleren zy­ lindrischen Teil 8, das an den Enden durch den Deckel 7 und durch den Flansch 6 geschlossen ist. Der Einlaß 12 befindet sich im Deckel 7 und der druckseitige Auslaß 13 im Gehäuseteil 8. Die bewegten Teile sind der Zylinderrotor 2 und der Kolbenrotor 4. Sie drehen sich nur um ihre eigenen Symmetrieachsen und sind beide total auswuchtbar; es entstehen also keinerlei oszillie­ rende Massenkräfte. Beide Drehachsen liegen räumlich dicht bei­ einander, d. h., sie sind mit etwa 5° gegeneinander geneigt und haben ihren Schnittpunkt, in axialer Richtung gesehen, etwa in Hubmitte, in der Bohrung 23. Beide Rotoren sind durch die Kolben 1 in den Zylindern 2 drehfest miteinander verbunden, sie laufen also mit der gleichen Drehzahl. Der Zylinderrotor 5 besitzt keine eigenen Führungselemente. Der Scheibenförmige, kompakte, starre und einstückige Zylinderrotor 5 besitzt 6 axial einge­ brachte Zylinder 2, die mit ihrem verkleinerten Ende beziehungs­ weise Steuerkanal 18 in einer kreisrunden Deckfläche des Zylin­ derrotors enden - der Steuerfläche des Zylinderrotors; und diese Steuerseite gleitet dichtend an einer ruhenden ebenen Steuerflä­ che 10 des Steuerspiegels 9. Dieser ist um etwa 5° geneigt am Gehäusedeckel 7 fest angebracht. Der Steuerspiegel enthält ein­ laßseitig einen üblichen nierenförmigen Kanal 24, der mit dem Einlaß 12 im Gehäusedeckel 7 verbunden ist, und hochdruckseitig eine Verbindung zum Gehäuse mittels einer Steuernut 25. Der Auslaß 13 ist im Gehäuseteil 8.

Der ebenfalls einstückige Kolbenrotor ist hier das Leistungsteil und fest an der Welle 3 angeschraubt, die hier schon die Welle eines nicht gezeigten genormten Elektromotors ist; die Hoch­ druckpumpe selbst besitzt also überhaupt keine eigenen Lager.

Der Kolbenrotor besteht aus dem Kolbenträger 11, den Kolbenstan­ gen beziehungsweise Schrauben 15 und den sechs Kolben 1. Die Schrauben 15 sind im Kolbenträger axial gerichtet, aber etwas in Umfangsrichtung geneigt, eingeschraubt.

Die Schraubenköpfe bilden zusammen mit den Kolbendichtungen 28 die Kolben 1. Die Schraubenköpfe sind im Durchmesser gerade so viel kleiner als die Zylinder, daß sie die Zylinderwandungen nie berühren. Die Kolbendichtungen 28 sind kegelförmig geformte Pla­ stik-Manschetten mit einem relativ stabilen Körper, aber einer flexiblen Dichtlippe. Diese Dichtungen 28 können und müssen nur in einer Richtung abdichten, nämlich nur über der Saugseite 12. Nur dort verrichten die Kolben 1 Arbeit; die in die Kraftrich­ tung geneigten Schrauben 15 ziehen dort die Kolben 1 gegen den Förderdruck im Gehäuse von den Zylinderböden weg und geben somit Volumen für das einströmende Fördermedium frei. Nach dem Ansaug­ takt kommt der Ausstoßtakt, welcher aber nur ein quasi Gleich­ druckprozeß ist, weil druckseitig die Zylinder durch eine Nut im Steuerspiegel 9 mit dem Gehäuse verbunden sind, also vor und hinter den Kolben der gleiche Druck herrscht, nämlich der För­ derdruck. Der übliche Ausstoßtakt fehlt hier und demzufolge auch alle mit ihm verbundenen Probleme.

Beim drucklosen Trockenlauf dieser Pumpe wird der Zylinderrotor durch den Abstandsstift 14 gegen ein Abheben vom Steuerspiegel 9 gesichert. Ein etwaiger Spalt wird durch die Druckfeder 32 be­ seitigt, wodurch ein gutes Ansaugvermögen der Pumpe gesichert ist. Die Federstärke bestimmt die Auflagekraft des Zylinderro­ tors 5 am Steuerspiegel 9 beim Trockenlauf und ist so einstell­ bar, daß ein ständiger Trockenlauf möglich ist. Der Abstands­ stift 14 liegt in der Achse der Welle 3 und ist in der Mitte beider Rotoren lose gelagert. Im Zylinderrotor 5 ist sein balli­ ges Ende schwenkbar gelagert, wobei sein Schwenkpunkt mit dem Schwenkpunkt des Zylinderrotors (im mitrotierenden System) zu­ sammenfällt.

Der Kolbenträger 11 ist an seiner Rückseite in einer Hülse 16 auslaufend gestaltet. Diese Hülse 16 liefert den für eine Druckentlastung der Gleitringdichtung 17 notwendig größeren Wellen­ durchmesser beziehungsweise Wellenabsatz; gleichzeitig treibt der Kolbenrotor über zwei Mitnehmer beziehungsweise Klauen am Ende der Hülse 16 den rotierenden Teil der Gleitringdichtung an. Die axialen hydraulischen Kräfte am Kolbenrotor 4 heben sich alle auf. Über der Saugseite ziehen jeweils drei Kolbenstangen in eine Richtung und die Welle 3 zieht in die andere Richtung, oder anders gesagt, der Druck im Gehäuse drückt drei Kolben in die eine und die abgedichtete Welle in die entgegengesetzte Richtung. Die Flächen dreier Kolben entsprechen hinsichtlich des Flächeninhaltes etwa dem abgedichteten Wellenquerschnitt, was hier die Hülse 16 ist. Der Druck für alle druckbeaufschlagten Flächen ist gleich, nämlich der Förderdruck im Gehäuse. So ist die Summe aller Axialkräfte gleich Null. Nur die Komponente der Kolbenkräfte in Umfangsrichtung bleibt übrig - das nutzbare Drehmoment.

Da zwischen den Kolben 1 und der Welle 3, also zwischen den ent­ gegengesetzten Kräften keine Lager sind, erfolgt die Umwandlung der hydraulischen Kolbenkräfte in ein Drehmoment am Kolbenrotor 4 reibungsfrei.

Die Druckentlastung des Zylinderrotors 5 erfolgt im Prinzip genauso. Drei Kolben 1 über der Saugseite halten den Hochdruck vom Zylinderrotor 5 fern, d. h., nur eine Fläche mit dem Flächen­ inhalt von drei Kolben darf zwischen dem Steuerspiegel 9 und dem Zylinderrotor 5 gegen den Hochdruck abgedichtet werden, damit er gerade im Gleichgewicht ist. (Praktisch ist diese abgedichtete Fläche etwas größer.) Es ist eine etwa nierenförmige Fläche um den nierenförmigen Einlaß-Steuerkanal 24 im Steuerspiegel 9 herum. Da sie für eine Balance radial gesehen schmaler als die Durchmesser der Zylinder gemacht werden muß, sind die axialen Zylinderenden radial außen etwa zur Hälfte geschlossen, übrig bleibt nur der Kanal 18, der über dem Steuerkanal 24 beziehungs­ weise über der Steuernut 25 läuft.

Fig. 1a zeigt dazu eine Draufsicht auf den Steuerspiegel 9, wobei die halbe Gleitfläche 10 durch einen halben Zylinderrotor 2 verdeckt ist. Im Steuerspiegel 9 liegen der Einlaß-Steuerkanal 24 und die druckseitige Steuernut 25. Im Zylinderrotor 5 sind die Zylinder 2 zu sehen mit den Kanälen 18 in den halb geschlos­ senen Zylinderböden. Die abgedichtete ringförmige Steuerzone befindet sich zwischen den beiden kreisförmigen Dichtlinien 19 und 20, die über dem Einlaßkanal 24 die besagte nierenförmige Dichtfläche (radial gesehen) einschließen, mit einem Flächenin­ halt dreier Zylinderquerschnitte. Anders beschrieben heißt das, daß im Zylinderboden die Fläche des geschlossenen Teiles 22 etwa der Fläche 21 entspricht, die innerhalb der Dichtzone zwischen zwei benachbarten Zylindern gebildet wird. Praktisch muß eine scharfe Dichtlinie nicht zu erkennen sein, da sie in Wahrheit immer eine Dichtfläche ist, in der eine ganz bestimmte Funktion für den Druckgradienten herrscht, die stark von der Güte der Dichtflächen abhängt. Um einen verwickelten Sachverhalt darzu­ stellen, sind aber bestimmte Vereinfachungen unumgänglich.

Die hier beschriebene Pumpe hat eine Fördermenge von etwa 10 l/min bei einem Wasserdruck von etwa 100 bar wenn sie durch einen genormten Elektromotor mit einer Drehzahl von etwa 3000 U/min angetrieben wird. Sie kann schneller laufen mit einer entsprechend höheren Fördermenge.

Am anderen Ende des Elektromotors kann sich die gleiche Kon­ struktion von Fig. 1 befinden, die dann als Hydraulikmotor läuft. Eine chemische Flüssigkeit oder Salzwasser bei der Um­ kehrosmose kann nach einem Druckprozeß bei z. B. 70 bar z. B. 65% der Energie zurückführen, indem die Druckflüssigkeit den Hydrau­ likmotor, und dieser die Pumpe antreibt. Der Elektromotor in der Mitte kann auch weggelassen werden, und damit auch zwei Wellen­ dichtungen, denn das Gehäuse dieses Motor-Pumpe-System hat dann keine nach außen gehende Welle mehr. Bei der Umkehrosmose ist es nötig, den gleichen Druck wieder zu erzeugen. Ein Druckverlust im System wird ausgeglichen, indem die Fördermenge pro Umdrehung des Motors etwas größer als die Fördermenge der auf der gleichen Welle sitzenden Pumpe ist. Dazu wird der Schrägwinkel des Steu­ erspiegels 9 entsprechend eingestellt. Die Kolbendurchmesser sind bei der Pumpe und beim Motor identisch, also auch die Axialkräfte, die sich hier a priori aufheben; der Kolbenrotor mit zwei an seinen axialen Enden befindlichen Kolbenträgern 11 läuft also quasi kräftefrei. (In Pumpe und Motor ist der gleiche Druck). Auch die axialen Schwingungen können unterdrückt werden, wenn man identische Steuerflächen 10 verwendet und beide Rotoren so miteinander verbindet, daß alle arbeitenden (ziehend oder drückend) Kolben 1 sich genau längs der Längsachse des Kolbenro­ tors gegenüberstehen. (Eine kurze innere Welle, die dann nur die Funktion einer Zentrierung hat, oder auch eine nach außen gehen­ de Welle könnte mit verwendet werden.) Die Änderung des Schräg­ winkels des Steuerspiegels 9 kann durch verschiedene Vorrichtun­ gen geschehen; z. B. durch einen etwa um 2° schräg abgedrehten (flacher Zylinderhuf) Stellring zwischen dem mittleren zylindri­ schen Gehäuseteil 8 und der Endplatte 7. Der Stellring wird dann gegen den Zylinderhuf des Steuerspiegels verdreht, so daß sich die Winkel beider Zylinderhufe entweder teilweise addieren oder subtrahieren, bis die Hublänge mit der gewünschten Fördermenge erreicht ist. Das zylindrische Gehäuseteil kann auch selbst etwas schräg abgeschnitten sein und durch Verdrehen als Stell­ ring zur Hubverstellung fungieren.

Fig. 2 zeigt die Verhältnisse von Fig. 1a, nur für vier größe­ re Kolben und ziehende und drückende Kolbenstangen. Die Kolben arbeiten hier an beiden Seiten, über der Saugseite mit dem Ein­ laßkanal 24a und über der Druckseite mit dem Auslaßkanal 25a. In den vier Zylinderböden befinden sich die Kanäle 18a radial innen. Die kreisrunde Steuerfläche des Zylinderrotors 2a ist über der gesamten Fläche eben; dafür ist die Gleitfläche 10a des Steuerspiegels 9a profiliert, wobei die Fläche 26 tiefer liegt. Beide Seiten sind für den Zylinderrotor 2a getrennt hydrosta­ tisch druckentlastet. Für die (hier rechte) Niederdruckseite gilt das gleiche wie bei Fig. 1a. An der Hochdruckseite exi­ stiert hier ein Ausstoßtakt und der Druck im Zylinder ist dabei höher als im Gehäuse. Der Andruck am Steuerspiegel würde hier zu groß werden, wenn der halbe Kolbenboden von innen her belastet würde; deshalb ist der Auslaß so weit nach außen vergrößert, bis nur noch eine kleine Fläche 27 abgedichtet und durch den Druck im Zylinder druckbelastet ist, um den nötigen Andruck für eine Dichtwirkung zu bewahren. (Die Fläche entspricht einem inneren Dichtrand bei einzelnen losen Zylindern.) Dieses Beispiel sollte zeigen, daß mit der besprochenen Balance-Methode in jedem Fall ein axiales hydrostatisches Kräftegleichgewicht am Zylinderrotor für beide Seiten, der Nieder- und der Hochdruckseite, erreichbar ist.

Fig. 3 zeigt einen Kolben 1a beziehungsweise einen Schrauben­ kopf mit einer nicht-rotationssymmetrischen Manschette 28a im Zylinder 2, der hier nur angedeutet ist. Man erkennt, daß die Dichtlinie an der Dichtlippe im Zylinder, trotz schräger Kolben­ stange 15a begradigt ist, um beim Arbeitstakt keine zu großen seitlichen hydrostatischen Kräfte an der Kolbendichtung entste­ hen zu lassen.

Fig. 4 zeigt eine andere Version eines Kolbens. Die Schraube 15b mit dem Schraubenkopf 1b hat sich nicht geändert. Die Kol­ bendichtung 28b hat hier Ähnlichkeit mit einem klassischen Kol­ benring. Sie wird durch den Zylinder 2 geführt, hat ein bestimm­ tes radiales Spiel relativ zum Kolben, wodurch der Kolben bezie­ hungsweise der Schraubenkopf 1b nicht genau in der Mitte des Zylinders 2 sein muß. In axialer Richtung ist er wie ein klassi­ scher Kolbenring gehalten, so daß diese Dichtung in beiden Rich­ tungen druckdicht ist. Der Druck gelangt wie beim klassischen Kolbenring radial hinter ihn um das bekannte rotationssymmetri­ sche Kräftegleichgewicht am Zylinder zu erlangen; außerdem ist diese Dichtung (meist Plastikmaterial) wie in der Hydraulik üblich durch eine Ringfeder 30 radial vorgespannt. Die Dichtli­ nie bleibt gerade beziehungsweise der dazugehörige Flächennor­ malvektor bleibt immer in der Zylinder-Symmetrieachse. Diese Konstruktion erzeugt selbst keine seitlich einseitigen (nicht- rotationssymmetrischen) hydrostatischen Kräfte an der Zylinder­ wandung. Dies ist die Standardkonstruktion für alle Anwendungen mit in beiden Richtungen wirkenden Kolben.

Fig. 5 zeigt eine andere Kolbenkonstruktion, die größere seit­ liche Kräfte aufnehmen kann. Der Kolben 1c ist hier kugelförmig, wobei der Durchmesser nur wenig kleiner als der Durchmesser des Zylinders 2 ist. Diese Version erzeugt also wie die vorhergehen­ de selbst keine seitlichen hydraulischen Kräfte am Zylinder 2. Die Kolbendichtung 28c ist hier wie eine dünne Hülse langge­ streckt und in einem mittleren Bereich sphärisch ausgedreht, um den kugelförmigen Kolben 1c aufzunehmen. (Diese Konstruktion erlaubt kein größeres seitliches Spiel der Kolbendichtung. Dafür können wie besprochen die anderen Konstruktionselemente wie die Kolbenstange 15c seitlich beweglich sein). In diesem Bereich wirkt die Dichtung 28c wie ein Führungsring beziehungsweise Gleitschuh; seitliche Kräfte werden besonders an der dünnsten Stelle der plastischen Dichtung 28c übertragen. Das obere Ende ist als Dichtlippe 29 ausgebildet und wieder durch eine Ringfe­ der 31 radial vorgespannt. (Grundsätzlich können beide Enden so ausgebildet sein.) Grundsätzlich kann auch nur (axial gesehen) die halbe Dichtung beziehungsweise eine Halbkugel oder Teil einer Kugel (Kugelkappe) als Kolben verwendet werden, wenn er nur in eine Richtung abdichten muß.

Bei großen Kolben kann das Teil 28c auch aus starrem Material bestehen, das wiederum klassische Kolbenringe und Ölabstreifrin­ ge enthalten kann, wie sie für einen klassischen Verbrennungsmo­ tor benutzt werden. Der innere sphärische Teil dichtet automa­ tisch ab, weil der Querschnitt des Dichtteiles druckbelastet ist und der Druck das Teil axial an die Kugel dichtend andrückt.

Fig. 6 zeigt die Version eines Plungerkolbens 1d in einem dann konischen Zylinder 2d. Die Kolbendichtung 28d wirkt hier als Abstreifer für den zylindrischen Kolben 1d; sie ist flexible und um kleine Beträge seitlich verschiebbar am schmaleren Ende des Zylinders 2a angebracht.

Für eine billige Pumpe kann auch der gesamte Zylinderrotor aus flexiblem Material gemacht werden, wobei dann einfach das schma­ le Ende eines jeden Zylinders die Dichtfunktion übernimmt.

Fig. 7 zeigt die Maschine von Fig. 1 mit Plungerkolben 1e (die Kolbenstange 15i kann hier mit zum Kolben 1e dazugehörig be­ trachtet werden), die am Kolbenträger 11a angeschraubt sind und den Kolbenrotor 4a bilden. An der oberen engsten Stelle der konischen Zylinder 2b befindet sich jeweils die Kolbendichtung 28e ähnlich derjenigen von Fig. 6. Die Funktion der Pumpe ist die gleiche geblieben und es gilt das zu Fig. 1 gesagte.

Einen unabhängigen Unterschied zeigt der hier verstärkte Di­ stanzstift beziehungsweise Abstandshalter 14a. Er hat eine ge­ wisse Führungsfunktion für den Zylinderrotor 5b. Außerdem ist eine stärkere Spiralfeder 32a um den Distanzstift gewickelt, an beiden Rotoren drehfest verankert und in Umfangsrichtung vorge­ spannt, um die Kolbendichtungen 28e seitlich zu entlasten bezie­ hungsweise drehmomentfrei zu machen (Reibung des Zylinderro­ tors.

Die einzelnen Ausführungsbeispiele dienen nur dazu, die hohe Variationsfähigkeit dieses Prinzips zu zeigen.

So ist in Fig. 8 ein anderer Plungerkolben 1f im Zylinder 2c gezeigt. Im Gegensatz zu Fig. 6 besteht hier der Plungerkolben 1f aus plastischem Material, das axial durch die Kolbenstange 15d zusammengehalten wird. Dafür ist hier der Zylinderrotor aus starrem Material gefertigt.

Fig. 9 zeigt die Rotoren von Fig. 1, den Kolbenrotor 4e und den Zylinderrotor 5e mit einigen geänderten Details. Die Kolben­ stangen beziehungsweise Schrauben 15e sind mittels eines länge­ ren Gewindes mit dem Kolbenträger 11e verbunden. (Hier sind nur zwei der sechs Kolben gezeichnet). In einer hinteren gemeinsamen Ausdrehung 44, die etwa die Hälfte der Schraubenenden wegschnei­ det, liegt die Druckfeder 33 der Gleitringdichtung 17e und si­ chert so ein Herausdrehen der lose eingeschraubten Schrauben 15e. Ein zusätzlicher nicht gezeigter Ring kann unter der Feder liegen. (Eine andere Lösung wäre ein Plastikring mit einer axia­ len Nut, in die die dann abgeflachten Schraubenenden eingreifen, so daß sie sich nicht mehr verdrehen können.) Die hier sphäri­ schen Kolbendichtungen 28k werden durch eine Feder 34 an ihrem Anschlag, dem Schraubenkopf 1k gehalten und wirken nur in eine Richtung. Die Feder verhindert wie besprochen Beschädigungen durch Fremdkörper, indem sie bei zu großer Reibung zwischen der Dichtung 28k und dem Zylinder 2e periodisch zusammengedrückt wird, die Dichtung sich also dann an der Schraube 15e hin und her bewegt, anstatt im Zylinder.

Am Zylinderrotor 5e ist nichts weiter geändert, nur daß er an seiner (hier unteren) Steuerseite völlig glatt und geläppt ist.

Das hat den Vorteil, daß er am Steuerspiegel keine Rillen bilden und nicht einlaufen kann; das gleiche gilt, wenn er den Steuer­ spiegel völlig überdeckt.

Fig. 9a zeigt den vergrößert gezeichneten Kolben von Fig. 9. Hier ist das Radialspiel der Kolbendichtung 28 k gegenüber dem Kolben beziehungsweise der Schraube 15e mit dem Schraubenkopf 1k besser erkennbar, auch daß der Schraubenkopf 1k im Durchmesser etwas kleiner als die Dichtung 28k beziehungsweise kleiner als der Zylinder ist und den Zylinder 2e nie berühren kann, obwohl er nicht in der Mitte ist. Praktisch liegt zwischen der Feder 34 und dem weichen Dichtelement 28k noch eine nicht gezeichnete Scheibe oder Hülse, um ein Einarbeiten der Feder ins weiche Material zu verhindern. Die Feder 34 kann auch gleichzeitig eine gewisse radiale Vorspannung für das Dichtelement 28k liefern. Die Version von Fig. 9 beziehungsweise 9a läuft bereits als Wasser-Hochdruckpumpe und als Wasserhydraulik-Motor.

Fig. 10 zeigt eine andere Kolbenaufhängung mit der Kolbenstange 15f und einer kugelförmigen Halterung 35 in einer entsprechenden sphärischen Ausdrehung 37 im Kolbenträger 11f. Daneben ist eine Teildraufsicht auf den Kolbenträger 11f mit einem radialen Schlitz 36 zum Einfädeln der Kolbenhalterung gezeigt. Diese Hal­ terung ist nur minimal seitlich schwenkbar; die Kolbenstange 15f hat einen Anschlag im Kolbenträger 11f.

Der Kolben 1f mit der Kolbendichtung 28f ist praktisch nicht geändert. Die Feder 34a hat mehrere Aufgaben; sie hält beim nor­ malen Betrieb die Kolbendichtung 28f am Anschlag, verhindert Beschädigungen durch Fremdkörper, liefert die radiale Vorspan­ nung für die Kolbendichtung 28f, drückt die ganze Konstruktion in eine zum Kolbenträger senkrechte Position, und sie kann be­ dingt (durch Aufbau eines Gegendruckes in den Zylindern) beim dann nicht mehr quasi isobaren Ausstoßtakt, den Hub verkürzen, und so die Fördermenge regeln.

Fig. 11 zeigt wie eine relativ dünne Kolbenstange 15g von Zug­ kräften fast vollständig entlastet werden kann. Ein Gummimantel 38 ist mit einem etwas kleineren Durchmesser als der Kolben 1g zwischen dem Kolben und dem Kolbenträger 11g druckdicht ange­ bracht. Der im Gehäuse befindliche Flüssigkeitsdruck liegt jetzt über dem Kolbenträger 11g anstatt über dem Kolben 1g.

Fig. 12 zeigt einen nur drückenden Kolben 1h. Die Kolbendich­ tung 28h dichtet in die andere Richtung ab und ist auf der End­ fläche der Kolbenstange 15h seitlich beweglich angebracht und durch eine Schraube o. ä. gegen Herausfallen gesichert. Das Ge­ häuse kann hier drucklos sein, wenn die drückenden Kolben keine zu hohen Axialkräfte erzeugen.

Fig. 13 zeigt die besprochene Möglichkeit, auch in den Zylin­ derrotor ein wenig seitlich verschiebbare Teile einzubauen. Ein Zylinder 2i steht lose auf dem scheibenförmigen restlichen Teil des Zylinderrotors 5i über dem Durchbruch beziehungsweise Steu­ erkanal 18i im Zylinderrotor. Auf dem scheibenförmigen Teil des Zylinderrotors ist eine zweite Scheibe 39 mit den entsprechenden Ausnehmungen für die Zylinder und den O-Ring 40 befestigt, wobei die Ausnehmungen etwas größer als der Außendurchmesser der Zy­ linder sind, wodurch die Zylinder seitlich um gewisse Beträge verschiebbar werden. Die quasi statische Abdichtung zwischen den einzelnen Zylindern und dem scheibenförmigen Teil des Zylinder­ rotors übernimmt der O-Ring 40.

Für geringe Drücke könnte man als Zylinder auch einfach etwas flexibles Material verwenden (Schlauch aus Gewebegummi o. ä.); die Kolben wären dann einfache Kugeln an einer Stange.

Fig. 14 zeigt eine 6-Zylinder-Axial-Drehkolbenmaschine, die hier als ölfreier Verdichter gezeichnet ist. Die Drücke sind bei einem Verdichter nicht zu hoch, so daß die Axialkräfte leicht durch gebräuchliche Lager aufgenommen werden können. Die Kon­ struktion ist so ausgelegt, daß die Kolben 1j beziehungsweise die hier völlig steifen Kolbenstangen 15j am Kolbenträger 11j drücken, ziehen oder beides können. Eine teilweise Druckentlas­ tung ist hier auch möglich, wenn man das Gehäuse mit einem ge­ eigneten Druck beaufschlagt. Hinsichtlich der Vorgehensweise gilt das Vorhergesagte.

Der Zylinderrotor 5j besitzt hier eine eigene Welle 3b, die in der Gehäuse-Endplatte 7j gelagert ist. Der hier steif kon­ struierte Kolbenrotor 4j ist in der Endplatte 6j durch die Welle 3a gelagert. Beide Endplatten sind wieder durch ein mittleres Gehäuseteil 8j miteinander verbunden, das mit dem gewünschten Schrägwinkel schräg abgeschnitten wurde. Dadurch sind alle ande­ ren Teile rotationssymmetrisch. Die Verschiebungen werden wieder wie besprochen durch das seitliche Spiel 43 der Kolbendichtungen 28j ausgeglichen. Die Zylinder 2j befinden sich in einem starren Zylinderrotor 5j mit Kühlrippen an seinem Umfang. Die Böden der Zylinder 2j sind entsprechend den sphärischen Kolben 1j eben­ falls sphärisch geformt, um ein totes Volumen zu vermeiden.

Jeder Zylinder besitzt einen innen liegenden Steuerkanal 18j, der wieder gleitend dichtend mit einem Steuerspiegel 9j verbun­ den ist, wobei die Gleitfläche 10j hier kegelförmig geformt ist. Der Steuerspiegel 9j ist mit der Endplatte 7j elastisch aber druckdicht verbunden. Einlaßseitig sind die Zylinder über den wieder nierenförmigen Steuerkanal 24j im Steuerspiegel 9j mit dem Einlaß 12j verbunden; auslaßseitig mit einem entsprechend der gewünschten inneren Verdichtung in Umfangsrichtung verkürz­ ten Steuerkanal beziehungsweise Auslaß 13j.

Beide zueinander geneigten Drehachsen schneiden sich im Schnitt­ punkt 41 der gleichzeitig in der Mittelebene aller Hübe (relativ zum Zylinderrotor gesehen) beziehungsweise in der gemeinsamen Äquatorebene 42 aller kugelförmigen Kolben 1j liegt. Dann haben die seitlichen Verschiebungen ein Minimum und speziell für nur zwei gegenüberliegende Zylinder werden sie sogar exakt Null wenn diese beiden Zylinder nach innen torusförmig beziehungsweise kreisbogenförmig um den Mittelpunkt 41 gebogen werden. Das heißt, bei dieser Maschine mit nur zwei Zylindern und torusför­ mig geformten Zylindern entstehen keinerlei Verschiebungen und alle Teile können völlig starr ausgeführt werden.

Diese Maschine kann als ölfreier Kompressor oder als Druckluft­ motor laufen, wenn gewünscht auch mit sehr hohen Drehzahlen. (Es wäre auch die ideale Dampfmaschine.) Dann ist diese Maschine auch als Lader für eine Brennkammer mit kontinuierlicher Ver­ brennung geeignet. Eine zweite Maschine auf der gleichen Welle kann als Heißgasmotor laufen, was zusammen die besagte Verdrän­ gerturbine bildet.

Fig. 15 zeigt eine 4-Zylinder-Radialkolbenmaschine gemäß An­ spruch 1. Die Kolben 1k und Zylinder 2k sind hier radial gerich­ tet. Die Kolben 1k sind wieder via steifer Kolbenstangen 15k mit dem hier praktisch zu einer Welle verkümmerten Kolbenträger ver­ bunden und bilden zusammen den Kolbenrotor 4k. Der Zylinderrotor 5k mit seinen 4 radialen Zylindern wird durch die zylindrische Gleit- beziehungsweise Steuerfläche 10k des Gehäuseteiles 8k geführt. Die Drehachsen beider Rotoren laufen parallel mit einer kleinen Exzentrizität - dem halben Hub. Der Hub ist kurz, ver­ glichen mit den Dimensionen der Rotoren oder der Zylinder-Durch­ messer. Der Einlaß 12k beziehungsweise Auslaß 13k befinden sich wie bei einer gewöhnlichen Radialkolbenmaschine am Umfang des zylindrischen Gehäuseteiles 8k. Wenn das Gehäuse unter Druck steht, arbeiten die Kolben 1k nur beim Ansaugtakt. Die hier zylindrischen Kolbendichtungen 28i sind nur in einer Richtung druckdicht und seitlich verschiebbar angebracht. Die Feder 34 k hält beim Anlaufen die Kolbendichtungen 28i in ihrer Ruhelage. Der Zylinderrotor ist mittels der beschriebenen Methode radial druckentlastet. Die Böden der Zylinder sind hier nur in der Mitte offen, am Durchbruch 18k, so daß sich über der Nieder­ druckseite wieder das nötige Druckpolster aufbauen kann.

Diese tiefgreifende Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt.

Bezugszeichenliste

1, 1a- k Kolben
2, 2a- e, 2i- k Zylinder
3, 3a, b Welle
4, 4a, e, j, k Kolbenrotor
5, 5a, b, e, j, k Zylinderrotor
6, 6j Flansch
7, 7j Gehäusedeckel mit Steuerteil
8, 8j, k mittleres Gehäuseteil
9, 9a, j Steuerspiegel
10, 10a, j, k ruhende Steuerfläche
11, 11a, e, f, j, Kolbenträger
12, 12j, k Ein-/Auslaß niederdruckseitig
13, 13j, k Ein-/Auslaß hochdruckseitig
14, 14a, e Abstandshalter
15, 15a- k, Kolbenstange
16, hülsenförmige Rückseite der Kolbenrotors
17, 17e, Gleitringdichtung
18, 18a, e, j, k, Durchbruch oder Kanal im Kolbenboden
19 innere kreisförmige Dichtlinie
20 äußere kreisförmige Dichtlinie
21 abgedichtete Fläche zwischen zwei benachbarten Zylindern
22 abgedichtete geschlossene Fläche unter den Zylindern
23, 23a sphärische Bohrung
24, 24a, j, k niederdruckseitige Steuerkanal im Steuerspiegel
25, 25a hochdruckseitige Steuerkanal im Steuerspiegel
26 niedriger abgesetzte Fläche
27 druckbeaufschlagte Fläche
28, 28a- k Kolbendichtung
29 Dichtlippe
30 Ringfeder
31 Ringfeder
32, 32a, e, Feder am Abstandshalter
33 Feder der Gleitringdichtung
34, 34a, k, Feder an der Kolbenstange
35 kugelförmige Ende der Kolbenstange im Kolbenträger
36 Schlitz im Kolbenträger
37 sphärische Bohrung im Kolbenträger
38 Gummimantel
39 Lochscheibe
40 O-Ring
41 Schnittpunkt beider Drehachsen
42 Äquatorebene aller Kolben
43 seitli 00208 00070 552 001000280000000200012000285910009700040 0002004411383 00004 00089ches Spiel der Kolbendichtung
44 Ausdrehung an den Schrauben

Claims (22)

1. Drehkolbenmaschinen mit einem lagerfreien Kolbentriebwerk, zwei ineinandergreifenden Rotoren mit räumlich dicht beieinan­ derliegenden Drehachsen in einer huberzeugenden Konfiguration, einem kompakten Zylinderrotor mit einem Satz Zylinder, einem Kolbenrotor, bestehend aus einem Kolbenträger mit einem entspre­ chenden Satz Kolben mit geschlossenen Kolbenböden, die arbeits­ raumbildend in jeweils einen entsprechenden Zylinder des Zylin­ derrotors dichtend eingreifen, wobei eine Bewegungskomponente der Kolben die Hubbewegung längs der Zylinder ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die druckdichten Kolben (1, 1a, 1b, 1c, 1g, 1h, 1i, 1j, 1k) mit einem geschlossenen Quer­ schnitt lagerfrei mittels Kolbenstangen (15, 15a, 15b, 15c, 15d, 15e, 15f, 15g, 15h, 15j, 15k) beziehungsweise als Plungerkolben (1d, 1e, 1f) direkt an dem Kolbenträger (11, 11a, 11e, 11f, 11j) befestigt sind;
der Kolbenrotor (4, 4a, 4e, 4j, 4k) hydrostatisch entlastet ist, indem die Summe der Flächeninhalte aller druckbeaufschlagten Flächen, einschließlich eines etwaig vorhandenen abgedichteten Wellenendes, mit der gleichen Richtung des Druck-Vektorfeldes, multipliziert mit dem jeweils auf dieser Fläche lastenden Druck, etwa gleich der Summe aller Produkte aus Druck mal Fläche mit entgegengesetztem Kraftvektor ist, das heißt, die Summe aller angreifenden hydraulischen und pneumatischen Kräfte fast Null beziehungsweise stark minimiert ist.

2. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderrotor (5, 5a, 5b, 5e, 5j, 5k) hydrostatisch entlastet ist, indem die an der Steuerseite befindlichen Zylinderenden teilweise geschlossen sind, so daß nur ein jeweiliger Kanal (18, 18a, 18e, 18j, 18k) offen ist und die meist kreisbogenförmigen Dichtlinien sowohl an der Hochdruckseite als auch an der Nieder­ druckseite unabhängig voneinander zwischen den druckdicht anein­ ander gleitenden Steuerflächen, einer ruhenden Steuerfläche (10, 10a, 10j, 10k) und der Steuerfläche am Zylinderrotor, geeignet verschoben sind, indem meist die ruhende Steuerfläche im Bereich unter den Zylindern (2, 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2i, 2j, 2k) entsprechend profiliert wurde.

3, Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1 und 2 mit einem druckent­ lasteten Zylinderrotor, dadurch gekennzeichnet, daß der Förder­ druck im Gehäuse herrscht, die Kolben (1, 1a, 1b, 1c, 1g, 1h, 1i, 1j, 1k) nur an der Niederdruckseite arbeiten, wobei die Kolbenstan­ gen (15, 15a, 15b, 15c, 15d, 15e, 15f, 15g, 15h, 15i, 15j, 15k) nur auf Zug belastet werden und zwischen der Steuerfläche des Zylinderrotors und der ruhenden Steuerfläche (10, 10a, 10j, 10k) der Flächeninhalt der gegenüber dem Druck im Gehäuse abgedichteten Fläche etwa der Summe aller derjenigen Kolbenquerschnitte ist, deren Kolben sich immer gerade über der Niederdruckseite befinden.

4. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1 und 2 beziehungsweise 3, aber nur für Axialkolbenmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden eines jeweiligen Zylinders (2, 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2i, 2j) nur an dem radial innen liegenden Teil offen ist und dichtend mit einer ruhenden rotationssymmetrischen Steuerfläche (10, 10a, 10j, 10k) in Verbindung steht.

5. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Mehrzahl der in einer Maschine vorhandenen Kolbendichtungen (28, 28a, 28b, 28d, 28e, 28f, 28g, 28h, 28i, 28j, 28k) seitlich beziehungsweise senkrecht zur Hubbewegung verschiebbar angeordnet sind.

6. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Plungerkolben (1d, 1e) in entsprechend kegelstumpfförmig aus­ gebildeten Zylindern (2b, 2d) arbeiten und das Dichtelement (28d, 28e) zwischen Kolben und Zylinder am engeren Ende des koni­ schen Zylinders angeordnet ist und mit seiner Dichtlippe am glatten, zylindrischen Plungerkolben entlang gleitet und um kleine Beträge seitlich, das heißt, senkrecht zur Hubbewegung deformierbar beziehungsweise in bezug zum Zylinder verschiebbar angeordnet ist.

7. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (1, 1a, 1b, 1c, 1g, 1h, 1i, 1j, 1k) via Kolbenstangen (15, 15a, 15b, 15c, 15d, 15e, 15f, 15g, 15h, 15j, 15k) beziehungsweise die Plungerkolben (1d, 1e, 1f) direkt mittels eines losen Gewindes oder ähnlicher Konstruktionselemente mit einem bestimmten seit­ lichen Spiel am Kolbenträger (11, 11a, 11e, 11f, 11j) befestigt sind.

8. Drehkolbenmaschinen nach Anspruch 1, aber nur für Axialkol­ benmaschinen mit einem axial hydrostatisch entlasteten Kolbenro­ tor, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochdruckteil mit dem Ge­ häuse verbunden ist, wodurch der Förderdruck im Gehäuse herrscht und die Kolben (1, 1a, 1b, 1c, 1g, 1h, 1i, 1j, 1k) beziehungs-weise die zugfesten Kolbenstangen (15, 15a, 15b, 15c, 15d, 15e, 15f, 15g, 15h, 15j, 15k) nur auf Zug beansprucht werden; die Flächenin­ halte der geschlossenen Querschnitte aller Kolben über der Nie­ derdruckseite etwa gleich dem Flächeninhalt des Querschnittes der hülsenförmigen Rückseite (16) des Kolbenträgers beziehungs­ weise des abgedichteten Querschnittes einer nach außen führenden Welle (3) sind und der Kolbenrotor (4, 4a, 4e, 4j, 4k) gemeinsam mit einer Welle so hydrostatisch entlastet ist.

9. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Kompressionsfeder (34, 34a, 34k) um die Kolben­ stange (15e, 15f, 15k) herum zwischen der Kolbendichtung (28b, 28c, 28e, 28f, 28i, 28j, 28k) und dem Kolbenträger (11a, 11e, 11f, 11g, 11j) beziehungsweise einem Absatz, einer Mutter, einem Sprengring oder dergleichen als zweitem Anschlag an der Kolben­ stange angeordnet ist.

10. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an sich geraden Kolbenstangen (15, 15a, 15b, 15c, 15d, 15e, 15f, 15g, 15h, 15i, 15j, 15k) beziehungsweise Plungerkolben (1d, 1e, 1f) etwas in Umfangsrichtung beziehungsweise tangential geneigt am Kolbenträger befestigt sind, damit sie beim Arbeitstakt ähn­ lich wie ein gestrafftes Seil annähernd in die Richtung der resultierenden Kolbenkraft weisen, wobei die Kolbenstangen ent­ weder nur drücken oder nur ziehen.

11. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, aber nur für Axialkol­ benmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Symme­ trieachse des Kolbenrotors (4, 4a, 4e,) zwischen beiden Rotoren ein mitrotierender Abstandshalter (14, 14a, 14e) in Form eines Stiftes befindet und eine Druckfeder (32, 32a, 32e) an diesem Abstandshalter im drucklosen Zustand der Maschine das restliche axiale Spiel zwischen beiden Steuerflächen beseitigt.

12. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (32a) gleichzeitig als Druck- und Torsionsfeder ausgebildet ist, an beiden Rotoren drehfest verankert ist, und, für den Zylinderrotor gesehen, in Drehrichtung vorgespannt ist, um die Kolben von seitlichen Kräften in Drehrichtung zu entla­ sten.

13. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandsstift (14, 14a, 14e) selbst als Dreh- beziehungs­ weise Torsionsstab ausgebildet ist, drehfest mit beiden Rotoren verbunden ist und in Drehrichtung vorgespannt ist.

14. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine dünne und schlanke Kolbenstange (15g) aus Metall in plastischem Material (38) großen Durchmessers einge­ bettet ist, das druckdicht sowohl mit dem Kolben (1g) als auch druckdicht mit dem Kolbenträger (11g) verbunden ist, um die Kol­ benstange von Zugkräften zu entlasten.

15. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderrotor (5, 5a, 5b, 5e, 5j, 5k) zusätzlich durch eine Welle bzw. Zapfen geführt wird.

16. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, daß der Boden eines jeden Zylinders (2, 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2i, 2j, 2k), vornehmlich im Falle großer Durchmesser, an zwei Stellen durchbrochen ist und jeweils druckdicht mit zwei getrennten kreisringförmigen Bahnen mit verschiedenen Kanälen in der ruhenden Steuerfläche in Ver­ bindung steht.

17. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, aber nur für Axialkol­ benmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß der starre Zylinder­ rotor (5j) vorzugsweise nur zwei gegenüberliegende große starre Zylinder hat und die Zylinder derart torusförmig geformt sind, daß jeder Querschnitt kreisförmig bleibt, aber die jetzt kreis­ bogenartigen Symmetrieachsen beziehungsweise Mittellinien der Zylinder in einem Großkreis einer gedachten Kugel liegen und der Kugelmittelpunkt im Schnittpunkt beider Rotorachsen (41) liegt.

18. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (2i) seitlich gegeneinander verschiebbar am Zylinderrotor (5i) angebracht sind.

19. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diejenigen Kolben-Dichtelemente (28, 28a) die ähnlich einer einfachen Manschette eine körperfeste Dichtlinie besitzen, etwas in Umfangsrichtung geneigt am Kolben angebracht beziehungsweise so schräg gestaltet sind, daß der Flächennormalvektor ihrer Dichtfläche beim Arbeitstakt in Längsrichtung der Zylinder-Sym­ metrieachse ausgerichtet beziehungsweise sogar etwas in die ent­ gegengesetzte Richtung geneigt ist.

20. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (2, 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2i, 2j, 2k) beziehungsweise der Zylinderrotor (5, 5a, 5b, 5e, 5j, 5k) aus elastischem Material beste­ hen und die Kolben dafür harte Kugeln sind.

21. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem kompakten Zylinderrotor mehrere Ringe von kreisför­ mig angeordneten Zylindern (2, 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2i, 2j, 2k) existie­ ren mit den entsprechenden Ringen von kreisförmig angeordneten Kolben (1, 1a, 1b, 1c, 1g, 1h, 1i, 1j, 1k) am Kolbenrotor (4, 4a, 4e, 4j, 4k).

22. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich am Kolbenträger an beiden axialen Seiten ein Satz Kolben befindet.