-
Kolbenmaschine mit einem zwischen umlaufenden Daumenscheiben geführten
Pendelkolben Es sind bereits Kolbenmaschinen mit einem beiderseitig schräg abgeschnittenen
Pendelkolben bekannt, der zwischen zwei starr miteinander verbundenen Daumenscheiben,
welche im Zylinder des genannten Kolbens umlaufen, in axialer Richtung hin und her
geschoben wird. Hierbei übt der genannte Kolben in den zu seinen beiden Seiten liegenden
Zylinderräumen Pumpvorgänge aus, die unter einer Phasenverschiebung von 18o° gegeneinander
verlaufen und für welche die entsprechenden Ein- und AuslaBventile unmittelbar durch
die genannten Daumenscheiben gesteuert werden können. Der Pendelkolben selbst ist
hierbei meist lose auf der gemeinsamen Welle der beiden Daumenscheiben gelagert
und wird seinerseits an einer Drehung durch eine Schlitzführung gehindert, die parallel
zur Zylinderachse verläuft. Derartige Kolbenmaschinen lassen sich, wie jede Kolbenmaschine,
sowohl als Pumpe für Gas oder Flüssigkeiten wie auch als hydraulischer oder druckluftbetriebener
Motor bzw. gegebenenfalls sogar als Verbrennungsmotor benutzen. Sie zeichnen sich
in allen diesen Fällen gegenüber normalen Kolbenmaschinen durch einen besonders
einfachen und raumsparenden Aufbau und durch besonders geringe Störanfälligkeit
aus.
-
Die Erfindung betrifft eine Verbesserung für Kolbenmaschinen der genannten
Art, durch welche eine Reihe von überraschenden neuen Wirkungen erzielt und derartige
Kolbenmaschinen für zahlreiche neue Anwendungsgebiete
verwendbar
gemacht werden. Nach der Erfindung wird der Pendelkolben innerhalb des Zylinders
zwischen zwei Anschlägen drehbar angeordnet. Für diesen Zweck kann man z. B. im
Pendelkolben zwei um i8o' gegeneinander versetzte Führungsschlitze versehen, die
durch einen Übergangskanal miteinander verbunden sind, dessen Anschlagflächen schräg
in die Führungsschlitze einlaufen. Auf diese Weise gibt man dem Kolben die Möglichkeit,
wahlweise in zwei um i8o' gegeneinander versetzten Lagen zwischen den Daumenscheiben
hin und her zu pendeln, d. h. also die Phase des Pumpvorganges gegen die unveränderte
Phase der von den Daumenscheiben gesteuerten Ventile wahlweise um i8o' zu verschieben,
so daß die erfindungsgemäße Kolbenmaschine also in beiden Drehrichtungen als Pumpe
oder als Motor laufen kann. Der Übergang aus dem einen Führungsschlitz durch den
Übergangskanal in den andern Führungsschlitz erfolgt dabei selbsttätig durch die
mitnehmende Wirkung der zwischen Kolben und Daumenscheiben bestehenden Reibung.
-
Statt jedoch nur zwei um 18o° gegeneinander versetzte Arbeitslagen
des Pendelkolbens vorzusehen, von denen je nach der erforderlichen Fördermenge selbsttätig
die vorbestimmte Arbeitslage ausgewählt wird, kann man natürlich die Anordnung auch
so treffen, daß die Winkellage des Pendelkolbens zu den festliegenden Ventilen nach
Belieben einstellbar ist. Zu diesem Zweck braucht man z. B. lediglich den in den
Führungsschlitz des Pendelkolbens eingreifenden Führungsstift mit einer Stellvorrichtung
auszurüsten, welche seine Drehung um die Zylinderachse ermöglicht. Durch entsprechende
Einregelung der Stellung dieses Führungsstiftes kann man dann jede beliebige Phasenlage
zwischen der Kolbenbewegung und der Ventilsteuerung herbeiführen und infolgedessen
bei konstanter Drehrichtung der Daumenscheiben der beispielsweise als Pumpe betriebenen
Kolbenmaschine von der maximalen Förderung in der einen Förderrichtung bis auf die
Förderung Null herabregeln und dann weiterhin die Förderung in der entgegengesetzten
Förderrichtung bis zum Maximalwert hinaufregeln. Ebenso läßt sich beim Betrieb einer
solchen Kolbenmaschine beispielsweise als hydraulischer Motor das Schluckvermögen
dieses hydraulischen Motors vom Maximalwert stetig bis auf Null herabregeln und
dann weiter zu negativen Werten führen, bei denen der Motor also nicht mehr Leistung
abgibt, sondern als Pumpe wirkt und Leistung aufnimmt, d. h. bremst.
-
Diese Wirkungen, welche sich bei Kolbenmaschinen üblicher Bauart nur
mit Hilfe von ziemlich verwickelten Hilfsmitteln herbeiführen lassen, machen die
erfindungsgemäße Kolbenmaschine besonders geeignet als Förderpumpe bzw. als hydraulischen
Motor von Flüssigkeitsgetrieben. Hierbei empfiehlt es sich allerdings, jeweils mehrere
Kolbenmaschinen, die mit gegeneinander versetzter Phase arbeiten, miteinander zwangsläufig
zu kuppeln, um die Totpunkte zu überwinden. Hierbei ergibt sich eine besonders raumsparende
Anordnung, wenn man eine Mehrzahl von Zylindern, welche j e eine erfindungsgemäß
ausgestaltete Kolbenmaschine enthalten, achsenparallel im Kranz um die Mittellinie
des gleichzeitig zur gemeinsamen Lagerung von An- und Abtrieb dienenden Zylinderblockes
anordnet und die Achsen dieser Kolbenmaschinen mit der jeweils zugehörigen Welle
durch Zahnräder kuppelt. Die Steuerung der Führungsstifte für die Pendelkolben kann
dann z. B. durch eine axial verschiebbare, gegebenenfalls mit dem Zylinderblock
umlaufende Hülse erfolgen, innerhalb deren die betreffenden Verstellglieder in schrägen
Schlitzen geführt werden.
-
Die Erfindung sei im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
Von diesen zeigt Fig. i die perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Kolbenmaschine, Fig. 2 und 3 die Abwicklung der Oberflächen von Kolben und Daumenscheiben
in verschiedenen Phasenlagen zueinander und zu den Zylinderschlitzventilen, Fig.
4 den Querschnitt durch eine Kolbenmaschine mit erfindungsgemäßer Verstellvorrichtung,
Fig.5 den Längsschnitt durch ein Flüssigkeitsgetriebe mit erfindungsgemäßer Kolbenmaschine
und Fig. 6 die Rückansicht der in Fig. 4 dagestellten Kupplung.
-
Fig. i zeigt zunächst in perspektivischer Darstellung eine erfindungsgemäße
Kolbenmaschine mit angeschnittenem Gehäuse. Innerhalb des Zylinders i laufen auf
der axialen Welle 2 die fest mit dieser Welle verbundenen Daumenscheiben 3 und 4
um und schieben hierbei den beiderseits schräg abgeschnittenen Pendelkolben 5 zwischen
sich hin und her. Die als Zylinderschlitze ausgebildeten Einlaßventile 7 und 7'
sowie die ebenfalls als Zylinderschlitze ausgebildeten Auslaßventile 8 und 8' der
beiden Pumpräume P, und P2 werden hierbei durch die umlaufenden Daumenscheiben 3,
4 zwangsläufig gesteuert.
-
Der Pendelkolben 5 ist lose auf der Welle 2 gelagert und wird durch
den Führungsstift 9, der am Gehäuse 1 befestigt ist, an einer Drehung um seine Achse
verhindert. Dieser Führungsstift 9 läuft hierbei normalerweise in einer Längsnut
io des Kolbens 5, an deren oberem Rand er zwangsläufig angedrückt wird, sobald die
dargestellte Kolbenmaschine in Richtung des eingezeichneten Drehpfeiles als Pumpe
läuft. Diese Führungsnut io ist durch einen Übergangskanal i1 mit einer zweiten
Führungsnut 12 verbunden, welche um 18o' gegen die Führungsnut io auf dem Mantel
des Kolbens 5 versetzt liegt und in Fig. i durch das Gehäuse verdeckt wird. Da die
Anschlagflächen des Übergangskanals i1 in diese beiden Führungsnuten schräg einlangen,
geht der Pendelkolben 5 selbsttätig in die oppositionelle Lage über, wenn man die
Drehrichtung der Daumenscheiben 3, 4 ändert, die Pumpe also entgegengesetzt der
eingezeichneten Drehpfeile laufen läßt.
-
Fig. 2 zeigt die Abwicklung der Mantelflächen des Kolbens 5 und der
Daumenscheiben 3, 4 für die beiden Stellungen. Man erkennt, daß bei unveränderter
Lage der Daumenscheiben 3, 4 gegen die Zylinderschlitze 7, 8 bzw. 7', 8' gemäß Fig.
2a der Führungsstift 9 durch die in Richtung der eingezeichneten Pfeile ausgeübte
Mitnehmerwirkung zwischen Daumenscheiben und Kolben an der Oberkante des Schlitzes
io anschlägt und die betreffende Kolbenmaschine demnach mit richtiger Ventilphase
als Pumpe arbeitet,
während bei der in Fig. 2b dargestellten entgegengesetzten
Drehrichtung der Führungsstift an der unteren Kante des Schlitzes anschlägt und
das Pumpaggregat infolgedessen nunmehr auch bei dieser entgegengesetzten Drehrichtung
wieder mit richtiger Ventilphase als Pumpe arbeitet.
-
Sieht man an Stelle der beiden durch den Übergangskanal ii miteinander
verbundenen Führungsnuten io, 12 nur eine einzige Führungsnut im Kolbenmantel vor
und macht den Anschlagstift 9 entsprechend verstellbar, so kann man offenbar j ede
beliebige Phase zwischen Kolbenbewegung und Ventilsteuerung herbeiführen. Fig. 3
zeigt in entsprechender Weise die Oberflächenabwicklungen von Kolben 5 und Daumenscheiben
3, 4 für drei verschiedene Zwischenstellungen zwischen den bereits in Fig. 2 dargestellten
beiden Grenzstellungen. Gemäß Fig. 3 a ist der Führungsstift 9 aus der der Fig.
2 a entsprechenden Stellung um 45° in der Richtung des Drehpfeiles der Fig. i herausgedreht.
Man erkennt, daß die beiden Kolbenräume erst in halbgeöffneter Stellung von der
Druckleitung getrennt und mit der Ansaugleitung verbunden werden, so daß also nur
noch die halbe Förderung erfolgt. Gemäß Fig. 3b ist der Führungsstift 9 gegen die
in Fig. 2a gezeichnete Ausgangstellung um go° gedreht. In dieser Stellung wird die
jeweils angesaugte Fördermenge durch das Ansaugventil selbst wieder restlos in die
Ansaugleitung zurückgedrückt, so daß die Förderleistung der Pumpe auf Null sinkt.
Gemäß Fig. 3 c ist die Lage des Führungsstiftes 9 gegenüber der in Fig. 2a gezeichneten
Ausgangslage um i35° versetzt. Bei dieser Drehlage des Kolbens 5 ist offenbar bereits
eine Umkehrung der Förderrichtung eingetreten, und es wird das Fördergut mit halber
Förderleistung durch die Ansaugschlitze zurückgedrückt. Dreht man den Führungsstift
9 in der gleichen Richtung noch weiter, so daß er in die Lage von Fig. z b gelangt,
so würde bei gleichbleibender Drehrichtung eine negative Förderung mit voller Förderleistung
eintreten. Man erkennt also, daß sich durch eine zwangsläufige Drehung des Pendelkolbens
5 um seine Achse bei Kolbenmaschinen der fraglichen Art eine stetige Regelung der
Förderleistung vom Maximalwert in der einen Richtung durch Null hindurch bis zum
Maximalwert in der anderen Richtung erzielen läßt.
-
Arbeitet die erfindungsgemäße Kolbenmaschine lediglich als Pumpe,
so wird es im allgemeinen genügen, eine Drehbarkeit des Führungsstiftes 9 um die
Zylinderachse um seinen Winkel von go° vorzunehmen, da sich hierdurch bereits die
Förderleistung der Pumpe vom Maximalwert bis auf Null stetig regeln läßt. Wird die
beschriebene Kolbenmaschine hingegen als Motor verwendet, so ist es häufig zweckmäßig,
die Drehbarkeit des Führungsstiftes 9 um die Zylinderachse auf volle i8o° zu bemessen,
da man dann durch Verstellung dieses Führungsstiftes die Leistung des Motors vom
Maximalwert in der einen Drehrichtung bis auf Null und dann ansteigend in der entgegengesetzten
Richtung von Null bis zum Maximalwert stetig regeln kann. Fig. 4 zeigt den Schnitt
durch einen hydraulischen Motor dieser Art. In die Wandung des Zylinders i ist ein
peripherer Schlitz 13 eingefräst, der sich über i8o° erstreckt und in dem der Führungsstift
9 läuft, welcher von einem Ring 14 getragen wird. Der Führungsstift 9 greift hierbei
in die achsenparallele Nut ro des Pendelkolbens 5 ein. Der Ring 14 ist auf seiner
Außenseite mit einer Verzahnung versehen, welche im Eingriff mit der Schnecke 15
steht, auf deren Welle das Handrad 16 sitzt; infolgedessen kann man durch Drehung
des Handrades 16 den Ring 14 um die Achse des Zylinders i drehen und dadurch die
Lage des Führungsstiftes 9 verstellen.
-
Fig. 5 zeigt in schematischer Darstellungsweise den Schnitt durch
ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Flüssigkeitsgetriebe. Der Zylinderblock 17 dient
gleichzeitig als Lager für den Antrieb 18 und den Abtrieb ig. Innerhalb des Zylinderblockes
17 sind die vier achsenparallelen Zylinder 2o bis 23 angeordnet, von denen die Zylinder
20 und 21 je eine Kolbenpumpe der beschriebenen Art enthalten, welche über Zahnräder
24 und 25 mit dem Zahnrad 26 des Antriebes 18 gekuppelt sind. Die Zylinder 22 und
23 enthalten je eine als hydraulischer Motor wirkende Kolbenmaschine entsprechender
Art, welche über die Zahnräder 27 und 28 mit dem Zahnrad 29 des Abtriebes ig verbunden
sind. Die im Innern des Zylinderblockes 17 vorgesehenen Ringräume 30 und
31 dienen in üblicher Weise als Vorratsräume für die angesaugte bzw. die unter Druck
geförderte Kupplungsflüssigkeit.
-
Für die Regelung eines solchen Flüssigkeitsgetriebes kann man bekanntlich
die auf jede Umdrehung entfallende Förderleistung der Pumpen oder die entsprechende
Förderleistung der Motoren oder auch beide Förderleistungen regeln. Der Übersichtlichkeit
halber ist bei der in Fig. 5 dargestellten Anordnung lediglich eine Regelung für
die Förderleistung der Pumpe vorgesehen. Als Regelvorrichtung dient hierbei eine
Hülse 32, welche auf derAchse desAntriebes 18 mittels des Hebels 33 in axialer Richtung
verschiebbar angeordnet ist und schräge Führungsschlitze besitzt, in denen die Stellstifte
34 für die Stellringe 14 a und 14b (vgl. den Stellring in Fig. 4) laufen. Eine Verstellvorrichtung
dieser Art besitzt den Vorteil, daß man sie auch dann verwenden kann, wenn man,
wie dies bei bestimmten Getrieben notwendig ist, gegebenenfalls den Zylinderblock
17 so lagert, daß er mit umzulaufen vermag. Besteht diese Notwendigkeit nicht, so
kann man natürlich auch im Innern des Zylinderblockes 17 ein gemeinsames Zahnrad
vorsehen, welches mit entsprechenden Verzahnungen der Ringe i4a und 14" im Eingriff
steht und seinerseits über ein seitlich herausgeführtes Schneckengetriebe von Hand
verstellt wird.
-
Statt gemäß Fig.5 nur je zwei Pumpen- und Motorenzylinder 2o bis 23
vorzusehen, empfiehlt es sich in der Praxis natürlich, für Pumpe und Motor je eine
größere Anzahl von kranzförmig im Zylinderblock angeordneten Zylindern zu benutzen.
Es ergibt sich dann etwa die in Fig. 6 als Rückansicht gezeichnete Anordnung.