-
Die
Erfindung betrifft einen Gerotor-Motor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Hydraulik-Druckvorrichtungen
sind wirkungsvoll bei der Erzeugung hoher Drehmomente aus relativ
kompakten Einheiten. Ihre Fähigkeit
zur Bereitstellung geringer Geschwindigkeit und eines hohen Drehmoments
macht sie verwendbar für
zahlreiche Anwendungen. Die US-Patente Nr. 3,572,983, 4,285,643,
4,357,133, 4,697,997 und 5,173,043 sind Beispiele für Hydromotoren.
-
Bei
diesen Vorrichtungen entwickeln die Eingangs-/Ausgangsmechanismen,
typischerweise eine Antriebswelle mit Lagern und eine Taumelwelle,
Wärme und
Rückstände wie
zum Beispiel Schlamm (durch die Wärme) und Metallpartikel (durch
den Verschleiß).
Eine Anzahl dieser Vorrichtungen enthält daher Schmiermittel-Kreislaufwege,
um eine Flüssigkeit
kontinuierlich über
diese Eingangs-/Ausgangsmechanismen zu leiten. Beispiele umfassen
U.S. 4,533,302 (welche parasitär
Flüssigkeit
nach außen aus
jeder unter Druck stehenden Volumenkammer abzieht), 4,390,329 (welche
natürlich
auftretende Leckage verwendet), 3,749,195 und 4,480,972 (welche inaktive
Dichtungen verwenden), 3,572,983 und 4,362,479 (welche Kugelventile
verwenden) und 4,285,643 (welche eine der zwei Haupt-Flüssigkeitsanschlüsse verwendet).
-
Im
US-Patent 4,451,217 wird eine drehende Fluiddruckvorrichtung beschrieben,
welche ein Gehäuse
umfaßt,
das Flüssigkeits-Einlaßöffnungen
und -Auslaßöffnungen
aufweist. In dem Gehäuse
befindet sich eine Gerotor-Vorrichtung
mit einem innen verzahnten äußeren Stator
und einem außen
verzahnten Rotor innerhalb des Stators. Der Rotor ist exzentrisch
in bezug auf den Stator angeordnet, so daß beim Drehen des Rotors der
dichte Eingriff zwischen der Außenverzahnung
und der Innenverzahnung auf einer Seite der Exzentrizitätslinie
expandierende Zellen und auf der anderen Seite der Linie kontrahierende
Zellen bildet. Dieses Patent erwähnt
oder beschreibt kein Schmiersystem.
-
Diese
Einheiten nach dem Stand der Technik erfordern jedoch entweder umfangreiche
maschinelle Bearbeitung oder kontaminieren die Hydraulikflüssigkeit
vor ihrer Verwendung in dem Druckmechanismus.
-
Die
vorliegende Erfindung beseitigt diese Probleme.
-
Ziele und
Zusammenfassung der Erfindung
-
Es
ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Hydromotor mit einem
mit Drehzahl drehenden Ventil zu schaffen;
Es ist ein weiteres
Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Schmierung und Kühlung für die drehenden
Antriebsteile eines Hydromotors zu schaffen;
Es ist ein weiteres
Ziel der vorliegenden Erfindung, die Notwendigkeit eines separaten
Gehäuseablaufs für den Hydromotor
zu beseitigen;
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, die
Effektivität
drehend ventilierter Hydromotoren zu steigern;
Es ist noch
ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, die Anpassungsfähigkeit
von Hydromotoren zu steigern;
Diese und andere Ziele werden
durch einen Motor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.
-
Ein
vollständigeres
Verständnis
der Erfindung wird durch Bezugnahme auf die Zeichnungen erreicht,
in denen:
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
1 ist
eine Längsschnittansicht
einer Hydraulik-Druckvorrichtung, welche die Erfindung der Anmeldung
enthält;
-
2 ist
eine Längsschnittansicht
einer alternativen Ausführungsform
eines Hydromotors, der die Erfindung enthält;
-
3 ist
eine seitliche Querschnittansicht durch die Hydraulikdruck erzeugende
Gerotor-Anordnung der 1, im wesentlichen entlang der
Linien 3-3 in dieser Figur;
-
4 ist
eine Stirnansicht der Verschleißplatte
der Ausführungsform
der 1, im wesentlichen entlang der Linie 4-4 in dieser
Figur;
-
5 ist
eine Querschnittansicht der Verschleißplatte der 4,
im wesentlichen entlang der Linie 5-5 in dieser Figur;
-
6 ist
eine veranschaulichende Darstellung der Gerotor-Struktur der 3,
welche der Verschleißplatte
aus 4 mit unterer Totpunktposition des Rotors überlagert
ist;
-
7 ist
eine veranschaulichende Darstellung der Gerotor-Struktur der 3,
welche der Verschleißplatte
aus 4 mit oberer Totpunktposition des Rotors überlagert
ist;
-
8 ist
eine veranschaulichende Darstellung wie 6 der Gerotor-Struktur aus 3 mit Schmierflüssigkeitsdurchgängen in
dem Rotor anstelle der Verschleißplatte;
-
9 ist
eine veranschaulichende Darstellung wie 7 der Gerotor-Struktur der 3 mit Schmierflüssigkeitsdurchgängen in
dem Rotor anstelle der Verschleißplatte;
-
10 ist
eine Stirnansicht der Verteilerplatte der Ausführungsform der 1,
allgemein gemäß den Linien
10-10 hierin;
-
11 ist
eine seitliche Stirnansicht der Rückseite der Verteilerplatte
der 10, im allgemeinen entlang den Linien 11-11 in 12;
-
12 ist
eine seitliche Querschnittsansicht der Verteilerplatte der 10,
allgemein gemäß den Linien
12-12 darin;
-
13–17 sind
selektive Querschnittansichten von Platten in dem Drehventil der
Gerotor-Vorrichtung der 1;
-
18 ist
eine Oberflächenansicht
des Vorspannkolbens der Vorrichtung der 1, allgemein gemäß den Linien
18-18 darin;
-
19 ist
eine Querschnittansicht des Vorspannkolbens der 18,
allgemein gemäß den Linien
19-19 in dieser Figur;
-
20 ist
eine perspektivische Zeichnung, welche die in der entsprechenden
Reihenfolge und Anzahl voneinander getrennten Platten des Ventils zeigt;
und
-
21 ist
eine modifizierte Vergrößerung der 7,
bei der die bevorzugten Parameter der Erfindung herausgestellt sind.
-
Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
-
Diese
Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte Druckvorrichtung. Die
Erfindung wird in ihrer bevorzugten Ausführungsform einer Gerotor-Druckvorrichtung
beschrieben, welche ein von der Gerotor-Struktur separates Drehventil
aufweist. Verständlicherweise
wird diese Vorrichtung als Motor oder Pumpe wirken, abhängig von
der Art seiner Fluidanschlüsse
und mechanischen Anschlüsse.
-
Die
Gerotor-Druckvorrichtung 10 enthält ein Lagergehäuse 20,
eine Antriebswelle 30, eine Gerotor-Struktur 40,
einen Verteiler 60, einen Ventilabschnitt 80 und
eine Anschlußplatte 110.
-
Das
Lagergehäuse 20 dient
dazu, die Antriebswelle 30 physisch zu stützen und örtlich festzulegen
sowie typischerweise zum Montieren der Gerotor-Druckvorrichtung 10 für ihre vorgesehene
Verwendung (z.B. ein Zementmixer, Rasenmäher, Winde oder andere Anwendung).
-
Das
besondere Lagergehäuse
der 1 enthält
einen mittleren Hohlraum 25, der zwei Kegelrollenlager 21 aufweist,
die darin drehbar die Antriebswelle tragen. Eine Wellendichtung 22 ist
zwischen dem Lagergehäuse 20 und
der Antriebswelle 30 eingefügt, um das hydraulische Arbeitsfluid
in dem Lagergehäuse 20 zu
halten. Aufgrund des später
beschriebenen integrierten Gehäuseablasses
für den Hohlraum 25 innerhalb
des Lagergehäuses 20 kann diese
Wellendichtung 22 eine Dichtung für relativ niedrigen Druck sein.
Der Grund hierfür
ist, daß der später beschriebene
Ablaß den
Druck der Flüssigkeit in
dem Hohlraum 25 von dem vollen Betriebsdruck, typischerweise
137,901–275,801
bar (2000–4000 PSI),
auf eine besser handhabbare Größe, typischerweise
6,895–13,790
bar (100–200
PSI), reduziert. Die Verwendung von Kegelrollenlagern 21 in
der Druckvorrichtung fördert
die Bewegung von Flüssigkeit
im Hohlraum 25 aufgrund der Tatsache, daß die Lager 21 inhärent Flüssigkeit
von ihrem Abschnitt mit kleinem Durchmesser zu ihrem Abschnitt mit
großem Durchmesser
befördern.
Dies vereinfacht die Schmierung und Kühlung der kritischen drehenden Komponenten
in der Vorrichtung. Zwei Löcher 23 mit großem Durchmesser,
etwa 15,9 mm (5/8'') im Durchmesser,
zwischen den Lagern 21 erlauben der Flüssigkeit, zur Innenseite der
Antriebswelle 30 nahe der Antriebsverbindung zu der später beschriebenen Taumelwelle 36 zu
gelangen. Zusätzlich
zu oben Gesagtem vereinfacht eine Reihe von radialen Löchern 32 am
Kopfende der Antriebswelle weiter die Bewegung von Flüssigkeit
innerhalb des Hohlraums 25 über die Lager 21 (siehe
U.S. 4,285,643 für
eine weitergehende Erläuterung).
-
Eine
Verschleißplatte 27 komplettiert
das Lagergehäuse 20.
Diese Verschleißplatte
ist ein von dem Lagergehäuse 20 getrenntes
Teil. So kann sie aus anderen Materialien als das Gehäuse selbst
hergestellt sein. Ferner hat die Verschleißplatte 27 eine axiale
Länge,
die etwas größer ist
als der Hohlraum 28, in welchen sie eingefügt ist (0,076
mm (0,003'') größer in der
offenbarten Ausführungsform).
Dieser Abstand ist so gewählt,
daß der
Stator 41 der später beschriebenen
Gerotor-Struktur 40 beim Aufbringen eines Drehmoments auf
die longitudinalen Montageschrauben, welche die Vorrichtung 10 zusammenhalten,
in Kontakt mit dem Lagergehäuse 20 außerhalb der
Verschleißplatte 27 ist.
Dies ermöglicht
der Verschleißplatte 27,
axial zwischen der später
beschriebenen Gerotor-Struktur 40 und dem Rest des Lagergehäuses 20 festgeklemmt
zu sein und folglich dazu zu dienen, die Leckage aus den Druckzellen
der Gerotor-Struktur zu reduzieren. Dies verbessert die Wirksamkeit
des Gerotor-Motors. Die Verschleißplatte 27 dient zusätzlich dazu,
die Lager 21 an ihrem Platz in Bezug auf das Lagergehäuse 20 zu
halten.
-
Bei
der offenbarten besonderen Ausführungsform
ist das Lagergehäuse 20 aus
spanend bearbeitetem Gußmetall
hergestellt, wogegen die Verschleißplatte 27 ein Gesenk-gepreßtes Pulvermetallteil
ist. Die inhärente
Porosität
der Verschleißplatte läßt Ölimprägnierung
zu, um die Reibung zu reduzieren und die Lebensdauer der Einheit
zu steigern.
-
Die
Antriebswelle 30 ist in dem Lagergehäuse 20 durch die Lager 21 drehbar
gehalten. Diese Antriebswelle dient dazu, die später beschriebene Gerotor-Struktur 40 außen an der
Gerotor-Druckvorrichtung 10 anzuschließen. Dies ermöglicht die
Erzeugung von drehender Leistung (wenn die Vorrichtung als Motor
verwendet wird) oder die Herstellung von Fluidleistung (wenn die
Vorrichtung als Pumpe verwendet wird). Wie zuvor beschrieben, erleichtern
die radialen Löcher 23 und
das in die radiale Oberfläche der
Antriebswelle 30 gebohrte Loch 32 die Bewegung von
Flüssigkeit
durch den gesamten Hohlraum 25, um so die Schmierung und
Kühlung
der darin enthaltenen Komponenten weiter zu steigern.
-
Die
Antriebswelle 30 enthält
eine mittlere axial angeordnete Aushöhlung mit darin geschnittener Innenverzahnung 35.
Die Aushöhlung
schafft Raum für
die Taumelwelle 36, wobei die Innenverzahnung 35 treibend
die Antriebswelle 30 mit dieser Taumelwelle 36 verbindet.
Zusätzliche
Zähne 37 am
anderen Ende der Taumelwelle verbinden die Taumelwelle 36 treibend
mit dem Rotor 45 der später
beschriebenen Gerotor-Struktur und schließen so die Kraftübertragungsverbindung
der Vorrichtung ab. Ein über
die gesamte Länge
entlang der Längsachse
der Taumelwelle 36 gebohrtes mittleres Loch ist ein möglicher Zusatz,
um weiter die Fluidbewegung durch die Vorrichtung zu erleichtern.
-
Die
Gerotor-Struktur 40 ist der hauptsächliche Leistungserzeugsmechanismus
der Druckvorrichtung 10.
-
Die
besondere offenbarte Gerotor-Struktur 40 enthält einen
Stator 41 und einen Rotor 45, welche zusammen
Gerotor-Zellen 47 bilden. Wenn diese Zellen 47 verschiedenen
Druckdifferenzen durch das später
beschriebene Ventil ausgesetzt werden, wird die Leistung der Druckvorrichtung 10 erzeugt.
-
Dies
erfolgt, da die Drehachse 46 des Rotors zur mittleren Achse 42 des
Stators verlagert ist (die Taumelwelle 36 gleicht diese
Verlagerung aus).
-
Bei
der Erfindung dieser vorliegenden Anmeldung ist ein Weg für die kontrollierte
Leckage entlang mindestens einer flachen Oberfläche des Rotors und/oder einem
angrenzenden Teil zwischen mindestens einer unter relativem Überdruck
stehenden Gerotor-Zelle und dem mittleren Bereich oder dem Hohlraum
der Vorrichtung vorgesehen (unter relativem Überdruck stehend bedeutet,
daß der
Flüssigkeitsdruck
ausreichend größer als
der des mittleren Bereichs der Vorrichtung ist, damit Flüssigkeit
von der Zelle dort hinein strömt).
Dieser Leckageweg kann auf jeder oder beiden der aneinandergrenzenden
Oberflächen
angeordnet sein. Während
sich der Rotor 45 aufgrund der kreisenden Bewegung des
Rotors um die mittlere Achse 42 des Stators bewegt, definieren
die inneren Täler 48 zwischen
den Nocken des Rotors einen inneren Grenzkreis 49 auf dem
angrenzenden Teil (siehe 21; es
ist anzumerken, daß dieser
innere Grenzkreis 49 in den Hauptfiguren 1–20 der
bevorzugten Ausführungsform
im wesentlichen gleich dem Durchmesser der mittleren Öffnung 51 der
Verschleißplatte 27 dargestellt
ist. Dies ist am besten in 1 zu sehen.
Der Grund hierfür
ist, daß der
tatsächliche
Unterschied zwischen den beiden in der offenbarten Ausführungsform
lediglich 0,457 mm (0,018'') (32,969 mm gegenüber 32,512
mm (1,298'' gegenüber 1,280'')) ist. Bei anderen Vorrichtungen können die
beiden deutlicher unterschiedlich sein. Siehe 21 für eine offensichtlichere
Unterscheidung). Dieser innere Kreis 49 definiert die innerste
Erstreckung, welche durch die Täler 48 zwischen
den Rotornocken (und somit durch die Gerotor-Zellen 47) überstrichen
werden. Bei der Erfindung der vorliegenden Anmeldung sind Flüssigkeitsdurchgänge 50 vorgesehen,
die sich zumindest von diesem inneren Kreis 49 bis zum
mittleren Bereich 52 in der Druckvorrichtung 10 erstrecken.
Dies ermöglicht,
daß eine
Menge von Flüssigkeit
parasitär aus
den Zellen 47 mit relativ höherem Druck abgeleitet werden
kann, um in den mittleren Bereich 52 zu gelangen. Dies
dient gleichzeitig der Schmierung der kritischen beweglichen Teile
der Druckvorrichtung 10 und zusätzlich zur Schaffung einer
Kühlfunktion
für diese.
-
Vorzugsweise
erstreckt sich ein Leckageweg von wenigstens einer Gerotor-Zelle 47 mit
relativ höherem
Druck (nachfolgend vorzugsweise eine Vielzahl aufeinanderfolgender
Zellen) zu einer Öffnung, die
nicht größer als
dieser innere Kreis 49 ist. Obwohl jede Zelle mit höherem Druck
gewählt
werden könnte,
ist bevorzugt, daß eine
Zelle 47 neben einer inaktiven Zelle verwen det wird (eine
inaktive Zelle ist eine Zelle, die mit keinem der Anschlüsse verbunden
ist, eine Zelle, die bei vorherigem Anschluß an höheren Druck diesen bewahren
würde,
bis sie an einen niedrigeren Druck angeschlossen wird). Dies schafft
eine flüssigere
Strömung
als die inaktive Zelle ohne erhebliche Verluste an volumetrischem
Wirkungsgrad.
-
Wenn
der kontrollierte Leckageweg an einem stationären Teil (wie zum Beispiel
der Verschleißplatte)
angeordnet ist, muß der
Weg sich nach außen
mindestens bis zur inaktiven Zelle bei im oberen Totpunkt befindlichem
Rotor (wie in 7 gezeigt) erstrecken. Idealerweise
erstreckt sich die äußere Erstreckung
dieses Leckagewegs über
eine Distanz, die geringer ist als die durch die äußeren Spitzen
der Rotornocken 44 überstrichene,
um eine Dichtung für
den größten Teil
des Hochdrucks in der Vorrichtung zu schaffen. Der Grund hierfür ist, den Verlust
volumetrischen Wirkungsgrades zu reduzieren, der auftreten würde, wenn
alle Zellen in Strömungsverbindung
mit dem mittleren Bereich der Vorrichtung (und ebenfalls miteinander über die
anderen Leckagewege) wären,
obwohl unter bestimmten Umständen
eine derartige Verbindung wünschenswert sein
kann (z.B. kleine Leckagewege und/oder Erfordernis größerer Flüssigkeitsströmung).
-
Es
ist bevorzugt, daß der
Leckageweg sich ebenfalls in eine angrenzende Zelle erstreckt, um eine
kontinuierliche Quelle von Schmierflüssigkeit mit relativ höherem Druck
sicherzustellen (die Zelle bei 10:30 in der bidirektionalen Druckvorrichtung
der 1 und 7, angenommen, daß sie die
nächste unter
Druck gesetzte ist – in
einer bekannten unidirektionalen Druckvorrichtung würde nur
eine gebraucht). Es wird ferner bevorzugt, daß der Weg sich derart erstreckt,
daß bei
im unteren Totpunkt befindlichem Rotor (wie in 6 dargestellt)
angrenzende Wege sich in die im Übergang
befindliche Zelle 54 (bei 11:00 in 6) erstrecken,
mit der Verbindung zu einer weiteren Zelle 55, die gerade
anfängt
zu lecken (bei 9:30 in 6) (wiederum annehmend, daß die nächste unter
Druck steht). Diese zusätzlichen Verbindungen
erleichtern, obwohl sie nicht zwingend erforderlich sind, die Schmierfunktion
der Vorrichtung. Es ist zu beachten, daß die nach innen gerichtete
Erstreckung der Leckagewege in einem stationären Teil nicht kritisch ist,
so lange wie sie ausreichend ist, um in den mittleren Hohlraum der
Druckvorrichtung zu reichen, wenn der Leckageweg aktiv ist. Zusätzliche Erstreckungen
nach innen würden
nicht den Betrieb der Vorrichtung gefährden.
-
Bei
dieser bevorzugten Ausführungsform werden
nur 1,89 l (0,5 gal.) pro Minute verwendet. Die Anzahl der Zellen
mit Leckagewegen wird so auf einem Minimum gehalten, um eine kontinuierliche Strömung zu
schaffen. Diese kontinuierliche Strömung schafft eine konstante
Schmierungsfunktion.
-
Die
Parameter hinter diesem Leckageweg werden beispielhaft in 21 aufgeführt. Diese
Figur ist ähnlich
der 7, wobei der Durchmesser 51A des mittleren
Bereichs 52 aus Gründen
der Klarheit der Erläuterungen
reduziert ist. Der erste Parameter ist der Radius 1 des inneren
Grenzkreises 49, der durch die Täler 48 zwischen den
Rotornocken 44 definiert wird. Dieser Radius 1 definiert
die Erstreckung der Gerotor-Zellen 47 nach innen in Richtung
der mittleren Längsachse 42 der
Gerotor-Druckvorrichtung 10. Der zweite Parameter ist der
Radius 2 der mittleren Öffnung 51,
welche die äußere Erstreckung des
mittleren Bereichs 52 definiert. Dieser Radius 2 definiert
den Ort, bis zu dem sich der Leckagedurchgang 50 erstrecken
muß, um
Schmierung für
diesen Bereich 52 bereitzustellen. Dieser Radius 2 wird
erheblich in Abhängigkeit
von der Vorrichtung variieren. Der Leckagedurchgang 50 selbst
erstreckt sich von 49 bis 51 (51A in 21) über die
Distanz 3 (d.h. Radius 1 minus Radius 2). Eine weitere Erstreckung
außerhalb
des inneren Grenzkreises 49 verbindet diesen Leckagedurchgang
mit seiner entsprechenden Gerotor-Zelle früher und für eine längere Zeit (abhängig von
einer kontinuierlichen Leckage, wenn über die äußere Position der Gerotor-Nocken 44 hinaus erstreckt).
Ein Beispiel hierfür
wäre die
Erstreckung des Durchgangs 50 entlang des Vektors 4. Mit
dieser Erstreckung würde
die entsprechende Gerotor-Zelle mit dem mittleren Bereich 52 verbunden
sein, bevor sie eine inaktive Tasche wird, und würde länger verbunden bleiben, als
es der Fall wäre,
wenn die Erstreckung entlang dieses Vektors 4 am inneren Grenzkreis 49 geendet
hätte.
Es ist bevorzugt, die seitliche Verlängerung 56 zu vergrößern (oder
mehrere Durchgänge
pro Zelle zu verwenden) in Kombination mit einer mäßigen weiteren
Erstreckung nach außen,
um die Schmierung zu optimieren, ohne unnötig den volumetrischen Wirkungsgrad
zu beeinträchtigen.
(Ein ähnlicher
Faktor könnte
angepaßt werden,
indem nicht für
jede Gerotor-Zelle ein Durchgang vorgesehen wäre).
-
Die
Konstruktionstechnik ist ähnlich
für die später beschriebenen
Leckagewege in dem Rotor (8 und 9).
Der einzige Unterschied ist, daß die
Durchgänge
sich nach innen in den Rotor von den Rotortälern 48 zur mittleren Öffnung 51 (51A)
erstrecken, um diese zu kontaktieren. Vorzugsweise wird dies in
der Mitte der Täler 48 erreicht,
um einen symmetrischen bidirektionalen Betrieb zu schaffen.
-
Bei
der bevorzugten Ausführungsform
der 1 sind die Leckagedurchgänge 50 "T"-Schlitze, welche in die stationäre Verschleißplatte 27 übereinstimmend
mit der Mitte der Gerotor-Taschen (siehe 6 und 7)
geschnitten sind. Wenn die Schlitze so angeordnet sind, befindet
sich ein Schlitz in Verbindung mit der inaktiven Tasche in einem
Rotor in der oberen Totpunktstellung (7), wobei
ein zweiter aktiverer Schlitz 53 in den mittleren Bereich 52 der
Druckvorrichtung leckt (welcher Schlitz von dem darin herrschenden
Flüssigkeitsdruck
abhängt – ich habe
wiederum 53 als Beispiel gewählt). In einer entsprechenden
unteren Totpunktposition (6) erstreckt
sich ein Schlitz zu einer Zelle im Übergang 54 zu einer
inaktiven Tasche, und ein zweiter Schlitz beginnt gerade, sich mit
einer aktiveren Zelle 55 zu verbinden (wiederum habe ich 54 bzw. 55 als
Beispiel gewählt).
In beiden Fällen
kann ein geringfügiger Rückfluß in Zellen
mit niedrigerem Druck als der mittlere Bereich auftreten, abhängig von
den relativen Drücken.
Allerdings sollte aufgrund des Gehäuseablasses diese Leckage minimal
sein.
-
Die
radiale Verlängerung 56 am äußeren Ende
der Durchgänge 50 ermöglicht eine
gesteigerte Menge an Leckage zu einer bestimmten Zelle über eine
längere
Zeitperiode als mit einem geraden, sich seitlich erstreckenden Durchgang 50 (d.h.
ohne die radiale Verlängerung 56)
möglich
wäre. Dies
vereinfacht die Kontinuität
der Strömung
der Schmierflüssigkeit
in den mittleren Bereich 52 der Vorrichtung. Die Länge dieser
Verlängerung 56 kann
angepaßt werden,
um die Verbindungszeit zu einer bestimmten Zelle und die Anzahl
verbundener Zellen und somit die Menge der Leckage zu verändern.
-
Der
Ort der Durchgänge 50 in
der Verschleißplatte 27 wird
der Anordnung in dem später beschriebenen
Verteiler bevorzugt, aufgrund ihrer relativen Nähe zu den drehenden Teilen
der Gerotor-Druckvorrichtung 10 sowie ihrer axialen Trennung von
dem später
beschriebenen Druckreduktions-Gehäuseablaß-Mechanismus in dem Drehventil des Ventilabschnitts 80.
Bei anderen Vorrichtungen (wie z.B. eine mit einem vorderen Gehäuseablaß) kann der
Verteiler bevorzugt sein.
-
Die
besondere offenbarte Verschleißplatte ist
76,2 mm (3'') im Durchmesser
und 16,510 mm (0,650'') dick. Sie enthält eine
mittlere Öffnung
von etwa 32,512 mm (1,280'') Durchmesser zusätzlich zu einem
umgebenden Lager-Freistich
von etwa 50,8 mm (2'') Durchmesser. Sieben
Vertiefungen 29 mit einem Durchmesser von etwa 9,525 mm
(0,375'') und einer Tiefe
von 0,762–1,016
mm (0,030–0,040'') sind gleichmäßig beabstandet um den Durchmesser
auf einem Kreis mit einem Durchmesser von 58,42 mm (2,3'') angeordnet und zu der mittleren Achse
der Rollen 43 der Gerotor-Struktur 40 ausgerichtet.
Zusätzlich
sind sieben Ausgleichsvertiefungen 30 mit einer Breite
von etwa 10,16 mm (0,40'') und einer Tiefe
von etwa 6,35 mm (0,25'') gleichmäßig beabstandet
um die Verschleißplatte
auf dem gleichen Durchmesser wie die Vertiefungen 29 angeordnet.
Die Tiefe dieser Ausgleichsvertiefungen 30 ist die gleiche
wie die der Vertiefungen 29. Zusätzlich zu oben Gesagtem erstrecken
sich die Durchgänge 50 etwa
6,35 mm (0,25'') von der mittleren Öffnung in
der Verschleißplatte,
etwa 0,508 mm (0,020'') in der Breite und
etwa 0,508–0,635
mm (0,020–0,025'') in der Tiefe. Der "T"-Abschnitt 56 am
oberen Ende dieser Durchgänge 50 erstreckt
sich über
6,604 mm (0,260'') in radialer Breite
und 0,508 mm (0,020'') in axialer Breite.
Wiederum beträgt
die Tiefe dieser Durchgänge 50 zwischen
0,508–0,635
mm (0,020–0,025''). Bei verschiedenen Vorrichtungen mit
unterschiedlichen Parametern würden
diese Dimensionen sich ändern.
-
Bei
einer hydraulischen Gerotor-Druckvorrichtung wie der dargestellten
treten drei Basis-Druckniveaus in den Gerotor-Zellen auf: eine Gruppe
Gerotor-Zellen ist mit höherem
Druck verbunden, eine Gruppe Gerotor-Zellen ist mit niedrigerem
Druck verbunden, und eine Gerotor-Zelle, die inaktive Zelle, ist
weder mit höherem
noch mit niedrigerem Druck verbunden. Bei der Erfindung der vorliegenden
Anmeldung ziehen die Durchgänge 50 parasitär Hochdruckflüssigkeit
aus den Gerotor-Zellen 47 ab, welche relativ höherem Druck
als der mittlere Bereich ausgesetzt sind, und liefern so die gewünschte Schmier-
und Kühlflüssigkeit
für den
Rest der Vorrichtung. Bei der offenbarten bevorzugten Ausführungsform
erfolgt diese Leckage aus der Gerotor-Zelle, die sowohl hohem Druck ausgesetzt
ist als auch zusätzlich
sich ihrer maximalen volumetrischen Größe nähert, so daß die gewünschte Schmierung ohne übermäßige Beeinträchtigung
des volumetrischen Wirkungsgrades der Druckvorrichtung erzeugt wird. Ein
Beispiel hierfür
ist in 6 ersichtlich, in der zum Beispiel die Zelle 54 bei
11:00 mit den Durchgängen 50 verbunden
ist, wogegen die anderen Hochdruckzellen bei 7:30 und 9:30 dieses
nicht sind (obwohl, wie zuvor ausgeführt, die Zelle 55 bei
9:30 gerade anfängt,
verbunden zu sein). Aufgrund der Tatsache, daß diese Zellen dem vollen Betriebsdruck
ausgesetzt sind, etwa 137,901–275,801
bar (2000–4000 PSI),
während
sich der mittlere Bereich 52 der Gerotor-Vorrichtung unter
einem niedrigeren Druck befindet, vielleicht 13,709 bar (200 PSI),
wird Flüssigkeit leicht
durch die Durchgänge 50 von
dieser Gerotor-Zelle zu dem mittleren Bereich 52 strömen und
so die gewünschte
Schmier- und Kühlflüssigkeit
bereitstellen.
-
7 zeigt
die Erfindung noch näher,
insbesondere in Bezug auf den Nutzen des "T"-Abschnitts 56 am
oberen Ende der Durchgänge 50.
Genauer gesagt und wie bei der Zelle 53 bei etwa 10:30
erkennbar, war aufgrund des "T"-Abschnitts 56 eine Verbindung
mit den Hochdruck-Gerotor-Zellen früher vorhanden, als diese auftreten
würde,
wenn die Vorrichtung allein die sich radial erstreckenden Durchgänge 50 verwenden
würde.
Folglich steigern die oberen Endabschnitte des "T" die
Verweilzeit der Kommunikation zwischen den Hochdruck-Gerotor-Zellen
und dem mittleren Bereich 52 der Gerotor-Vorrichtung, wodurch
eine kontinuierlichere Strömung
von Schmier- und Kühlflüssigkeit
dorthin sichergestellt wird. Wie in 6, reduzieren
die Verbindungen bei 12:00 und 1:30 nicht erheblich den volumetrischen Wirkungsgrad
des Gerotor-Motors aufgrund der Tatsache, daß diese Zellen inaktiv sind
(die Zelle bei 12:00) oder mit einem Bereich relativ niedrigen Drucks
verbunden sind (die Zelle bei 1:30). Es ist zu beachten, daß bei Vorrichtungen
ohne separaten Gehäuseablaß der mittlere
Bereich 52 der Gerotor-Druckvorrichtung 10 mit
dem Anschluß für relativ niedrigen
Druck durch diese kontrahierenden Rotor-Zellen verbunden wäre – das bedeutet
eine Rückströmung von
Flüssigkeit
zu den Zellen durch die hiermit verbundenen Leckagewege 50.
Bei bestimmten Anwendungen kann dies trotz der hiermit verbundenen
Probleme (wie z.B. kürzere
Lebensdauer der Gerotor-Struktur) nützlich sein.
-
Es
ist zu beachten, daß,
obwohl die Durchgänge 50 in
einer Anordnung in einem stationären Teil,
der Verschleißplatte 27,
dargestellt sind, diese alternativ oder zusätzlich auch in dem Rotor 45 angeordnet
sein könnten,
so lange die gleichen Bedingungen erfüllt sind – d.h., es ist ein Leckageweg
von wenigstens einer Gerotor-Zelle 47 mit relativ hohem Druck
in den mittleren Bereich 52 der Vorrichtung vorgesehen.
Dies könnte
durch Anordnen kleiner, sich nach innen erstreckender Durchgänge 50A in dem
Rotor 45 erreicht werden, vorzugsweise an dem Tal 48 zwischen
seinen Nocken, ausreichend lang genug, damit zumindest einer sich
in den mittleren Bereich 52 (Öffnung 51 der dargestellten
Verschleißplatte 27)
erstreckt und so für
die gewünschte
Leckage sorgt. Vorzugsweise sind mindestens zwei verbunden aus Gründen, die
in bezug auf die stationäre Ausführungsform
erläutert
sind.
-
Ein
Beispiel für
diese letztere Konstruktion ist in den 8 und 9 gegeben,
welche Rotor-Positionen ähnlich
den 6 und 7 verwenden. Bei dieser Einheit
sind die Durchgänge 50A in
dem Rotor 45 statt in der Verschleißplatte 27 angeordnet.
Bei dieser Ausführungsform
erstrecken sich die Durchgänge 50A von
dem Tal 48 zwischen zwei benachbarten Rotornocken nach
innen über
eine bestimmte Strecke. Die bestimmte Strecke wird derart gewählt, daß mindestens
ein Durchgang 50A mit dem mittleren Bereich 52 der
Gerotor-Druckvorrichtung verbunden ist, während die entsprechende Zelle 47 relativ höheren Druck
enthält.
Durch weiteres Erstrecken der Länge
des Durchgangs 50A nach innen würden mehr Zellen 47 mit
dem mittleren Bereich 52 verbunden werden. Es ist bevorzugt,
daß diese
alternativen Durchgänge 50A wie
dargestellt ausgerichtet sind, um die gleiche Gesamtwirkungsweise
wie die zuvor beschriebenen 6 und 7 zu
schaffen. Zusätzlich
würde eine
Steigerung der Breite und Tiefe der Durchgänge die Menge der von einer
beliebigen bestimmten Zelle 47 zum mittleren Bereich 52 hindurchtretenden
Flüssigkeit
steigern. Bei der offenbarten Ausführungsform erstrecken sich
die Durchgänge 50A etwa
5,08 mm (0,20'') in der Länge und
sind wiederum etwa 0,508 mm (0,02'')
breit und 0,508–0,635 mm
(0,020–025'') tief.
-
Es
ist bevorzugt, daß irgendein
Gehäuseablaß vorgesehen
ist, um eine effektive Schmierströmung durch die Vorrichtung
zu ermöglichen.
Dieser Gehäuseablaß kann durch
einen Durchgang zu einem bestimmten Gehäuseablaß-Anschluß mittels einer Reihe von mit
Ventilen versehenen Durchgängen zu
den später
beschriebenen inneren und äußeren Anschlüssen geschaffen
werden (wobei das Ventil/die Ventile eine Verbindung zu dem Anschluß mit einem
niedrigeren relativen Druck sicherstellt/sicherstellen) oder auf
andere Weise, wie im Stand der Technik bekannt ist. Bei der bevorzugten
Ausführungsform
wird dieser Gehäuseablaß von Durchgängen in
dem Hauptventil 81 für
die Vorrichtung geschaffen (Durchgänge werden später beschrieben).
-
Der
Verteiler 60 in der Anschlußplatte 100 dient
dazu, eine Fluidverbindung des später beschriebenen Ventils zu
den Gerotor-Zellen 47 der Gerotor-Struktur 40 zu schaffen und
so die Leistung für die
Druckvorrichtung 10 zu erzeugen.
-
Bei
der offenbarten besonderen Ausführungsform
ist eine Phasenkompensation nicht erforderlich, da das Ventil ein
Drehventil ist. So können
die mit Ventilen versehenen Durchgänge 62 gerade durch
den Verteiler 60 verlaufen. Der offenbarte besondere Verteiler
enthält
Vertiefungen 64, die direkt zu den Rollen 43 des
Stators 41 zentriert sind. Diese dienen dazu, den axialen
Druck auf diese Rollen 43 zu reduzieren (entsprechende
Vertiefungen 29 in der Verschleißplatte 27 erfüllen eine ähnliche
Funktion am anderen Ende der Rollen 43). Zusätzlich sind
die Verteileröffnungen 63 an
ihrer Verbindung mit den Gerotor-Zellen 47 ausgedehnt relativ
zu den Öffnungen 61 der
mit Ventilen versehenen Durchgänge 62 an
der anderen Seite dieses Verteilers (man vergleiche 10 mit 11).
(Ausgleichsvertiefungen 30 in der Verschleißplatte 27 dienen
dazu, den Druck an der anderen Seite des Rotors 45 teilweise
auszugleichen). Wie bei der Verschleißplatte 27 ist die
axiale Länge
des Verteilers 60 größer als
die axiale Länge des
Hohlraums 65 in der Anschlußplatte, in der er aufgenommen
ist, wiederum um etwa 0,076 mm (0,003'')
bei der offenbarten bevorzugten Ausführungsform. Dies dient dazu,
die Gerotor-Struktur 40 mit im wesentlichen gleichem Druck
auf ihren beiden Seiten einzuklemmen und so die Leckage zu reduzieren
und den Gesamtwir kungsgrad der Druckvorrichtung zu verbessern. Ähnlich besteht
der Verteiler 60 aus einer Pulver-Metall-Konstruktion aus
den zuvor erläuterten
Gründen.
-
Der
Ventilabschnitt 80 verbindet selektiv die Gerotor-Struktur
mit den Druck- und Rücklaufanschlüssen.
-
Das
besondere offenbarte Ventil 81 weist eine Mehrfach-Plattenkonstruktion
auf, welche eine selektive Zusammenstellung von fünf verschiedenen Platten
(13–17, 20)
umfaßt.
Das besondere Ventil 81 ist eine Elf-Platten-Zusammenstellung
von zwei Verbindungsplatten 82, fünf Übertragungsplatten 83–84,
einer einzigen radialen Übertragungsplatte 85 und
drei Entlastungsplatten 86. Aufgrund der Verwendung einer
Vielzahl von Platten wird die Querschnittsfläche jeder zum Flüssigkeitsdurchtritt
verfügbaren Öffnung über diejenige
hinaus gesteigert, die verfügbar
wäre, wenn
nur eine einzige Platte jedes Typs verwendet würde.
-
Die
Verbindungsplatte 82 enthält einen segmentierten inneren
Bereich 88, der direkt mit einem inneren Anschluß 111 in
der Anschlußplatte 110 verbunden
ist. Die Verbindungsplatte 82 enthält auch sechs äußere Bereiche 89,
die mit dem Außenanschluß 113 verbunden
sind. Die Platte dient so hauptsächlich
zur Verbindung des Ventils 81 mit den Druck- und Rückflußanschlüssen der
Gerotor-Druckvorrichtung 10.
-
Um
die erforderlichen alternierenden Durchgänge 105, 106 in
den Entlastungsplatten 86 zu schaffen, verlagern die ersten
und zweiten Übertragungsplatten 83, 84 die
Flüssigkeit
von den inneren 88 und äußeren 89 Bereichen.
-
Die
erste Übertragungsplatte 83 enthält eine Reihe
von drei ersten Zwischendurchgängen 90,
welche dazu dienen, die Übertragung
von Flüssigkeit von
dem inneren Bereich 88 nach außen zu beginnen. Sie enthält auch
eine Reihe von sechs zweiten nach außen gerichteten Durchgängen 91,
welche mit den äußeren Bereichen 89 in
der Verbindungsplatte kommunizieren, um Flüssigkeit seitlich zu übertragen.
Da der Außenanschluß 113 direkt
das Ventil 81 umgibt, dienen diese nach außen gerichteten
Durchgänge 91 auch
dazu, die Außenanschlüsse 113 zu verbinden.
-
Eine
zweite Übertragungsplatte 84 komplettiert
die Bewegung der Flüssigkeit
von den inneren und äußeren Bereichen
der Verbindungsplatte 82. Dies wird durch eine Reihe von
drei zweiten Zwischendurchgängen 93 erreicht,
welche dazu dienen, die radiale Bewegung der Flüssigkeit von dem inneren Bereich 88 der
Verbindungsplatte 82 zu komplettieren. Eine Gruppe von
dritten äußeren Durchgängen 94 schafft
eine Verbindung mit den zweiten äußeren Durchgängen 91 in
der Übertragungsplatte 83, um
die laterale Bewegung der Flüssigkeit
von hier aus zu komplettieren. Da wiederum der Außenanschluß 113 das
Ventil umgibt, verbinden die dritten äußeren Durchgänge 94 ebenfalls
direkt mit dem Außenanschluß 113.
-
Die
radiale Übertragungsplatte 85 segmentiert
die zweiten Zwischendurchgänge 93,
um die alternierenden Entlastungsdurchgänge in der Entlastungsplatte 86 zu
schaffen. Dies erfolgt durch Abdeckabschnitte 96 für die Mitte
dieser Durchgänge 93.
Dies trennt die zwei Durchgänge 97, 98 darin,
um ein alternierendes Plazieren hiervon auszulösen.
-
Die
Entlastungsplatte 86 enthält eine Reihe alternierender
Durchgänge 105, 106,
welche die inneren 88 und äußeren 89 Bereiche
der Verbindungsplatte 82 abschließen, um die Durchgänge zu komplettieren,
die für
die akkurate Anordnung der Entlastungsöffnungen in der Vorrichtung
erforderlich sind. In der Entlastungsplatte 86 sind so
die ersten 105 der alternierenden Entlastungsdurchgänge mit
dem Innenanschluß 111 verbunden,
während
die zweiten 106 der alternierenden Durchgänge mit
dem Außenanschluß 113 durch
die zuvor beschriebenen Durchgänge
verbunden sind. Die Verwendung von vier Entlastungsplatten 86 ermöglicht eine
solide und zuverlässige
Verbindung mit der Ventilwelle, welche das Ventil 81 dreht.
-
Wie
zuvor erwähnt,
enthält
zusätzlich
zu der obigen Entlastungsfunktion der Ventilabschnitt 80 ebenfalls
einen Druckreduktions/Gehäuseablaß-Mechanismus für den mittleren
Bereich 52 der Gerotor-Druckvorrichtung.
-
Der
besondere Druckreduktions-Mechanismus umfaßt drei Durchgangslöcher 100, 101, 102, wobei 100 und 102 ein
in einer Richtung wirkendes Kugel-Rückschlagventil
enthalten. Die Löcher 100, 101, 102 erstrecken
sich durch die Verbindungsplatte 82 und die zwei Übertragungsplatten 83, 94.
Diese Löcher
ermöglichen
den Durchfluß einer
Flüssigkeit durch
das Ventil 81 zusätzlich
zur Schaffung einer physischen Anordnung für die zwei Kugel-Rückschlagventile 107,
welche in den Löchern 100, 102 aufgenommen
sind. (Der später
beschriebene Ausgleichsring 120 hält die Kugeln 107 in
ihren entsprechenden Löchern.)
Die Löcher 100, 102 verbinden wahlweise
den mittleren Bereich 52 mit dem Innenanschluß 111 oder
Außenanschluß 113 mit
dem geringsten relativen Druck durch die Kugel-Rückschlagventile. Die radialen
und in Umfangsrichtung verlaufenden Erstreckungen der Löcher 100, 102 reduzieren
ein Flattern der Absperrkugeln gegen den später beschriebenen Ausgleichsring 120,
indem eine Flüssigkeits-Umleitung
der Kugeln 107, wenn diese nicht auf der Platte 84 aufsitzen,
zugelassen wird. Dies schafft einen unabhängigen Gehäuseablaß für den mittleren Bereich 52 und
den Hohlraum 25 der Hydraulikvorrichtung und ermöglicht so
die Zirkulation von Flüssigkeit
darin sowie die Absenkung des Drucks hiervon.
-
Von
den drei Löchern
ist das äußerste 102 mit
dem Außenanschluß 113 verbunden,
das mittlere Loch 102 überstreicht
den Bereich, der durch die Stege des später beschriebenen Ausgleichskolbens 120 abgedeckt
ist, wogegen das innere Loch 100 mit dem Innenanschluß 111 verbunden
ist. Aufgrund der Tatsache, daß die
Löcher 100, 101, 102 alle
mit dem mittleren Bereich über
entsprechende Durchgänge 103 bzw. 104 verbunden
sind (16), kann die Flüssigkeit
in dem mittleren Bereich 52 ungehindert zu dem Anschluß mit dem
geringsten relativen Druck fließen.
Das mittlere Loch 101 ist selbst in kontinuierlicher Verbindung
ohne Ventil zwischen den Stegen auf der Oberfläche des später beschriebenen Ausgleichskolbens 120,
um diesen mit dem mittleren Bereich 52 und hierdurch mit
dem Gehäuseablaß in dem
Ventil 81 zu verbinden. Durch Integrieren dieser Druckreduktionsventile
in dem Drehventil werden die Gesamtkomplexität und Kosten der Gerotor-Druckvorrichtung
reduziert. Andere Typen von Gehäuseablässen könnten mit
der Erfindung verwendet werden.
-
Das
Ventil 81 wird selbst durch eine Ventilwelle gedreht, welche
mit dem Rotor 45 und somit über die Taumelwelle 36 mit
der Antriebswelle verbunden ist. Dies schafft eine akkurate Zeitsteuerung und
Rotation des Ventils 81.
-
Ein
Ausgleichskolben 120 an der der Anschlußplatte 110 zugewandten
Seite des Ventils 81 trennt den Innenanschluß 111 von
dem Außenanschluß 113 und
ermöglicht
so den wirkungsvollen Betrieb der Vorrichtung. Dieser Ausgleichsring
ist im wesentlichen ähnlich
dem in dem US-Patent 3,572,983 "Fluid
betriebener Motor" gezeigten.
Eine Reihe von Federn, die in Taschen hinter dem Ausgleichskolben angeordnet
sind, spannen den Kolben gegen das Ventil 81, um die Gefahr
einer axialen Trennung des Ventils 81 entweder von dem
Verteiler 60 oder dem Kolben 120 zu reduzieren.
-
Die
Anschlußplatte 110 dient
der physischen Anordnung des Ventilabschnitts 80 zusätzlich zur Schaffung
einer Anordnung für
die Druck- und Rückflußanschlüsse (nicht
dargestellt). Sie komplettiert somit die Struktur der Gerotor-Druckvorrichtung 10.
-
Obwohl
die Erfindung in ihrer bevorzugten Form mit einem bestimmten Maß an Besonderheit beschrieben
wurde, ist verständlich,
daß zahlreiche Änderungen
vorgenommen werden können,
ohne von der Erfindung – wie
nachfolgend beansprucht – abzuweichen.
-
Ein
Beispiel hierfür
ist in 2 gezeigt, in der das Lagergehäuse 20 und die Gerotor-Struktur 40 im wesentlichen
identisch mit der in dem White Model RS Motor sind. Der Hauptunterschied
ist, daß bei dem
White Model RS Motor die Antriebswelle 30 als Drehventil
in Kombination mit Winkellöchern
in dem Lagergehäuse 20 verwendet
wird, wogegen 2 das Ventil der 1 verwendet.
Die wesentlichen Aspekte des Betriebs des White Model RS Motors
sind in dem US-Patent 4,285,643 "Fluiddruck-Rotationsvorrichtung" beschrieben. Der
wesentliche Ausgangspunkt ist die Vermeidung der Verwendung der Antriebswelle
für ein
Ventil und die Vermeidung bestimmter Zerspanungsschritte an dem
Lagergehäuse 20.
-
Die
Erfindung ist ebenfalls für
die Integration in jede Fluid-Vorrichtung geeignet, die Kammern oder
Zellen mit höheren
Relativdruck als andere angrenzende Bereiche haben. Beispiele für hydraulische
Gerotor-Motoren umfassen den White Model RS (
US 4,285,643 ), White Model RE (
US 4,357,133 und
4,877,383 ), die TRW M Serie
(
US 3,452,680 ), die
Eaton-Vorrichtungen
(zuvor erwähnt
in dem Abschnitt über
den Stand der Technik dieser Anmeldung) und andere Wettbewerbseinheiten
wie rotierende Rotoreinheiten, rotierende Statoreinheiten, kreisende
Statoreinheiten und andere Vorrichtungen: die Erfindung ist unabhängig von
dem Typ der Entlastung oder anderen Konstruktionsmerkmalen.
-
Andere Änderungen
sind ebenfalls möglich, ohne
von der nachfolgend beanspruchten Erfindung abzuweichen.