DE1553275C3

DE1553275C3 - Rotationskolbenmaschine für Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE1553275C3
Application number: DE1553275A
Authority: DE
Inventors: Harvey C. White
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1965-02-24
Filing date: 1965-12-17
Publication date: 1981-05-07
Also published as: DE1553275A1; DE1553275B2; DK123182B; US3288034A; GB1147606A; GB1147607A; SE326415B

Description

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Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine für Flüssigkeiten, Pumpe oder insbesondere Flüssigkeitsmotor, mit einem feststehenden innenverzahnten Stator und einem darin exzentrisch kreisenden, einen Zahn weniger als der Stator aufweisenden außenverzahnten Rotor und mit einer die An- bzw. Abtriebswelle der Maschine mit dem Rotor drehfest verbindenden Gelenkwelle, die außerdem noch einen koaxialen, über . den Rotor hinausragenden Verlängerungsteil aufweist, der als Mitnehmerzapfen in eine exzentrische Ausnehmung eines zum Stator konzentrisch gelagerten Steuerdrehschiebers mit Steuerdurchlässen eingreift, durch welche in die Zahnlücken des Stators führende Steuerbohrungen funktionsgerecht mit einem Einlaß- und einem Auslaßanschluß am Gehäuse verbindbar sind.

Bei Rotationskolbenmaschinen der vorbezeichneten Art übt der Rotor zwei sich überlagernde Bewegungen aus. Zum einen dreht sich der Rotor um seine eigene Achse, und zum anderen bewegt sich der Rotor wie ein Planet um die Achse des Zahnrings. Die Drehbewegung und die Planetenbewegung des Rotors haben entgegengesetzten Drehsinn. Wenn der Stator beispielsweise sieben Zähne und der Rotor sechs Zähne hat, wie dies allgemein üblich ist, umkreist der Rotor die Achse des Zahnrings oder Stators sechsmal, bis sich der Rotor einmal um seine eigene Achse gedreht hat. Die Umlaufzahl des Rotors auf der Planetenbahn ist daher wesentlich größer als die Drehzahl des Rotors um seine eigene Achse.

Bei einer bekannten Rotationskolbenmaschine (US-PS 28 21 171) wird der Steuerdrehschieber mit der Drehzahl der Eigendrehung des Rotors angetrieben.

Der Steuerdrehschieber dreht sich daher mit einer niedrigen Drehzahl. Die vom Steuerdrehschieber angesteuerten Steuerbohrungen werden daher langsam geöffnet und geschlossen. Es ist jedoch zur Erhöhung des Wirkungsgrades von großer Bedeutung, daß die Steuerbohrungen so schnell wie möglich vollständig geöffnet und vollständig geschlossen werden. Ein sehr rasches, vollständiges öffnen und Schließen der Steuerbohrungen ist deshalb erwünscht, da bei sehr schnellem öffnen und Schließen der Druckabfall an den Steuerbohrungen minimal ist.

Es wurde daher bei einer Rotationskolbenmaschine der eingangs genannten Art im Rahmen eines älteren Rechtes (DE-PS 15 03 366) vorgeschlagen, die den Rotor und die Abtriebswelle miteinander verbindende Gelenkwelle mit einem in der Achse der Gelenkwelle liegenden Mitnehmerzapfen zu versehen, der am Steuerdrehschieber exzentrisch angreift, um zu erreichen, daß sich die Steuerbohrungen so schnell wie möglich vollständig öffnen und vollständig schließen.

Das atn Steuerdrehschieber exzentrisch angreifende Ende des Mitnehmerzapfens der im älteren Recht beschriebenen Rotationskolbenmaschine übt die gleichen Bewegungen wie der Rotor aus. Das freie Ende des Mitnehmerzapfens dreht sich daher mit der gleichen Drehzahl wie der Rotor um seine eigene Achse und umkreist mit der Umlaufzahl des Rotors die Achse des Stators. Der Mitnehmerzapfen überträgt nur die Planetenbewegung des Rotors auf den Steuerdrehschieber, so daß der Steuerdrehschieber mit der hohen Umlaufzahl angetrieben wird. Aufgrund der dem Steuerdrehschieber erteilten hohen Drehzahl werden die Steuerbohrungen sehr rasch geöffnet und geschlossen.

Der Steuerdrehschieber dieser Rotationskolbenmaschine hat die Form eines zylindrischen Körpers, dessen Stirnseiten mit ebenen Flächen zusammenarbeiten, welche die abwechselnd mit dem Ein- und Auslaß zu verbindenden Steuerbohrungen enthält. Der Steuerdrehschieber ist an seinem Außenumfang zweckmäßig mittels eines Nadel-Rollenlagers gelagert.

Bei einer anderen bekannten Rotationskolbenmaschine (US-PS 13 89 189) ist der in einem feststehenden Zahnring bewegte Rotor mit einer Kurbelwelle verbunden, deren Kurbelzapfen den Rotor durchdringt und exzentrisch an einem scheibenförmigen Steuerdrehschieber angreift. Auch hier wird der Steuerdrehschieber mit der hohen Umlaufzahl der Planetenbewegung des Rotors angetrieben. Der Steuerdrehschieber ist an seiner Außenumfangsfläche in einer entsprechend bearbeiteten Gehäuseausnehmung gelagert. Da der Steuerdrehschieber exzentrisch umläuft, wird dessen Lagerung auf dem Kurbelzapfen stark beansprucht. Durch einen vorzeitigen Verschleiß des Lagers und ein dadurch bedingtes Schlagen des Steuerdrehschiebers wird aber der Betrieb der Rotationskolbenmaschine erheblich beeinträchtigt.

Ausgehend von dem dem Anmeldungsgegenstand am nächsten kommenden Stand der Technik, nämlich der US-PS 28 21171, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Steuerdrehschieber mit einer höheren Geschwindigkeit anzutreiben, so daß die Steuerbohrungen möglichst schnell geöffnet und geschlossen werden. Außerdem soll der Steuerdrehschieber so ausgebildet werden, daß er mit einer einfachen, problemlosen und billigen Lagerung versehen werden kann, die einen sehr kleinen Bau des Steuerdrehschiebers gestattet, ohne dessen sichere Funktionsfähigkeit einzuschränken.

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Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß der Steuerdrehschieber mitteis eines zum Stator zentrischen Lagerzapfens gelagert ist.

Der zur Lagerung des Steuerdrehschiebers herangezogene Lager- oder Achszapfen ist einmal äußerst billig und zum anderen sehr einfach im Gehäuse festzulegen. Durch die Verwendung des Achs- oder Lagerzapfens braucht bei der Auslegung des Steuerdrehschiebers nur mehr auf die Steuerfunktionen des Steuerdrehschiebers geachtet zu werden, während kein besonderes Augenmerk mehr auf die Ausgestaltung von Lagerflächen gerichtet zu werden braucht. Dies bedeutet, daß der Steuerdrehschieber sehr einfach und klein gebaut werden kann.

Die Lagerung und der ruhige Lauf des Steuerdrehschiebers können dadurch verbessert werden, daß der Steuerdrehschieber eine Scheibe ist, die als Steuerdurchlässe eine über einen Teil des Umfanges verlaufende Umfangsausnehmung und eine der Umfangsausnehmung radial gegenüberliegende Durchtrittsöffnung aufweist, von denen die Umfangsausnehmung die Steuerbohrungen mit dem Einlaß bzw. Auslaß und die Durchtrittsöffnung die Steuerbohrungen mit dem Auslaß bzw. Einlaß verbinden. Da die Umfangsausnehmung und die Durchtrittsöffnung einander radial gegenüberliegen, kann gleichzeitig ein rotationssymmetrischer Massenausgleich erzielt werden, so daß keine Unwuchtkräfte auftreten.

Im Nachstehenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Drehkolben-Flüssigkeitsmaschine

F i g. 2 eine Stirnansicht der in F i g. 1 dargestellten Flüssigkeitsmaschine längs der Linie 2-2 F i g. 3 einen Querschnitt längs der Linie 3-3 in F i g. 1 F i g. 4 einen Querschnitt längs der Linie 4-4 in F i g. 1 F i g. 5 einen Querschnitt längs der Linie 5-5 in F i g. 1.

Das in den F i g. 1 bis 5 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Drehkolben-Flüssigkeitsmaschine kann sowohl als Flüssigkeitsmotor als auch als Pumpe verwendet werden. In der nachfolgenden Beschreibung wird davon ausgegangen, daß die in den F i g. 1 bis 5 dargestellte Drehkolben-Flüssigkeitsmaschine als Pumpe verwendet wird.

Die in den F i g. 1 bis 5 beschriebene Pumpe weist ein Gehäuse 50 mit einer Bohrung 51 auf. In der Gehäusebohrung 51 ist ein mit Innenverzahnung versehener Stator 53 starr befestigt, dessen Achse 54 in der Gehäuseachse liegt. Im Stator 53 ist ein mit Außenverzahnung versehener Rotor 57 angeordnet, der einen Zahn weniger als der Stator 53 hat. Der Rotor dreht sich um seine eigene Achse 58 und bewegt sich mit seiner Achse auf einer Planetenbahn um die Achse 54 des Stators 53. Diese Bewegung wird allgemein als hypozykloidartige Bewegung bezeichnet. Der Stator 53 weist Zähne 55 und der Rotor 57 weist Zähne 59 auf. Der Rotor 57 besetzt eine zentrale, mit Keilen und Nuten versehene Bohrung 60. Die zwischen den Zähnen 55 des Stators 53 befindlichen Zahngründe bilden zusammen mit den Zähnen 59 des Rotors 57 Kammern A, B, C D, E und F. Der sich im Stator 53 bewegende Rotor 57 vergrößert und verkleinert die Kammern zwischen den Rotorzähnen 59 und den Statorzähnen 55, indem der Rotor in die Zahngründe des Stators eintaucht oder aus ihnen herausfährt.

Eine Abschlußplatte 62 ist in der Gehäusebohrung 51 auf der linken Seite des Stators 53 und des Rotors 57 angeordnet, wie dies in F i g. 1 zu sehen ist. Die Abschlußplatte 62 schafft einen Abschluß für die Kammern auf dieser Seite des Rotors 57 und des Stators

53. Auf der anderen Seite des Rotors 57 und des Stators 53 ist in der Gehäusebohrung 51 ein zylindrisches Einsatzstück 64 angeordnet, das eine zentrale Axialbohrung 65 hat. Die eine Stirnseite des Einsatzstückes 64 liegt an den Stirnflächen des Rotors 57 und Stators 53

ίο an, während die andere Stirnseite des Einsatzstückes 64 an der Stirnfläche eines scheibenförmigen Steuerdrehschiebers 70 anliegt. Der Steuerdrehschieber 70 ist um eine Achse drehbar, die koaxial zur Statorachse 54 liegt. Die andere Stirnseite des Steuerdrehschiebers 70 liegt an der Innenfläche einer Endplatte 75, welche mit Hilfe von Schrauben 76 am Gehäuse 50 verschraubt ist und zum Verschließen des Gehäuses 50 dient. Die Endplatte 75 ist mit einer Einlaßöffnung 78 und einer Auslaßöffnung 79 versehen, die sich in einer allgemein axialen Richtung erstrecken. Wenn die in F i g. 1 dargestellte Flüssigkeitsmaschine nicht als Pumpe, sondern als Motor verwendet wird, vertauschen die Ein- und Auslaßöffnungen ihre Rollen, so daß die Einlaßöffnung 78 zur Auslaßöffnuung und die Auslaßöffnung 79 zur Einlaßöffnung wird.

Das Einsatzstück 64 ist mit einer Mehrzahl von auf dem Umfang gleichmäßig verteilten Steuerbohrungen 81 versehen. Bei der beschriebenen Ausführungsform sind sieben Steuerbohrungen 81 vorhanden. Die linken Enden der in F i g. 1 dargestellten Steuerbohrungen 81 stehen mit den betreffenden Kammern A bis G in Verbindung und erstrecken sich dann in einer allgemein axialen Richtung zur anderen Stirnseite des Einsatzstükkes 64. Der Steuerdrehschieber 70 hat die Form einer Scheibe, die eine über einen Teil des Umfanges verlaufende Umfangsausnehmung 84 und eine der Umfangsausnehmung radial gegenüberliegende Durchtrittsöffnung 83 aufweist. Wenn die in F i g. 1 dargestellte Flüssigkeiismaschine als Pumpe verwendet wird, verbindet die Umfangsausnehmung 84 die Steuerbohrungen 81 mit dem Auslaß 79, während die Durchtrittsöffnung 83 die Steuerbohrungen 81 mit dem Einlaß 78 verbindet. Die Umfangsausnehmung 84 und die Durchtrittsöffnung 83 durchdringen den Steuerdrehschieber in axialer Richtung. Die Umfangsausnehmung 84 und die Durchtrittsöffnung 83 haben in Radial- und Umfangsrichtung eine solche Ausdehnung, daß sie mehr als eine Steuerbohrung 81 umfassen bzw. überdecken. Aus F i g. 8 ist ersichtlich, daß die Umfangsausnehmung 84 und die Durchtrittsöffnung 83 mit je drei der Steuerbohrungen 81 in Verbindung stehen.

Der Steuerdrehschieber 70, der im Unterschied zu einem »Umfangs«-Steuerorgan ein »Flächen«-Steuerorgan ist, ist mittels eines Lagerzapfens 86 drehbar gelagert, dessen in F i g. 1 gezeigtes rechtes Ende an der Endplatte 75 befestigt ist und dessen linkes Ende in einem Loch 87 des Steuerdrehschiebers 70 aufgenommen ist. Der Lagerzapfen 86 und das Loch 87 liegen koaxial zur Gehäuse- und Statorachse 54.

Eine Welle 90, die bei einer Verwendung der Vorrichtung als Pumpe die Antriebswelle und bei einer Verwendung als Motor die Abtriebswelle ist, ist in zweckentsprechender Weise in Lagern 91 im Gehäuse 50 drehbar gelagert. Die Drehachse der Welle 90 liegt koaxial zur Statorachse 54. Die Welle 90 weist eine mit Keilen und Nuten versehene Ausnehmung 93 an ihrem im Gehäuse 50 gelagerten Ende auf. Das andere Ende der Welle erstreckt sich aus dem Gehäuse 50 heraus. Im

Gehäuse 50 ist eine Gelenkwelle 95 angeordnet, die einen mit Keilen und Nuten versehenen Teil 96 aufweist, der in der mit Keilen und Nuten versehenen Ausnehmung 93 der Welle 90 eintaucht. Die Gelenkwelle 95 ist mit einem weiteren mit Keilen und Nuten versehenen Teil 97 versehen, der in die mit Keilen und Nuten versehene Bohrung 60 des Rotors 57 eingreift. Die Gelenkwelle 95 weist einen in ihrer Achse liegenden Mitnehmerzapfen 99 auf, der durch die Axialbohrung 65 des Einsatzstückes 64 hindurchgreift. Die Gelenkwelle 95 dient zur Übertragung von Drehbewegungen zwischen der Welle 90 und dem Rotor 57, wobei die Planetenbewegung des Rotors 57 nicht übertragen wird. Wenn die Rotationskolbenmaschine als Pumpe verwandt wird, führt der von der Welle 90 angetriebene Rotor 57 weiterhin eine Planetenbewegung aus. Die Gelenkwelle 95 ist mittels der mit Keilen und Nuten versehenen Teile 96 und 97 gelenkig mit dem Rotor 57 und der Welle 90 verbunden.

Die Achse der Gelenkwelle 95 und des Mitnehmerzapfens 99 ist gegen die Achse 54 des Stators 53 bzw. des Gehäuses 50 geneigt, so daß das freie Ende des Mitnehmerzapfens von der Statorachse weiter entfernt ist als die Rotorachsc 58. Hierdurch wird das vom Rotor abgegebene Moment noch verstärkt. Der Mitnehmerzapfen 99 greift exzentrisch am Steuerdrehschieber an.

Der Steuerdrehschieber 70 weist ein exzentrisches Loch 101 auf, in welches das Ende des Mitnehmerzapfens 99 eintaucht. Der Mitnehmerzapfen 99 übt wie der Rotor eine Eigendrehung und eine Planetenbewegung aus. Da der Mitnehmerzapfen lose in das exzentrische Loch des Steuerdrehschiebers 70 eintaucht, wird die Eigendrehung des Mitnehmerzapfens nicht auf den Steuerdrehschieber übertragen, sondern ausschließlich die Planetenbewegung des Mitnehmerzapfens an den Steuerdrehschieber 70 abgegeben.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung als Pumpe wird anhand der F i g. 3 und 4 näher beschrieben. Wenn die Welle 90 gegen den Uhrzeigersinn angetrieben wird, dreht sich der Rotor 57 gleichfalls gegen den Uhrzeigersinn um seine eigene Achse 58, jedoch bewegt sich die Rotorachse 58 im Uhrzeigersinn um die Statorachse 54, wodurch in den Kammern A, B und C (F i g. 4) ein Druckhub und in den Kammern D, E und F ein Saughub erfolgt und sich die Kammer G in einer Übergangsstellung befindet. Eine Drehung der Welle 90 bewirkt, daß der Rotor 57 eine vollständige Umdrehung um seine eigene Achse 58 ausführt und die Rotorachse 58 sechsmal um die Statorachse 54 umläuft. Die Achse der Gelenkweile 95 beschreibt bei der Übertragung der Bewegung zwischen der Welle 90 und dem Rotor 57 eine Kegelfläche. Die Kammern A, 5 und Cstehen über die Steuerbohrungen 81 und die Umfangsausnehmung 84 des Steuerdrehschiebers 70 mit dem Auslaß 79 in Verbindung (F i g. 3). Die Kammern D, E, Fsind über die Steuerbohrungen 81 und die Durchtrittsöffnung 83 des Steuerdrehschiebers mit dem Einlaß 78 verbunden. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, steht die Durchtrittsöffnung 83 dauernd mit dem Einlaß 78 in Verbindung, während die Umfangsausnehmung 84 ständig mit dem Auslaß 79 verbunden ist.

Der Steuerdrehschieber 70 führt bei jedem vollständigen Umlauf des Rotors 57 eine vollständige Drehung aus, wobei die sich verkleinernden Kammern stets mit dem Auslaß 79 und die sich vergrößernden Kammern stets mit dem Einlaß 78 verbunden sind.

Es ist weiterhin ersichtlich, daß die grundsätzliche Funktionsweise der vorstehend beschriebenen Ausführungsform auch dann beibehalten wird, wenn eine kinematische Umkehr von Rotor und Stator vorgenommen wird, d. h. wenn das als Rotor bezeichnete Teil festgehalten und das als Stator bezeichnete Teil in Umdrehung versetzt wird.

Die Erfindung schafft eine neue und wirksame Einrichtung zum Antrieb eines Steuerdrehschiebers, wobei die Bewegung eines mit Innen- und Außenverzahnung versehenen Getriebes einer Rotationskolbenmaschine ausgenutzt wird, die weiterhin eine zweckmäßige und wirksame Ausführung des Steuerdrehschiebers zuläßt. Es wurde weiterhin eine wirksame Einrichtung zur drehbaren Lagerung des Steuerdrehschiebers geschaffen, der über einen exzentrischen Antrieb in Umdrehung versetzt wird. Weiterhin ist gezeigt worden, daß die Eigendrehung des Rotors auf eine Welle übertragen wird, während die Planetenbewegung des Rotors für den Antrieb des Steuerdrehschiebers verwendet werden kann. Durch die Erfindung wird weiterhin eine Ausführung geschaffen, bei welcher die Welle keine radialen oder axialen Belastungen auf das aus Rotor und Stator bestehende Getriebe oder den Steuerdrehschieber ausübt, wobei weiterhin ein im wesentlichen gerader Durchfluß zum und vom Getriebe geschaffen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Rotationskolbenmaschine für Flüssigkeiten, Pumpe oder insbesondere Flüssigkeitsmotor, mit einem feststehenden innenverzahnten Stator und einem darin exzentrisch kreisenden, einen Zahn weniger als der Stator aufweisenden außenverzahnten Rotor und mit einer die An- bzw. Abtriebswelle der Maschine mit dem Rotor drehfest verbindenden Gelenkwelle, die außerdem noch einen koaxialen, über den Rotor hinausragenden Verlängerungsteil aufweist, der als Mitnehmerzapfen in eine exzentrische Ausnehmung eines zum Stator konzentrisch gelagerten Steuerdrehschiebers mit Steuerdurchlässen eingreift, durch welche in die Zahnlücken des Stators führende Steuerbohrungen funktionsgerecht mit einem Einlaß- und einem Auslaßanschluß am Gehäuse verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerdrehschieber (70) mittels eines zum Stator (53) zentrischen Lagerzapfens (86) gelagert ist.

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerdrehschieber (70) eine Scheibe ist, die als Steuerdurchlässe eine über einen Teil des Umfanges verlaufende Umfangsausnehmung (84) und eine der Umfangsausnehmung radial gegenüberliegende Durchtrittsöffnung (83) aufweist, von denen die Umfangsausnehmung (84) die Steuerbohrungen (81) mit dem Einlaß (79) bzw. Auslaß und die Durchtrittsöffnung (83) die Steuerbohrungen (81) mit dem Auslaß (78) bzw. Einlaß verbinden.