WO1994013934A1 - Taumelscheibenmaschine - Google Patents

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WO1994013934A1
WO1994013934A1 PCT/EP1993/003415 EP9303415W WO9413934A1 WO 1994013934 A1 WO1994013934 A1 WO 1994013934A1 EP 9303415 W EP9303415 W EP 9303415W WO 9413934 A1 WO9413934 A1 WO 9413934A1
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WO
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piston
machine according
swash plate
plate machine
grooves
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Application number
PCT/EP1993/003415
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English (en)
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Inventor
Fritz Reis
Original Assignee
Hofmann, Hofmann, Söndgen, Pauly Gdbr
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Priority to PL93308994A priority patent/PL172811B1/pl
Priority to DE9320456U priority patent/DE9320456U1/de
Priority to CA002151397A priority patent/CA2151397A1/en
Priority to EP94902680A priority patent/EP0674746B1/de
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Priority to BG99682A priority patent/BG61736B1/bg
Priority to NO952231A priority patent/NO307268B1/no
Priority to FI952948A priority patent/FI107402B/fi
Priority to GR960401705T priority patent/GR3020949T3/el
Priority to US08/891,514 priority patent/US5897301A/en

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Classifications

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

Definitions

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

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Taumelscheibenmaschine (10) mit einem hohlkugelförmigen Arbeitsraum (16), der durch eine Trennwand (18) in mindestens einen Hochdruckraum (23) und einen Niederdruckraum (24) unterteilt ist, in welchen das Arbeitsmedium durch ein Leitungssystem zuführbar ist, welche Trennwand (18) bis zu einem Kolbenträger (26) reicht und mit einer plattenförmigen Dichtleiste (21) zusammenarbeitet, mit einem kreisringförmigen dem Durchmesser des Arbeitsraumes (18) angepaßten Kolben (20), der durch eine gelagerte Antriebswelle (28) mit dem Außenraum verbunden ist, die eine Taumelbewegung des Kolbens (20) bewirkt, welcher Kolben (20) mindestens einen radialen sich vom Umfang bis ungefähr zu dem Kolbenträger (26) erstreckenden Radialschlitz (30) aufweist, in welchem ein Führungszapfen (38) eingesetzt ist, der mit der Trennwand (18) zusammenarbeitet, und welcher Kolben (20) sich nach außen zum Umfang hin verjüngt, wobei die Stirnflächen des Kolbens (20) mit gegenüberliegenden und senkrecht zur Drehachse der Antriebswelle (28) verlaufenden den Arbeitsraum (18) seitlich begrenzenden Seitenflächen in Berührung sind, wobei der im Radialschlitz (30) angeordnete Führungszapfen (38) in einer in der Trennwand (18) angeordneten Führungsnut (40) geführt ist, welcher Radialschlitz (30) mit abgewinkelten Seitenflanken (32, 33) versehen ist, deren Öffnungswinkel an den Schwenkhub des Kolbens (20) angepaßt ist und daß der Führungszapfen (38) mit einem in dem Kolbenträger (26) angeordneten Dichtungssegment (37) zusammenarbeitet, welches an den Öffnungswinkel des Radialschlitzes (30) des Kolbens (20) angepaßt ist.

Description

5
I
Taumelscheibenmaschine
10 Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Taumelscheibenmaschine mit ei¬ nem hohlkugelförmigen Arbeitsraum, der durch eine Trennwand
15 in mindestens eine Hochdruckseite und eine Niederdruckseite geteilt ist, in welche das Arbeitsmedium durch ein Lei¬ tungssystem zuführbar ist, wobei die Trennwand bis zu einem Kolbenträger reicht und mit einer plattenförmigen Dicht¬ leiste zusammenarbeitet, mit einem kreisringförmigen dem
20 Durchmesser des Arbeitsraumes angepaßten Kolben, der durch eine gelagerte Welle mit dem Außenraum verbunden ist, die eine Taumelbewegung des Kolbens bewirkt, welcher Kolben mindestens einen radialen sich vom Umfang bis ungefähr zu einem Kolbenträger erstreckenden Kolbenschlitz aufweist, in
25 welchem ein Führungszapfen eingesetzt ist, der mit der
Trennwand zusammenarbeitet, und welcher Kolben sich nach außen zum Umfang hin verjüngt, wobei die Stirnflächen des Kolbens mit gegenüberliegenden und senkrecht zur Drehachse der Welle verlaufenden den Arbeitsraum seitlich begren-
30 zenden Seitenflächen in Berührung sind.
Technisches Gebiet
35 Die Erfindung betrifft das Gebiet der Taumelscheiben-Ar¬ beitsmaschinen zur Förderung von flüssigen und gasförmigen Medien als Untergruppe des Gebiets der Arbeitsmaschinen, insbesondere Taumelscheibenpumpen und Taumelschei- benverdichter.
Stand der Technik
Eine solche Taumelscheiben-Arbeitsmaschine ist bekanntge¬ worden aus der deutschen Patentschrift DE 35 42 648 C2. Die dort offenbarte Lehre betrifft eine Taumelscheibenmaschine mit einem kreisringförmigen Kolben, der in einen hohlkugel¬ förmigen Arbeitsraum angeordnet ist. Der Kolben ist in ei¬ nem Kolbenträger gehalten und wird von einer Antriebswelle in eine taumelnde Bewegung versetzt, wobei der von der Welle unmittelbar beaufschlagte Kolbenträger in form¬ schlüssigem Eingriff mit dem Kolben steht und diesem die Taumelbewegung aufprägt. Dabei arbeiten die beiderseits des Kolbens befindlichen Teilarbeitsräume, die durch eine mit dem Kolben in Eingriff befindliche Trennwand gebildet sind, abhängig von der Drehrichtung der den Kolbenträger antrei¬ benden Antriebswelle als Hochdruck- und als Nieder¬ druckraum, in welche das jeweilige Medium zu- und abgeführt wird.
Für hochviskose Medien, z. B. Zuckermelasse oder Schweröl, ist die Dichtheit hierbei ausreichend und nur mäßige Rei¬ bung gewährleistet. Bei niedrigviskosen Medien hingegen können Undichtigkeiten und verstärkter Verschleiß infolge unvermeidbarer Reibung zwischen der Kolbenführung und der Trennwand auftreten.
Die Kolbenführung besteht hierbei aus einem in einem in den Kolben eingelassenen Radialschlitz eingesetzten Führungs¬ zapfen, welcher in seiner Grundform als kreiszylindrische Säule ausgebildet ist mit einem der Wanddicke der Trennwand entsprechenden Schlitz, in welchen die Trennwand eingreift. Entsprechend der durch den von der Antriebswelle in Ro¬ tation versetzten Kolbenträger erzeugten Taumelbewegung des Kolbens gleitet der Führungszapfen an der Trennwand ent¬ lang.
Eine in solchen Fällen häufig ergriffene Maßnahme zur Behe- bung dieses Nachteils, nämlich an der bekannten Maschine die Maßtoleranzen, insbesondere der relativ zueinander bewegten Teile, zu verringern, z. B. die Breite des Schlit¬ zes im Führungszapfen, hat sich als nicht praktikabel er¬ wiesen. Eine Verringerung der Maßtoleranzen kann vielmehr zu erhöhtem Verschleiß oder gar zum Versagen der Maschine führen, zum Beispiel durch Verschweißen infolge zu großer Reibung, und scheidet daher aus.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Taumelscheibenmaschine der eingangs ge¬ nannten Art derart weiter zu bilden, daß die Reibung zwi¬ schen relativ zueinander bewegten Teilen vermindert ist, um die aufgezeigten Nachteile zu vermeiden und, ohne daß die Abdichtung beeinträchtigt ist, ein störungsfreier Betrieb mit allen Fluiden ermöglicht ist.
Beschreibung der Erfindung
Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß in den kenn¬ zeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Danach ist vorgese¬ hen, daß der Kolben einen in seinen Radialschlitz drehbe¬ weglich eingesetzten kreiszylindrischen Führungszapfen auf- weist, der in einer in der Trennwand angeordneten Führungs¬ nut geführt ist, welcher Radialschlitz mit abgewinkelten Seiten lanken versehen ist, deren Öffnungswinkel an den Schwenkhub des Kolbens angepaßt ist und daß der Führungs- zapfen mit einem in dem Kolbenträger angeordneten Dich¬ tungselement zusammenarbeitet, welches an den Öffnungswin¬ kel des Radialschlitzes des Kolbens angepaßt ist.
Diese vorstehend beschriebene Lösung kommt insbesondere für den schnellaufenden Betrieb der erfindungsgemäßen Taumel- Scheibenmaschine in Betracht, da die miteinander im Ein¬ griff bzw. in Anlage zueinander befindlichen Flächen im Vergleich zu der bekannten Taumelscheibenmaschine beträcht¬ lich vermindert sind und überdies weitere reibungsmindernde Maßnahmen möglich sind.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der drehbewegliche Führungszapfen über ein Axiallager im Grund des Radialschlitzes abgestützt. Hieraus resultiert eine weitere Verminderung der Reibung, da anstelle von
Haftreibung nur noch der deutlich kleinere Rollwiderstand des drehbeweglichen zylindrischen Führungszapfens in der Führungsnut in der zum Arbeitsraum weisenden Stirnseite der Trennwand bei der Taumelbewegung des Kolbens entgegensteht. Wenn überhaupt tritt Reibung dabei allenfalls als Gleitrei¬ bung auf und dann auch nur linienförmig entlang der druck¬ seitigen Berührungslinie des kreiszylindrischen Führungs¬ zapfens an der hierzu tangential verlaufenden Innenwand der Führungsnut.
Daher eignet sich diese Anordnung vorzüglich für den Be¬ trieb der erfindungsgemäßen Taumelscheibenmaschine als Hochdruckpumpe oder als Kompressor. In beiden Fällen, insbesondere aber beim Betrieb als Kompressor, erweist sich die erfindungsgemäße Führung des Radialkolbens in einer Führungsnut in der Trennwand mittels des in den Radial¬ schlitz eingesetzten drehbeweglichen Führungszapfens als sehr verschleißunempfindlich auch bei hohen Antriebsdreh¬ zahlen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Trennwand, die in den im Kolben angeordneten Radial¬ schlitz eingreift, den Führungszapfen mit einer bestimmten Toleranz an zwei gegenüberliegenden Seiten mit der
Führungsnut umfaßt, so daß nur jeweils eine Seite der bei¬ den möglichen Anlageflächen, nämlich die jeweilige Innen¬ wandseite der Führungsnut in der Trennwand, kraft¬ beaufschlagt ist und die Gegenseite entlastet ist. Hieraus resultiert in erfindungsgemäßer Weiterbildung eine sehr vorteilhafte Verschleißminderung infolge der vergleichs¬ weise geringen, fast vernachlässigbaren Reibung.
Entsprechend einer weiteren durch die Merkmale des An¬ spruchs 3 gekennzeichneten erfindungsgemäßen Lösung, ist vorgesehen, daß der Kolben einen Radialschlitz mit abgewin¬ kelten Seitenflanken, deren Öffnungswinkel dem Schwenkhub des Kolbens angepaßt sind, aufweist und daß der Schlitz- grund sowie die Stirnfläche der in den Radialschlitz ein¬ greifenden Trennwand jeweils mit einer aufeinander abge¬ stimmten, dem Radius des Schlitzgrundes angepaßten sphäri¬ schen Wölbung versehen sind.
Im Unterschied zu der ersten Lösung besitzt der Kolben zwar ebenfalls einen Radialschlitz jedoch keinen Führungszapfen. Stattdessen wird die Führung des Radialkolbens durch die dem Schwenkhub des Kolbens angepaßten Seitenflanken er- reicht. Um die dabei auftretende Reibung zu mindern, ist die gemeinsame Berührungsfläche von Kolben und Trennwand- Stirnfläche einander in der Form angepaßt. Hiermit sehr gute Dichtwirkung erzielt, jedoch ist mit der so gestalte¬ ten erfindungsgemäßen Taumelscheibenmaschine nur ein Be¬ trieb mit niedrigen Drehzahlen möglich.
In zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung sind beider¬ seits des Eingriffs der Trennwand in den Radialschlitz des Kolbens kraftbeaufschlagte, tangential bewegliche Dich- tungswalzen im Radialschlitz angeordnet, die sich an die Trennwand anlegen.
Diese Dichtungswalzen haben dabei eine Doppelfunktion. Einerseits dienen sie, wie die Bezeichnung anzeigt, zur Ab¬ dichtung der beiden Druckkammern gegeneinander. Anderer¬ seits dienen sie aber auch der Führung des Kolbens, wobei wegen der kreiszylindrischen Walzenform der Dichtungswalzen jeweils nur eine linienförmige Berührungsfläche zwischen den Dichtungswalzen und dem Kolben besteht. Demgemäß ist die hieraus resultierende Reibung nahezu vernachlässigbar.
An Stelle der Dichtungswalzen können aber auch Dichtlippen vorgesehen sein, die ebenfalls eine abgerundete, einem
Halbzylinder entsprechende Anlagefläche für die Trennwand aufweisen und darüberhinaus ebenfalls tangential beweglich angeordnet sein können, so daß sie sich stets an die Trenn¬ wand anschmiegen. Zur weiteren Verminderung der hierbei auftretenden Gleitreibung kann die Werkstoffpaarung von
Dichtlippe und Trennwand so gewählt sein, daß ein gewisser Schmiereffekt und hierdurch gleichzeitig eine verbesserte Dichtwirkung auftritt, z.B. durch Verwendung von Lagerme¬ tall für die Dichtlippen In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Dichtungswalzen durch Druckfedern beauf¬ schlagt sind, die die Dichtungswalzen gegen die Trennwand drücken.
Entsprechend einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Dichtungswalzen durch Druckmedium aus dem Arbeitsraum beaufschlagt, wobei gegebenenfalls zu- sätzlich auch mechanische Federn vorgesehen sein können..
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Dichtleiste wie ein Kolbenring in einer Umfangsnut am Kolben angeordnet ist. Zweckmäßigerweise ist die Dichtleiste aus federndem Werkstoff gefertigt und so in die Umfangsnut eingelegt, daß sie stets mit ausreichend ho¬ her Andruckkraft an der Innenwand des Arbeitsraums anliegt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Dichtleiste zusätzlich oder auch nur ausschließlich durch das Arbeitsmedium gegen das Gehäuse drückbar ist, wodurch die Dichtwirkung erheblich verbessert ist, ohne daß unzulässige hohe Reibungskräfte angreifen.
Mit Hilfe der erfindungsgemäß vorgesehenen Maßnahmen zur Änderung der bekannten Taumelscheibenmaschine besteht nun- mehr auch die Möglichkeit, niedrigviskose und gasförmige
Medien zu fördern, ohne Gefahr für die bewegten Teile auf¬ grund zu hoher Reibung wegen unzureichender Schmierung. Hierzu ist vorgesehen, die durch Reibung infolge Relativbe¬ wegung zueinander besonders beanspruchten Bereiche, wie zum Beispiel die Kolbenführung in der Trennwand sowie die Sei- tenflachen des Radialschlitzes im Kolben, mittels besonde¬ rer Maßnahmen gegen unzulässige Reibung zu schützen.
Eine solche Maßnahme kann erfindungsgemäß darin bestehen, daß in den Seitenflächen des Radialschlitzes tangential bewegliche, kraftbeaufschlagte walzenförmig ausgebildete Teile angeordnet sind, die zur Führung des Kobens entlang der hierin eingreifenden Trennwand sowie gleichzeitig zur Abdichtung der durch den Kolben und die Trennwand gebilde¬ ten Teilarbeitsräume gegeneinander dienen.
Dabei kann in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, daß diese Führungskörper bzw. Dichtungswalzen durch
Druckfedern gegen die Trennwand gedrückt werden und so in ständigem Kontakt mit der Trennwand stehen und für eine gute Abdichtung sorgen. Dabei ist die Federkraft so bemes¬ sen, daß einerseits ausreichende Andruckkraft aufgebracht wird und andererseits keine unzulässig hohe Reibung resul¬ tiert.
An Stelle einer Druckfeder kann aber auch vorgesehen sein, daß die Dichtungswalzen vom Druckmedium aus dem jeweiligen Teilarbeitsraum beaufschlagt sind, so daß stets nur die zur Abdichtung für den vorherrschenden Druck erforderliche An¬ druckkraft aufgebracht wird.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann darüberhinaus vorgesehen sein, daß die Druckfedern zum An¬ drücken der Dichtungswalzen gemeinsam mit der Beaufschla¬ gung durch das Druckmedium vorgesehen sind, um auf diese Weise sicherzustellen, daß auch im drucklosen Zustand, zum Beispiel bei Stillstand der Taumelscheibenmaschine eine Ab¬ dichtung gegen einen Mindestdruck gewährleistet ist.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung, welche speziell für die Verwendung bei der Förderung verunreinigter Flüs¬ sigkeiten vorgesehen ist, weist der Kolben für die Taumelscheibenmaschine auf wenigstens einer Stirnfläche zu¬ mindest bereichsweise radial verlaufende Nuten auf, die von messerartigen Stegen begrenzt sind. Hiermit wird erreicht, daß die Verunreinigungen, wie z.B. Späne und Holzschliff bei der Papierherstellung oder Gräten bei der Fischverar¬ beitung oder Frucht- bzw. Traubenreste bei der Wein- und Mostherstellung, sich nicht zwischen dem Kolben und der In- nenwand des Arbeitsraums verklemmen können und so die Tau¬ melscheibenmaschine in ihrer Pumpwirkung beinträchtigen.
In zweckmäßiger Weiterbildung ist bei dem Kolben der mit den radialen Nuten versehene Bereich des Kolbens ein Kreis¬ sektor, dessen Winkelhalbierende sich senkrecht zur Achse des Kolbenschlitzes erstreckt. Dabei können entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auf beiden Stirnseiten des Kolbens radiale Nuten angeordnet sein, wo- bei die Nuten auf der jeweiligen Stirnfläche des Kolbens in einem Sektor angeordnet sind, dessen eine Seite am Kolben¬ schlitz angrenzt.
Hierbei erweist es als vorteilhaft, daß die mit den Nuten versehenen Bereiche des Kolbens jeweils auf den einander gegenüberliegenden Stirnflächen des Kolbens so angeordnet sind, daß eine entlang der Kolbenschlitzachse liegende Tei¬ lungsebene des Kolbens diesen in eine erste Kolbenhälfte mit Radialnuten bzw. mit radial verlaufenden messerartigen Stegen und in eine zweite Kolbenhälfte mit glattflächigen Kolben lächen ohne Nuten und Stege unterteilt.
Für einen störungsfreien Betrieb ist es hierbei von Bedeu¬ tung, daß der glatte Kolbenbereich auf der Saugseite ange¬ ordnet ist, während der mit messerschneidenartigen Stegen versehene Nutbereich des Kolbens auf dessen Druckseite an¬ geordnet ist. Dies bedeutet, daß eine Drehrichtungsänderung mit einhergehendem Wechsel der Saugseite in die Druckseite und umgekehrt vermieden werden sollte, da anderenfalls mög¬ licherweise beim Ansaugen aufgrund der durch die Nuten ver¬ ursachten Zwischenräume zwischen Kolbenfläche und Arbeits¬ raumwand Undichtigkeiten resultieren, die dazu führen, daß der für die Förderung des betreffenden Mediums erforderli¬ che Unterdruck nicht entstehen kann.
Vorzugsweise sind die Nuten gemäß der Erfindung nur auf den angeschrägten Stirnflächen des Kolbens vorgesehen, welche mit der Arbeitsraumwand in Berührung gelangen. Die übrige Kolbenstirnfläche hingegen ist glatt, d.h. ohne Nuten und Stege.
Vorzugsweise ist als maximale Nutbreite eine lichte Weite von 15 mm am inneren Umfang vorgesehen, d.h. bei dem Ra¬ dius, bei welchem die Anschrägung des Kolbens beginnt. Die Nuttiefe steht in einem bestimmten Verhältnis zur Nutbreite und beträgt gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Er¬ findung beispielsweise 4 mm, entsprechend 40% der zugehöri¬ gen Nutbreite. Prinzipiell ist jedoch die Breite der radial angeordneten Nuten entsprechend einer Winkelteilung von 7,5° + 2,5° vor¬ gesehen. Hieraus folgt, daß abhängig vom jeweiligen Kolben¬ durchmesser die lichte Weite der Nuten sich anpaßt und bei großen Kolbenabmessungen auch breite Nuten resultieren.
Dies erweist sich insofern als günstig für den Betrieb, als mit einer Taumelscheibenmaschine mit großem Kolbendurchmes¬ ser auch üblicherweise große Medienströme gefördert werden, welche oftmals auch größerstückige Fremdbestandteile auf- weisen.
Für die Ausgestaltung der Nuten hat es sich als sehr vor¬ teilhaft erwiesen, daß die Nuten ein Viereckprofil aufwei- sen. Dieses kann bevorzugterweise ein Rechteckprofil sein, welches in Nutlängsrichtung eben oder gekrümmt verläuft. Es kann hierbei aber auch von Vorteil für die Standfestigkeit der die Nuten gegeneinander abgrenzenden Stege sein, daß die Nuten ein Trapezprofil mit einem ebenen Nutgrund und angeschrägten Nutflanken aufweisen.
Ein weiterer Vorteil kann darin bestehen, daß die Nuten asymmetrisch in bezug auf ihre Längsachsen profiliert sind bzw. daß die Nuten ein V-Profil mit schmalem Nutgrund und gleich oder verschieden steil angestellten Flanken aufwei¬ sen. Günstig ist es dabei, wenn die kolbenschlitzseitigen Flanken einer jeden Nut, das heißt die Flanken, die jeweils näher zum Kolbenschlitz liegen, steiler angestellt sind als die gegenüberliegenden Flanken. Hierdurch kann erreicht werden, daß beim Abrollen des Kolbens an der Arbeitsraum¬ wand die festen Förderstoffe gleichsam wie von einer Schau¬ fel mitgenommen werden, ohne zurückzufallen. Ein besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der Anstellwinkel der kolbenschlitzseitigen Nutflanken in bezug auf den Nutgrund 105° bis 120°, vor¬ zugsweise 112° beträgt und daß der Anstellwinkel der gegen- überliegenden Nutflanken in bezug auf den Nutgrund >135° beträgt.
Bezüglich der näheren Ausgestaltung der Nutflanken ist es für die Förderung von mit Feststoffen angereicherten Fluid- edien günstig, daß die die Nuten begrenzenden messerarti¬ gen Stege eine schneidenförmige Außenkante und eine im Ver¬ gleich hierzu breitere Basis am Nutgrund aufweisen, welche den jeweiligen Steg verstärken.
Um die Abnutzung des Kolbens bzw. seiner mit den Nuten und Messern versehenen Kolbenflächen zu mindern, erweist es sich als günstig, daß die messerartigen Stege oberflächen¬ gehärtet sind. Stattdessen oder ggf. zusätzlich kann vorge¬ sehen sein, daß die messerartigen Stege eine Beschichtung mit einem verschleißfesten Material aufweisen.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, daß die Stege als se¬ parate Einsätze aus Hartmetall hergestellt und in den Kol¬ ben eingesetzt sind.
Insbesondere für die Verwendung im Weinbau ist vorgesehen, daß der Kolben aus rostfreiem Material, vorzugsweise aus Stahl, gefertigt ist
Ferner kann es vorteilhaft sein, insbesondere bei Kolben mit großem Durchmesser, daß der die messerartigen Stege aufnehmende Nutgrund als separat gefertigtes Kolbenteil ausgebildet ist, welches mit dem Kolben verbunden ist. Im praktischen Betrieb bewirkt die messerschneidenartige Außenkante eines jeden Steges, daß beim sukzessiven Ab¬ rollen des Kolbens an der Innenwand des Arbeitsraumes zwi¬ schen dieser und dem Kolben befindliche feste Bestandteile nicht wie seither geguetscht werden mit der Folge, daß hierdurch eventuell Undichtigkeiten der Arbeitsräume er¬ zeugt werden, sondern aufgrund der scharfen Schneidkante eines jeden Steges durchtrennt und somit zerkleinert wer¬ den. Hierbei dient die Innenwand des Arbeitsraumes als Schneidauflage ähnlich einem Amboß. Aus diesem Grund ist es beispielsweise problemlos möglich, jegliche Fluidmedien mit Feststoffanteilen zu fördern, wie zum Beispiel in der Pa¬ pierindustrie die Holzschliffe- oder im Weinbau der mit den sogenannten Kämmen durchsetzte Most. Das vorher erwähnte Problem, das unter Umständen auftreten kann, wenn der mit Nuten versehene Kolbenbereich auf der Saugseite eingesetzt wird, hat für die Druckseite keine Relevanz, da hier be¬ reits geförderte Feststoffanteile im Kolbenarbeitsraum vor¬ handen sind, welche die Nuten ausfüllen und so zur Abdich- tung beitragen.
Ein weitere Ausgestaltung der Erfindung, welche darauf ab¬ zielt, Störungen bei der Förderung von Medien, welche mit körnigen Verunreinigungen versetzt sind, zu vermeiden, sieht vor, daß der Kolben auf seinen Kolbenflächen, vor¬ zugsweise jeweils nur auf dem angeschrägten Bereich mit ei¬ ner Weichschicht versehen ist. Diese Weichschicht kann aus Gummi bestehen und auf dem Kolbenrohling aus Stahl aufvul- kanisiert sein. Stattdessen ist es auch möglich, daß an
Stelle von Gummi ein flexibler aber verschleißbeständiger Kunststoff als Weichschicht vorgesehen ist. In jedem Fall wird durch die Weichschicht bewirkt, daß die körnigen Bei¬ mengungen wie Sand, Granulat, Kies oder ähnliches nicht zu Undichtigkeiten beim Pumpbetrieb führen können, da der Kol¬ ben sich mit seiner Dichtfläche stets an der Arbeisraumwand anlegt und eventuell dazwischen befindliche Verunreinigun¬ gen sich in die Weichschicht eindrücken bzw. zuvor wie mit einem Spachtel entfernt werden.
Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin¬ dung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Kurzbeschreibung der Figuren
Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei¬ spiels der Erfindung sollen die Erfindung, vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sowie be- sondere Vorteile näher erläutert und beschrieben werden.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Tau¬ melscheibenmaschine mit innengeführtem Führungszapfen
Fig. 2 eine Schnittansicht gemäß Schnittlinie I-I in Fig. 1 (Draufsicht auf den Kolben)
Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Arbeitsraum mit ein¬ gesetztem Kolben und Kolbenführung der erfindungsgemäßen Taumelscheibenmaschine
Fig. 4 eine Seitenansicht eines Kolbens ohne Führungs¬ zapfen mit auszugsweiser Schnittdarstellung des Kolben- Trennwandbereiches
Fig. 5 eine Kolbenanordnung mit einem ersten Dichtungs- segment mit eingelegtem Führungszapfen und seitlichen Schlitzflanken in zeichnerischer Explosionsdarstellung Fig. 6 ein zweites Dichtungssegment
Fig. 7 ein drittes Dichtungssegment mit einstückig ange- formtem Führungszapfen
Fig. 8 einen Längsschnitt durch den Arbeitsraum der Tau¬ melscheibenmaschine gemäß Fig. l mit einem neuen Kolben mit Radialnuten
Fig. 9 eine Seitenansicht des neuen Kolbens
Fig. 10 eine aus zwei Ansichten aus zwei um 90° zueinander versetzten Blickrichtungen zusammengesetzte Draufsicht auf die Stirnseite des neuen Kolbens
Beschreibung der Zeichnung
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Taumelscheibenmaschine 10 im Längsschnitt dargestellt, die ein aus einem linken
Gehäuseteil 13 und einem rechten Gehäuseteil 14 gebildetes Gehäuse 12 aufweist, in welchem ein Arbeitsraum 16 angeord¬ net ist. Die beiden das Gehäuse 12 bildenden Gehäuseteile 13, 14 sind in bekannter Weise mittels Schraubverbindung zusammengehalten.
In dem Arbeitsraum 16, der kugelförmig ausgebildet ist, be¬ findet sich eine Trennwand 18, die den Arbeitsraum 16 gemeinsam mit einem kreisringförmigen Kolben 20 in einen Hochdruckraum 23 und in einen Niederdruckraum 24 unter¬ teilt.
Der Kolben 20 wird von einem Kolbenträger 26 gehalten, der auf einer Antriebswelle 28 aufgesetzt ist. Die Antriebs- welle 28 ist seitlich nach außen geführt, wo sie von einem hier nicht näher dargestellten Motor beaufschlagbar ist.
Der Kolbenträger 26 ist in bekannter Weise aus zwei Hälften zusammengesetzt, deren Trennfuge schräg, das heißt unter einem Winkel gegen die Antriebswelle 28, angestellt ist, so daß in ebenfalls bekannter Weise auch der zwischen die bei¬ den Hälften des Kolbenträgers eingefügte Kolben 20 schräg zur Längsachse der Antriebswelle 28 angestellt ist. Aus diesem Grund ist der periphere Bereich des Kolbens 20 , d. h. sein umfangsnaher Bereich angeschrägt entsprechend der bei der Taumelbewegung verursachten maximalen Schwenkstel¬ lung, wodurch einerseits seine volle Beweglichkeit inner- halb des Arbeitsraums gewährleistet ist und gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Taumelscheibenmaschine eine vereinfachte Herstellung ermöglicht ist.
An der zur Trennwand 18 weisenden Seite besitzt der Kolben 20 einen Radialschlitz 30, in welchen die Trennwand 18 ein¬ greift. Die Flanken 32,33 des Radialschlitzes 30 sind, wie aus Fig. 2 hervorgeht, entsprechend dem Schwenkhub des Kol¬ bens 20 angeschrägt. Im Schlitzgrund 34 des Radialschlitzes 30 ist ein mittels Axiallager, das hier als Wälzlager aus¬ gebildet ist, abgestütztes Dichtungssegment 37 angeordnet, auf welches ein Führungszapfen 38 angesetzt ist.
Der Führungszapfen 38 ist ein kreiszylindrischer Körper, der mittig in den Schlitzgrund 34 eingesetzt ist und an zwei Seiten von einer in die dem Kolben 20 zugewandten Stirnseite der Trennwand 18 eingeformten Führungsnut 40 ge¬ führt ist. Der in der Führungsnut 40 geführte Führungszap- fen 38 dient dazu, den über den sich drehenden Kolbenträger 26 in eine Taumelbewegung versetzten Kolben 20 daran zu hindern, daß er sich mitdreht. Stattdessen macht der Kol¬ ben, verursacht durch die Führung des Führungszapfens 38 in der Führungsnut 40, eine Hin- und Herbewegung, bei welcher er eine der Winkelanstellung des Kolbenträgers 26 in bezug auf die Antriebswelle 28 entsprechende Schwenkbewegung aus¬ führt, die insgesamt als Taumelbewegung erscheint. Der Schwenkweg oder anders ausgedrückt der Schwenkhub des Kol¬ bens ist im Hinblick auf den vorgesehenen Einsatzzweck, z.B. als Hochdruckpumpe oder als Kompressor, abgestimmt, das heißt, je höher die für die Antriebswelle vorgesehene Antriebsdrehzahl ist, desto höher ist auch die Schwenk¬ oder Taumelfreguenz und umso geringer ist der Schwenkweg oder Schwenkhub, um die sichere Funktion der Taumelschei¬ benmaschine 10 zu gewährleisten.
Um die Abdichtung des Kolbens 20 an der Innenwand des Ar¬ beitsraums 16 zu verbessern, ist in einer Umfangsnut 22 des Kolbens 20 eine Dichtleiste 21 eingelegt. Die Dichtleiste 21 legt sich ähnlich einem Kolbenring an die Innenwand des Arbeitsraums 16 an und sorgt so für gute Abdichtung des Niederdruckraums 23 gegen den Hochdruckraum 24 bei ver¬ gleichsweise geringer Reibung.
In Fig. 2 ist die Taumelscheibenmaschine 10 gemäß Fig. 1 in Schnittansieht von oben dargestellt, wobei der Schnitt ent¬ lang der Schnittlinie I-I in Fig. 1 geführt wurde. Zur Erläuterung und zum besseren Verständnis wurden hierbei für gleiche Merkmale die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 verwendet.
Insbesondere ist in dieser Ansicht die Anordnung der Füh¬ rungsnut 40 in der zum Kolben 20 weisenden Stirnfläche der Trennwand 18 zu erkennen, welche den Führungszapfen beider¬ seits einfaßt und jeweils idealisiert nur in der jeweiligen Tangentiallinie berührt. Hieraus ist leicht verständlich, daß mit dieser Lösungsvariante gegenüber dem Stand der Technik ein erheblicher Vorteil bezüglich Reibungsminderung erreicht wird, da ja die miteinander in Kontakt befindli- chen Berührungsflächen bei der erfindungsgemäßen Taumel¬ scheibenmaschine nur jeweils eine Linie sehr geringer Aus¬ dehnung ist, wohingegen beim Stand der Technik die Berüh¬ rungsfläche zwischen der Trennwand und dem dort vorgese¬ henen Führungszapfen von dessen gesamter Schlitzfläche ge- bildet ist.
Sowohl in Fig. 1 als auch in den Figuren 2 und 3 sind Schmierkanäle bzw. Schmierbohrungen 54 und Entlüftungskanäle bzw. Entlüftungsbohrungen 56 gezeigt, die dazu dienen, einerseits die relativ zueinander beweglichen Gleitflächen, z.B. den Führungszapfen 38 und die Führungsnut 40, sowie Lagerstellen, z.B. die ersten und zweiten Kolbenlager 42, 44 im Kolbenträger 26 oder das Axiallager 36 im Schlitzgrund 34 wie auch die Stützlager 46 zur Lagerung der Antriebswelle 28, ausreichend mit Schmiermittel zu versehen und gleichzeitig andererseits eine Überdosierung an Schmiermittel zu verhindern, indem überschüssiges Schmiermittel selbsttätig durch Unterdruck aus dem Taumelscheibenprozeß abgesaugt wird.
Mit den Bezugsziffern 58 sind Gehäuseschrauben bezeichnet, welche zur Verbindung der beiden Gehäuseteile 13, 14 des Taumelscheibenmaschinengehäuses 12 dienen. Sie sind konzen¬ trisch um den Arbeitsraum 16 angeordnet, um so sicherzustellen, daß keine Undichtigkeiten beziehungsweise Gehäuseversatz mit entsprechenden nachteiligen Folgen für den Betrieb auftreten können. In Fig. 4 ist eine ähnliche Darstellung wie in Fig. 3 ge¬ zeigt, nämlich eine Seitenansicht des kreisringförmigen Kolbens 20, der jedoch hier abweichend eine andere, spezi¬ ell für den Betrieb mit niedrigen Antriebsdrehzahlen vorge- sehene Kolbenführung an der Trennwand 18 aufweist. An
Stelle eines hier nicht vorhandenen Führungszapfens 38 wird die Führung des Kolbens 20 allein durch die Flanken 32, 33 des Radialschlitzes 30 erreicht, welche dicht an der in den Radialschlitz 30 eingreifenden Trennwand 18 anliegen.
Zur weiteren Reibungsverminderung sind in den beiden sich gegenüberliegenden Scheitelpunkten der gegenläufig abgewinkelten Flanken 32, 33 sogenannte Dichtungswalzen 60 angeordnet, welche jeweils von einer nicht näher gezeigten Druckfeder und/oder vom jeweiligen Arbeitsmedium beauf¬ schlagt sich an die Trennwand 18 anlegen.
Aufgrund der zuvor erläuterten, einer Ausführungsform der Erfindung entsprechenden Anordnung der Schmierbohrungen bzw. Schmierkanäle 54 und der Entlüftungsbohrungen bzw. Entlüftungskanäle 56 im Hochdruckraum 23 und im Nieder¬ druckraum 24 bietet sich die Möglichkeit, die Lagerstellen 42, 44, 46 im Gehäuse 12 sowie im Kolben 20 gleichmäßig zu schmieren sowie ferner einen zur Abdichtung der Wellen¬ durchführung vorgesehenen Simmerring 51 und eine Stopf¬ buchse 53 bzw. eine alternativ statt dieser beiden Dichtun¬ gen eingesetzte Gleitringdichtung 52 guasi drucklos zu hal- ten, das heißt, vom Mediumdruck zu entlasten. Zu diesem Zweck ist jeweils am tiefsten Punkt jeder betreffenden Dichtung 50, 51, 52 eine Entlüftungsbohrung 56 vorgesehen. Um die zur Abdichtung der Wellendurchführung vorgesehenen und der Beaufschlagung durch das Schmiermedium unmittelbar ausgesetzten Dichtungen 51 oder 52 vor mechanischer Beschä¬ digung durch den Druckstrahl des Schmiermediums zu schüt¬ zen, ist in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung eine sogenannte Prallplatte 50 eingebaut, welche aus metalli¬ schem Werkstoff besteht und zu einer erheblichen Minderung der mechanischen Beanspruchung der Dichtungen 51 bzw. 52 führt.
Eine hier verwendete herkömmliche Gleitringdichtung 52 überdauert infolge der mechanischen Beaufschlagung durch den unter hohem Druck stehenden Strahl des Schmiermediums nur eine kurze Betriebszeit von wenigen hundert Betriebs¬ stunden problemlos, d.h. störungsfrei. Hierdurch werden die Betriebskosten deutlich erhöht wegen der Ersatzbeschaffung und des für den Austausch erforderlichen zwangsläufigen Stillstandes der erfindungsgemäßen Taumelscheibenmaschine 10. Mit der vorgesehenen Prallscheibe 50 hingegen, welche die Antriebswelle 28 mit ausreichendem Spiel umgreift, ist eine wesentlich erhöhte Standzeit erreichbar, was sich in allen Belangen als vorteilhaft erweist. Das erwähnte Spiel der Prallscheibe oder Prallplatte 50 verhindert einen nicht erwünschten Pumpeffekt für das Schmiermittel, der bei zu enger Passung zwischen der Antriebswelle 28 und der Prall¬ scheibe 50 unvermeidlich auftritt und Schmiermittel in den Abdichtungsbereich der Wellendurchführung der Antriebswelle 28 durch das Gehäuse fördert, was Leckagen begünstigen würde, so aber verhindert.
Bei einer nach der Erfindung möglichen Verwendung der Taumelscheibenmaschine 10 als Kompressor ist in zweckmäßi- ger Weiterbildung vorgesehen, daß die Schmierung der Lager¬ stellen 42, 44, 46 durch Einbringung von Fremdschmiermittel über einen Schmiermittelanschluß 62, z.B. in Form eines Kugelventils, erfolgt, auf welches ein hier nicht näher dargestellter aber im Stand der Technik allgemein bekannter Schmiermittelschlauch mit Steckkupplung ansetzbar ist. Mit- tels dieser externen Schmiermittelversorgung werden über einen in der Antriebswelle 28 angeordneten als Zentralboh¬ rung ausgebildeten Schmiermittelkanal 64 die einzelnen La¬ gerstellen 42 und 44 im Kolben 20 einschließlich der Füh¬ rungszapfen 38 sowie die Stützlager 46 im Gehäuse 12 zur Lagerung der Antriebswelle 28 mit der ausreichenden Menge an Schmiermittel versorgt. Außerdem ist neben dem Führungs¬ zapfen 38 im Kolben 20 auch die Führungsnut 40 in der Stirnseite der Trennwand 18 in. diesen Schmierkreislauf ein¬ bezogen, wobei das Schmiermittel über den Schmiermittelan- schluß 62 mit ausreichendem Druck zugeführt wird und über die bereits erwähnten Entlüftungsbohrungen auf der Nieder¬ druckseite wieder abfließen kann, um den Druckraum von Schmiermittel frei zu halten und so eine ungewünschte An¬ reicherung der verdichteten Luft mit Schmiermittel, z.B. Öl, zu vermeiden.
Entsprechend der Erfindung wirken die Schmierkanäle 54 bei entgegengesetzter Drehrichtung der Antriebswelle 28 Taumel- scheibenmaschine 10 als Entlüftungsbohrungen 56 und umge¬ kehrt die Entlüftungsbohren 56 als Schmierkanäle 54. Im Hinblick auf diesen doppelten Einsatzfall kann das Schmier¬ system mit den Bohrungen 54, 56 mit nicht näher dargestell¬ ten Kugelventilen oder ähnlichem entsprechend konstruktiv ausgestaltet sein.
Ein weiterer Vorteil, der aus einer bevorzugten Weiterbil¬ dung der Erfindung, nämlich der Maßnahme, den Führungszap- fen 38 in der Nut in der Trennwand mit ausreichend großem Spiel anzuordnen, resultiert, zeigt sich darin, daß auf- grund des zuvor beschriebenen Entlüftungssystems 56 die un¬ terschiedlichen Druckverhältnisse von Niederdruck zu Hoch¬ druck mit einer Verringerung der Anlagepressung des Füh¬ rungszapfens 38 an der Innenwand der Führungsnut 40 einher- geht, so daß der hierauf beruhende mögliche Reibverschleiß stark verringert ist, was erheblich die Lebensdauer der er¬ findungsgemäßen Taumelscheibenmaschine verlängert.
In Fig. 5 ist in sogenannter Explosionsdarstellung eine Kolbenanordnung mit einem ersten Dichtungssegment 37 zum Einsatz in einer Taumelscheibenmaschine gemäß Fig. 1 im Längsschnitt bzw. in Seitenansicht gezeigt. Das Dichtungs- segment 37 besteht aus einem Einsatzstück 39, einem Radialschlitzelement 31 und dem hierin angeordneten Füh¬ rungszapfen 38, der zum Eingriff in die in der druckraum- seitigen Stirnwand der Trennwand 18 eingeformten Führungs¬ nut 40 vorgesehen ist und der mittels lösbarer Verbindung, z.B. Gewinde bzw. Schraubverbindung, das Radialschlitzele- ment 31 mit dem Einsatzstück 39 und dem Kolben 18 verbin¬ det. Diese Lösungsvariante bietet den Vorteil, daß durch eine geeignete Werkstoffpaarung der Werkstoffe des Füh¬ rungszapfens 38 und der Trennwand 18 mit der Führungsnut 40 bzw. der gegebenenfalls vorgesehenen Auskleidung ihrer In- nenwandung der zuvor erläuterte Reibverschleiß zusätzlich vermindert werden kann.
Eine weitere Funktion des Dichtungssegments 37, über die Haltefunktion für den Führungszapfen 38 hinaus, besteht darin, den Radialschlitz 30 aufzunehmen. Mit Hilfe des X- förmig eingeformten Radialschlitzes 30 mit seitlichen, im Winkel zueinander angeordneten Schlitzflanken 32, 33, in welche die Trennwand 18 mit dichtem Sitz eingreift, wird, wie bereits zu Fig. 1 erläutert, der Schwenkwinkel des Kol¬ bens 20 und damit dessen Schwenkhub begrenzt. Auch hier bietet sich die Möglichkeit, durch entsprechende Werkstoff- auswahl die erforderliche Dichtwirkung zu verbessern und den auftretenden Reibverschleiß zu verringern.
Aus Fig. 5 ist ferner ersichtlich, daß der Kolben 20 auf der dem Radialschlitz 30 bzw. dem Dichtungssegment gegenüberliegenden Seite eine radiale Ausnehmung 35 auf¬ weist, in welcher ein Körper 65 mit kreisförmigem Quer- schnitt angeordnet ist. Die radiale Ausnehmung 35 dient zum Ausgleich von Unwuchten des Kolbens 20, die aus dem bei der Herstellung des X-förmigen Radialschlitzes 30 entstehenden Materialabtrag resultierend, wobei durch Einbringung von Wucht-Gewichten 65 in die radiale Ausnehmung 35 ein Ge- wichtsausgleich auch bei Verwendung eines Radialschlitzes
30 mit anderer Geometrie und hierdurch bedingtem geringerem Materialabtrag möglich ist.
In Fig. 6 ist ein zweites Dichtungssegment 66 in Seitenan¬ sicht sowie darunter in Draufsicht dargestellt, wie es an Stelle des in Fig. 5 gezeigten Dichtungssegments 37 einge¬ setzt werden kann. Im Unterschied zu dem in Fig. 5 darge¬ stellten Dichtungssegments 37 besitzt das hier gezeigte Dichtungssegment 66 jedoch kein Radialschlitzelement son¬ dern nur ein Einsatzstück 67. Der Schwenkweg des Kolbens 20 wird in diesem Fall durch einen mit Schlitzflanken 32, 33 versehenen, im Kolben eingeformten Radialschlitz 30 be¬ grenzt. Zur Verbesserung der Abdichtung zwischen Trennwand 18 und Kolben 20 ist das Einsatzstück 67 an seiner den Füh¬ rungszapfen 38 tragenden Oberfläche sphärisch gewölbt, wo¬ bei die Wölbung mit der Ausgestaltung der entsprechenden Stirnseite der Trennwand 18 kompatibel ist. Zur eindeutigen Fixierung im Kolben 20 besitzt das Einsatzstück 67 auf zwei gegenüberliegenden Seiten V-förmige Einformungen, die dem X-förmigen Radialschlitz 30 im Kolben 20 kongruent ent¬ sprechen.
In Fig. 7 ist ein drittes Dichtungssegment 68 in Seitenan¬ sicht sowie darunter in Draufsicht dargestellt, wie es an Stelle des in Fig. 5 oder in Fig. 6 gezeigten Dichtungsseg¬ ments 37 bzw. 66 eingesetzt werden kann. Im Unterschied zu den in Fig. 5 oder 6 dargestellten Dichtungssegmenten 37 bzw. 66 ist das hier gezeigte Dichtungssegment 68 einstüc¬ kig mit dem Führungszapfen 38 verbunden. In seiner weiteren Ausgestaltung entspricht es dem zweiten Dichtungssegment 66, das in Fig. 6 gezeigt ist. Demgemäß besitzt es eben¬ falls kein Radialschlitzelement, jedoch eine sphärisch ge- wölbte Oberfläche sowie an zwei gegenüber liegenden Längs¬ seiten V-förmige Einformungen, die mit dem X-förmigen Radi¬ alschlitz 30 im Kolben 20 kongruent sind und so einen fe¬ sten Sitz im Kolben 20 gewährleisten.
Zusammenfassend ist darauf hinzuweisen, daß das bei der er¬ findungsgemäßen Taumelscheibenmaschine vorgesehene Schmier¬ system, welches sich die unterschiedlichen Drücke des Pum¬ pensystems zunutze macht, durch die mittels Unterdruck be- wirkte Absaugung von überschüssigem Schmiermittel sehr sau¬ ber, sparsam und effizient arbeitet.
In Fig. 8 ist eine Schnittansicht durch die Taumelschei¬ benmaschine 10 gemäß Fig. 1 dargestellt, die in ihrem Ar- beitsraum 16 einen neuen Kolben 20 aufweist. Die beiden das Gehäuse 12 bildenden Gehäuseteile 13, 14 sind in bekannter Weise mittels nicht näher gezeigter Schraubverbindung zusammengehalten. In dem Arbeitsraum 16, der kugelförmig ausgebildet ist, be¬ findet sich eine Trennwand 18, die den Arbeitsraum 16 gemeinsam mit dem kreisringförmigen Kolben 20 in den unten befindlichen Hochdruckraum 23 und in den oben befindlichen Saug- oder Niederdruckraum 24 unterteilt.
Der Kolben 20 wird von einem Kolbenträger 26 gehalten, der auf einer Antriebswelle 28 aufgesetzt ist. Die Antriebs- welle 28 ist seitlich nach außen geführt, wo sie von einem hier nicht näher dargestellten Motor beaufschlagbar ist.
Der Kolbenträger 26 ist auch hier in bekannter, nicht näher gezeigter Weise aus zwei Hälften zusammengesetzt, deren Trennfuge schräg, das heißt unter einem Winkel gegen die Antriebswelle 28, angestellt ist, so daß in ebenfalls be¬ kannter Weise auch der zwischen die beiden Hälften des Kol¬ benträgers 26 eingefügte Kolben 20 schräg zur Längsachse der Antriebswelle 28 angestellt ist. Der periphere Bereich des Kolbens 20 , d. h. sein umfangsnaher Bereich 33, 34 , ist angeschrägt, so daß er sich mit seinen Kolbenflächen 33, 34 entsprechend der bei der Taumelbewegung verursachten jeweiligen maximalen Schwenkstellung an die Innenwand des Arbeitsraumes 16 anlegen kann, wodurch seine volle Beweg¬ lichkeit innerhalb des Arbeitsraums 16 gewährleistet ist.
An der zur Trennwand 18 weisenden Seite besitzt der Kolben 20 einen Radialschlitz 30, in welchen die Trennwand 18 ein¬ greift. Im Radialschlitz 30 ist ein Führungszapfen 32 ein¬ gesetzt, der die Schwenkkräfte des Kolbens 20 aufnimmt. Der in dem Radialschlitz 30 geführte Führungszapfen 32 dient dazu, den von dem sich drehenden Kolbenträger 26 in eine Tau?-slbewegung versetzten Kolben 20 daran zu hindern, daß er sich mitdreht. Stattdessen macht der Kolben 20, verur- sacht durch die Führung des Führungszap ens 32 in dem Radialschlitz 30, eine Hin- und Herbewegung, bei welcher er eine der Winkelanstellung des Kolbenträgers 26 26 in bezug auf die Antriebswelle 28 entsprechende Schwenkbewegung aus- führt, die insgesamt als Taumelbewegung erscheint.
Um bei der Förderung von mit festen Bestandteilen, wie Fa¬ sern, Spänen, Gräten, Halmen, Granulat, Schnitzel o.a., angereicherten Fluidmedien Störungen zu vermeiden, besitzt der Kolben 20 auf seinen beiden zum Druckraum 23 gehörigen Druck-Kolbenflächen 72 Nuten 76, die von messerartigen Ste¬ gen 78 begrenzt sind. Hierbei haben die messerartigen Stege 78 die Aufgabe, die festen Bestandteile, welche bei der Schwenkbewegung des Kolbens 20 zwischen die Kolbenfläche 72 und der Innenwand des Arbeitsraums 16 geraten, zu zer¬ schneiden. Dabei dient der Hohlraum der Nuten 76 jeweils dazu, die zerkleinerten Reste vorübergehend aufzunehmen, wodurch überdies eine gewisse Abdichtung erreicht wird, bis die so zerkleinerten Bestandteile weitergefördert sind.
Demgegenüber ist die Saug-Kolbenflache 74 glatt belassen, also ohne Nuten bzw. Stege. Dies hat den Grund, einen aus- reichenden Unterdruck aufzubauen, um das jeweils zu för¬ dernde Fluid anzusaugen. Hierbei würde die Profilierung der Kolbenflächen 74 auf der Saugseite zu störenden Undichtig¬ keiten führen, die die Erzeugung des erforderlichen Unter¬ drucks verhindern. Ein eventuelles Einklemmen von festen Bestandteilen zwischen der Kolbenfläche 74 und der Innen¬ wand des Arbeitsraums 16 ist demgegenüber weniger problema¬ tisch. Jedenfalls reicht die dabei erreichte Dichtheit aus, um den gewünschten Unterdruck aufzubauen. In Fig. 9 ist der Kolben 20 gemäß Fig. 8 in Seitenansicht dargestellt, d. h. mit einer mit Nuten 76 und Stegen 78 versehenen Druck-Kolbenfläche 72 und mit einer glatten Saug-Kolbenflache 74. Zur Erläuterung und zum besseren Ver- ständnis wurden hierbei für gleiche Merkmale die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 8 verwendet.
Insbesondere ist in dieser Ansicht die Anordnung der Nuten 76 und Stege 78 und ihre radiale Ausrichtung sowie ihre Lage zum Radialschlitz 30 zu erkennen, welcher den hier nicht gezeigten Führungszapfen 32 beiderseits einfaßt. Die Nutbreite hängt vom jeweiligen Kolbendurchmesser ab und kann annähernd mit einer Winkelteilung von etwa 7,5°+2,5° angegeben werden.
In Fig. 10 schließlich ist eine Ansicht aus zwei verschie¬ den Richtungen auf die Stirnfläche des Kolbens 20 gezeigt mit einem Teilschnitt durch eine Kolbenfläche, aus welchem das Nutlängsprofil der Nuten 76 ersichtlich ist. Oberhalb der gestrichelt gezeichneten Teilungsebene ist die Ansicht auf den Radialschlitz 30 wiedergegeben. Unterhalb davon ist eine um 90° geschwenkte Ansicht dargestellt.
Die Nuten 76 können demgemäß entweder als durchlaufende Nu¬ ten mit geradlinigem, d.h. ebenem, Nutgrund oder mit ge¬ krümmtem Nutgrund (gestrichelter Verlauf) ausgebildet sein. Letztere Ausführungsvariante ist einerseits hinsichtlich der angestrebten Schneidwirkung der die Nuten 76 begrenzen¬ den Stege 78 von geringerer Wirkung als bei ebenem Nut¬ grund; dafür weist diese Gestaltung eine günstigere Stand¬ zeit auf, was ihre Einsatzdauer erhöht. Während des Pumpbetriebs wird das Fördermedium auf der Saugseite des Kolbens 20 angesaugt und infolge der Taumel¬ bewegung vom Saugraum 24 in den Druckraum 23 gefördert, wo, soweit erforderlich, die messerartigen Stege 78 die festen Bestandteile des Förcar ediums zerkleinern.
Die Nuten 76 sind, wie bereits erwähnt radial ausgerichtet, ebenso wie die sie begrenzenden Stege 78, wobei die Nut¬ breite am Außenumfang je nach Kolbendurchmesser 5 bis 10 mm betragen kann. In Verbindung mit der Taumelbewegung des
Kolbens 20 sorgen die radial ausgerichteten Nuten 76 bzw. die sie begrenzenden Nutflanken der Stege 78 dafür, daß das Fördergut, insbesondere die festen Bestandteile, beim Ab¬ rollen des Kolbens 20 an der Wand des Arbeitsraums 16 selbsttätig mitgeführt und ähnlich wie in einer Tasche ge¬ halten wird, so daß das Fördergut nicht zurückbleibt und keinen Rückstau verursacht, sondern stetig weitergefördert wird. Auf diese Weise ist es ermöglicht, auch schwer zu fördernde Medien abzupumpen.
Die Dicke der Stege beträgt vorzugsweise 1 mm + 0,5 mm, wo¬ bei durch entsprechende Bearbeitung der Stegquerschnitt ko¬ nisch vorgesehen sein kann mit breiter Basis und schmaler Außenkante. Hierdurch wird einerseits die Schneidwirkung der Stege 78 verbessert und gleichzeitig andererseits deren Standzeit erhöht.

Claims

Patentansprüche
1. Taumelscheibenmaschine (10) mit einem hohlkugelförmigen Arbeitsraum (16), der durch eine Trennwand (18) in mindestens einen Hochdruckraum (23) und einen Niederdruckraum (24) unterteilt ist, in welchen das Arbeitsmedium durch ein Leitungssystem zuführbar ist, wobei die Trennwand (18) bis zu einem Kolbenträger (26) reicht und mit einer plattenförmigen Dichtleiste (21) zusammenarbeitet, mit einem kreisringförmigen dem Durchmesser des Arbeitsrau¬ mes (18) angepaßten Kolben (20), der durch eine gelagerte Antriebswelle (28) mit dem Außenraum verbunden ist, die eine Taumelbewegung des Kolbens (20) bewirkt, welcher Kolben (20) mindestens einen radialen sich vom Um¬ fang bis ungefähr zu dem Kolbenträger (26) erstreckenden Radialschlitz (30) aufweist, in welchem ein Führungszapfen (38) eingesetzt ist, der mit der Trennwand (18) zusammenar- beitet, und welcher Kolben (20) sich nach außen zum Umfang hin ver¬ jüngt, wobei die Stirnflächen des Kolbens (20) mit gegenüberliegenden und senkrecht zur Drehachse der An- triebswelle (28) verlaufenden den Arbeitsraum (18) seitlich begrenzenden Seitenflächen in Berührung sind, dadurch gekennzeichnet, daß der im, Radialschlitz (30) angeordnete Führungszapfen (38) in einer in der Trennwand (18) angeordneten Führungsnut (40) geführt ist, welcher Radialschlitz (30) mit abgewinkelten Seitenflanken (32, 33) versehen ist, deren Öffnungswinkel an den Schwenk¬ hub des Kolbens (20) angepaßt ist und daß der Führungszap en (38) mit einem in dem Kolbenträger (26) angeordneten Dichtungssegment ( 37) zusammenarbeitet, welches an den Öffnungswinkel des Radialschlitzes (30) des Kolbens (20) angepaßt ist.
2. Taumelscheibenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Trennwand (18) den Führungszapfen (38) an zwei gegenüberliegenden Seiten mit der Führungsnut (40) einfaßt und in den im Kolben (20) angeordneten Radial¬ schlitz (30) eingreift.
3. Taumelscheibenmaschine (10) mit einem hohlkugelförmigen Arbeitsraum (16), der durch eine Trennwand (18) in mindestens einen Hochdruckraum (23) und einen Niederdruckraum (24) unterteilt ist, in welchen das Arbeitsmedium durch ein Leitungssystem zuführbar ist, wobei die Trennwand (18) bis zu einem Kolbenträger (26) reicht und mit einer plattenförmigen Dichtleiste (21) zusammenarbeitet, mit einem kreisringförmigen dem Durchmesser des Arbeitsrau¬ mes (16) angepaßten Kolben (20), der durch eine gelagerte Antriebswelle (28) mit dem Außenraum verbunden ist, die eine Taumelbewegung des Kolbens (20) bewirkt, welcher Kolben (20) mindestens einen radialen sich vom Um¬ fang bis ungefähr zu dem Kolbenträger (26) erstreckenden Radialschlitz (30) aufweist, in welchem ein Führungszapfen (38) eingesetzt ist, der mit der Trennwand (18) zusammenar- beitet, und welcher Kolben (20) sich nach außen zum Umfang hin ver¬ jüngt, wobei die Stirnflächen des Kolbens (20) mit gegenüberliegenden und senkrecht zur Drehachse der An- triebswelle (28) verlaufenden den Arbeitsraum (16) seitlich begrenzenden Seitenflächen in Berührung sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (20) einen Radialschlitz (30) aufweist mit dem Ξchwenkhub des Kolbens angepaßten Schlitzflanken (32, 33) und daß der Schlitzgrund (34) sowie die Stirnfläche der in den Radialschlitz (30) eingreifenden Trennwand (18) jeweils mit einer aufeinander abgestimmten, dem Radius des Schlitzgrun- des (34) angepaßten sphärischen Wölbung versehen sind.
4. Taumelscheibenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtleiste (21) in einer Um¬ fangsnut (22) am Kolben angeordnet ist.
5. Taumelscheibenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtleiste (21) durch das Arbeitsmedium gegen das Gehäuse (12) gedrückt ist.
6. Taumelscheibenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände des Ar- beitsraumes (18) kugelförmig ausgebildet sind.
7. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, daß beiderseits der Trennwand (18) kraftbeaufschlagte Dichtungswalzen (60) im Radial¬ schlitz (30) des Kolbens angeordnet sind.
8. Taumelscheibenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Dichtungswalzen (60) durch Druckfedern beaufschlagt sind, welche die Dichtungswalzen (60) gegen die Trennwand (18) drücken.
9. Taumelscheibenmascnine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungswalzen (60) durch Druckme¬ dium aus dem Arbeitsraum (16) beaufschlagt sind.
10. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (20) im Kolbenträger (26) mittels beidseitig angeordneter erster * und zweiter Kolbenlager (42, 44) geführt ist.
11. Taumelscheibenmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Kolbenlager (42,44) als Wälzlager ausgebildet sind.
12. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (12) Schmier- und Entlüftungskanäle (54, 56) angeordnet sind.
13. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmierkanäle (54) von außerhalb des Gehäuses (12) mit Fremdschmiermittel beaufschlagt sind.
14. Taumelscheibenmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zuführung von Fremdschmiermittel wenigstens ein Schmiermittelanschluß (62) vorgesehen ist, der mit den Schmierkanälen und Schmierbohrungen (54) im Ge¬ häuse (12) verbunden ist.
15. Taumelscheibenmaschine nach Anspruch 13 oder 14, da¬ durch gekennzeichnet, daß zur Zuführung von Fremdschmier¬ mittel wenigstens ein Schmiermittelanschluß (62) an einer Stirnseite der Antriebswelle (28) vorgesehen ist, welche mit einem als Zentralbohrung ausgebildeten Schmiermittelka¬ nal (64) versehen ist.
16. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlüf- tungskanäle (56) mit Unterdruck aus dem Niederdruckraum
(23) beaufschlagt sind und überschüssiges Schmiermittel von den versorgten Schmierstellen abführen.
17. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (20) mit einem mehrteiligen Dichtungssegment (37, 66) versehen ist, das ein Einsatzstück (39, 67) und einen Führungszapfen (38) aufweist, der mittels Schraubverbindung das Einsatzstück (37,66) mit dem Kolben (20) verbindet.
18. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben mit einem einteiligen Dichtungssegment (68) versehen ist, welches aus einem Einsatzstück (69) mit einstückig ange¬ formtem Führungszapfen (38) gebildet ist.
19. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (20) auf der dem Radialschlitz (30) gegenüber liegenden Seite eine radiale Ausnehmung (35) aufweist, die zum Gewichtsausgleich zur Vermeidung von Unwuchten des Kolbens (20) dient.
20. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Unwuchten des Kolbens (20) als Gewichtsausgleich wenigstens ein Wuchtgewicht (65) vorgesehen ist.
21. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die ra¬ diale Ausnehmung (35) zur Aufnahme wenigstens eines Wucht- gewichtes (65) dient.
22. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Durchführung der Antriebswelle (28) durch das Gehäuse (12) eine Prallscheibe (50) vorgesehen ist, welche die verwende¬ ten Wellenabdichtungen, wie Simmerring (51) mit Stopfbuchse (53) oder alternativ Gleitringdichtung (52), vor mechanischen Beschädigungen durch den Druckstrahl des Schmiermediums schützt.
23. Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der Wellendurchführung der Antriebswelle (28) durch das Gehäuse (12) leckagefrei gehalten ist unter Benutzung der Prall- scheibe (50) sowie von Entlüftungsbohrungen (56) jeweils am tiefsten Punkt unterhalb der Dichtungen (51, 52, 53).
24. Kolben (20) für eine Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (20) auf wenigstens einer stirnseitigen Kolbenfläche (72) zumindest bereichsweise radial verlaufende Nuten (76) aufweist, die von messerartigen Stegen (78) begrenzt sind.
25. Kolben für eine Taumelscheioenmaschine nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der mit den radialen Nuten (76) versehene Bereich (70) des Kolbens (20) ein Kreissek¬ tor ist, dessen Winkelhalbierende sich senkrecht zur Achse des Radialschlitzes (30) im Kolben (20) erstreckt.
26. Kolben für eine Taumelscheibenmaschine nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Kolbenflä¬ chen (72) radiale Nuten (76) angeordnet sind.
27. Kolben für eine Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (76) auf der jeweiligen Druckfläche (72) des Kol¬ bens (20) in einem Sektor (70) angeordnet sind, dessen eine Seite am Radialschlitz (30) angrenzt.
28. Kolben für eine Taumelscheibenmaschine nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die radia¬ len Nuten (76) jeweils in dem mit der Anschrägung verse¬ henen Bereich (70) des Kolbens (20) angeordnet sind, wel- eher mit der Innenwand des Arbeitsraums (16) in Berührung ist.
29. Kolben für eine Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (76) ein Viereckprofil aufweisen.
30. Kolben für eine Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (76) ein Rechteckprofil aufweisen.
31. Kolben für eine Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (76) ein Rechteckprofil mit einem ebenen Nutgrund auf¬ weisen.
32. Kolben für eine Taumelscheibenmaschine nach einem der Ansprüche 24 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (76) in bezug auf ihre Längsachse einen gekrümmten Nutgrund aufweisen.
33. Kolben für eine TaumelScheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (76) angeschrägte Nutflanken aufweisen
34. Kolben für eine Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten asymmetrisch angeschrägte Nutflanken aufweisen.
35. Kolben für eine Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (76) ein V-Profil mit schmalem Nutgrund aufweisen.
36. Kolben für eine Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kolbenschlitzseitigen Flanken einer jeden Nut (76) steiler angestellt sind als die gegenüberliegende Flanke.
37. Kolben für eine Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der An¬ stellwinkel der kolbenschlitzseitigen Nutflanken in bezug auf den Nutgrund 105° bis 120°, vorzugsweise 112° beträgt und daß der Anstellwinkel der gegenüberliegenden Nutflanken in bezug auf den Nutgrund >135° beträgt.
38. Kolben für eine Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die
Nuten (76) begrenzenden messerartigen Stege (78) eine schneidenförmige Außenkante und eine im Vergleich hierzu breitere Basis am Nutgrund aufweisen, welche den jeweiligen Steg verstärken.
39. Kolben für eine Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mes¬ serartigen Stege (78) oberflächengehärtet sind.
40. Kolben für eine Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mes¬ serartigen Stege (78) eine Beschichtung mit einem ver- schleißfesten Material aufweisen.
41. Kolben für eine Taumelscheibenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (20) aus rostfreiem Material, vorzugsweise aus Stahl, ge¬ fertigt ist
42. Kolben für eine Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die messerartigen Stege (78) aufnehmende Nutgrund (77) als se¬ parat gefertigtes Kolbenteil ausgebildet ist, welches mit dem Kolben (20) verbunden ist.
43. Kolben für eine Taumelscheibenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mes- serartigen Stege (78) als separate Einsätze aus Hartmetall gefertigt sind und in den angeschrägten Bereich (22) des Kolbens (20) eingesetzt sind.
44. Kolben für eine Taumelscheibenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (20) zumindest bereichsweise mit einer Weichschicht verse¬ hen ist.
45. Kolben für eine Taumelscheibenmaschine nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß die Weichschicht aus Gummi besteht.
46. Kolben für eine Taumelscheibenmaschine nach einem der Ansprüche 44 oder 45, dadurch gekennzeichnet, daß der Kol¬ ben aus Stahl besteht und die Weichschicht aus Gummi auf den Kolben (20) aufvulkanisiert ist.
47. Kolben für eine Taumelscheibenmaschine nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß die Weichschicht ein schlagzäher Kunststoff, z. B. ABS, ist
PCT/EP1993/003415 1992-12-16 1993-12-04 Taumelscheibenmaschine WO1994013934A1 (de)

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