SE449894B - Hydraulisk kolvmaskin med kamdrivning - Google Patents

Description

449 894 tvinga kolvarna att röra sig i enlighet med en kambana.

Tidigare har motorer utvecklats, vilka innefattar en på en axel monterad rotor, i vilken ett flertal radiella cy- lindrar är utformade. Kring en sådan motors rotor är en kam- bana anordnad i form av en ring med lober på insidan. Dessa lober är i beröring med delar av kolvar i cylindrarna, vilka delar skjuter fram från cylindrarna och är försedda med rul- lar.

Då olja tillföres cylindrarna, rör sig rotorn och den med lober försedda ringen relativt varandra såsom följd av de krafter, som utövas på den med lober försedda ringen av kol- varnas rullar, vilka samverkar med loberna. Följaktligen för- sättes rotorn i rotation, då den med lober försedda ringen hålles stationär. På liknande sätt försättes den med lober försedda ringen i rotation, då rotorn hålles stationär. Även om i teorin sådana tidigare kända motorer kan upp- fylla villkoret enligt ekvation (1), är detta icke fallet i praktiken, då detta skulle kräva, att loberna har en form med underskurna delar, vilket icke kan åstadkommas i praktiken. Även för en approximation till den teoretiskt erforderliga formen är lobformen ofördelaktig och ger dels upphov till mycket höga Hertz-belastningar, medan dels med en sådan approxi- merad form för loberna en sådan motors gångegenskaper lämnar mycket i övrigt att önska, till och med i sådan mån, att i ett sådant fall en konventionell kolv- och vevaxelmotor kan begag- nas med bättre resultat.

Vidare är den lobförsedda ringen, som är motorns största del vad gäller diametern och som kräver mycket noggrann maskin- bearbetning på insidan, dyrbar och relativt komplicerad.

Uppfinningen syftar till att undanröja ovan angivna nackdelar.

En motor av den ovan beskrivna typen enligt uppfinning- en innefattar en på axeln monterad rotor med periferiella kammar och omsluten av ett hus, som innehåller cylindrar, vil- ka är fördelade radiellt symmetriskt kring rotorn och vilka innehåller kolvar med delar, som är anordnade att samverka med rotorns periferiyta, som har sådan profil, att summan av deri- vatorna för kurvan S för alla kolvarnas arbetsslag under 449 894 ett varv är av lika storlek i varje ögonblick.

Uppfinningen förklaras närmare i det följande med hän- visning till bifogade ritningar.

Fig..1 visar schematiskt en tidigare känd motor med en lobförsedd ring, fig. 2 schematiskt en utföringsform av en motor enligt uppfinningen, fig. 3 exempel på ett slaginkrementmönster för ett an- tal motorer enligt uppfinningen, fig. 4 schematiskt en variant av motorn enligt fig. 2, fig. 5 är en schematisk tvärsnittsvy av ett exempel på en åtta-cylindrig motor enligt uppfinningen, fig. 6 visar ett snitt i planet VI-VI i fig. 5, fig. 7 en detalj hos motorn enligt uppfinningen, fig. 8 en variant av detaljen enligt fig. 7, fig. 9 ett antal möjliga rotorprofiler för en motor enligt uppfinningen, fig. 10 en föredragen profil för en rotor i en motor enligt uppfinningen och I ' fig. 11 visar schematiskt på vilket sätt en motor en- ligt uppfinningen kan regleras hydrauliskt.

Fig. 1 visar ett exempel på en tidigare känd motor med en lobförsedd ring. Motorn innefattar ett hus 1, som innehål- ler den lobförsedda ringen 2. Ringen 2 har inre lober eller kammar och omsluter en rotor med en axel 3, på vilken en rotor- kropp 4 är monterad, i vilken kropp ett flertal radiella cy- lindrar 5 är utformade. I cylindrarna 5 finnes kolvar 6, vil- ka är fjäderbelastade utåt. Kolvarna 6 är försedda med rullar 7, som samverkar med ringens 2 lobförsedda yta. Om olja under tryck tillföres under kolvarna, utövar ett antal rullar tryck på tillhörande lobers flanker, och på grund härav försättes rotorkroppen i rotation, om den lobförsedda ringen hâlles sta- tionär. Även om den visade motorn har ett stort antal kolvar, där varje kolv utför ett stort antal arbetsslag under varje varv av axeln, är det dock omöjligt för motorn att arbeta på ett helt likformigt sätt. Detta är en följd av att kontakt- punkten mellan rullarna och den lobförsedda ringen endast fin- nes i förlängningen av kolvens axel i kolvslagets övre död- 449 894 punkt och i dess nedre dödpunkt. Som följd härav kräves för satisfiering av ekvationen (1), att loberna har annan form, vilket såsom tidigare angivits icke kan åstadkommas i prak- tiken.

Föreliggande uppfinning erbjuder en fundamentalt an- norlunda konstruerad motor, där kolvarnas rörelser regler- as på sådant sätt, att den ideala rotationen blir möjlig, varvid de uppträdande Hertz-belastningarna är relativt låga.

Fig. 2 visar schematiskt principen för motorn enligt uppfinningen. Motorn innefattar en rotor, som består av en axel 21 med en kamskiva 20 med en radiellt symmetrisk uppsätt- ning cylindrar kring densamma, vilka cylindrar är placerade i ett icke visat hus. Såsom visas såsom exempel har kamskivan trekammar 2637, 28, medan fyra cylindrar 22-25 begagnas, vil- ka innehåller respektive kolvar 30-33. Kolvarna samverkar med kamskivan genom rullar och fasta vevstakar 34.

Av beräkningar, som kommer att behandlas utförligare nedan, framgår, att en motor enligt de angivna principerna kan arbeta sant likformigt. Den erforderliga kamprofilen kan åstadkommas i praktiken på ett relativt enkelt sätt.

För satisfiering av ekvationen (1) måste kolvarnas ar- betsslag vara inbördes anpassade på korrekt sätt. Det bör vi- dare lämpligen undvikas att motorn har dödpunkter, vilket kan leda till stopp- eller startsvårigheter. Denna risk är på in- tet sätt inbillad, särskilt inte för långsamt gående motorer.

Av detta framgår, att motorn bör ha åtminstone två kolvar, och att antalet kammar måste vara ett annat än antalet kolvar.

Motorn bör även kunna rotera i två riktningar. Härav följer, att var och en av kammarna bör vara symmetrisk och placerad på rotoraxeln på ett radiellt symmetriskt sätt.

Ekavationen (1) kan satisfieras på flera sätt. En förs- ta möjlighet är att välja bana för varje kolvs arbetsslag på sådant sätt, att följande ekvation gäller: S GX) = bd + C (2), där b och c är konstanter. Ett slagmönster, som satisfierar detta villkor (2) motsvarar ett rektangulärt slaginkrements- mönster, för vilket gäller, att dS/du = b (konstant).

Fig. 3 visar ett möjligt slaginkrementmönster för ett antal motorer.

I delen a i fig. 3 visas ett rektangulärt slaginkre- mentdiagram för en enslagsmotor med tvâ cylindrar. Med uttryck- et enslagsmotor avses här en motor, vars kolvar utför ett ar- betsslag under varje axelvarv. Detta innebär, att kamaxeln har en kamÅ I en n-slagmotor utför varje kolv n arbetsslag under varje axelvarv, och kamskivan har n kammar.

Fig. 3a visar, att en enslagig, tvåcylindrig motor i princip kan arbeta sant likformigt, då den karakteristiska kurva, som representerar slaginkrementen är rektangulär, vilket innebär att under arbetsslaget för varje kolv är dS/dn konstant. Om varje kolv väljes att ha ett arbetsslag av 1800 och ett utstötningsslag av 1800 och den ena kolvens arbets- slag börjar, då den andra kolvens arbetsslag slutar, gäller såsom framgår av figuren under ett helt varv följande ekva- tion: d S(1)/du + d S(2)/da = konstant.

Med en sådan motor är emellertid en rektangulär inkre- mentslagkurva möjlig endast om sant likformig gång eftersträ- vas. En nackdel, som påträffas i praktiken vid en enslagig, tvåcylindrisk motor är, att som följd av tillverkningstole- ranser de två cylindrarnas arbetsslag icke alltid i praktiken på korrekt sätt följer på varandra, vilket antingen kan med- föra extremt höga oljetryckstoppar eller att oljetrycket i båda cylindrarna helt bortfaller under en kort tidsperiod, vilket även stör motorns sant likformiga gång. Liknande prob- lem kan uppträda med flerslagsmotorer innefattande flera cy- lindrar med en rektangulär inkrementslagkurva.

En enslagig, tvåcylindrisk motor har vidare dödpunkter vid Oo och 1800, vilket utan extra mått och steg kan ge upphov till startsvârigheter. Dessa extra mått och steg visar sig innebära begagnandet av en anordning, som kan ge lika stort moment som motorn, vilket i praktiken är ekonomiskt oberättigat.

Slutligen kan en enslagig, tvåcylindrig motor endast ge ett begränsat vridmoment i jämförelse med flerslagsmotorer.

Liknande gäller för enslagiga multipelcylindermotorer, varvid med tre eller flera cylindrar de olika kolvarnas ar- 449 894 betsslag kan väljas så, att de delvis överlappar varandra, så att inga dödpunkter uppkommer. De rotationsfel, som upp- träder som följd av denna överlappning, kan korrigeras genom att bringa slaginkrementsmönstret att öka respektive minska komplementärt i arbetsslagens överlappande delar. Det totala slaginkrementmönstret för varje kolv är då exempelvis trapets- format eller sinus-trapetsformat, d.v.s. trapetsformen har lutande sidor, som är krökta i enlighet med en sinuskvadrat. Även i detta fall föreligger emellertid nackdelen med relativt lågt motordrivmoment.

Tvåslagiga motorer kan ge dubbelt så mycket kraft med samma antal cylindrar och samma borrning och slag som enslags- motor och kan även arbeta sant likformigt med ett lämpligt valt slaginkrementsmönster. Den tvåslagiga, fyrcylindriska motorn har emellertid dödpunkter, där alla kolvarna antingen befinner sig i den övre dödpunkten eller i den nedre död- punkten. Även här är enbart ett rektangulärt slaginkrement- mönster möjligt.

De treslagiga, fyrcylindriska motorerna har såsom schematiskt visas i fig. 2 inga dödpunkter och erbjuder dess- utom ett relativt stort antal möjligheter till val av formen för slaginkrementsmönstret med bibehållen rotationsriktighet.

I delen b i fig. 3 visas ett rektangulärt slaginkrementsmöns- ter för de fyra kolvarna i en treslagig, fyrcylindrisk motor liksom §dS/äfl, varav framgår,att E}dS/ad är konstant i en sådan motor under ett helt rotorvarv.

I stället för ett rektangulärt slaginkrementsmönster kan man även exempelvis välja ett triangulärt slaginkrement- mönster, där exempelvis dS/äd ökar linjärt för den första cylindern från 00 till 300 och från 1200 till 1500 samt från z4o° till 27o° och minskar linjärt från 3o° rill eo°, från 15o° till 1ao° och från 27o° till 3oo°. ne övriga kalvarna har ett liknande slaginkrementmönster, vart och ett förskjutet 300. Även här är' Eds/dm konstant under ett helt axelvarv.

Delen c i fig. 3 visar ett triangulärt slaginkrement~ mönster för en treslagig, fyrcylindrisk motor. Delen c i fig. 3 visar, att med ett triangulärt slaginkrementmönster kan även toppar uppträda i Eds/da som följd av tillverkningstoleranser. _.. .._....._......_..._.__. .- ...._..-...... ... - _ . _......_.__...__~......... 449 894 Följderna är emellertid mycket mindre betydelsefulla än med ett rektangulärt slaginkrementmönster på grund av att den av- vikelse, som uppträder_i den totala slagvolymen och därmed i axelns_rotation endast är en del av de avvikelser, som upp- träder i ett sådant fall med ett rektangulärt slaginkrement- mönster. I det senare fallet är avvikelser av plus eller minus 50% ar' 2dS/dä oundvikliga. De fördelaktiga egenskaperna hos ett triangulärt slaginkrementmönster i jämförelse med ett rektangulärt slaginkrementsmönster gäller i obetydligt mindre mån ett sinz-format slaginkrementmönster och ett trapetsoidiskt samt ett sinz-trapetsoidslaginkrementmönster.

Ytterligare en fördel med ett triangulärt slaginkrement- mönster är, att den maximala kolvaccelerationen har det lägsta möjliga värdet. De gynnsamma egenskaperna hos en treslagig, fyrcylindrisk motor återfinnes även i en treslagig, åttacylind- risk motor och allmänt i en treslagig, 4n-cylindrisk motor, vilket framgår av diagram liknande dem i fig. 3. Givetvis är n här ett heltal.

Delen d i fig. 3 visar ett sinz-format slaginkrement- mönster för de fyra cylindrarna hos en treslagig, fyrcylind- risk motor. Då 2«dS/du måste vara konstant, föreligger en sinz-form för slaginkrementdiagrammets stigande kant och en cosz-form för den sjunkande kanten eller tvärtom. V En treslagig, fyrcylindrisk motor visas i fig. 2. En treslagig, åttacylindrisk motor kan erhållas på enkelt sätt genom tillägg av en cylinder mellan varje cylinderpar hos den fy cylindriska motorn.

Pig. 4, som liknar fig. 2, visar schematiskt en tre- slagig motor enligt uppfinningen, där emellertid rullar 40 direkt är förbundna medelst en axel 41 med kolvkropparna. På detta sätt kan motorn byggas på ett mer kompakt sätt. I stäl- let för rullar kan kulor begagnas, vilka kan anbringas på lik- nande sätt.

' Enligt uppfinningen kan man med fördel även använda enbart kulor i stället för kolvar med rullar eller kulor, med eller utan fasta vevstakar. En sådan motor visas schematiskt i fig. 5 och 6. Slaginkrementmönstret bestämmas av rörelsen för rullarnas eller kulornas centra, och denna rörelse bestäm- 449 894 mes i sin tur av det sätt, på vilket rullarna eller kulorna rullar längs rotorn och beror därför delvis på rullarnas el- ler kulornas radie. Omvänt innebär detta, att rotorformen beror på rullarnas eller kulornas radie; Vid val av rotor- formen är det vidare nödvändigt att taga hänsyn till varia- tionen i krökningsradierna i samband med Hertz-belastningarna, som delvis bestämmer kontaktytornas livslängd. Det har befun- nits, att treslagiga motorer enligt uppfinningen möjliggör en i hög grad fördelaktig rotorform i detta avseende.

Fig. 5 är en schematisk tvärsnittsvy av en treslagig, âttacylindrisk motor enligt uppfinningen, där kulor begagnas såsom kolvar. Fig. 6 visar ett snitt i planet VI-VI i fig. 5.

Den visade motorn innefattar ett hus 50 med åtta cylind- rar 51. Cylindrarna 51 innehåller kulkolvar 52-55. En axel 56, på vilken en rotor 57 med tre kammar är utformad eller monte- rad, är anordnad i huset. Axeln och rotorn kan tillverkas av ett smitt ämne. Rotorn kan rotera såväl medurs som moturs. Om rotorn roterar medurs såsom anges av pilen 58, utför kulkol- varna 52 ett arbetsslag och kulkolvarna 53 ett utstötningsslag.

Kolven 54 befinner sig i den nedre dödpunkten, medan kolven 55 befinner sig i den övre dödpunkten.' I fig. 5 och 6 visas rotorn 57 med en plan kontaktyta i snitt. Detta visas i detalj och schematiskt i fig. 7, där rotorns plana kontaktyta har hänvisningsbeteckningen 71 och en kulkolv hänvisningsbeteckningen 70. I Det kan på inom kullagertekniken välkänt sätt beräknas, att den krökta tvärsnittsformen hos rotorns kontaktyta, vid 80 i fig. 8, leder till högre belastningsförmâga för kula och rotor, varigenom arbetstrycket i motorn kan vara högre. I prak- tiken kan exempelvis radien för rotorns konkava kontaktyta vara från 1,02 till 1,05 gånger kulans radie beroende på kulans diameter.

Förutom de redan nämnda faktorerna beror rotorns form på det önskade slaget och på kulkolvarnas diameter. Det är tydligt, att slaget icke kan vara mycket större än hälften av kulkolvarnas diameter.

Fig. 9 visar formen hos rotorns kant med ett förhållan- de mellan maximislaget och kulkolvens diameter av 0,4, varvid 15, 5» d449 894 rotorns inskrivna cirkel har en radie av 1,5 gånger kulkolvens diameter. Med streckad linje vid 90 visas formen för rotorns kant för ett rektangulärt slaginkrementsmönster. Vid 91 visas med punktstreckad linje rotorkantens form för ett sin-trapets- oidiskt slaginkrementmönster, medan den obrutna linjen 92 vi- sar rotorkantens form för ett triangulärt slaginkrementmönster. Även om ingen av dessa tre rotorformer skulle innebära några tillverkningsproblem och även om de alla skulle ge en i praktiken lämplig motor, har det dock befunnits, att med de valda förhållandena är den form, som är förbunden med det triangulära slaginkrementsmönstret, den mest gynnsamma.

Detta är delvis en följd av att såsom tidigare angivits med ett triangulärt slaginkrementmönster är resultaten av ar- betsslagen för olika kolvar, som icke följer varandra på exakt tidsbestämt sätt, mycket mindre kraftiga än med exempelvis ett rektangulärt slaginkrementsmönster. Om icke endast början eller slutet av ett slag är något förskjutet i förhållande till idealet, som följd av tillverkningstoleranser, utan hela slaget för en av kolvarna fullbordas något för tidigt eller för sent, medför detta en mindre avsevärd störning av rota- tionsriktigheten med ett triangulärt slaginkrementmönsterå än med ett sing-format eller trapetsoidiskt format slaginkre- mentmönster, då ett triangulärt slaginkrementmönster i allmän- het är mindre brant, så att i absolut mening avvikelserna i slaginkrementet är obetydligare. Vidare är dessa avvikelser konstanta under slaginkrementmönstret. I det senare fallet är rotorkanten mellan kammarna i huvudsak rak.

Om det maximala slaget väljes att vara något större, nämligen 0,417 gånger kulkolvens diameter, och radien för ro- torns inskrivna cirkel väljes att vara 1,25 gånger kulkolvdia- metern, får rotorprofilen en positiv krökning vid varje punkt, d.v.s. den är konvex. En åttacylindrisk motor med en sådan ro- tor visas schematiskt i fig. 10.

Man observerar, med bibehållande av goda gångegenskaper är ett stort antal rotorprofiler lämpliga i praktiken. Med hänvisning till det ovanstående kan de möjliga rotorprofilerna med ett givet val av antalet cylindrar, slaginkrementsmönster, maximislag, kulkolvdiameter och radien för den inskrivna cir- 449 894 10 keln konstrueras matematiskt eller beräknas med ett lämpligt datorprogram, och för enkelhetens skull beskrives och visas icke detta i detalj här. _ Motorn enligt uppfinningen har här beskrivits endast vad gäller detaljer av väsentlig betydelse för uppfinningsidën.

Vid en praktisk utföringsform kan exempelvis motorn enligt uppfinningen förses med löstagbara cylinderhuvuden, vilka fäs- tes vid huset medelst skruvar, vilket förenklar sammansätt- ning och underhåll. Vidare förses cylindrarna eller cylinder- huvudena med ledningar för tillförsel och avgivning av hyd- raulisk fluid, och reglerorgan, som drives av motoraxeln, an- ordnas för tillförsäkrande av att den hydrauliska fluiden till- föres cylindrarna eller avges från desamma i de korrekta ögon- blicken. ' Ett exempel på det sätt, på vilket tillförseln och av- givningen av den hydrauliska fluiden kan åstadkommas i en tre- slagig, fyrcylindrisk motor enligt uppfinningen visas sche- matiskt i fig. 11. Varje par av motställda cylindrar regleras medelst en enda fyrvägsventil 110, 111. Sliderna kan pâverkasd antingen direkt medelst en reglerkamskiva som är kopplad med eller monterad på rotoraxeln, eller medelst servoventiler 112, 113, som påverkas medelst en liknande reglerkamskiva såsom visas. Pumpen för den hydrauliska fluiden visas vid P. En an- nan möjlighet är att använda en välkänd fördelarplatta eller rotor.

En motor enligt uppfinningen kan konstrueras såsom en pump på liknande sätt som tidigare kända kolvmotorer.

Exempel En treslagig, åttacylindrisk motor enligt uppfinningen och innefattande kulkolvar med ett triangulärt slaginkrement- mönster, en kulkolvdiameter av 80 mm och ett slag av 32,5 mm kan med ett maximalt arbetstryck av 320 atmosfärer åstadkomma ett moment av 20 000 Nm. Med en kulkolvdiameter av 250 mm och ett slag av 100 mm är ett moment av 600 000 Nm möjligt med samma maximala arbetstryck.

Större moment liksom effekter kan erhållas med exempel- vis en treslagig, tolvcylindrisk motor eller genom montering 449 A894 11 av två eller flera cylinderblock i ett hus på en axel med två eller flera kamskivor intill varandra eller med en enda breddad kamskiva med ett flertal spår sida vid sida. Med en sådan treslagig motor med två uppsättningar av åtta cylindrar kan ett moment av 1 200 000 Nm erhålles. ' Det är även möjligt att placera ett flertal kamskivor på en axel intill varandra, varvid kamskivorna har olika stor- lekar och samverkar med kulkolvar hos därmed förbundna cylin- deruppsättningar, var och en med kulkolvdiametrar motsvarande tillhörande kamskivor. På detta sätt kan en växellådeeffekt åstadkommas genom att cylinderuppsättnningar föresi och nr funktion.

Motorns livslängd bestämmas bl.a. av antalet ändringar i trycket eller varv för rullarna eller kulkolvarna. Med en jämförlig effekt är detta antal mindre med en motor enligt uppfinningen än för en tidigare känd motor med en ring med lober, så att motorn enligt uppfinningen har längre livslängd.

Claims (9)

449 894 12 PATENTKRAV

1. Hydraulisk kolvmaskin som kan ge ett högt vridmoment till en utgångsaxel medan maskinen går med låg hastighet, vilken maskin innefattar 4n kolvar, där n är ett heltal, en rotor som är monterad på utgångsaxeln och som är försedd med tre symmetriskt anordnade periferiella kammar för styrning av kolvarnas rörelser, och ett hus som omger rotorn och som bildar radiella cylindrar vilka är jämnt fördelade runt rotorn och rymmer var sin kolv, k ä n n e t e c k n a d av att rotorns periferiella kammar har sådan form att: under varje rotorvarv är summan av de första-derivatorna av kurvorna av kolvarnas arbetsslag med avseende på rotorns vinkelförskjutning i huvudsak konstant; och för varje kolv har det slaginkrementmönster som bildas genom att uppteckna den motsvarande första~derivatan mot rotor- vinkeln triangulär form, varvid de triangulära slaginkrement- mönstren för samtliga kolvar är kongruenta och likbenta.

2. Hydraulisk kolvmaskin enligt krav 1, k ä n n e t e cïc- n a d av att rotorns periferiella yta är fri från konkavi- teter.

3. Hydraulisk kolvmaskin enligt krav 2, k ä n n e t e cl<- n a d av att rotorns periferiella yta är lconvext svängd över hela sin utsträckning.

4. Hydraulisk kolvmaskin enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a d av att varje kolv utgöres av en kula.

5. Hydraulisk kolvmaskin enligt krav 4, k ä n n e t e<:k - n a d av att rotorns periferiella yta har ett kulspår för kulkolvarna, varvid kulspåret i tvärsektion är konkavt. . 449 894 13

6. Hydraulisk kolvmaskin enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a d av att den innefattar ett flertal liknande, sida vid sida anordnade, ringformiga uppsättningar cylindrar, där cylinderuppsättningarnas kolvar samverkar med en vidgad periferiell yta hos en enda rotor.

7. Hydraulisk kolvmaskin enligt krav 6, när detta är beroende av krav 5, k ä n n e t e c k n a d av att den vidgade periferiella ytan innefattar enskilda konkava kulspår för varje cylinderuppsättning.

8. Hydraulisk kolvmaskin enligt något av kraven l-5, k ä n n e t eyc k_n a d av att den innefattar ett flertal sida vid sida anordnade ringformiga uppsättningar cylindrar, där varje cylínderuppsättnings kolvar samverkar med var sin av ett antal lika kamskivor, sonxär placerade sida vid sida på en' axel, varvid nämnda kamskivor bildar maskinens rotor.

9. Hydraulisk kolvmaskin enligt krav 8, k ä n n e t e c k - n a d av att åtminstone två cylinderuppsättningar har olika cylinderdianetrar, varvid cylindrarnas kolvar samverkar med kamskivor, som motsvarar dessa diametrar.