DK148450B - Hydraulisk tandhjulsmaskine - Google Patents

Description

148450

Den foreliggende opfindelse angår en hydraulisk maskine af tandhjulstype, der er i stand til at fungere som pumpe og som motor. Nærmere betegnet angår opfindelsen en hydraulisk tandhjulsmaskine af den i patentkravets indledning angivne art.

I hydrauliske maskiner af den aktuelle type er det af afgørende betydning, at der tilvejebringes en bedst mulig tætning imellem højtryks- og lavtryksområder ved rotorens endeflader. Med henblik på dette er der udviklet hydrauliske maskiner med forskellige arrangementer af endeplader, hvormed der på forskellige måder kan udøves en tætnende virkning på rotorens endeflader.

Fra U.S.A. patentskrift nr. 3.671.154 kendes et eksempel på en sådan hydraulisk maskine, hvori en endeplade med en enkelt ringformet reces samt en heri indsat pakning benyttes til at afgrænse 148450 2 et aksialt virkende trykkammer, hvormed endepladen trykkes an mod rotorens ene endeflade. Det benyttede arrangement er imidlertid ikke tilstrækkeligt effektivt under alle driftstilstande. En effektiv tilførsel af trykfluidum til trykkammeret og især en ensartet fordeling af trykket heri er nemlig en forudsætning for en effektiv tætning imellem endepladen og rotorendefladen, og dermed imellem maskinens lavtryks- og højtrykskamre.

Fra U.S.A. patentskrift nr. 3.490.383 kendes også et eksempel på en hydraulisk maskine af den aktuelle type, hvori det tilstræbes at skabe en trykfordeling på endepladen, som svarer til trykfordelingen på rotorsiden. Dette nødvendiggør imidlertid et kompliceret arrangement af kanaler til at indføre og fordele trykket.

Den hydrauliske maskine ifølge opfindelsen er ejendommelig ved det i den kendetegnende del af patentkravet angivne. Herved opnås et effektivt tætningsarrangement, hvormed muligheden for lækage imellem højtryks- og lavtrykslommer eller arbejdskamre i maskinen er formindsket væsentligt uden behov for komplicerede kanalsystemer.

Dette opnås ved, at endepladen til stadighed er udsat for det høje tryk i et ringformet område uden for den inderste ringformede reces, hvori der er indsat en tætning. Det høje tryk indføres i dette område igennem den radiale passage, og trykket fordeles effektivt i området af den anden eller yderste, ringformede reces, der virker som en effektiv trykfordelingskanal.

I området ud for et lavtrykskammer i maskinen bevirker trykforskellen over endepladen, at endepladen lokalt udbøjes eller deformeres svagt ind i lavtrykskammeret, og en sådan deformation af endepladen giver anledning til en forøgelse af anlægstrykket imellem endeplade og rotor, og dermed af tætningens effektivitet, i o-vergangsområder mellem højtryks- og lavtrykskamre i maskinen. Der er således opnået en effektiv tætning uanset om maskinen arbejder som motor eller som pumpe.

I det følgende skal den foreliggende opfindelse beskrives nærmere under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 er et snitbillede af en hydraulisk maskine af den aktuelle type, fig. 2 et snitbillede i større målestok af en del af den i fig. 1 viste maskine, og hvor relationen mellem en rotor,en sidepakning samt en endeplade illustreres, 3 148450 fig. 3 et snitbillede i hovedsagen taget langs linien 3-3 i fig. 1, fig. 4 et fragmentarisk snitbillede af en udførelsesform for den hydrauliske maskine ifølge opfindelsen, og fig. 5 et snitbillede i større målestok af en del af den i fig. 4 viste maskine, og hvor relationen mellem en rotor og en endeplade illustreres.

Selv om det forudses, at den foreliggende opfindelse kan benyttes i hydrauliske enheder af tandhjulsrotortypen med mange forskellige konstruktioner, vil opfindelsen her blive beskrevet i forbindelse med en hydraulisk enhed, der i fig. 1 er betegnet som helhed med henvisningstallet 10. Den hydrauliske enhed 10 indeholder et hus 11 og en cylindrisk kappe 12, der strækker sig aksialt fra huset 11 for at omslutte en samstilling af komponenter, der fastholdes i samlet tilstand i det indre af huset 11 og kappen 12 ved hjælp af flere bolte 13. Hver af boltene 13 har et med gevind forsynet skaft 14, der er indsat i en med tilsvarende gevind forsynet boring 16 udformet i en endevæg 17 af huset 11. En dækplade 18 tillukker en ende af enheden 10, og to o-ringe 19 og 20 danner pakninger mellem huset 11, kappen 12 og dækpladen 18.

Inden for kappen 12 er et tandhjulsrotorsæts to fluidumfortrængende parter indsat, og disse parter danner, når de sættes i funktion, kontraherende og ekspanderende fluidumlommer, der tjener som arbejds-kamre. Tandhjulsrotorsættet kan karakteriseres nærmere som indeholdende en metallisk og med indvendige flige eller tænder forsynet stator 21 samt en metallisk og med udvendige tænder forsynet stjerne eller rotor 22. Statoren 21 har en cylindrisk periferivæg 23, der er adskilt radialt fra en indervæg 24 af kappen 12 for at tilvejebringe et ringformet rum eller en passage 26 herimellem. Under en relativ bevægelse af rotoren 22 og statoren 21 i en bestemt retning fyldes passagen 26 med fluidum af et forholdsvis højt tryk.

Statoren 21 haren central åbning til tilvejebringelse af en indervæg 27, hvori der er udformet recesser 28, som vist i fig. 3, og disse recesser er fordelt ækvidistant. I hver reces er der indsat en.cylindrisk vinge 29, og disse vinger danner tilsammen de indvendige flige eller tænder på statoren 21. Mellemrum 30 mellem vingerne 148450 4 29 danner fluidumlommer eller kamre, som skiftevis ekspanderer og kontraherer ved betjening af rotoren 22 til tilvejebringelse af fluidumtilstrømning og fluidumudstrømning. På ethvert givet tidspunkt indeholder visse af lommerne 30 fluidum ved et forholdsvis højt tryk, og de øvrige af lommerne 30 indeholder fluidum ved et forholdsvis lavt tryk.

Rotoren 22 har flere flige eller tænder 31, hvis antal er én mindre end antallet af tænder 29 på statoren 21. Vægsektioner 32, der fremgår af fig. 3, og som forbinder to nabotænder 31, svarer med hensyn til krumning i hovedsagen til de udvendige overflader af tænderne 29.

Aksen for rotoren 22 er forsat i forhold til aksen for statoren 21, således at rotorens bevægelse i forhold til statoren er en samtidig rotations- og kredsbanebevægelse, som fagfolk vil kunne indse.

En indgangs- eller udgangsaksel 15 er lejret til rotation i huset 11 omkring en akse, som ligger på linie med den stationære akse for statoren 21. Akselen 15 er indrettet til sammenkobling med en motor eller lignende, når enheden 10 benyttes som en pumpe, eller akselen 15 kan være indrettet til sammenkobling med en drevet part, såsom et hjul eller lignende, når enheden 10 benyttes som en hydraulisk motor. Akselen 15 er forbundet til rotoren 22 ved hjælp af en slingreaksel, der er betegnet generelt med henvisningstallet 33. Slingreakselen 33 har en længdeakse, der er beliggende under en vis vinkel i forhold til aksen for indgangs- eller udgangsakselen 15.

For drivmæssigt at sammenkoble akselen 15 og rotoren 22 er der ved de tilstødende ender af akselen 33 indrettet to stjernenotkob-linger, der generelt er betegnet med henvisningstallene 37 og 38. Stjernenotkoblingen 37 omfatter en første tandserie, der er udformet på akselen 33, samt en hermed komplementær tandserie, der er udformet på rotoren 22. Tandserien på akselen 33 er afrundet i aksial retning for at optage koniske bevægelser af slingreakselen 33.

For at dirigere fluidum til og fra fluidumlommerne 30 i taktstyret relation til kredsbane- og rotationsbevægelserne af rotoren 22 i forhold til statoren 21 indeholder den hydrauliske enhed 10 et kom-mutatorventilarrangement, der som helhed er betegnet med henvisningstallet 43.

Nærmere betegnet omfatter arrangementet 43 to stationære ventilplader 44 og 46 af metal, der kan betragtes som en mellemplade, 148450 5 henholdsvis en manifoldplade.

Kommutatorventilarrangementet 43 indeholder desuden en bevægelig kommutatorventilplade 47, som omgives radialt af den stationære plade 46, og som er anbragt mellem den stationære ventilplade 44 og en manifoldplade 48. En klemplade eller endeplade 49 af metal er anbragt ved den modsatte ende af statoren 41 og rotoren 22, og ved hjælp af boltene 13 er klempladen 49, statoren 21, ventil- eller endepladen 44, manifoldpladen 46, den hertil stødende plade 48 samt dækselpladen 18 fast sammenspændt med huset 11 og kappen 12. Den ringformede passage 26 forløber umiddelbart inden for kappen 12 langs dennes indervæg 24 fra dækselpladen 18 til endevæggen 17 af huset 11. Andre strømningspassager udgøres af boringer 50 og 51 udformet i slingreakselen 33 og af boringer 52 og 53 udformet i en rørformet forlængelse 54 af indgangs- eller udgangsakselen 15.

Under den hydrauliske enheds 10 funktion som en motor er visse af kamrene 30 i forbindelse med trykfluidum i passagen 26, og disse kamre ekspanderes som følge af den resulterende kredsbane- og rotationsbevægelse af rotoren 22, hvorimod de kamre 30, som ikke er i direkte forbindelse med trykfluidet, reduceres med hensyn til størrelse som følge af rotorens 22 bevægelse. Pladerne 44 og 49 er forbundet med aksialt modstående ender af statoren 21, og disse plader samvirker med statoren som endeplader for et kammer, hvori rotoren 22 roterer og udfører kredsbanebevægeiser under den hydrauliske enheds 10 drift.

Det fluidum med forholdsvis lavt tryk, som udledes fra de kontraherende lommer 30, dirigeres gennem de tilhørende radiale passager 56, som er udformet i mellempladen 44, og derefter gennem en reces udformet i kommutatorventilpladen 47. Fra recessen i pladen 47 strømmer fluidet ind i den i slingreakselen 33 udformede passage 50, derefter gennem den i slingreakselen 33 udformede radiale passage 51 og gennem den radiale passage 52 udformet i den rørformede forlængelse 54 af drivakselen 15 og endelig gennem en fluidumåbning 78 udformet i huset 11.

Som man vil kunne forstå, vil den ene ende 83 af slingreakselen 33, som er forbundet med indgangs- eller udgangsakselen 15, kun rotere, hvorimod en modstående ende 84, der er forbundet med rotoren 22, både vil rotere og udføre kredsbanebevægelser synkront med den i-dentiske bevægelse af rotoren 22. I den illustrerede udførelsesform har statoren 21 syv flige eller tænder 29, hvorimod rotoren 22 har seks tænder. For hver omdrejning vil rotoren 22 således bevæge sig seks gange gennem en kredsbane. Slingreakselen 33 bevæger sig også 6 US450 gennem en konisk bevægelsesvej eller -flade omkring enden 83 og med rotorens 22 kredsbanehastighed.

Da kommutatorventilpladen 47 er sammenkoblet med en yderste ende 60 af slingreakselen 33, vil kommutatorventilpladen også udføre kreds-banebevægelser med rotorens 22 kredsbanehastighed, og derved sættes passagerne skiftevis og i rækkefølge i forbindelse med et kammer 81, der omgiver ventilpladen 47, når denne bevæges i kredsbanen i takt med rotorens 22 kredsbanebevægelse, hvorved fluidumlommerne eller kamrene 30 i rækkefølge og skiftevis ekspanderer som følge af den drivende kraft hidrørende fra trykfluidet, og derefter kontraherer kamrene 30 for at fortrænge fluidum herfra. Da slingreakselen 33 er sammenkoblet med indgangs- eller udgangsakselen 15, driver slingreakselen 33 altså akselen 15 med rotorens 22 rotationshastighed. Den hydrauliske enheds 10 drift og rotation af akselen 15 vil fortsætte, så længe som en fluidumåbning 77 står i forbindelse med en kilde for . trykfluidum.

Por at vende rotationsretningen for akselen 15 er det kun nødvendigt at forbinde fluidumåbningen 78 med trykfluidumkilden samt at forbinde fluidumåbningen 77 med fluidumkredsens lavtrykside. Trykfluidet vil derefter strømme gennem den hydrauliske enhed 10 i en retning, som er modsat den ovenfor beskrevne.

Når den hydrauliske enhed 10 benyttes som en hydraulisk pumpe, forbindes akselen 15 med en passende drivmotor, og fluidum vil blive pumpet gennem enheden 10 mellem fluidumåbningerne 77 og 78 i en retning, som afhænger af omdrejningsretningen for akselen 15. Når fluidum ved et forholdsvis lavt tryk indføres i åbningen 78, og når enheden 10 fungerer som en pumpe, afgives højtryksfluidum fra lommerne til kommutatorventilmekanismen 43. Højtryksfluidet strømmer fra kom-mutatorventilmekanismen 43 til passagen 26 og åbningen 77. Den hydrauliske enhed 10 er indrettet og fungerer på praktisk taget den samme måde som den fra beskrivelsen til U.S.A. patent nr. 3,606,601 kendte hydrauliske enhed. Med henblik på yderligere detailler ved enheden kan der henvises til U.S.A. patent nr. 3.606.601, hvis beskrivelse i sin helhed skal betragtes som inkorporeret i den foreliggende beskrivelse ved denne henvisning.

I den i fig. 1 illustrerede maskine er en ringpakning 100 indsat i et ringformet spor 102 C se figurerne 2 og 3), der er udformet i en sideflade 104 af rotoren 22. Pakningen 100 rager ud af sporet 102 og ligger tætsluttende an mod en plan flade 106 på den stationære plade 44. Pladen 7 U8450 44 samvirker med statoren 21, og pakningen 100 glider på pladen 44, når rotoren 22 udfører rotations- og kredsbanebevægelser i forhold til statoren 21.

Pakningen 100 indeholder en kropdel 116 med i hovedsagen trekantet tværsnit, og som er indsat i sporet 102. En i hovedsagen rektangulær yderste endedel 118 af pakningen blokerer frigangen mellem fladerne 104 og 106.

Pakningen 100 blokerer for strømningen af fluidum med forholdsvis højt tryk fra lommerne 30 gennem frigangen til den centrale del af rotoren, der udsættes for fluidum ved et forholdsvis lavt retureller dræntryk

Den del af sidefladen 104, som ligger radialt uden for pakningen 100, d.v.s. den nederste del set i fig. 2, er således udsat for et forholdsvis højt fluidumtryk, som er lig med fluidumtrykket i den tilhørende lomme 30. Dette forholdsvis høje fluidumtryk er antydet skematisk ved de forholdsvis lange pile i fig. 2. Den radialt inderstliggende del af rotorsidefladen 104, d.v.s. den øverste del set i fig. 2, udsættes for det forholdsvis lave dræntryk som antydet skematisk ved de korte pile i fig. 2. Pakningen 100 blokerer for fluidumstrøm fra højtryksiden af rotoren 22 til lavtryksiden. Et ringformet hulrum 110 dannes derfor af pakningen 100, rotorfladen 104 og pladefladen 106.

En sideflade 122 af rotoren 22 er som vist i fig. 1 presset i en tætsluttende metal-mod-metal kontakt med endepladen 49 af fluidumtrykket i hulrummet 110. Fluidumtrykkræfterne mod sidefladen 104 af rotoren 22 tvinger således den modstående sideflade 122 af rotoren an mod endepladen 49. Fluidumlækagen rundt om sidefladerne 104 og 122 af rotoren 22 blokeres af den kombinerede virkning af pakningen 100 og det fluidumtryk som presser rotorfladen 122 i tætsluttende kontakt med pladen 49. Det må bemærkes, at selv om pakningen 100 ligger i afstand fra rotorfladen 122 og endepladen 49, vil pakningen sætte højtryksfluidet i stand til at presse rotoren 22 an mod endepladen og herved blokere for lækage af højtryksfluidura fra lommerne 30 til lavtryksudløbet 78.

Under fortsat brug af den hydrauliske enhed 10 udsættes pakningen 100 for slitage på grund af den glidende bevægelse af pakningen i forhold til fladen 106 på ventilpladen 44. Desuden kan pakningen 100 have tendens til at blive deformeret som følge af det hydrauliske fluidums påvirkning. For at opnå en lang levetid kan pakningen 100 være fremstillet af polyethylen med ultrahøj molekylevægt.

δ 148450 I den i figurerne 1-3 illustrerede hydrauliske maskine eller enhed er pakningen 100 indsat mellem rotoren 22 og ende- eller ventilpladen 44 til dannelse af et hulrum 110, hvori fluidum under tryk tvinger rotoren til tætsluttende metal-mod-metal kontakt med den ovenfor liggende endeplade 49. Selv om pakningen 100 er fremstillet af polyethylen med ultrahøj molekylevægt og derfor vil have en forholdsvis lang levetid, kan anvendelsen af en sådan pakning mellem rotoren 22 og endepladen 44 imidlertid være uheldig under visse driftsforhold.

I den i figurerne 4 og 5 illustrerede udførelsesform for den hydrauliske maskine eller enhed ifølge opfindelsen danner en pakning mellem to stationære plader derfor et hulrum, der tilbageholder fluidum under tryk, som tvinger den ene af pladerne i tætsluttende metal-mod-metal kontakt med en endeflade af rotoren. Da adskillige af komponenterne i den hydrauliske enhed 200, der er illustreret i figurerne 4 og 5, har den samme konstruktion og samvirker på samme måde som komponenterne i den hydrauliske enhed 10 ifølge fig. 1, vil der blive anvendt de samme henvisningstal til betegnelse af til hinanden svarende komponenter, idet bogstavet "a" dog vil blive tilføjet i forbindelse med komponenter i figurerne 4 og 5 for at undgå forvekslinger.

Den hydrauliske enhed 200 indeholder et hus 11a og en cylindrisk kappe 12a, der holder en opstilling af parter, som fastholdes i det indre af huset 11a ved hjælp af flere bolte 13a. Hver af disse bolte indeholder et med gevind forsynet skaft, der er indsat i en med tilsvarende gevind forsynet boring i en endevæg af huset 11a.

I det indre af kappen 12a er en tandhjulsrotormekanismes to fluidumf ortrængende parter indsat, og når tandhjulsrotormekanismen betjenes, danner disse parter kontraherende og ekspanderende fluidumlommer eller arbejdskamre. Tandhjulsrotormekanismen indeholder en med indvendige flige eller tænder forsynet stator 21a af metal samt en med udvendige tænder forsynet stjerne eller rotor 22a af metal. Sta-toren 21a indeholder en periferisk udvendig flade 23a, der er anbragt i radial afstand fra en indervæg af kappen 12a for at tilvejebringe et ringformet rum eller en passage 26a herimellem. Under relative bevægelser mellem rotoren 22a og statoren 21a i en bestemt retning fyldes passagen 26a med fluidum ved et forholdsvis højt tryk.

9 148450

Statoren 21a er som statoren 21 i fig. 3 forsynet med en central åbning til optagelse af vinger, der danner de indvendige flige eller tænder på statoren. Mellemrum 30a mellem vingerne danner fluidumlommer eller -kamre, som skiftevis ekspanderer og kontraherer ved bevægelse af rotoren 22a i kredsbane- og rotationsbevægelser i forhold til statoren 21a, og derved frembringes fluidumindstrømning og fluidumudstrømning. På ethvert givet tidspunkt indeholder visse af lommerne 30a fluidum ved et forholdsvis højt tryk, mens andre lommer 30a indeholder fluium ved et forholdsvis lavt tryk. Aksen for rotoren 22a er forsat i forhold til aksen for statoren 21a, da bevægelsen af rotoren 22a i forhold til statoren 21a er en samtidig rotations- og kredsbanebe-vægelse.

En indgangs- eller udgangsaksel 15a har en cylindrisk inderste endedel, hvoraf der kun er vist en del i fig. 4. Den yderste endedel af akselen 15a er indrettet til sammenkobling med en motor eller lignende, når den hydrauliske enhed 200 benyttes som en pumpe eller til sammenkobling med en drevet part, såsom et hjul eller lignende, når den hydrauliske enhed 200 benyttes som en motor. Akselen 15a er forbundet med rotoren 22a ved hjælp af en slingreaksel 33a. Slingre-akselen 33a har en længdeakse, der er anbragt under en spids vinkel i forhold til aksen for indgangs- eller udgangsakselen 15a.

Under den hydrauliske enheds 200 drift dirigeres fluidum til og fra lommerne 30a i takt med rotorens 22a kredsbane- og rotationsbevægelse i forhold til statoren 21a. For at opnå denne taktstyrede relation mellem rotorens bevægelse og det hydrauliske fluidums fordeling samvirker en kommutatorventilmekanisme, hvoraf en del er vist i fig. 4 og er betegnet med henvisningstallet 43a, med rotoren 22a på en måde, som i hovedsagen svarer til den i forbindelse med kommu-tatorventilarrangementet i udførelsesformen ifølge figurerne 1-3 forklarede. Virkemåden for kommutatorventilarrangementet 43a vil derfor ikke blive, beskrevet yderligere for at undgå en for omfattende beskrivelse.

I overensstemmelse med den foreliggende opfindelse er en endeeller klempladeindretning 210 tilknyttet rotoren 22a. Pladeindretningen 210 indeholder to stationære endeplader 212 og 214, der er indsat mellem statoren 21a og huset 11a.

For at hindre fluidumlækage mellem en indvendig flade 218 af endepladen 214 og en endeflade 122a af rotoren 22a er et trykkammer 222 udformet mellem de to endeplader 212 og 214 på den i fig. 5 viste måde. Trykkammeret 222 har en i hovedsagen ringformet konfiguration 148450 ίο og indeholder en ringformet reces 224, der er sat i strømningsmæssig forbindelse med fluidumpassagen 26a ved hjælp af en radialt forløbende passage 228. Højtryksstrømmen fra ringkammeret 222 til et lavtrykspassageområde 232 rundt om slingreakselen 33a blokeres af en ringpakning 236.

Ringpakningen 236 kan have mange forskellige konfigurationer.

I den i fig. 5 illustrerede udførelsesform for opfindelsen har ringpakningen 236 imidlertid den samme konfiguration som pakningen 100. Ringpakningen 236 er indsat i et ringspor 240 i den inderste endeplade 214. Pakningen 236 strækker sig til tætsluttende kontakt med en plan og ringformet inderflade 244 på den yderste endeplade 212. Pakningen 236 samvirker derfor med de to endeplader 212 og 214 til blokering af fluidumstrømmen fra kammerdelen 224 til området 232 med forholdsvis lavt tryk.

, Under den hydrauliske enheds 200 drift findes forholdsvis store fluidumtrykkræfter mod en ringformet yderflade 250 på den inderste endeplade 214. Disse fluidumtrykkræfter er antydet ved forholdsvis lange pile i fig. 5 og presser endepladen 214 til tætsluttende metal-mod-metal kontakt med endefladen 122a på rotoren 22a. De forholdsvis store fluidumtrykkræfter i kammeret 222 bevirker endvidere, at en modstående endeflade 104a på rotoren 22a presses til tætsluttende metal-mod-metal kontakt med den overfor liggende endeplade 44a.

Af ovenstående beskrivelse vil det fremgå, at den hydrauliske maskine 200 indeholder en rotor og endeplader, som tvinges til tætsluttende metal-mod-metal kontakt for at hindre lækage af højtryksfluidum mellem rotoren og endepladerne til en passage indeholdende fluidum ved et forholdsvis lavt tryk. I den i figurerne 4 og 5 illustrerede udførelsesform for opfindelsen samvirker ringpakningen 236 med de to plader 212 og 214 til dannelse af et ringkammer 222, hvori højtryksfluidum fra en passage 26a tvinger endepladen 214 til fast metal-mod-metal kontakt med endefladen 122a af rotoren 22a. Højtryksfluidet mod endepladen 214 tvinger desuden den modstående endeflade 104 af rotoren 22a til tætsluttende metal-mod-metal kontakt med endepladen 44a.