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Drehkolbenmaschine, insbesondere Flüssigkeitspumpe Die Erfindung bezieht
sich auf eine Drehkelbenmaschine, die entweder als Pumpe oder als Motor unter Durchfluß
von Flüssigkeiten oder Gasen benutzt werden kann. Die Hauptanwendungsmöglichkeiten
liegen bei Verwendung einer Flüssigkeit, besonders 01. Die Maschine ist mit
einem Drehkolben und mit einer Anzahl im Drehkolben axial beweglicher Schieber versehen,
die bei der Drehung des Drehkolbens zwangläufig in einer bestimmten Reihenfolge
hin und her bewegt werden und im übrigen an der Drehung des Drehkolbens beteiligt
sind. Der Drehkolben ist mit einer als Arbeitsraum dienenden, ringsum verlaufenden
Nut versehen, in die zwischen den Ein- und Auslaßöffnungen ein die Nut ausfüllender
Steg eingreift und ein Widerlager bildet, an dem die Schieber in ihrer unwirksamen
Endstellung vorbeigleiten.
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Bei den bisher bekannten Maschinen dieser Art sind die Schieber rechteckig.
Das bringt aber Schwierigkeiten in bezug auf die Dichtung mit sich, wenn es sich
um hohe Drucke handelt. Die Erfindung besteht demgegenüber in der Hauptsache darin,
daß die Schieber eine zylindrische Oberfläche besitzen, die dichtend gegen die Wände
der entsprechenden zylindrischen Bohrungen im Drehkolben anliegt.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, den sogenannten schädlichen
Raum in der Pumpe zu verringern. Bei einer Pumpe muß beispielsweise beachtet werden,
daß das C51 zusammendrückbar ist,
etwa wegen der Beimischung von
Luft oder Gas. Die Ölräume können somit wegen des schädlichen Raumes plötzlich einer
beträchtlichen Druckänderung unterliegen, was eine starke Volumenänderung und Druckschwankungen
im hydraulischen System bedeutet und in Verbindung damit Materialbeanspruchung und
Lärm beim Betrieb der Vorrichtung zur Folge hat.
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Überdies können Gas- und Luftblasen von der Druckseite zur Saugseite
durch einen schädlichen Raum wandern, wodurch die Saugfähigkeit der Pumpe herabgesetzt
wird.
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Um den schädlichen Raum zu verkleinern, sind nach der Erfindung- die
Schieber mit einem Arbeitsteil mit kreisförmigem Querschnitt und einem unwirksamen
Teil mit einem Querschnitt in der Form eines Kreissegmentes ausgestattet. Hierbei
können die Schieber auf der dem Arbeitsteil abgekehrten Seite des unwirksamen Teiles
mit einem Führungs-oder Ausgleichteil mit kreisförmigem Querschnitt mit demselben
Durchmesser wie demjenigen des Arbeitsteiles versehen sein. DieBohrungen imDrehkolben
für die Schieber bilden in dem Boden der rings um den Drehkolben verlaufenden Nut
Rinnen mit einem OOuerschnitt in der Form eines Kreissegmentes, wobei die Wände
dieser Rinnen sich an die Schieber dicht anschließen.
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Die Erfindung bezweckt außerdem die Anwendungsmöglichkeit der Einrichtung
als Motor und als Pumpe mit gutem Gesamtwirkungsgrad. Die Erfindung sieht zu diesem
Zweck Anordnungen vor zur Vermeidung von Verschleiß, indem der Reibungswiderstand
verringert wird. Der Reibungswiderstand beruht hauptsächlich auf radialen Beanspruchungen
der pumpenden Teile durch den Öldruck. Wenn diese Beanspruchungen eine gewisse Höhe
erreicht haben, verursachen sie einen unmittelbaren senkrechten Druck zwischen den
gleitenden Teilen, welcher ein elastisches Nachgeben von Teilen, die z. B. in Kugellagern
laufen, veranlaßt. so daß auch in diesem Fall die betreffenden Teile einander berühren
und Gleitreibung entsteht.
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Es ist ferner wichtig, daß z. B. ein Druchölmotor auch dann anlaufen
kann, wenn seine Belastung und der Oldruck maximal sind. Bei den bisher bekannten
Maschinen bestand beim Anlassen die Schwierigkeit, daß in dem Motor nach dem Stillstand
kein Ölfilm zwischen die vorsätzlich oder unbeabsichtigt in Gleitberührung mit anderen
Teilen gebrachten Teile gepumpt wurde, ebensowenig wie zwischen die Kontaktflächen
solcher Teile. Es ist ein wichtiges Merkmal dieser Erfindung, diese Schwierigkeiten
durch einen Ausgleich der arbeitenden Teile zu vermeiden. Nach der Erfindung sind
demgemäß die Schieber mit Ausgleichsnuten versehen, die mit solchen Teilen der rings
um den Drehkolben verlaufenden Nut in Verbindung stehen, daß der Druck der Schieber
gegen die Wände der entsprechenden Bohrungen im Drehkolben wenigstens teilweise
entlastet wird. Erfindungsgemäß können noch weitere Vorkehrungen zum Druckausgleich
getroffen werden, wie es unter Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben wird.
Fig. i ist ein Längsschnitt durch eine Drehkolbenmaschine gemäß der Erfindung; Fig.
z ist ein Diagramm und zeigt verschiedene Stellungen der Schieber; Fig.3 ist eine
Ansicht von oben und teilweise ein Querschnitt längs der Linie III-III von Fig.
i ; Fig. 4 ist ein Querschnitt längs der Linie IV-IV von Fig. i ; Fig. 5 ist ein
Querschnitt längs der Linie V-V von Fig. i ; Fig. 6 zeigt die Maschine von oben
und teilweise in einem Schrägschnitt längs der Linie VI-VI von Fig. 4; Fig. 7 zeigt
eine Einzelheit in größerem Maßstab in Perspektive.
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Fig. 8 zeigt einen Schieber in größerem Maßstab in Perspektive.
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Der Drehkolben i besteht aus den zylindrischen Teilen i11, ib, ie.
Der Teil ie mit kleinerem Durchmesser als die Teile i11 und ib ist etwas in Teil
i11 und Teil ib versenkt und bildet zwischen den Teilen i11 und ib eine rings um
den Drehkolben verlaufende Nut 2. Der Drehkolben i ist in einem Gehäuse gelagert,
das aus einem Teil 311 und einem Teil 3b besteht, Teil 3b ist mit einem Ansaugstutzen
411 und einem Abflußstutzen 4b versehen, die mit bogenförmigen Räumen 511, 5b im
Gehäuse in Verbindung stehen. Zwischen den Teilen i11 und il' des Gehäuses ist ein
Ring 6 eingepreßt, dessen Profil im einzelnen in Fig. 7 zu erkennen ist. Der Ring
hat einen Steg 7 reit einer axialen Dicke, die der Breite der Nut a im Drehkolben
entspricht, und einem inneren Radius entsprechend dem Boden von i1Tut a. Der Ring
hat auch einen Nocken 8 mit der gleichen akialen Breite wie Nut 2. Die Innenfläche
9 dieses Nockens hat aber auf seiner Innenseite einen größeren Radius als Steg 7.
Zwischen Steg 7 und Nocken 8 befinden sich die Ringteile ioa, ,ob,
die axial wesentlich dünner als _NU, 2 sind und deren Innenflächen i i11
und i ib radial von der Achse mindestens ebensoweit entfernt sind wie die Nockenfläche
9. Die Fläche 9 kann zwischen den Schenkeln eines Winkels von mehr als 9o° verlaufen
und entspricht dem Arbeitsweg der Pumpe.
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Die Teile ioa und iob können mit einer Anzahl von Löchern 1z versehen
sein, um den Ring mit Schrauben am Gehäuse 311 zu befestigen. Die Zwischenräume
zwischen den Stirnseiten i311, 14" bzw. 13 b, i4b liegen den Öffnungen 511, 5b genau
gegenüber.
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Der Drehkolben i ist mit einem Drehzapfen ill in Kugellagern i511,
i5b und einer Dichtung 16 gelagert. Die Drehkolben i11 und ib haben axiale Bohrungen
i711 bis 17d, die sich durch die axiale Länge des Drehkolbens erstrecken. Die Bohrungen
i711 bis i7 d bilden im :Mittelteil je Rinnen 17e bis 17 h. In den
genannten Bohrungen bzw. Rinnen können ebenso viele Schieber 1811 bis 18d bewegt
werden. Die Schieber sind gleich in der Form und ihr Profil ist in Fig. 8 dargestellt.
Der Arbeitsteil i911 der Schieber ist zylindrisch und durch einen von einer Nut
gebildeten, unwirksamen Verbindungsteil 191' mit einem Ausgleichsteil ige verbunden.
Teil
ige hat den gleichen Querschnitt wie der Arbeitsteil iga, wogegen der Verbindungsteil
igb einen Querschnitt in Form eines Kreissegmentes hat. Die Schieber haben an den
gegen die Wände der Rinnen 17e bis 17h stoßenden Seiten Ausgleichsnuten 20a, 20b,
die durch Bohrungen Zia, gib mit den diametral entgegengesetzten Seiten der Schieber
in Verbindung stehen. Der Verbindungsteil igb hat eine mittlere Ausgleichsnut 20c
gegenüber dem Boden der Nut in den Schiebern. Die Nut 20e steht mit dem Boden der
Schiebernut igb durch eine Bohrung 21C in Verbindung. Die mittlere Ausgleichsnut
20e läuft dann, parallel zur Achse der Schieber bis in den Arbeitsteil i 9a. Der
Verbindungsteil igb hat auch zwei seitliche Ausgleichsnuten 2o11 und 20e, die zu
beiden Seiten der mittleren Ausgleichsnut 20c liegen und gleichfalls mit dem Boden
der Schiebernutigb durch Bohrungen 2i11 und 21e in Verbindung stehen. Auch der Drehkolben
ist mit einer Anzahl von Ausgleichsnuten 22a bis 22d und 23a bis
23" versehen, die durch Stege getrennt ringbogenförmig zu beiden Seiten der
Nut 2 angeordnet sind, und von denen die Nuten 22b und 22d sowie 23b und
23d in Fig. 6 sichtbar sind, und die Nuten 22a bis 2211 in Fig. 4. Jede der Nuten
22a bis 22d und 23a bis 23d steht an einer diametral gegenüberliegenden Stelle mit
der Nut 2 in Verbindung. So steht beispielsweise die Ausgleichsnut 2311 mit einem
winkelförmigen Kanal 2411 in Verbindung, der in die Nut 2 mündet, wogegen die parallele
Ausgleichsnut 2211 durch eine winkelförmige Bohrung 25b mit dem Kanal 2411 verbunden
ist.
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In gleicher Weise sind die Ausgleichsnuten 22b und 23b durch Kanäle
25d und 24b mit der entgegengesetzten Seite von Nut 2 verbunden. Von den genannten
Kanälen sind die radialen Teile der Kanäle 25a bis 25d in Fig. 4 sichtbar. In Fig.
5 sind Schnitte der axialen Teile der Kanäle 25a bis 25d und die Einmündungen der
Kanäle 24a bis 24d in Nut 2 sichtbar.
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Die Schieber werden durch eine schräge Scheibe 26 bewegt, die in einem
Kugellager 27 so gelagert ist, daß sie um eine schräge Achse rotieren kann. Mit
Hilfe eines Gelenks 28 ist die Scheibe mit dem am Drehkolben festen Teil 29 gekuppelt.
Pleuelstangen 30a bis Sod verbinden den Rand der Scheibe 26 mit dem einen Ende der
Schieber i8a bis i811.
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Die Pumpe arbeitet in der Weise, daß die Scheibe 26 an der Drehung
teilnimmt und die Pleuelstangen 3oa bis Sod zusammen mit den Schiebern 18a bis i811
zu einer Hinundherbewegung zwingt. Der Verlauf der Bewegungen ist in Fig. 2 dargestellt
und veranschaulicht die Entwicklung in einer Ebene um den Drehkolben herum mit 36o°.
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In einem gewissen Augenblick nehmen die Schieber 18a bis i811 die
in der Fig. 2 gezeigten StellungenA ein, z.B. Schieber i8a in derWinkelstellungo°
mit dem Verbindungsteil igb gegenüber dem Steg 7. In der Umfangsrichtung soll dieser
Steg 7 so breit sein, und die Schieber sollen einen solchen Durchmesser haben, daß
der Steg wenigstens auf der einen Seite der Schieber bei ihrem Vorübergleiten die
Nut 2 dicht ausfüllen kann. Der Kreisteil des Steges ist am besten geringer als
9o°. Der Schieber 18b hat eine Winkelstellung von 9o°, und sein Arbeitsteil iga
ist teilweise in die Nut 2 eingesenkt. Der Schieber 18c ist mit seinem Arbeitsteil
iga gänzlich in die Nut 2 eingedrungen. Seine Oberfläche steht mit der Oberfläche
des Nockens 8 in Berührung. Der Schieber 1811 steht ähnlich dem Schieber i8b mit
seinem Arbeitsteil teilweise in der Nut- 2. Die Schieber 18a und 18c trennen zwei
Räume in der Nut 2 ab. Der eine dieser Räume, z. B. der in der ersten Hälfte des
Kreisumfanges liegt, steht mit dem Raum 5a und dem Saugstutzen 4a in Verbindung,
wogegen der Raum in der zweiten Hälfte des Kreisumfanges mit dem Räum 5b und dem
Auslaßstutzen 4b in Verbindung steht.
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Bei einer Drehung des Drehkolbens z. B. um 221/2°' nehmen die Schieber
i8a bis i811 die als B bezeichneten Stellungen ein.
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Der Schieber 18a hat dann teilweise angefangen, den Steg 7 zu verlassen,
während nun der Arbeitsteil iga des Schiebers i8b die Nut 2 ganz ausfüllt. Der Schieber
i8c gleitet fortwährend mit seinem Arbeitsteil in Arbeitsstellung an dem Nocken
8 entlang, während der Schieber i811 in der StellungB immer noch eine Zwischenstellung
einnimmt. Es ergibt sich somit, daß sich der mit dem Saugstutzen 4a verbundene Raum
etwas vergrößert hat, wogegen der mit dem Auslaß 4b verbundene Raum entsprechend
verringert ist.
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In der Stellung C hat der Arbeitsteil des Schiebers i8a begonnen,
in die Nut 2 einzudringen. Der Arbeitsteil des Schiebers i8b hat begonnen, sich
mit dem Nocken 8 zu berühren, während der Schieber 18c gerade seine enge Berührung
mit dem Nocken 8 aufgibt. Der Schieber i811 hält immer noch eine Zwischenstellung.
Ohne jede plötzliche Umsteuerung ist der mit dem Ansaugstutzen 4a verbundene Raum
im Volumen verringert worden, während der mit dem Auslaß 4b verbundene Raum ohne
jede plötzliche Belastung die Fördermenge der Flüssigkeit erhalten hat.
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In der Stellung D schließlich nimmt der Schieber 18a eine Zwischenstellung,
von 67,5° ein, während der Schieber 18b eine Stellung von z57,5'° hat, mit seiner
Oberfläche an der Oberfläche 9 des Nockens 8 entlang gleitet und vor sich her eine
Flüssigkeitsmenge dem Auslaß 4b zutreibt. Der Schieber 18d beginnt in Stellung D
mit seinem Verbindungsteil igb an dem Steg 7 entlangzugleiten.
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Der sogenannte schädliche Raum wird hier durch die Zwischenräume zwischen
dem Steg 7 einerseits und den Querwänden des Arbeitsteiles iga und des Ausgleichsteiles
ige der Schieber andererseits gebildet.
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Je kleiner die Axialbewegung der Schieber beim Vorübergleiten am Steg
7 ist, desto kleiner kann der schädliche Raum sein. Wenn man an Stelle der schräg
rotierenden Scheibe 26 eine kurvenförmige Steuerung mit geradem Teil in den Stellungen
des Vorübergleitens am Steg 7 anbringt, ist es möglich, den schädlichen Raum praktisch
völlig zu beseitigen.
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Der Ausgleichsteil ige wirkt dem gegen den Arbeitsteil iga gerichteten
Axialdruck entgegen,
wenn der Verbindungsteil Igb einem positiven
oder negativen Druck, z. B. in den Zwischenstellungen unterworfen ist. In diesen
Stellungen verhindern die Ausgleichsnuten 2oc, 2od und 2oe, daß der Verbindungsteil
Igb sich am Boden der Rinnen 17e bis 17h festsaugt.
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In den Arbeitsstellungen unterhalb des Nockens 8 sind die Schieber
auf Grund des Druckunterschiedes einem Querdruck in Richtung der Nut 2 ausgesetzt,
und die Ausgleichsnuten 2017 und tob entlasten dann den radialen Druck der Schieber
gegen die Wände in den Bohrungen 1711 bis 17d.
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In Fig. q. und 5 ist sichtbar, daß auch der ganze Drehkolben einem
Querdruck zwischen den Räumen 511 und 5b ausgesetzt ist. Der Reaktionsdruck des
Drehkolbens gegen das Gehäuse wird durch Ausgleichsnuten 22a, 23a und 22b und 23b
USW.
ausgeglichen. Diese Ausgleichsnuten sind, wie in Fig. ¢ und 6 sichtbar,
im Kreise an jenen Teilen des Drehkolbenmantels angebracht, die zwischen benachbarten
Schiebern oder zwischen ihren axialen Verlängerungen liegen. Die Zahl der Ausgleichsnutenpaare
2211, 23" usw. ist der Zahl der Schieber gleich.
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Um zu verhindern, daß der ganze Drehkolben axialen Kräften unterworfen
ist, sind im Gehäuse verbindende Kanäle 31 vorhanden, die die Räume an den entgegengesetzten
Enden. des Drehkolbens miteinander verbinden.