EP0674746B1 - Taumelscheibenmaschine - Google Patents

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Publication number
EP0674746B1
EP0674746B1 EP94902680A EP94902680A EP0674746B1 EP 0674746 B1 EP0674746 B1 EP 0674746B1 EP 94902680 A EP94902680 A EP 94902680A EP 94902680 A EP94902680 A EP 94902680A EP 0674746 B1 EP0674746 B1 EP 0674746B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
swash plate
plate machine
grooves
groove
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP94902680A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0674746A1 (de
Inventor
Fritz Reis
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hofmann Hofmann Sondgen Pauly Gdbr
Original Assignee
Hofmann Hofmann Sondgen Pauly Gdbr
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE19924242449 external-priority patent/DE4242449A1/de
Priority claimed from DE19934334874 external-priority patent/DE4334874A1/de
Application filed by Hofmann Hofmann Sondgen Pauly Gdbr filed Critical Hofmann Hofmann Sondgen Pauly Gdbr
Publication of EP0674746A1 publication Critical patent/EP0674746A1/de
Application granted granted Critical
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Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C9/00—Oscillating-piston machines or engines
    • F01C9/007—Oscillating-piston machines or engines the points of the moving element describing approximately an alternating movement in axial direction with respect to the other element
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C9/00—Oscillating-piston machines or engines
    • F01C9/005—Oscillating-piston machines or engines the piston oscillating in the space, e.g. around a fixed point

Definitions

  • the invention relates to a swashplate machine with a hollow spherical working space which is divided by a partition into at least one high-pressure side and one low-pressure side, into which the working medium can be fed through a line system, the partition extending up to a piston carrier and working together with a plate-shaped sealing strip an annular piston adapted to the diameter of the working space, which is connected to the outer space by a mounted shaft which causes the piston to wobble, the piston having at least one radial piston slot extending from the periphery to approximately a piston carrier, in which a guide pin is inserted , which cooperates with the partition, and which piston tapers outwards towards the circumference, the end faces of the piston having opposite Se and laterally delimiting the working space and perpendicular to the axis of rotation of the shaft surfaces are in contact.
  • the invention relates to the field of swashplate machines for the conveyance of liquid and gaseous Media as a sub-group of the field of work machines, especially swash plate pumps and swash plate compressors.
  • Such a swashplate machine has become known from German patent DE 35 42 648 C2.
  • the teaching disclosed there relates to a swash plate machine with an annular piston which is arranged in a hollow spherical working space.
  • the piston is held in a piston carrier and is set into a wobbling movement by a drive shaft, the piston carrier directly acted upon by the shaft being in positive engagement with the piston and imparting the wobbling movement to it.
  • the partial working spaces located on both sides of the piston which are formed by a partition wall which is in engagement with the piston, function as a high-pressure and low-pressure chamber into which the respective medium is fed and discharged, depending on the direction of rotation of the drive shaft driving the piston carrier.
  • the piston guide consists of a guide pin inserted in a radial slot in the piston, which in its basic form is a circular cylindrical one Column is formed with a slot corresponding to the wall thickness of the partition, in which the partition engages. In accordance with the wobbling movement of the piston caused by the piston carrier set in rotation by the drive shaft, the guide pin slides along the partition.
  • the piston has a circular cylindrical guide pin inserted into its radial slot, which is guided in a guide groove arranged in the partition, which radial slot is angled Side flanks are provided, the opening angle of which is adapted to the pivoting stroke of the piston and that the guide pin cooperates with a sealing element arranged in the piston carrier, which is adapted to the opening angle of the radial slot of the piston.
  • the rotatable guide pin is supported by an axial bearing in the base of the radial slot. This results in a further reduction in friction, since instead of static friction, only the significantly lower rolling resistance of the rotatable cylindrical guide pin in the guide groove in the end face of the partition facing the working area is opposed to the wobbling movement of the piston. if anything, friction occurs at most as sliding friction and then only in a line along the pressure-side contact line of the circular-cylindrical guide pin on the inner wall of the guide groove that is tangential to it.
  • This arrangement is therefore particularly suitable for the operation of the swash plate machine according to the invention as a high-pressure pump or as a compressor.
  • the guidance of the radial piston according to the invention proves itself in one Guide groove in the partition by means of the rotatable guide pin inserted in the radial slot as very wear-resistant even at high drive speeds.
  • the partition which engages in the radial slot arranged in the piston, includes the guide pin with a certain tolerance on two opposite sides with the guide groove, so that only one side of the two possible contact surfaces, namely the respective one Inner wall side of the guide groove in the partition, is subjected to force and the opposite side is relieved.
  • this results in a very advantageous reduction in wear due to the comparatively low, almost negligible friction.
  • the piston has a radial slot with angled side flanks, the opening angle of which is adapted to the pivoting stroke of the piston, and that the slot base and the end face of the dividing wall engaging in the radial slot each have a coordinated spherical curvature adapted to the radius of the slot base are provided.
  • the piston In contrast to the first solution, the piston also has a radial slot but no guide pin. Instead, the radial piston is guided by the side flanks which are adapted to the pivoting stroke of the piston. In order to reduce the friction that occurs, the common contact surface between the piston and the partition end face adapted to each other in the form. This achieves a very good sealing effect, but only an operation at low speeds is possible with the swash plate machine according to the invention.
  • sealing rollers have a double function. On the one hand, as the name indicates, they serve to seal the two pressure chambers from one another. On the other hand, they also serve to guide the piston, and because of the circular cylindrical roller shape of the sealing rollers, there is only one linear contact surface between the sealing rollers and the piston. Accordingly, the resulting friction is almost negligible.
  • sealing lips can also be provided, which also have a rounded contact surface for the partition, corresponding to a half cylinder, and can also be arranged so as to be tangentially movable, so that they always nestle against the partition.
  • the material pairing of the sealing lip and partition wall can be selected so that a certain lubricating effect and thereby an improved sealing effect occur, for example by using bearing metal for the sealing lips
  • sealing rollers are acted upon by compression springs which press the sealing rollers against the partition.
  • the sealing rollers are acted upon by pressure medium from the working space, mechanical springs also being optionally provided.
  • the sealing strip is arranged like a piston ring in a circumferential groove on the piston.
  • the sealing strip is expediently made of resilient material and inserted into the circumferential groove in such a way that it always lies against the inner wall of the working space with a sufficiently high contact pressure.
  • a further advantageous development of the invention provides that the sealing strip can be pressed against the housing additionally or only exclusively by the working medium, as a result of which the sealing effect is considerably improved without impermissibly high frictional forces attacking.
  • Such a measure can consist, according to the invention, in the fact that tangentially movable, force-actuated, roller-shaped parts are arranged in the side surfaces of the radial slot, which serve to guide the cob along the partition wall engaging therein and at the same time to seal the part work spaces formed by the piston and the partition wall against one another.
  • these guide bodies or sealing rollers are pressed against the partition wall by compression springs and are thus in constant contact with the partition wall and ensure a good seal.
  • the spring force is dimensioned such that sufficient pressure is applied on the one hand and no unacceptably high friction results on the other hand.
  • the compression springs for pressing the sealing rollers are provided together with the action of the pressure medium, in order to ensure in this way that even in the unpressurized state, for For example, when the swashplate machine is stopped, a seal against a minimum pressure is guaranteed.
  • the piston for the swash plate machine has at least in some areas radially extending grooves on at least one end face which are delimited by knife-like webs. This ensures that the contaminants, e.g. Chips and wood pulp in paper production or fish bones or fish or grape residues in wine and must production, cannot get stuck between the piston and the inner wall of the work area and thus impair the swash plate machine in its pumping action.
  • the area of the piston provided with the radial grooves in the piston is a circular sector, the bisector of which extends perpendicular to the axis of the piston slot.
  • radial grooves can be arranged on both end faces of the piston, the grooves being arranged on the respective end face of the piston in a sector, one side of which adjoins the piston slot.
  • the areas of the piston provided with the grooves are each arranged on the mutually opposite end faces of the piston so that a plane of division of the piston lying along the piston slot axis converts the piston into a first piston half with radial grooves or with radially extending knife-like Web and divided into a second piston half with smooth piston surfaces without grooves and webs.
  • the smooth piston area is arranged on the suction side, while the groove area of the piston provided with knife-edge-like webs is arranged on its pressure side. This means that a change in the direction of rotation with the associated change of the suction side to the pressure side and vice versa should be avoided, since otherwise there may be leaks during suction due to the gaps between the piston surface and the working space wall caused by the grooves, which lead to the fact that the pumping of the relevant one Medium required vacuum can not arise.
  • the grooves according to the invention are provided only on the bevelled end faces of the piston, which come into contact with the wall of the work area.
  • the rest of the piston face is smooth, i.e. without grooves and bars.
  • a clear width of 15 mm is preferably provided on the inner circumference as the maximum groove width, ie at the radius at which the beveling of the piston begins.
  • the groove depth is in a certain relationship to the groove width and, according to an advantageous embodiment of the invention, is for example 4 mm, corresponding to 40% of the associated groove width.
  • the width of the radially arranged grooves is provided in accordance with an angular division of 7.5 ° ⁇ 2.5 °. From this it follows that, depending on the respective piston diameter, the clear width of the grooves adapts and, with large piston dimensions, wide grooves also result. This proves to be advantageous for operation in that large media flows are also usually conveyed with a swash plate machine with a large piston diameter, which often also have large foreign components.
  • the grooves have a square profile. This can preferably be a rectangular profile which is flat or curved in the longitudinal direction of the groove. However, it can also be advantageous for the stability of the webs delimiting the grooves that the grooves have a trapezoidal profile with a flat groove base and beveled groove flanks.
  • the grooves are profiled asymmetrically with respect to their longitudinal axes or that the grooves have a V-profile with a narrow groove base and the same or different steep slopes. It is advantageous if the flanks of each groove on the piston slot side, that is to say the flanks which are in each case closer to the piston slot, are set steeper than the opposite flanks. In this way it can be achieved that when the piston rolls off the wall of the work space, the solid materials are carried along as if by a shovel, without falling back.
  • a particularly preferred embodiment of the invention provides that the angle of attack of the groove flanks on the piston slot side with respect to the groove base is 105 ° to 120 °, preferably 112 °, and that the angle of attack of the opposite groove flanks with respect to the groove base is> 135 °.
  • the knife-like webs delimiting the grooves have a cutting edge-like outer edge and a wider base on the groove base, which reinforce the respective web.
  • the knife-like webs In order to reduce the wear of the piston or its piston surfaces provided with the grooves and knives, it has proven to be advantageous for the knife-like webs to be surface-hardened. Instead, or possibly additionally, it can be provided that the knife-like webs have a coating with a wear-resistant material.
  • Another embodiment provides that the webs are made as separate inserts made of hard metal and inserted into the piston.
  • the piston is made of stainless material, preferably steel
  • the groove base receiving the knife-like webs is designed as a separately manufactured piston part which is connected to the piston.
  • the knife-edge-like outer edge of each web means that when the piston is successively rolled off on the inner wall of the working space, solid components located between it and the piston are not squeezed as since then, with the result that leaks in the working spaces may be generated as a result, but instead the sharp cutting edge of each bar is cut and thus crushed.
  • the inner wall of the work space serves as a cutting surface similar to an anvil.
  • the previously mentioned problem which can possibly arise when the piston area provided with grooves is used on the suction side, has no relevance for the pressure side, since there are already conveyed solid parts in the piston working space which fill the grooves and thus contribute to the sealing.
  • a further embodiment of the invention which aims to avoid disruptions in the conveyance of media which are mixed with granular impurities, provides that the piston is provided with a soft layer on its piston surfaces, preferably only on the beveled area.
  • This soft layer can consist of rubber and can be vulcanized onto the piston blank made of steel. Instead, it is also possible that a flexible but wear-resistant plastic is provided as a soft layer instead of rubber.
  • the soft layer ensures that the granular admixtures such as sand, granulate, gravel or the like cannot lead to leaks during pump operation, since the piston with its sealing surface is always on the working space wall and any dirt in between is pressed into the soft layer or removed beforehand as with a spatula.
  • FIG. 1 shows a swash plate machine 10 according to the invention in longitudinal section, which has a housing 12 formed from a left housing part 13 and a right housing part 14, in which a working space 16 is arranged.
  • the two housing parts 13, 14 forming the housing 12 are held together in a known manner by means of a screw connection.
  • the working space 16 which is spherical, there is a partition 18 which divides the working space 16 together with an annular piston 20 into a high-pressure space 23 and a low-pressure space 24.
  • the piston 20 is held by a piston carrier 26 which is placed on a drive shaft 28.
  • the drive shaft 28 is guided laterally to the outside, where it can be acted upon by a motor, not shown here.
  • the piston carrier 26 is composed in a known manner from two halves, the parting line of which is inclined, that is to say at an angle to the drive shaft 28, so that the piston 20 inserted between the two halves of the piston carrier is also inclined to the longitudinal axis of the piston Drive shaft 28 is employed.
  • the peripheral area of the piston 20, i. H. its circumferential area is beveled in accordance with the maximum swivel position caused during the wobble movement, which on the one hand ensures its full mobility within the working space and enables simplified manufacture compared to the swashplate machine known from the prior art.
  • the piston 20 On the side facing the partition 18, the piston 20 has a radial slot 30 in which the partition 18 engages.
  • the flanks 32, 33 of the radial slot 30 are, as shown in FIG. 2, beveled in accordance with the pivoting stroke of the piston 20.
  • a sealing segment 37 In the slot base 34 of the radial slot 30, a sealing segment 37, which is supported by means of an axial bearing, which is designed here as a roller bearing, is arranged, on which a guide pin 38 is attached.
  • the guide pin 38 is a circular cylindrical body which is inserted centrally into the slot base 34 and is guided on two sides by a guide groove 40 which is formed in the end face of the partition 18 facing the piston 20.
  • the guide pin 38 which is guided in the guide groove 40, serves to pull the piston 20, which is caused to wobble, by the rotating piston carrier 26 prevent him from turning. Instead, the piston, caused by the guidance of the guide pin 38 in the guide groove 40, makes a back-and-forth movement in which it executes a pivoting movement corresponding to the angular adjustment of the piston carrier 26 with respect to the drive shaft 28, which overall appears as a wobbling movement.
  • the swivel path or, in other words, the swivel stroke of the piston is coordinated with regard to the intended use, e.g. as a high-pressure pump or as a compressor, i.e. the higher the drive speed provided for the drive shaft, the higher the swivel or wobble frequency and the higher the swivel path or swivel stroke is smaller in order to ensure the safe functioning of the swash plate machine 10.
  • a sealing strip 21 is inserted in a circumferential groove 22 of the piston 20.
  • the sealing strip 21 rests on the inner wall of the working space 16 in a manner similar to a piston ring and thus ensures good sealing of the low-pressure space 23 against the high-pressure space 24 with comparatively little friction.
  • FIG. 2 shows the swash plate machine 10 according to FIG. 1 in a sectional view from above, the cut being made along the section line I-I in FIG. 1.
  • the same reference numerals as in FIG. 1 have been used for the same features.
  • this view shows the arrangement of the guide groove 40 in the end face of the partition 18 facing the piston 20, which surrounds the guide pin on both sides and is idealized only in the respective one Tangent line touched.
  • lubrication channels or lubrication bores 54 and ventilation channels or ventilation bores 56 are shown, which serve on the one hand the relatively movable sliding surfaces, e.g. the guide pin 38 and the guide groove 40, as well as bearing points, e.g. to provide the first and second piston bearings 42, 44 in the piston carrier 26 or the axial bearing 36 in the slot base 34, as well as the support bearings 46 for mounting the drive shaft 28, with sufficient lubricant and, at the same time, to prevent an overdosing of lubricant by automatically applying excess lubricant due to negative pressure is sucked out of the swashplate process.
  • the relatively movable sliding surfaces e.g. the guide pin 38 and the guide groove 40
  • bearing points e.g. to provide the first and second piston bearings 42, 44 in the piston carrier 26 or the axial bearing 36 in the slot base 34, as well as the support bearings 46 for mounting the drive shaft 28, with sufficient lubricant and, at the same time, to prevent an overdosing
  • Reference numbers 58 denote housing screws which serve to connect the two housing parts 13, 14 of the swashplate machine housing 12. They are arranged concentrically around the work space 16, so as to ensure that no leaks or housing misalignment with corresponding adverse consequences for operation can occur.
  • FIG. 4 shows a representation similar to that shown in FIG. 3, namely a side view of the annular piston 20, which, however, has a different piston guide on the dividing wall 18, which is provided specifically for operation at low drive speeds.
  • the guide of the piston 20 is achieved by the flanks 32, 33 of the radial slot 30, which abut the partition wall 18 engaging in the radial slot 30.
  • sealing rollers 60 are arranged in the two opposite vertices of the oppositely angled flanks 32, 33, each of which is pressed against the partition 18 by a compression spring (not shown) and / or by the respective working medium.
  • bearing arrangements 42, 44, 46 in the housing 12 and in the piston 20 are possible to lubricate evenly and also to keep a sealing ring 51 provided for sealing the shaft bushing and a stuffing box 53 or an alternative mechanical seal 52 used instead of these two seals virtually without pressure, that is to say to relieve the medium pressure.
  • a vent hole 56 is provided at the lowest point of each relevant seal 50, 51, 52.
  • baffle plate 50 In order to protect the seals 51 or 52 which are provided for sealing the shaft bushing and are directly exposed to the action of the lubricant against mechanical damage by the pressure jet of the lubricant, a so-called baffle plate 50 is built in, which consists of metallic material and forms one leads to significant reduction in the mechanical stress on the seals 51 and 52.
  • a conventional mechanical seal 52 used here lasts only a short operating time of a few hundred operating hours without any problems due to the mechanical action of the high pressure jet of the lubricant, i.e. trouble-free.
  • the operating costs are significantly increased because of the replacement procurement and the inevitable downtime of the swash plate machine 10 according to the invention.
  • baffle plate 50 which surrounds the drive shaft 28 with sufficient play, a significantly increased service life can be achieved, which is important in all respects proves to be advantageous.
  • baffle plate or baffle plate 50 prevents an undesirable pumping effect for the lubricant, which inevitably occurs if the fit between the drive shaft 28 and the baffle plate 50 is too tight and promotes lubricant in the sealing region of the shaft bushing of the drive shaft 28 through the housing, which promotes leakage would, but prevented.
  • the lubrication of the bearing points 42, 44, 46 by introducing external lubricants Via a lubricant connection 62, for example in the form of a ball valve, to which a lubricant hose with plug-in coupling, not shown here but generally known in the prior art, can be attached.
  • a lubricant connection 62 for example in the form of a ball valve, to which a lubricant hose with plug-in coupling, not shown here but generally known in the prior art, can be attached.
  • the individual bearing points 42 and 44 in the piston 20, including the guide pins 38 and the support bearings 46 in the housing 12 for supporting the drive shaft 28 are supplied with the sufficient amount of lubricant via a lubricant channel 64 arranged in the drive shaft 28 as a central bore.
  • the guide groove 40 in the end face of the dividing wall 18 is also included in this lubrication circuit, the lubricant being supplied with sufficient pressure via the lubricant connection 62 and being able to flow off again on the low-pressure side via the ventilation holes already mentioned, in order to keep the pressure chamber free of lubricants and thus to avoid undesired enrichment of the compressed air with lubricants, eg oil.
  • the lubrication channels 54 act in the opposite direction of rotation of the drive shaft 28 swash plate machine 10 as vent holes 56 and vice versa the vent holes 56 as lubrication channels 54.
  • the lubrication system with the holes 54, 56 with ball valves or the like, not shown, can be used accordingly be designed constructively.
  • FIG. 5 shows a so-called exploded view of a piston arrangement with a first sealing segment 37 for use in a swash plate machine according to FIG. 1 in a longitudinal section or in a side view.
  • the sealing segment 37 consists of an insert 39, a radial slot element 31 and the guide pin 38 arranged therein, which is provided for engaging in the guide groove 40 formed in the end wall of the partition 18 on the pressure chamber side and which is by means of a releasable connection, e.g. Thread or screw connection that connects the radial slot element 31 with the insert 39 and the piston 18.
  • This variant of the solution offers the advantage that the above-mentioned frictional wear can be additionally reduced by a suitable material pairing of the materials of the guide pin 38 and the partition wall 18 with the guide groove 40 or the optionally provided lining of its inner wall.
  • Another function of the sealing segment 37 is to accommodate the radial slot 30.
  • the X-shaped radial slot 30 With the help of the X-shaped radial slot 30 with lateral, at an angle to each other slot flanks 32, 33, in which the partition 18 engages with a tight fit, the pivot angle of the piston 20 and thus its pivot stroke, as already explained in relation to FIG. 1 limited.
  • the piston 20 has a radial recess 35 on the side opposite the radial slot 30 or the sealing segment, in which a body 65 with a circular cross section is arranged.
  • the radial recess 35 serves to compensate for unbalance of the piston 20, which results from the material removal resulting from the production of the X-shaped radial slot 30, whereby by introducing balancing weights 65 into the radial recess 35, weight compensation even when using a radial slot 30 with a different geometry and therefore less material removal is possible.
  • FIG. 6 shows a second sealing segment 66 in side view and underneath in top view, as can be used in place of the sealing segment 37 shown in FIG. 5.
  • the sealing segment 66 shown here does not have a radial slot element but only an insert 67.
  • the pivoting path of the piston 20 is limited by a radial slot 30 provided with slot flanks 32, 33 and molded in the piston .
  • insert 67 is spherically curved on its surface carrying guide pin 38, the curvature being compatible with the configuration of the corresponding end face of partition 18.
  • the insert 67 has V-shaped indentations on two opposite sides, which the X-shaped radial slot 30 in the piston 20 correspond congruently.
  • FIG. 7 shows a third sealing segment 68 in a side view and underneath in a top view, as can be used instead of the sealing segment 37 or 66 shown in FIG. 5 or in FIG. 6.
  • the sealing segment 68 shown here is connected in one piece to the guide pin 38. In its further configuration, it corresponds to the second sealing segment 66, which is shown in FIG. 6. Accordingly, it also has no radial slot element, but a spherically curved surface and V-shaped indentations on two opposite longitudinal sides, which are congruent with the X-shaped radial slot 30 in the piston 20 and thus ensure a firm fit in the piston 20.
  • the lubrication system provided in the swash plate machine according to the invention which makes use of the different pressures of the pump system, works very cleanly, economically and efficiently through the suction of excess lubricant caused by negative pressure.
  • FIG. 8 shows a sectional view through the swash plate machine 10 according to FIG. 1, which has a new piston 20 in its working space 16.
  • the two housing parts 13, 14 forming the housing 12 are held together in a known manner by means of a screw connection, not shown.
  • the working space 16 which is spherical, there is a partition 18 which divides the working space 16 together with the annular piston 20 into the high-pressure space 23 located below and into the suction or low-pressure space 24 located above.
  • the piston 20 is held by a piston carrier 26 which is placed on a drive shaft 28.
  • the drive shaft 28 is guided laterally outwards, where it can be acted upon by a motor, not shown here.
  • the piston carrier 26 is also composed here in a known manner, not shown in more detail, of two halves, the parting line of which is inclined, that is to say at an angle to the drive shaft 28, so that, in a likewise known manner, that between the two halves of the piston carrier 26 inserted piston 20 is set obliquely to the longitudinal axis of the drive shaft 28.
  • the peripheral area of the piston 20, i. H. its circumferential area 33, 34 is chamfered so that it can rest with its piston surfaces 33, 34 in accordance with the respective maximum swivel position caused by the wobble movement on the inner wall of the working space 16, thereby ensuring its full mobility within the working space 16.
  • the piston 20 On the side facing the partition 18, the piston 20 has a radial slot 30 in which the partition 18 engages.
  • a guide pin 32 is used, which absorbs the pivoting forces of the piston 20.
  • the guide pin 32 guided in the radial slot 30 serves to prevent the piston 20, which is caused to tumble by the rotating piston carrier 26, from rotating with it. Instead, the piston 20 makes by guiding the guide pin 32 in the radial slot 30, a back and forth movement in which it executes a pivoting movement corresponding to the angular adjustment of the piston carrier 26 26 with respect to the drive shaft 28, which appears as a wobble movement overall.
  • the piston 20 has 72 grooves 76 on its two pressure piston surfaces belonging to the pressure chamber 23. which are delimited by knife-like webs 78.
  • the knife-like webs 78 have the task of cutting the solid components that get between the piston surface 72 and the inner wall of the working space 16 during the pivoting movement of the piston 20.
  • the cavity of the grooves 76 serves in each case to temporarily take up the comminuted residues, as a result of which a certain seal is also achieved until the components comminuted in this way are conveyed onward.
  • the suction piston surface 74 is left smooth, that is to say without grooves or webs. The reason for this is to build up a sufficient negative pressure in order to draw in the fluid to be conveyed in each case.
  • the profiling of the piston surfaces 74 on the suction side would lead to disturbing leaks which prevent the generation of the required negative pressure.
  • a possible jamming of solid components between the piston surface 74 and the inner wall of the working space 16, in contrast, is less problematic. In any case, the tightness achieved is sufficient to build up the desired negative pressure.
  • FIG. 9 the piston 20 is shown in FIG. 8 in side view, i. H. with a pressure piston surface 72 provided with grooves 76 and webs 78 and with a smooth suction piston surface 74.
  • a pressure piston surface 72 provided with grooves 76 and webs 78 and with a smooth suction piston surface 74.
  • the same reference numbers as in FIG. 8 have been used for the same features.
  • this view shows the arrangement of the grooves 76 and webs 78 and their radial orientation and their position relative to the radial slot 30, which encompasses the guide pin 32 (not shown here) on both sides.
  • the groove width depends on the respective piston diameter and can be specified with an angular pitch of approximately 7.5 ° ⁇ 2.5 °.
  • FIG. 10 shows a view from two different directions on the end face of the piston 20 with a partial section through a piston surface, from which the longitudinal slot profile of the grooves 76 can be seen.
  • the view of the radial slot 30 is reproduced above the division plane shown in dashed lines. Below this is a view that is pivoted by 90 °.
  • the grooves 76 can accordingly be designed either as continuous grooves with a straight, ie flat, groove base or with a curved groove base (dashed line).
  • the latter embodiment variant is, on the one hand, less effective than the flat groove base with regard to the desired cutting action of the webs 78 delimiting the grooves 76; but this design has a more favorable service life, which increases its service life.
  • the pumped medium is sucked in on the suction side of the piston 20 and, as a result of the wobbling movement, is conveyed from the suction chamber 24 into the pressure chamber 23, where, if necessary, the knife-like webs 78 crush the solid components of the pumped medium.
  • the grooves 76 are radially aligned, as are the webs 78 which delimit them, the groove width on the outer circumference being 5 to 10 mm, depending on the piston diameter.
  • the radially aligned grooves 76 or the groove flanks of the webs 78 that delimit them ensure that the material to be conveyed, in particular the solid components, is automatically carried along when the piston 20 rolls on the wall of the working space 16 and similarly is kept in a pocket so that the material to be conveyed does not remain behind and does not cause a backflow, but is continuously conveyed onward. In this way it is possible to pump even media that are difficult to convey.
  • the thickness of the webs is preferably 1 mm ⁇ 0.5 mm, it being possible for the web cross-section to be provided conically with a corresponding machining, with a broad base and a narrow outer edge. On the one hand, this improves the cutting effect of the webs 78 and, on the other hand, increases their service life.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Taumelscheibenmaschine mit einem hohlkugelförmigen Arbeitsraum, der durch eine Trennwand in mindestens eine Hochdruckseite und eine Niederdruckseite geteilt ist, in welche das Arbeitsmedium durch ein Leitungssystem zuführbar ist, wobei die Trennwand bis zu einem Kolbenträger reicht und mit einer plattenförmigen Dichtleiste zusammenarbeitet, mit einem kreisringförmigen dem Durchmesser des Arbeitsraumes angepaßten Kolben, der durch eine gelagerte Welle mit dem Außenraum verbunden ist, die eine Taumelbewegung des Kolbens bewirkt, welcher Kolben mindestens einen radialen sich vom Umfang bis ungefähr zu einem Kolbenträger erstreckenden Kolbenschlitz aufweist, in welchem ein Führungszapfen eingesetzt ist, der mit der Trennwand zusammenarbeitet, und welcher Kolben sich nach außen zum Umfang hin verjüngt, wobei die Stirnflächen des Kolbens mit gegenüberliegenden und senkrecht zur Drehachse der Welle verlaufenden den Arbeitsraum seitlich begrenzenden Seitenflächen in Berührung sind.
    • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft das Gebiet der Taumelscheiben-Arbeitsmaschinen zur Förderung von flüssigen und gasförmigen Medien als Untergruppe des Gebiets der Arbeitsmaschinen, insbesondere Taumelscheibenpumpen und Taumelscheibenverdichter.
    • Stand der Technik
  • Eine solche Taumelscheiben-Arbeitsmaschine ist bekanntgeworden aus der deutschen Patentschrift DE 35 42 648 C2. Die dort offenbarte Lehre betrifft eine Taumelscheibenmaschine mit einem kreisringförmigen Kolben, der in einen hohlkugelförmigen Arbeitsraum angeordnet ist. Der Kolben ist in einem Kolbenträger gehalten und wird von einer Antriebswelle in eine taumelnde Bewegung versetzt, wobei der von der welle unmittelbar beaufschlagte Kolbenträger in formschlüssigem Eingriff mit dem Kolben steht und diesem die Taumelbewegung aufprägt. Dabei arbeiten die beiderseits des Kolbens befindlichen Teilarbeitsräume, die durch eine mit dem Kolben in Eingriff befindliche Trennwand gebildet sind, abhängig von der Drehrichtung der den Kolbenträger antreibenden Antriebswelle als Hochdruck- und als Niederdruckraum, in welche das jeweilige Medium zu- und abgeführt wird.
  • Für hochviskose Medien, z. B. Zuckermelasse oder Schweröl, ist die Dichtheit hierbei ausreichend und nur mäßige Reibung gewährleistet. Bei niedrigviskosen Medien hingegen können Undichtigkeiten und verstärkter Verschleiß infolge unvermeidbarer Reibung zwischen der Kolbenführung und der Trennwand auftreten.
  • Die Kolbenführung besteht hierbei aus einem in einem in den Kolben eingelassenen Radialschlitz eingesetzten Führungszapfen, welcher in seiner Grundform als kreiszylindrische Säule ausgebildet ist mit einem der Wanddicke der Trennwand entsprechenden Schlitz, in welchen die Trennwand eingreift. Entsprechend der durch den von der Antriebswelle in Rotation versetzten Kolbenträger erzeugten Taumelbewegung des Kolbens gleitet der Führungszapfen an der Trennwand entlang.
  • Eine in solchen Fällen häufig ergriffene Maßnahme zur Behebung dieses Nachteils, nämlich an der bekannten Maschine die Maßtoleranzen, insbesondere der relativ zueinander bewegten Teile, zu verringern, z. B. die Breite des Schlitzes im Führungszapfen, hat sich als nicht praktikabel erwiesen. Eine Verringerung der Maßtoleranzen kann vielmehr zu erhöhtem Verschleiß oder gar zum Versagen der Maschine führen, zum Beispiel durch Verschweißen infolge zu großer Reibung, und scheidet daher aus.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Taumelscheibenmaschine der eingangs genannten Art derart weiter zu bilden, daß die Reibung zwischen relativ zueinander bewegten Teilen vermindert ist, um die aufgezeigten Nachteile zu vermeiden und, ohne daß die Abdichtung beeinträchtigt ist, ein störungsfreier Betrieb mit allen Fluiden ermöglicht ist.
    • Beschreibung der Erfindung
  • Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Danach ist vorgesehen, daß der Kolben einen in seinen Radialschlitz drehbeweglich eingesetzten kreiszylindrischen Führungszapfen aufweist, der in einer in der Trennwand angeordneten Führungsnut geführt ist, welcher Radialschlitz mit abgewinkelten Seitenflanken versehen ist, deren Öffnungswinkel an den Schwenkhub des Kolbens angepaßt ist und daß der Führungszapfen mit einem in dem Kolbenträger angeordneten Dichtungselement zusammenarbeitet, welches an den Öffnungswinkel des Radialschlitzes des Kolbens angepaßt ist.
  • Diese vorstehend beschriebene Lösung kommt insbesondere für den schnellaufenden Betrieb der erfindungsgemäßen Taumelscheibenmaschine in Betracht, da die miteinander im Eingriff bzw. in Anlage zueinander befindlichen Flächen im Vergleich zu der bekannten Taumelscheibenmaschine beträchtlich vermindert sind und überdies weitere reibungsmindernde Maßnahmen möglich sind.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der drehbewegliche Führungszapfen über ein Axiallager im Grund des Radialschlitzes abgestützt. Hieraus resultiert eine weitere Verminderung der Reibung, da anstelle von Haftreibung nur noch der deutlich kleinere Rollwiderstand des drehbeweglichen zylindrischen Führungszapfens in der Führungsnut in der zum Arbeitsraum weisenden Stirnseite der Trennwand bei der Taumelbewegung des Kolbens entgegensteht. wenn überhaupt tritt Reibung dabei allenfalls als Gleitreibung auf und dann auch nur linienförmig entlang der druckseitigen Berührungslinie des kreiszylindrischen Führungszapfens an der hierzu tangential verlaufenden Innenwand der Führungsnut.
  • Daher eignet sich diese Anordnung vorzüglich für den Betrieb der erfindungsgemäßen Taumelscheibenmaschine als Hochdruckpumpe oder als Kompressor. In beiden Fällen, insbesondere aber beim Betrieb als Kompressor, erweist sich die erfindungsgemäße Führung des Radialkolbens in einer Führungsnut in der Trennwand mittels des in den Radialschlitz eingesetzten drehbeweglichen Führungszapfens als sehr verschleißunempfindlich auch bei hohen Antriebsdrehzahlen.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Trennwand, die in den im Kolben angeordneten Radialschlitz eingreift, den Führungszapfen mit einer bestimmten Toleranz an zwei gegenüberliegenden Seiten mit der Führungsnut umfaßt, so daß nur jeweils eine Seite der beiden möglichen Anlageflächen, nämlich die jeweilige Innenwandseite der Führungsnut in der Trennwand, kraftbeaufschlagt ist und die Gegenseite entlastet ist. Hieraus resultiert in erfindungsgemäßer Weiterbildung eine sehr vorteilhafte Verschleißminderung infolge der vergleichsweise geringen, fast vernachlässigbaren Reibung.
  • Entsprechend einer weiteren durch die Merkmale des Anspruchs 3 gekennzeichneten erfindungsgemäßen Lösung, ist vorgesehen, daß der Kolben einen Radialschlitz mit abgewinkelten Seitenflanken, deren Öffnungswinkel dem Schwenkhub des Kolbens angepaßt sind, aufweist und daß der Schlitzgrund sowie die Stirnfläche der in den Radialschlitz eingreifenden Trennwand jeweils mit einer aufeinander abgestimmten, dem Radius des Schlitzgrundes angepaßten sphärischen Wölbung versehen sind.
  • Im Unterschied zu der ersten Lösung besitzt der Kolben zwar ebenfalls einen Radialschlitz jedoch keinen Führungszapfen. Stattdessen wird die Führung des Radialkolbens durch die dem Schwenkhub des Kolbens angepaßten Seitenflanken erreicht. Um die dabei auftretende Reibung zu mindern, ist die gemeinsame Berührungsfläche von Kolben und Trennwandstirnfläche einander in der Form angepaßt. Hiermit sehr gute Dichtwirkung erzielt, jedoch ist mit der so gestalteten erfindungsgemäßen Taumelscheibenmaschine nur ein Betrieb mit niedrigen Drehzahlen möglich.
  • In zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung sind beiderseits des Eingriffs der Trennwand in den Radialschlitz des Kolbens kraftbeaufschlagte, tangential bewegliche Dichtungswalzen im Radialschlitz angeordnet, die sich an die Trennwand anlegen.
  • Diese Dichtungswalzen haben dabei eine Doppelfunktion. Einerseits dienen sie, wie die Bezeichnung anzeigt, zur Abdichtung der beiden Druckkammern gegeneinander. Andererseits dienen sie aber auch der Führung des Kolbens, wobei wegen der kreiszylindrischen Walzenform der Dichtungswalzen jeweils nur eine linienförmige Berührungsfläche zwischen den Dichtungswalzen und dem Kolben besteht. Demgemäß ist die hieraus resultierende Reibung nahezu vernachlässigbar.
  • An Stelle der Dichtungswalzen können aber auch Dichtlippen vorgesehen sein, die ebenfalls eine abgerundete, einem Halbzylinder entsprechende Anlagefläche für die Trennwand aufweisen und darüberhinaus ebenfalls tangential beweglich angeordnet sein können, so daß sie sich stets an die Trennwand anschmiegen. Zur weiteren Verminderung der hierbei auftretenden Gleitreibung kann die Werkstoffpaarung von Dichtlippe und Trennwand so gewählt sein, daß ein gewisser Schmiereffekt und hierdurch gleichzeitig eine verbesserte Dichtwirkung auftritt, z.B. durch Verwendung von Lagermetall für die Dichtlippen
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Dichtungswalzen durch Druckfedern beaufschlagt sind, die die Dichtungswalzen gegen die Trennwand drücken.
  • Entsprechend einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Dichtungswalzen durch Druckmedium aus dem Arbeitsraum beaufschlagt, wobei gegebenenfalls zusätzlich auch mechanische Federn vorgesehen sein können..
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Dichtleiste wie ein Kolbenring in einer Umfangsnut am Kolben angeordnet ist. Zweckmäßigerweise ist die Dichtleiste aus federndem Werkstoff gefertigt und so in die Umfangsnut eingelegt, daß sie stets mit ausreichend hoher Andruckkraft an der Innenwand des Arbeitsraums anliegt.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Dichtleiste zusätzlich oder auch nur ausschließlich durch das Arbeitsmedium gegen das Gehäuse drückbar ist, wodurch die Dichtwirkung erheblich verbessert ist, ohne daß unzulässige hohe Reibungskräfte angreifen.
  • Mit Hilfe der erfindungsgemäß vorgesehenen Maßnahmen zur Änderung der bekannten Taumelscheibenmaschine besteht nunmehr auch die Möglichkeit, niedrigviskose und gasförmige Medien zu fördern, ohne Gefahr für die bewegten Teile aufgrund zu hoher Reibung wegen unzureichender Schmierung. Hierzu ist vorgesehen, die durch Reibung infolge Relativbewegung zueinander besonders beanspruchten Bereiche, wie zum Beispiel die Kolbenführung in der Trennwand sowie die Seitenflächen des Radialschlitzes im Kolben, mittels besonderer Maßnahmen gegen unzulässige Reibung zu schützen.
  • Eine solche Maßnahme kann erfindungsgemäß darin bestehen, daß in den Seitenflächen des Radialschlitzes tangential bewegliche, kraftbeaufschlagte walzenförmig ausgebildete Teile angeordnet sind, die zur Führung des Kobens entlang der hierin eingreifenden Trennwand sowie gleichzeitig zur Abdichtung der durch den Kolben und die Trennwand gebildeten Teilarbeitsräume gegeneinander dienen.
  • Dabei kann in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, daß diese Führungskörper bzw. Dichtungswalzen durch Druckfedern gegen die Trennwand gedrückt werden und so in ständigem Kontakt mit der Trennwand stehen und für eine gute Abdichtung sorgen. Dabei ist die Federkraft so bemessen, daß einerseits ausreichende Andruckkraft aufgebracht wird und andererseits keine unzulässig hohe Reibung resultiert.
  • An Stelle einer Druckfeder kann aber auch vorgesehen sein, daß die Dichtungswalzen vom Druckmedium aus dem jeweiligen Teilarbeitsraum beaufschlagt sind, so daß stets nur die zur Abdichtung für den vorherrschenden Druck erforderliche Andruckkraft aufgebracht wird.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann darüberhinaus vorgesehen sein, daß die Druckfedern zum Andrücken der Dichtungswalzen gemeinsam mit der Beaufschlagung durch das Druckmedium vorgesehen sind, um auf diese Weise sicherzustellen, daß auch im drucklosen Zustand, zum Beispiel bei Stillstand der Taumelscheibenmaschine eine Abdichtung gegen einen Mindestdruck gewährleistet ist.
  • Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung, welche speziell für die Verwendung bei der Förderung verunreinigter Flüssigkeiten vorgesehen ist, weist der Kolben für die Taumelscheibenmaschine auf wenigstens einer Stirnfläche zumindest bereichsweise radial verlaufende Nuten auf, die von messerartigen Stegen begrenzt sind. Hiermit wird erreicht, daß die Verunreinigungen, wie z.B. Späne und Holzschliff bei der Papierherstellung oder Gräten bei der Fischverarbeitung oder Frucht- bzw. Traubenreste bei der Wein- und Mostherstellung, sich nicht zwischen dem Kolben und der Innenwand des Arbeitsraums verklemmen können und so die Taumelscheibenmaschine in ihrer Pumpwirkung beinträchtigen.
  • In zweckmäßiger Weiterbildung ist bei dem Kolben der mit den radialen Nuten versehene Bereich des Kolbens ein Kreissektor, dessen Winkelhalbierende sich senkrecht zur Achse des Kolbenschlitzes erstreckt. Dabei können entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auf beiden Stirnseiten des Kolbens radiale Nuten angeordnet sein, wobei die Nuten auf der jeweiligen Stirnfläche des Kolbens in einem Sektor angeordnet sind, dessen eine Seite am Kolbenschlitz angrenzt.
  • Hierbei erweist es als vorteilhaft, daß die mit den Nuten versehenen Bereiche des Kolbens jeweils auf den einander gegenüberliegenden Stirnflächen des Kolbens so angeordnet sind, daß eine entlang der Kolbenschlitzachse liegende Teilungsebene des Kolbens diesen in eine erste Kolbenhälfte mit Radialnuten bzw. mit radial verlaufenden messerartigen Stegen und in eine zweite Kolbenhälfte mit glattflächigen Kolbenflächen ohne Nuten und Stege unterteilt.
  • Für einen störungsfreien Betrieb ist es hierbei von Bedeutung, daß der glatte Kolbenbereich auf der Saugseite angeordnet ist, während der mit messerschneidenartigen Stegen versehene Nutbereich des Kolbens auf dessen Druckseite angeordnet ist. Dies bedeutet, daß eine Drehrichtungsänderung mit einhergehendem Wechsel der Saugseite in die Druckseite und umgekehrt vermieden werden sollte, da anderenfalls möglicherweise beim Ansaugen aufgrund der durch die Nuten verursachten Zwischenräume zwischen Kolbenfläche und Arbeitsraumwand Undichtigkeiten resultieren, die dazu führen, daß der für die Förderung des betreffenden Mediums erforderliche Unterdruck nicht entstehen kann.
  • Vorzugsweise sind die Nuten gemäß der Erfindung nur auf den angeschrägten Stirnflächen des Kolbens vorgesehen, welche mit der Arbeitsraumwand in Berührung gelangen. Die übrige Kolbenstirnfläche hingegen ist glatt, d.h. ohne Nuten und Stege.
  • Vorzugsweise ist als maximale Nutbreite eine lichte Weite von 15 mm am inneren Umfang vorgesehen, d.h. bei dem Radius, bei welchem die Anschrägung des Kolbens beginnt. Die Nuttiefe steht in einem bestimmten Verhältnis zur Nutbreite und beträgt gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beispielsweise 4 mm, entsprechend 40% der zugehörigen Nutbreite.
  • Prinzipiell ist jedoch die Breite der radial angeordneten Nuten entsprechend einer Winkelteilung von 7,5° ± 2,5° vorgesehen. Hieraus folgt, daß abhängig vom jeweiligen Kolbendurchmesser die lichte weite der Nuten sich anpaßt und bei großen Kolbenabmessungen auch breite Nuten resultieren. Dies erweist sich insofern als günstig für den Betrieb, als mit einer Taumelscheibenmaschine mit großem Kolbendurchmesser auch üblicherweise große Medienströme gefördert werden, welche oftmals auch größerstückige Fremdbestandteile aufweisen.
  • Für die Ausgestaltung der Nuten hat es sich als sehr vorteilhaft erwiesen, daß die Nuten ein Viereckprofil aufweisen. Dieses kann bevorzugterweise ein Rechteckprofil sein, welches in Nutlängsrichtung eben oder gekrümmt verläuft. Es kann hierbei aber auch von Vorteil für die Standfestigkeit der die Nuten gegeneinander abgrenzenden Stege sein, daß die Nuten ein Trapezprofil mit einem ebenen Nutgrund und angeschrägten Nutflanken aufweisen.
  • Ein weiterer Vorteil kann darin bestehen, daß die Nuten asymmetrisch in bezug auf ihre Längsachsen profiliert sind bzw. daß die Nuten ein V-Profil mit schmalem Nutgrund und gleich oder verschieden steil angestellten Flanken aufweisen. Günstig ist es dabei, wenn die kolbenschlitzseitigen Flanken einer jeden Nut, das heißt die Flanken, die jeweils näher zum Kolbenschlitz liegen, steiler angestellt sind als die gegenüberliegenden Flanken. Hierdurch kann erreicht werden, daß beim Abrollen des Kolbens an der Arbeitsraumwand die festen Förderstoffe gleichsam wie von einer Schaufel mitgenommen werden, ohne zurückzufallen.
  • Ein besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der Anstellwinkel der kolbenschlitzseitigen Nutflanken in bezug auf den Nutgrund 105° bis 120°, vorzugsweise 112° beträgt und daß der Anstellwinkel der gegenüberliegenden Nutflanken in bezug auf den Nutgrund >135° beträgt.
  • Bezüglich der näheren Ausgestaltung der Nutflanken ist es für die Förderung von mit Feststoffen angereicherten Fluidmedien günstig, daß die die Nuten begrenzenden messerartigen Stege eine schneidenförmige Außenkante und eine im Vergleich hierzu breitere Basis am Nutgrund aufweisen, welche den jeweiligen Steg verstärken.
  • Um die Abnutzung des Kolbens bzw. seiner mit den Nuten und Messern versehenen Kolbenflächen zu mindern, erweist es sich als günstig, daß die messerartigen Stege oberflächengehärtet sind. Stattdessen oder ggf. zusätzlich kann vorgesehen sein, daß die messerartigen Stege eine Beschichtung mit einem verschleißfesten Material aufweisen.
  • Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, daß die Stege als separate Einsätze aus Hartmetall hergestellt und in den Kolben eingesetzt sind.
  • Insbesondere für die Verwendung im Weinbau ist vorgesehen, daß der Kolben aus rostfreiem Material, vorzugsweise aus Stahl, gefertigt ist
  • Ferner kann es vorteilhaft sein, insbesondere bei Kolben mit großem Durchmesser, daß der die messerartigen Stege aufnehmende Nutgrund als separat gefertigtes Kolbenteil ausgebildet ist, welches mit dem Kolben verbunden ist.
  • Im praktischen Betrieb bewirkt die messerschneidenartige Außenkante eines jeden Steges, daß beim sukzessiven Abrollen des Kolbens an der Innenwand des Arbeitsraumes zwischen dieser und dem Kolben befindliche feste Bestandteile nicht wie seither gequetscht werden mit der Folge, daß hierdurch eventuell Undichtigkeiten der Arbeitsräume erzeugt werden, sondern aufgrund der scharfen Schneidkante eines jeden Steges durchtrennt und somit zerkleinert werden. Hierbei dient die Innenwand des Arbeitsraumes als Schneidauflage ähnlich einem Amboß. Aus diesem Grund ist es beispielsweise problemlos möglich, jegliche Fluidmedien mit Feststoffanteilen zu fördern, wie zum Beispiel in der Papierindustrie die Holzschliffe oder im Weinbau der mit den sogenannten Kämmen durchsetzte Most. Das vorher erwähnte Problem, das unter Umständen auftreten kann, wenn der mit Nuten versehene Kolbenbereich auf der Saugseite eingesetzt wird, hat für die Druckseite keine Relevanz, da hier bereits geförderte Feststoffanteile im Kolbenarbeitsraum vorhanden sind, welche die Nuten ausfüllen und so zur Abdichtung beitragen.
  • Ein weitere Ausgestaltung der Erfindung, welche darauf abzielt, Störungen bei der Förderung von Medien, welche mit körnigen Verunreinigungen versetzt sind, zu vermeiden, sieht vor, daß der Kolben auf seinen Kolbenflächen, vorzugsweise jeweils nur auf dem angeschrägten Bereich mit einer Weichschicht versehen ist. Diese Weichschicht kann aus Gummi bestehen und auf dem Kolbenrohling aus Stahl aufvulkanisiert sein. Stattdessen ist es auch möglich, daß an Stelle von Gummi ein flexibler aber verschleißbeständiger Kunststoff als Weichschicht vorgesehen ist. In jedem Fall wird durch die Weichschicht bewirkt, daß die körnigen Beimengungen wie Sand, Granulat, Kies oder ähnliches nicht zu Undichtigkeiten beim Pumpbetrieb führen können, da der Kolben sich mit seiner Dichtfläche stets an der Arbeisraumwand anlegt und eventuell dazwischen befindliche Verunreinigungen sich in die weichschicht eindrücken bzw. zuvor wie mit einem Spachtel entfernt werden.
  • Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
    • Kurzbeschreibung der Figuren
  • Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung sollen die Erfindung, vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sowie besondere Vorteile näher erläutert und beschrieben werden.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Taumelscheibenmaschine mit innengeführtem Führungszapfen
    • Fig. 2 eine Schnittansicht gemäß Schnittlinie I-I in Fig. 1 (Draufsicht auf den Kolben)
    • Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Arbeitsraum mit eingesetztem Kolben und Kolbenführung der erfindungsgemäßen Taumelscheibenmaschine
    • Fig. 4 eine Seitenansicht eines Kolbens ohne Führungszapfen mit auszugsweiser Schnittdarstellung des Kolben-Trennwandbereiches
    • Fig. 5 eine Kolbenanordnung mit einem ersten Dichtungssegment mit eingelegtem Führungszapfen und seitlichen Schlitzflanken in zeichnerischer Explosionsdarstellung
    • Fig. 6 ein zweites Dichtungssegment
    • Fig. 7 ein drittes Dichtungssegment mit einstückig angeformtem Führungszapfen
    • Fig. 8 einen Längsschnitt durch den Arbeitsraum der Taumelscheibenmaschine gemäß Fig. 1 mit einem neuen Kolben mit Radialnuten
    • Fig. 9 eine Seitenansicht des neuen Kolbens
    • Fig. 10 eine aus zwei Ansichten aus zwei um 90° zueinander versetzten Blickrichtungen zusammengesetzte Draufsicht auf die Stirnseite des neuen Kolbens
    Beschreibung der Zeichnung
  • In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Taumelscheibenmaschine 10 im Längsschnitt dargestellt, die ein aus einem linken Gehäuseteil 13 und einem rechten Gehäuseteil 14 gebildetes Gehäuse 12 aufweist, in welchem ein Arbeitsraum 16 angeordnet ist. Die beiden das Gehäuse 12 bildenden Gehäuseteile 13, 14 sind in bekannter Weise mittels Schraubverbindung zusammengehalten.
  • In dem Arbeitsraum 16, der kugelförmig ausgebildet ist, befindet sich eine Trennwand 18, die den Arbeitsraum 16 gemeinsam mit einem kreisringförmigen Kolben 20 in einen Hochdruckraum 23 und in einen Niederdruckraum 24 unterteilt.
  • Der Kolben 20 wird von einem Kolbenträger 26 gehalten, der auf einer Antriebswelle 28 aufgesetzt ist. Die Antriebswelle 28 ist seitlich nach außen geführt, wo sie von einem hier nicht näher dargestellten Motor beaufschlagbar ist.
  • Der Kolbenträger 26 ist in bekannter Weise aus zwei Hälften zusammengesetzt, deren Trennfuge schräg, das heißt unter einem Winkel gegen die Antriebswelle 28, angestellt ist, so daß in ebenfalls bekannter weise auch der zwischen die beiden Hälften des Kolbenträgers eingefügte Kolben 20 schräg zur Längsachse der Antriebswelle 28 angestellt ist. Aus diesem Grund ist der periphere Bereich des Kolbens 20 , d. h. sein umfangsnaher Bereich angeschrägt entsprechend der bei der Taumelbewegung verursachten maximalen Schwenkstellung, wodurch einerseits seine volle Beweglichkeit innerhalb des Arbeitsraums gewährleistet ist und gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Taumelscheibenmaschine eine vereinfachte Herstellung ermöglicht ist.
  • An der zur Trennwand 18 weisenden Seite besitzt der Kolben 20 einen Radialschlitz 30, in welchen die Trennwand 18 eingreift. Die Flanken 32,33 des Radialschlitzes 30 sind, wie aus Fig. 2 hervorgeht, entsprechend dem Schwenkhub des Kolbens 20 angeschrägt. Im Schlitzgrund 34 des Radialschlitzes 30 ist ein mittels Axiallager, das hier als Wälzlager ausgebildet ist, abgestütztes Dichtungssegment 37 angeordnet, auf welches ein Führungszapfen 38 angesetzt ist.
  • Der Führungszapfen 38 ist ein kreiszylindrischer Körper, der mittig in den Schlitzgrund 34 eingesetzt ist und an zwei Seiten von einer in die dem Kolben 20 zugewandten Stirnseite der Trennwand 18 eingeformten Führungsnut 40 geführt ist. Der in der Führungsnut 40 geführte Führungszapfen 38 dient dazu, den über den sich drehenden Kolbenträger 26 in eine Taumelbewegung versetzten Kolben 20 daran zu hindern, daß er sich mitdreht. Stattdessen macht der Kolben, verursacht durch die Führung des Führungszapfens 38 in der Führungsnut 40, eine Hin- und Herbewegung, bei welcher er eine der Winkelanstellung des Kolbenträgers 26 in bezug auf die Antriebswelle 28 entsprechende Schwenkbewegung ausführt, die insgesamt als Taumelbewegung erscheint. Der Schwenkweg oder anders ausgedrückt der Schwenkhub des Kolbens ist im Hinblick auf den vorgesehenen Einsatzzweck, z.B. als Hochdruckpumpe oder als Kompressor, abgestimmt, das heißt, je höher die für die Antriebswelle vorgesehene Antriebsdrehzahl ist, desto höher ist auch die Schwenk- oder Taumelfrequenz und umso geringer ist der Schwenkweg oder Schwenkhub, um die sichere Funktion der Taumelscheibenmaschine 10 zu gewährleisten.
  • Um die Abdichtung des Kolbens 20 an der Innenwand des Arbeitsraums 16 zu verbessern, ist in einer Umfangsnut 22 des Kolbens 20 eine Dichtleiste 21 eingelegt. Die Dichtleiste 21 legt sich ähnlich einem Kolbenring an die Innenwand des Arbeitsraums 16 an und sorgt so für gute Abdichtung des Niederdruckraums 23 gegen den Hochdruckraum 24 bei vergleichsweise geringer Reibung.
  • In Fig. 2 ist die Taumelscheibenmaschine 10 gemäß Fig. 1 in Schnittansicht von oben dargestellt, wobei der Schnitt entlang der Schnittlinie I-I in Fig. 1 geführt wurde. Zur Erläuterung und zum besseren Verständnis wurden hierbei für gleiche Merkmale die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 verwendet.
  • Insbesondere ist in dieser Ansicht die Anordnung der Führungsnut 40 in der zum Kolben 20 weisenden Stirnfläche der Trennwand 18 zu erkennen, welche den Führungszapfen beiderseits einfaßt und jeweils idealisiert nur in der jeweiligen Tangentiallinie berührt. Hieraus ist leicht verständlich, daß mit dieser Lösungsvariante gegenüber dem Stand der Technik ein erheblicher Vorteil bezüglich Reibungsminderung erreicht wird, da ja die miteinander in Kontakt befindlichen Berührungsflächen bei der erfindungsgemäßen Taumelscheibenmaschine nur jeweils eine Linie sehr geringer Ausdehnung ist, wohingegen beim Stand der Technik die Berührungsfläche zwischen der Trennwand und dem dort vorgesehenen Führungszapfen von dessen gesamter Schlitzfläche gebildet ist.
  • Sowohl in Fig. 1 als auch in den Figuren 2 und 3 sind Schmierkanäle bzw. Schmierbohrungen 54 und Entlüftungskanäle bzw. Entlüftungsbohrungen 56 gezeigt, die dazu dienen, einerseits die relativ zueinander beweglichen Gleitflächen, z.B. den Führungszapfen 38 und die Führungsnut 40, sowie Lagerstellen, z.B. die ersten und zweiten Kolbenlager 42, 44 im Kolbenträger 26 oder das Axiallager 36 im Schlitzgrund 34 wie auch die Stützlager 46 zur Lagerung der Antriebswelle 28, ausreichend mit Schmiermittel zu versehen und gleichzeitig andererseits eine Überdosierung an Schmiermittel zu verhindern, indem überschüssiges Schmiermittel selbsttätig durch Unterdruck aus dem Taumelscheibenprozeß abgesaugt wird.
  • Mit den Bezugsziffern 58 sind Gehäuseschrauben bezeichnet, welche zur Verbindung der beiden Gehäuseteile 13, 14 des Taumelscheibenmaschinengehäuses 12 dienen. Sie sind konzentrisch um den Arbeitsraum 16 angeordnet, um so sicherzustellen, daß keine Undichtigkeiten beziehungsweise Gehäuseversatz mit entsprechenden nachteiligen Folgen für den Betrieb auftreten können.
  • In Fig. 4 ist eine ähnliche Darstellung wie in Fig. 3 gezeigt, nämlich eine Seitenansicht des kreisringförmigen Kolbens 20, der jedoch hier abweichend eine andere, speziell für den Betrieb mit niedrigen Antriebsdrehzahlen vorgesehene Kolbenführung an der Trennwand 18 aufweist. An Stelle eines hier nicht vorhandenen Führungszapfens 38 wird die Führung des Kolbens 20 ailein durch die Flanken 32, 33 des Radialschlitzes 30 erreicht, welche dicht an der in den Radialschlitz 30 eingreifenden Trennwand 18 anliegen.
  • Zur weiteren Reibungsverminderung sind in den beiden sich gegenüberliegenden Scheitelpunkten der gegenläufig abgewinkelten Flanken 32, 33 sogenannte Dichtungswalzen 60 angeordnet, welche jeweils von einer nicht näher gezeigten Druckfeder und/oder vom jeweiligen Arbeitsmedium beaufschlagt sich an die Trennwand 18 anlegen.
  • Aufgrund der zuvor erläuterten, einer Ausführungsform der Erfindung entsprechenden Anordnung der Schmierbohrungen bzw. Schmierkanäle 54 und der Entlüftungsbohrungen bzw. Entlüftungskanäle 56 im Hochdruckraum 23 und im Niederdruckraum 24 bietet sich die Möglichkeit, die Lagerstellen 42, 44, 46 im Gehäuse 12 sowie im Kolben 20 gleichmäßig zu schmieren sowie ferner einen zur Abdichtung der Wellendurchführung vorgesehenen Simmerring 51 und eine Stopfbuchse 53 bzw. eine alternativ statt dieser beiden Dichtungen eingesetzte Gleitringdichtung 52 quasi drucklos zu halten, das heißt, vom Mediumdruck zu entlasten. Zu diesem Zweck ist jeweils am tiefsten Punkt jeder betreffenden Dichtung 50, 51, 52 eine Entlüftungsbohrung 56 vorgesehen.
  • Um die zur Abdichtung der Wellendurchführung vorgesehenen und der Beaufschlagung durch das Schmiermedium unmittelbar ausgesetzten Dichtungen 51 oder 52 vor mechanischer Beschädigung durch den Druckstrahl des Schmiermediums zu schützen, ist in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung eine sogenannte Prallplatte 50 eingebaut, welche aus metallischem Werkstoff besteht und zu einer erheblichen Minderung der mechanischen Beanspruchung der Dichtungen 51 bzw. 52 führt.
  • Eine hier verwendete herkömmliche Gleitringdichtung 52 überdauert infolge der mechanischen Beaufschlagung durch den unter hohem Druck stehenden Strahl des Schmiermediums nur eine kurze Betriebszeit von wenigen hundert Betriebsstunden problemlos, d.h. störungsfrei. Hierdurch werden die Betriebskosten deutlich erhöht wegen der Ersatzbeschaffung und des für den Austausch erforderlichen zwangsläufigen Stillstandes der erfindungsgemäßen Taumelscheibenmaschine 10. Mit der vorgesehenen Prallscheibe 50 hingegen, welche die Antriebswelle 28 mit ausreichendem Spiel umgreift, ist eine wesentlich erhöhte Standzeit erreichbar, was sich in allen Belangen als vorteilhaft erweist. Das erwähnte Spiel der Prallscheibe oder Prallplatte 50 verhindert einen nicht erwünschten Pumpeffekt für das Schmiermittel, der bei zu enger Passung zwischen der Antriebswelle 28 und der Prallscheibe 50 unvermeidlich auftritt und Schmiermittel in den Abdichtungsbereich der Wellendurchführung der Antriebswelle 28 durch das Gehäuse fördert, was Leckagen begünstigen würde, so aber verhindert.
  • Bei einer nach der Erfindung möglichen Verwendung der Taumelscheibenmaschine 10 als Kompressor ist in zweckmäßiger Weiterbildung vorgesehen, daß die Schmierung der Lagerstellen 42, 44, 46 durch Einbringung von Fremdschmiermittel über einen Schmiermittelanschluß 62, z.B. in Form eines Kugelventils, erfolgt, auf welches ein hier nicht näher dargestellter aber im Stand der Technik allgemein bekannter Schmiermittelschlauch mit Steckkupplung ansetzbar ist. Mittels dieser externen Schmiermittelversorgung werden über einen in der Antriebswelle 28 angeordneten als Zentralbohrung ausgebildeten Schmiermittelkanal 64 die einzelnen Lagerstellen 42 und 44 im Kolben 20 einschließlich der Führungszapfen 38 sowie die Stützlager 46 im Gehäuse 12 zur Lagerung der Antriebswelle 28 mit der ausreichenden Menge an Schmiermittel versorgt. Außerdem ist neben dem Führungszapfen 38 im Kolben 20 auch die Führungsnut 40 in der Stirnseite der Trennwand 18 in. diesen Schmierkreislauf einbezogen, wobei das Schmiermittel über den Schmiermittelanschluß 62 mit ausreichendem Druck zugeführt wird und über die bereits erwähnten Entlüftungsbohrungen auf der Niederdruckseite wieder abfließen kann, um den Druckraum von Schmiermittel frei zu halten und so eine ungewünschte Anreicherung der verdichteten Luft mit Schmiermittel, z.B. Öl, zu vermeiden.
  • Entsprechend der Erfindung wirken die Schmierkanäle 54 bei entgegengesetzter Drehrichtung der Antriebswelle 28 Taumelscheibenmaschine 10 als Entlüftungsbohrungen 56 und umgekehrt die Entlüftungsbohren 56 als Schmierkanäle 54. Im Hinblick auf diesen doppelten Einsatzfall kann das Schmiersystem mit den Bohrungen 54, 56 mit nicht näher dargestellten Kugelventilen oder ähnlichem entsprechend konstruktiv ausgestaltet sein.
  • Ein weiterer Vorteil, der aus einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung, nämlich der Maßnahme, den Führungszapfen 38 in der Nut in der Trennwand mit ausreichend großem Spiel anzuordnen, resultiert, zeigt sich darin, daß aufgrund des zuvor beschriebenen Entlüftungssystems 56 die unterschiedlichen Druckverhältnisse von Niederdruck zu Hochdruck mit einer Verringerung der Anlagepressung des Führungszapfens 38 an der Innenwand der Führungsnut 40 einhergeht, so daß der hierauf beruhende mögliche Reibverschleiß stark verringert ist, was erheblich die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Taumelscheibenmaschine verlängert.
  • In Fig. 5 ist in sogenannter Explosionsdarstellung eine Kolbenanordnung mit einem ersten Dichtungssegment 37 zum Einsatz in einer Taumelscheibenmaschine gemäß Fig. 1 im Längsschnitt bzw. in Seitenansicht gezeigt. Das Dichtungssegment 37 besteht aus einem Einsatzstück 39, einem Radialschlitzelement 31 und dem hierin angeordneten Führungszapfen 38, der zum Eingriff in die in der druckraumseitigen Stirnwand der Trennwand 18 eingeformten Führungsnut 40 vorgesehen ist und der mittels lösbarer Verbindung, z.B. Gewinde bzw. Schraubverbindung, das Radialschlitzelement 31 mit dem Einsatzstück 39 und dem Kolben 18 verbindet. Diese Lösungsvariante bietet den Vorteil, daß durch eine geeignete Werkstoffpaarung der Werkstoffe des Führungszapfens 38 und der Trennwand 18 mit der Führungsnut 40 bzw. der gegebenenfalls vorgesehenen Auskleidung ihrer Innenwandung der zuvor erläuterte Reibverschleiß zusätzlich vermindert werden kann.
  • Eine weitere Funktion des Dichtungssegments 37, über die Haltefunktion für den Führungszapfen 38 hinaus, besteht darin, den Radialschlitz 30 aufzunehmen. Mit Hilfe des X-förmig eingeformten Radialschlitzes 30 mit seitlichen, im winkel zueinander angeordneten Schlitzflanken 32, 33, in welche die Trennwand 18 mit dichtem Sitz eingreift, wird, wie bereits zu Fig. 1 erläutert, der Schwenkwinkel des Kolbens 20 und damit dessen Schwenkhub begrenzt. Auch hier bietet sich die Möglichkeit, durch entsprechende Werkstoffauswahl die erforderliche Dichtwirkung zu verbessern und den auftretenden Reibverschleiß zu verringern.
  • Aus Fig. 5 ist ferner ersichtlich, daß der Kolben 20 auf der dem Radialschlitz 30 bzw. dem Dichtungssegment gegenüberliegenden Seite eine radiale Ausnehmung 35 aufweist, in welcher ein Körper 65 mit kreisförmigem Querschnitt angeordnet ist. Die radiale Ausnehmung 35 dient zum Ausgleich von Unwuchten des Kolbens 20, die aus dem bei der Herstellung des X-förmigen Radialschlitzes 30 entstehenden Materialabtrag resultierend, wobei durch Einbringung von wucht-Gewichten 65 in die radiale Ausnehmung 35 ein Gewichtsausgleich auch bei Verwendung eines Radialschlitzes 30 mit anderer Geometrie und hierdurch bedingtem geringerem Materialabtrag möglich ist.
  • In Fig. 6 ist ein zweites Dichtungssegment 66 in Seitenansicht sowie darunter in Draufsicht dargestellt, wie es an Stelle des in Fig. 5 gezeigten Dichtungssegments 37 eingesetzt werden kann. Im Unterschied zu dem in Fig. 5 dargestellten Dichtungssegments 37 besitzt das hier gezeigte Dichtungssegment 66 jedoch kein Radialschlitzelement sondern nur ein Einsatzstück 67. Der Schwenkweg des Kolbens 20 wird in diesem Fall durch einen mit Schlitzflanken 32, 33 versehenen, im Kolben eingeformten Radialschlitz 30 begrenzt. Zur Verbesserung der Abdichtung zwischen Trennwand 18 und Kolben 20 ist das Einsatzstück 67 an seiner den Führungszapfen 38 tragenden Oberfläche sphärisch gewölbt, wobei die Wölbung mit der Ausgestaltung der entsprechenden Stirnseite der Trennwand 18 kompatibel ist. Zur eindeutigen Fixierung im Kolben 20 besitzt das Einsatzstück 67 auf zwei gegenüberliegenden Seiten V-förmige Einformungen, die dem X-förmigen Radialschlitz 30 im Kolben 20 kongruent entsprechen.
  • In Fig. 7 ist ein drittes Dichtungssegment 68 in Seitenansicht sowie darunter in Draufsicht dargestellt, wie es an Stelle des in Fig. 5 oder in Fig. 6 gezeigten Dichtungssegments 37 bzw. 66 eingesetzt werden kann. Im Unterschied zu den in Fig. 5 oder 6 dargestellten Dichtungssegmenten 37 bzw. 66 ist das hier gezeigte Dichtungssegment 68 einstückig mit dem Führungszapfen 38 verbunden. In seiner weiteren Ausgestaltung entspricht es dem zweiten Dichtungssegment 66, das in Fig. 6 gezeigt ist. Demgemäß besitzt es ebenfalls kein Radialschlitzelement, jedoch eine sphärisch gewölbte Oberfläche sowie an zwei gegenüber liegenden Längsseiten V-förmige Einformungen, die mit dem X-förmigen Radialschlitz 30 im Kolben 20 kongruent sind und so einen festen Sitz im Kolben 20 gewährleisten.
  • Zusammenfassend ist darauf hinzuweisen, daß das bei der erfindungsgemäßen Taumelscheibenmaschine vorgesehene Schmiersystem, welches sich die unterschiedlichen Drücke des Pumpensystems zunutze macht, durch die mittels Unterdruck bewirkte Absaugung von überschüssigem Schmiermittel sehr sauber, sparsam und effizient arbeitet.
  • In Fig. 8 ist eine Schnittansicht durch die Taumelscheibenmaschine 10 gemäß Fig. 1 dargestellt, die in ihrem Arbeitsraum 16 einen neuen Kolben 20 aufweist. Die beiden das Gehäuse 12 bildenden Gehäuseteile 13, 14 sind in bekannter Weise mittels nicht näher gezeigter Schraubverbindung zusammengehalten.
  • In dem Arbeitsraum 16, der kugelförmig ausgebildet ist, befindet sich eine Trennwand 18, die den Arbeitsraum 16 gemeinsam mit dem kreisringförmigen Kolben 20 in den unten befindlichen Hochdruckraum 23 und in den oben befindlichen Saug- oder Niederdruckraum 24 unterteilt.
  • Der Kolben 20 wird von einem Kolbenträger 26 gehalten, der auf einer Antriebswelle 28 aufgesetzt ist. Die Antriebswelle 28 ist seitlich nach außen geführt, wo sie von einem hier nicht näher dargestellten Motor beaufschlagbar ist.
  • Der Kolbenträger 26 ist auch hier in bekannter, nicht näher gezeigter Weise aus zwei Hälften zusammengesetzt, deren Trennfuge schräg, das heißt unter einem Winkel gegen die Antriebswelle 28, angestellt ist, so daß in ebenfalls bekannter Weise auch der zwischen die beiden Hälften des Kolbenträgers 26 eingefügte Kolben 20 schräg zur Längsachse der Antriebswelle 28 angestellt ist. Der periphere Bereich des Kolbens 20 , d. h. sein umfangsnaher Bereich 33, 34 , ist angeschrägt, so daß er sich mit seinen Kolbenflächen 33, 34 entsprechend der bei der Taumelbewegung verursachten jeweiligen maximalen Schwenkstellung an die Innenwand des Arbeitsraumes 16 anlegen kann, wodurch seine volle Beweglichkeit innerhalb des Arbeitsraums 16 gewährleistet ist.
  • An der zur Trennwand 18 weisenden Seite besitzt der Kolben 20 einen Radialschlitz 30, in welchen die Trennwand 18 eingreift. Im Radialschlitz 30 ist ein Führungszapfen 32 eingesetzt, der die Schwenkkräfte des Kolbens 20 aufnimmt. Der in dem Radialschlitz 30 geführte Führungszapfen 32 dient dazu, den von dem sich drehenden Kolbenträger 26 in eine Taumelbewegung versetzten Kolben 20 daran zu hindern, daß er sich mitdreht. Stattdessen macht der Kolben 20, verursacht durch die Führung des Führungszapfens 32 in dem Radialschlitz 30, eine Hin- und Herbewegung, bei welcher er eine der Winkelanstellung des Kolbenträgers 26 26 in bezug auf die Antriebswelle 28 entsprechende Schwenkbewegung ausführt, die insgesamt als Taumelbewegung erscheint.
  • Um bei der Förderung von mit festen Bestandteilen, wie Fasern, Spänen, Gräten, Halmen, Granulat, Schnitzel o.ä., angereicherten Fluidmedien Störungen zu vermeiden, besitzt der Kolben 20 auf seinen beiden zum Druckraum 23 gehörigen Druck-Kolbenflächen 72 Nuten 76, die von messerartigen Stegen 78 begrenzt sind. Hierbei haben die messerartigen Stege 78 die Aufgabe, die festen Bestandteile, welche bei der Schwenkbewegung des Kolbens 20 zwischen die Kolbenfläche 72 und der Innenwand des Arbeitsraums 16 geraten, zu zerschneiden. Dabei dient der Hohlraum der Nuten 76 jeweils dazu, die zerkleinerten Reste vorübergehend aufzunehmen, wodurch überdies eine gewisse Abdichtung erreicht wird, bis die so zerkleinerten Bestandteile weitergefördert sind.
  • Demgegenüber ist die Saug-Kolbenfläche 74 glatt belassen, also ohne Nuten bzw. Stege. Dies hat den Grund, einen ausreichenden Unterdruck aufzubauen, um das jeweils zu fördernde Fluid anzusaugen. Hierbei würde die Profilierung der Kolbenflächen 74 auf der Saugseite zu störenden Undichtigkeiten führen, die die Erzeugung des erforderlichen Unterdrucks verhindern. Ein eventuelles Einklemmen von festen Bestandteilen zwischen der Kolbenfläche 74 und der Innenwand des Arbeitsraums 16 ist demgegenüber weniger problematisch. Jedenfalls reicht die dabei erreichte Dichtheit aus, um den gewünschten Unterdruck aufzubauen.
  • In Fig. 9 ist der Kolben 20 gemäß Fig. 8 in Seitenansicht dargestellt, d. h. mit einer mit Nuten 76 und Stegen 78 versehenen Druck-Kolbenfläche 72 und mit einer glatten Saug-Kolbenfläche 74. Zur Erläuterung und zum besseren Verständnis wurden hierbei für gleiche Merkmale die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 8 verwendet.
  • Insbesondere ist in dieser Ansicht die Anordnung der Nuten 76 und Stege 78 und ihre radiale Ausrichtung sowie ihre Lage zum Radialschlitz 30 zu erkennen, welcher den hier nicht gezeigten Führungszapfen 32 beiderseits einfaßt. Die Nutbreite hängt vom jeweiligen Kolbendurchmesser ab und kann annähernd mit einer Winkelteilung von etwa 7,5°±2,5° angegeben werden.
  • In Fig. 10 schließlich ist eine Ansicht aus zwei verschieden Richtungen auf die Stirnfläche des Kolbens 20 gezeigt mit einem Teilschnitt durch eine Kolbenfläche, aus welchem das Nutlängsprofil der Nuten 76 ersichtlich ist. Oberhalb der gestrichelt gezeichneten Teilungsebene ist die Ansicht auf den Radialschlitz 30 wiedergegeben. Unterhalb davon ist eine um 90° geschwenkte Ansicht dargestellt.
  • Die Nuten 76 können demgemäß entweder als durchlaufende Nuten mit geradlinigem, d.h. ebenem, Nutgrund oder mit gekrümmtem Nutgrund (gestrichelter Verlauf) ausgebildet sein. Letztere Ausführungsvariante ist einerseits hinsichtlich der angestrebten Schneidwirkung der die Nuten 76 begrenzenden Stege 78 von geringerer Wirkung als bei ebenem Nutgrund; dafür weist diese Gestaltung eine günstigere Standzeit auf, was ihre Einsatzdauer erhöht.
  • Während des Pumpbetriebs wird das Fördermedium auf der Saugseite des Kolbens 20 angesaugt und infolge der Taumelbewegung vom Saugraum 24 in den Druckraum 23 gefördert, wo, soweit erforderlich, die messerartigen Stege 78 die festen Bestandteile des Fördermediums zerkleinern.
  • Die Nuten 76 sind, wie bereits erwähnt radial ausgerichtet, ebenso wie die sie begrenzenden Stege 78, wobei die Nutbreite am Außenumfang je nach Kolbendurchmesser 5 bis 10 mm betragen kann. In Verbindung mit der Taumelbewegung des Kolbens 20 sorgen die radial ausgerichteten Nuten 76 bzw. die sie begrenzenden Nutflanken der Stege 78 dafür, daß das Fördergut, insbesondere die festen Bestandteile, beim Abrollen des Kolbens 20 an der Wand des Arbeitsraums 16 selbsttätig mitgeführt und ähnlich wie in einer Tasche gehalten wird, so daß das Fördergut nicht zurückbleibt und keinen Rückstau verursacht, sondern stetig weitergefördert wird. Auf diese Weise ist es ermöglicht, auch schwer zu fördernde Medien abzupumpen.
  • Die Dicke der Stege beträgt vorzugsweise 1 mm ± 0,5 mm, wobei durch entsprechende Bearbeitung der Stegguerschnitt konisch vorgesehen sein kann mit breiter Basis und schmaler Außenkante. Hierdurch wird einerseits die Schneidwirkung der Stege 78 verbessert und gleichzeitig andererseits deren Standzeit erhöht.

Claims (47)

  1. Taumelscheibenmaschine (10)
    mit einem hohlkugelförmigen Arbeitsraum (16), der durch eine Trennwand (18) in mindestens einen Hochdruckraum (23) und einen Niederdruckraum (24) unterteilt ist, in welchen das Arbeitsmedium durch ein Leitungssystem zuführbar ist,
    wobei die Trennwand (18) bis zu einem Kolbenträger (26) reicht und mit einer plattenförmigen Dichtleiste (21) zusammenarbeitet,
    mit einem kreisringförmigen dem Durchmesser des Arbeitsraumes (18) angepaßten Kolben (20), der durch eine gelagerte Antriebswelle (28) mit dem Außenraum verbunden ist, die eine Taumelbewegung des Kolbens (20) bewirkt,
    welcher Kolben (20) mindestens einen radialen sich vom Umfang bis ungefähr zu dem Kolbenträger (26) erstreckenden Radialschlitz (30) aufweist, in welchem ein Führungszapfen (38) eingesetzt ist, der mit der Trennwand (18) zusammenarbeitet, und
    welcher Kolben (20) sich nach außen zum Umfang hin verjüngt,
    wobei die Stirnflächen des Kolbens (20) mit gegenüberliegenden und senkrecht zur Drehachse der Antriebswelle (28) verlaufenden den Arbeitsraum (16) seitlich begrenzenden Seitenflächen in Berührung sind,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der im, Radialschlitz (30) angeordnete Führungszapfen (38) in einer in der Trennwand (18) angeordneten Führungsnut (40) geführt ist,
    welcher Radialschlitz (30) mit abgewinkelten Seitenflanken (32, 33) versehen ist, deren Öffnungswinkel an den Schwenkhub des Kolbens (20) angepaßt ist und
    daß der Führungszapfen (38) mit einem in dem Kolbenträger (26) angeordneten Dichtungssegment ( 37) zusammenarbeitet, welches an den öffnungswinkel des Radialschlitzes (30) des Kolbens (20) angepaßt ist.
  2. Taumelscheibenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (18) den Führungszapfen (38) an zwei gegenüberliegenden Seiten mit der Führungsnut (40) einfaßt und in den im Kolben (20) angeordneten Radialschlitz (30) eingreift.
  3. Taumelscheibenmaschine (10)
    mit einem hohlkugelförmigen Arbeitsraum (16), der durch eine Trennwand (18) in mindestens einen Hochdruckraum (23) und einen Niederdruckraum (24) unterteilt ist, in welchen das Arbeitsmedium durch ein Leitungssystem zuführbar ist,
    wobei die Trennwand (18) bis zu einem Kolbenträger (26) reicht und mit einer plattenförmigen Dichtleiste (21) zusammenarbeitet,
    mit einem kreisringförmigen dem Durchmesser des Arbeitsraumes (16) angepaßten Kolben (20), der durch eine gelagerte Antriebswelle (28) mit dem Außenraum verbunden ist, die eine Taumelbewegung des Kolbens (20) bewirkt,
    welcher Kolben (20) mindestens einen radialen sich vom Umfang bis ungefähr zu dem Kolbenträger (26) erstreckenden Radialschlitz (30) aufweist,
    welcher Kolben (20) sich nach außen zum Umfang hin verjüngt,
    wobei die Stirnflächen des Kolbens (20) mit gegenüberliegenden und senkrecht zur Drehachse der Antriebswelle (28) verlaufenden den Arbeitsraum (16) seitlich begrenzenden Seitenflächen in Berührung sind,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Kolben einen Radialschlitz mit abgewinkelten Seitenflanken, deren Öffnungswinkel dem Schwenkhub des Kolbens angepaßt sind, aufweist und daß der Schlitzgrund sowie die Stirnfläche der in den Radialschlitz eingreifenden Trennwand jeweils mit einer aufeinander abgestimmten, dem Radius des Schlitzgrundes angepaßten sphärischen Wölbung versehen sind.
  4. Taumelscheibenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtleiste (21) in einer Umfangsnut (22) am Kolben angeordnet ist.
  5. Taumelscheibenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtleiste (21) durch das Arbeitsmedium gegen das Gehäuse (12) gedrückt ist.
  6. Taumelscheibenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände des Arbeitsraumes (18) kugelförmig ausgebildet sind.
  7. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beiderseits der Trennwand (18) kraftbeaufschlagte Dichtungswalzen (60) im Radialschlitz (30) des Kolbens angeordnet sind.
  8. Taumelscheibenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungswalzen (60) durch Druckfedern beaufschlagt sind, welche die Dichtungswalzen (60) gegen die Trennwand (18) drücken.
  9. Taumelscheibenmaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungswalzen (60) durch Druckmedium aus dem Arbeitsraum (16) beaufschlagt sind.
  10. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (20) im Kolbenträger (26) mittels beidseitig angeordneter erster und zweiter Kolbenlager (42, 44) geführt ist.
  11. Taumelscheibenmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Kolbenlager (42,44) als Wälzlager ausgebildet sind.
  12. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (12) Schmier- und Entlüftungskanäle (54, 56) angeordnet sind.
  13. Taumelscheibenmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmierkanäle (54) von außerhalb des Gehäuses (12) mit Fremdschmiermittel beaufschlagt sind.
  14. Taumelscheibenmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zuführung von Fremdschmiermittel wenigstens ein Schmiermittelanschluß (62) vorgesehen ist, der mit den Schmierkanälen und Schmierbohrungen (54) im Gehäuse (12) verbunden ist.
  15. Taumelscheibenmaschine nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zuführung von Fremdschmiermittel wenigstens ein Schmiermittelanschluß (62) an einer Stirnseite der Antriebswelle (28) vorgesehen ist, welche mit einem als Zentralbonrung ausgebildeten Schmiermittelkanal (64) versehen ist.
  16. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlüftungskanäle (56) mit Unterdruck aus dem Niederdruckraum (23) beaufschlagt sind und überschüssiges Schmiermittel von den versorgten Schmierstellen abführen.
  17. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (20) mit einem mehrteiligen Dichtungssegment (37, 66) versehen ist, das ein Einsatzstück (39, 67) und einen Führungszapfen (38) aufweist, der mittels Schraubverbindung das Einsatzstück (37,66) mit dem Kolben (20) verbindet.
  18. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben mit einem einteiligen Dichtungssegment (68) versehen ist, welches aus einem Einsatzstück (69) mit einstückig angeformtem Führungszapfen (38) gebildet ist.
  19. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (20) auf der dem Radialschlitz (30) gegenüber liegenden Seite eine radiale Ausnehmung (35) aufweist, die zum Gewichtsausgleich zur Vermeidung von Unwuchten des Kolbens (20) dient.
  20. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Unwuchten des Kolbens (20) als Gewichtsausgleich wenigstens ein Wuchtgewicht (65) vorgesehen ist.
  21. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Ausnehmung (35) zur Aufnahme wenigstens eines Wuchtgewichtes (65) dient.
  22. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Durchführung der Antriebswelle (28) durch das Gehäuse (12) eine Prallscheibe (50) vorgesehen ist, welche die verwendeten Wellenabdichtungen, wie Simmerring (51) mit Stopfbuchse (53) oder alternativ Gleitringdichtung (52), vor mechanischen Beschädigungen durch den Druckstrahl des Schmiermediums schützt.
  23. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der wellendurchführung der Antriebswelle (28) durch das Gehäuse (12) leckagefrei gehalten ist unter Benutzung der Prallscheibe (50) sowie von Entlüftungsbohrungen (56) jeweils am tiefsten Punkt unterhalb der Dichtungen (51, 52, 53).
  24. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (20) auf wenigstens einer stirnseitigen Kolbenfläche (72) zumindest bereichsweise radial verlaufende Nuten (76) aufweist, die von messerartigen Stegen (78) begrenzt sind.
  25. Taumelscheibenmaschine nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der mit den radialen Nuten (76) versehene Bereich (70) des Kolbens (20) ein Kreissektor ist, dessen Winkelhalbierende sich senkrecht zur Achse des Radialschlitzes (30) im Kolben (20) erstreckt.
  26. Taumelscheibenmaschine nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Kolbenflächen (72) radiale Nuten (76) angeordnet sind.
  27. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (76) auf der jeweiligen Druckfläche (72) des Kolbens (20) in einem Sektor (70) angeordnet sind, dessen eine Seite am Radialschlitz (30) angrenzt.
  28. Taumelscheibenmaschine nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Nuten (76) jeweils in dem mit der Anschrägung versehenen Bereich (70) des Kolbens (20) angeordnet sind, welcher mit der Innenwand des Arbeitsraums (16) in Berührung ist.
  29. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (76) ein Viereckprofil aufweisen.
  30. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche 24 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (76) ein Rechteckprofil aufweisen.
  31. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche 24 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (76) ein Rechteckprofil mit einem ebenen Nutgrund aufweisen.
  32. Taumelscheibenmaschine nach einem der Ansprüche 24 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (76) in bezug auf ihre Längsachse einen gekrümmten Nutgrund aufweisen.
  33. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche 24 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (76) angeschrägte Nutflanken aufweisen
  34. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche 24 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten asymmetrisch angeschrägte Nutflanken aufweisen.
  35. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche 24 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (76) ein V-Profil mit schmalem Nutgrund aufweisen.
  36. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche 24 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß die kolbenschlitzseitigen Flanken einer jeden Nut (76) steiler angestellt sind als die gegenüberliegende Flanke.
  37. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche 24 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstellwinkel der kolbenschlitzseitigen Nutflanken in bezug auf den Nutgrund 105° bis 120°, vorzugsweise 112° beträgt und daß der Anstellwinkel der gegenüberliegenden Nutflanken in bezug auf den Nutgrund > 135° beträgt.
  38. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche 24 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß die die Nuten (76) begrenzenden messerartigen Stege (78) eine schneidenförmige Außenkante und eine im Vergleich hierzu breitere Basis am Nutgrund aufweisen, welche den jeweiligen Steg verstärken.
  39. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche 24 bis 38, daaurch gekennzeichnet, daß die messerartigen Stege (78) oberflächengehärtet sind.
  40. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche 24 bis 39, dadurch gekennzeichnet, daß die messerartigen Stege (78) eine Beschichtung mit einem verschleißfesten Material aufweisen.
  41. Taumelscheibenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (20) aus rostfreiem Material, vorzugsweise aus Stahl, gefertigt ist
  42. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche 24 bis 40, dadurch gekennzeichnet, daß der die messerartigen Stege (78) aufnehmende Nutgrund (77) als separat gefertigtes Kolbenteil ausgebildet ist, welches mit dem Kolben (20) verbunden ist.
  43. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche 24 bis 40 und 42, dadurch gekennzeichnet, daß die messerartigen Stege (78) als separate Einsätze aus Hartmetall gefertigt sind und in den angeschrägten Bereich (22) des Kolbens (20) eingesetzt sind.
  44. Taumelscheibenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (20) zumindest bereichsweise mit einer Weichschicht versehen ist.
  45. Taumelscheibenmaschine nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß die Weichschicht aus Gummi besteht.
  46. Taumelscheibenmaschine nach einem der Ansprüche 44 oder 45, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben aus Stahl besteht und die Weichschicht aus Gummi auf den Kolben (20) aufvulkanisiert ist.
  47. Taumelscheibenmaschine nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß die Weichschicht ein schlagzäher Kunststoff, z. B. ABS, ist.
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