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Hydraulische Maschine mit sternförmig angeordneten Zylindern Die Erfindung
bezieht sich auf hydraulische Maschinen, wie Pumpen oder Motoren mit Arbeitszylindern,
die sternförmig um einen gemeinsamen Mittelpunkt angeordnet sind.
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Einer der Nachteile, die bei Maschinen dieser Art vorliegen, besteht
in der Unregelmäßigkeit der Kolbenbewegungen in den verschiedenen Zylindern. Um
die Kolbenbewegungen hervorzurufen, wird im allgemeinen jeder Kolben mit einem exzentrisch
liegenden Organ (zentrale Kurbelwelle oder umgekehrt äußerer exzentrischer Kranz)
durch gelenkige Schubstangen verbunden. Im Fall einer zentralen Kurbelwelle muß
die Anlenkung so erfolgen, daß eine einzige Schubstange direkt an die Kurbelwelle
angelenkt wird, während die andern an verschiedenen Punkten dieser Hauptschubstange
angelenkt werden, oder um .die Bewegung .der verschiedenen Kolbenidentisch und in
regelmäßigen Phasen mit Bezug aufeinander erfolgen zu lassen, müßten alle Schubstangen
zusammen am selben Punkt angelenkt werden. Im Fall eines äußeren exzentrischen Kranzes
muß dieser mit den Zylindern so verbunden werden, daß er sich mit ihnen dreht, wenn
es sich um eine rotierende Maschine handelt, wobei dann der Kranz in einer festen
Lagerung umläuft, oder er muß so verbunden werden, daß er mit ihnen unbeweglich
bleibt, wenn es sich um eine feststehende Maschine handelt, in welcher der Kranz
in einem Lager montiert ist, das um eine exzentrisch zu ihm gelagerte Achse umläuft.
Diese Verbindung wird in .der Praxis mittels einer kleinen Schubstange bewirkt,
und es ist leicht einzusehen, daß dies eine schwingende Winkelbewegung des Kranzes
mit sich bringt, deren Wirkungen sich mit denen der Exzentrizität in einer Weise
überlagern, die für die verschiedenen
Zylinder entsprechend der
Lage, die sie in bezug auf die Verbindungsstange einnehmen, verschieden ist.
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Diese Unregelmäßigkeiten in der Bewegung ,der Kolben ergeben zyklische
Unregelmäßigkeiten in der Förderung der Maschine. Wenn man z. B. eine Pumpe mit
sieben Zylindern betrachtet, so weist die Förderung eine Unregelmäßigkeit von einer
Frequenz auf, die siebenmal größer ist als die Drehzahl der Pumpe; diese erste Unregelmäßigkeit
ist praktisch unmerklich, sobald die Zahl der Zylinder erhöht wird, und überdies
sichert die ziemlich hohe Frequenz einen leichten Ausgleich. Außerdem veranlaßt
aber die Unregelmäßigkeit der Kolbenbewegungen eine Unregelmäßigkeit der Förderung
von einer Frequenz, die gleich der Drehzahl ist, und diese Unregelmäßigkeit von
verhältnismäßig schwacher Frequenz ist unabhängig von der Zahl der Zylinder. Wenn
die Pumpe in einer hydraulischen Übertragungsvorrichtung benutzt wird, können Schwingungen
von niedriger Frequenz beobachtet werden, die außerordentlich lästig und sehr schwierig
zu dämpfen sind und die man jedenfalls nicht durch Vergrößerung der Zylinderzahl
reduzieren kann. Eine Lösung zur Vermeidung dieser Nachteile besteht darin, die
Kolben mit dem exzentrischen Organ nicht .durch angelenkte Schubstangen, sondern
durch Gleitschuhe oder Rollen zu verbinden. Leider ist eine solche Lösung aber praktisch
unbrauchbar wegen der schwachen Belastungsfähigkeit solcher Gleitschuhe oder Rollen,
ferner wegen des Spiels, das dadurch in die Verbindung hineingetragen wird, und
wegen der Biegungsbeanspruchung, die sich für die Kolben ergibt. Die letzteren müssen
in diesem Fall beträchtlich verlängert werden, damit sie direkt die genannten Rollen
oder Gleitschuhe außerhalb der Zylinder tragen können.
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Die Erfindung hat daher eine hydraulische Maschine mit sternförmig
angeordneten Zylindern zum Gegenstand, bei der jeder Kolben mit dem exzentrischen
Organ der Maschine durch einen Sektor verbunden ist, der sich auf dem Organ abwälzt
und mit dem,Kolben gelenkig verbunden ist.
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In der Zeichnung sind verschiedene bekannte Einrichtungen und ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
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Fig. i ist eine schematische Ansicht der bekannten Bauart einer hydraulischen
Maschine mit st-ernförmi.g angeordneten Zylindern und äußerem Kranz, der mit den
Kolben durch gelenkige Schubstangen verbunden ist; Fig. 2 zeigt in gleicher Weise
eine andere Konstruktion einer solchen Maschine, bei der die Verbindung zwischen
den Kolben und dem äußeren exzentrischen Kranz durch Rollen erfolgt, .die an den
Kolben sitzen; Fig. 3 zeigt schematisch die Verbindungsart nach der Erfindung; Fig.
q. ist eine Einzelansicht einer Ausführungsform der Erfindung; Fig. 5 ist ein Schnitt
nach der Linie V-V der Fig. q., wobei außerdem eine - Rückhalteeinrichtung des Rollsektors
gezeigt ist, der sich mit dem exzentrischen Kranz in Kontakt befindet; Fig. 6 ist
ein Schema zur Erläuterung der Rückhalteeinrichtung; Fig. 7 ist ein Aufriß einer
Maschine mit sieben Zylindern, die gemäß der Ausführungsform nach den Fig. q. bis
6 konstruiert ist; Fig. 8 ist ein Schnitt nach der Linie VIII-VIII der Fig. 7.
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Fig. i zeigt ganz schematisch den Aufbau einer Hydraulischen Maschine
der bekannten Art mit sternförmig angeordneten Zylindern, die sich nach außen öffnen,
wobei die Kolben mit einem exzentrischen Kranz .durch Schubstangen in Verbindung
sind. Es ist zur Vereinfachungangenommen, daß die Maschine nur drei Zylinder i enthält
(obwohl in der Praxis die Zahl höher sein kann). Die Zylinder bilden einen Block,
der sich um einen. mittleren Verteiler 2 dreht. Dieser ist zur Vereinfachung der
Zeichnung durch einen schraffierten Kreis angedeutet. Die Kolben 3 der Zylinder
i sind mit Schubstangen q. versehen, .die andererseits an einem äußeren Kranz 5
angelenkt sind, der mit Bezug auf ,den Zylinderblock exzentrisch liegt.
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Man kann z. B. den Zylinderblock fest auf einer Motorwelle anordnen,
wobei der Verteiler 2 fest bleibt. Der Kranz 5 muß dann mit den Zylindern umlaufen.
Zu diesem Zweck wird der Kranz in geeigneter Weise drehbar gelagert (in der Zeichnung
ist angenommen, .daß er auf Kugeln oder Rollen 6 läuft), und er wird mit dem Zylinderblock
durch eine kleine Schubstange 7 verbunden. Es ist leicht einzusehen, daß hierbei
.die Winkelbewegung des Kranzes 5 nicht gleichmäßig ist, sondern harmonische Abschnitte
umfaßt, was für die Leistung der Maschine, die entweder als Pumpe oder Motor arbeitet,
eine zyklische Unregelmäßigkeit von gleicher Frequenz mit Bezug auf die Drehzahl
mit sich bringt.
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Die Motorwelle könnte ferner fest mit dem Kranz verbunden werden.
In diesem Fall muß ebenfalls die Schubstange 7 oder eine andere Verbindung der gleichen
Art vorgesehen werden, um das Mitziehen des Zylinderblocks zu gewährleisten. Es
würde hierbei der gleiche Nachteil eintreten.
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- Es könnte auch der Zylinderblock auf einem exzentrischen Teil befestigt
werden, der fest auf der Motorwelle sitzt, wobei dann der Kranz festgehalten wird.
Jedoch müßte auch in diesem Fall die Verbindungsschubstange7 vorgesehen werden,
um zu verhindern, daß sich. der Block auf dem exzentrischen Teil dreht. Es. ist
schließlich zu verstehen, daß die erwähnte Schubstange gleichfalls notwendig ist,
wenn .der Kranz 5 exzentrisch auf der Motorwelle sitzt, wobei der Block in diesem
Fall fest bleibt, denn es muß immer der Kranz an der Drehung auf seiner Lagerung
gehindert werden.
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Der genannte Nachteil kann nun in vollkommener Weise dadurch verhindert
werden, daß jeder Kolben 3 mit dem Kranz 5 durch Rollen 8 (Fig. 2) verbunden wird,
die sich gegen den Kranz abstützen, wobei diese Rollen direkt von den äußeren Enden
.der entsprechend verlängerten Kolben 3
getragen werden. Bei einer
solchen Anordnung bleibt die relative Winkelverschiebung .des Kranzes 5 mit Bezug
auf den Zylinderblock ohne jegliche Bedeutung. Der Kranz kann sogar fest bleiben,
während sich die Zylinder drehen oder umgekehrt. Die Bewegung der verschiedenen
Kolben erfolgt immer ganz gleich und in regelmäßigen Phasen mit Bezug aufeinander.
Aber dafür hat diese Anordnung zahlreiche andere Nachteile. Zunächst haben die Rollen
8, die notwendigerweise einen sehr kleinen Durchmesser aufweisen müssen, eine geringe
Beelastungsfähligkeit, wodurch die Leistung der Maschine begrenzt wird. Ferner kommt
besonders hinzu, daß die Reaktion, die von dem Kranz auf sie ausgeübt wird, nicht
radial verläuft (ausgenommen in zwei einander gegenüberliegenden Punktendes Kranzes),
sondern schräg, d. h. es ergibt sich eine senkrecht zum Radius liegende Komponente
(Querkomponente), die ein Kippen des Kolbens im Zylinder verursacht. Diese Komponente,
die am äußeren Ende des Kolbens angreift, also verhältnismäßig entfernt vomZyl:inderende,
bewirkt beträchtliche Reibung des Kolbens im Zylinder und erhöht die Abnutzung sehr
stark.
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Man könnte auch noch den Zylinderblock und den Kranz durch ein Zahngetriebe
verbinden, wodurch der Kranz gezwungen wird, sich genau gleichlaufend mit dem Block
zu drehen. Aber dies würde zu einem sehr verwickelten und praktisch unbrauchbaren
Mechanismus führen.
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Gemäß .der Erfindung (Fig. 3) stützt sich jeder Kolben 3 gegen den
äußeren Kranz 5 durch Zwischenschaltung eines Sektors 9 ab, der mit einem am entsprechenden
Kolben angelenkten Arm io versehen ist. Gleichzeitig ist der Kranz 5 an den Zylinderblock
i mittels der Schubstange 7 angehängt, die bereits bei Fig. i beschrieben wurde.
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Jeder Sektor 9 kann als Teil einer Rolle wie die Rollen 8 in Fig.
2 angesehen werden, woraus verständlich wird, daß die Anordnung nach der Erfindung
die gleichen Vorteile mit sich bringt wie die bekannte, in Fig. 2 dargestellte Bauart.
Im Gegensatz dazu vermeidet aber die Erfindung alle Nachteile dieser früheren Bauart.
Die Sektoren: 9 können nämlich unbedenklich einen verhältnismäßig großen Radius
haben, so daß sie eine genügend hohe Belastungsfähigkeit erhalten. Die Gelenkverbindungen
mit den Kolben können im Innern der Zylinder angeordnet sein, wie dies auch dargestellt
ist, und die Arme io können unbedenklich verhältnismäßig schwach ausgeführt werden,
wobei also die Querkomponente der Stützkraft direkt auf die Kolben in den Zylindern
ausgeübt wird und kein Kippmoment mehr erzeugt.
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Selbstverständlich können die $ektoren 9 nur eine schwache relative
Winkelversch @iebung zwischen dem Kranz 5 und dem Zylinderblock i zulassen. In der
Praxis ist aber die relative Verschiebung, die besonders von der Schräglage der
Schubstange 7 herrührt, von geringer Bedeutung, und es ist nicht schwierig, den
Sektoren eine Gestalt zu geben, um diesem Umstand Rechnung zu tragen.
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Entsprechend dieser Konstruktion müssen sich die Sektoren 9 verständlicherweise
auf dem Kranz 5 ohne Gleiten abwälzen. Diese Bedingung wird gemäß der Erfindung
dadurch erfüllt, daß jeder Stützsektor 9 mit .einem Zahnsektor i i (Fig. .) versehen
wird, der mit einem innen verzahnten Kranz 12 kämmt, wobei .dieser Zahnkranz 12
seitlich des Kranzes 5 angeordnet ist. Dieser Kranz 12 hat einen Teilkreisdurchmesser,
der genau gleich dem Durchmesser des Kranzes 5 ist. Die Verzahnung nötigt den Sektor
9 zwangsläufig, sich ohne Gleiten abzuwälzen. Die Verzahnung hat aber keine Kraft
zu übertragen, und sie kann unbedenklich sehr schwach ausgebildet werden, so daß
sie mithin die Abmessungen der Maschine nicht erhöht.
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Ein anderer Nachteil, der für die Bauart nach Fig. 2 gilt, ist, daß
die Kolben dauernd durch die Zentrifugalkraft oder durch den Flüssigkeitsdruck nach
außen gedrückt werden müssen, damit die Rollen 8 in Berührung mit dem Kranz 5 bleiben.
Dies ist aber nicht immer bei hydraulischer übertragung der Fall, besonders bei
Pumpen, die auch bei sehr geringer Geschwindigkeit das Ansaugen von Öl aus dem Behälter
sichern müssen.
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Man vermeidet dies gemäß der Erfindung durch einen Ring 13 (Fig. 5),
der konzentrisch zum Kranz 5 angeordnet wird und gegen den sich ein Sektor 14. legt,
der mit dem Sektor 9 aus einem Stück besteht Oder Sektor 1,4 ist in Fig. 4. geschnitten
dargestellt). Wie aus der schematischen Darstellung gemäß Fig. 6 hervorgeht, muß
dieser Hilfssektor in der Querprojektion den gleichen Mittelpunkt 15 haben wie der
Hauptsektor 9, damit der Abstand AB zwischen den Profilen der beiden Sektoren
immer konstant und gleich der Differenz der Radien der Kränze 5 und 13 bleibt. Wohlverstanden
wälzt sich dieser Hilfssektor 14 nicht auf dem Kranz 13 ab, sondern gleitet vielmehr
auf diesem, während sich der Hauptsektor auf dem Kranz 5 abwälzt. Diese Gleitbewegung
hat aber eine schwache Amplitude, und andererseits kommt der genannte Hilfssektor
im Fall eines hydraulischen Getriebes nur ausnahmsweise zur Wirkung, wenn das Getriebe
mit geringer Geschwindigkeit umläuft. Sobald nämlich die Geschwindigkeit größer
wird, ist auch die Zentrifugalkraft genügend groß, um den Hauptsektor 9 gegen den
äußeren Kranz angedrückt zu halten.
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Fig.7 und 8 zeigen die Konstruktionseinzelheiten einer Maschine gemäß
der Erfindung. Wie ersichtlich, sind die Kränze 5 und 12 der Fig. q. hier in eine
Anzahl Einzelelemente 5' und 12' aufgelöst, die jeweils gerade die erforderliche
Länge haben, um mit den Sektoren 9 oder i i zusammenzuarbeiten. Diese Einzelelemente
sind zwischen zwei Gehäuseteilen 16 und 17 befestigt, die eine in einer geeigneten,
nicht dargestellten Kugellagerung gelagerte Einheit bilden. Der Gehäuseteil 17 trägt
den Rückhaltering 13, und diie Hilfssektoren 1q., an denen die Zahnsektoren i i
sitzen, sind in die Hauptsektoren 9 eingelassen und an diesen befestigt. Auf der
hohlen Motorwelle 18 ist .der Block i9, der die Zylinder i trägt, befestigt. Zur
Vermeidung einer unnötigen Belastung der Zeichnung ist der Verteiler
2
nicht in seinen Einzelheiten', dargestellt worden.
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Bei dem beschri.-,benen Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß der
Zylinderblock mit dem äußeren, exzentrischen Kranz umläuft. Alle gegebenen Erläuterungen
gelten jedoch auch für den Fall, .daß der Zylinderblock nicht umläuft, wobei der
exzentrische Kranz (unter Zwischenschaltung von Kugeln oder Rollen) von einem umlaufenden
Gehäuse getragen wird. Man könnte in beiden Fällen sagen, daß die Schubstange 7
den Kranz und den Zylinderblock zwingt, mit der glichen, mittleren Geschwindigkeit
umzulaufen, wobei .diese letztere eventuell Null sein kann.
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Die. Erfindung ist auch in dem Fall anwendbar, wo die Zylinder sich
nicht nach außen, sondern nach innen öffnen. Dementsprechend würde das exzentrische
Organ in diesem Fall statt einZs äußeren Kranzes wie 5 ein Fig.3 eine zentrale Kurbelwelle
oder Exzenter sein, mit -der oder dem die gelenkig an den Kolben angreifenden Sektoren
zusammenarbeiten. Das Rückhalteorgan 13 der Fig. 6 würde statt im- Innern .des exzentrischen
Organs 5 nunmehr außen sein. Die gesamte Wirkungsweise würde die gleiche bleiben.