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Als Pumpe oder Motor verwendbare Hydromaschine Die Erfindung bezieht
sich auf eine als Pumpe oder Motor verwendbare Hydromaschine mit mehreren in Abhängigkeit
von der Drehung der Maschinenwelle periodisch bewegten Verdrängerelementen, insbesondere
mittels Taumelscheibe oder Exzenter antreibbaren Axial- oder Radialkolben, ferner
mit Steuermitteln, namentlich einem Steuerspiegel od. dgl., zum alternierenden Verbinden
der Zylinderräume mit der Druckseite und mit der Saugseite der Maschine sowie mit
Mitteln zur Vergleichmäßigung der Förder- bzw. Schluckmenge.
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Die normalen Kolbenpumpen anhaftende Ungleichförmigkeit des Förderstromes
ist in mehrfacher Hinsicht von Nachteil. Dies gilt nicht-nur für
das jeweils von der Pumpe versorgte System oder den Verbraucher, sondern
auch für den Betrieb der Pumpe selbst. So haben beispielsweise Untersuchungen gezeigt,
daß durch die Ungleichförmigkeit des Förderstromes Druckpuleationen bedingt sind,
die ganz erheblich zu der Geräuechentwieklung derartiger Pumpen beitra-gen. Die
Kolbenfrequenz und ihre Harmonischen sind in dem
Pumpengeräusch deutlich
zu analysieren und stellen einen großen Anteil des Pumpengeräuschen dar.
Bis
zu einem gewissen Grade läßt sich die Ungleichförmigkeit des Förderstromes durch
Verwendung einer ungeraden Anzahl von Kolben und generell durch Erhöhung der Kolbenzahl
verringern. Aus wirtschaftlichen Gründen ist aber eine extreme Erhöhung der Kolbenzahl
nicht möglich, weil dadurch das Gerät zu teuer wird. Im allgemeinen hat sich eine
Anzahl von sieben bis 11 Kolben als vertretbar erwiesen. Die Gleichmäßigkeit des
Förderstromes kann jedoch hierbei noch nicht voll befriedigen. Bei Pumpen mit gerader
Kolbenzahl ist vorgeschlagen worden (DAS 1 100 469), in der Maschinenwelle ein System
von Bohrungen und Nuten vorzusehen, durch die die Zylinder von paarweise gegenüberliegend
angeordneten und im Gegentakt arbeitenden Kolben im wesentlichen während des ersten
und letzten Viertels des Gesamthubes der Kolben kurzgeschlossen werden. Dieser Weg
zur Annäherung an eine gleichmäßigere Förderung bei einer Pumpe bzw. Aufnahmemenge
bei
Motor setzt jedoch das Vorhandensein einer größeren Anzahl von Kolben voraus, insbesondere
werden acht Kolben für erforderlich gehalten. Für eine Maschine mit zwei Kolben
ist der bekannte Vorschlag grundsätzlich nicht anwendbar. Bei vier Kolben ist ein
zufriedenstellendes Ergebnis nicht zu erwarten. Ziel der Erfindung ist es, eine
Möglichkeit zur Vergleichmäßigung des Förderstromes bei einer Pumpe bzw.
der Schluckmenge bei einem Motor zu finden, die nicht eine gewisse
Mindestzahl
von Kolben voraussetzt, sondern die sich vielmehr auch für Maschinen mit
geringerer Kolbenzahl eignet.
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So strebt die Erfindung weiterhin die Schaffung einer Maschine an,
die eine verhältnismäßig kleine Anzahl von Kolben oder anderen Verdrängerelementen
aufweist und sich dem-
zufolge kostengünstig fertigen läßt und bei
der trotzdem der Förderstrom bzw. die Schluckmenge gleichförmig ist.
Zur
Lösung des Problems sieht die Erfindung bei.einer Hydromaschine der eingangs genannten
Art vor, daß die Maschine wenigstens ein ständig mit der Druckseite der Maschine
verbundenes, im Takt der Maschinenwellendrehung in seiner Größe veränderbares Ausgleichsvolumen
aufweist. Während eg sich bei bekannten Vorschlägen zur Vergleichmäßigung des Förderstromes
bzw. der Schluckmenge bei einer Hydromaschine nur um mehr oder weniger gute Annäherungen
an den erstrebten Idealfall handelt und außerdem bestimmte Voraussetzungen erfüllt
sein müssen, ermöglicht die Erfindung eine exakte Lösung, und zwar gerade auch bei
kleinen Kolbenzahlen. Durch das veränderbare Ausgleichsvolumen auf .der Druckseite
läßt sich das pulsierende Volumen der Arbeitskolben so durch eine Zusatz-Schluckmenge
bzw. Zusatz-Fördermenge ergänzen, daß ein völlig gleichmäßiger Förder-bzw. Schluckstrom
erzielt wird. Durch die Erfindung ist es z.B. ohne Schwierigkeiten möglich, Kolbenpumpen
mit zwei
oder vier Arbeitskolben herzustellen, deren Förderstrom völlig konstant
ist. Bei Motorbetrieb werden durch die Erfindung die birher bestehenden Schwierigkeiten
beim Anfahren völlig behoben, da jede Ungleichmäßigkeit des erzeugten Moments
über dem Drehwinkel beseitigt wird. Dies ist z.B. für hang$amläufer von besonderer
Bedeutung. Die Änderung der Größe des Ausgleichsvolumens kann mit verschiedenen
Mitteln erfolgen, z.B. mit Hilfe von Blähkörpern, Membranen u.dgl. Eine zweckmäßige
Ausführung besteht weiterhin gemäß der Erfindung darin, daß zur Änderung der Größe
des Ausgleiehevolumens ein oder mehrere radial oder parallel zur Maschinenwelle
angeordnete Stößel, Kolben od.dgl. vorgesehen sind, die sieh in an sich
bekannter Weise an einer auf der Maschinenwelle befindlichen
Nocken-oder Kurvenscheibe abstützen. Solche Stößel oder Kolben können indirekt,
$.B. über balgartige Teile oder Membranen, auf das Medium den Ausgleichsvolumens
einwirken oder im einfachsten Fall unmittelbar mit demselben in Berührung
stehen.
Das Profil der Nocken- oder Kurvenscheibe läßt eich ohne Schwierigkeiten so gestalten,
daß entsprechend der vorhandenen Antriebscharakteristik der Arbeitskolben der den
genauen Ausgleich ergebende Weg der das Ausgleichsvolumen vergrößernden und
verkleinernden Elemente erzielt wird. Eine im Hinblick auf Herstellung und Arbeitsweise
sehr günstige Ausbildung der erfindungsgemäßen Maschine besteht darin, daß zwei
Stößel, Kolben od.dgl. diametral zur Maschinenwelle angeordnet sind. Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung ist das Ausgleichsvolumen wahlweise auf die Ein-
oder die Auslaßseite der Maschine umschaltbar. Dies ist von Vorteil für Maschinen,
die von vorneherein geeignet sein sollen, als Pumpen oder als Motoren eingesetzt
zu werden. Die Umschaltung kann dabei insbesondere durch ein einfaches Ventil erfolgen,
das von Hand bedienbar ist. Mit Hilfe eines solchen Ventils kann dann das
Ausgleichsvolumen z.8. über kurze Kanäle mit der auslaßseitigen oder mit der einlaßseitigen
Steuerniere eines Steuerspiegels verbunden werden. Es ist weiterhin möglich, zwei
solcher Verbindungswege vorzusehen und wahlweise den einen oder den anderen durch
eine Verschlußschraube od.dgl. zu sperren.
Außer den bereits erläuterten Vorteilen
zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, daß das Ausgleichsvolumen und auch die
Mittel zu seiner Änderung nur sehr wenig Platz beanspruchten und der Bauaufwand
gering ist. Bei einer Vierkolbenpumpe genügen z.B. zwei kleine miteinander verbundene
Ausgleichskammern mit den darin beweglichen Elementen, so daß die Unterbringung
in einer schmalen Scheibe erfolgen kann. Weiterhin bietet die Erfindung die
Möglichkeit, auch vorhandene Hydromaschinen noch nachträglich mit einer Ausgleichseinrichtung
auszurüsten.
Weitere Einzelheiten der erfindungsgemäßen Maschine
werden nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1a bis
1c den verlauf des Hubes der Arbeite- und Ausgleichskolben sowie des Förderstromes
über dem Drehwinkel der Maschinenwelle bei einer Zweikolbenpumpe, Fig.
2 eine Ausführung der erfindungsgemäßen Hydromaschine im Längsschnitt, Fig.
3 einen Querschnitt nach der Linie III - III in Fig. 2 in größerem Maßstab und Fig.
4 einen der Fig. 3 entsprechenden Querschnitt bei einer Ausführung einer
Vierkolbenpumpe.
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Aus der in Fig. ia dargestellten Hubkurve der Arbeitskolben einer
z.B. mit Taumelacheibe ausgestatteten Axialkolbenpumpe mit zwei Kolben ergibt eich
durch Differenzieren der in-Fig. 1b wiedergegebene Verlauf des Förderstromes.
Dieser schwankt zwischen dem Wert Null bei den Drehwinkeln 0 und Ir und
dem Maximalwert von hundert Prozent bei den
Drehwinkeln t/2 7r und
3/217 Der Mittelwert den Förderstromes wird durch die Waagerech-te
M bei 63,6 % dargestellt. Somit ist aus Fig.1b ersichtlich, daß in
Bezug auf dienen Mittelwert jeweils im Winkelbereich zwischen den punkten
A und B sowie C und D zu viel gefördert wird und im Winkelbereich
zwischen den Punkten B
und C sowie D und A zu wenig. Ein gemäß der Erfindung
auf der Druckseite der Maschine vorgesehenes Ausgleichsvolumen
muß also in den Bereichen zwischen A und B sowie C und
D die Überechußmenge aufnehmen, während es in den Bereichen
zwischen
B und C sowie D und A ein zusätzliches Fördervolumen abgeben auƒ.
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Soll die Änderung des Aungleiahevolumene mittels eines oder
aehrerer
in Takt der Manohinenwelle bewegter Kolben erfol-
gen,
so muß ein solcher Kolben eine bestimmte Hubkurve aufweisen. Diese ergibt sich durch
Integration der in Fig. 1b schraffierten Flächen in Bezug auf die Mittelwertslinie
M. In Fig. 1o ist diese Hubkurve gezeigt. Durch die Integration ergibt eich
eine ßlättung der Kurve, so daß sie durch mechanische Mittel
$u verwirklichen ist.
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Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführung einer Zweikolbenpumpe befindet
sich im Pumpengehäuse 7 ein drehbarer Rotor 16, der von der Maschinenwelle
1 angetrieben wird und der in entsprechenden Zylinderbohrungen zwei Axialkolben
14 und 15 aufnimmt. Letztere stützen sich an einer schrägstehenden Scheibe 17 ab.
Die Kolben 14 und 15 werden während der Drehung des Rotors durch bekannte,
nicht besonders dargestellte Mittel, z.B. Federn, in ständiger Anlage an der Scheibe
17 gehalten.
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Mit seiner in Fig. 2 linken Stirnseite, welche die Auslässe der Arbeitszylinder
enthält, liegt der Rotor 16 einem Steuerspiegel 13 gegenüber, der in bekannter
Weise
eine Außnehmung 12a als sog. Druckniere und eine Ausnehmung 12b
als sog. Saugniere enthält. Die Lage der Ausnehmungen 12a und
12b im Steuerspiegel 13 ist der Deutlichkeit halber um 90o
versetzt gezeichnet. Bei dem hier angenommenen Pumpenbetrieb steht die
Saugniere 12b mit einer nicht dargestellten Pumpeneinlaßöffnung
oder Ansaug-
leitung und die Druckniere 12a mit einer #uslaßöffnung
oder Druckleitung in Verbindung. Mit der Druckniere 12a ist somit auch
die Druckseite der Pumpe bei einer solchen
Ausführung
bestimmt.
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Gesäß der Erfindung steht mit der Druckseite der Pumpe
ein
Ausgleiohavolumen in Verbindung. Dies wird bei der
in den Figuren 2
und 3 wiedergegebenen Ausführung durch zwei radiale Bohrungen
5a und 5b gebildet, die in einem
scheibenförmigen Vorratsteil
6 vorgesehen sind und zwei
Kolben 3a und 3b aufnehmen. Der Vorsatzteil
6 ist mit dem
Pumpengehäuse 7 durch Schrauben verbunden.
Die Bohrungen 5a und 5b, die an ihren Enden durch Stopfen 8a und 8b abgeschlossen
sind, stehen über Kanäle 9a und 9b mit einer an der Stirnseite des Gehäuses 7 vorgesehenen
Ringnut 10 in Verbindung, die ihrerseits durch eine Bohrung 11 mit der Druckniere
12a verbunden ist.
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Die beiden Ausgleichskolben 3a und 3b stützen sich über Rollen 4a
und 4b oder sonstige geeignete Mittel auf einer Kurvenscheibe 2 ab, die auf der
Maschinenwelle 1 befestigt ist (vgl. auch Fig. 3). Das Umfangsprofil dieser Kurvenscheibe
2 ist so gewählt, daß der Verlauf des Hubes der Ausgleichskolben 3a und 3b über
dem Drehwinkel dem in Fig. 1e dargestellten Verlauf entspricht. Dadurch wird .eine
derartige abwechselnde Vergrößerung und Verkleinerung des Ausgleichsvolumens erzielt,
daß der von der Pumpe insgesamt abgegebene Förderstrom gleichförmig ist.
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Dabei muß beim Durchgang der Arbeitskolben 14 und 15 durch den oberen
bzw. unteren Totpunkt, wie dies in Fig. 2 gezeichnet ist, durch das Ausgleichsvolumen
auf der Pumpendruckseite eine Zusatzförderung erfolgen. Dreht sich die Maschinenwelle
1 im Uhrzeigersinn (Fig. 3), so liefern die Ausgleichskolben 3a und 3b bis zum Winkel
tYp oder bis zum Punkt A (Fig. 1b) diese fehlende Fördermenge, während sie anschließend
bis zum Winkel yB oder bis zum Punkt B (Fig. 1b) den Überstrom aufnehmen usw.
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Die Zylinderbohrungen 5a und 5b für die Ausgleichekolben e 3a und
3b sind ständig mit der Druckniere 12a der Pumpe verbunden und liegen dadurch
immer an der Kurvenscheibe 2 fest an. Sie bewirken nicht nur eine Glättung
den Förderstromea, sondern auch eine Glättung des aufzubringenden Pumpenmomente
bzw. des abgegebenen Motormoments bei Motorbetrieb. Sie benötigen keine Ventile
oder sonstigen Steuerorgane und sind daher ohne großen Aufwand herzustellen.
Das
Hubvolumen der Ausgleichskolben ist wesentlich geringer als das der Arbeitskolben,
was aus dem Vergleich der Hubkurven in den Fig. 1 a und 1 c deutlich. wird.
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Fig. 4 zeigt eine Kurvenscheibe 2a mit zugehörigen Ausgleichskolben
für eine Vierkolbenpumpe.,Die übrigen Teile sind wie bei der Ausführung nach den
Figuren 2 und 3 bezeichnet. Bei der Ausführung nach Fig. 4 erfolgt die Ausgleichsbewegung
viermal je Umdrehung der Maschinenwelle. Das üubvolumen der Ausgleichskolben ist
dabei erheblich geringer als das der Arbeitskolben. Bei entsprechender Auslegung
kann die Geschwindigkeit der Ausgleichskolben hinreichend klein gehalten werden.
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Bei Änderung der Drehrichtung bei Pumpe und Motor bzw. bei Verwendbarkeit
der Maschine wahlweise als Pumpe oder als Motor muß dafür gesorgt werden, daß jeweils
die Druckseite mit dem Ausgleichsvolumen verbunden ist. Dazu kann beispielsweise
eine als Oder-Glied bekannte einfache Ventilanordnung dienen.
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Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten bzw. in der Zeichnung
dargestellten Merkmale sollen, sofern der bekannte Stand der Technik es zuläßt,
für sich allein oder auch in Kombinationen als unter die Erfindung fallend angesehen
werden, auch wenn sie in den Ansprüchen nicht ausdrücklich erwähnt ging.