EP0761968A1 - Kreiskolbenmaschine mit hydrostatisch gelagertem Steuerteil und Steuerteil dafür - Google Patents

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EP0761968A1
EP0761968A1 EP95114072A EP95114072A EP0761968A1 EP 0761968 A1 EP0761968 A1 EP 0761968A1 EP 95114072 A EP95114072 A EP 95114072A EP 95114072 A EP95114072 A EP 95114072A EP 0761968 A1 EP0761968 A1 EP 0761968A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
bearing
rotary piston
control part
pressure
piston machine
Prior art date
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Ceased
Application number
EP95114072A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Siegfried A. Dipl.-Ing. Eisenmann
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Individual
Original Assignee
Individual
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Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to EP95114072A priority Critical patent/EP0761968A1/de
Priority to US08/702,085 priority patent/US5989001A/en
Priority to JP8234004A priority patent/JPH09177682A/ja
Publication of EP0761968A1 publication Critical patent/EP0761968A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04CROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2/00Rotary-piston machines or pumps
    • F04C2/08Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C2/10Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member
    • F04C2/103Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member one member having simultaneously a rotational movement about its own axis and an orbital movement
    • F04C2/105Details concerning timing or distribution valves
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04CROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2/00Rotary-piston machines or pumps
    • F04C2/08Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C2/10Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member
    • F04C2/103Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member one member having simultaneously a rotational movement about its own axis and an orbital movement

Definitions

  • the invention relates to rotary piston machines according to the preamble of claim 1 and to control parts according to claim 13.
  • These rotary piston machines preferably work as slow-running machines with a high pressure torque according to the so-called orbit principle.
  • This primarily means hydrostatic, in particular oil-operated, rotary piston machines.
  • the invention can also be applied to machines which are operated with a compressible working medium, in particular with compressed air.
  • a control part essentially comprises two annular channels that are open to the outside against a contact area. The high pressure and the low pressure side of the two working fluid connections are connected to one channel.
  • connections alternately extend from the two annular channels into a common connection area, from which connection lines lead through a connection part to the displacement part.
  • the annular channels and the connection area are in sliding contact with the lines connected thereto, or with contact surfaces in which the line connections are arranged.
  • the least possible leakage of working fluid under pressure between parts moving against each other or through plain bearings requires the smallest possible gaps between the sliding surfaces. The decency must not be so small, however, that high friction losses and, in particular, high wear and tear occur. It has been shown that the total losses of rotary piston machines largely stem from the losses on the rotating control parts.
  • Drum or butterfly valves are mostly used as control parts.
  • the sliding connection areas and the annular channels are arranged on cylindrical outer surfaces and, in the case of disc valves, at least mostly on the flat side surfaces which are normal to the control part axis of rotation. If necessary, an annular channel is also formed along the cylindrical lateral surface in disk valves.
  • the alternating connections to the common connection area preferably lead through the disk and are therefore not arranged in the plain bearing area.
  • the drum valves have a relatively large flow resistance in the rotating state at high speeds due to the associated increase in the turbulence of the fluid flowing through the channels and connections.
  • the storage is preferably carried out by sliding the cylindrical drum outer surface on a cylindrical inner surface of a housing part. If the so-called port-to-port leakage is to be kept small, the running clearance in the housing must be extremely small, preferably less than 0.5 per mille of the drum diameter. Since the cylinder surface interrupted by channels does not have good sliding bearing properties, contact with the wall cannot be avoided. Due to wear and erosion, the running clearance increases very quickly during operation, so that the channel leakage and also the drainage leakage into the machine interior increase quickly.
  • the flat disc end surfaces must be stored optimally or without leakage and friction.
  • the requirement for the radial bearing or for the cylinder surface depends on whether annular channels and sliding connections are also provided there. However, since the alternating connections to the common connection area are not in the area of the cylinder jacket, this can also be done with a radial external bearing, if applicable better sliding bearing properties are achieved than with common drum valves.
  • Butterfly valves are increasingly being used to achieve better efficiency and a longer service life at high operating pressures.
  • the disc valves have a smaller flow resistance when the connections are designed appropriately compared to the drum valves.
  • a compensation piston is provided, for example, which presses the disk valve in both directions of rotation against the connecting part with the connecting lines to the displacement part without play.
  • relatively high undesirable friction losses occur, which amount to up to 12 percent of the theoretical torque.
  • the losses in forward and reverse running are different.
  • the known control parts are mounted hydrodynamically, which means that the friction is particularly high when the rotary piston machine starts up. In the operating state, a smear layer forms in the bearing. In the event of vibrations, due to variable loads or due to the movement of the rotary piston, the sliding surfaces come into direct contact despite the lubricating layer in the bearing.
  • drum or disk valves It has been shown that an unexpectedly large part of the power loss of the rotary piston machines comes from the rotating control parts, which according to their design are referred to as drum or disk valves.
  • the object of the invention is now to design the rotary piston machine with the rotating control parts in such a way that the leakage and friction losses are significantly reduced.
  • a hydrostatic bearing must be provided for mounting the rotatable control part. Between at least a first sliding surface of the control part and an adjoining second sliding surface of a bearing part, pressurized bearing fluid must be introduced, at least in hydrostatic bearing regions, which can flow into a low pressure region.
  • pressurized bearing fluid must be introduced, at least in hydrostatic bearing regions, which can flow into a low pressure region.
  • at least one carrying pocket in the form of a recess is provided in at least one sliding surface.
  • Each carrier bag is surrounded by a bearing web and fed with bearing fluid under pressure through a supply line.
  • An exit gap is formed around the carrying bag between the bearing web and the sliding surface opposite it. The outlet gap is very small, so that only a small flow of bearing fluid from the carrier bag to a low-pressure area occurs.
  • the supply line, the supply with storage fluid and the outlet gap or the storage gap and the width of the webs are designed in such a way that the pressure required for rigid storage can be built up in the carrying bag.
  • the bearing or outflow gap is in the range from 0.1 to 0.5, preferably from 0.25 to 0.35, parts per thousand of the diameter of the hydrostatic bearing.
  • the outflow gap from the carrier pockets is in the range from 0.2 to 1.2, preferably from 0.4 to 1.0, in particular from 0.6 to 0.8 per mille of the axial thickness of the control part.
  • At least two, but preferably at least three carrier bags, in particular as a carrier bag set, are arranged symmetrically with respect to the axis of rotation of the control part.
  • the carrier bags are preferably circumferential and / or optionally radial and / or if necessary, axially extended and cause an optimal isotropically acting rigidity of the hydrostatic bearing.
  • the hydrostatic bearing has the advantage that even with an extremely small bearing gap, direct contact of the sliding surfaces and the associated friction and wear are avoided due to the high rigidity guaranteed by a sufficiently high bearing fluid pressure and a sufficiently large hydrostatic bearing area.
  • the minimum distance between the sliding surfaces minimizes the leakage losses of the working fluid when entering and leaving the control part.
  • the rigidity and load-bearing capacity of a hydrostatic bearing do not depend on the speed, but only on the supply pressure and the size of the effective surfaces of the carrier bags.
  • the hydrostatic bearing ensures that the control part rotates smoothly right from the start. Due to the high rigidity of the bearings, there is no direct contact with the sliding surfaces even when vibrated.
  • the hydrostatic bearing can be used both for a radial bearing between cylindrical sliding surfaces and for an axial bearing between flat sliding surfaces that are normal to the control part's axis of rotation. This means that the hydrostatic bearing can be used for the external bearing of drum valves as well as for the lateral bearing of disc valves.
  • control parts have two annular channels adjoining the sliding surfaces, one of which is always connected to high pressure, the impression could arise that the pressurized channel has the effect of a hydrostatic bearing.
  • the annular channel does not provide any bearing stiffness desired for hydrostatic bearings.
  • Such a ring duct line around a cylinder jacket surface does not under any circumstances result in a radial deflection of the cylinder jacket surface against this surrounding surface due to the load.
  • the pressurized annular channel cannot function as an axial hydrostatic bearing, even with butterfly valves. Because it is connected to further lines for supplying the displacer part, a reduction in the distance between the sliding surfaces does not lead to resilient pressure increases in the channel. In the case of a hydrostatic bearing with a carrier pocket, the bearing fluid can only escape through the outlet gap, so that a reduction in the outlet gap leads to pressure increases in the pocket and thus restoring forces.
  • carrier bags is particularly advantageous for hydrostatic storage.
  • good bearing or oil film rigidity is achieved radially in all directions by at least three carrier pockets which are distributed substantially uniformly along a circular line.
  • the tilting rigidity of an axial bearing is achieved by two sets of support bags spaced in the axial direction, each with at least three support bags.
  • an essentially isotropic mounting and thus a tilting rigidity are achieved by at least three carrying pockets distributed essentially uniformly along a circular line.
  • the working pressure of the rotary piston machine should preferably be used to supply the hydrostatic bearing.
  • Working fluid is used as the bearing fluid.
  • an increased bearing pressure is automatically set, which means that the rigidity and restoring force to the central position of the bearing of the control part increases with the working pressure and thus with the load on the rotary valve.
  • the oil throughputs through the bearing are extremely low and can hardly be measured.
  • the oil throughput can also be influenced by the dimensioning of the pocket web widths.
  • a pressure potential extending around the mean bearing pressure is preferably made accessible.
  • the supply line with a pre-throttle, the bearing gap and the effective bearing surface of the carrier bag are dimensioned such that the mean bearing pressure is approximately in the range from 1/4 to 3/4, but preferably from 1/3 to 2/3, in particular from substantially 1/2 of the feed pressure.
  • the feeding pressure corresponds to the working pressure or the drive high pressure.
  • the hydrostatic bearing is calculated extremely reliably according to Hagen-Poiseuille's law, assuming a laminar flow. Since both hydraulic resistances, namely that of the pre-throttle and that of the pocket drainage webs or outlet gaps, are linearly viscosity-dependent in the same way, the bearing works at any operating viscosity and thus at any operating temperature.
  • the use of the pressure potential has the advantage that when the bearing is deflected due to the load from its central position, opposing pressure adjustments occur in mutually opposite carrying pockets.
  • the pressure increases in one pocket due to the reduced bearing gap and correspondingly in the opposite pocket due to the enlarged bearing gap.
  • Such pressure differences in the carrier bags lead to a return of the bearing to the central position.
  • two carrier bag sets are preferably provided, one of which is connected in both directions of rotation to the high-pressure and one to the low-pressure spaces of the rotary piston machine.
  • Embodiments according to the invention in which the control part is hydrostatically supported by working fluid, can be implemented with little construction effort.
  • the structural measures can be limited to the control part, so that even rotary piston machines according to the prior art can be converted to machines according to the invention merely by replacing the control part.
  • FIG. 1 b shows a rotary piston machine 1 with an input or output shaft 2, which is supported by two tapered roller bearings 4 in both end regions of the machine and can be rotated about a shaft axis 3.
  • the machine 1 On the exit side of the shaft 2, the machine 1 is sealed leak-free to the outside by a sealing ring 5.
  • Leakage oil lines are preferably provided to relieve the pressure on the seal 5.
  • a leakage oil line 7 is shown, for example, in a first housing part 8 adjoining the end cover 6. If necessary, the leak oil line 7 is also connected to the low pressure side of the working fluid guide via a check valve.
  • a second housing part or connecting part 9 adjoining the first housing part 8 there are connecting lines opening into the displacer part 10 13 provided.
  • a third housing part 11 and a closing part 12 holding the sealing device 5 are arranged between the displacer part 10 and the sealing ring 5.
  • the shaft 2 is provided in the region of the displacer 10 with an external toothing 16 which meshes with the internal toothing 14 of the rotary piston 15.
  • the rotary piston 14 rotates eccentrically around the shaft 2 and meshes with an external toothing 16 in an internal toothing 17 of the displacer housing part 18.
  • FIG. 1 a shows the displacer 10 in cross section and thus gives a good insight into the toothing described.
  • the left half of the working space located between the displacer housing part 18 and the rotary piston 15 must be connected to working fluid under high pressure and the right half must be connected to low pressure at the same time.
  • a control part 19 which is rotatable about the shaft axis 3 and is mounted in the first housing part 8 and in the connecting part 9, is provided in order to ensure the hemispherical feed rotating with the rotary piston 15.
  • the control part 19 is designed as a cylindrical drum valve and comprises on its cylindrical outer surface 20 two annular channels 21 and 22 which are open to the outside. The high-pressure side and the low-pressure side of the two working fluid connections 23 and 24 are connected to one channel 21 or 22.
  • connections 25 extend alternately from the two annular channels 21 and 22 into a common connection area 26, from which the connection lines 13 lead through the connecting part 9 to the displacer part 10.
  • eleven connections 25 are connected to both channels 21 and 22. Due to the alternating contacts with the rotation of the control part 19 between the twenty-two connections 25 connected alternately with high and low pressure and the twelve connecting lines 13, the necessary hemispherical feeding of the displacer part occurs.
  • this includes an external toothing 27 at its end facing the displacer 10, which meshes in the internal toothing 14 of the rotary piston 15.
  • Narrow cylindrical first sliding surfaces 28 are attached to the two end regions of the control part 19 and are required for the radial outer bearing of the control part on second sliding surfaces 29 of the parts 8 and 9 adjoining the control part as bearing parts.
  • three first and three second carrying pockets 30 and 31 are preferably arranged in the sliding surfaces 28 of the control part 19.
  • the carrier bags 30 and 31 are relative Turns by 120 arranged symmetrically around the shaft axis. Exit gaps 32 are formed between the second sliding surface 29 and the carrier pocket edges in the first sliding surface 28.
  • the first three carrier bags 30 are each connected to the closest duct 21 or 22 via a throttle line 35 or a groove with an extremely small cross section.
  • the throttle lines 35 and the outlet gaps 32 are dimensioned in the case of a centrally located control part 19 such that approximately half the high pressure builds up in the carrying pocket 30 when high pressure prevails in the channel 21 or 22 to which the throttle line 35 leads.
  • the throttle lines or throttle channels have a depth that is at least five times, expediently a maximum of ten times, but preferably essentially six times as large as the mean bearing gap width or as the optimal distance between the sliding surfaces.
  • the width of the throttle lines is calculated so that the desired pressure, in particular approximately half the high pressure, is achieved in the pocket.
  • the bearing gap is 5 ⁇ m
  • the depth of the throttle channel is 30 ⁇ m
  • the width is 200 ⁇ m.
  • the carrier bags 31 are connected via leads 34 and pre-chokes 35 connected to connections 25, which connections 25 lead to the more distant channel 21, 22 (FIG. 1 c).
  • the feed lines 34 lead in the control part 19 under the closest channel 21, 22 and include one axial and two radial bores.
  • the axial bore made from the control part end face is closed in the region of the end face with a closing part 36, so that the U-shaped feed line 34 does not leak.
  • the adjoining carrier pockets 30 and 31 are alternately connected to the channel 21 and to the channel 22. Since one of the two channels always carries working fluid under high pressure in both directions of rotation, a carrying bag set with three carrying bags 30 or 31 is always pressurized with working fluid in both control end regions. The working and bearing fluid escaping through the bearing gaps is drained from the machine through leak oil lines 7.
  • Fig. 2 shows an embodiment with a disc-shaped control part 19 '.
  • This disc valve 19 ' comprises an annular channel 21 attached to the cylinder surface and extending to a first side surface 37 and an annular channel 22 adjoining the first side surface. From the channels 21 and 22 there are alternately connecting bores 25 to a second side surface 38 or to the circular connection area 26, where they can come into connection with connection lines 13.
  • the disk valve 19 ' is rotated by a driver sleeve 39 at the speed of the rotary piston.
  • the driving sleeve 39 has an external toothing 27 ′ which meshes with the internal toothing of the rotary piston arranged in the displacement part 10 and an engagement end 40 which engages with the disk valve 19 '.
  • the disk valve 19 ' is hydrostatic between the bearing parts 8 and 9 adjoining the side surfaces 37 and 38 stored.
  • 37 carrying pockets 130 and 131 are formed in the first side surface and 38 carrying pockets 230 and 231 in the second side surface.
  • the carrying pockets 130 and 230 or 131 and 231 are connected to the channels 22 and 21 via connections with grooves 35 which are designed as pre-throttles and are located in the side surfaces 37, 38.
  • FIG. 3 c) there are three carrying pockets 230 and 231 in the second side face 38 along a central circle with respect to a rotation by 120 arranged symmetrically.
  • the pre-throttles 35 connect the carrying pockets 230 or 231 directly to the connecting bores 25, which are connected to the channel 22 or 21.
  • the carrying pockets 130, 131 of the first side surface 37 are arranged in the same way with respect to the axis of rotation 3 as the carrying pockets 230, 231 of the second side surface 38.
  • the feed bores 34 ' can be seen in the carrying pockets 131.
  • the carrier bags 130 are supplied from the channel 22 surrounding them. Part of the leakage current also passes from the channel 22 into the carrier bags 130, which, when the outlet gap of the carrier bags 130 is enlarged, prevents or weakens the pressure reduction required for the reset.
  • the radial distance between the channel 22 and the pockets 130 is preferably as large as possible. If necessary, a separating groove connected to the low pressure is provided between the channel 22 and the pockets 130.
  • the throttles 35 between the channel 22 and the pockets 130 must be dispensed with. The feed must take place from the second side surface 38 in accordance with the feeding of the pockets 131.
  • Fig. 4 shows an embodiment in which the bearings 4 of the shaft 2 are arranged directly on both sides of the displacer 10.
  • a further housing part 11a accommodating the other bearing 4 is provided.
  • the control part 19 ' is rotated via an auxiliary gear 41 by the rotation of the shaft 2.
  • the auxiliary gear 41 since the shaft 2 does not rotate at the speed of the rotary piston 15, the auxiliary gear 41 must generate a transmission which compensates for the transmission during the transmission of rotation from the rotary piston 15 to the shaft 2 and thus drives the control part 19 'at the same speed as the rotary piston 15.
  • the auxiliary gear 41 is preferably designed as a rotary piston gear and constructed essentially the same as the gear of the displacement part 10.
  • an external toothing meshes the shaft 2 in an internal toothing of a transmission piston 15 'and an external toothing of the piston 15' in an internal toothing of the connecting part 9.
  • the transmission piston 15 ' rotates at the same speed as the rotary piston 15 of the displacement part 11
  • the rotation of the transmission piston 15 ' is carried out by a transmission sleeve 42 with an external toothing of the transmission sleeve 42 which engages in the internal toothing of the transmission piston 15'.
  • the disk valve 19 'sits firmly on the transmission sleeve 42 and thus rotates at the same speed as the two pistons 15 and 15'.
  • the embodiment according to FIG. 4 has several advantages. It enables the shaft 2 to be supported directly on both sides of the displacement part 10. Furthermore, the shaft toothing 13 can be made the same or even wider than the rotor toothing 14, so that the tooth strength of the shaft 2 is increased.
  • the displacer part 10 and the control part 19 ' are arranged spatially separated and can optionally be opened or dismantled independently of one another. Due to the optimal bearing arrangement for the shaft 2, the shaft end assigned to the control part 19 'rotates essentially round, so that a needle bearing 43 arranged around the shaft 2 can be used for the radial mounting of the transmission sleeve 42 and thus of the disk valve 19'.
  • the axial bearing of the control part 19 ' is hydrostatic. For this purpose, the control part 19 'according to FIG. 3 is designed. Due to the axial hydrostatic and the radial needle bearing, the control part 19 'rotates with an extremely small loss of friction.
  • the hydrostatic bearing of the control part according to the invention can also be used according to FIG. 5 if a control part 119 is fixedly connected to the input or output shaft which rotates synchronously with the rotary piston, in particular is formed integrally therewith.
  • the hydrostatic bearing includes Carrying pockets 30 and 31 which are arranged at least in the two cylindrical end regions of the control part 119. Due to the connection between shaft 2 and control part 119, the hydrostatic bearing acts as a shaft bearing.
  • a propeller shaft 44 is arranged for the transmission of rotation between the displacer part 10 or the rotary piston 115 and the shaft 2 and is connected in a rotationally fixed manner to the parts connected to it at both ends via toothings.
  • the control part 119 is constructed essentially the same as the control part according to FIG. 1 d), but the toothing 27 is not required because the control part 119 is formed in one piece with the shaft 2.
  • the hydrostatic bearing increases the efficiency of the machine significantly compared to versions without hydrostatic bearing.
  • FIG. 6 shows an embodiment in which the shaft 2 is driven by the displacer part 10 or by the rotary piston 215 at the same speed via a first cardan shaft 44 and the control part 219 via a second cardan shaft 45.
  • the control part is constructed according to FIG. 3 and is thus hydrostatically supported.

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Abstract

Zur Lagerung des drehbaren Steuerteils (19,19',119,219) einer Kreiskolbenmaschine (1) nach dem Orbit-Prinzip ist eine hydrostatische Lagerung vorgesehen. Bevorzugt werden zumindest in einer Gleitfläche (28,37,38) Tragtaschen (30,31, 130,131,230,231) angeordnet, die je von einem Lagerspalt umgeben und durch eine Zuführleitung (34,35) unter Druck mit Lagerfluid gespiesen werden. Der Lagerspalt ist bevorzugt klein, so dass sich nur ein kleiner Lagerfluid-Fluss aus der Tragtasche (30,31,130,131,230,231) einstellt. Die Zuführleitung (34,35), die Speisung mit Lagerfluid und der Lagerspalt sind so ausgelegt, dass der für eine steife Lagerung nötige Druck in der Tragtasche (30,31,130,131, 230,231) aufbaubar ist. Durch die Verwendung des Arbeitsfluids bei bevorzugt halbem Hochdruck in der Lagertasche ergibt sich eine Lagerung mit minimalen Leck- und Reibungsverlusten, die mit kleinem Aufwand realisierbar ist, so dass der Wirkungsgrad der Kreiskolbenmaschine als ganzes erhöht ist. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf Kreiskolbenmaschinen gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1 und auf Steuerteile nach dem Anspruch 13. Diese Kreiskolbenmaschinen arbeiten vorzugsweise als Langsamläufer mit hohem Druckmoment nach dem sogenannten Orbitprinzip. Dabei sind in erster Linie hydrostatische, insbesondere mit Öl betriebene, Kreiskolbenmaschinen gemeint. Die Erfindung kann aber auch bei Maschinen, die mit einem kompressiblen Arbeitsmedium, insbesondere mit Druckluft, betrieben werden, angewendet werden.
  • Zur gezielten Zuführung des Arbeitsfluids in den Verdrängerteil besitzen diese Maschinen Drehventile bzw. drehende Steuerteile, die mit Rotor- bzw. Kreiskolbendrehzahl umlaufen. Ein Steuerteil umfasst im wesentlichen zwei ringförmige Kanäle, die gegen einen Kontaktbereich nach aussen offen sind. An den einen Kanal schliesst die Hochdruck- und an den anderen die Niederdruckseite der beiden Arbeitsfluidanschlüsse an. Im Steuerteil erstrecken sich von den beiden ringförmigen Kanälen alternierend Verbindungen in einen gemeinsamen Anschlussbereich, von dem Anschlussleitungen durch ein Verbindungsteil zum Verdrängerteil führen. Die ringförmigen Kanäle und der Anschlussbereich sind in gleitendem Kontakt mit den daran anschliessenden Leitungen, bzw. mit Kontaktflächen, in denen die Leitungsanschlüsse angeordnet sind. Das möglichst leckfreie Fördern von Arbeitsfluid unter Druck zwischen gegeneinander bewegten Teilen bzw. durch Gleitlager bedingt möglichst kleine Anstände zwischen den Gleitflächen. Die Anstände dürfen aber nicht so klein sein, dass hohe Reibungsverluste und insbesondere hoher Verschleiss entstehen. Es hat sich gezeigt, dass die Gesamtverluste von Kreiskolbenmaschinen zu einem grossen Teil von den Verlusten an den drehenden Steuerteilen herrühren.
  • Als Steuerteile werden meist Trommel- oder Scheibenventile eingesetzt. Die gleitenden Anschlussbereiche und die ringförmigen Kanäle sind bei Trommelventilen an zylindrischen Mantelflächen und bei Scheibenventilen zumindest mehrheitlich an den ebenen, normal zur Steuerteil-Drehachse stehenden Seitenflächen angeordnet. Gegebenenfalls ist auch bei Scheibenventilen ein ringförmiger Kanal entlang der zylindrischen Mantelfläche ausgebildet. Die alternierenden Verbindungen zum gemeinsamen Anschlussbereich führen vorzugsweise durch die Scheibe und sind somit nicht im Gleitlager-Bereich angeordnet.
  • Die Trommelventile besitzen im drehenden Zustand bei hohen Drehzahlen, aufgrund der damit einhergehenden Erhöhung der Turbulenz des die Kanäle und Verbindungen durchströmenden Fluids, einen verhältnismässig grossen Durchflusswiderstand. Die Lagerung erfolgt vorzugsweise durch Gleitlagerung der zylindrischen Trommelaussenfläche an einer zylindrischen Innenfläche eines Gehäuseteils. Soll die sogenannte Kanal-Leckage (port to port Leckage) klein gehalten werden, muss das Laufspiel im Gehäuse extrem klein, vorzugsweise kleiner als 0,5 Promille des Trommeldurchmessers, ausgebildet werden. Da die von Kanälen unterbrochene Zylinderoberfläche keine guten Gleitlagereigenschaften besitzt, ist Wandberührung nicht zu vermeiden. Durch Verschleiss und Erosion vergrössert sich das Laufspiel im Betrieb sehr rasch, so dass die Kanal-Leckage und auch die Drainage-Leckage in den Maschineninnenraum schnell ansteigen.
  • Bei Scheibenventilen müssen die ebenen Scheibenendflächen optimal bzw. leck- und reibungsfrei gelagert werden. Die Anforderung an die radiale Lagerung bzw. an die Zylindermantelfläche hängt davon ab, ob auch dort ringförmige Kanäle und gleitende Anschlüsse vorgesehen sind. Da aber die alternierenden Verbindungen zum gemeinsamen Anschlussbereich nicht im Bereich des Zylindermantels liegen, können auch bei gegebenenfalls vorgesehener radialer Aussenlagerung bessere Gleitlagereigenschaften erzielt werden als bei gängigen Trommelventilen. Um einen besseren Wirkungsgrad sowie längere Lebensdauer bei hohen Betriebsdrucken zu erzielen, werden vermehrt Scheibenventile verwendet. Die Scheibenventile haben, bei einer zweckmässigen Ausgestaltung der Verbindungen im Vergleich zu den Trommelventilen, einen kleineren Durchflusswiderstand.
  • Bei Scheibenventilen besteht die Möglichkeit eines minimalen Laufspiels und eines Verschleissausgleichs durch Nachstellen eines axial anschliessenden Teiles. Zum Verschleissausgleich wird etwa ein Kompensationskolben vorgesehen, der in beiden Drehrichtungen das Scheibenventil gegen das Verbindungsteil mit den Anschlussleitungen zum Verdrängerteil spielfrei andrückt. Dabei treten jedoch verhältnismässig hohe unerwünschte Reibungsverluste auf, die bis zu 12 Prozent des theoretischen Drehmomentes betragen. Zudem sind die Verluste bei Vorwärts- und Rückwärtslauf unterschiedlich gross.
  • Die bekannten Steuerteile sind hydrodynamisch gelagert, das heisst, dass die Reibung insbesondere während des Anlaufens der Kreiskolbenmaschine gross ist. Im Betriebszustand bildet sich im Lager eine Schmierschicht aus. Bei Vibrationen, aufgrund von variablen Belastungen oder aufgrund der Kreiskolbenbewegung, kommt es trotz der Schmierschicht im Lager zu direkten Berührungen der Gleitflächen.
  • Es hat sich gezeigt, dass ein unerwartet grosser Teil des Leistungsverlustes der Kreiskolbenmaschinen von den drehenden Steuerteilen, die gemäss ihrer Ausbildung etwa als Trommel- bzw. Scheibenventile bezeichnet werden, ausgeht.
  • Die erfindungsgemässe Aufgabe besteht nun darin, die Kreiskolbenmaschine mit den drehenden Steuerteilen so auszubilden, dass die Leck- und Reibungsverluste deutlich verkleinert werden.
  • In einem ersten erfinderischen Schritt wird erkannt, dass zur Lagerung des drehbaren Steuerteils eine hydrostatische Lagerung vorgesehen werden muss. Zwischen mindestens einer ersten Gleitflächen des Steuerteils und einer daran anschliessenden zweiten Gleitfläche eines Lagerteils muss somit, zumindest in hydrostatischen Lagerbereichen, druckbeaufschlagtes Lagerfluid eingebracht werden, das in einen Niederdruckbereich abfliessen kann. Dazu wird zumindest in einer Gleitfläche mindestens eine Tragtasche in Form einer Vertiefung vorgesehen. Jede Tragtasche wird von einem Lagersteg umgeben und durch eine Zuführleitung unter Druck mit Lagerfluid gespiesen. Rund um die Tragtasche ist zwischen dem Lagersteg und der diesem gegenüberliegenden Gleitfläche ein Austrittsspalt ausgebildet. Der Austrittsspalt ist sehr klein, so dass sich nur ein kleiner Lagerfluid-Fluss aus der Tragtasche zu einem Niederdruckbereich einstellt. Die Zuführleitung, die Speisung mit Lagerfluid und der Austrittsspalt bzw. der Lagerspalt und die Breite der Stege sind so ausgelegt, dass der für eine steife Lagerung nötige Druck in der Tragtasche aufbaubar ist.
  • Bei einer radialen hydrostatischen Lagerung liegt der Lager- bzw. Abflussspalt im Bereich von 0.1 bis 0.5, vorzugsweise von 0.25 bis 0.35 Promille des Durchmessers des hydrostatischen Lagers. Im Falle einer axialen hydrostatischen Lagerung liegt der Abflussspalt aus den Tragtaschen im Bereich von 0.2 bis 1.2, vorzugsweise von 0.4 bis 1.0, insbesondere von 0.6 bis 0.8 Promille der axialen Dicke des Steuerteils.
  • Um mit der hydrostatischen Lagerung die gesamte Gleitfläche gut zu lagern, werden mindestens zwei, vorzugsweise aber mindestens drei Tragtaschen insbesondere als Tragtaschenset bezüglich der Drehachse des Steuerteils, symmetrisch angeordnet. Dabei sind die Tragtaschen vorzugsweise in Umfangsrichtung und/oder gegebenenfalls radial und/oder gegebenenfalls axial ausgedehnt und bewirken eine optimale isotrop wirkende Steifigkeit der hydrostatischen Lagerung.
  • Die hydrostatische Lagerung hat den Vorteil, dass auch bei einem äusserst kleinen Lagerspalt aufgrund der, durch einen genügend hohen Lagerfluid-Druck und durch einen genügend grossen hydrostatischen Lagerbereich gewährleisteten, hohen Steifigkeit ein direkter Kontakt der Gleitflächen und damit einhergehende Reibung und Verschleiss vermieden werden. Durch den minimalen Abstand zwischen den Gleitflächen werden die Leckverluste des Arbeitsfluids beim Ein- und Austritt in das bzw. aus dem Steuerteil minimal. Die Steifigkeit und Tragfähigkeit eines hydrostatischen Lagers hängt nicht von der Drehzahl, sondern nur vom Versorgungsdruck und von der Grösse der wirksamen Flächen der Tragtaschen ab. Die hydrostatische Lagerung gewährleistet bereits in der Anlaufphase ein reibungsfreies Drehen des Steuerteils. Aufgrund der hohen Lager-Steifigkeit kommt es auch bei Vibrationen nicht zu direkten Berührungen der Gleitflächen.
  • Die hydrostatische Lagerung kann sowohl für eine radiale Lagerung zwischen zylindrischen Gleitflächen als auch für eine axiale Lagerung zwischen ebenen normal zur SteuerteilDrehachse stehenden Gleitflächen verwendet werden. Das heisst die hydrostatische Lagerung kann sowohl zur Aussenlagerung von Trommelventilen als auch zur seitlichen Lagerung von Scheibenventilen verwendet werden.
  • Weil bei den Steuerteilen zwei an die Gleitflächen anschliessende ringförmige Kanäle von denen immer einer mit Hochdruck verbunden ist, vorgesehen sind, könnte der Eindruck entstehen der druckbeaufschlagte Kanal habe jeweils die Wirkung eines hydrostatischen Lagers. Dies ist aber nicht der Fall, weil von dem ringförmigen Kanal keine für hydrostatische Lager gewünschte Lagersteifigkeit ausgeht. So eine Ringkanalleitungum eine Zylindermantelfläche keinesfalls ein belastungsbedingtes radiales Ausweichen der Zylindermantelfläche gegenüber diese umschliessende Fläche.
  • Der druckbeaufschlagte ringförmige Kanal kann auch bei Scheibenventilen nicht die Funktion eines axialen hydrostatischen Lagers übernehmen. Weil er mit weiterführenden Leitungen zur Speisung des Verdrängerteils verbunden ist, führen Verkleinerungen des Abstandes zwischen den Gleitflächen nicht zu rückstellenden Druckerhöhungen im Kanal. Bei einem hydrostatischen Lager mit einer Tragtasche kann das Lagerfluid nur durch den Austrittsspalt austreten, so dass eine Verkleinerung des Austrittspaltes zu einer Druckerhöhungen in der Tasche und somit zurückstellenden Kräften führt.
  • Zur hydrostatischen Lagerung ist das Verwenden von Tragtaschen besonders vorteilhaft. Bei radialen Lagern wird eine gute Lager- bzw. Ölfilmsteifigkeit radial in allen Richtungen durch mindestens drei im wesentlichen gleichmässig entlang einer Kreislinie verteilte Tragtaschen erzielt. Die Kippsteifigkeit eines axialen Lagers wird durch zwei in axialer Richtung beabstandete Tragtaschensets mit jeweils je mindestens drei Tragtaschen erzielt. Bei axialen Lagern wird eine im wesentlichen isotrope Lagerung und somit eine Kippsteifigkeit durch mindestens drei im wesentlichen gleichmässig entlang einer Kreislinie verteilte Tragtaschen erzielt. Durch das Vorsehen von hydrostatischen Lagern an beiden Seiten eines Scheibenventils, ist dieses auch in axialer Richtung stabilisiert.
  • In einem zweiten erfinderischen Schritt wird erkannt, dass zur Speisung der hydrostatischen Lagerung vorzugsweise der Arbeitsdruck der Kreiskolbenmaschine verwendet werden soll. Dabei wird Arbeitsfluid als Lagerfluid verwendet. Bei erhöhtem Arbeitsdruck stellt sich so automatisch auch ein erhöhter Lagerduck ein, was dazu führt, dass die Steifigkeit und Rückstellkraft zur zentralen Lage der Lagerung des Steuerteils mit dem Arbeitsdruck und somit mit der Belastung des Drehventils steigt.
  • Es bleibt somit für jeden Arbeitsdruck die betriebsbedingte relative exzentrische Verlagerung des Drehventils gleich und sie kann auch berechnet werden. "Relative Verlagerung" bedeutet, dass die prozentuale Veränderung des Schmierfilms zwischen dem Drehventil und dem Gehäuse stets gleich bleibt, unabhängig davon, wie hoch der Arbeitsdruck der Maschine ist. Eine Wandberührung ist deshalb stets ausgeschlossen.
  • Die Vorteile einer solchen Lagerung für das Drehventil sind beträchtlich. Da die Drehzahl der meisten Kreiskolbenmaschinen verhältnismässig niedrig ist, ist auch die Newtonsche Schubspannung im Ölfilm und somit die Reibung zwischen Drehventil und Gehäuse äusserst gering. Dies ist vor allen Dingen wichtig für einen guten Anfahrwirkungsgrad. Bei Drehung tritt lediglich Viskositätsreibung auf, keine Coulombsche Reibung. Bei gleichzeitig guter Kühlung der Gleitflächen findet, wegen des ständigen Ölflusses bei definiertem Ölspalt, kein Verschleiss statt. Das hydrostatische Lager arbeitet auch bei niedrigem Versorgungsdruck, so dass auch bei momentenfreiem hohem Leerlauf der Eingangsstaudruck für Reibungsfreiheit in der Lagerung sorgt. Da insbesondere im Falle eines Scheibenventils der bisher übliche Kompensationskolben mit seiner Initialfeder wegfällt, werden die Startreibung und die Reibung bei erhöhter Drehzahl mit ihrem Staudruck nahezu null. Da bei einer derartigen Hydrostatiklagerung bei genauer Fertigung die Ölspalte nur wenige µm dick sind, werden die Öldurchsätze durch das Lager äusserst gering und sind kaum messbar. Ausserdem kann der Öldurchsatz auch durch die Dimensionierung der Taschenstegbreiten beeinflusst werden.
  • Zur Speisung der hydrostatischen Lagerung wird vorzugsweise ein sich um den mittleren Lagerdruck erstreckendes Druckpotential zugänglich gemacht. Dazu werden etwa die Zuführleitung mit einer Vordrossel, der Lagerspalt und die wirksame Lagerfläche der Tragtasche so dimensioniert, dass der mittlere Lagerdruck etwa im Bereich vom 1/4 bis 3/4, vorzugsweise aber von 1/3 bis 2/3, insbesondere von im wesentlichen 1/2 des Speisedruckes liegt. Bei der Speisung mit dem Arbeitsdruck der Kreiskolbenmaschine entspricht der Speisedruck dem Arbeitsdruck bzw. dem Antriebs-Hochdruck. Die Berechnung des Hydrostatiklagers erfolgt äusserst zuverlässig nach dem Hagen-Poiseuille'schen Gesetz unter der Annahme eines laminaren Durchflusses. Da beide hydraulischen Widerstände, nämlich der der Vordrossel als auch der der Taschenabflussstege bzw. Austrittsspalte, in gleicher Weise linear viskositätsabhängig sind, funktioniert die Lagerung bei jeder Betriebsviskosität und somit bei jeder Betriebstemperatur.
  • Die Verwendung des Druckpotentials hat den Vorteil, dass bei einer belastungsbedingten Auslenkung des Lagers aus seiner zentralen Lage in einander gegenüberliegenden Tragtaschen gegengleiche Druckanpassungen auftreten. Der Druck nimmt in der einen Tasche wegen des verkleinerten Lagerspaltes zu und entsprechend in der gegenüberliegenden Tasche wegen des vergrösserten Lagerspaltes ab. Solche Druckunterschiede in den Tragtaschen führen zu einer Rückstellung des Lagers in die zentrale Lage.
  • Damit bei der Speisung der Tragtaschen mit Arbeitsfluid der Kreiskolbenmaschine in beiden Drehrichtungen in ausreichender Weise Tragtaschen mit Druck beaufschlagt sind, werden vorzugsweise zwei Tragtaschensets vorgesehen, von denen in beiden Drehrichtungen eines mit den hochdruck- und eines mit den niederdruckführenden Räumen der Kreiskolbenmaschine verbunden ist. Erfindungsgemässe Ausführungsformen, bei denen das Steuerteil durch Arbeitsfluid hydrostatisch gelagert ist, sind mit kleinem baulichem Aufwand realisierbar. Insbesondere sind die baulichen Massnahmen auf das Steuerteil beschränkbar, so dass auch Kreiskolbenmaschinen gemäss dem Stande der Technik lediglich durch das Ersetzen des Steuerteils zu erfindungsgemässen Maschinen umgebaut werden können.
  • Da die meisten Scheibenventile aufgrund einer einfachen Innenlagerung radial aussen keine oder zumindest keine hochpräzise Lagerfläche haben, können sie mittels pulvermetalurgischen Verfahren ohne Bearbeitung der Zylinderfläche hergestellt werden. Die äussere Form mit den an die Gleitflächen anschliessenden Kanälen, den Anschlussbereichen der Verbindungen und den Tragtaschen wird durch sintern und anschliessendes Planschleifen der Seitenflächen erzielt. Die durch das Scheibenventil führenden Verbindungen müssen gebohrt werden und die Vordrosseln werden vorzugsweise als Kanäle mit kleinem Querschnitt ausgebildet und insbesondere durch Funkenerosion in die Gleitflächen eingearbeitet. Die Trommelventile müssen mit einem deutlich grösseren Bearbeitungsaufwand hergestellt werden und sind somit im Vergleich mit den Scheibenventilen bei der Herstellung günstiger Kreiskolbenmaschinen zu teuer.
  • Bei Kreiskolbenmaschinen mit kleinem Arbeits- bzw. Hochdruck, insbesondere bei mit Druckluft betriebenen Maschinen, kann es gegebenenfalls nötig sein, einen über dem Arbeitsdruck liegenden Lagerdruck zu verwenden. Dann muss eine getrennte Druckspeisung der Tragtaschen vorgesehen werden. Entsprechend muss insbesondere auch eine möglichst gute Trennung des Lagerfluids vom Arbeitsfluid erreicht werden. Der Aufwand für eine getrennte Führung des Lagerfluids ist sehr gross und lohnt sich somit nur für sehr spezielle Anwendungen.
  • Die Zeichnungen erläutern die Erfindung anhand möglicher Ausführungsformen, auf welche die Erfindung aber nicht eingeschränkt ist.
  • Fig. 1:
    Kreiskolbenmaschine mit einem Trommelventil;
    • a) Querschnitt A-A durch den Verdrängerteil,
    • b) Längsschnitt,
    • c) Längsschnitt durch das Trommelventil und
    • d) Ansicht des Trommelventils mit Tragtaschen
    Fig. 2:
    Längsschnitt durch eine Kreiskolbenmaschine mit Scheibenventil
    Fig. 3:
    Scheibenventil der Kreiskolbenmaschine gemäss Fig. 2
    • a) Ansicht der ersten Seitenfläche,
    • b) Längsschnitt in einer ersten Schnittebene,
    • c) Ansicht der zweiten Seitenfläche und
    • d) Längsschnitt in einer zweiten Schnittebene
    Fig. 4:
    Längsschnitt durch eine Kreiskolbenmaschine mit einem Hilfsgetriebe zwischen der Welle und dem Scheibenventil
    Fig. 5:
    Längsschnitt durch eine Kreiskolbenmaschine älterer Bauart mit einem Steuerteil, das einstückig mit der Welle ausgebildet ist
    Fig. 6:
    Längsschnitt durch eine Kreiskolbenmaschine älterer Bauart mit einer Kardanwelle zwischen dem Kreiskolben und dem Steuerteil
  • Fig. 1 b) zeigt eine Kreiskolbenmaschine 1 mit einer An- bzw. bzw. Abtriebswelle 2, die durch zwei Kegelrollenlager 4 in beiden Endbereichen der Maschine gelagert, um eine Wellenachse 3 drehbar ist. Auf der Austrittsseite der Welle 2 ist die Maschine 1 durch einen Dichtungsring 5 nach aussen leckfrei abgedichtet. Auf der Seite des in der Maschine 1 angeordneten Wellenendes 2a ist die Maschine mit einem Abschlussdeckel 6 dicht verschlossen. Zur Druckentlastung der Dichtung 5 sind vorzugsweise Leckölleitungen vorgesehen. Eine Leckölleitung 7 ist etwa in einem an den Abschlussdeckel 6 anschliessenden ersten Gehäuseteil 8 eingezeichnet. Gegebenenfalls wird die Leckölleitung 7 auch über ein Rückschlagventil mit der Niederdruckseite der Arbeitsfluidführung verbunden. In einem an das erste Gehäuseteil 8 anschliessenden zweiten Gehäuseteil bzw. Verbindungsteil 9 sind in den Verdrängerteil 10 mündende Anschlussleitungen 13 vorgesehen. Zwischen dem Verdrängerteil 10 und dem Dichtungsring 5 ist ein drittes Gehäuseteil 11 und ein die Dichtungsvorrichtung 5 haltendes Abschlussteil 12 angeordnet.
  • Die Welle 2 ist im Bereich des Verdrängerteils 10 mit einer Aussenverzahnung 16 versehen, die mit der Innenverzahnung 14 des Kreiskolbens 15 kämmt. Der Kreiskolben 14 kreist exzentrisch um die Welle 2 und kämmt mit einer Aussenverzahnung 16 in einer Innenverzahnung 17 des Verdrängergehäuseteils 18.
  • Fig. 1 a) zeigt das Verdrängerteil 10 im Querschnitt und gibt somit einen guten Einblick in die beschriebene Verzahnung. Um im Motorbetrieb die Welle 9 im Uhrzeigersinn zu drehen, muss die linke Hälfte des zwischen dem Verdrängergehäuseteil 18 und dem Kreiskolben 15 gelegenen Arbeitsraumes mit Arbeitsfluid unter Hochdruck und die rechte Hälfte gleichzeitig mit Niederdruck verbunden sein. Die in den Verdrängerteil 10, bzw. in den Arbeitsraum führenden Anschlussleitungen 13 münden zwischen den Zähnen 17a der Innenverzahnung 17. In der dargestellten Ausführungsform mit den zwölf Zähnen 17a sind somit zwölf Anschlussleitungen 13 vorgesehen.
  • Um die mit dem Kreiskolben 15 mitdrehende hemisphärische Speisung zu gewährleisten ist gemäss Fig. 1 b), c) und d) ein um die Wellenachse 3 drehbares, im ersten Gehäuseteil 8 und im Verbindungsteil 9 gelagertes Steuerteil 19 vorgesehen. Das Steuerteil 19 ist als zylindrisches Trommelventil ausgebildet und umfasst an seiner zylindrischen Aussenfläche 20 zwei ringförmige Kanäle 21 und 22, die gegen aussen offen sind. An den einen Kanal 21 oder 22 schliesst die Hochdruck- und an den anderen die Niederdruckseite der beiden Arbeitsfluidanschlüsse 23 und 24 an. Im Steuerteil 19 erstrecken sich von den beiden ringförmigen Kanälen 21 und 22 alternierend Verbindungen 25 in einen gemeinsamen Anschlussbereich 26, von dem die Anschlussleitungen 13 durch das Verbindungsteil 9 zum Verdrängerteil 10 führen. In der dargestellten Ausführungsform schliessen an beide Kanäle 21 und 22 je elf Verbindungen 25 an. Durch die mit der Drehung des Steuerteils 19 wechselnden Kontakte zwischen den zweiundzwanzig alternierend mit Hoch- und Niederdruck verbundenen Verbindungen 25 und den zwölf Anschlussleitungen 13 entsteht die nötige hemisphärische Speisung des Verdrängerteils.
  • Versuche haben gezeigt, dass die Gestaltung der Abzweigungsbereiche der Kanäle 21 und 22 von denen die Verbindungen 25 ausgehen, einen grossen Einfluss auf den Durchflusswiderstand des Trommelventils haben. Von scharfen Kanten wird im Arbeitsmedium Turbulenz erzeugt, so dass ein deutlich höherer Durchflusswiderstand beobachtet wird, als bei angephasten Abzweigungen 25a, wie sie in Fig. 1 d) dargestellt sind. Die Anphasung wurde durch Bohrungen in diesen Anschlussbereichen erzielt.
  • Um das Steuerteil 19 synchron mit dem Kreiskolben zu drehen, umfasst dieses an seinem dem Verdrängerteil 10 zugewandten Ende eine Aussenverzahnung 27, die in der Innenverzahnung 14 des Kreiskolbens 15 kämmt. Indem die beiden Verzahnungen 27 und 14 die gleiche Zähnezahl haben, ist gewährleistet, dass sie mit der gleichen Drehzahl um ihre Drehachsen drehen.
  • An den beiden Endbereichen des Steuerteils 19 sind schmale zylinderförmige erste Gleitflächen 28 angebracht, die zur radialen Aussenlagerung des Steuerteils an zweiten Gleitflächen 29 der als Lagerteile an das Steuerteil anschliessenden Teile 8 und 9 benötigt werden. Um zwischen diesen ersten und zweiten Gleitflächen 28 und 29 eine hydrostatische Lagerung auszubilden, sind vorzugsweise in den Gleitflächen 28 des Steuerteils 19 je drei erste und drei zweite als Vertiefungen ausgebildete Tragtaschen 30 und 31 angeordnet. Um eine möglichst gleichmässige Lagerung zu erzielen, sind die Tragtaschen 30 und 31 bezüglich Drehungen um 120
    Figure imgb0001
    um die Wellenachse symmetrisch angeordnet. Zwischen der zweiten Gleitfläche 29 und den Tragtaschenberandungen in der ersten Gleitfläche 28 sind Austrittsspalte 32 ausgebildet.
  • Die drei ersten Tragtaschen 30 sind jeweils mit dem nächstgelegenen Kanal 21 oder 22 über eine Drosselleitung 35, bzw. eine Nut mit äusserst kleinem Querschnitt, verbunden. Dabei sind die Drosselleitungen 35 und die Austrittsspalte 32 bei zentrisch liegendem Steuerteil 19 so dimensioniert, dass sich in der Tragtasche 30 etwa halber Hochdruck aufbaut, wenn im Kanal 21 oder 22, zu dem die Drosselleitung 35 führt, Hochdruck herrscht.
  • Die Drosselleitungen bzw. Drosselkanäle haben eine Tiefe, die mindestens fünfmal, zweckmässigerweise maximal zehnmal, vorzugsweise aber im wesentlichen sechsmal so gross ist, wie die mittlere Lagerspaltbreite, bzw. wie der optimale Abstand zwischen den Gleitflächen. Die Breite der Drosselleitungen wird so berechnet, dass in der Tasche der gewünschte Druck, insbesondere etwa halber Hochdruck erzielt wird. Gemäss einem Ausführungsbeispiel beträgt der Lagerspalt 5µm, die Tiefe des Drosselkanals 30µm und die Breite 200µm.
  • Indem die Kanaltiefe deutlich grösser gewählt ist als die Lagerspaltbreite, wirkt sich eine Änderung des Lagerspaltes nur unwesentlich auf den Querschnitt der Drosselleitung aus. Bevorzugt wäre eine Lösung, bei der dieser Querschnitt konstant bleibt auch bei Veränderungen des Lagerspaltes. Solche Lösungen sind aber mit einem zu grossen Herstellungsaufwand verbunden.
  • Da der Hochdruck entsprechend der Drehrichtung entweder im Kanal 21 oder im Kanal 22 aufgebaut ist, müssen von beiden Kanälen 21, 22 aus Tragtaschen 30, 31 gespiesen werden, damit die hydrostatische Lagerung in beiden Drehrichtungen gewährleistet ist. Dazu sind die Tragtaschen 31 über Zuleitungen 34 und Vordrosseln 35 an Verbindungen 25 angeschlossen, welche Verbindungen 25 zum entfernteren Kanal 21, 22 führen (Fig. 1 c). Die Zuleitungen 34 führen im Steuerteil 19 jeweils unter dem nächstgelegenen Kanal 21, 22 durch und umfassen dazu eine axiale und zwei radiale Bohrungen. Die axiale, von der Steuerteil-Stirnfläche her angebrachte, Bohrung wird im Bereich der Stirnfläche mit einem Abschlussteil 36 verschlossen, so dass die u-förmige Zuleitung 34 nicht leckt.
  • Die aneinander anschliessend angeordneten Tragtaschen 30 und 31 sind abwechslungsweise mit dem Kanal 21 und mit dem Kanal 22 verbunden. Da in beiden Drehrichtungen immer einer der beiden Kanäle Arbeitsfluid unter Hochdruck führt, ist in beiden Steuerteil-Endbereichen immer ein Tragtaschenset mit drei Tragtaschen 30 oder 31 mit Arbeitsfluid unter Druck beaufschlagt. Das durch die Lagerspalte austretende Arbeits- und Lagerfluid wird durch Leckölleitungen 7 aus der Maschine abgeleitet.
  • Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform mit einem scheibenförmigen Steuerteil 19'. Dieses Scheibenventil 19' umfasst einen an der Zylinderfläche angebrachten, sich bis zu einer ersten Seitenfläche 37 erstreckenden ringförmigen Kanal 21 und einen an die erste Seitenfläche anschliessenden ringförmigen Kanal 22. Von den Kanälen 21 und 22 gehen abwechselnd Verbindungsbohrungen 25 zu einer zweiten Seitenfläche 38, bzw. zum kreisförmigen Anschlussbereich 26, wo sie mit Anschlussleitungen 13 in Verbindung gelangen können. Das Scheibenventil 19' wird von einer Mitnehmerhülse 39 mit der Drehzahl des Kreiskolbens gedreht. Dazu hat die Mitnehmerhülse 39 eine mit der Innenverzahnung des im Verdrängerteil 10 angeordneten Kreiskolbens kämmende Aussenverzahnung 27' und ein mit dem Scheibenventil 19' in Eingriff stehendes Eingriffsende 40.
  • Das Scheibenventil 19' ist zwischen den an den Seitenflächen 37 und 38 anschliessenden Lagerteilen 8 und 9 hydrostatisch gelagert. Dazu sind in der ersten Seitenfläche 37 Tragtaschen 130 und 131 und in der zweiten Seitenfläche 38 Tragtaschen 230 und 231 ausgebildet. Die Tragtaschen 130 und 230 bzw. 131 und 231 sind über Verbindungen mit als Vordrosseln ausgebildeten, in den Seitenflächen 37, 38 liegenden Nuten 35 mit dem Kanal 22 bzw. 21 verbunden.
  • Gemäss Fig. 3 c) sind in der zweiten Seitenfläche 38 entlang eines zentrischen Kreises je drei Tragtaschen 230 und 231 bezüglich einer Drehung um 120
    Figure imgb0001
    symmetrisch angeordnet. Die Vordrosseln 35 verbinden die Tragtaschen 230, bzw. 231 direkt mit den Verbindungsbohrungen 25, die am Kanal 22 bzw. 21 angeschlossen sind. Von drei mit dem Kanal 21 verbundenen Verbindungsbohrungen 25 führen Vordrosseln 35' zu Zuleitungsbohrungen 34', die gemäss Fig. 1 d) von der zweiten Seitenfläche 38 durch das Scheibenventil 19' zu Tragtaschen 131 der ersten Seitenfläche 37 ausgebildet sind.
  • Gemäss Fig. 3 a) sind die Tragtaschen 130, 131 der ersten Seitenfläche 37 bezüglich der Drehachse 3 gleich angeordnet wie die Tragtaschen 230, 231 der zweiten Seitenfläche 38. In den Tragtaschen 131 sind die Zuleitungsbohrungen 34' erkennbar.
  • Die Speisung der Tragtaschen 130 erfolgt aus dem sie umgebenden Kanal 22. Dabei gelangt auch ein Teil des Leckstromes aus dem Kanal 22 in die Tragtaschen 130, was bei einer Vergrösserung des Austrittsspaltes der Tragtaschen 130 den für die Rückstellung nötigen Druckabbau verhindert, bzw. abschwächt. Um die Leckstromwirkung auf die Tragtaschen 130 zu vermindern, wird vorzugsweise der radiale Abstand zwischen dem Kanal 22 und den Taschen 130 sogross wie möglich ausgebildet. Gegebenenfalls wird eine mit dem Niederdruck verbundene Trennut zwischen dem Kanal 22 und den Taschen 130 vorgesehen. Dabei muss auf die Drosseln 35 zwischen dem Kanal 22 und den Taschen 130 verzichtet werden. Die Speisung muss entsprechend der Speisung der Taschen 131 von der zweiten Seitenfläche 38 her erfolgen.
  • Wenn nun bei der Ausführung gemäss Fig. 2 und 3 die beiden Seitenflächen 37, 38 hydrostatisch gelagert mit einem äusserst kleinen Trennspalt an die das Scheibenventil 19' umgebenden Teile 8 und 9 anschliessen, so können auch von der zylindrischen Aussenfläche bzw. vom Kanal 21 keine nennenswerten Leckverluste ausgehen. Das heisst, dass eine radiale hydrostatische Lagerung nicht nötig ist.
  • Damit der hydrostatischen Lagerung keine oder nur kleine Kräfte überlagert werden, die vom druckbeaufschlagten Kanal 21 oder 22 und den Anschlussöffnungen der Verbindungen 25 ausgehen, werden die druckbeaufschlagten Gesamtflächen auf beiden Seitenflächen des Scheibenventils im wesentlichen gleich gross ausgebildet. Eine resultierende Restkraft muss zumindest kleiner sein als die von der hydrostatischen Lagerung ausgehenden Rückstellkräfte.
  • Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Lager 4 der Welle 2 direkt beidseits des Verdrängerteils 10 angeordnet sind. Dazu ist nebst dem dritten Gehäuseteil 11, in dem das eine Lager 4 angeordnet ist, ein weiteres, das andere Lager 4 aufnehmendes Gehäuseteil 11a vorgesehen. Durch dieses weitere Gehäuseteil 11a und das Lager 4 ist eine direkte Übertragung der Kreiskolbendrehung auf das Steuerteil 19' nicht mehr möglich. Das Steuerteil 19' wird über ein Hilfsgetriebe 41 durch die Drehung der Welle 2 gedreht. Da die Welle 2 aber nicht mit der Drehzahl des Kreiskolbens 15 dreht, muss das Hilfsgetriebe 41 eine Übersetzung erzeugen, die die Übersetzung bei der Drehübertragung vom Kreiskolben 15 auf die Welle 2 kompensiert und somit das Steuerteil 19' drehzahlgleich mit dem Kreiskolben 15 antreibt.
  • Das Hilfsgetriebe 41 ist vorzugsweise als Kreiskolbengetriebe ausgebildet und im wesentlichen gleich aufgebaut wie das Getriebe des Verdrängerteils 10. Dabei kämmt eine Aussenverzahnung der Welle 2 in einer Innenverzahnung eines Getriebekolbens 15' und eine Aussenverzahnung des Kolbens 15' in einer Innenverzahnung des Verbindungsteils 9. Bei der Verwendung der gleichen Zahnzahlen wie im Verdrängerteil 10 dreht der Getriebekolben 15' mit der gleichen Drehzahl wie der Kreiskolben 15 des Verdrängerteils 11. Die Drehung des Getriebekolbens 15' wird von einer Übertragungshülse 42 mit einem in die Innenverzahnung des Getriebekolbens 15' greifenden Aussenverzahnung der Übertragungshülse 42 drehzahlgleich übernommen. Das Scheibenventil 19' sitzt fest auf der Übertragungshülse 42 und dreht somit mit der gleichen Drehzahl wie die beiden Kolben 15 und 15'.
  • Die Ausführungsform gemäss Fig. 4 hat mehrere Vorteile. Sie ermöglicht eine Lagerung der Welle 2 direkt beidseits des Verdrängerteils 10. Ferner kann die Wellenverzahnung 13 gleich oder sogar breiter ausgeführt werden als die Rotorverzahnung 14, so dass eine Steigerung der Zahnfestigkeit der Welle 2 erreicht wird. Der Verdrängerteil 10 und das Steuerteil 19' sind räumlich getrennt angeordnet und können gegebenenfalls unabhängig voneinander eröffnet bzw. demontiert werden. Durch die optimale Lageranordnung für die Welle 2 dreht das dem Steuerteil 19' zugeordnete Wellenende im wesentlichen rund, so dass zur radialen Lagerung der Übertragungshülse 42 und somit des Scheibenventils 19' ein um die Welle 2 angeordnetes Nadellager 43 verwendet werden kann. Die axiale Lagerung des Steuerteils 19' ist hydrostatisch. Dazu ist das Steuerteil 19' gemäss Fig. 3 ausgebildet. Aufgrund der axialen hydrostatischen und der radialen Nadel-Lagerung dreht das Steuerteil 19' mit äusserst kleinem Reibungsverlust.
  • Die erfindungsgemässe hydrostatische Lagerung des Steuerteils ist gemäss Fig. 5 auch anwendbar, wenn ein Steuerteil 119 fest mit der mit dem Kreiskolben synchron drehenden An- bzw. Abtriebswelle verbunden, insbesondere einstückig mit dieser ausgebildet ist. Die hydrostatische Lagerung umfasst Tragtaschen 30 und 31 die zumindest in den beiden zylindrischen Endbereichen des Steuerteils 119 angeordnet sind. Aufgrund der Verbindung zwischen Welle 2 und Steuerteil 119 wirkt die hydrostatische Lagerung als Wellenlagerung. Bei der dargestellten Ausführungsform ist zur Drehübertragung zwischen dem Verdrängerteil 10 bzw. dem Kreiskolben 115 und der Welle 2 eine Kardanwelle 44 angeordnet, die über Verzahnungen an beiden Enden drehfest mit den daran anschliessenden Teilen verbunden ist. Das Steuerteil 119 ist im wesentlichen gleich aufgebaut wie das Steuerteil gemäss Fig. 1 d), wobei aber die Verzahnung 27 nicht benötigt wird, weil das Steuerteil 119 einstückig mit der Welle 2 ausgebildet ist. Die hydrostatische Lagerung erhöht den Wirkungsgrad der Maschine gegenüber Ausführungen ohne hydrostatische Lagerung wesentlich.
  • Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform bei der die Welle 2 über eine erste Kardanwelle 44 und das Steuerteil 219 über eine zweite Kardanwelle 45 vom Verdrängerteil 10 bzw. vom Kreiskolben 215 drehzahlgleich angetrieben werden. Das Steuerteil ist gemäss Fig. 3 aufgebaut und somit hydrostatisch gelagert.
  • Die beschriebenen Ausführungsformen zeigen, dass die hydrostatische Lagerung des Steuerteils in allen Kreiskolbenmaschinen mit drehendem Steuerteil möglich und vorteilhaft ist. Es versteht sich von selbst, dass alle Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen beliebig kombiniert werden können.

Claims (15)

  1. Kreiskolbenmaschine mit einem als An- bzw. Abtriebsteil wirkenden Verdrängerteil (10) und einem zur Ver- und Entsorgung des Verdrängerteils (10) mit Arbeitsfluid dienenden Steuerteil (19,19',119,219), das sich relativ zu mindestens einem daran anschliessenden Lagerteil (8,9,11a) um eine Steuerteil-Drehachse dreht, wobei das Verdrängerteil (10) ein feststehendes Aussenteil (18) mit einer Innenverzahnung (17) aufweist, die mit einer Aussenverzahnung (16) eines drehbaren, exzentrisch angeordneten Kreiskolbens (15) zusammenwirkt und Übertragungsmittel (13,14,44) vorgesehen sind, welche die Drehgeschwindigkeit des Kreiskolbens (15) um seine eigene Achse drehmomentwirksam auf eine An- bzw. Abtriebswelle (2) übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Steuerteil (19,19',119,219) und mindestens einem, zumindest in einem Teilbereich gleitend daran anschliessenden, feststehenden Lagerteil (8,9,11a) eine hydrostatische Lagerung vorgesehen ist.
  2. Kreiskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrostatische Lagerung zur Steuerteil-Drehachse radial und/oder axial, bzw. zwischen Zylindermantelflächen (28,29) und/oder Normalebenen (37,38) zur Drehachse, vorzugsweise mit Mitteln zur Erzielung einer hohen Ölfilm-Steifigkeit, Oeldruck ändert sich in Abhängigkeit vom Lagerzustand, angeordnet ist.
  3. Kreiskolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrostatische Lagerung zur Aufnahme des Lagerfluids mindestens eine Tragtasche (30,31,130,131,230,231) im Steuerteil (19,19',119,219) und/oder im mindestens einen Lagerteil (8,9,11a) umfasst, die von einem Austrittsspalt zwischen Steuerteil (19,19',119,219) und Lagerteil (8,9,11a) umgeben ist und über eine Zuleitung (34,35) mit unter Druck stehendem Lagerfluid speisbar ist, wobei die Zuleitung (34,35) vorzugsweise eine Vordrossel (35) umfasst, über welche die Tragtasche (30,31,130,131,230,231) mit Räumen oder Kanälen (21,22,25) der Kreiskolbenmaschine (1) in Verbindung steht, in denen sich zumindest in einer Betriebsweise der Kreiskolbenmaschine (1) unter Arbeitsdruck stehendes Arbeitsfluid der Maschine (1) befindet.
  4. Kreiskolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Tragtaschenset, das wenigstens ein Tragtaschenpaar, vorzugsweise aber drei Tragtaschen (30,31,130,131,230,231) umfasst, vorgesehen ist, dessen Tragtaschen (30,31,130,131,230,231) je nach Drehrichtung der Maschine (1) mit den hochdruckführenden oder den niederdruckführenden Räumen oder Kanälen (21,22,25) in Verbindung stehen, wobei vorzugsweise zwei Tragtaschensets vorgesehen sind, von denen im Betriebszustand beide Drehrichtungen eines mit hochdruck- und eines mit niederdruckführenden Räumen oder Kanälen (21,22,25) verbunden ist.
  5. Kreiskolbenmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vordrossel (35) und der Austrittsspalt jeder Tragtasche (30,31,130,131,230,231) bei im ganzen Lagerbereich konstanter Lagerspaltdicke so dimensioniert sind, dass bei der Verbindung mit Hochdruck in der betreffenden Tasche (30,31,130,131, 230,231) ein Druck im Bereich vom 1/4 bis 3/4, vorzugsweise aber von 1/3 bis 2/3, insbesondere von im wesentlichen 1/2 des Hochdruckes herrscht, wobei bei einer belastungsabhängigen Verkleinerung, bzw. Vergrösserung eines Austrittsspaltes von dieser Tragtasche (30,31, 130,131,230, 231) zum Niederdruck der Druck in der Tragtasche (30,31,130,131,230,231) ansteigt, bzw. abfällt und somit eine optimale Ölfilm-Steifigkeit der hydrostatischen Lagerung durch ein Druckpotential zwischen den sich einander gegenüberliegenden Tragtaschen (30,31, 130,131,230,231) entsteht.
  6. Kreiskolbenmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Tragtaschenset zur Steuerteil-Drehachse im wesentlichen symmetrisch, vorzugsweise mit in Umfangsrichtung und/oder gegebenenfalls radial und/oder gegebenenfalls axial ausgedehnten Tragtaschen (30,31,130,131,230,231), angeordnet ist, so dass eine isotrop wirkende Steifigkeit der hydrostatischen Lagerung erzielt ist.
  7. Kreiskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der folgenden Merkmale vorgesehen ist
    a) bei einer radialen hydrostatischen Lagerung liegt der Abflussspalt aus den Tragtaschen (30,31,130,131,230, 231) im Bereich von 0.1 bis 0.5, vorzugsweise von 0.25 bis 0.35 Promille des Durchmessers des hydrostatischen Lagers ;
    b) im Falle einer axialen hydrostatischen Lagerung liegt die Spaltweite des Abflussspaltes aus den Tragtaschen (30,31,130,131, 230,231) im Bereich von 0.2 bis 1.2, vorzugsweise von 0.4 bis 1.0, insbesondere von 0.6 bis 0.8 Promille der axialen Dicke des Steuerteils (19,19',119,219).
  8. Kreiskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vordrosseln (35) als Nuten und/oder die Tragtaschen (30,31,130,131,230,231) als Vertiefungen in die Gleitoberflächen des Steuerteils (19,19',119,219) eingearbeitet sind.
  9. Kreiskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Aussenteil (18) des Verdrängerteils (10) als festes Gehäuseteil ausgebildet ist und der Kreiskolben (15) eine zweite Innenverzahnung (14) aufweist, die mit einer zweiten Aussenverzahnung (13) an einer zentrischen, vorzugsweise zweifach gelagerten Welle (2) kämmt, wenn letztere den Steuerteil (19,19', 119,219) zumindest teilweise durchsetzt, wobei zwischen der ersten Innen-Aussenverzahnung eine Zähnezahldifferenz von 1 und zwischen der zweiten Innen-Aussenverzahnung eine Zähnezahldifferenz von mindestens 2 besteht.
  10. Kreiskolbenmaschine nach einem der vorgerhendenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerteil (19,19',119,219) mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1 mit dem Kreiskolben (15) gekoppelt ist, indem etwa eine Aussenverzahnung des Steuerteils (19,19',119,219) in eine Innenverzahnung des Kreiskolbens (15) eingreift oder aber indem zwischen der Welle und dem Steuerteil ein vom Kreiskolben getrenntes Hilfsgetriebe (41) vorgesehen ist.
  11. Kreiskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerteil (19,19', 119,219) fest mit der, mit dem Kreiskolben (115) synchron drehenden An- bzw. Abtriebswelle (2) verbunden, insbesondere einstückig mit dieser ausgebildet, ist und die hydrostatische Lagerung somit zur Lagerung dieser Welle (2) dient.
  12. Kreiskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerteil (19,19', 119,219) über eine Kardanwelle (45) mit dem Kreiskolben (215) synchron drehbar verbunden ist.
  13. Geleitlager an einem Steuerteil einer Kreiskolbenmaschine, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlager mindestens einen hydrostatischen Lagerbereich umfasst.
  14. Steuerteil mit einem Gleitlager mit einer Steuerteil-Gleitfläche nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Tragtaschenset, mit mindestens einer in der angeordneten Tragtasche (30,31,130,131, 230,231), vorzugsweise aber mit drei Tragtaschen (30,31,130,131,230,231), vorgesehen ist, dessen Tragtaschen (30,31,130,131,230,231) je nach Drehrichtung der Maschine (1) mit hochdruckführenden oder niederdruckführenden Räumen oder Kanälen des Steuerteils (21,22,25) in Verbindung stehen, wobei vorzugsweise zwei Tragtaschensets vorgesehen sind, von denen im Zustand beider Drehrichtungen wenigstens je eines mit hochdruck- und wenigstens je eines mit niederdruckführenden Räumen (21,22,25) verbunden ist.
  15. Steuerteil, insbesondere nach Anspruch 13 oder 14, für eine Kreiskolbenmaschine zum Ver- und Entsorgung des Verdrängerteils (10) der Maschine mit Arbeitsfluid, wobei das Steuerteil (19)' als Trommelventil ausgebildet ist und zwei ringförmige Kanäle (21,22) umfasst von denen in Abzweigungsbereichen (25a) Verbindungen (25) quer zu den Kanälen in einen Anschlussbereich (26) führen, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigungsbereiche (25a), insbesondere durch Bohrungen, angephast sind.
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