WO2006058756A1

WO2006058756A1 - Vorrichtung zum wandeln eines drucks in ein drehmoment

Info

Publication number: WO2006058756A1
Application number: PCT/EP2005/012865
Authority: WO
Inventors: Kliment Vidolov
Original assignee: Kliment Vidolov
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2005-11-28
Publication date: 2006-06-08
Also published as: DE202005005348U1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wandeln eines Drucks in eine Drehbewegung, bzw. Drehmoment, und umgekehrt zum Wandeln eines Drehmoments in einen Druck. Dabei setzt sie sich aus einem Stator 1 und einem Rotor 2, welcher Stator 1 einen umlaufenden Kanal 4 auf seiner zum Rotor 3 gewandten zylindrischen Oberfläche 2 aufweist, wobei der Kanal 4 mit einem Druckmedium 7 ausgefüllt ist und über Durchlässe 6 für die Zu- und Abfuhr des Druckmediums 7 nach aussen verfügt, wobei sich zusätzlich ein Umlaufkolben 8 innerhalb des Kanals 4 befindet und beide getrennte Volumina voneinander abdichtet und über eine Verbindung mit dem Rotor 3 verfügt, welche Verbindung eine Kraft in tangentialer Richtung überträgt. Die Vorrichtung kann als einen hydraulischen Stellantrieb, beispielsweise auf dem Gebiet der hydraulischen Servolenkungen oder Werkzeugmaschinen, oder als hydropneumatische Drehfeder eingesetzt werden.

Description

Description Vorrichtung zum Wandeln eines Drucks in ein Drehmoment

[1] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wandeln eines Drucks in eine

Drehbewegung, bzw. Drehmoment, und umgekehrt zum Wandeln eines Drehmoments in einen Druck.

|2] Eine häufige Aufgabenstellung bei Kraftmaschinen ist die Umwandlung eines durch ein Fluid erzeugten Drucks in eine Bewegung, beispielsweise eine Drehbewegung. Üblicherweise erfordert diese Aufgabe einen zusätzlichen mechanischen Aufwand wie Übersetzungsgetriebe, Richtungswandler, Kupplungen usw. Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung bereit, die bei einfachem Aufbau eine direkte Umwandlung des Drucks eines Druckmediums in eine Drehbewegung, wie auch die Umwandlung eines Drehmoments in einen Druck bewirkt, wobei die zusätzliche Möglichkeit gegeben ist, Umdrehungen weit über 360° zu erlauben.

[3] Es ist eine ähnliche Vorrichtung aus der Patentschrift DE 3420557 bekannt, bei der ein sich im Gehäuse um eine Achse beweglichen Mitnehmerhebel einen im Kreisbogen gebogenen Federbalg zusammenstaucht, welcher Federbalg mit hydraulischer Flüssigkeit voll ist, die beim Stauchen über einen Kanal in eine getrennte Kammer einfließt und die dort befindliche Gasfeder staucht. Ein Nachteil dieser Federvorrichtung ist, dass nur eine begrenzte Drehbewegung ausgeführt werden kann und so zum Speichern der mechanischen Energie mehrerer Umdrehungen in Druckenergie ein Getriebe vorgeschaltet werden sollte. Außerdem ist die Federvorrichtung in dieser Ausführung als Stellmotor in beiden Drehrichtungen nicht einsetzbar.

[4] Es ist eine weitere Erfindung aus der Patentschrift US 3995536 bekannt, die anstatt eines Federbalgs zwei getrennte ringförmige Kammern ausweist, die durch eine gehäuseseitige Trennwand und beiden Seiten von einem ringförmigen Kolben begrenzt sind, welcher Kolben beim Ausüben eines hydraulischen Drucks in einer der Kammern sich in der entsprechenden Richtung bewegt und somit eine über einen Hebel verbundene Welle verdreht. Nachteil dieser Ausführung ist wieder der begrenzte Umfang der Verdrehung, die weit unter 360° bleibt.

[5] Es sind weitere Vorrichtungen nach dem Drehflügelprinzip bekannt, bei denen der

Betriebsdruck eines Druckmediums direkt und spielfrei in ein Drehmoment, bzw. eine Drehbewegung umgesetzt wird. Eine solche Vorrichtung ist aus der Patentschrift DE 20307106 bekannt. Dabei setzt sich diese Vorrichtung aus einem Gehäuse zusammen, das in einem inneren zylindrischen Arbeitsraum Trennwände aufweist und in welchem Gehäuse sich zusätzlich ein Rotor befindet, der über weitere Rotorflügel verfügt, die beim Verdrehen das sich in dem Arbeitsraum befindliche Druckmedium verdrängen. Nachteilig ist wie bei den anderen Vorrichtungen die begrenzte Freiheit der Verdrehung, die bei steigender Anzahl der Drehflügeln weiter abnimmt.

[6] Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine alternative Vorrichtung zu schaffen, die sich durchvergleichsweise einfachen Aufbauauszeichnet, die oben beschriebenen Nachteile beseitigt und es erlaubt, mehrere Umdrehungen eines Rotors direkt in hydraulischen Druck umzuwandeln, oder umgekehrt einen hydraulischen Druck direkt in mehreren Umdrehungen eines Rotors umzuwandeln.

[7] Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

[8] Die Erfindung besteht aus einem gehäuseseitigem Stator und einem Rotor, die von beiden Seiten zusätzlich mit Flanschen begrenzt werden können, welcher Stator mindestens einen gewindeförmigen Kanal auf der zum Rotor gewandten zylindrischen Oberfläche aufweist, welcher Kanal einen beliebigen gleichbleibenden Querschnitt besitzt. Jeder Kanal verfügt an einem Ende über weitere Durchlässe, die auch zusammengeführt werden können, über welche das Druckmedium von dem jeweiligen Kanal nach außen weitergelettet wird, und wird von einem Umlaufkolben an einer Stelle entlang des Kanals vollständig geschlossen, welcher Umlaufkolben den gleichen Querschnitt wie vom gewindeförmigen Kanal aufweist und einen zusammengesetzten Körper aus mehreren Teilen zur Funktionstrennung darstellen kann, und seinerseits über eine Verbindung mit dem Rotor verfügt, dieäs dem Umlaufkolben erlaubt, sich beim Verdrehen des Rotors entlang des Kanals frei zu bewegen oder umgekehrt bei einer Bewegung entlang des Kanals eine Kraft in tangentialer Richtung auf den Rotor zu übertragen. Diese Verbindung kann direkt zwischen Umlaufkolben und Rotor ausgeführt werden, und zwar wenn der Stator und der Rotor eine gemeinsame zylindrische Oberfläche aufweisen, oder über ein ringförmiges Zwischenelement, das mit dem Umlaufkolben fest verbunden ist und mit dem Rotor entweder formschlüssig oder fest verbunden ist. Dabei spielt dieses Zwischenelement auch die Rolle einer Dichtung zwischen den Arbeitsräumen der Vorrichtung und kontaktiert die zylindrischen Oberflächen sowohl vom Stator, als auch vom Rotor. So wird die Möglichkeit geschaffen, bei Zufuhr von Druckmedium durch die Durchlässe einen Druck in einem geschlossenen Arbeitsraum aufzubauen und über die mit Druck beaufschlagten Fläche des Umlaufkolbens ein Moment auf den Rotor zu erzeugen und somit eine Drehbewegung zu realisieren. Die umgekehrte Funktionsweise ist auch möglich. Dabei ist es noch möglich, den Rotor sowohl auf die Innen-, als auch auf die Außenseite des Stators zu positionieren, u.z. bei allen beschriebenen Ausführungsformen, was natürlich weitere konstruktive Auswirkungen auf die Position aller Komponenten mit sich bringt.

[9] Die bevorzugten Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.

[10] Nach der Ausgestaltung nach Anspruch 2 berühren sich die zylindrischen Oberflächen des Stators und des Rotors, so dass nur der Umlaufkolben mit Druck beaufschlagt wird und zusätzlich nur eine Tangentialkraft zwischen Umlaufkolben und

Rotor übertragen wird. [11] Bei der Ausführung nach Anspruch 3 wird der Umlaufkolben statt formschlüssig fest mit dem Rotor verbunden, so dass sie zu einem Körper werden. So ist es dann möglich, zusätzlich zum Drehmoment auch eine Axialkraft zu erzeugen, da die axiale

Bewegung des Umlaufkolbens auf dem Rotor übertragen wird. [12] Mit einer vorteilhaften Ausführung nach Anspruch 4 ist es möglich, diese Axialkraft gegen den Stator besser abzustützen und zusätzlich eine größere Dichtwirkung zwischen den einzelnen Kanalwindungen zu erzielen. [13] Nach Anspruch 5 wird die Möglichkeit gegeben, alle Umlaufkolben miteinander zu verbinden und die Tangentialkraft besser in den Rotor einzuleiten. [14] Um eine noch größere Axialkraft zu erzeugen bietet sich eine Ausführung nach

Anspruch 6. So wird zusätzlich die axiale Stirnfläche des ringförmigen Zwischenelements genutzt, um eine Druckkraft zu erzeugen. [15] Um die Leckverluste zu minimieren, bietet sich eine Ausführung nach Anspruch 7.

So werden die einzelnen Kanalwindungen deutlich besser voneinander abgedichtet. [16] Vorteilhaft ist ferner eine Ausgestaltung nach Anspruch8. So ist es möglich durch ein Drehmoment in einer beliebigen Drehrichtung Druckmedium durch die Durchlässe zu fördern. [17] Um ein unzulässiges Austreten des Druckmediums zu vermeiden oder eine

Steuerung der Durchflussvorgänge zu ermöglichen, empfiehlt sich eine Ausgestaltung der Durchlässe nach Anspruch 9. [18] Kombiniert mit Anspruch 10 kann die Vorrichtung als Stellantrieb in beiden

Drehrichtungen funktionieren und durch die kontrollierte Zufuhr und Abfuhr von

Druckmedium durch beide Enden jedes Kanals ein Drehmoment am Rotor in beiden

Drehrichtungen liefern. [19] Damit die Vorrichtung auch als Feder oder Dämpfer in mindestens einer

Drehrichtung arbeiten kann, empfiehlt sich eine Ausführung nach Anspruch 11. Die

Dämpferwirkung ergibt sich aus der konstruktiven Ausführung der Durchlässe oder durch Einbau von zusätzlichen Ventilen. Die Federwirkung kann dabei in weiten

Grenzen über den Druck des Gases beeinflusst werden. [20] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung geht aus Anspruch 12hervor. Damit ist man in der Lage, die Federkennlinie der Vorrichtung dynamisch zu steuern und an weitere

Einsatzbereiche anzupassen. 121] Eine weitere Variante empfiehlt sich nach Anspruch 13 oder 14. Dabei kann man auf eine Gasfeder verzichten, da die elastischen Körper oder die Membran die Rolle des Gases als Energiespeicher und Widerstand übernehmen. [22] Nach Anspruch 15 kann man die Energie auch in einer oder mehreren Federn speichern.

[23] Bei einer Ausführung nach Anspruch 16 ist man in der Lage, ein Drehmoment zu modulieren.

[24] Eine weitere Vorteilhafte Kombination ist nach Anspruch 17 gegeben. So kann man eine lineare Bewegung in eine Drehbewegung umwandeln und umgekehrt.

[25] Nach Anspruch 18 ist es weiterhin möglich, einen Druck zu modulieren.

[26] Anhand der Zeichnungen werden einige Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes näher erläutert. Es zeigt:

[27] Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung, die beispielsweise über einen gewindeförmigen Kanal verfügt und den Rotor auf der Innenseite des Stators hat.

[28] Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung, die beispielsweise über zwei gewindeförmige Kanäle verfügt und den Rotor auf der Außenseite des Stators hat.

[29] Fig. 3 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung, die beispielsweise über zwei gewindeförmige Kanäle verfügt und den Rotor auf die Innenseite des Stators hat. Dabei sind die Umlaufkolben fest mit dem Rotor verbunden und der Rotor führt bei der Verdrehung auch eine axiale Bewegung aus.

[30] Fig. 4 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung, bei welcher der Rotor zusätzliche

Gewindeerhebungen aufweist.

[31] Fig. 5 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung, bei welcher der Stator und der

Rotor keine gemeinsame Kontaktfläche aufweisen und die Umlaufkolben mit einem ringförmigen Zwischenelement fest verbunden sind, welcher Zwischenelement mit dem Rotor formschlüssig verbunden ist.

[32] Fig. 6 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung aus Fig. 5, bei welcher Vorrichtung das Zwischenelement mit dem Rotor fest verbunden ist. Somit bilden die Umlaufkolben, der Zwischenelement und der Rotor einen Körper.

[33] Fig. 7 eine vergrößerte Stelle eines Längsschnitts durch die Vorrichtung, bei der die

Dichtung zwischen den einzelnen Kanalwindungen abgebildet wird.

[34] Fig. 8 eine vergrößerte Stelle eines Längsschnitts durch die Vorrichtung, bei der eine andere vorteilhafte Ausführung der Dichtung zwischen den einzelnen Kanalwindungen abgebildet wird.

[35] Fig. 9 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung, die als Stellantrieb in beiden

Drehrichtungen arbeiten kann und von beiden Seiten des Umlaufkolbens mit Druck beaufschlagt werden kann. Es wird eine Zweikanalausführung dargestellt, bei der der Rotor zusätzlich auf der Innenseite des Stators aufgebracht wird. Die druckerzeugenden Vorrichtungen sind nicht dargestellt.

[36] Fig. 10 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung, die als Federvorrichtung in beiden Drehrichtungen ausgeführt ist und als Energiespeicher Gasfedern besitzt. [37] Fig. 11 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung, die als Federvorrichtung in beiden Drehrichtungen ausgeführt ist und eine alternative Ausführung der Gasfedern besitzt.

[38] Fig. 12 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung, die als Federvorrichtung in beiden Drehrichtungen ausgeführt ist und über eine dynamisch regelbare Gasfeder verfügt.

[39] Fig. 13 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung, die anstatt von Gasfedern über elastische Körper innerhalb oder angrenzend an das Druckmedium verfügt und so eventuelle Dichtigkeitsprobleme beim Einsatz des Gases beseitigt.

[40] Fig. 14 eine alternative Variante der elastischen Elemente.

[41] Fig. 15 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung, die anstatt von Gasfedern über konventionelle Federn verfügt, die von dem Druckmedium durch einen beweglichen Kolben getrennt werden.

[42] Fig. 16 eine Kombination von zwei Vorrichtungen, die ein Drehmoment modulieren.

[43] Fig. 17 eine Kombination von zwei Vorrichtungen, die einen Druck modulieren.

[44] Fig. 18 eine Kombination der Vorrichtung mit einem Hydraulikzylinder, welche

Kombination in einem Modul zusammengefasst wird.

[45] Das Funktionsprinzip der Vorrichtung wird nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert.

[46] Gemäß den Zeichnungen besitzt die Grundform der Vorrichtung einen Stator 1 und einen Rotor 3, welcher Rotor 3 sowohl auf der inneren, als auch auf der äußeren Seite des Stators 1 positioniert werden kann. Der Stator 1 verfügt auf der zum Rotor gewandten Oberfläche 2, welche Oberfläche 2 in der ersten Ausführung den Rotor 3 zusätzlich kontaktiert, über mindestens einen umlaufenden, über mehr als eine Windung gehenden Kanal 4, der beispielsweise in seiner Normalform gewindeförmig ausgeführt ist und einen Trapezquerschnitt 5 hat, aber auch über einen beliebigen gleichbleibenden Querschnitt verfügen kann. An einem Ende ist jeder Kanal 4 mit einem Durchläse 6 versehen, der das Druckmedium 7 in dem Kanal 4 nach außen führt. Innerhalb jedes Kanals 4 befindet sich ein Umlaufkolben 8, der entlang des Kanals 4 frei beweglich ist und das Durchdringen des durch ihn begrenzten Druckmediums 7 in den gegenüberliegenden Volumen innerhalb desselben Kanals 4 teilweise oder vollständig verbietet. Jeder Umlaufkolben 8 verfügt über mindestens eine zusätzliche formschlüssige Verbindung 10 mit dem Rotor 3, die beispielsweise als eine Art Keilwellenverbindung ausgeführt ist, die es ihm erlaubt, eine Tangentialkraft 13 auf den Rotor 3 zu übertragen, jedoch in axialer Richtung demgegenüber beweglich zu bleiben. Zusätzlich wird der Rotor 3 durch mindestens einen Flansch 1 1 oder eine alternative Vorrichtung, die nicht dargestellt ist, in seiner Position gehalten, welcher Flansch 1 1 beispielsweise an dem Stator 1 angeschraubt ist. Eine weitere Funktion dieses Flansches ist die Abdichtung des Innenraums der Vorrichtung. Dieser Flansch kann an jeder Stirnseite der Vorrichtung angebracht werden. Natürlich können gleichzeitig an beiden Seiten der Vorrichtung je einen Flansch vorgesehen werden. Da die genaue Geometrie des Flansches 11 an jeder praktischen Ausführung der Vorrichtung angepasst werden muss, was keine erfinderische Tätigkeit entspricht, und sowieso mit dem Grundprinzip der offenbarten Erfindung nichts zu tun hat, wird der Flansch bei der weiteren Beschreibung ignoriert. Funktionsmäßig passiert folgendes - beim Verdrehen des Rotors 3 wird eine Tangentialkraft 13 über die formschlüssige Verbindung 10 auf den Umlaufkolben 8 übertragen und eine Bewegung des Umlaufkolbens 8 entlang des Kanals 4 erzwungen. Dadurch wird das Druckmedium 7 verdrängt und es wird Druck aufgebaut. Die Wandlung eines Drucks in einem Drehmoment funktioniert auf die umgekehrte Art und Weise. Wenn eine Pumpe oder eine vergleichbare druckmediumfördernde Vorrichtung Druckmedium 7 über die Durchlässe 6 in die Kanäle 4 fördert, werden die einzelnen Umlaufkolben 8 angetrieben und über die formschlüssigen Verbindungen wird ein Moment, bzw. eine Drehbewegung an dem Rotor 3 erzeugt, (s. Fig. 1 und Fig. 2)

[47] Die Ausführung der Kanäle 4 als eine irreguläre Windungsform oder mit sich änderndem Querschnitt erfordert zusätzlich eine Anpassung des Umlaufkolbens 8 in jeder Position zu der Kanalgeometrie, so dass seine primäre Funktion der Dichtung und Kraftübertragung nicht verloren geht. Mögliche Aushilfe wäre die Ausführung des Umlaufkolbens 8 als elastisches Element, der sich weitgehend an die Geometrie anpasst. Auf diese und weitere Möglichkeiten wird jedoch nicht näher eingegangen.

[48] Wenn man beide Enden jedes Kanals 4 mit Durchlässen 6 versieht und die Kanäle 4 durch die Umlaufkolben 8 in zwei Arbeitsräumen 14 teilt, beispielsweise genannt linker 15 und rechter Arbeitsraum 16, kann man die Vorrichtung als Stellantrieb oder druckmediumfördernde Vorrichtung in beiden Drehrichtungen einsetzen (s. Fig. 9). Im Falle eines Stellantriebs ergibt sich über die Druckdifferenz der einzelnen Arbeitsräume 14 und abhängig von der Querschnittsfläche des Kanals 4 eine resultierende Druckkraft auf den Umlaufkolben, welche, multipliziert mit der Anzahl der Kanäle, dem Kosinus des Steigungswinkels und dem wirkenden Hebelarm, ein Drehmoment 27 auf den Rotor ergibt:

[49]

[50] M=n* Δp*A*r*cos(α) [51] mit:

[52] n -Anzahl von Kanälen 4 mit Umlaufkolben 8

[53] Δp -Druckdifferenz der Arbeitsräume 15 und 16

[54] A -Querschnittsfläche eines Kanals 4

[55] r -Hebelarm von der Drehachse bis zum Angriffspunkt der Druckkraft

[56] α -Steigungswinkel des gewindeförmigen Kanals

[57] Diese Formel beschreibt den allgemeinen Zusammenhang zwischen Druck, konstruktiver Ausführung der Vorrichtung und das Drehmoment 27 am Rotor in einem idealisierten Zustand, bei dem die mit Druck beaufschlagte Kontaktstirnwand 9 des Umlaufkolbens einen Winkel von 90° mit seinem momentanen Bewegungsvektor schließt. Um das Drehmoment 27 zu erhöhen, könnte man beispielsweise die Anzahl der Kanäle 4 steigern, eine größere Querschnittsfläche der Kanäle 4 wählen, den Durchmesser der gemeinsamen Kontaktoberfläche 2 vergrößern, eine größere Druckdifferenz erzeugen oder mehrere der beschriebenen Maßnahmen in sinnvoller Weise kombinieren. Zusätzlich wäre es möglich, den Winkelαzu vergrößern. Dabei würde der Keileffekt auftreten, welcher bei den beschriebenen Ausführungen vernachlässigbar ist. Bei diesem Keileffekt würde die abstützende Wirkung der Seitenflächen des Umlaufkolbens 8 auf die Stege 33 zwischen den Kanalwindungen 4 zum Tragen kommen und die Tangentialkraft 13 würde auch vom tan(α) abhängen. Dieser Effekt ist jedoch eher unerwünscht, da die erhöhte Abstützkraft auf die Stege zu einer erhöhten Reibkraft und zusätzlichem Verschleiß und undicht werden führen kann. Dieser Keileffekt hängt des Weiteren auch vom Neigungswinkel der mit Druck beaufschlagten Kontaktstirnwand 9 des Umlaufkolbens 8 in Bezug auf die Rotationsachse der Vorrichtung (oder wie schon erwähnt zum Vektor der Bewegungsrichtung entlang des Kanals 4), da der über diese Fläche integrierte Druck den Vektor der erzeugten Druckkraft ergibt und dieser Vektor dementsprechend in einer axialen, radialen und tangentialen Komponente aufgeteilt werden kann. Je nach Einsatzfall können die einzelnen Komponentengrößen analytisch ermittelt und optimiert werden, um beispielsweise die Reibkraft zwischen Umlaufkolben 8 und Steg 33 zu minimieren.

[58] Es existiert ferner die Möglichkeit, unterschiedliche Drücke innerhalb der einzelnen

Kanäle 4 wirken zu lassen. So könnte man einige der Kanäle beim Betrieb selektiv ein- und ausschalten und so eine zeitliche Abhängigkeit des Drehmoments von der Anzahl der aktiven Kanäle 4 zu realisieren. Diese Lösung ist jedoch nur in Verbindung mit der nach Ansprüchen 3 oder 4 ausgeführte Vorrichtung, da die Rotornut 30 in den restlichen Ausführungen sonst diese Druckunterschiede ausgleichen könnte.

[59] Ein weiterer Vorteil der Mehrkanalausführung ist die Neutralisierung der

Querkräfte auf dem Rotor, da sie symmetrisch um die Achse wirken.

[60] Für den Fall, dass man eine lineare Verstellbewegung abhängig von der Drehbewegung ausführen will, kann man den Rotor 3 mit den Umlaufkolben 8 entweder fest verbinden oder als einen Körper konstruieren. Beim Einwirken eines Drucks verschieben sich die Umlaufkolben 8 entlang der Kanäle 4, was eine Mitnahme des Rotors 3 sowohl in tangentialer, als auch in axialer Richtung bedeutet. Auf diese Weise ist die translatorische Bewegung des Rotors 3 direkt von deren Drehbewegung und so von der konstruktiven Ausführung der Kanäle 4 abhängig. Es wird auch eine Axialkraft erzeugt, bei der die Keilwirkung der Umlaufkolben 8 zum Tragen kommt und mit der Funktionsweise einer Schraube vergleichbar ist. Dabei wird das Ein- oder Ausdrehmoment vom Druckmedium 7 erzeugt, (s. Fig. 3)

[61] Ferner ist es möglich, den Rotor 3 mit zusätzlichen Gewindeerhebungen 26 zu versehen, welche die Geometrie der Kanäle 4 entsprechen und unterstützend bei der Axialverschiebung und Krafteinleitung auf den Stator 1 wirken. Sie bewirken auch eine zusätzliche Abdichtung der Kanäle 4. (s. Fig. 4)

[62] Will man die Kopplung der Axial- mit der Drehbewegung vermeiden, könnte man den Rotor 3 wieder von den Umlaufkolben 8 in axialer Richtung entkoppeln und über zusätzliche konstruktive Maßnahmen den Rotor 3 in axialer Richtung verstellen. Voraussetzung dafür ist jedoch die axiale Freiheit des Rotors 3 in Bezug auf den Stator 1 , was beispielsweise durch die Veränderung der Flanschgeometrie erreicht werden kann, so dass die Flansche 11 kein Hindernis für den Rotor 3 in seiner axialen Bewegung mehr darstellen. Einige Varianten für Antrieb in axialer Richtung sind Hydraulikzylinder, Kopplung des Rotors 3 über ein zusätzliches Gewinde oder spezielle Führungssysteme mit einem anderen feststehenden oder beweglichen Element. Beispiel wäre eine Schaubenverbindung zwischen Flansch und Rotor, über welcher Geometrie die Axialkraft infolge des Drehmoments bestimmt wird. Auf diese Möglichkeiten wird allgemein hingewiesen.

[63] Um die Umfangskraft besser in den Rotor 3 einzuleiten, könnte man die

Vorrichtung nach Fig. 5 ausführen. In diesem Fall berühren sich die zylindrischen Oberflächen vom Stator 1 und vom Rotor 3 nicht. Der Umlaufkolben 8 ist mit einem zusätzlichen ringförmigen Zwischenelement 32 fest verbunden, welches Zwischenelement 32 die oben genannten Oberflächen vom Stator 1 und vom Rotor 3 kontaktiert und somit beide sich ergebende Arbeitsräume 15 und 16 voneinander komplett abdichtet. Für die bessere Abdichtung kann man auch zusätzliche Dichtelemente vorsehen. Die Umlaufkolben 8 leiten eine Tangentialkraft über eine größere Fläche in das Zwischenelement 32 ein. Dieses leitet die Tangentialkraft dann weiter in den Rotor, indem es mit dem Rotor 3 über eine formschlüssige Verbindung 10 verfügt. Diese Verbindung könnte jede beliebige formschlüssige Verbindung sein, die zum Stand der Technik gehört.

[64] Um zusätzlich auch eine Axialkraft zu erzeugen, wird das ringförmige Zwisch- enelement 32 mit dem Rotor 3 fest verbunden. Somit werden der Rotor 3, das Zwischenelement 32 und die Umlaufkolben 8 zu einem Körper. Die Axialkraft wird im Vergleich zur Ausführung in Fig. 3 zusätzlich über die auf die Stirnfläche des Zwischenelements 32 wirkende Druckkraft verstärkt. Somit hängt diese Axialkraft nicht nur von der Geometrie der Kanäle 4, sondern auch vom Abstand zwischen Rotor 3 und Stator 1 , welcher die Dicke des Zwischenelements 32 bestimmt, und von der Druckdifferenz zwischen beiden Arbeitsräumen 15 und 16. (Fig. 6)

L65] Damit die inneren Leckagen auf ein Minimum gebracht werden können, empfiehlt sich der Einsatz von Dichtungen zwischen allen beweglichen Teilen innerhalb der Vorrichtung. Um beispielsweise das Überströmen von Arbeitsmedium zwischen den einzelnen Kanalwindungen zu unterbinden, wird eine mit dem Kanal 4 umlaufende Dichtung 34 eingesetzt, welche sich vom Anfang bis Ende des Kanals 4 erstreckt und ihn auf beiden Seiten begleitet. Diese Dichtung 34 wird auf der zum Rotor gewandten Oberfläche 2 des Stators 1 angebracht und kontaktiert entweder den Rotor 3 oder das ringförmige Zwischenelement 32. Zwei Beispiele solcher Dichtungen 34 sind in Fig. 7 und Fig. 8 zu sehen. Dabei wird die Dichtung 34 entweder in einer Nut 35 in dem Steg 33 befestigt oder auch zusätzlich auf die Stegoberfläche geklebt. Die Dichtung 34 kann auch ganz andere Querschnitte haben und aus unterschiedlichen Materialien zusammengesetzt sein, wie auch anders an dem Steg 33 befestigt werden. Alle diese Varianten gehören jedoch schon zum Stand der Technik und werden je nach Einsatz und praktischen Ausführung der Vorrichtung gewählt. Dazu zählen auch eventuelle Dichtungen zwischen Rotor 3, Stator 1 , Flansche 1 1 oder sonstigen beweglichen Elementen.

[66] Bei der Ausführung als Federvorrichtung in mindestens einer Drehrichtung verbindet man die Arbeitsräume 14 der Kanäle 4 mit separaten Kammern 17, die ein Teil der Vorrichtung oder auch zusätzliche Vorrichtungen sein können. Jede der Kammern 17 verfügt über Gasfedern 18 als elastische Elemente. So resultiert, wie schon beschrieben, eine Verdrehung des Rotors 3 aufgrund eines wirkenden Drehmoments in einer beliebigen Drehrichtung in einer Verdrängung des Druckmediums 7 in den jeweiligen Kanälen 4, die über die zugehörigen Durchlässe 6 das Druckmedium 7 in die einzelnen Kammern 17 leiten. Der aufgebaute Druck in den entsprechenden Kammern 17 verdichtet das Gas über speziell vorgesehene Kontaktelemente, die beispielsweise als beweglicher Kolben 24 oder als das Gas umschließende Membran 25 ausgeführt werden können, (s. Fig. 10 und Fig. 1 1)

[67] Bei vorverdichtetem Gas in den Gasfedern 18 herrscht ein definierter Druck innerhalb der Kanäle 4, was dazu führt, dass sich der Rotor 3 erst beim Überschreiten eines auf ihn ausgeübten Mindestdrehmoments eine Drehbewegung ausführen kann.

[68] Die Dämpferwirkung wird durch geeignete konstruktive Ausführung der Durchlässe 6, durch Einbau von zusätzlichen Drosselklappen oder vergleichbaren Vorrichtungen erreicht, auf die nicht näher eingegangen wird. Die Dämpferwirkung kann zusätzlich durch Einbau von Durchlassöffnungen innerhalb des Umlaufkolbens 8 erreicht werden, indem ein Überströmen des Druckmediums 7 zwischen den Arbeitsräumen 14 gewährleistet wird, wenn also keine 100% Dichtheit des Umlaufkolbens 8 gegeben ist.

[69] Es ist auch möglich, die Durchlässe 6 als Steuerventile auszuführen, die den

Durchfluss des Druckmediums freigeben oder sperren können.

[70] Eine noch größere Flexibilität besitzt die Federvorrichtung bei dynamischer

Steuerung des Drucks innerhalb der Gasfedern 18. Wenn ein Kompressor 20 oder eine alternative Vorrichtung zum Erzeugen oder Speichern von Druck an die Gasfedern 18 über ein geeignetes System von Leitungen 19, Ventilen 21, Steuerungs- und Überwachungselektronik (nicht dargestellt) angeschlossen wird, wird es möglich, die Federkennlinie dynamisch an die Bedingungen anzupassen, (s. Fig. 12)

[71] Als Energiespeicher in einer Federvorrichtung sind auch elastische Körper 22 denkbar, wobei sie die Rolle der Gasfedern 18 übernehmen können. Beim Verdrängen des Druckmediums 7 in die zusätzlichen Kammern 17 werden die elastischen Körper 22 elastisch verformt und üben einen Widerstand aus, bzw. speichern die mechanische Energie. Die Federkennlinie lässt sich über die mechanischen Eigenschaften dieser elastischen Körper 22 beeinflussen. Sie können alternativ nicht nur in separaten Kammern 17 eingeschlossen werden, sondern können mit dem Druckmedium 7 vermischt werden und sich in den Kanälen 4 befinden. So lässt sich eine besonders platzsparende Ausführung der Federvorrichtung realisieren. Außerdem können sie als elastische Membran 25 ausgeführt werden, welche durch die Verdrängung des Druckmediums 7 verformt wird und Widerstand ausübt, bzw. Energie speichert (s. Fig. 13 und 14)

[72] Ferner ist es möglich, die Gasfedern durch konventionelle Federn 23 zu ersetzen und über einen beweglichen Kolben 24 von dem Druckmedium 7 zu trennen. Auf diese Weise resultiert die Verdrängung des Druckmediums 7 auf eine Verschiebung des Kolbens 24, der seinerseits die Federn 23 staucht, (s. Fig. 15)

[73] Ferner ist es möglich, zwei oder mehr solche Vorrichtungen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass man ein Drehmoment oder einen Druck über eine begrenzte Anzahl von Umdrehungen modulieren kann. Beispielsweise kann man ein in die erste Vorrichtung eingehendes Drehmoment 27 erst mal in Druck eines Druckmediums 7 umwandeln, welches Druckmedium 7 über flexible oder starre Leitungen 19 mit den Kanälen 4 der zweiten Vorrichtung verbunden ist und auf deren Umlaufkolben 8 einen Druck ausübt, der in einem zweiten Drehmoment 31 am Rotor 3 der zweiten Vorrichtung resultiert. Das Verhältnis beider Drehmomente ist von der konstruktiven Ausführung und den bestimmenden Größen jeder Vorrichtung abhängig und kann analytisch berechnet werden, (s. Fig. 16)

[74] Um einen Druck zu modulieren, verbindet man die Rotoren 3 beider Vorrichtungen miteinander in geeigneter Weise,beispielsweise über eine starre Kupplung 37. Der Druck in der ersten Vorrichtung bewirkt ein Drehmoment 27 auf deren Rotor 3, der sich auf den zweiten Rotor 3 überträgt, welches zweite Drehmoment einen Druck in die Kanäle 4 der zweiten Vorrichtung erzeugt (s. Fig. 17). Das Verhältnis lässt sich wieder analytisch bestimmen. Konstruktiv ist es weiter möglich, diese Kombinationen auch in einem Gehäuse zu integrieren oder ein Getriebe dazwischen zu schalten.

[75] Eine weitere vorteilhafte Kombination wäre mit einem Hydraulikzylinder. So wäre man in der Lage, eine Rotationsbewegung der Vorrichtung in eine Translationsbewegung des Hydraulikzylinders und umgekehrt eine Translationsbewegung des Hydraulikzylinders in eine Rotationsbewegung der Vorrichtung umzuwandeln. Dafür werden die Durchlässe 6 der Vorrichtung und des Hydraulikzylinders miteinander über geeignete Leitungen verbunden. Natürlich ist auch eine integrierte Lösung wie die von Fig. 18 ersichtlich möglich.

[76] Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Wandeln eines Drucks in eine

Drehbewegung und umgekehrt kann in weiten Bereichen des Maschinenbaus eingesetzt werden, insbesondere dort, wo es notwendig ist, die mechanische Energie mehrerer Umdrehungen in Druck umzuwandeln und gegebenenfalls zu speichern, eine begrenzte Drehbewegung über eine Distanz ohne starre Verbindung zu übertragen oder einen Stellmotor für Drehbewegungen einzusetzen. Es ergeben sich wesentliche Vorteile durch das Entfallen von sonst benötigten Getrieben, die daraus folgende Wirkungsgraderhöhung, die hohle Bauweise, die Flexibilität bei der Kombination mit bestehenden hydraulischen Systemen und Vorrichtungen zur Erschließung von neuen Anwendungsfeldern. Einige Einsatzbereiche wären u.a. der Werkzeugmaschinenbau, die Automatisierungstechnik, Industrieroboter, Servolenkungen für Kraftwagen uvm.

[77] Liste der verwendeten Bezugszeichen

[78] Stator 1

[79] Oberfläche 2

[80] Rotor 3

[81] Kanal 4

[82] Querschnitt 5

[83] Durchläse 6

[84] Druckmedium 7

[85] Umlaufkolben 8

[86] Kontaktstirnwand 9

[87] Keil Wellenverbindung 10 [88] Flansch 11

[89] Richtung 12

[90] Tangentialkraft 13

[91] Arbeitsräume 14

[92] linker Arbeitsraum 15

[93] rechter Arbeitsraum 16

[94] Kammer 17

[95] Gasfeder 18

[96] Leitungen 19

[97] Kompressor 20

[98] Ventile 21

199] elastische Körper 22

[100] Feder 23

[101] Kolben 24

[102] Membran 25

[103] Gewinde 26

[104] Drehmoment 27

[105] Schraube 28

[106] Druckbehälter 29

[107] Rotornut 30

[108] Zweites Drehmoment 31

[109] Ringförmiges Zwischenelement 32

[HO] Steg 33

[H l] Dichtung 34

[1 12] Stegnut 35

[1 13] Zylinderkolben 36

[114] Kupplung 37

Claims

[1 ] Vorrichtung zum Wandeln eines Drucks in ein Drehmoment, bestehend aus einem Stator und einem Rotor, die zueinander drehbar gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator 1 mindestens einen umlaufenden, über mehr als 360° gehenden Kanal 4 auf seiner zum Rotor 3 gewandten zylindrischen Oberfläche 2 aufweist, wobei der Kanal 4 einen beliebigen konstanten Querschnitt 5 aufweist, mit einem Druckmedium 7 ausgefüllt ist und über mindestens einen Durchlass 6 für die Zu- und Abfuhr des Druckmediums 7 nach außen verfügt, welcher Durchlass 6 sich vorzugsweise an einem Ende des Kanals 4 befindet, wobei sich zusätzlich ein Umlaufkolben 8 innerhalb des Kanals 4 befindet, welcher Umlaufkolben 8 entlang des Kanals 4 frei beweglich ist, das Durchdringen des durch ihn begrenzten Druckmediums 7 in den gegenüberliegenden Volumen innerhalb desselben Kanals 4 teilweise oder vollständig verbietet und über mindestens eine Verbindung mit dem Rotor 3 verfügt, welche Verbindung eine Kraft in mindestens tangentialer Richtung überträgt.

[2] Vorrichtung zum Wandeln eines Drucks in ein Drehmoment nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Stator 1 und der Rotor 3 idealisiert eine gemeinsame zylindrische Oberfläche 2 aufweisen und der Umlaufkolben 8 mit dem Rotor formschlüssig verbunden ist.

13] Vorrichtung zum Wandeln eines Drucks in ein Drehmoment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator 1 und der Rotor 3 idealisiert eine gemeinsame zylindrische Oberfläche 2 aufweisen und der Umlaufkolben 8 mit dem Rotor fest verbunden ist oder ein Teil vom Rotor 3 ist, so dass auch eine Kraft in axialer Richtung übertragen wird.

[4] Vorrichtung zum Wandeln eines Drucks in ein Drehmoment nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor 3 zusätzliche gewindeförmige Erhebungen 26 aufweist, die der Kanalgeometrie 4 entsprechen.

[5] Vorrichtung zum Wandeln eines Drucks in ein Drehmoment nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Stator 1 und der Rotor 3 keine gemeinsame zylindrische Oberfläche aufweisen und mindestens ein Umlaufkolben 8 mit einem ringförmigen Zwischenelement 32 fest verbunden ist, welcher Zwischenelement 32 über eine formschlüssige Verbindung 10 mit dem Rotor verfügt, welche formschlüssige Verbindung 10 eine Kraft in tangentialer Richtung überträgt.

[6] Vorrichtung zum Wandeln eines Drucks in ein Drehmoment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator 1 und der Rotor 3 keine gemeinsame zylindrische Oberfläche aufweisen und mindestens ein Umlaufkolben 8 mit einem ringförmigen Zwischenelement 32 fest verbunden ist, welcher Zwischenelement 32 über eine feste Verbindung mit dem Rotor verfügt, welche feste Verbindung eine Kraft in tangentialer und axialer Richtung überträgt.

[7] Vorrichtung zum Wandeln eines Drucks in ein Drehmoment nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege 33 zwischen den Kanalwindungen 4 des Stators 1 mindestens eine zusätzliche umlaufende Dichtung 34 aufweisen, welche Dichtung 34 auf die zum Rotor 3 gewandten zylindrischen Oberfläche 2 des Stators 1 angebracht ist oder in einer umlaufenden Nut 35 auf diese Oberfläche 2 befestigt wird und somit Teil des Stators 1 wird und die Oberfläche des Rotors 2 oder die des Zwischenelements 32 zu allen Zeiten berührt.

[8] Vorrichtung zum Wandeln eines Drucks in ein Drehmoment nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb mindestens eines Kanals 4 beide von dem Umlaufkolben 8 getrennte Volumina 15 und 16 mit Druckmedium 7 ausgefüllt sind und jeweils über mindestens einen Durchlass 6 zur Ab- oder Zufuhr des Druckmediums 7 verfügen.

[9] Vorrichtung zum Wandeln eines Drucks in ein Drehmoment nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Durchlass 6 die Rolle eines Steuerventils übernimmt und den Durchfluss des Druckmediums 7 sperrt, freigibt oder drosselt.

[10] Vorrichtung zum Wandeln eines Drucks in ein Drehmoment nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einem Arbeitsraum 14 über die zugehörigen Durchlässe 6 eine druckerzeugende Vorrichtung angeschlossen wird, welche Vorrichtung Druckmedium 7 in einer beliebigen Richtung fördert.

[1 1] Vorrichtung zum Wandeln eines Drucks in ein Drehmoment nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmedium 7 mindestens eines Arbeitsraums 14 nur über dessen Durchlass 6 oder auch über zusätzliche Leitungen 19 mit einer zugehörigen, separaten Kammer 17 verbunden ist, welche Kammer 17 Teil dieser Vorrichtung oder eine zusätzliche Vorrichtung ist und der Druck innerhalb dieser Kammer 17 in geeigneter Art und Weise mit dem Druck innerhalb einer Gasfeder 18 gekoppelt ist.

[ 12] Vorrichtung zum Wandeln eines Drucks in ein Drehmoment nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Gases in mindestens einer der Gasfeder 18 dynamisch verändert wird.

[ 13] Vorrichtung zum Wandeln eines Drucks in ein Drehmoment nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich elastische Körper 22 in der Kammer 17 oder in dem Kanal 4 befinden.

[14] Vorrichtung zum Wandeln eines Drucks in ein Drehmoment nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmedium 7 an einer geeigneten Stelle durch eine elastische Membran 25 begrenzt wird, wobei diese elastische Membran 25 sich infolge eines Drucks verformt.

[15] Vorrichtung zum Wandeln eines Drucks in ein Drehmoment nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmedium 7 mindestens eines Arbeitsraums 14 nur über dessen Durchlass 6 oder auch über zusätzliche Leitungen 19 mit einer zugehörigen, separaten Kammer 17 verbunden ist, welche Kammer 17 Teil dieser Vorrichtung oder eine zusätzliche Vorrichtung ist, wobei das Druckmedium 7 innerhalb dieser Kammer 17 einen beweglichen Kolben 24 kontaktiert, welcher Kolben 24 seinerseits in geeigneter Art und Weise mit mindestens einer Feder 23 verbunden ist und bei Bewegung diese Feder 23 mechanisch verformt.

[16] Vorrichtung zum Wandeln eines Drucks in ein Drehmoment nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese druckerzeugende Vorrichtung ebenfalls eine Vorrichtung zum Wandeln eines Drucks in ein Drehmoment nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 ist.

[17] Vorrichtung zum Wandeln eines Drucks in ein Drehmoment nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese druckerzeugende Vorrichtung ein Hydraulikzylinder ist.

[18] Vorrichtung zum Wandeln eines Drucks in ein Drehmoment nach einem der

Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor 3 mit dem Rotor 3 einer anderen Vorrichtung zum Wandeln eines Drucks in ein Drehmoment nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 verbunden ist.