EP0915257B1 - Hydraulische Verdrängermaschine - Google Patents

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EP0915257B1
EP0915257B1 EP98120444A EP98120444A EP0915257B1 EP 0915257 B1 EP0915257 B1 EP 0915257B1 EP 98120444 A EP98120444 A EP 98120444A EP 98120444 A EP98120444 A EP 98120444A EP 0915257 B1 EP0915257 B1 EP 0915257B1
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EP
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rotary piston
capacitor plate
plate segments
electrorheological
housing
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EP98120444A
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EP0915257A2 (de
EP0915257A3 (de
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Andreas Pohl
Horst Dr. Rosenfeldt
Eckhardt Dr. Wendt
Klaus Büsing
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Carl Schenck AG
Bayer AG
Original Assignee
Carl Schenck AG
Bayer AG
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C15/00—Component parts, details or accessories of machines, pumps or pumping installations, not provided for in groups F04C2/00 - F04C14/00
    • F04C15/0057—Driving elements, brakes, couplings, transmission specially adapted for machines or pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2/00—Rotary-piston machines or pumps
    • F04C2/02—Rotary-piston machines or pumps of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents
    • F04C2/063—Rotary-piston machines or pumps of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents with coaxially-mounted members having continuously-changing circumferential spacing between them
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2210/00—Fluid
    • F04C2210/10—Fluid working
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2210/00—Fluid
    • F04C2210/40—Properties
    • F04C2210/42—Properties magnetic or ferromagnetic; Ferrofluids

Definitions

  • the invention relates to a hydraulic displacement machine a rotor mounted in a housing that has at least one in an electrorheological / magnetorheological fluid filled chamber of the housing projecting rotary piston, wherein the rotary lobe has at least one rotary lobe wing has, distributed over the circumference of the two end walls individually electrically controllable capacitor plate segments and / or individually electrically controllable coil arrangements, whereby through their field application and influencing the intervening electrorheological / magnetorheological Liquid formed separating sections on the one hand and through the at least one rotary lobe wing on the other hand Suction and pressure side is formed.
  • a liquid pump working on the displacement principle or liquid motor is known from DE 40 03 298.
  • This hydraulic displacement machine has a rotor, which in is housed in a housing.
  • a wing connected to the rotor circulates in a chamber of the housing.
  • On the end faces the chamber are arranged capacitor plate segments that are individually electrically controllable.
  • the chamber is electro-viscous Liquid filled.
  • Electrorheological fluids or magnetorheological Liquids are liquids in which the rheological Properties continuously via the electrical or magnetic Field are controllable. As a rule, it is electrorheological Liquids or magnetorheological liquids for suspensions, d. H. suspended in a carrier medium Solid particles that pass through the electric or magnetic field are polarizable.
  • electroviscous liquids or magnetorheological fluids it is possible become to execute actuators without moving parts or the Significantly reduce the number of moving parts.
  • Farther use in hydraulic valves, hydraulic cylinders, Vibrators, viscosity couplings, shock absorbers or Engine mounts (review article "Applications of the electrorheological Effect in engineering practice ", fluid mechanics Soviet Research, Vol. 8, No. 4, July-August 1979).
  • Electrodes of electrorheological fluid actuators have electrode arrangements between which the electrorheological Liquid and to which the electrical Control voltage is applied.
  • the interaction between the electrode arrangement and the electrorheological fluid can vary depending on the type of fluid deformation three basic modes are distinguished, the shear mode (Electrodes shift in parallel relative to each other Levels), the flow mode (electrodes are firmly arranged, the Liquid flows between the electrodes) and the Squeeze mode (electrodes change their distance from each other). These modes can also occur in combination.
  • the object of the present invention is a hydraulic To further develop displacement machines of the type mentioned at the outset, that with the same structural dimensions of the displacement machine higher pressures, larger flows and one higher power density can be realized.
  • This object is achieved in that at least a pair of opposing capacitor plate segments and / or coil arrangements can be moved towards one another are trained.
  • the Capacitor plate segments and / or coil arrangements such controlled that the electrorheological fluid in this area solidified and the shift in electrorheological Fluid through the rotary lobe vanes in flow mode is cordoned off.
  • the solid particles align themselves during this solidification to chains.
  • the solidified areas behave like elastic solids.
  • the capacitor plate segments are towards each other designed to be movable.
  • the volume in the pressure medium chamber is reduced, the electrorheological fluid is now also switched to squeeze mode. Between the solid particles aligned in chains now work through the displacement of the capacitor plate segments electrostatic Opposing forces.
  • one can solidified electrorheological fluid plugs as Blocking in flow mode and squeeze mode is ten times higher Pressure build up before due to the liquid plug the pressure is pushed on.
  • a further embodiment of the inventive concept provides that the rotary lobe has six rotary lobe vanes, between the rotary lobe vanes and the circular housing chamber six pressure medium spaces are formed, each with one Suction and a pressure line are connected and where a pair of opposing capacitor plate segments for each pressure medium space assigned.
  • the Pairs of capacitor plate segments controlled differently on the other hand, the individual suction and pressure lines the pressure medium rooms are connected in series or in parallel. Different flows or pressures (depending on Circuit of the pressure medium lines) can be realized. Consequently For example, the maximum Flow can be achieved (parallel connection), or also a high pressure with minimal flow (series connection).
  • the displacer 1 shown in Fig. 1 is as follows explained during pump operation.
  • a rotor 3 is rotatably mounted about the axis A.
  • the rotor 3 has an essentially disk-shaped rotary piston 4 connected, the radial evenly distributed over the circumference Has projections, which act as a rotary piston wing 5.
  • the Rotary piston 4 runs when the rotor 3 rotates, which preferably is driven by a motor, not shown, in a annular chamber 6 formed in the cylindrical housing 2.
  • Displacement machine 1 shown six rotary lobe vanes 5 on. Between the cylindrical housing 2 and rotary piston 4 six pressure medium spaces 7 are thus formed.
  • the annular chamber is on its opposite end walls 8 each with six stripe-shaped radially extending Capacitor plate segments 9 provided.
  • the illustrated embodiment carries each end wall 8 capacitor plate segments which are electrically insulated from one another and from the housing 9, the electrical lines 10 are connected to an electrical control device. This is only shown schematically.
  • the capacitor plate segments 9 can be moved towards one another arranged so that a reduction in the volume of the pressure medium spaces 7 and thus increase in pressure can be achieved can.
  • the movement of the capacitor plate segments 9 is about schematically illustrated actuators 20 initiated.
  • the movement is indicated by the arrows B.
  • the actuators 20 can, for example piezoelectric, magnetic, hydraulic or magnetostrictive be controllable.
  • An oscillatory movement is initiated via the actuators.
  • the control is not shown in the drawings.
  • a suction line 11 leads from a liquid reservoir through the housing 2 to an annular groove 12 from which a channel 13 in the rotor to a mouth 14 at the back of each Rotary lobe wing leads. From the front (in the direction of rotation seen) each rotary lobe wing introduces Channel 15 through the rotor to an annular groove 16, one of which Liquid discharge through the housing 2 to a consumer leads.
  • the pressure medium lines are connected in series, creating a maximum pressure at a low flow can be realized.
  • the actuators conduct an oscillatory movement the capacitor plate segments 9, whereby the electrorheological Liquid also transferred to squeeze mode becomes.
  • pairs of capacitor plate segments can now be used 9 can be switched on or off.
  • the rotary lobes 5 have in their end walls 8 of the Annular chamber 6 facing surfaces 18 hydrostatic bearings 19th on whose storage pockets each have a hydraulic throttle are connected to the pressure side.
  • the hydrostatic bearings 19 ensure good hydraulic centering of the rotary lobe wing between the two side walls of the annular chamber 6.
  • an electrorheological fluid can also be a magnetorheological fluid or mixture both liquids are used.

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Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Verdrängermaschine mit einem in einem Gehäuse gelagerten Rotor, der mindestens einen in einer mit elektrorheologischer/magnetorheologischer Flüssigkeit gefüllten Kammer des Gehäuses ragenden Drehkolben aufweist, wobei der Drehkolben mindestens einen Drehkolbenflügel aufweist, mit über den Umfang der beiden Stirnwände verteilten einzeln elektrisch ansteuerbaren Kondensatorplattensegmente und/oder einzeln elektrisch ansteuerbaren Spulenanordnungen, wobei durch deren Feldbeaufschlagung und der Beeinflussung der dazwischen befindlichen elektrorheologischen/magnetorheologischen Flüssigkeit gebildeten Trennabschnitte einerseits und durch den mindestens einen Drehkolbenflügel andererseits die Saug- und Druckseite gebildet wird.
Eine nach dem Verdrängerprinzip arbeitende Flüssigkeitspumpe oder Flüssigkeitsmotor ist aus der DE 40 03 298 bekannt. Diese hydraulische Verdrängermaschine weist einen Rotor auf, der in einem Gehäuse gelagert ist. Ein mit dem Rotor verbundener Flügel läuft in einer Kammer des Gehäuses um. An den Stirnflächen der Kammer sind Kondensatorplattensegmente angeordnet, die einzeln elektrisch ansteuerbar sind. Die Kammer ist mit elektroviskoser Flüssigkeit gefüllt. Durch Anlegen elektrischer Spannung an die Kondensatorplattensegmente wird innerhalb der Kammer eine Absperrung gebildet, so daß zwischen dem Flügel und der Absperrung die Saug- und die Druckseite der Pumpe gebildet wird. Um die Pump- und Saugwirkung aufrechtzuerhalten, läuft die elektrische Erregung der Kondensatorplattensegmente entsprechend der Drehbewegung des Flügels um.
Elektrorheologische Flüssigkeiten bzw. magnetorheologische Flüssigkeiten sind Flüssigkeiten, bei denen die rheologischen Eigenschaften stufenlos über das elektrische bzw. magnetische Feld steuerbar sind. In der Regel handelt es sich bei elektrorheologischen Flüssigkeiten bzw. magnetorheologischen Flüssigkeiten um Suspensionen, d. h. in einem Trägermedium suspendierte Festpartikel, die über das elektrische bzw. magnetische Feld polarisierbar sind. Durch die Verwendung elektroviskoser Flüssigkeiten bzw. magnetorheologischer Flüssigkeiten ist es möglich geworden, Aktoren ohne bewegte Teile auszuführen bzw. die Anzahl der bewegten Teile erheblich zu verringern. Weiterhin bekannt ist der Einsatz bei Hydraulikventilen, Hydraulikzylindern, Vibratoren, Viskositätskupplungen, Stoßdämpfern oder Motorlagern (Übersichtsartikel "Applications of the electrorheological Effect in Engineering practice", Fluid Mechanics Soviet Research, Vol. 8, No. 4, July-August 1979).
Energiewandler von elektrorheologischen Flüssigkeitsaktoren besitzen Elektrodenanordnungen, zwischen denen sich die elektrorheologische Flüssigkeit befindet und an welche die elektrische Steuerspannung gelegt wird. Die Wechselwirkung zwischen der Elektrodenanordnung und der elektrorheologischen Flüssigkeit kann abhängig von der Art der Flüssigkeitsdeformation nach drei grundsätzlichen Moden unterschieden werden, dem Shearmode (Elektroden verschieben sich relativ zueinander in parallelen Ebenen), dem Flowmode (Elektroden sind fest angeordnet, die Flüssigkeit strömt zwischen den Elektroden hindurch) und dem Squeezemode (Elektroden verändern ihren Abstand zueinander). Diese Moden können auch in Kombination auftreten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine hydraulische Verdrängermaschine der eingangs genannten Gattung derart weiterzubilden, daß bei gleichen baulichen Abmessungen der Verdrängermaschine höhere Drücke, größere Durchflüsse und eine höhere Leistungsdichte realisiert werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens ein Paar einander gegenüberliegender Kondensatorplattensegmente und/oder Spulenanordnungen aufeinander zu bewegbar ausgebildet sind.
Bei dieser erfindungsgemäßen Ausbildung werden zunächst die Kondensatorplattensegmente und/oder Spulenanordnungen derart angesteuert, daß sich die elektrorheologische Flüssigkeit in diesem Bereich verfestigt und die Verschiebung der elektrorheologischen Flüssigkeit durch die Drehkolbenflügel im Flow-Mode abgesperrt wird. Bei dieser Verfestigung richten sich die Festpartikel zu Ketten aus. Die verfestigten Stellen verhalten sich wie elastische Festkörper. Zur Erhöhung des Druckes in der Druckmittelkammer sind die Kondensatorplattensegmente aufeinanderzu bewegbar ausgebildet. Das Volumen in der Druckmittelkammer wird verkleinert, die elektrorheologische Flüssigkeit wird nun zusätzlich in den Squeeze-Mode übergeführt. Zwischen den sich zu Ketten ausgerichteten Festpartikel wirken nun durch die Verschiebung der Kondensatorplattensegmente elektrostatische Gegenkräfte. Gegenüber dem Flow-Mode kann daher bei einem verfestigten elektrorheologischen Flüssigkeitspfropfen als Absperrung im flow-mode und Squeeze-Mode ein zehnfach höherer Druck aufgebaut werden, bevor der Flüssigkeitspfropfen aufgrund des Druckes weitergeschoben wird.
Eine weitere Ausgestaltung des Erfindungsgedankens sieht vor, daß der Drehkolben sechs Drehkolbenflügel aufweist, wobei zwischen den Drehkolbenflügeln und der kreisförmigen Gehäusekammer sechs Druckmittelräume gebildet werden, die jeweils mit einer Saug- und einer Druckleitung in Verbindung stehen und wobei jedem Druckmittelraum ein Paar gegenüberliegende Kondensatorplattensegmente zugeordnet sind. Hierdurch können zum einen die Paare von Kondensatorplattensegmente unterschiedlich angesteuert werden, zum anderen die einzelnen Saug- und Druckleitungen der Druckmittelräume in Reihe oder parallel geschaltet werden. Es können unterschiedliche Durchflüsse bzw. Drücke (je nach Schaltung der Druckmittelleitungen) realisiert werden. Somit kann beispielsweise bei einem niedrigen Druck der maximale Durchfluß erreicht werden(Parallelschaltung), oder auch ein hoher Druck bei einem minimalen Durchfluß (Reihenschaltung). Durch zu- und abschalten der Kondensatorplattensegmente kann der Durchfluß zu einer Impulsdurchflußregelung gesteuert werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand weiterer Unteransprüche. Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigt:
Fig. 1
Eine hydraulische Verdrängermaschine in einer Ausführung als Flügelpumpe in einem Schnitt längs der Linie I-I in Fig. 2,
Fig. 2
einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1.
Die in Fig. 1 dargestellte Verdrängermaschine 1 wird nachstehend bei Pumpenbetrieb erläutert. In einem zylindrischen Gehäuse 2 ist ein Rotor 3 um die Achse A drehbar gelagert. Der Rotor 3 ist mit einem im wesentlichen scheibenförmigen Drehkolben 4 verbunden, der gleichmäßig über den Umfang verteilt radiale Vorsprünge aufweist, die als Drehkolbenflügel 5 wirken. Der Drehkolben 4 läuft bei Rotation des Rotors 3, der vorzugsweise über einen nicht dargestellten Motor angetrieben wird, in einer im zylindrischen Gehäuse 2 ausgebildeten Ringkammer 6 um. Wie in der Fig. 2 ersichtlich, weist die bei dem Ausführungsbeispiel dargestellte Verdrängermaschine 1 sechs Drehkolbenflügel 5 auf. Zwischen dem zylindrischen Gehäuse 2 und Drehkolben 4 werden somit sechs Druckmittelräume 7 gebildet.
Die Ringkammer ist an ihren einander gegenüberliegenden Stirnwänden 8 jeweils mit sechs streifenförmigen radial sich erstreckenden Kondensatorplattensegmenten 9 versehen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel trägt jede Stirnwand 8 gegeneinander und gegen das Gehäuse elektrisch isolierte Kondensatorplattensegmente 9, die über elektrische Leitungen 10 mit einer elektrischen Steuereinrichtung verbunden sind. Dies ist nur schematisch dargestellt.
Die Kondensatorplattensegmente 9 sind aufeinander zu bewegbar angeordnet, so daß eine Verringerung des Volumens der Druckmittelräume 7 und somit Erhöhung des Druckes erreicht werden kann. Die Bewegung der Kondensatorplattensegmente 9 wird über schematisch dargestellte Aktoren 20 eingeleitet. Die Bewegung ist durch die Pfeile B angedeutet.Die Aktoren 20 können beispielsweise piezoelektrisch, magnetisch, hydraulisch oder magnetostriktiv ansteuerbar ausgeführt sein. Vorzugsweise wird über die Aktoren eine Schwingbewegung eingeleitet. Die Ansteuerung ist in den Zeichnungen nicht näher dargestellt.
Eine Saugleitung 11 führt von einem Flüssigkeitsvorratsbehälter durch das Gehäuse 2 zu einer Ringnut 12, aus der ein Kanal 13 im Rotor zu jeweils einer Mündung 14 an der Rückseite jedes Drehkolbenflügels führt. Von der Vorderseite (in Umdrehungsrichtung gesehen) jedes Drehkolbenflügels führt jeweils ein Kanal 15 durch den Rotor zu einer Ringnut 16, von der eine Flüssigkeitsableitung durch das Gehäuse 2 zu einem Verbraucher führt. Bei dem in den Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Druckmittelleitungen in Reihe geschaltet, wodurch ein maximaler Druck bei einem niedrigen Durchfluß realisiert werden kann.
In den Druckmittelräumen 7 befindet sich eine elektrorheologische Flüssigkeit. Wenn über die Steuereinrichtung die Paare voneinander gegenüberliegenden Kondensatorplattensegmenten 9 eine elektrische Spannung erhalten, erstarrt die elektrorheologische Flüssigkeit zwischen diesen gegenüberliegenden streifenförmigen Kondensatorplattensegmenten 9, so daß die Druckmittelräume 7 in diesem Umfangsbereich abgedichtet werden. Bei einer Drehung des Drehkolbens 4 und der daran ausgebildeten Drehkolbenflügel 5 in Richtung des Pfeils 17, werden bei einer elektrischen Ansteuerung der Kondensatorplattensegmente 9 jeweils die Druckmittelräume 7 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Drehkolbenflügel 5 in zwei voneinander abgedichtete Volumenveränderliche Arbeitskammern unterteilt. Die sich bewegenden Drehkolbenflügel 5 saugen somit an ihren Rückseiten Flüssigkeit aus der Saugleitung 11 an und verdichten an ihren Vorderseiten die Flüssigkeit, die durch die Kanäle 15, die Ringnut 16 und die Flüssigkeitsableitung zum Verbraucher gedrückt wird.
Gleichzeitig leiten die Aktoren eine Schwingungsbewegung auf die Kondensatorplattensegmente 9 ein, wodurch die elektrorheologische Flüssigkeit zusätzlich in den squeeze mode übergeführt wird.
Je nach benötigtem Druck können nun Paare von Kondensatorplattensegmente 9 zu bzw. abgeschaltet werden.
Die Drehkolbenflügel 5 weisen in ihren den Stirnwänden 8 der Ringkammer 6 zugekehrten Flächen 18 hydrostatische Lager 19 auf, deren Lagertaschen jeweils über eine hydraulische Drossel mit der Druckseite verbunden sind. Die hydrostatischen Lager 19 bewirken eine gute hydraulische Zentrierung der Drehkolbenflügelflügel zwischen den beiden Seitenwänden der Ringkammer 6.
Anstelle der Verwendung einer elektrorheologischen Flüssigkeit kann auch eine magnetorheologische Flüssigkeit oder ein Gemisch beider Flüssigkeiten eingesetzt werden.
Bei der Verwendung von magnetorheologischen Flüssigkeiten werden anstelle der Kondensatorplattensegmente 9 elektrisch ansteuerbare Spulenanordnungen vorgesehen.

Claims (2)

  1. Hydraulische Verdrängermaschine mit einem in einem Gehäuse (2) gelagerten Rotor (3), der mindestens einen in einer mit elektrorheologischer/magnetorheologischer. Flüssigkeit gefüllten Kammer des Gehäuses ragenden Dehkolben (4) aufweist, wobei der Drehkolben mindestens einen Drehkolbenflügel (5) aufweist, mit über den Umfang der beiden Stirnwände verteilten einzeln elektrisch ansteuerbaren Kondensatorplattensegmente (9) und/ oder einzeln elektrisch ansteuerbaren Spulenanordnungen, wobei durch deren Feldbeaufschlagung und der Beeinflussung der dazwischen befindlichen elektrorheologischen/magnetorheologischen Flüssigkeit gebildeten Trennabschnitte einerseits und durch den mindestens einen Drehkolbenflügel andererseits die Saug- und Druckseite gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Paar einander gegenüberliegende Kondensatorplattensegmente (9) und/oder Spulenanordnungen aufeinanderzu bewegbar ausgebildet sind.
  2. Hydraulische Verdrängermaschine gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehkolben (4) sechs Drehkolbenflügel (5) aufweist und zwischen den Drehkolbenflügeln (5) und der Ringkammer (6) im Gehäuse (2) sechs Druckmittelräume (7) gebildet werden, die jeweils mit einer Saug- und einer Druckleitung (11,12,13,14,15,16) in Verbindung stehen.
EP98120444A 1997-11-10 1998-10-29 Hydraulische Verdrängermaschine Expired - Lifetime EP0915257B1 (de)

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EP (1) EP0915257B1 (de)
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