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Kolben für mit Flüssigkeit betriebene Kolbenmaschinen hie Erfindung
bezieht sich auf den Kolben einer als Flüssigkeitspumpe oder Flüssigkeitsmotor arbeitenden
Kolbenmaschine jener Bauart, bei der der Kolben sich mit dem vom Zylinderraum abgewendeten
Ende gleitend gegen eine die Kolbenkräfte aufnehmende Fläche stützt und gegenüber
dieser Fläche eine quer zur Kolbenachse gerichtete Hinundherbewegung ausführen kann.
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Es ist bekannt, die Gleitflächen. aufeinander gleitender Teile einer
Maschine dadurch in einem bestimmten Abstand voneinander zu halten und dadurch die
Reibung stark zu verkleinern, daB man an einer dieser Gleitflächen eine Druckkammer
ausspart, die über eine Drosselöffnung mit einem flüssigen oder gasförmigen Druckmedium
gespeist wird. Die Verwendung von vom Zylinderraum aus gespeisten Druckkammern ist
auch bei den Kolben eingangs genannter Art bekanntgeworden. Dabei bestehen aber
insofern gewisse Schwierigkeiten, als an den Kolben in ihrer Achsrichtung zum Flüssigkeitsdruck-
zusätzliche Kräfte auftreten können., wie Beschleunigungsoder Zentrifugalkräfte,denen
wohl während des Druckhubes, nicht aber während des Saughubes auf diese einfache
Weise vermittels der an der Gleitfläche des Kopfes des Kolbens ausgesparten Druckkammer
entgegengewirkt werden kann, indem während des Saughubes die Druckmittelzufuhr zu
den Druckkammern vom Zylinder her ausbleibt. Es könnte wohl durch eine besondere
Pumpe, die ständig Druckflüssigkeit erzeugt, die
Druckkammer auch
während des Saughubes unter Druck gehalten werden, was aber eine verwickelte Bauart
und zusätzlichen Arbeitsaufwand ergibt. Aber auch wenn die Kolbenmaschine leer oder
schwach belastet läuft, steht genügend hoher Druck im Arbeitsraum der Zylinder der
Maschine auch während des Druckhubes nicht mehr zur Verfügung, so daß die an die
Kammern außen anschließenden Teile der Gleitfläche von diesen zusätzlichen Kräften
gegeneinander gepreßt werden, wobei größere Reibung und evtl. Anfressen oder Abnutzung
entsteht.
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Größere Reibung und evtl Anfressen entsteht an den Gleitflächen auch
dann, wenn die Drosselöffnung durch die Unreinigkeiten verstopft und die Druckkammer
somit mangelhaft oder gar nicht gespeist wird.
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Diese Schwierigkeiten können durch möglichst reichliche Bemessung
der an dieDruckkammern anschließenden zusätzlichen Tragflächen des Kolbenkopfes
gemildert werden, doch hat dies zur Folge, daß dabei der Durchmesser der Kolbenköpfe
wesentlich größer als der Durchmesser des im Zylinder arbeitenden Kolbens und der
Einbau der Kolben schwieriger wird. Dieser große Platzbedarf des Kolbenkopfes ist
bei gedrängt zu bauenden Kolbenmaschinen unerwünscht, überdies erschwert ein großer
Durchmesser des Kolbenkopfes gutes Anliegen mit geringem Spiel, und der große Kopf
ergibt eine entsprechend große Massenkraft, besonders wenn der Kolben in rotierenden
sternförmig angeordneten Zylindern arbeitet.
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Gemäß der Erfindung kann man diesen Schwierigkeiten und Nachteilen
aus dem Wege gehen, indem zusätzliche Tragflächen innerhalb der Druckkammern vorgesehen
werden. Wie Versuche gezeigt haben, bleibt bei dieser Anordnung von zusätzlichen
Tragflächen die Wirkung der Druckkammern bezüglich Verminderung der Reibung voll
erhalten. Sie hat neben dem geringeren Gewicht der ganzen Kolben noch den Vorteil,
daß während der Druckperiode sich der hohe Oldruck fast augenblicklich mindestens
dem ganzen Schmierfilm an den zusätzlichen, innerhalb der Druckkammern angeordneten
Tragflächen mitteilt, so daß während der Saugperiode der Schmierfilm weniger rasch
von diesen Flächen verdrängt wird. Wird die Kolbenmaschine so betrieben, daß auch
der Saugraum unter einem gewissen geringen Druck, z. B. 2 bis 5 at, steht, so ergibt
sich der Vorteil, daß die zusätzlichen Flächen auch im Leerlauf noch mit Drucköl
geschmiert werden, was bei Anordnung der Tragflächen außerhalb der Druckkammern
nur in weniger ausgiebigem Maße möglich ist. Auch wird die Gefahr des Fressens der
Gleitflächen bei Verstopfung der Drosselöffnung vermindert.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Enfindungsgegenstandes
dargestellt, und zwar zeigt Fig. i eine dreizylindrige Kolbenmaschizie in Sternbauart
im Schnitt nach Linie 1-1 der Fig. 2, Fig. 2 den Seitenriß dazu im Schnitt nach
Linie 1f-11 der Fig. i, Fig. 3 in größerem Maßstab einen Kolben teilweise im Längsschnitt,
Fig. 4 die Ansicht des Kolbenkopfes von Fig. 3 in Richtung des Pfeiles A gesehen,
Fig. 5 eine Variante des Kolbens, Fig. 6 die Ansicht des Kolbenkopfes von Fig. 5
in Richtung des Pfeiles gesehen.
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Nach Fig. i -und 2 ist bei der dreizylindrigen Kolbenmaschine, die
als Pumpe oder als Motor arbeiten kann, auf' dem am Gehäuse i fest angeordneten
Steuerzapfen 2 der Zylinderblock 3 mit drei sternförmig angeordneten Zylindern drehbar
gelagert. Im Gehäuse i ist ferner der Rotor 5 bei 6 und 7 drehbar und exzentrisch
zur Achse 2° des Zapfens 2 gelagert und mit dem Zylinderblock 3 mittels eines MitWhmers
9 in Form einer Kreuzschleifen- oder Universalkupplung so gekuppelt, daß Zylinderblock
und Rotor stets die gleiche Drehzahl haben. Am inneren Umfang des Rotors 5, der
über den Wellenstummel io angetrieben werden kann, wenn die Maschine. als Pumpe
arbeiten soll, sind drei ebene Flächen i i vorgesehen, gegen welche sich die Köpfe
der Kolben 12, 13 anlegen. Der Kolben 12 insbesondere legt sich mit seinem Gleitschuh
oder Kolbenkopf 15 direkt gegen die zugehörige Gleitfläche i i an, die Kolben 13,
von denen nur einer vollständig gezeigt ist, dagegen unter Zwischenschaltung einer
einstellbaren Kugelkalotte 28. In dem festen Steuerzapfen 2 sind die Kanäle 4 vorgesehen,
die zur Zu- und Abführung der Arbeitsflüssigkeit z. B. im Sinne der in Fig. 2 eingezeichneten
Pfeile dienen. Die über der horizontalen Mittelebene des Zapfens 2 liegenden Zylinder
sind mit dem oberen der Kanäle 4, die unter dieser Mittelebene liegenden Zylinder
mit dem unteren der Kanäle 4 in Verbindung, wobei der Steg 8 Saug-und Druckraum
der Maschine voneinander trennt.
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Die Bauart des Kolbens 12, bei welcher der Kolben und der Kopf 15
aus einem Stück besteht, ist in Fig. 3 und 4 in größerem Maßstab dargestellt. In
der an der Platte i i anliegenden Stirnfläche des Kopfes 15 ist die flache Druckkammer
16 ausgespart, deren vertiefter Teil in Fig. 4 schraffiert isst. Sie wird- vom Zylinderinnern
i9 her über die Bohrung 2ö und die Drosselöffnung 21 des Kolbens mit Druckflüssigkeit
gespeist. Die Kammerbegrenzung wird von der schmalen Ringfläche 23 gebildet. Zusätzliche
Tragflächen sind innerhalb der Kammer 16 in der Form von sechs Ringsektoren 24 vorgesehen,
die die Druckkaiiimer 16 bis auf die sechs radialen Nuten 25, die zentrale Ausnehmung
26 und die umlaufende Nut 29 ausfüllen. Außerhalb der Druckkammer ist die zusätzliche
ringförmige Tragfläche 14 vorgesehen, die durch die Ringnut 17 von. der Kammer 16
getrennt ist.
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Aus der Druckkammer 16 bzw. der Nut 29 strömt Druckflüssigkeit durch
den engen Spalt zwischen der Ringfläche 23 und der Platte i i in die Ringnut 17,
aus der sie durch die Nuten 18 frei nach außen abfließen kann. In diesem Fall kann
sich der Kammerdruck nicht in den Spalt zwischen der zusätzlichen Druckfläche i4
und der Plattem fortpflanzen.
.\uf den ll"4)ll)e» wirken in der
Richtuni; vom Zylinderraum her der Flüssigkeitsdruck auf die Kolbenfläche 22 sowie
eine -zusätzliche Kraft, z. B. bei der Bauart der Maschine nach Fig. i als radial
wirkende Zentrifugalkraft des Kolbens. Zwischen Kolbenkopf 15 und Platte ii sollte
die Schmierschicht z. B. etwa o,oi inm Dicke haben, um flüssige Reibung zu sichern
und damit die Reibung möglichst klein zu halten. Um dies zu ermöglichen, muß die
Summe der den Kolbenkopf 15 von der Platte 1 i abdrückenden Flüssigkeitsdrücke beim
Flüssigkeitsdruck P1 in der Kammer 16 so groß wie die Summe der andrückenden Kräfte
sein. Dabei wird durch den Spalt zwischen den Flächen i i und 23 Flüssigkeit aus
der Kammer 16 abströmen, so daß der Druck Pi darin wegen der Drosselung des Zulaufes
bei 21 kleiner als der Druck p im Zylinder i9 wird.
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Um bei Vollastarbeitsdruck flüssige Reibung zu erzielen, muß daher
die Summe von Kammerfläche und halber Randfläche größer als die Summe von Kolbenfläche
und Quotient aus Zusatzkraft und Vollastdruck sein. %lit Vorteil wird dafür gesorgt,
daß dieses Verhältnis bei der im meistgebrauchten !\rbeitsbereich der Maschine auftretenden
maximalen Zusatzkraft C schon bei einem unter dem Vollastdruck liegenden Druck erreicht
wird.
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N,\'ährend des Druckhubes wird der Kolbenkopf bei einer solchen Bemessung
der Entlastungskammerfläche in geritigeni Maße von der Platte abgehoben, wobei reichlich
CSl zwischen die Gleitplatte t t und die Gleitflächen 23 und 24 und in geringerem
Maße an die Fläche 14 gelangt. Beim Saughub wirkt die l:titlastung in der Kammer
16 nicht mehr, und die genannten Flächen 23, 24 und 14 fangen nicht kompensierte
.zusätzliche Kräfte C auf. Dabei wird 01 zwischen den Tragflächen 23, 24
und 14 herausgequetscht und die- Ölschicht etwas dünner, bis der Druckanstieg des
folgenden Druckhubes in der Kammer 16 eintrifft. Auf diese Weise wird während der
ganzen Arbeitsperiode des Kolbens für genügende Schmierung an den Flächen des Kolbenkopfes
gesorgt.
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Um auch bei geringerer Belastung der Maschine und niedrigetn Druck
der :Xrlreitsflüssigkeit eine genügende Schmierung der Kolbenkopfflächen zu sichern,
wird mittels einer besonderen Pumpe vorteilhaft auch die Saugseite der Kolbenmaschine
unter einem geringen Druck von z. B. 2 bis 5 at gehalten. Natürlich muß dabei trotzdem
eine größere Reibung am Kopienkopf als bei größerer Belastung der Maschine in Kauf
genommen werden. Tritt die grüßte Zusatzkraft C im Betrieb nur ausnahmsweise auf,
so können die Flächen 23 und 24 auch kleiner als nach der angegebenen Regel bemessen
sein.
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Zu starkes Abheben der Kolbenköpfe 15 von den Platten i i wird durch
am Rotor 5 angebrachte Leisten 27 verhindert, die hinter die Köpfe 15 greifen. Die
Nut 17 kann weggelassen werden, wohei der äußere Durchmesser des Kopfes 15 und evtl.
der Kammer 16 etwas verkleinert werden kann, da dann auch die Fläche 14 die Wirkung
der Druckkammer 1f, unterstützt. Doch wird dann bei Ausfall des Kammerdrudkes besonders
die äußere Tragfläche 14 weniger gut durch das im Rotorraum außerhalb der Kolben
wohl stets vorhandene Ölbad geschmiert.
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Die Bauart des Kolbens 13 ist in Fig. 5 und 6 näher gezeigt. Sie unterscheidet
sich von der oben beschriebenen außer durch die zwischen Kolben und Gleitplatte
i i eingefügte einstellbare Kugelkalotte 28, daß der verdickte Kolbenkopf am Zylinder
geführt ist und ferner dadurch, daß außerhalb der Ringfläche 23 zusätzliche Tragflächen
nicht mehr vorgesehen sind. Die Kugelkalotte erlaubt kleine Abweichungen der Kolbenachse
von der zur Platte i i senkrechten Richtung auszugleichen. Ihr kugelförmiger Sitz
im Kolben kann durch eine Druckkammer 31 wenigstens teilweise entlastet sein. Die
Kalotte ist von einem Kanal 3o durchsetzt, durch den die Druckkammer 16 mit der
Ölzuführung 20, 21 aus dem Zylinderraum i9 verbunden ist.
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Der verdickte Kolbenkopf 32 ist über den ganzen Kolbenhub durch die
am Zylinder 3 feste, erweiterte Führung 33 geführt, die bei der inneren Totpunktlage
des Kolbens mit ihrem Ende 35, wie gestrichelt angegeben, bis an die Gleitplatte
i i mit geringem Abstand heranreicht.
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Um die Druckkammer 16 wirksam zu machen, soll die von innen her durch
die radialen Nuten 25 mit Drucköl gespeiste Ringnut 29 sich mindestens über 8o%
des Umfanges erstrecken. Unter Umständen ist es vorteilhaft, die sektorförmigen
zusätzlichen Tragflächen 24 durch weitere kleinere Nuten zu unterteilen, um Eindringen
der Druckflüssigkeit zwischen diesen Tragflächen und die Platten i i zu erleichtern.
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Zur Verbesserungder Tragfähigkeit der Schmierschicht der Druckkammermitte
können die radialen Nuten 25 nur ein Stück weit nach der Mitte geführt sein, wie
die Fig.6 in der rechten Hälfte zeigt, wobei diese Nuten über mehrere Bohrungen
36 von der Kammer 31 her gespeist werden. Die Bohrungen 36 können durch eine Ringnut
miteinander verbunden sein, was in der Zeichnung nicht dargestellt ist.
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Die Verwendung der Bauart nach Fig. 5 und 6 ermöglicht von allen beschriebenen
Varianten den kleinsten Durchmesser für den an der Platte i i anliegenden Kolbenkopf.
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Die Breite der Randfläche 23 kann, wie Versuche gezeigt haben, ziemlich
schmal gehalten und mit Vorteil auf höchstens 15% des Kammerradius bemessen werden.
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Die am Rotor vorgesehenen Führungsleisten 27 greifen in eine Ausnehmung
34 des verdickten Endes 32 des Kolbens ein. Diese kann in Form einer rundum laufenden
Ausdrehung vorgesehen sein, wie die untere Hälfte der Fig. 5 zeigt, oder nur als
seitliche Einfräsungen, wie die obere Hälfte der Fig. 5 zeigt.
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Die Kolben werden zur Verminderung der Massenkräfte mit Vorteil aus
Leichtmetajl hergestellt. Wird der Kolbenkopf nach Fig.3 so lang gemacht wie in
Fig. 5, so kann auch er durch zwischen
die Leisten 27 greifende
Führungslappen 33 besser geführt werden.
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An Stelle von Flüssigkeit kann auch ein Gas aus Arbeits- und Druckmittel
benutzt werden.