-
"Antriebsvorrichtung zur Ausführung einer Schwenk-oder Drehbewegung
durch flüssiges oder gasförmiges Druckmedium" Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung
zur Ausführung einer Schwenk- oder Drehbewegung durch flüssiges oder gasförmiges
Druckmedium, wobei diese ein Gehäuse mit darin gelagerter Arbeitswelle und einen
mit dieser wirkverbundenen zylinderischen Exzenterteil aufweist sowie mindestens
eine aufblasbare Expansionszelle, welche zwischen der Gehäuse-Innenwand und dem
Exzenterteil auf dessen Umfang verteilt angeordnet, mit diesem wirkverbunden und
mit dem Arbeitsmedium über Steuermittel verbindbar ist.
-
Dieser Antrieb soll billig in der TIerst~lang, einfach im Aufbau,
betriebssicher, umweltfreundlich sein und insbesondere ein bedeutend kleineres Leistungsgewicht
aufweisen als die heute bekannten hydraulischen-oder pneumatischen Antriebe.
-
Es sind zwar schon derartige Motoren vorgeschlagen, aber nicht marktgängig
ausgeführt worden, deren Expansionskammern auf den Stützflächen geführt sind und
bei welchen, bedingt durch ihre Bauart, in Betrieb infolge der Relativbewegung von
Kammerflächenteilen, insbesondere von Randteilen, nicht nur wesentliche Reibungsverluste
auftreten, sondern starke Zugspannungen mit Spannungsspitzen in den Randbereichen
der Kammern, was wesendich verkürzte Lebensdauer solcher Expansionskammern zur Folge
hat.
-
Die erfindungsgemässe Antriebsvorrichtung umgeht diese Nachteile dadurch,dass
die Expansionszelle als freideformierbare Walkzelle ausgebildet ist, derart, dass
während der Volumenänderung der Walkzellen ein Walken der Zellenwand erfolgt, wobei
die Differenz der Umfangs längen von Rotor und Gehäuse-Innenseite durch Walken der
Expansionszellen oder zwischen einer Andruckplatte und einem exzentrisch bewegten
Lager ausgeglichen wird, wobei durch Aufblasen mindestens einer Walkzelle auf den
Exzenterteil eine in dessen Mittelachse weisende Kraft .und daher auf die Arbeitswelle
ein Drehmoment ausgeübt wird.
-
Ein solcher Motor kann mit geringem Aufwand hergestellt werden.
-
Es gehört zu seinem charakteristischen Merkmal, dass der volumetrische
Wirkungsgrad sehr hoch liegt und er äusserst ger'nge Reibungsverluste aufweist.
-
Dabei weist nach einem andern Erfindungsmerkmal der Exzenterteil einen
zylindrischen Mantelteil auf und mit diesem wirkverbundene Walkzellen. Diese Ausführung
des- Mantelteils ist herstellungsmässig sehr einfach, Nach einer weiterhin ausgezeichneten
Ausführung ist zwischen dem Exzenterteil und den Walkzellen ein auf jenem drehbar
gelagerter Zwischenteil, z.B. ein Ring oder Zylinder, angeordnet, was eine äusserst
reibungsarme Ausführung ergibt. Im gleichen Sinne wirken ebenfalls erfindungsgemcisse,
unmittelbar mit den Walkzellen wirkyerbundene AndruCkplatten, welche ein Schleifen
der Walkzellen auf der anliegenden Fläche verhüten und - dies ist dls Wesentlichste
- auf kleinem Raum-sehr grosse Auflage- -fläche (hydraulisch aktive Fläche) filr
die Walkzellen bilden.
-
Wenn nach einem andern Merkmal der Erfindung der Zwischenteil.
-
wälzgelagert wird, so kann auch dadurch die Reibung noch verringert
werden.
-
Es ist ferner vorteilhaft, im Sinne einer einfachen Fixirung,
wenn
jede Walkzelle ausschliesslich in einem bezüglich ihren Auflageflächen kleinen Bereich,
z.B. durch den Arbeitsmediumstutzen, mit einem der Träger der Auflageflächen wirkverbunden
ist.
-
In diesem Sinne kann der Stutzen als Einpressstutzen ausgebildet sein.
-
Ein einfacher Aufbau der Antriebsvorrichtung ist vorhanden, wenn das
Gehäuse des Antriebes aus Segmentteilen mit Spannprofilen besteht. Sehr wesentlich
ist ebenfalls,- dass die Antriebsvorrichtung als Schwenkantrieb ausgebildet und
mit zwei auf die Exzenterwelle alternativ wirkenden Walkzellen ausgerüstet ist.
Ein derartiger Schwenkantrieb ist nicht nur einfach im Aufbau, sondern arbeitet
mit hohem Wirkungsgrad und ist praktisch nicht störanfällig.
-
Bei einer weiteren Ausführung, welche ebenfalls in der Praxis gute
Dienste leisten kann, ist der Schwenkantrieb mittels einer einzigen Walkzelle ausgebildet
und die Rückstellung der Welle erfolgt durch eine äußere Kraft, z.B. durch eine
eingebaute Feder, z.B. bei einem Türöffr..r.
-
Bei gewissen Antriebsvorrichtungen dieser Art ist es unbedingt nötig,
zwischen dem Walkrotor und dem Gehäuse Kupplungsmittel
anzuordnen,
um eine Drehwinkeländerung zwischen Rotor und ehäuse. zu verhüten und damit ein
sicheres Arbeiten der Antriebsvorrichtung zu gewährleisten. Als derartige Kupplungsmittel
-en könn/beispielsweise eine Führung im Gehäuse dienen, welche der Aufnahme eines
sich vorzugsweise radial erstreckenden Armes des Rotors dient, odc-r es kann eine
entsprechende Zapfenkupplung (sog. Oldhaüi-Kupplung) mit einer Zwischenscheibe,
wie solche allgemein bekannt sind, Verwendung finden.
-
Ausrührungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden anschliessend
anhand von Figuren in schematischer Darstellung erläutert.
-
Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt eines Drehantriebes mit Expansionszellen,
die Über eine Rotorwalze auf eine Exzenterwelle wirken, gemäss Schnittlinie I-I
der Fig. 2, Fig. 2 einen Längsschnitt des Drehantriebes gemäss Fig. 1, nach Schnittlinie
II-II, Fig. 3 eine schematische, perspektivische Darstellung eines im Gehäuse gegen
Verdrehung geführten Walzenrotors,
Fig. 4 eine analoge Darstellung
wie Fig. 3, in welcher die Führung mittels einer Kupplung erfolgt, in Explosionsdarstellung,
Fig. 5 einen Querschnitt eines Drehantriebes mit drei Expansionszellen, die über
Andruckplatten auf ein Exzenterwelle wirken, Fig. 6 einen Längsschnitt des Drehantriebes
gemäss Fig. 3, Fig. 7 einen Querschnitt eines Schwenkantriebes mit alternativwirkenden
Expansionszellen, die über eine Rotorwalze auf eine Exzenterwelle wirken, Fig. 8
einen Querschnitt eines Scnwenkantriebes mit alternativ wirkenden Expansionszellen,
die über Andruckplatten auf eine Exzenterwelle wirken.
-
Fig. 1 zeigt den Querschnitt eines oraantriebes, mit einem Mantelrohr
1, einer bezüglich einer Antriebswellenachse 3 exzentrisch gelagerten Antriebs-Steuerwelle
2, einem auf der Antriebs-Steuerwelle 2 gelagerten hohlzylindrischen Walzenrotor
4 dessen Längsachse mit 4a bezeichnet ist sowie mit aus gummi- oder kunststoffelastischem
Werkstoff gefertigten Expansionszellen,
sogenannten Walkzellen 5,
6, 7. Diese Walkellen arbeiten derart frei, dass der Randteil der Membranen der
Walkzellen frei abrollen oder walken kann, derart, dass eine praktisch reibungs-und
zusatzspannungsfreie Bewegung des Zellenrandbereiches entsteht. Jede dieser Walkzellen
ist mit Einpressnippeln 8 mit dem Walzenrotor 4 und mit radialen Bohrungen 9 im
Walzenrotor verbunden. Die Antriebs Steuerwelle 2 enthält Kanäle 10 und 11 fUr die
Zu- und Ableitung des Druckmediums.
-
In Fig. 2 sind Gehäuse-Deckel 57 58, die exzentrische Antriebs-Steuerwelle
2 mit einem Gegengewicht 60, den Walzenrotor 4 mit seinen Lagern 62, 63 ersichtlich.
Am Rotor 4 befindet sich die Expansionszelle 5 in neutraler. Funktionslage. Sie
ist mit dem Walzenrotor 4 durch die Einpressnippel 8 verbunden, wobei der eine in
der radialen Bohrung 9 steckt. Die Fig. 1 und 2 stellen ein Beispiel eines nicht
reversierbaren Qntriebes, z.B. für Druckluftspeisung, dar. Bei diesem wird das Druckmedium
über einen Anschluss 68 und die Bohrung 11 einem Segmentausschnitt 70 und dadurch
der Expansionszelle 7 zugeführt. Durch-den andern rückseitigen Segmentausschnitt
wird dagegen die Expansionszelle 6 über die Bohrung 10 in den Innenraum des Walzenrotors
4 entlüftet, von wo die EntlUftung über Bohrungen 72, 73 ins Freie erfolgt. Diese
Entlüftungsart kann das Auspuffgeräusch auf ein kaum hörbares Minimum reduzieren.
Bei einer
reversierbaren Ausführung desselben Antriebes wird auch
der Auslasskanal in die Welle verlegt.
-
Sofern also die Kanäle 10, 11 umsteuerbar an die Speiseleitung angeschlossen.sind,
ist der Antrieb reversierbar. Zur Rechtsdrehung der Antriebswelle 3a wird der Kanal
11 unter Druck gesetzt, worauf die Expansionszelle 7 sich in radialer Richtung zu
erweitern sucht. Die Grösse der auf den Walzenrotor 4 wirkenden Radialkraft 12 hangt
von der hydraulisch-aktiven Fläche 13 der Expansionszelle sowie vom Ueberdruck des
Druckmediums ab.
-
Das entwickelte Drehmoment ist das Produkt dieser Radialkraft 12 und
des momentanen Abstandes 14 des Kraftvektors von der Achse 3. In der gezeichneten
momentanen Funktionslage befindet sich die Expansionszelle 5 in neutraler Lage und
die Expansionszelle 6 wird Über den Kanal 10 entlastet. Der Drehsinn der Antriebswelle
3a entspricht in diesem Falle dem Pfeil 15. Während der Drehung der Antriebswelle
2 um die Achse 3 werden die Expansionszellen in der Reihenfolge 7, 5, 6 unter Druck
gesetzt.
-
Der Drehmomentverlauf erfolgt nach einem Drehphasen-Sinuscharakter,
mit dem Merkmals dass durch die Veränderung der hydraulisch-aktiven Expansionsel1enflä'che
während des Umlaufes eine steilere Anstiegs flanke und eine abgeflachte Abstiegsflanke
entsteht.
-
Die gegensinnige Drehung der Antriebswelle 3a erfolgt durch Umsteuerung
der Kanäle 10 und 11, wodurch im Bild die Expansionszelle 6 unter Druck gesetzt
wird und die Reihenfolge der Druckzuführung in die Zellen 6, 5, 7 erfolgt.
-
Bei dem Motor nach Fig. 1 und 2 sind die StiItzflächen der Walkzelle
nicht parallel, wodurch nebst radial wirkenden Kräften ebenfalls am Gehäuse und
Rotor gegensinnig wirkende Tnüential kräfte entstehen. Um dadurch eine relative
Verdrehung des Rotors gegenüber dem Gehäuse zu verhindern, bedarf es zusätzlicher
Mittel.
-
Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung den Walkrotor be.q.
-
Walzenrotor 90 mit einem festmontierten Führungsarm 92 und daran befestigter
Rolle 94,geführt in einer Kulisse 96 eines Gehäuses 98, welches dem Rohr 1 der Ausführung
gemäss den Fig.
-
1 und 2 entspricht.
-
Fig. 4 zeigt ebenfalls schematisch einen Walkrotor 102.
-
Am Ende des Walkrotors 102 sind einander gegenüberliegende Zapfen
104, 106 mit Rollen 108, 110 befestigt. Aehnliche Rollen 112, 114 sind an dem dem
Rotorende gegenüberliegenden Gehäuse innenseitig in einer um aOO verdrehten Position
angebracht.
-
11 Die Koppelung des Walkrotors 102 mit dem Gehäuse erfolgt mittels
eines
Kupplungsringes 116 rftt den zu den Rollen 108, 110, 112 und 114 passenden Kulissenöffnungen
118, 120, 122 und 124.
-
Der Kupplungsring lasse auf bekannte Weise eine Achsversetzung zwischen
Rotor und Gehäuse zu, wobei er jedoch jegliche relative Verdrehung verhindert. (Oldham-Kupplung).
Die Ausnehmungen 118, 120, 122 und 124 dienen, wie erwähnt, der Aufnahme der Rollen
108, 110 und 112, 114. Auf diese Weise kann der Rotor 102 im Gehäuse eine Bewegung
ähnlich derjenigen eines Schubstanenkopfes an einem Kurbeltrieb ausführen, d.h.
eine kreisende Bewegung um eine exzentrische Achse ausfUhmn,ohne eine Drehbewegung
um seine eigene Achse zu vollziehen.
-
Fig. 5 zeigt den Querschnitt eines Drehantriebes bei dem die elastischen
Expansionszllen 16, 17 und 18 aus Kunststoff-Folie über schwenkbar gelagerte Andruckplatten
19, 20, 21 über Exzenterlager 22 auf eine Fxzenterwelle 24 mit der Drehachse 23
wirken. Die segmentartigen Gehäuseteile 25, 26, 27, durch Spannstreifen oder Klammern
31, 32, 33 zusammengehalten, -en enthalten Steuerkanäle 28, 29, 30. Die LagerungXder
Andruckplatten 19, 20, 21 befinden sich in Lagerdeckeln 76 und 84 (Fig. 6). Die
Verbindungen der Kanäle 28 - 30 mit den Expansionszellen erfolgt mittels Einpressnippeln
34. Das Steuerorgan (nicht dargestellt) bewirkt, dass zum Drehen der Welle 24 in
Pfeilrichtung 35 die Expansionszellen in der Reihenfolge l6, 17, 18
angesteuert
werden. Die gegensinnige Drehung wird durch die Ansteuerung nach Zellen-Reihenfolge
18, 17) 16 erreicht.
-
Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt des Antriebes nach Fig. 2.
-
Am bzw. im Gehäuseteil 26 mit dem Steuerkanal 29, ist der Deckel 76-mit
den Steuerkanälen 77, sowie die Exzenterwelle 24 mit dem Exzenter 78, dem Steuèrschieberteil
79 und der in neutraler Funktionslage befindlichen Expansionszelle 17 mit den Anschluss-
und Befestigungsnippeln 34 und der Deckel 84 vorgesehen. Die Expansionszelle 16
wirkt über die Andruckplatte 19 auf die Exzenterlager 22.- Die Lagerungen 87, 88
der Andruckplatte 21 sind ebenfalls ersichtlich, ebenso das Gegengewicht 81 der
Exzenterwelle 24 zum Massenausgleich des Exzenters 78.
-
Fig. 7 stellt einen Schwenkantrieb im Querschnitt dar, mit einem Mantelrohr
36, einer Rotorwalze 37, elastischen Expansionszellen 38, 39 mit Anschlussnippeln
40, 41 sowie einer Exzenterwelle 42. Der Antrieb steht in Fig. 7 in der neutralen
Mittellage. Die Steuerung kann beispielsweise mit einem 4-Wege-Ventil erfolgen.
Zur Auslösung einer chwerltDewegung in Ffellrlcntttng 43 wird der Anschluss über
den Nippel 40 mit der Druckleitung und über den Nippel 41 mit der Ablaufleitung
hergestellt. Nach der Umsteuerung beider Anschlüsse erfolgt eine Schwenku.ng der
Welle 42 in Pfeilrichtung 44D Die Rotorwalze 37 führt bei der
Schwenkung
keine Drehung sondern eine Planetenbewegung ohne Eigenrotation aus. Der maximal
mögliche Schwenkwinkel 45 solcher Antriebe liegt bei etwa 1600.
-
Fig. 8 zeigt den Querschnitt eines Schwenkantriebes mit einem Gehäuse
46, Expansionszellen 47, 48 mit Anschlussnippeln 49, 50, Andruckplatten 51, 52,
einer Exzenterwelle 53 mit einer Schwenkachse 54 und einem Exzenterlager 55. Der
Aufbau dieses Antriebes ist mit dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Antrieb verwandt,
wobei deFunktionsart der Steuerung im Sinne der Ausführung gemäss den Fig. 5 und
6 vergleichbar ist.
-
Die dargestellten und beschriebenen Antriebe haben die folgenden Merkmale
gemeinsam: a) Die annähernd radial wirkende Krafterzeugung erfolgt durch elastische
Expansionszellen.
-
b) Die Möglichkeit zur Bildung von grossen hydraulisch-aktiven Flächen
bei kleinen Bauvolumen ist durch die Verwendung aufblasbarer Zellen gegeben, z.B.
aus gummielastischem oder kunststoffelastischem Material.
-
c) Die Volumenänderung der Expansionszellen erfolgt durch Walken der
Zellenwand, also ohne jegliche Gleitreibung.
-
d) Es erfolgt ein ausserordentlich geräuscharmer Lauf, insbesondere
bei den Ausführungen mit Walzenrotor.
-
e) Eine Schmierfähigkeit des Druckmediums ist nicht erforderlich.
-
f) Geringe Herstellungskosten insbesondere durch die Möglichkeit,-
die Expansionszellen aus Folien durch Schweissen, Kleben oder Vulkanisieren herzustellen.
-
g) Alle Antriebe können wahlweise mit feststehendem Gehäuse und bewegter
Welle oder feststehender Welle und bewegtem Gehäuse betrieben werden, Diese Antriebe
sind allgemein zur Erzeugung jeder beliebigen Schwenk- oder Drehbewegung anwendbar.
Eine, gegenüber bekannten Antrieben, wesentliche Erweiterung der Anwendungsgebiete
ist jedoch zu erwarten durch die zwei neuen Eigenschaften dieser Antriebe: - keine
Schmierung durch das Druckmedium erforderlich - Rationelle Möglichkeit zur Bildung
grosser aktiver Flächen.
-
Die eine Eigenschaft ermöglicht die Anwendung jeglicher nicht agressiver
Druckmedien als Energieträger, wie unvorbereitete Druckluft, Leitungswasser Sowie
bis heute noch nicht angewendete ka-lte und nicht explosive Druckgase mit umweltfreundliche-n
Charakter. Durch diese Eigenschaften und mit dem zusätzlichen Merkmal geringen Leistungsgewichtes
der Antriebe eröffnen sich neue Möglichkeiten auch im Fahrzeug-, Schiffs- und Flugzeugbau.
-
Eine weitere Anwendung der Antriebe besteht gemäss den Ausf
Uhrungen
nach den Fig. 1 bis 6 als Schritt- und Stellmotoren.
-
Die Drehantriebe der Fig. 1 bis 6 sind mit je drei Expnnsionszellen
abgebildetb da dies die minimale Zellenzahl darstellt, um eine kontinuierliche Drehung
zu erzeugen. Um eine höhere Gleichmässigkeit des Drehmomentes zu erreichen, kann
eine grossere Zahl von Expansionszellen vorgesehen werden.
-
Die Antriebe nach den Fig 1 bis 6 sind als Ausffshrungsbeispiele mit
Drehschiebersteuerung dargestellt. Selbstverständlich können andere Steuerungsarten
angewendet werden.
-
Bei der Anwendung der dargestellten Drehantriebe als Schrittmotoren
werden bei den Ausführungen nach den Fig. 1 und 2 die Expansionszellen mit dem Mantelrohr
verbunden. Die Drehschiebersteuerung entfillt und wird durch eine externe Stcuerung
ersetzt.
-
Für Schwenkantriebe mit äusserer Rückhol- oder Rückstellkraft, z.B.
durch eine Feder, genügt eine Expansionszelle, ansonst deren zwei benötigt werden.
-
Es ist grundsätzlich auch möglich, die Expansionszelle(n) bzw.
-
Andruckplatten direkt auf den Exzenterteil ohne Zwischenschaltung
eines auf dem Exzenterteil drehgelagerten Ringes oder Zylinders wirken zu lassen.
-
Alle die aufgeführten Beispiele beschränken den Erfindun£sgedanken
in keiner Weise. Die Hinweise in der vorliegenden Beschreibung sowie in den AnsprUchen
und den Figuren sind alle erfindungswesentlich und auch die in den Figuren dargestellten
Einzelheiten gehören zur Erfindung und charakterisieren diese.