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Taumelkolbenmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine Tauinelkolbenmaschine,
wie z. B. Pumpe, Gebläse, Verdichter, Motor, bei der in einem Kugelgehäuse ein an
der Umdrehung gehinderter Taumelkolben schräg gelagert ist.
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Bei bekannten Taumelkolbenmaschinen wälzt sich der schräg gelagerte,
an der Umdrehung gehinderte Kolben mit seinen Förderflächen an den seitlichen Gehäusewandungen
oder auch Zwischenwandungen ab, und die Berührung zwischen den Kolbenförderflächen
und den Gehäuseseitenwandungen erfolgt in einer Linie, die einen zuverlässigen und
dauernden Abschluß zwischen Saug- und Druckraum nicht gewährleistet, so daß ein
Überströmen des Arbeitsmittels vom Druckzum Saugraum stattfinden wird, was erhebliche
Nachteile bringt.
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Durch die Erfindung soll die Abdichtung zwischen den Kolbenförderflächen
und den seitlichen Gehäusewandungen verbessert werden. Die Erfindung besteht darin,
daß die Förderflächen des Taumelkolbens mit einem Flächenteil gegen Anschnittflächen
der seitlichen umlaufenden Gehäusewandungen liegen, so daß die Anschnittflächen
bei der taumelnden Bewegung des Kolbens dessen Förderflächen bestreichen. Hierdurch
wird eine flächenförmige Berührung zwischen Kolbenförderfläche und Gehäuseseitenwandung
erzielt. Die Seitenwandungen des Arbeitsrauines sind sowohl mit dem Schräglager
des Kolbens als auch mit der Antriebswelle starr verbunden, d. h. daß die Seitenwandungen
mit der Welle in gleicher Winkelgeschwindigkeit umlaufen. Diese umlaufenden Seitenwandungen
des Arbeitsraumes sind mit einer Anschnittfläche versehen, dessen Form den Förderflächen
des Taumelkolbens entspricht oder nahezu entspricht, gegen die der Taumelkolben
anliegt. Bei der Umdrehung der Antriebswelle läuft die Anschnittfläche der Seitenwandungen
mit der wandernden Berührungsfläche des Kolbens um.
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Es wird durch das Umlaufen der Gehäuseseitenwandungen gleichzeitig
erzielt, daß keine wesentlichen Reibungsverluste zwischen Fördermittel und diesen
Seitenwandungen auftreten.
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Auf der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand in einem Ausführungsbeispiel
dargestellt, und zwar zeigen Fig. z einen senkrechten Achsschnitt durch die Taumelkolbenmaschine,
Fig. a einen Schnitt nach Linie 11-II der Fig. z durch die umlaufende Seitenwand,
Fig.3 den schematischen Grundriß einer Kolbenart, Fig. q. die Aufsicht auf die bewegten
Teile der Maschine, Fig. 5 den seitlichen Grundriß eines Taumelkolbens, Fig. 6 die
Wirbeldrosselung des Förder= mittels zwischen Gehäuse und Kolbenumfangsfläche, Fig.
7 . einen Horizontalschnitt durch die bewegten Teile der Maschine zur Erläuterung
der einzelnen Winkelgrößen, wobei die gestrichelten
Linien die
Lage der Seitenwandungen mit den Anschnittflächen, also die flächenförmige Berührung
zwischen dem Taumelkolben und den Seitenwandungen darstellen.
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Nach der Erfindung ist in einem Kugelgehäuse i mit seitlichen Einsatzstücken
2 in den Lagerbüchsen 3 eine Antriebswelle q. gelagert. Die Welle 4 läuft auf beiden
Seiten des Gehäuses im Gehäuse in Kugelkalotten 5 und 6 aus, zwischen denen eine
abgeflachte Kugel 7 liegt, in die der Schräglagerzapfen 8 mit den seitlichen kegeligen
Lagerflächen 9 und io für den Taumelkolben i i eingedreht ist. Durch diese kegeligen
Lagerflächen 9 und io, deren Kegelscheitel zweckmäßig im oder nahezu im Mittelpunkt
des Taumelkolbens liegen, wird ein Verecken und damit ein starker Verschleiß des
Kolbens im Lager vermieden. Der Taumelkolben i i besitzt einen Schlitz 12, mit dem
er über eine im Gehäuse i gelagerte Trennwand 13 faßt, die Saug- und Druckseite
der Maschine voneinander trennt. Links und rechts von der Trennwand 13 schließen
sich am Gehäuse i der Saugstutzen und der Druckstutzen in bekannter Weise an. In
dem Schlitz 12 ist bei dem Taumelkolben ii, dessen .Förderflächen 17 nach außen
divergieren, ein Kegelzapfen 14 in einer entsprechenden Aussparung des Kolbens gelagert.
Dieser Kegelzapfen 1q., der in Fig. q. im Grundriß sichtbar ist, faßt mit einem
Schlitz über die Trennwand 13. Bei der taumelndenBewegung des Kolbens iiwird Zapfen
14 vom Kolben mitgenommen und gleitet mit seinem Schlitz auf der Trennwand 13 hin
und her, wobei sich der Kolben i i außerdem um den Zapfen 1q. hin und her dreht.
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Der Kolben i i kann dadurch seinen Bewegungen hemmungslos folgen,
so daß die Reibungsverluste sehr klein sind.
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Die beiden Kugelkalotten 5 und 6 sind nach dem Gehäusemittel hin mit
je einer Kegelfläche 5a und 6a versehen, die als Seitenwandung für den wirkenden
Arbeitsraum 15 dienen, der andererseits durch das Kugelgehäuse i und die Lagerkugel
7 begrenzt wird. Aus den Kegelflächen 5a und 6a ist ein Teil herausgeschnitten,
und zwar so, daß die Schnittfläche 16 einen Kegelflächenteil darstellt, dessen zugehöriger
Kegel der, Förderflächen 17 des Taumelkolbens i i entspricht.
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Zur Erklärung, wann zwischen den Kolbenförderflächen und den Seitenwandungen
des Gehäuses eine Linien- bzw. eine Flächenberührung eintritt, wird an Hand der
Fig. 7 folgendes angeführt: Eine Linienberührung zwischen den Förderflächen 17 des
Taumelkolbens i i und den beiden Kegelflächen 5a und 6a tritt ein, wenn zwei Winkel
18 (Schwenkwinkel des Taumelkolbens, der durch den Winkel. des Schräglagerzapfens
8 zur Wellenachse bestimmt ist) gleich dem Winkel 2o sind, der zwischen der Seitenwandung
und der Kolbenlagerfläche g bzw. io in den äußersten Lagen des Taumelkolbens genommen
ist. Der Öffnungswinkel i9 des Taumelkolbens kann gleich, kleiner oder größer sein
als der Winkel 18. Um jedoch ein gutes Führungsverhältnis des Taumelkolbens i i
auf der Trennwand 13 zu erzielen, soll der Taumelkolbenwinkel i9 gleich oder größer
als der Winkel 18 (halber Schwenkwinkel) sein. Bei Flächenberührung zwischen den
Förderflächen 17 des Taumelkolbens i i und den beiden Kegelflächen 5a und 6a muß
der Winkel 2o kleiner sein als zwei Winkel 18 (Schwenkwinkel). Es ist daher dieser
entsprechende Winkel kleiner als zwei Winkel 18 (Schwenkwinkel). Die Länge 22 der
Anschnittfläche 16, wie die oben angeführte Schnittfläche 16 benannt werden soll,
wird größer, je kleiner der Winkel zi gewählt wird. Die Länge der Anschnittfläche
16 muß gleich oder größer sein als die Schlitzbreitea3 im Kolben. Dieses ist erforderlich,
weil sich zwischen den Anschnittflächen 16 und den Enden U' und 13b der Trennwand
13 eine Öffnung bei der Umdrehung der Seitenwandungen 5a und 6a ergibt, durch die
das Fördermittel von der Druckseite zur Saugseite überströmen kann (Fig. i und q.).
Bei Stellungen der Anschnittflächen 16 außerhalb der Trennwand 13 wird eine Abdichtung
zwischen Saug- und Druckseite durch das Anliegen der Kegelflächen 5a und 6a gegen
die Enden 13a und 13b der Trennwand 13 bewirkt. Sobald das vordere Ende der Anschnittflächen
16, bezogen auf die Drehrichtung, an der Trennwand 13 vorbeiläuft, bildet sich der
obengenannte Zwischenraum zwischen dem Ende 13a der Trennwand 13 und der Anschnittfläche
16 (Fig. i und q.), der dadurch abgedichtet wird, daß der Taumelkolbeli i i an den
Stellen 24 und 25 gegen die Anschnittflächen 16 liegt, d. h. daß die Länge 22 der
Anschnittfläche 16 größer oder mindestens gleich der Breite 23 des Kolbenschlitzes
12 sein muß.
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Wird ein Kolben i i verwendet (Fig. i und q.), bei dem die Lagerflächen
9 und io und die Förderflächen 17 des Kolbens i i nach außen divergieren und den
gleichen Kegel haben, dann laufen die Anschnittflächen 16 in die kegeligen Lagerflächen
9 und io des Kolbenschräglagers über (Fig.i).
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Nach der Erfindung ist es auch möglich, die Flächenabdichtung bei
beliebigen Kolbenarten zu erzielen. Hat ein Kolben beispielsweise die Form nach
Fig. 3, ,d. h., die Förderflächen 26 konvergieren nach außen und die
Gehäuseseitenwandungen
sind vertikale Ebenen, dann müssen diese Seitenwandungen eine konkave, kegelige
Anschnittfläche besitzen, in die sich die Förderflächen 26 des Kolbens einschmiegen
können. Die Seitenwandungen müssen auch hier an der Umdrehung der Welle teilnehmen.
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Bei einem Kolben, dessen'beide Förderflächen parallel zueinander verlaufen,
d. h. bei einem ebenen plattenförmigen Kolben und kegeligen Gehäuseseitenwandungen,
müssen die Seitenwandungen eine Anschnittfläche aufweisen, die eine ebene Fläche
ist und wieder mit der Welle umläuft.
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Es geht aus diesen Ausführungen hervor, daß die mitumlaufenden Seitenwandungen
5a und 6a der Taumelkolbenmaschine zur Erzielung einer Flächenabdichtung zwischen
den Förderflächen des Kolbens und den Seitenwandungen konvexe, konkave oder ebene
Anschnittflächen, entsprechend der Form der Förderflächen des Taumelkolbens, aufweisen
müssen.
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Der Taumelkolben ii (Fig. 1, 4 und 5), der zur Herabsetzung der schwingenden
Massen beispielsweise hohl ausgebildet ist, ist am Umfang flanschartig nach innen
abgebogen und mit nutenförmigen Aussparungen 27 versehen. Diese Nuten 27 der beiden
Kolbenhälften ija und iiU (Fig. 5) sind gegeneinander versetzt, so daß die in sie
eindringende Flüssigkeit nicht die Saug- und Druckseite der Maschine miteinander
verbinden kann. Diese Nuten 27 dienen als Drosselung für die etwa zwischen innerer
Gehäuseumfangswandung und dem Kolbenumfang durchströmende Flüssigkeit, da sich in
den Nuten Wirbel bilden (Fig. 6), die eine sogenannte Wirbeldrosselung hervorrufen
und ein glattes Durchströmen der Flüssigkeit verhindern. Es kann daher auf einen
Gleitkontakt zwischen Kolbenumfang und Gehäusewandung verzichtet werden, wodurch
wieder etwaige Reibungsverluste vermieden sind.
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Dadurch, daß die Seitenwandungen 5a uiid 6a der Maschine mit der Welle
umlaufen, ist es möglich, eine einwandfreie seitliche Lagerung vorzusehen, indem
die nach innen gezogenen Lagerbüchsen 3a die ganze Fläche der beiden Kugelkalotten
5 und 6 überdecken. Die Abdichtung des Arbeitsraumes 15 wird seitlich durch die
Packungen 28 und 29 erreicht.
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Die Wirkungsweise der Maschine ist folgende: Durch die Welle 4. wird
das Schräglager des Taurnelkolbens i i in Umdrehung versetzt, so daß der Kolben
i i, der durch die Trennwand 13 und einen geschlitzten Zapfen 14. oder durch ein
anderes Mittel an der Umdrehung gehindert wird, eine Schwenkbewegung ausführt, der
eine Drehbewegung überlagert ist. Die Größe der Schwenk- und Drehbewegung ist durch
den Winkel des Schräglagerzapfens 8 zur Antriebswelle q. gegeben. Der-Arbeitsraum
15 wird durch die Trennwand 13 in Saug- und Druckraum unterteilt. Durch die schräge
Lage des Kolbens i i und seine Berührung mit den Seitenwandungen des Gehäuses wird
wieder der Saug- und auch der Druckraum in je zwei Kammern unterteilt, die sich
bei der taumelnden Bewegung des Kolbens ii auf der Saugseite abwechselnd von Null
auf ein Maximum vergrößern und auf der Druckseite abwechselnd von diesem Maximum
bis auf Null abnehmen, so daß ein ununterbrochener Flüssigkeitsstrom durch die Maschine
erzeugt wird.
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Es wird sich also auch der Taumelkolben i i beidseitig an den Gehäusewandungen
abwälzen, und zwar mit Linienberührung, wenn die Seitenwandungen feststehen und
die genannten Bedingungen für die einzelnen Winkelgrößen vorliegen. Laufen nun die
Seitenwandungen mit dem Schräglager um und ist der Winkel 2o doppelt so groß als
der halbe Schwenkwinke118, dann wird der Taumelkolben ii ebenfalls nur mit Linienberührung
gegen die Seitenwandungen 5a und 6,1 liegen. Bei dieser Ausführung ist aber schon
der Vorteil gegeben, daß durch das Umlaufen der Seitenwandungen Relativgeschwindigkeiten
und damit Reibungsverluste zwischen Fördermedium und Seitenwandungen vermieden werden.
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Wird der Winkel 2o wie nach der Erfindung auf den Winkel 2 i verkleinert,
d. h. der Winkel 2o ist kleiner als der Schwenkwinkel 2mal 18, und sind die Seitenwandungen
5a und 6a mit Anschnittflächen 16 versehen, wie oben ausgeführt, dann schmiegt sich
der Kolben i i beidseitig an diagonal im Gehäuse gegenüberliegenden Stellen flächenförmig
mit seinen Förderflächen 17 an die Anschnittflächen 16 an. Wird nun die Welle q.
in Umdrehung versetzt, dann laufen die Anschnittflächen 16 mit um, und gleichzeitig
werden durch die erzeugte taumelnde Bewegung des Taumelkolbens i i die Förderflächen
17 des Taumelkolbens von diesen Anschnittflächen 16 bestrichen, d. h. es findet
während einer vollen Umdrehung der Welle zwischen den Förderflächen 17 und den Anschnittflächen
16 eine dauernde flächenförmige Berührung statt, und damit ist ein vollkominen dichter
Abschluß zwischen Saug- und Druckraum der Maschine erzielt.
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Die Kegelflächen 5a und 6a kommen nicht mit den Förderflächen 17 in
Berührung. Diese Kegelflächen 5a und 6a haben nur die Aufgabe, mit den Enden der
Trennwand 13 dicht abzuschließen, um dadurch eine Verbin-
Jung zwischen
Saug- und Druckraum der Maschine zu verhindern.
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Damit durch die Maschine auch Flüssigkeiten mit faseriger oder körniger
Beimengung gefördert werden können und damit diese Beimengungen nicht zwischen die
Anschnittflächen 16 und die Förderflächen 17 gelangen, sind an den Enden der Anschnittfläche
16 Aussparungen 30 vorgesehen, die in eine Abstreichkante 31 auslaufen, durch
die die körnigen Teile zurückgehalten werden. Durch die Anordnung dieser Aussparung
30 mit der Abstreichkante 31 wird sogar ein Fördern von körnigen Stoffen,
wie z. B. Getreide usw., möglich, ohne daß dadurch irgendwelche Hemmungen in der
Maschine auftreten.
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Bei der Maschine nach der Erfindung haben alle den Maschinenraum 15
begrenzenden Teile, mit Ausnahme der Gehäuseinnenwandung I, eine fortschreitende
Bewegung, deren Relativgeschwindigkeit zum Fördermittel gleich Null ist, so daß
die Maschine mit geringsten Störungsverlusten arbeitet. Da weiter überall eine Flächenabdichtung
zwischen den bewegten und feststehenden Teilen bzw. den bewegten Teilen der Maschine
gegeben ist und auch besonders zwischen den Förderflächen i7 des Taumelkolbens ii
und den Gehäuseseitenwandungen bzw. den Anschnittflächen 16 eine flächenförmige
Abdichtung vorliegt, so kann die Maschine mit kleinen Abmessungen gebaut werden
und schon reit ganz geringen Drehzahlen laufen, wodurch der Verschleiß sehr gering
wird.