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Drehkolbenmaschine mit gleitend geführten Kolben Die Erfindung bezieht
sich auf eine Drehkolbenmaschine, deren konzentrisch zum Gehäuse angeordnete Kolben
mit ständig sich ändernder Winkelgeschwindigkeit umlaufen, zwischen der Gehäusewandung
und dem Umfang eines konzentrisch zum Gehäusemantel und exzentrisch zur Antriebswelle
liegenden Führungszylinders gleitend geführt werden und durch mindestens .eine mit
der Antriebswelle fest verbundene und exzentrisch zum Gehäuse angeordnete Mitnehmerscheibe
mit Hilfe von in radial verlaufenden Hohlräumen der Kolben sich drehenden Rollkörpern
in Umlauf gesetzt werden. Die Erfindung be-. steht im wesentlichen darin, daß in
den KoI-hen in Wellenrichtung Kugeln oder- Rollen drehbar und an den Mitnehmerscheiben
radial abrollbar gelagert sind, daß diese Kugeln oder Rollen über die Länge der
Kolben etwa um das Maß ihrer elastischen Zusammendrückbarkeit vorstehen und durch
die Mitnehmerscheiben unter Spannung gesetzt sind, oder daß sie in Radialnuten der
Mitnehmerscheiben eingreifen, wobei in beiden Fällen die Mitnehmerscheiben im Betriebe
lose gegen die Kolbenstirnflächen liegen.
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Bei Drelikolbenmaschinen mit einer gleitenden Führung der Kolben zwischen
der inneren Gehäuseumfangswandung und einem konzentrisch im Gehäuse und :exzentrisch
zur Antriebswelle liegenden Führungszylinder müssen die Kolben auf der Saugseite
beschleunigt und auf der Druckseite verzögert werden. Dies wird dadurch erreicht,
daß die Antriebswelle exzentrisch im Gehäuse liegt. Diese Exzentrizität bedingt
aber zusätzlich, daß die Kolben bezüglich der Antriebswelle eine radiale Bewegung
ausführen. Um beide Bewegungen, Beschleunigung und Verzögerung einerseits und radiale
Bewegung der Kolben andererseits, zu ermöglichen, wurden bisher seitliche, mit der
Welle verbundene Mitnehmerscheiben vorgesehen, die -zwangsläufig durch Bolzen mit
den Kolben verbunden waren, wobei die Bolzen exzentrisch in kurzen Zylinderstücken
angeordnet waren, die ihrerseits in entsprechende Aussparungen der seitlichen Mitnehmerplatten
eingriffen, oder es griffen die in den Kolben angeordneten Bolzen durch je zwei
seitliche Platten, die ihrerseits wieder exzentrisch zueinander lagen und von denen
die eine mit Radialschlitzen und die andere mit tangentialen kreisförmigen Schlitzen
versehen waren.
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Es hat sich nun gezeigt, da die auf jeder Kolbenseite aufzunehmenden
.Kräfte den halben, auf die Förderfläche wirkenden Druckkräften entsprechen, daß
ganz erhebliche große Führungsflächen für die Bolzen in den Schlitzen der seitlichen
Mitnehmerplatten vorgesehen werden mußten, wenn der Verschleiß auf ein Mindestmaß
herabgesetzt werden sollte. Entsprechend große Führungsflächen sind aber besonders
bei Anordnung einer größeren Anzahl Kolben wegen der dichten Lage der Führungsschlitze
nebeneinander nicht möglich. Außerdem ergibt die gleitende Reibung der Kolben in
den Schlitzen
bei den bekannten Maschinen, daß schon die Reibungskraft
gleich öder-. größer als die Nutzleistung-der Maschine-ist, so daß die für die Maschine
aufzüwendende Leistung einen wesentlichen Teil der reinen Nutzleistung, ohne Berücksichtigung
des erheblichen, mit der gleitenden Reibung verbundenen Verschleißes beträgt. Des
weiteren führen die exzentrisch zueinander gelagerten seitlichen Mitnehmerplatten
zu einer starken Beanspruchung des Werkstoffs.
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Man hat nun bereits vorgeschlagen, die axial gerichteten Mitnehmerbolzen
in exzentrisch zur Antriebswelle liegenden Mitnehmerscheiben zu lagern und sie in
Radialnuten der Kolben eingreifen zu lassen und auch um die Mitnehmerbolzen Rollen
zu legen, die an den radialen, Nutenwandungen der Kolben abrollen. Durch die letztere
Anordnung wird die große gleitende Reibung der vorbeschriebenen Anordnungen vermieden,
aber dadurch, daß der Rollenangriffspunkt an dem Kolben sich durch das Hinundherbewegen
in den radialen Kolbennuten oder Kolbenhohlräumen dauernd ändert,- werden auf den
Kolben große Kippmomente ausgeübt, durch die der Kolben mit seiner inneren und äußeren
Umfangsfläche gegen den inneren Führungszylinder und die innere Gehäuseumfangswandüng
gepreßt wird, so daß die belasteten Kolbenecken einem starken Verschleiß unterliegen,
der mit der Zeit zu einem Schlagen und Verecken der Kolben führt.
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Durch die eingangs erwähnte Ausbildung der Drehkolbenmaschine werden
einmal die großen Reibungskräfte vermieden und zum anderen wird erreicht, daß Kippmomente
durch die Mitnahme der Kolben mittels seitlichen, mit der Antriebswelle verbundenen
Mitnehmerscheiben nicht mehr auftreten können, so daß Verschleiß an den Führtmgen
sowohl der Mitnehmetkörper als auch der Kolben und eine übermäßige Werkstoffbeanspruchung
durch die Exzentrizität der übertragungsmittel zur Antriebswelle vermieden werden.
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Gemäß der Erfindung werden zur Erzielung der rollenden Reibung zwischen
den seitlichen Mitnehmerscheiben und den Kolben die Kolben hohl ausgebildet, und
in diesen Aushöhlungen-werden in der Wellenrichtung je zwei oder ein Mehrfaches
von zwei Kugeln oder -Rollen hintereinander, jedoch gegeneinander abwälzbar gelagert.
Diese Kugeln oder Rollen, welche über die Länge der Kolben etwa um das Maß ihrer
elastischen Zusammendrückbarkeit vorstehen, werden mit Hilfe der seitlichen Druckplatten
oder Mitnehmerscheiben unter Spannung gesetzt oder die Kugeln oder Rollen greifen,
ohne durch die Mitnehmerplatten zusammengepreßt zu werden, in Radialnuten der seitlichen
Mitnehmerscheiben ein. Bei Verwendung von Rollen gibt man diesen zweckmäßig eine
Tonnenform, damit ein Abrollen auf den Randteilen vermieden wird. Die Rollen oder
Kugeln führen nämlich außer der radialen Abwälzbewegung eine Schwenkbewegung aus,
wobei der Schwenkwinkel von der Exzentrizität der Antriebswelle zur Gehäuseachse
abhängt. In beiden vörgenannten Fällen liegen außerdem die Mitnehmerscheiben im
Betriebe lose gegen die Kolbenstirnflächen.
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Gemäß. der Erfindung ist es auch möglich, an den Enden der Kolben:,
in Aussparungen Kugeln oder Rollen um Querachsen drehbar zu lagern, die im entspannten
Zustand etwas über die Länge der Kolben hervorstehen und ihrerseits wieder von den
seitlichen Druckplatten unter Spannung gesetzt werden können oder in Radialnuten
der seitlichen Mitnelimerscheiben eingreifen.
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Auf der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
dargestellt, und zwar zeigen: Fig. i einen senkrechten Achsschnitt durch eine Drehkolbenmaschine,
Fig.2 einen Querschnitt nach Linie II-II der Fig. i, Fig. 3 den mittleren Zylinderteil
des Geliäuses nach Fig. i und 2 im Achsschnitt, Fig. .4 eine perspektivische Ansieht.,.
eines Kolbens, Fig.5 eine Darstellung der absoluten Geschwindigkeiten des Kolbens,
Fig.6 eine Darstellung der absoluten Bewegung der Kolben gegenüber .den Druckplatten,
Fig.7 einen radialen Teilschnitt durch die seitlichen Druckplatten mit den rollend
an diesen geführten Kolben, Fig. ß einen Schnitt nach Linie VIII-VIII der Fig.7.
Fig.9 und io zwei Bewegungsstellungen der Kolben bei Anordnung von zwei Kolben,
Fig. i i die zeichnerische Bestimmung der Kolbenstellungen zueinander, Fig. 12 einen
Querschnitt durch eine als Verdichter ausgebildete Drehkolbenmaschine, Fig.
13 einen senkrechten Achsschnitt durch eine Drehkolbenmaschine mit zwei nebeneinander
angeordneten Arbeitsräumen, Fig. 14 einen Querschnitt nach Linie XIV-XIV der Fig.
13.
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Die Drehkolbenmaschipe nach der Erfindung, Ausführungsbeispiel Fig.
i bis ä, besteht aus einem zylindrischen Gehäuseteil i, zwischen dessen innerer
Umfangswandung und einem konzentrisch zum Gehäuseteil i liegenden, ebenfalls zylindrischen
Führungsrohr 2 zwei oder mehrere Kolben 3, die segmentartig ausgebildet sein mögen,
gleitend
geführt werden. Seitlich sind die Kolben.3 durch zwei
ebene Druckplatten 4. (Mitnehmerscheiben) begrenzt.
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Diese Druckplatten 4 sind durch Paßfedern 5 auf einer exzentrisch
zum Gehäuseteil i liegenden Antriebswelle 6 aufgekeilt. Die Antriebswelle 6 besitzt
auf der einen Seite des Arbeitsraumes einen Bund 7; gegen den das Ende der einen
Druckplatte 4 liegt, während sie auf der anderen Seite des Arbeitsraumes mit einem
Gewinde versehen ist, so daß nach dem Aufschieben der Druckplatten 4. diese mittels
Schraubenmuttern 8 fest gegen die Enden der Kolben 3 gepreßt werden können. Im übrigen
ist die Antriebswelle 6 mit den Druckplatten 4. durch Lagerbuchsen 9 in den beiden
Gehäuseschildern i o und i i gelagert, die mittels Schrauben 12 mit dem zylindrischen
mittleren Gehäuseteil i verbunden sind. Das Gehäuseschild i i auf der Antriebsseite
besitzt eine Stopfbüchse 13 mit zugehörigem Deckel 14.
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In dem Ausführungsbeispiel Fig. i bis 8 sind in der Drehkolbenmaschine
sechs Kolben 3 vorgesehen, die radial verlaufende Hohlräume 14 besitzen. In diese
Hohlräume 14 sind je zwei Rollen 15 lose eingeführt, die über die Länge b1 der Kolben
3. (Fig. 3) um das Maß ihrer elastischen Zusammendr ückbarkeit hervorragen, so daß
die Rollen 15 von den Druckplatten 4 fest eingespannt werden können, während die
Kolbenenden die Druckplatten 4 nur lose berühren.
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Links und rechts vom Arbeitsraum, der durch die seitlichen Druckplatten
4, den zylindrischen Gehäuseteil i und das zylindrische Führungsrohr 2 begrenzt
wird, schließen sich je nach der Drehrichtung und der exzentrischen Lage der Antriebswelle
6 ein Saugstutzen 16 und ein Druckstutzen 17 (Fis. 2) an. Der Arbeitsraum ist im
übrigen durch zwei Stege des Gehäuseteils i mit den Kanten 18 und i 9 bzw. 2o und
21, die im obersten und untersten Scheitel der Maschine liegen, in Saug- und Druckraum
unterteilt. "Diese Stege umfassen die Kolben 3 auf einer Breite, die gleich oder
größer als der kleinste (im obersten Scheitel) bzw. der größte Abstand (im untersten
Scheitel) der Kolben 3 voneinander ist, so daß keine Flüssigkeit von der Saud- zur
Druckseite oder umgekehrt gelangen kann. An die Kanten 18, 19 und 20, 2 1 schließen
sich im Gehäuseteil i auf beiden Seiten der Maschine ringförmige Kanäle mit der
Kanalhöhe a (Fis. 2) und der Kanalbreite b (Fis. 3) an, durch die die Flüssigkeit
auf der Saugseite fast bei einem Winkel von i 8o' in die Kolbenkammern einströmen
und auf der Druckseite fast bei einem Winkel von ieo" ausströmen kann, so daß Stöße
in der Maschine nicht auftreten. Die Wirkungsweise der Maschine nach der Erfindung
ist folgende: Wird die Antriebswelle 6 in Umdrehung versetzt, dann drehen sich die
mit der Welle verbundenen seitlichen Druckplatten 4 ebenfalls mit. Da diese Druckplatten
4 fest gegen die zusammengedrückten Rollen 15 liegen, so werden bei der Umdrehung
der Druckplatten 4 die Rollen 15 und damit die Kolben 3 durch die Reibung mitgenommen.
Da die Antriebswelle 6 exzentrisch zum Zylindergehäuse i und zum zylindrischen Führungsrohr
2 liegt und da die Kolben 3 zwischen dem zylindrischen Gehäuseteil i und dem Führungsrohr
2 gleiten, wird die radiale Entfernung der Kolben 3 in den einzelnen Lagen von der
Wellenachse verschieden groß sein. Daraus ergibt sich, daß die Winkelgeschwindigkeit
der Kolben 3 (bezogen auf die Gehäusemittelachse) verschieden groß wird, und zwar
wird die Winkelgeschwindigkeit der Kolben 3 größer mit zunehmender Entfernung von
der Wellenmitte und kleiner mit abnehmender Entfernung. Infolge dieser zu- und abnehmenden
Winkelgeschwindigkeit der Kolben werden die zwischen den Kolbenflächen gebildeten
Kolbenkammern auf der Saugseite bei einer Wellenumdrehung von i8o° größer und auf
der Druckseite bei einer weiteren Wellenumdrehung von i8o° wieder kleiner. Im Grenzfall
berühren sich die Flächen der beiden aneinanderliegenden Kolben.
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Die absolute Bewegungsbahn der Sektorkolben 3 ist eine konzentrisch
zum Gehäuseteil i und exzentrisch zur Antriebswelle liegende Kreisbahn mit dem mittleren
Durchmesser 2 # R (Fig. i). Die absolute Bewegung der Sektorkolben gegenüber der
Druckplatte 4: ist in Fig.6 zeichnerisch dargestellt. Das Rollenpaar 15 bewegt sich
also bei der Wellendrehung auf der Druckplatte 4 mit einer Geschwindigkeit w3 bzw.
iv3' radial zur Gehäusemitte oder von der Gehäusemitte. Die Rollen 15 rollen dabei
an den Druckplatten 4 und aneinander ab.
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In der Fig. 6 ist im Punkt A der Druckplatte 4 die Geschwindigkeit
v3. Diese Geschwindigkeit zerlegt sich in zwei Komponenten iv3' und c3. Die Geschwindigkeit
v3 ist die absolute Geschwindigkeit des Punktes A der Druckplatte 4. Die Geschwindigkeit
c3 ist die absolute Geschwindigkeit des Kolbens 3. Die Geschwindigkeit tv3 ist die
absolute Geschwindigkeit der Kolben zur Druckplatte, welche zur Gehäusemitte hin
oder weg gerichtet ist. In Fig.7 ist dieser letztere Bewegungsvorgang des Kolbens
gegenüber der Druckplatte 4 dargestellt. Da im Ausführungsbeispiel die Rollen 15
auf der Druckplatte 4 nicht gleiten, sondern abrollen, wird die radiale Veränderung
des Kolbens mit dem
kleinsten Reibungswiderstand durchzuführen sein.
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In der Fig. 5 sind in den Punkten C und B die absoluten Geschwindigkeiten
der Kolben 3 zeichnerisch mit der Größe c1 und c2 dargestellt.
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Da die Rollen auf der Druckplatte 4 nicht nur eine radiale Bewegung
zur Gehäusemitte hin ausüben, sondern auch eine Schwenkung auf der Druckplatte ausführen,
so dürfen die Rollen nicht zylindrisch durchgebildet werden, da sonst ein Gleiten
der Rollen auf ihren Randteilen eintritt. Eine leichte Wölbung verhindert ein Gleiten
und erhöht gleichzeitig die Belastungsfähigkeit der Rolle.
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Die einzelnen Stellungen, die die Kolben im Gehäuse einnehmen, sind
aus dem Diagramm nach Fig. i i zu entnehmen. Es werden zur Ermittlung dieser Stellungen
von der exzentrischen Antriebswelle bei Anordnung .von sechs Kolben
unter dem Winkel von 6o° von der Wellenmitte Strahlen gezogen. Diese Strahlen schneiden
den Kreis mit dem Halbmesser .F2. Diese Schnittpunkte sind die Mitten der einzelnen
Kolben 3, in welche Stellungen die Kolben beim Zusammenbau der Maschine zu bringen
sind.
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Die Förderung der Flüssigkeit .erfolgt nun so, daß die Flüssigkeit
auf der Saugseite in die sich vergrößernden Kolbenkammern eintritt und auf der Druckseite
- durch die sich verkleinernden Kolbenkammern in den Druckstutzen gedrückt wird.
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Bei Drehkolbenmaschinen nach der Erfindung ist die kleinste Kolbenzahl
zwei, wie in Fig. 9 und io dargestellt ist. Jedoch wird die Förderung um so größer,
je größer die Kolbenzahl ist.
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Soll die Maschine als Gasverdichter verwendet werden, so ist darauf
zu achten, daß die Kolbenkammern erst dann mit dem Druckstutzen in Verbindung gebracht
werden, wenn der Druck in den Kolbenkammern den Druck im Anschlußkanal erreicht
hat, so daß kein Gas in die Kolbenkammern zurücktreten kann (Fig. 12). Die Winkel
j31 und j32, die sich bis zu den Stegkanten i9 und 2o' erstrecken, sind also bei
der Gasverdichtung -verschieden groß, während sie bei der Flüssigkeitsförderung
gleich groß sein müssen. Bei Gasverdichtern ist der Abstand der Kolben im obersten
Scheitel möglichst klein zu halten, denn je kleiner dieser Abstand H wird, desto
kleiner wird der schädliche Raum und um so größer der volumetrische Wirkungsgrad
der Maschine.
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Nach der Erfindung ist es möglich, mehrere Kolbenreihen nebeneinander
anzuordnen, ,wie es in den Fig. 13 und 14 gezeigt ist. Die Wirkungsweise der Maschine
bleibt hier dieselbe, wie schon oben beschrieben. In dem Beispiel ist zwischen den
beiden' Kolbenreihen eine dritte Druckplatte 4' eingeschaltet, während die Rollen
15 wieder durch Anziehen der Schraubenmuttern 8 unter Spannung gesetzt werden, so
daß die Kolben von -den Druckplatten durch Reibung mitgenommen werden.
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Wie schon ausgeführt, können an Stelle von Rollen 15 auch Kugeln als
Kraftübertragungsmittel verwendet werden und außerdem können die Rollen oder Kugeln
zum Teil in Radialnuten der Druckplatten 4 eingreifen, so daß damit die Mitnahme
der Kolben durch die Druckplatten auf jeden Fall gewährleistet ist und die Belastungsgrenze
der Maschine erhöht wird.
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Auch können an den Enden der Kolben 3 in Hohlräumen der Kolben um
Querachsen drehbare Kugeln oder Rollen gelagert sein, die im entspannten Zustand
über die Länge der Kolben 3 etwa um das Maß ihrer elastischen Zusammendrückbarkeit
hervorstehen. Im Betriebe werden die Kugeln oder Rollen dadurch unter Spannung gesetzt,
daß die Druckplatten 4 gegen die Stirnflächen der Kolben 3 gedrückt werden.