WO2011018393A1 - Antriebsvorrichtung für oszillierende verdrängermaschinen - Google Patents

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Horst Fritsch
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Definitions

  • the present invention relates to an engine for oscillating displacement machines, such as diaphragm pumps, with an eccentric shaft and a plurality of piston rods, wherein the piston rods are so in communication with the eccentric shaft, that rotation of the eccentric shaft causes an oscillating linear movement of the piston rods.
  • Oscillating machines are usually built according to the principle of the Geradschubkur- geretriebes. At high power, or to keep the oscillating, acting on the machine foundation mass forces small, such machines are usually designed as a multi-crank engine.
  • the individual eccentric with connecting rod and piston rods, either in a row or boxer or star shape are arranged side by side and are driven by a common crankshaft, the eccentric are offset by the same angle to each other.
  • the engine has a large overall volume, a high weight and high production costs.
  • DE 85 21 520 describes a multi-cylinder diaphragm pump with a plurality of diaphragm pump heads, each having an actuatable by a hydraulic piston diaphragm.
  • the pump drive takes place via a connecting rod eccentric device.
  • the connecting rod is rotatably coupled to both the piston and the piston rod and the eccentric shaft, whereby the engine is expensive to manufacture.
  • US-5,368,451 describes a corresponding device with three hydraulic cylinders, in which the piston rod is pressed by means of a return spring on the eccentric surface.
  • DE 196 26 938 A1 describes a star-shaped piston-cylinder arrangement in which the shaft is surrounded by radially aligned cylinders in which displaceable pistons are arranged, which are connected by connecting rods via an eccentric with the shaft.
  • a slotted guide consists of a backdrop, which has a slot, a web or a groove, and a correspondingly formed sliding block, which is forcibly guided by the backdrop.
  • all the piston rods lie in one plane, wherein the piston rods are particularly preferably arranged in a star shape.
  • star-shaped in the context of the present application, it is understood that the piston rods are equally spaced from each other in the circumferential direction of the eccentric shaft. In other words, adjoining adjacent piston rods in a projection on a plane perpendicular to the eccentric shaft in each case the same angle.
  • the slotted guide is designed such that eccentric shaft and piston rods are positively connected to each other in a first spatial direction, preferably in a second direction perpendicular thereto spatial direction, while a relative movement in a third spatial direction perpendicular to is arranged first and second spatial direction is possible.
  • the backdrop may be formed as a T-slot and the sliding block as a correspondingly adapted sliding block. It has been shown that the link is preferably arranged on the piston rod and the sliding blocks are preferably attached to the eccentric shaft.
  • the eccentric shaft may be connected to a link element (eg rotatable), which has the slotted links or the sliding blocks, the slotted links or the sliding blocks lying on the boundary surfaces of a regular polygon with n corners.
  • the backdrop is preferably made of hardened steel.
  • the sliding block is best made of a copper alloy, preferably made of bronze, in order to allow the lowest possible movement of the sliding block in the backdrop.
  • the disadvantages mentioned above are eliminated in that the piston forces for both the pressure stroke and the suction stroke di-. - A - rectly from the eccentric link, which is rotatably connected to the eccentric shaft are transmitted to the individual piston rods, which additional components, such as an expensive retraction rod or connecting rods, accounts and so the size of the entire engine can be significantly reduced.
  • Figure 1 shows a first embodiment of a Exzenterkulissen engine according to the
  • FIG. 2 shows a further sectional view perpendicular to the view shown in FIG. 1,
  • FIGS. 3a-c show three variants of the engine according to the invention.
  • Figures 4a + b and 5 a + b different embodiments of the connection between the piston rod and link element.
  • the engine is used to drive a three-cylinder engine.
  • the engine thus has three piston rods 1, which lie in a plane and are offset by 120 ° from each other.
  • the eccentric shaft 2 is rotatably connected to a Exzenterkulisse. If the eccentric shaft is rotated about the axis 12, the center point 1 1 of the eccentric cam will move on the circle provided with the reference numeral 13. In other words, the eccentric cam performs a translatory circular motion.
  • the link element 6 is preferably triangular in shape, wherein on the three sides of the triangle, the sliding blocks or sliding blocks are arranged, the sliding surfaces 8 have.
  • the piston rods 1 have corresponding sliding shoes 5, which serve as a backdrop.
  • the slide shoe 5 surrounds the sliding blocks of the link element 6, so that the sliding surfaces 8 of the sliding blocks bear against the sliding surfaces 7 of the backdrop.
  • the sliding blocks of the link element 6 are thus positively embraced by the shoe 5.
  • the sliding blocks 5 Upon rotation of the shaft 2, the sliding blocks 5 will slide along the sliding surfaces 8 of the sliding blocks.
  • almost no transverse forces are applied by the eccentric shaft to the piston rods 1.
  • FIG. 3 a shows a two-cylinder drive.
  • the engine therefore has only two piston rods 1.
  • the link element 6 ' here has a rectangular shape, with corresponding sliding surfaces provided with sliding surfaces are arranged only on two opposite sides of the rectangle, which are encompassed by the shoes 5 of the piston rods 1. at a rotation of the shaft, the center 1 1 of the link element 6 'will move along the circle 13.
  • Figure 3b shows the already known from Figures 1 and 2 embodiment with three cylinders.
  • FIG. 3c shows a four-cylinder drive.
  • the gate element 6 is similar to the gate element 6 'of the embodiment of Figure 3a, but here on all four sides of the square gate element 6" corresponding sliding surfaces 11 supporting sliding blocks are arranged, which are each embraced by a shoe 5 of the four piston rods 1.
  • FIGS. 4a and 4b show an enlarged view of the slotted guide.
  • the piston rods 1 have at their end a pressure plate 5 ', which together with the remindholklauen 14 form the shoe.
  • the return claws 14 are fastened by means of a screw to the pressure plate 5 '. In the embodiment shown in FIG. 4a, the return claw 14 is screwed onto the pressure plate 5 'at the end.
  • the return pawl 14 is U-shaped, so that it surrounds both the sliding block and the pressure plate 5 '.
  • the return claw 14 is then from behind, d. H. from the side facing away from the sliding block of the pressure plate 5 'screwed with this.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Triebwerk für oszillierende Verdrängermaschinen, wie z.B. Membranpumpen, mit einer Exzenterwelle (2) und einer Mehrzahl m von Kolbenstangen, wobei die Kolbenstangen derart mit der Exzenterwelle in Verbindung stehen, dass eine Drehung der Exzenterwelle eine oszillierende Linearbewegung der Kolbenstangen bewirkt. Um ein entspre- chendes Triebwerk zur Verfügung zu stellen, das die beschriebenen Nachteile vermeidet oder zumindest reduziert, wird erfindungsgemäβ vorgeschlagen, dass Exzenterwelle und Kolbenstange über eine Kulissenführung miteinander verbunden sind.

Description

ANTRIEBSVORRICHTUNG FÜR OSZILLIERENDE VERDRÄNGERMASCHINEN
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Triebwerk für oszillierende Verdrängermaschinen, wie zum Beispiel Membranpumpen, mit einer Exzenterwelle und mehreren Kolbenstangen, wobei die Kolbenstangen derart mit der Exzenterwelle in Verbindung stehen, dass eine Drehung der Exzenterwelle eine oszillierende Linearbewegung der Kolbenstangen bewirkt.
Oszillierend arbeitende Maschinen werden üblicherweise nach dem Prinzip des Geradschubkur- belgetriebes gebaut. Bei hohen Leistungen, oder um die oszillierenden, auf das Maschinenfundament wirkenden Massenkräfte gering zu halten, werden solche Maschinen zumeist als Mehrkurbeltriebwerk ausgeführt. Dabei sind die einzelnen Exzenter mit Pleuel- und Kolbenstangen, entweder in Reihen- oder Boxer- oder Sternform nebeneinander angeordnet und werden von einer gemeinsamen Kurbelwelle, deren Exzenter jeweils um den gleichen Winkel gegeneinander versetzt sind, angetrieben.
Der Nachteil dieser Konstruktion besteht im wesentlichen darin, dass
die mit mehreren nebeneinander angeordneten Exzenter ausgestattete Kurbelwelle hohen Biegemomenten ausgesetzt ist und dementsprechend kräftig dimensioniert werden muss,
insbesondere bei der mehrheitlich ausgeführten Reihenbauweise hohe Kräfte in den Lagern zwischen Kurbelwelle und Triebwerksgehäuse auftreten, was die Kosten für das Lager in die Höhe treibt,
ein vollständiger Massenausgleich erst bei einer Sechs-Zylindermaschine möglich ist, und
das Triebwerk insgesamt ein großes Bauvolumen, ein hohes Gewicht und hohe Herstellungskosten hat.
Um diese Nachteile zu beseitigen, wurden bereits Mehrzylindermaschinen entwickelt, deren KoI- benstangen alle in einer Ebene liegen und gegeneinander um gleiche Winkel versetzt sind. Angetrieben werden die Kolbenstangen von einem einzigen Exzenter, so dass die Kurbelwelle entsprechend geringere Abmessungen haben kann. Dieses Konstruktionsprinzip gibt es in zwei verschiedenen Ausführungen: a) Konstruktionen mit kraftschlüssiger Verbindung zwischen Exzenter und Kolbenstangen, bei denen die Kolbenstangen durch Rückholfedern auf die Gleitflächen des Exzenters gedrückt werden. b) Konstruktionen mit formschlüssiger Verbindung zwischen Exzenter und Kolbenstangen, bei denen die Rückholfedern durch eine, alle Kolbenstangen umschließende Rückholspange ersetzt werden.
Beide Ausführungsformen haben Nachteile. So addiert sich bei der Verwendung einer Rückhol- feder deren Kraft sich zur Stangenkraft und führt zu einer zusätzlichen Belastung der Bauteile. Wird die Feder zu schwach dimensioniert, kann der angeschlossene Kolben stecken bleiben, so dass der Saughub nicht oder nicht vollständig ausgeführt wird.
Die alternativ eingesetzte, alle Kolbenstangen umfassende Rückholspange ist, vor allem bei gro- ßen Maschinen, ein teures Bauteil und bedingt zudem ein großes Bauvolumen des gesamten Exzenter-Triebwerks.
Die DE 85 21 520 beschreibt eine Mehrzylindermembranpumpe mit mehreren Membranpumpenköpfen, die jeweils eine durch einen Hydraulikkolben betätigbare Membran aufweisen. Hier er- folgt der Pumpenantrieb über eine Pleuel-Exzenter-Einrichtung. Die Pleuelstange ist sowohl mit dem Kolben bzw. der Kolbenstange als auch mit der Exzenterwelle drehbar gekoppelt, wodurch das Triebwerk aufwendig in der Herstellung ist.
Die US-5,368,451 beschreibt eine entsprechende Vorrichtung mit drei Hydraulikzylindern, bei denen die Kolbenstange mit Hilfe einer Rückholfeder auf die Exzenterfläche gedrückt wird.
Auch die DE 196 26 938 A1 beschreibt eine sternförmige Kolben-Zylinder-Anordnung, bei der die Welle von radial ausgerichteten Zylindern umgeben ist, in denen verschiebbare Kolben angeordnet sind, die durch Pleuelstangen über einen Exzenter mit der Welle verbunden sind.
Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes Triebwerk zur Verfügung zu stellen, das die beschriebenen Nachteile vermeidet oder zumindest reduziert. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass Exzenterwelle und Kolbenstange über eine Kulissenführung miteinander verbunden sind. Eine Kulissenführung besteht aus einer Kulisse, welche einen Schlitz, einen Steg oder eine Nut aufweist, und einem entsprechend ausgebildeten Kulissenstein, welcher durch die Kulisse zwangsgeführt wird. Durch die Verwendung einer Kulissenführung kann auf Pleuelstangen verzichtet werden, was die Kosten des Triebwerks reduziert und zugleich ermöglicht, dass zum Beispiel eine mit solch einem Triebwerk ausgestattete Membranpumpe kleiner hergestellt werden kann, da nun die in den Do- sierzylindem geführte Kolben direkt mit der Exzenterwelle gekoppelt werden können, ohne dass eine Pleuelstange benötigt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegen alle Kolbenstangen in einer Ebene, wobei besonders bevorzugt die Kolbenstangen sternförmig angeordnet sind. Unter sternförmig im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird verstanden, dass die Kolbenstangen in Umfangsrichtung der Exzenterwelle voneinander gleich beabstandet sind. Mit anderen Worten, schließen benachbarte Kolbenstangen in einer Projektion auf einer Ebene senkrecht zur Exzenterwelle jeweils den gleichen Winkel ein. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Kulissenführung derart ausgebildet ist, dass Exzenterwelle und Kolbenstangen in einer ersten Raumrichtung, vorzugsweise auch in einer zweiten, hierzu senkrecht angeordneten Raumrichtung formschlüssig miteinander verbunden sind, während eine Relativbewegung in einer dritten Raumrichtung, die senkrecht zur ersten und zur zweiten Raumrichtung angeordnet ist, möglich ist.
Beispielsweise kann die Kulisse als T-Nut und der Kulissenstein als entsprechend angepasster Nutenstein ausgebildet sein. Dabei hat es sich gezeigt, dass die Kulisse vorzugsweise an der Kolbenstange angeordnet ist und die Kulissensteine vorzugsweise an der Exzenterwelle befestigt sind.
Beispielsweise kann die Exzenterwelle mit einem Kulissenelement (z. B. drehbeweglich) verbunden sein, welches die Kulissen oder die Kulissensteine aufweist, wobei die Kulissen oder die Kulissensteine auf den Begrenzungsflächen eines regelmäßigen Vielecks mit n Ecken liegen. Dabei ist vorzugsweise n ein ganzzahliges Vielfaches von m. Am besten wird n = m gewählt.
Weiterhin hat sich gezeigt, dass die Kulisse vorzugsweise aus gehärtetem Stahl hergestellt ist. Der Kulissenstein wird am besten aus einer Kupferlegierung, vorzugsweise aus Bronze hergestellt, um eine möglichst reibungsarme Bewegung des Kulissensteins in der Kulisse zu ermögli- chen.
Durch das erfindungsgemäße Mehrkolbentriebwerk werden die eingangs erwähnten Nachteile dadurch beseitigt, dass die Kolbenkräfte sowohl für den Druckhub als auch für den Saughub di- - A - rekt von der Exzenterkulisse, die drehbeweglich mit der Exzenterwelle verbunden ist, auf die einzelnen Kolbenstangen übertragen werden, wodurch zusätzliche Bauteile, wie zum Beispiel eine teure Rückzugsstange oder Pleuelstangen, entfallen und so die Baugröße des gesamten Triebwerks deutlich reduziert werden kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie der zugehörigen Figuren. Es zeigen:
Figur 1 eine erste Ausführungsform eines Exzenterkulissen-Triebwerks gemäß der
Erfindung in einer Schnittansicht,
Figur 2 eine weitere Schnittansicht senkrecht zur in Figur 1 gezeigten Ansicht,
Figuren 3a - c drei Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Triebwerks, und
Figuren 4a+b und 5 a+b verschiedene Ausführungsformen der Verbindung zwischen Kolbenstange und Kulissenelement.
Bei der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsform dient das Triebwerk zum Antrieb einer Drei-Zylindermaschine. Das Triebwerk weist somit drei Kolbenstangen 1 auf, die in einer Ebene liegen und um 120° gegeneinander versetzt angeordnet sind. Die Exzenterwelle 2 ist drehbeweglich mit einer Exzenterkulisse verbunden. Wird die Exzenterwelle um die Achse 12 gedreht, so wird sich der Mittelpunkt 1 1 der Exzenterkulisse auf dem mit der Bezugszahl 13 versehenen Kreis bewegen. Mit anderen Worten führt die Exzenterkulisse eine translatorische Kreisbewegung durch. Das Kulissenelement 6 ist vorzugsweise dreiecksförmig ausgebildet, wobei auf den drei Seiten des Dreiecks die Kulissen- bzw. Nutensteine angeordnet sind, die Gleitflächen 8 aufweisen. Die Kolbenstangen 1 weisen entsprechende Gleitschuhe 5 auf, die als Kulisse dienen. Wie insbesondere in Figur 1 zu erkennen ist, umgreift der Gleitschuh 5 die Kulissensteine des Kulissenelements 6, so dass die Gleitflächen 8 der Kulissensteine an den Gleitflächen 7 der Kulisse anliegen. Die Kulissensteine des Kulissenelements 6 werden somit formschlüssig von dem Gleitschuh 5 umgriffen. Bei einer Drehung der Welle 2 werden die Gleitschuhe 5 entlang der Gleitflächen 8 der Kulissensteine gleiten. Durch diese Konstruktion werden nahezu keine Quer- kräfte von der Exzenterwelle auf die Kolbenstangen 1 aufgebracht.
Man erkennt deutlich den außergewöhnlich kompakten Aufbau des Triebwerks.
In den Figuren 3a bis 3c sind drei unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung gezeigt. In Figur 3a ist ein Zwei-Zylinder-Antrieb gezeigt. Das Triebwerk weist daher lediglich zwei Kolbenstangen 1 auf. Das Kulissenelement 6' hat hier eine rechteckige Form, wobei lediglich an zwei gegenüberliegenden Seiten des Rechtecks entsprechende mit Gleitflächen versehene Kulissensteine angeordnet sind, die von den Gleitschuhen 5 der Kolbenstangen 1 umgriffen werden. Bei einer Drehung der Welle wird sich der Mittelpunkt 1 1 des Kulissenelements 6' entlang des Kreises 13 bewegen.
Figur 3b zeigt die aus den Figuren 1 und 2 bereits bekannte Ausführungsform mit drei Zylindern.
In Figur 3c ist ein Vier-Zylinder-Antrieb gezeigt. Das Kulissenelement 6" ist dem Kulissenelement 6' der Ausführungsform von Figur 3a ähnlich, wobei hier jedoch an allen vier Seiten des quadratischen Kulissenelements 6" entsprechende Gleitflächen 11 tragende Kulissensteine angeordnet sind, die jeweils von einem Gleitschuh 5 einer der vier Kolbenstangen 1 umgriffen werden.
In den Figuren 4 und 5 sind spezielle Ausführungsformen der Gleitschuhe 5 gezeigt.
Die Figuren 4a und 4b zeigen eine vergrößerte Darstellung der Kulissenführung. Die Kolbenstangen 1 weisen an ihrem Ende eine Druckplatte 5' auf, welche zusammen mit den Rückholklauen 14 den Gleitschuh bilden. Die Rückholklauen 14 sind mit Hilfe einer Schraube an der Druckplatte 5' befestigt. In der in Figur 4a gezeigten Ausführungsform wird die Rückholklaue 14 stirnseitig auf die Druckplatte 5' aufgeschraubt.
Bei der in Figur 4b gezeigten Ausführungsform ist die Rückholklaue 14 U-förmig ausgebildet, so dass sie sowohl den Kulissenstein als auch die Druckplatte 5' umgreift. Zur Befestigung wird die Rückholklaue 14 dann von hinten, d. h. von der dem Kulissenstein abgewandten Seite der Druckplatte 5' mit dieser verschraubt.
In den Figuren 5a und 5b sind Ausführungsformen gezeigt, bei denen die Rückholklauen 14 an den umlaufenden Kanten der Druckplatte 5' angeschraubt sind. Im Falle der Ausführungsform von Figur 5b sind beide Rückholklauen 5' mit Hilfe eines Bolzen und entsprechender Passschrauben 15 miteinander verbunden.
Bezugszeichenliste
1 Kolbenstangen
2 Exzenterwelle
5 Gleitschuh
5' Gleitschuh-Druckplatte
6.6', 6" Kulissenelement
7 Gleitflächen der Kulisse
8 Gleitflächen der Kulissensteine
10 Kreis
1 1 Mittelpunkt des Kulissenelements
12 Achse der Exzenterwelle
13 Kreis
14 Rückholklaue
15 Bolzen/Passschraube

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Triebwerk für oszillierende Verdrängermaschinen, wie z.B. Membranpumpen, mit einer Exzenterwelle (2) und einer Mehrzahl m von Kolbenstangen, wobei die Kolbenstangen derart mit der Exzenterwelle in Verbindung stehen, dass eine Drehung der Exzenterwelle eine oszillierende Linearbewegung der Kolbenstangen bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass Exzenterwelle und Kolbenstange über eine Kulissenführung miteinander verbunden sind.
2. Triebwerk nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass alle Kolbenstangen in einer Ebene liegen.
3. Triebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstangen sternförmig angeordnet sind.
4. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Exzenterwelle und Kolbenstangen in einer ersten Raumrichtung, vorzugweise auch in einer zweiten hierzu senkrecht angeordneten Raumrichtung formschlüssig miteinander verbunden sind, während eine Relativbewegung in einer dritten Raumrichtung, die senkrecht zur ers- ten und zur zweiten Raumrichtung angeordnet ist, möglich ist.
5. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kulissenführung als T-Nut/Nutenstein-Verbindung ausgebildet ist, wobei vorzugweise Kolbenstangen die T-Nut aufweisen und die Nutensteine an der Exzenterwelle befestigt sind.
6. Triebwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzenterwelle ein Kulissenelement hat, welches die T-Nuten oder die Nutensteine aufweist, wobei T-Nuten oder Nutensteine auf den Kanten eines regelmäßigen Vielecks mit n Ecken liegen.
7. Triebwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass n ein ganzzahliges Vielfache von m ist, wobei vorzugsweise n gleich m ist.
8. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die T-Nut aus gehärtetem Stahl hergestellt ist.
9. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Nutenstein aus einer Kupfer-Legierung, vorzugsweise aus Bronze hergestellt ist.
10. Triebwerk nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die T-Nut durch eine Druckplatte und eine Rückholklauen, die an der Druckplatte befestigt sind, gebildet wird.
11. Triebwerk nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückholklauen mit der Druckplatte der Kolbenstange mittels eines Bolzens oder einer Passschraube verbunden ist, wobei die Rückholklaue vorzugsweise drehbeweglich mit der Druckplatte verbunden ist.
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