DE69104503T2

DE69104503T2 - Radialkolbenmotor oder -pumpe.

Info

Publication number: DE69104503T2
Application number: DE69104503T
Authority: DE
Inventors: Jorgen Hallundbaek
Original assignee: HTC AS
Current assignee: HTC AS
Priority date: 1990-12-10
Filing date: 1991-12-09
Publication date: 1995-02-09
Anticipated expiration: 2011-12-10
Also published as: ES2065159T3; CA2098103A1; CA2098104A1; NO932099D0; EP0561933B1; US5391059A; WO1992010677A1; DE69104495D1; ATE112614T1; AU9092791A; AU9057291A; RU2078942C1; AU652012B2; NO932099L; DK0564500T3; BR9107216A; EP0564500B1; ATE112613T1; DK292690D0; NO301905B1

Description

Die Erfindung betrifft einen als Motor oder als Pumpe einsetzbare Anordnung mit einem Zylinderblock mit einer Vielzahl von radial angeordneten Zylindern, mit einem Kolben, der in jedem der Zylinder hin und her gleitend beweglich ist, mit einem Nockenring, der mit den Kolben zusammenarbeitet und der am Zylinderblock drehbar gelagert ist, und mit einem Verteilerventil, das mittig im Zylinderblock angeordnet ist, um im Betrieb den Medienstrom in die bzw. aus den Zylindern zu steuern, wobei der Nockenring am Zylinderblock mit wenigstens einem Lager an jeder Seite des Zylinderblocks gelagert ist und der Zylinderblock die Form einer Scheibe hat und die Lager in oder nahe benachbart denjenigen Ebenenen angeordnet sind, die die Seiten der Scheibe enthalten sowie in oder nahe benachbart dem Umfang der Scheibe, und wobei der Zylinderblock und der Nockenring die innere bzw. äußere Laufbahn der Lager ausbilden.
Derartige Anordnungen arbeiten dergestalt, daß bei einer Relativdrehung zwischen dem Nockenring und dem Zylinderblock die Kolben sich in ihre Zylinder hinein und wieder aus ihnen heraus bewegen, wobei eine Rolle oder dergleichen an der Oberseite des Kolbens vorgesehen ist, die über mehrere wellenförmige Nocken an der Innenseite des Nockenringes gefuhrt ist. Diese Konstruktion hat den Nachteil, daß größere relative Drehgeschwindigkeiten nur schwierig zu erreichen sind und daß die Anordnung mit entsprechend großen Abmessungen konstruiert werden muß, um die gewünschte Leistung zu erzielen. Es ist daher häufig schwierig, ubliche derartige Anordnungen in Maschinen mit beschränktem Raum einzubauen oder damit zu verbinden, wie dies beispielsweise bei einer Vorrichtung der Fall ist, die in der internationalen Patentanmeldung der Anmelderin PCT/DK89/00213 für das Bohren von Bohrlöchern unter der Erde beschrieben ist. Wegen des großen Drehmoments am Ausgang der Anordnung bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten liegt es andererseits nahe, d. h. abgesehen von dem großen Raumbedarf der Anordnung, einen Antriebsmotor direkt in die Räder der Bohrvorrichtung einzubauen wie auch bei anderen Anwendungen, wo die speziellen Eigenschaften der Anordnung vorteilhaft eingesetzt werden können.
Die DE-A-2254545 beschreibt eine hydraulische Leistungseinheit mit einem Zylinderblock mit einer Vielzahl von radial positionierten Zylindern, wobei ein Kolben gleitend in jedem der Zylinder hin- und herbeweglich angeordnet ist, wobei weiterhin ein Nockenring mit den Kolben zusammenarbeitet und drehbar am Zylinderblock gelagert ist. Außerdem ist ein Verteilerventil mittig im Zylinderblock angeordnet, um den Medienstrom im Betrieb zu den Zylindern und von den Zylindern hinweg zu steuern, wobei der Nockenring am Zylinderblock mit wenigstens einem Lager drehbar gelagert ist, das an jeder Seite des Zylinderblocks vorgesehen ist. Diese Konstruktion benötigt aber viel Platz, insbesondere in axialer Richtung, so daß sie bei Installationen nicht sehr geeignet ist, bei denen der Raum begrenzt ist.
Die CH-A-488107 beschreibt einen Hydraulikmotor, bei dem der Zylinderblock die Form einer Scheibe hat und wobei die Lager in denjenigen Ebenen positioniert sind, die die Seiten der Scheibe enthalten. Der Zylinderblock und der Nockenring bilden die innere bzw. die äußere Laufbahn des Lages aus. Diese Konstruktion ist aber instabil, weil die Lager nur längs einer Seite des Motors vorgesehen sind, der andererseits axial verhältnismäßig kurz baut.
Keine der zitierten Druckschriften offenbart eine einfache und raumsparende Lösung des Problems, wie ein zentrales Verteiler ventil mit dem Nockenring verbunden werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung mit den Merkmalen des 0berbegriffs von Patentanspruch 1 vorzuschlagen, die sich durch eine stabile und zuverlässig arbeitende Konstruktion auszeichnet, die eine kurze axiale Länge hat, verglichen mit der Kapazität bekannter Anordnungen, und die gleichzeitig einfach und kostengünstig hergestellt werden kann und die zu Wartungs- und Reparaturzwecken leicht auseindergebaut und wieder zusammengesetzt werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß der Zylinderblock und der Nockenring im wesentlichen dieselbe Breite haben und daß der Nockenring und das Verteilerventil über eine scheibenförmige Trägerplatte miteinander verbunden sind, die sich über eine Seite des Zylinderblocks in einem geringen Abstand davon hinaus erstreckt. Durch diese Merkmale wird es ermöglicht, daß die gesamte Anordnung die Gestalt einer verhältnismäßig kleinen Scheibe hat, die daher sehr gut als Antriebsmotor in ein Rad eingebaut werden kann, beispielsweise für die Bohrvorrichtung, die in der vorstehend erläuterten PCT-Patentanmeldung der Anmelderin beschrieben ist.
Die relative Drehrichtung zwischen dem Zylinderblock und dem Nockenring wird durch die Winkellage des Verteilerventils bezogen auf die Nocken bestimmt. In vielen Fällen ist es erwünscht, daß diese Drehrichtung geändert werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Konstruktion mit zwei lösbaren Verbindungen zwischen dem Nockenring und dem Verteilerventil ausgerüstet wird, wobei diese Verbindungen in Positionen angeordnet werden, die ihren jeweiligen relativen Drehlagen entsprechen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die nur Beispiele sind, und zwar unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Es zeigt:
Fig. 1 einen Radialschnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung;
Fig. 2 eine erste Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen
Anordnung in einem Schnitt längs der Linie II-II in Figur 1;
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung in einem Schnitt längs der Linie III-III in Figur 1;
Fig. 4 perspektivisch eine Teilansicht eines dreistückigen Nockenrings als Teil der erfindungsgemäßen Anordnung, und zwar zusammen mit einem Kolben, wobei eine Rolle in einer Rille im Nockenring abrollt;
Fig. 5 vergrößert eine Stirnansicht eines Trägerstiftes mit zwei zueinander winkelig versetzten Blitzen für die Umkehr der relativen Drehrichtung.
Prinzipiell kann die erfindungsgemäße Anordnung mit einem beliebigen Medium arbeiten. Sie kann entweder als Motor oder als Pumpe eingesetzt werden, und zwar abhängig vom Kreislauf des betreffenden Mediums. Die Erfindung wird im folgenden unter der Annahme beschrieben, daß die Anordnung als Motor arbeitet, der durch Hydrauliköl betrieben wird, das über eine Hydrauliköl-Druckquelle zugeführt wird, beispielsweise über eine Hydraulikpumpe.
In Figur 1 ist der Hydraulikmotor 1 als Ganzes bei Pos. 1 dargestellt, und zwar in einem radialen Querschnitt. Bei der dargestellten Ausführungsform hat der Motor acht Kolben 2, die mit Zylindern 3 zusammenarbeiten, die wiederum in einem Zylinderblock 4 vorgesehen sind und die sich radial nach außen erstrecken, und zwar im Winkel gleich weit voneinander beabstandet. Jeder Kolben trägt drehbar eine Rolle 5 in einem Gleitlager 6, das an der Oberseite des Kolbens 2 ausgebildet ist. Ein Nockenring 7 weist sechs wellenförmige Nocken 8 an der Innenseite des Ringes auf und erstreckt sich um die beschriebene Vorrichtung. Die Rollen 5 liegen an den Nocken in jeder beliebigen Lage der Kolben an, wie zeichnerisch dargestellt.
Figur 2 zeigt, daß ein trommelförmiges Verteilerventil 9 mittig im Zylinderblock 4 vorgesehen ist, wobei das Verteilerventil fest mit dem Nockenring 7 verbunden ist, und zwar mit Hilfe einer Trägerplatte 10, die fest mit Hilfe von Schrauben 11 an den Nockenring 7 angeschraubt ist und die mit Hilfe eines Trägerstiftes 12 mit einem Schlitz 13 eine Zunge 14 an einem Kupplungsglied 15 her greifen, das am Verteilerventil 9 befestigt ist. Die Trägerplatte 10 erstreckt sich um einen geringen Abstand über den Zylinderblock 4 hinaus, der daher in Bezug auf den Nockenring 7 frei drehbar ist. Die Trägerplatte 10 hat einen Förderkanal 16 für das Hydrauliköl, das unter Druck von einer Pumpe mit einem Ölreservoir gefördert wird, das das im Kreislauf zurückkehrende Öl über einen Auslaßkanal 17 in der Trägerplatte wieder erhält. Die Kanäle 16, 17 sind im Trägerstift 12 mit einem ersten Satz von Verteilerkanälen 18a verbunden, die über einen zweiten Satz von Verteilerkanälen 18b im Boden des Zylinders 3 den Strom des Öls aus den Kanälen und in die Kanäle steuern. Drei O-Ringe dienen als Sicherung gegen ein Überströmen zwischen den einzelnen Kanälen und nach außen zu den anderen Bauteilen des Motors. Die Anordnung und die Betriebsweise des Verteilerventils als solches sind herkömmlich und werden daher hier nicht weiter beschrieben.
Die Trägerplatte 10 setzt sich in einen Flansch 20 mit Befestigungslöchern 21 zum Befestigen des Motors am Ort des Gebrauchs fort. Bei dieser Ausführungsform ist der Nockenring 7 also stationär, während der Zylinderblock sich dreht, wenn der Motor eingeschaltet ist. Das Drehmoment wird über eine Welle 22 zur Verfügung gestellt, mit der eine Wellenplatte 23 fest verschraubt ist, und zwar am Zylinderblock 4 mit Hilfe von Schrauben 24. Die Anordnung kann auch umgekehrt sein, so daß der Zylinderblock stationär ist und der Nockenring sich dreht, wobei dann die Ausgangswelle an der Trägerplatte vorgesehen ist.
Die Figuren 2 und 3 zeigen, daß der Zylinderblock 4 scheibenförmig ausgebildet ist und lediglich um so viel breiter ist als die Kolben 2 als dies zur Erzielung der notwendigen Festigkeit notwendig ist. Der Nockenring 7 hat etwa dieselbe Breite wie der Zylinderblock 4 und ist daran mit Hilfe von Kugeln 25 drehbar gelagert, die in Rillen laufen, die in einem Gebiet nahe benachbart den Seiten und dem Umfang des scheibenförmigen Zylinderblocks vorgesehen sind, und zwar am Nockenring bzw. am Zylinderblock. Diese bilden daher die innere und äußere Laufbahn eines Lagers aus.
Mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Anordnung des Lagers, das als Winkel-Kontaktlager bei den gezeigten Ausführungsbeispielen konstruiert ist, ist es möglich, seitlich und radial viel größere Lasten zu absorbieren, und zwar wegen des großen Durchmessers, verglichen mit herkömmlichen Konstruktionen. Zusätzlich zu diesem Vorteil ist der Motor sehr kompakt, und zwar in Form einer relativ dünnen Scheibe mit relativ kleinem Durchmesser und relativ kurzer axialer Erstreckung.
In Figur 3 ist eine zweite Ausführungsform eines derartigen Motors gezeigt, der als Rad für die selbst angetriebene Bohrvorrichtung ausgebildet ist, die in der bereits erwähnten Patentanmeldung PCT/DK89/00213 der Anmelderin beschrieben ist. Die Offenbarung dieser älteren Patentanmeldung gehört auch zur Offenbarung der vorstehenden Erfindung. In diesem Fall ist der Zylinderblock 4 stationär, während der Nockenring 7 sich dreht und dazu dient, die Zugkräfte der Bohrvorrichtung zur Wand des Bohrlochs über ein Band 27 aus elastischem Material, beispielsweise aus Gummi, zu übertragen. Der Zylinderblock 4 hängt schwingend an der zeichnerisch nicht dargestellten Bohrvorrichtung mit einer Radplatte 26.
Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Nockenring 7 in drei Ringe unterteilt, die mit Hilfe von Schrauben 28 miteinander verbunden sind. Die drei Ringe bestehen aus einem Mittelring 29 und zwei Seitenringen 30a, 30b. Diese drei Ringe definieren zusammen eine Rille aus, deren Boden die Nocken 8 des Nockenringes 7 enthält und deren Seiten 32a, 32b dazu dienen die Rollen 5 in ihrer axialen Richtung zu führen, wie dies weiter unten noch näher beschrieben wird. Eine entsprechende Rille ist bei der Ausführungsform nach Figur 2 vorgesehen, wo aber der Nockenring nicht in drei Ringe unterteilt ist. Diese Unterteilung bietet den Vorteil, daß der Ring mit der Nockenfläche dadurch billiger hergestellt werden kann und daß der Motor für Wartungsarbeiten und zu Reparaturzwecken von verbrauchten Teilen leichter auseinandergenommen und wieder zusammengesetzt werden kann. Die generelle Anordnung des Rades entspricht im wesentlichen derjenigen der vorher beschriebenen Ausführungsform, auf die daher hiermit Bezug genommen wird.
Figur 4 zeigt, daß die Rolle 5 eine kleinere axiale Länge hat als die Breite des Kolbens 2 aufweist, und zwar aus praktischen Gründen. Der Kolben 2 ist darüber hinaus in einem Gebiet an der Rolle bearbeitet, so daß ein Mittelteil 33 stehenbleibt, der dieselbe Breite wie die Rolle hat, und wobei ein Gleitlager 34 vorgesehen ist, um die Rolle zu stützen. Beim Montieren wird die Rolle vom Ende des Lagers aus nach innen geschoben, wobei die Rolle radial gestützt wird, aber nicht axial. Eine axiale Stütze wird aber im montierten Zustand des Motors durch die Seiten 32a, 32b der Rille ausgebildet, die den gleichen oder einen etwas unterschiedlichen gegenseitigen Abstand einnehmen wie dies die axiale Länge der Rolle ist. Die Seiten 32a, 32b haben auch einen Durchmesser am Mund der Rille, der kleiner ist als die Zylinderfläche, die die Rollen in der Bodenlage der Kolben einhüllt, so daß die Rollen die Rillen an keinem Punkt der Rille verlassen können.
Die Nocken 8 sind im Boden 31 der Rille positioniert, wodurch die nach außen gerichtete Bewegung der Kolben am tiefsten Punkt zwischen den Nocken begrenzt wird, während der Boden des Zylinders die Bewegung nach innen begrenzt. Weil der Mittelteil 33 dieselbe Breite hat wie die axiale Erstreckung der Rolle kann dieser Teil des Kolbens der Rolle in die Rille folgen. Die Bewegung des Kolbens und die Tiefe der Rille überlappen sich hierbei teilweise und verringern den Außendurchmesser des Motors um ein Maß entsprechend dem Zweifachen dieser überlappung. Diese Anordnung und die vorstehend beschriebene Lagerstruktur bieten den Vorteil, daß der erfindungsgemäße Motor mit einem viel kleineren Durchmesser als herkömmliche Motoren dieses Typs konstruiert werden können, die dieselbe Leistung haben. Figur 4 zeigt auch einen Kolbenring 35, um die Kolben 2 in Bezug auf die Zylinder 3 beim Betrieb der Maschine abzudichten.
Figur 5 ist eine Stirnansicht auf eine Ausführungsform des Trägerstiftes oder Kolbenstiftes 12 mit zwei Schlitzen 13a, 13b, die einen derartigen Winkel α miteinander bilden, daß, wenn die Zunge 14 des Kupplungsteils 15 (vgl. Fig. 2) eingreift, sie das Verteilerventil 9 in Positionen positionieren, die ihren jeweiligen entgegengesetzt gerichteten relativen Drehrichtungen entsprechen, die, wenn dies gewünscht wird, einfach und leicht umgekehrt werden können. Der Winkel α ist eine Funktion der Anzahl n der Nocken und der Winkel α kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:
α = ½ x 360º/n + m x 360º/n
wobei m ein ganzzeiliges Vielfaches des Winkels zwischen den beiden Nocken ist. Bei dem zeichnerisch dargestellten Beispiel mit sechs Nocken ergibt sich folgendes:
α = 30º + m x 60º.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist vorstehend als Hydraulikmotor beschrieben, wobei Beispiele gegeben wurden, wie der stationäre Teil, d. h. entweder der Zylinderblock oder der Nokkenring, befestigt wird, und wie das Drehmoment aus dem drehenden Teil abgeleitet werden kann. Die Verbindungen der beiden Teile können aber auch auf andere Art und Weise ausgebildet werden, ohne daß die Erfindung verlassen wird. Dies richtet sich nach dem jeweiligen Einsatzzweck für den Motor im jeweiligen Fall.
Es wurde schon erwähnt, daß dieselbe Grundstruktur wie der vorstehend beschriebene Motor auch als Hydraulikpumpe arbeiten kann, wobei dann entweder der Zylinderblock oder der Nockenring mit Hilfe einer äußeren Kraftquelle gedreht werden, beispielsweise mit Hilfe eines Motors. Auch in diesem Fall ist die kompakte Struktur der Anordnung vorteilhaft, wenn für die Anordnung nur ein begrenzter Raum zur Verfügung steht. Der Arbeitsbereich der Pumpe liegt grundsätzlich bei niedrigen Umdrehungszahlen und die Pumpe ist daher sehr geeignet für Einsatzzwecke, wo die Pumpe in eine Maschine eingebaut werden soll, beispielsweise in eine landwirtschaftliche Maschine mit Abtriebswellen mit geringer Drehzahl zum Antreiben der Pumpe, weil die Pumpe dann direkt verwendet werden kann, ohne dazwischen geschaltete und teuere Getriebe usw.
Es sei auch hervorgehoben, daß die erfindungsgemäße Anordnung als Motor und als Pumpe mit einem beliebigen Medium arbeiten kann. Vorstehend wurde daher Hydrauliköl nur beispielsweise erwähnt. Es kann zum Beispiel auch Luft vorteilhaft als Arbeitsmedium für viele Anwendungszwecke eingesetzt werden, so daß der Motor durch Durckluft betrieben wird und die Pumpe arbeitet dann als Kompressor, der Druckluft erzeugt.

Claims

1. Als Motor oder als Pumpe einsetzbare Anordnung (1) mit einem Zylinderblock (4) mit einer Vielzahl von radial angeordneten Zylindern (3), mit einem Kolben, der in jedem der Zylinder hin und her gleitend beweglich ist, mit einem Nockenring (7), der mit den Kolben (2) zusammenarbeitet und der am Zylinderblock (4) drehbar gelagert ist, und mit einem Verteilerventil (9), das mittig im Zylinderblock (4) angeordnet ist, um im Betrieb den Medienstrom in die bzw. aus den Zylindern (3) zu steuern, wobei der Nockenring (7) am Zylinderblock (4) mit wenigstens einem Lager an jeder Seite des Zylinderblocks gelagert ist und der Zylinderblock (4) die Form einer Scheibe hat und die Lager in oder nahe benachbart denjenigen Ebenenen angeordnet sind, die die Seiten der Scheibe enthalten sowie in oder nahe benachbart dem Umfang der Scheibe, und wobei der Zylinderblock (4) und der Nockenring (7) die innere bzw. äußere Laufbahn der Lager ausbilden, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderblock (4) und der Nockenring (7) im wesentlichen dieselbe Breite haben und daß der Nockenring und das Verteilerventil (9) über eine scheibenförmige Trägerplatte (10) miteinander verbunden sind, die sich über eine Seite des Zylinderblocks (4) in einem geringen Abstand davon hinaus erstreckt.

2. Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei winkelig zueinander versetzte Positionen vorgesehen sind, in denen der Nockenring (7) und das Verteilerventil (9) lösbar miteinander verbunden werden können.