DE102007001021A1

DE102007001021A1 - Kreiskolbenmaschine

Info

Publication number: DE102007001021A1
Application number: DE102007001021A
Authority: DE
Inventors: Heinz Raubacher
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-01-02
Filing date: 2007-01-02
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2027-01-03
Also published as: PL2118490T3; ATE484679T1; DE102007001021B4; EP2118490A1; ES2353625T3; DE502007005384D1; BRPI0720869A2; EP2118490B1; KR20090106588A; DE202007018703U1; WO2008080574A1; US20100071545A1; JP2010514983A; RU2009129530A; CN101622454A; KR101293702B1; JP5140681B2; CN101622454B; BRPI0720869B1; US8376725B2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kreiskolbenmaschine mit mindestens einem entlang eines zumindest teilweisen Kreisbogens gekrümmten Kreiszylinder (1), in dem ein Kolben (2) beweglich in einem eine Bewegung vermittelnden Fluid gelagert ist, welcher über einen Hebel (5) mit einer im Zentrum des Kreisbogens mit ihrer Drehachse koaxial angeordneten Welle (7) gekoppelt ist. Ein stabiler Aufbau mit der Möglichkeit, hohe Drehmomente zu übertragen, wird dadurch erhalten, dass der Hebel (5) in radialer Richtung von dem Kolben (2) durch einen in der Wandung des Kreiszylinders (1) in Bewegungsrichtung des Kolbens (2) eingebrachten, gedichteten Spalt zu der Welle geführt ist (Fig. 1).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kreiskolbenmaschine mit mindestens einem entlang eines zumindest teilweisen Kreisbogens gekrümmten Kreiszylinder, in dem ein Kolben beweglich in einem eine Bewegung vermittelnden Fluid gelagert ist, welcher über einen Hebel mit einer im Zentrum des Kreisbogens mit ihrer Drehachse koaxial angeordneten Welle gekoppelt ist.
Eine Kreiskolbenmaschine dieser Art, die als Dosierpumpe ausgebildet ist, zeigt die GB 1 283 907 . Hierbei sind in zwei sich konzentrisch gegenüberliegenden Teilkreiszylindern gekrümmte Kolben mit daran angeschlossenen gekrümmten Kolbenstangen gelagert, die von einer zentralen Welle in Hin- und Herbewegung über einen an der Kolbenstange angreifenden Hebel bewegt werden, um eine Flüssigkeit pulsförmig in genau dosierter Menge zu pumpen. Die Kolbenstangen sind entsprechend dem Verlauf des Kreisbogens durch deren Querschnittsfläche stirnseitig aus dem jeweiligen Teilkreiszylinder herausgeführt und außerhalb des Zylinders mit dem He bel gekoppelt. Durch diesen Aufbau ist die Bewegung des Kolbens bzw. der Welle auf einen relativ geringen Winkelbereich beschränkt, wobei der Aufbau primär Synchronisierfunktion besitzt. Außerdem ist eine exakte Führung und Kräfteübertragung zwischen Welle und Kolben insbesondere bei relativ hohen Drehmomenten schwierig und der Aufbau ist zum Übertragen hoher Kräfte bzw. Momente ungeeignet.
Weit verbreitet sind auch geradlinig ausgedehnte Kolben-/Zylindereinheiten für Antriebszwecke, beispielsweise zum Bewegen eines Hebelarms bei einem Bagger. Hierbei ändert sich bei der Schwenkbewegung der Hebelarm und dadurch auch das wirkende Moment und die Kräfte insbesondere auch in den Lagerstellen.
Die DE 39 00 375 zeigt eine Brennkraftmaschine mit in einem Ringraum gleichmäßig umlaufenden Kolben. In diesen ringraumförmigen Zylinderraum sind die vier Arbeitstakte einer Brennkraftmaschine in Reihe integriert. Hierbei ist es schwierig, einen genau steuerbaren Bewegungsablauf über die Bewegungsstrecke zu erreichen. Außerdem erfordert der Aufbau aufwändige Maßnahmen zur Steuerung der Verbrennung, Erzeugen des Brennstoffgemischs und Führung der Abgase. Insbesondere auch bei langsamen Bewegungen und hohen Drehmomenten ist es schwierig, eine derartige Maschine geeignet aufzubauen. Um eine derartige Brennkraftmaschine geht es daher vorliegend nicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kreiskolbenmaschine mit einem in dem Zylinderraum befindlichen Fluid, insbesondere einer inkompressiblen Flüssigkeit, bereit zu stellen, mit der Bewegungsabläufe auch bei Übertragung hoher Drehmomente mit hoher Genauigkeit steuerbar sind.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass der Hebel in radialer Richtung von dem Kolben durch einen in der umlaufenden Wandung des Kreiszylinders in Bewegungsrichtung des Kolbens eingebrachten, gedichteten Spalt zu der Welle geführt ist.
Dieser Aufbau ergibt eine stabile Kopplung zwischen Kolben und Welle mit möglichst geringem Koppelweg. Über die Länge des Hebels und/oder den Zylinderquerschnitt bzw. die wirksame Fläche des Kolbens kann eine Anpassung an die Erfordernisse des jeweiligen Einsatzzwecks in weiten Bereichen erfolgen. Auch bei hohen Drehmomenten, beispielsweise für Antriebszwecke, ist eine genaue Steuerung der Bewegungsabläufe z. B. über ein Programm in einer Steuereinrichtung möglich, insbesondere wenn eine Flüssigkeit als inkompressibles Fluid verwendet wird. Bei einem Antrieb kann die Steuerung vermittels einer exakt arbeitenden Pumpe und in gewünschter Weise ansteuerbarer Schaltventile erfolgen. Der Querschnitt des Kolbens bzw. Zylinderraums braucht nicht kreisförmig zu sein, sondern kann auch eine praktisch beliebige andere Form aufweisen. Auch braucht der Hebel nicht an der der Welle unmittelbar gegenüberliegenden Innenseite der Zylinderwandung herausgeführt zu werden, sondern der Spalt kann beispielsweise auch an der Unterseite des Kreiszylinders angeordnet sein, wodurch der Kreiszylinder auf der Bewegungsebene des Hebels aufgebaut werden kann.
Eine vorteilhafte Führung des Hebels und Abdichtung des Spalts wird dadurch erreicht, dass der Hebel über seinen gesamten Bewegungsbereich entlang der gesamten Spaltlänge z. B. als Kreisring oder Kreisscheibe ausgedehnt ist.
Vorteilhafte Maßnahmen für die Abdichtung bestehen des Weiteren darin, dass die Wandung des Kreiszylinders im Spaltbereich in radialer Richtung verbreitert ist und dass in den Spaltbereich zwischen dem Hebel und den beidseitig benachbarten Wandabschnitten Dichtmittel eingebracht sind.
Zu einem stabilen, dichten Aufbau tragen des Weiteren die Maßnahmen bei, dass der Hebel einerseits und die dem Spalt beidseitig benachbarten Wandbereiche des Kreiszylinders andererseits mit ineinander greifenden komplementären Haltestrukturen versehen sind, deren Haltekräfte einem Öffnen des Spalts entgegengerichtet sind.
Hierbei sind des Weiteren die Maßnahmen von Vorteil, dass die Haltestruktur an dem Kreiszylinder als beidseitig entlang dem Spalt verlaufende radiale Vorsprünge und die komplementäre Haltestruktur an dem Hebel als eine im Querschnitt klauenartige Klemme ausgebildet sind.
Der Aufbau und die Funktion werden ferner dadurch begünstigt, dass der Hebel in Draufsicht die Form einer Kreisscheibe oder eines Kreisausschnittes besitzt oder dass der Kreiszylinder unmittelbar an den Außenumfang der Welle angrenzt. Zum Ankoppeln an der Welle können axial ein- oder beidseitig angebrachte Wellenstümpfe dienen.
Für den Aufbau und die Montage sind auch die Maßnahmen von Vorteil, dass der Kreiszylinder bezüglich der Bewegungsebene des Kolbens aus zwei miteinander verbundenen Halbschalen zusammengesetzt ist.
Verschiedene weitere Ausgestaltungsvarianten ergeben sich dadurch, dass der Hebel mittels einer Nabe an die Welle gekoppelt ist, die eine Kraftübertragung in beiden Drehrichtungen oder nur in einer Drehrichtung bewirkt und in der anderen Drehrichtung einen Freilauf bewirkt.
Vorteilhafte weitere Maßnahmen bestehen darin, dass mindestens zwei unabhängig voneinander umlaufende Kolben in einem 360° umfassenden Zylinder angeordnet sind oder dass mindestens zwei Kreiszylinder an eine Welle gekoppelt sind, die auf sich radial gegenüberliegenden Seiten der Welle angeordnet sind und/oder axial versetzt. Mit mehreren Kreiszylindern kann bei Parallelbetrieb z. B. das Antriebsmoment erhöht oder umgekehrt eine Pumpleistung vergrößert werden. Bei sich radial gegenüberliegender Anordnung mindestens zweier Kreiszylinder kann durch entsprechende Steuerung eine fortlaufend um 360° umlaufende Bewegung der Welle bei einem Antrieb erreicht werden. Durch einen zusätzlichen Axialversatz können Aufbauten mit verschiedener Überlappung der Kreiszylinder verwirklicht werden.
Eine Steuerung über größere Winkelbereiche kann z. B. dadurch erreicht werden, dass mindestens zwei unabhängig voneinander umlaufende Kolben in einem 360° umfassenden Zylinder angeordnet sind oder dass mindestens zwei Kreiszylinder an eine Welle derart gekoppelt und betrieben sind, dass die Kolben phasenverschoben arbeiten. Bei zwei voneinander unabhängig in einem Kreiszylinder arbeitenden Kolben wird jeweils immer einer durch ein ansteuerbares Verriegelungselement in seiner Bewegung relativ zu dem Zylinder gesperrt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung für die Bewegungssteuerung besteht darin, dass Fluidanschlüsse der Kreiszylinder in der Weise miteinander verbunden sind, dass eine Rückführung des einen Kolbens durch den Antrieb des anderen Kolbens geschieht.
Ist vorgesehen, dass die Ausdehnung des Kolbens in Bogenrichtung des Kreiszylinders verstellbar ist, so ergeben sich exakte Justiermöglichkeiten.
Eine vorteilhafte Anwendung besteht darin, dass die Kreiskolbenmaschine als Lenkantrieb eines gelenkten Rades eingesetzt wird. Bei mehreren gelenkten Rädern ergeben sich über ein einfach anpassbares Steuerprogramm individuelle, aufeinander abgestimmte Steuerungen des Lenkeinschlags der Einzelräder eines Fahrzeugs.
Eine weitere vorteilhafte Anwendung besteht darin, dass die Kreiskolbenmaschine als Drehantrieb eines Rades eingesetzt wird, so dass bei einem Fahrzeug z. B. jedem Rad ein individueller Antrieb mit zentraler oder dezentraler Steuerung zugeordnet werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Kreiskolbenmaschine in Draufsicht in einer schematischen Schnittdarstellung,
2 die Kreiskolbenmaschine im Querschnitt bezüglich des Kreiszylinders in schematischer Darstellung,
3 einen Ausschnitt der Kreiskolbenmaschine im Bereich einer Ankopplung der Welle,
4 eine schematische Darstellung einer Kopplung zweier Kreiszylinder in und
5 einen Ausschnitt der Kreiskolbenmaschine im Bereich der Kopplung zwischen einem Kreiszylinder und einem Hebel, der zwischen Kolben und Welle verläuft, im Querschnitt.
Die 1 zeigt einen Schnitt durch eine Kreiskolbenmaschine senkrecht zur Welle in schematischer Darstellung. Ein Kolben 2 wird in einem sich entlang einem Teilkreis um mehr als 180° erstreckenden Kreiszylinder 1 geführt und überträgt durch einen Hebel 5, der z. B. als kreisförmige Scheibe ausgebildet ist, die Bewegung des Kolbens über eine Nabe 6 auf eine Welle 7.
Der Kolben 2 wird z. B. als Antriebsglied durch Einpumpen eines vorteilhafterweise inkompressiblen Fluids durch einen entsprechenden Fluidanschluss 3 oder 4 und Abführen des Fluids über den anderen Fluidanschluss 4 bzw. 3 bewegt. Auf der Welle 7 sitzt zur Kopplung zwischen dem Hebel 5 und der Welle die Nabe 6, die in verschiedener Weise ausgeführt sein kann, beispielsweise zur Übertragung des Drehmoments auf die Welle 7 in einer Richtung und Freilauf in der anderen Richtung oder zur Drehmomentübertragung in beiden Richtungen. Bereits bei nur einem Kreiszylinder 1 und entsprechender Bauweise des Kolbens 2 kann ein relativ großer Winkelbereich zwischen z. B. 180° und 320° abgedeckt werden, so dass der Kreiskolbenantrieb als Aggregat für eine Hin- und Herbewegung beispielsweise für die Lenkung einzelner Räder bei einem Fahrzeug, wie etwa einem Gabelstapler, vorteilhaft verwendet werden kann.
Bei einer Ausgestaltung des Kreiskolbenantriebs können auch zwei oder mehr Kreiszylinder 1 vorgesehen sein, die in gleicher Richtung parallel betrieben werden oder die in entgegen gesetzter Richtung ihre Drehmomente übertragen, wobei der jeweils andere Hebel im Freilauf bezüglich der Welle 7 betrieben wird. Oder die Kreiszylinder 1 können bezüglich der Welle auf radial gegenüberliegenden Seiten gegebenenfalls axial bezüglich der Welle versetzt angeordnet sein, so dass mittels mehrerer Kreiszylinder 1 durch phasenversetzte Ansteuerung auch eine fortlaufende Rotationsbewegung der Welle um 360° realisiert werden kann. Auch kann durch die Steuerung bei unverändertem Aufbau des Antriebsaggregates durch entsprechende Ansteuerung von Schaltventilen 11 dasselbe Antriebsaggregat einmal im Parallelbetrieb der Kreiszylinder 1 und das andere Mal im versetzten Betrieb besteuert werden. Auch Mischformen sind möglich. Es können also mit derselben Maschine unterschiedliche Drehmomentbereiche und Winkelbereiche der Bewegung abgedeckt werden.
Eine andere Ausführungsform besteht darin, dass zwei Kolben in demselben Zylinderraum arbeiten, wobei den Kolben getrennte, axial versetzte Hebel zugeordnet sind, welche über freischaltbare Verriegelungselemente, wie z. B. Sperrklinken, über eine Nabe mit der Welle 7 gekoppelt sind, wie in 3 schematisch dargestellt. Auf diese Weise sind die Kolben relativ zueinander in dem Zylinderraum bewegbar, um durch geeignete Steuerung den Antrieb zu bewirken.
2 zeigt einen axialen Schnitt der Kreiskolbenmaschine. Auf der linken Seite ist der Kolben 2 in dem Kreiszylinder 1 zu sehen. In dieser Darstellung wird deutlich, wie der Hebel 5, z. B. realisiert durch eine kreisförmige Scheibe, in den Kreiszylinder 1 hineinreicht und mit dem Kreiszylinder 1 den Hohlraum abschließt. Dabei ist der Hebel 5 mit dem Kolben 2 fest verbunden.
3 zeigt einen Querschnitt der Kreiskolbenmaschine im Bereich der Welle 7 und der Nabe 6. Hierbei ist ein Freilauf mittels Verriegelungselementen in Form von Klinken 8 und Noppen 9 bzw. einer Zahnung gebildet, wobei sich die Sperrklinken 8 in Antriebsrichtung an steilen Flanken der Noppen 9 bzw. Zahnung abstützen, während die Klinken 8 in Freilaufrichtung über die flachen Flanken der Noppen 9 bzw. Zahnung hinweggleiten. Ein derartiger Sperrklinkenmechanismus kann mit in beiden Richtungen schwenkbaren Doppelklinken auch in der Weise aufgebaut sein, dass ein Antrieb einerseits und Freilauf andererseits in beiden Richtungen ermöglicht wird, wozu entsprechend steile und flache Zahnflanken in unterschiedlicher Richtung an der Welle oder Nabe z. B. axial versetzt vorgesehen sind, mit denen die dann ebenfalls axial versetzten Sperrklinken zusammenwirken. Zum Verstellen der Sperrklinken ist z. B. ein Schaltmagnet oder Hydrauliksteller vorgesehen.
4 zeigt eine schematische Darstellung zur Kopplung zweier Kreiszylinder 1 zu einem Kreiskolbenantrieb. Die Kopplung ermöglicht es, bei einem entsprechenden Anschluss an das Schaltventil 11, die Welle 7 mit konstantem Drehmoment anzutreiben bzw. das Fluid mit konstantem Fluss mittels einer Pumpe 15 zu pumpen. Hierzu werden die Fluidanschlüsse 4A und 3B bzw. 3A und 4B über eine Verbindungsleitung 10 verbunden, so dass während der eine Kolben (z. B. 2A) die Welle 7 antreibt, der andere Kolben (z. B. 2B) zurückgeführt wird. Der Pfeil in 4 deutet die Richtung an, in der eine Kraft auf die Welle 7 ausgeübt werden kann.
5 zeigt eine Ausführung der Kreiskolbenmaschine, bei der ein Druck auf die Wandung des Kreiszylinders 1 durch eine an dem Hebel 5 angebrachte klauenartige Klemme 12 aufgenommen wird. Dadurch kann die Wandung z. B. deutlich dünner ausgeführt werden als ohne eine derartige Klemme oder die Kreiskolbenmaschine kann für deutlich höheren Druck ausgelegt werden. An den beidseitigen Vorsprüngen 14 im Spaltbereich, die von der Klemme 12 übergriffen werden, können im Spaltbereich zu den beiden angrenzenden Hebelflächen Dichtungselemente, insbesondere Dichtungsringe, vorteilhaft eingesetzt werden.
Ein kurzer Hebel 5 kann z. B. dadurch erreicht werden, dass die Welle 7 und der Kreiszylinder 1 im Spaltbereich aneinander grenzen und z. B. eine Abdichtung in der Weise vorgenommen wird, wie in 5 gezeigt.
Weiterhin ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Kreiszylinder 1 z. B. in der mittleren Bewegungsebene der Kolben 2 aus zwei Teilen zusammengesetzt sind, so dass der Kolben 2 und die Dichtungen 13 problemlos eingesetzt werden können. Hierbei kann z. B. auf der Außenseite der Kreiszylinder 1 ein Flansch zum Verspannen der beiden Halbschalen des Kreiszylinders 1 angeformt sein.
Die beschriebene Grundeinheit der Kreiskolbenmaschine lässt sich für verschiedene Zwecke einsetzen, beispielsweise als zentraler oder dezentraler Lenkantrieb von Rädern, als Drehantrieb von Rädern, als hydraulischer Stellmotor, in Kombination als hydraulische Pump-/Motorenanordnung z. B. zum Nachbilden einer Kardanwelle und dgl.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- GB 1283907 [0002]
- DE 3900375 [0004]

Claims

Kreiskolbenmaschine mit mindestens einem entlang eines zumindest teilweisen Kreisbogens gekrümmten Kreiszylinder (1), in dem ein Kolben (2) beweglich in einem eine Bewegung vermittelnden Fluid gelagert ist, welcher über einen Hebel (5) mit einer im Zentrum des Kreisbogens mit ihrer Drehachse koaxial angeordneten Welle (7) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebel (5) in radialer Richtung von dem Kolben (2) durch einen in der Wandung des Kreiszylinders (1) in Bewegungsrichtung des Kolbens (2) eingebrachten, gedichteten Spalt zu der Welle geführt ist.
Kreiskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebel (5) über seinen gesamten Bewegungsbereich entlang der gesamten Spaltlänge ausgedehnt ist.
Kreiskolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung des Kreiszylinders (1) im Spaltbereich in radialer Richtung verbreitert ist und dass in den Spaltbereich zwischen dem Hebel (5) und den beidseitig benachbarten Wandabschnitten Dichtmittel (13) eingebracht sind.
Kreiskolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebel (5) einerseits und die dem Spalt beidseitig benachbarten Wandbereiche des Kreiszylinders (1) andererseits mit ineinander greifenden komplementären Haltestrukturen versehen sind, deren Haltekräfte einem Öffnen des Spalts entgegengerichtet sind.
Kreiskolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltestruktur an dem Kreiszylinder (1) als beidseitig entlang dem Spalt verlaufende radiale Vorsprünge (14) und die komplementäre Haltestruktur an dem Hebel (5) als eine im Querschnitt klauenartige Klemme (12) ausgebildet sind.
Kreiskolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebel (5) in Draufsicht die Form einer Kreisscheibe oder eines Kreisausschnittes besitzt oder dass der Kreiszylinder (1) unmittelbar an den Außenumfang der Welle (7) angrenzt.
Kreiskolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreiszylinder (1) bezüglich der Bewegungsebene des Kolbens (2) aus zwei miteinander verbundenen Halbschalen zusammengesetzt ist.
Kreiskolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebel (5) mittels einer Nabe (6) an die Welle (7) gekoppelt ist, die eine Kraftübertragung in beiden Drehrichtungen oder nur in einer Drehrichtung bewirkt und in der anderen Drehrichtung einen Freilauf bewirkt.
Kreiskolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Kreiszylinder (2) an eine Welle (7) gekoppelt sind, die auf sich radial gegenüberliegenden Seiten der Welle (7) angeordnet sind und/oder axial versetzt.
Kreiskolbenmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Kreiszylinder (2) an eine Welle (7) derart gekoppelt und betrieben sind, dass die Kolben phasenverschoben arbeiten.
Kreiskolbenmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Fluidanschlüsse (4.1, 4.2) der Kreiszylinder (1) in der Weise miteinander verbunden sind, dass eine Rückführung des einen Kolbens (2) durch den Antrieb des anderen Kolbens (2) geschieht.
Kreiskolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung des Kolbens in Bogenrichtung des Kreiszylinders (1) verstellbar ist.
Anwendung der Kreiskolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Lenkantrieb eines Rades.
Anwendung der Kreiskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12 als Drehantrieb eines Rades.