Einrichtung zur Drehzahlregelung von mit einem Druckmittel betriebenen Kolbenmotoren
Die derzeit bekannten, schnellaufenden, mit Druckluft betriebenen Motoren für zahnärztliche Zwecke sind gegen Belastungsschwankungen empfindlich. Eine erhöhte Belastung eines durch einen solchen Luftmotor ang-triebenen Werkzeugs, beispielsweise eines Bohrwerkzeugs, hat oft einen beträchtlichen Abfall der Drehzahl zur Folge. Das erhöhte Drehmoment, das bei der sich erniedrigenden Drehzahl erforderlich ist, wird schnell zu klein, so dass die Drehzahl für die betreffende Arbeit zu gering wird oder der Motor sogar stehen bleibt.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Beseitigung dieses Nachteils sowie die Schaffung einer Einrichtung zur Drehzahlregelung von mit einem Druckmittel betriebenen Kolbenmotoren, insbesondere von Kolbenmotoren für zahnärztliche Zwecke. Die Erfindung bezweckt dabei nicht nur eine derartige Ausbildung der Regelvorrichtung, dass die Drehzahl bei schwankender Belastung im wesentlichen konstant bleibt sondern auch die Möglichkeit der Einstellung der Drehzahl auf bestimmte Werte im Leerlauf.
Bei einem Motor, auf den die Erfindung sich bezieht, erfolgt die Regelung durch Betätigung eines Einlassventils für das den Motor antreibende Druckmittel, wobei das Einlassvenül in Abhängigkeit von einer auf Änderungen der Motordrehzahl ansprechenden Grösse verstellt wird. Die Erfindung kennzeichnet sich dadurch, dass die genannte Grösse aus dem Druck einer proportional zur Drehzahl je Zeiteinheit den Motor oder eine durch den Motor angetriebene Einrichtung durchströmenden Menge des Arbeitsmittels besteht. Dadurch ergeben sich einfache Regelorgane, die ohne verwickelte Bauarten sowohl für die Konstanthaltung einer eingestellten Drehzahl als auch für Einstellung der Leerlaufdrehzahl ausgebildet werden können. Ausserdem lassen sich einfache Vorrichtungen sowohl für direkte Steuerung des Einlassventils als auch für Fernsteuerung erhalten.
Es ist auch möglich, den Motor mit einer als Zellenrad dienenden Vorrichtung zu versehen, die eine zur Drehzahl proportionale Menge eines gasförmigen Mitteils je Zeiteinheit durchlässt, wobei der Regeldruck von diesem Mittel abgeleitet wird.
Zwecks Konstanthaltung der Drehzahl kann das Steuerorgan des Einlassventils ausser durch den Druck des auf die Drehzahl ansprechenden Gasstroms durch eine Gegenkraft betätigt werden, z. B. durch eine Feder, ein Gaspolster o. dgl., wodurch der vom Gasstrcm ausgeübte Druck ausgeglichen wird. Diese Gegenkraft kann gegebenenfalls regelbar sein, so dass sie allein oder im Verein mit einem den Gasstrom regelnden Organ zur Einstellung Ider Leerlaufdrehzahl verwendet werden kann. Das den Gasstrom regelnde Organ zur Einstellung der gewünschten Leerlaufdrehzahl kann aus einem im Auslasskanal des Motors angeordneten Drosselventil bestehen.
Anhand der beiliegenden Zeichnungen werden im Folgenden einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes beschrieben. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 zeigt in einem Diagramm das Drehmoment und die Leistung eines Luftmotors ohne Regler in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors. Fig. 2 zeigt schematisch ein entsprechendes Diagramm für einen Motor mit Regeleinrichtung. Fig. 3 zeigt im Längsschnitt einen für zahnärztliche Zwecke geeigneten, mit Druckluft betriebenen Motor mit einer Regeleinrichtung gemäss der Erfindung und Fig. 3a einen Querschnitt nach der Linie 3a-3a in Fig. 3. Fig. 4 und 4a zeigen im Querschnitt bzw.
Längsschnitt schematisch eine Vorrichtung zur Erz-ugung eines zur Drehzahl proportionalen Luftstromes bei einem erfindungsgemäss ausgebildeten Motor, Fig. 5, 6, 7, 8 und 9 zeigen im Längschnitt verschiedene Ausführungsbeispiele der Regelvorrichtung. Fig. 10 zeigt im Querschnitt eine Einzelheit zur Hervorrufung einer Undichtigkeit durch eine vereinfachte Ausbildung eines mit Luft betriebenen Motors, Fig. 11 einen entsprechenden Längsteilschnitt und Fig. 12 eine entsprechende Seitenansicht des in Fig. 11 gezeigten Schiebers.
In dem in Fig. 1 gezeigten Diagramm eines mit Druckluft betriebenen Motors ohne Regulator ist eine Skala des Drehmoments M in gcm auf der linken Seite der Ordinatenachse und auf der rechten Seite die Motorleistung P in Watt aufgetragen. Die Abszisse gibt die Drehzahl n je Minute an. Als Beispiele sind die Kurven Mt, M2 und M5 für die Änderung des Drehmoments mit der Drehzahl und die entsprechenden Leistungskurven bei verschiedenen Drücken p,, Ps und ps angegeben, die einer Einstellung der Leerlaufdrehzahl von 65 000, 50 000 bzw. 30 000 Umdrehungen je Minute entsprechen. Aus Iden Kurven in Fig. 1 ist ersichtlich, dass die Drehzahl n mit steigendem Bela stungsmoment sehr stark abfällt.
Bei einer niedrigeren Drehzahl im Leerlauf, z. B. 30 000 Umdrehungen je Minute, als der Höchstdrehzahl, also 65 000 Umdrehungen je Minute, wird ausserdem die prozentuale Dreh zahlabnahme grösser. Dieser Umstand ist sehr ungünstig und bedeutet, dass ein solcher Motor im niedrigeren Drehzahlbereich praktisch nicht verwendbar ist, weil die Ausbeute infolge des zu geringen zur Verfügung stehenden Drehmoments, ungenügend ist. Im Vergleich dazu ergibt sich eine äusserst wesentliche Verbesserung, wenn der Motor mit einer Regeleinrichtung versehen wird.
Dies geht aus den in Fig. 2 gezeigten Kurven hervor die den idealen Verhältnissen bei Motoren für zahnärztliche Zwecke sehr nahe kommen. Wie aus diesen Kurven ersichtlich, fällt die Drehzahl von der Leerlaufdrehzahl, beispielsweise 50 000, 30 000 und 10 000 Umdrehungen je Minute bei steigendem Drehmoment zunächst sehr mässig, bis eine so grosse Leistung entnommen wird, die der mit gestrichelten Linien gezeigten Grenzkurve P entspricht, die ihrerseits dem höchsten verfügbaren Einlassdruck des Arbeitsmittels entspricht. Die abgegebene Leistung folgt dann der Kurve P nach unten bis zur Drehzahl 0.
Wird beispielsweise eine Leerlaufdrehzahl von 30 000 Umdrehungen je Minute angenommen und der mit der Regeleinrichtung versehene Motor so belastet, dass seine maximale Leistung entnommen wird, so erniedrigt sich die Drehzahl nur auf 26 000 während die entsprechende Drehzahl in Fig. 1 auf 15 000 fällt. Bei einem Versuch, dasselbe Moment wie im vorhergehenden Fall zu entnehmen, würde der Motor zum Stillstand kommen. Im Fall der Fig. 2 ist die maximal entnehmbare Leistung 22 Watt und im Fall der Fig. 1 nur 4 Watt. Ein weiterer Vergleich zwischen den in Fig. 1 und 2 gezeigten Leistungskurven ergibt, dass der mit der Regeleinrichtung versehene Motor eine sehr bessere Ausnutzung der dem Höchstdruck entsprechenden Grenzleistung ermöglicht. Diese wird schon bei einer sehr mässigen Erniedrigung der Drehzahl erreicht, und zwar besonders im höheren Drehzahlbereich.
Im niedrigeren Drehzahlbereich, also bei einer Leerlaufeinstellung auf 10 000 Umdrehungen je Minute, schneidet die Drehmomentkurve M die Grenzmomentkurve (Fig. 2) erst bei der Drehzahl 0, und infolgedessen wird auch nicht die Leistung erreicht, die der Grenzleistungskurve P entspricht. Dies ist bei Motoren für zahnärztliche Zwecke an sich bedeutungslos. Die Hauptsache ist, dass bei der niedrigsten Drehzahl ein ausreichend grosses Moment zur Verfügung steht. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass das gleiche Drehmoment von 150 gcm maximal zur Verfügung steht, sowohl wenn man von der niedrigen Leerlaufdrehzahl 10000, als auch von der höchsten Leerlaufdrehzahl 65 000 ausgeht. Auch bei der geringen Leerlaufdrehzahl von 10 000 Umdrehungen je Minute lässt sich also in diesem Fall das höchste Drehmoment entnehmen.
Ein anderer Vorteil eines mit der Regeleinrichtung gemäss der Erfindung versehenen Motors besteht darin, dass in einem weiten Drehzahlbereich eine grosse Überschussleistung zur Verfügung steht. Erfordert beispielsweise eine gewisse Arbeit, z. B. einer durch den Motor angetriebenen Bohrmaschine, nur eine Höchstleistung von 6 Watt, wie dies in Fig. 2 durch die Linie Pa angedeutet ist, so steht im Drehzahlbereich zwischen etwa 4 000 und 62 000 Umdrehungen je Minute eine Überschussleistung zur Verfügung. Bei der Leistungskurve für den Druck p3 in Fig. 1 entsprechend einer Leerlaufdrehzahl von 30 000 würde die Höchstleistung überhaupt nicht ausreichen. Der Scheitelpunkt der gestrichelten Leistungskurve liegt nämlich in diesem Fall bei ungefähr 3,5 Watt.
Die Regeleinrichtung im Ausführumgsbeispiel nach Fig. 3 und 3a findet bei einem mit Druckluft betriebenen Motor der bekannten Art Verwendung. der aus einem Läufer 10 mit einer Anzahl Zylinderräume 12 und darin befindlichen Kolben in Form von Kugeln 14 besteht, die mit einem Mitnehmer 16 im Eingriff stehen, der den Läufer und die Kugeln ringförmig umgibt. Der Läufer 10 ist drehbar auf einem Schieber 18 gelagert, der exzentrisch oder exzentrisch einstellbar im Verhältnis zu einer Welle 20 ist, auf welcher der Mitnehmer 16 zentral angeordnet ist. Die Welle 20 ist mithilfe von Wälzlagern 22 in einem Aussengehäuse 24 gelagert, das die Welle 20, den Läufer und den Mitnehmer umgibt.
Die Kugeln 14 stehen im Sperreingriff mit der Innenseite des Mitnehmerrings 16 und erhalten eine hin- und hergehende Bewegung nach aussen und innen in den Zylinderräumen 12, wenn sich der Läufer 10 um den zur Welle 20 exzentrischen Schieber 18 dreht. Der Schieber hat einen Einlasskanal 26 für Druckluft und einen Auslasskanal 28 für die austretende Luft. Bei der Drehung des Läufers setzen Öffnungen 30, 32 in der Lagerfläche des Läufers auf dem Schieber die Zylinderräume der Reihe nach in Verbindung mit dem Einlasskanal 26 und dem Auslasskanal 28. Dabei wird der Zylinderraum 12 durch die Öffnung 30 auf der Einlasseite gefüllt, worauf er geschlossen wird, wenn die Öffnung durch die Lagerfläche des Schiebers zwischen der Einlasseite und Auslassseite verdeckt wird, wobei die Dehnung der Druckluft im Zylinderraum stattfindet.
Unter der Voraussetzung, dass die Dehnung bis zum Druck der Aussenluft erfolgt, ist die von den Zylindern durch den Auslasskanal 28 ausströmende Luftmenge proportional zur Drehzahl des Motors.
Der Schieber 18 wird durch eine Nabenhülse 34 einer Platte 36 getragen, die zwischen einem im Gehäuse 24 befestigten Endring 38 und einem Ring 40 verschiebbar eingesetzt ist, der unter der Einwirkung eines Federtellers 39 steht. Der Ring 40 ist axial verschiebbar in einem Mantel 42 eingesetzt, der seinerseits auf dem Gehäuse 24 drehbar ist. Dadurch wird die Verstellung der Exzentrizität des Schiebers 18 im Verhältnis zur Antriebswelle 20 und die Umkehrung der Drehrichtung des Läufers 10 ermöglicht. Da die betreffende Vorrich tupg nicht im Rahmen der Erfindung liegt, ist sie nicht näher beschrieben.
Um eine Regelung der Drehzahl des Motors zu ermöglichen, ist ein Einlassventil für Die Druckluft durch eine von der Motordrehzahl abhängige Grösse betätigbar. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 besteht das Einlassventil aus einem Rohrschieber 44, der auf dem Schieber 18 axial verschiebbar ist. Das Einlassende des Schiebers 18 hat einen zentralen Einlasskanal 46, der auf der einen Seite in den Einlasskanal 26 übergeht und auf der anderen Seite durch zwei durchgehende Bohrun gen 48, 50 durchquert ist. Diese Bohrungen befinden sich auf je einer Seite einer Zwischenwand 52, die einen Teil des Schiebers 18 bildet. Die Querbohrungen münden in umfängliche Nuten 54, 56 im Schiebermantel. Diese Nuten stehen über eine ringförmige Nut 58 auf der Innenseite des Rohrschiebers 44 in Verbindung miteinander.
Im drucklosen Zustand befindet sich der Rohrschieber in seiner linken Endlage. Der Verbindungsquerschnitt lässt sich durch Verschiebung des Rohrschiebers 44 nach rechts in Fig. 3 vermindern, wobei die Kante 60 der ringförmigen Nut 58 näher an die Zwischenwand 52 herankommt. An das Ende des Schiebers 18 schliesst sich ein Einlass 62 an, der einen Anschlussstutzen 64 für einen Schlauch oder eine andere Verbindung mit einer Druckluftquelle sowie ein Grobfilter 63 hat, welches das Eindringen von Verunreinigungen in den Einlass verhindert.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird als von der Drehzahl des Läufers 10 abhängige Grösse der Druck der durch den Kanal 28 von den Zylinderräumen ausströmenden Luft ausgenutzt. Der Kanal 28 steht durch eine Auslassöffnung 66 in Verbindung mit einem Loch 68 in der Nabenhülse 34. Der Luftaustritt durch dieses Loch 68 lässt sich dadurch regeln, dass eine Öffnung 70 in einem Drehventil in den Umfangsrichtungen im Verhältnis zum Loch 68 verstellt wird, so dass das Loch mehr oder weniger verdeckt und der austretende Luftstrom entsprechend gedrosselt wird. Das Drehventil hat die Form einer Nabenhülse 72 eine radiale Scheibe 74, die am Umfang des Aussengehäuses einen gerieften Flansch 76 hat. Eine als Reibungsfeder wirkende Scheibe 78 hält das Drehventil in der eingestellten Lage fest.
Um eine Feineinstellung der Drosselung zu ermöglichen, hat das Loch 68 eine in der Umfangsrichtung sich erstreckende Verengung 79, die in Fig. 3a ersichtlich ist. Das radiale Loch 68 steht über einen engen Kanal 80 in Verbindung mit einer Kammer 82 auf der einen Seite einer Membran 84, die an ihrem äusseren Umfang zwischen dem Gehäuse 86 der Regeleinrichtung und einer auf der Nabenhülse 34 befestigten Endplatte 88 dichtend eingespannt ist. An ihrem inneren Umfang stützt sich die Membran 84 dichtend auf einen Flansch 90 des Rohrschiebers 44. Die Membran bildet daher zusammen mit dem Flansch 90 einen Trennwand zwischen der mit dem Auslass in Verbindung stehenden Kammer 82 und einer den Rohrchieber umgebenden Kammer 92 im Gehäuse 86. Die Kammer 92 steht über eine Öffnung 94 in Verbindung mit der Aussenluft.
Die infolge des in der Kammer 82 herrschenden Druckes auf die Membran 84 ausgeübte Kraft wird durch eine Ge Gegenkraft ausgeglichen, die durch eine Feder 96 erzeugt wird. Die Feder ist zwischen dem Flansch 90 und einem radialen Innenflansch 98 des Gehäuses 86 eingespannt.
Der Flansch 98 drückt unter der Wirkung der Federkraft den inneren Teil der Membran in der Ausgangslag gegen einen geschlitzten Stützring 99.
Die Regeleinrichtung des beschriebenen Motors arbeitet im wesentlichen wie folgt:
Wird Druckluft durch den Kanal 26 in den Zylinderraum 12 eingelassen so wird der Läufer 10 in bekannter Weise durch das Drehmoment in Drehung versetzt, das infolge der Exzentrizität der Drehachse des Läufers im Verhältnis zur Welle 20 auftritt. Nach der Dehnung im Zylinderraum tritt die Luft durch den Auslasskanal 28 und den durch die Löcher 66, 68 und 70 gebildeten Kanal aus. Die durch diesen Kanal je Zeiteinheit strömende Luftmenge ist proportional zur Drehzahl. Wird die austretende Luft durch entsprechende Einstellung des Drehventils 72, 76 gedrosselt, so entsteht ein Gegendruck, dessen Grösse ebenfalls proportional zur Drehzahl ist.
Dieser Gegendruck beaufschlagt über den axialen Kanal 80 und die Kammer 82 die Rückseite der Membran 84, so dass diese bestreb ist, durch ihren Druck auf den Flansch 90 den Rohrschieber 44 nach rechts in Fig. 3 zu verschieben. Dieser Bewegung wirkt die Feder 96 entgegen und sie hört auf, sobald die durch die Membran 84 ausgeübte Kraft durch die Federkraft ausgeglichen wird.
Der Motor läuft nun mit einer Drehzahl, die durch den Gegendruck auf der Auslasseite bestimmt wird, also von der Lage des Drehventils 74, 76 abhängig ist. Dadurch ergibt sich eine der Einstellung des Drehventils entsprechende Leerlaufdrehzahl des Motors.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Loch 68 und der sich verjüngende Teil 79 desselben bei einer Verstellung des Drehventils um 80 vom grössten Durchflussquerschnitt angefangen vollständig geschlossen, wobei der austretende Luftstrom mehr und mehr gedrosselt wird.
Nachdem das Drehventil auf die gewünschte Leerlaufdrehzahl eingestellt wurde, hält die Regeleinrichtung diese Leerlaufdrehzahl konstant. Die Einrichtung wirkt auch in der Weise, dass eine Abweichung von der eingestellten Drehzahl unmittelbar eine dementsprechende Änderung des Einlasses am Rohrschieber 44 zur Folge hat, der bestrebt ist, eine zunehmende Drehzahlabweichung zu verhindern. Bei geeigneter Abmessung der Einrichtung arbeitet sie sehr schnell. Zu diesem Zweck kann beispielsweise ein vollständig ausgeglichenes, mit kurzem Hub arbeitendes Drehventil verwendet werden.
Um die Drehzahl so konstant wie möglich zu halten, sind ausserdem Massnahmen zweckdienlich, die eine Einwirkung von an sich belanglosen Kräften auf die Regelung verhindern. Beispielsweise ist dafür zu sorgen, dass Reibungskräfte weitgehendst ausgeschaltet werden.
Ferner kann ein dynamischer Ausgleich des Ventils zweckdienlich sein, um einen Einfluss von strömungsabhängigen Kräften zu vermeiden. Diesem Umstand ist im dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich durch eine Überdimensionierung des Ventils Rechnung getragen, so dass die Strömungsgeschwindigkeiten der Druckluft so gering sind, dass eine entsprechende schädliche Krafteinwirkung auf den Ventilschieber im Vergleich zu den Steuerkräften vernachlässigbar ist. Als weiteres Beispiel eines Umstandes, der störend auf die Regelung einwirkt, sein eine Leckage zwischen der Innenseite des Rohr schiebers 44 und der damit zusammenwirkenden Lagerfläche des Schiebers 18 bis zu derjenigen Seite der Membran 84 erwähnt. die normal nur vom Druck auf der Auslasseite des Motors beaufschlagt werden soll.
Um eine solche Leckage zu verhindern, kann auf der Innenseite des Rohrschiebers zwischen der Nut 54 und dem der Kammer 82 naheliegenden Ende des Rohrschiebers ein ringförmiger Sammelkanal 100 angeordnet werden, in dem die Leckluft gesammelt wird und von wo aus sie durch eine Öffnung 102 in die Kammer 92 strömt.
Anstatt die Einstellung der Leerlaufsdrehzahl durch eine regelbare Drosselung im Auslasskanal zu bewirken, kann zu diesem Zweck die durch die Feder 96 erzeugte Gegenkraft geregelt werden. Ein Beispiel einer solchen Ausbildung ist in Fig. 5 gezeigt. Hier ist im Auslasska nal eine Drosselblende 104 angeordnet, die bei jeder Leerlaufdrehzahl einen konstanten Gegendruck in dem zur Kammer 82 führenden Kanal 80 aufrechterhält. Die Feder 96 stützt sich an einem Ende auf dem Flansch 90 des Rohrschiebers 44 und am anderen Ende an einen im Gehäuse 86 axial verschiebbar, aber nicht drehbar angeordneten Stellring 106, der einen nach aussen ragenden Stift 108 hat. Dieser Stift greift in eine schraubenförmige Nut 110 auf der Innenseite einer Einstellhülse
112 ein, die drehbar aber axial unverschieblich am Gehäuse 86 angebracht ist.
Bei Drehung der Einstellhülse 112 wird der Ring 106 infolge des Eingriffs des Stiftes
108 in die Nut 110 axial verstellt und somit die Spannung der Feder 96 geändert. Dabei ändert sich auch die axiale Lage des Rohrschiebers und der Nut 58 gsgen- über der Zwischenwand 52, wodurch der Durchflussquerschnitt des Schieberventils und damit auch der Druck der dem Motor zugeführten Luft entsprechend geändert wird. Diese Einrichtung ermöglicht offenbar sowohl die Einstellung der Leerlaufdrehzahl als auch die Konstanthaltung der eingestellten Drehzahl.
Wie aus Fig. 6 ersichtlich kann die Membran 84, falls dies aus baulichen oder anderen Gründen zweckdienlich ist, durch einen Kolben 85 ersetzt werden. Dieser ist im Ausführungsbeispiel ebenso wie die Membran angeordnet und wird wie diese auf der einen Seite durch einen Feder 96 und auf der anderen Seite durch den Druck beaufschlagt, der vor der Auslassöffnung 70 des Drehventils 74, 76 sich durch den Kanal 80 vom Auslasskanal 28 des Motors fortpflanzt. Der Kolben ist an seinem äusseren Umfang dichtend in einer Zylinderfläche geführt, die durch die Innenseite des zylindrisch ausgebildeten Mantels 87 gebildet wird. Ähnlich wie im Ausführunbsbeispiel nach Fig. 3 ist ein Sammelkanal 100 mit einem Auslass 102 für die zwischen den Schiebern 18 und 44 durchleckende Luft vorgesehen.
Vom Gesichtspunkt der Stabilität aus ist es wichtig, dass die vorkommenden Zeitkonstanten genügend klein sind und gleichzeitig eine zweckdienlich abgepasste Dämpfung der Bewegungen vorhanden ist, was bedeutet, dass die durch die Regelung in Bewegung zu versetzenden Massen im Verhältnis zur Gegenkraft gering sein sollen und dass auch die Volumina auf der Einlass- und Auslasseite gering gehalten werden. Ebenso ist es zweckmässig, das in der Kammer 82 zwischen der Membran oder dem Kolben und dem umgebenden Gehäuse eingeschlossene Volumen gering zu halten. Eine Dämpfung kann durch geeignete Abmessung des Kanals 80 zwischen dem Auslass 28 und wider Kammer 82 erhalten werden, so dass sie unter gegebenen Voraussetzungen ausreichend ist, um das System unter vorkommenden wechselnden Betriebsverhältnissen stabil zu halten.
Eine Dämpfung durch Reibung am Ventilschieber ist ungeeignet wegen der dabei durch Spiel in der Regeln kette unvermeidbaren Stabilisierungsschwierigkeiten.
Bei geeigneter Abmessung tritt eine solche Wirkung bei Dämpfung durch Drosselung nicht auf. Eine ähnliche Dämpfung kann auf der anderen Seite der Membranen oder des Kolbens dadurch erfolgen, dass die Kammer 92 mit Ausnahme einer Verbindung mit der Aussenluft durch einen engen zweckdienlich abgestimmten Kanal vollständig geschlossen ist. Ein solcher Kanal kann beispielsweise anstelle der Öffnung 94 vorgesehen sein. Bei der Bewegung der Membran oder des Kolbens wird dann die Luft durch diesen Kanal nach aussen oder nach innen gepresst, wobei der Strömungswiderstand eine Dämpfung bewirkt. In diesem Fall kann es zweckmässig sein, die Leckluft von der Nut 100 und der Öffnung 102 unmittelbar ins Freie abströmen zu lassen, beispielsweise durch eine entsprechende Rohrverbindung, so dass die Dämpfung nicht durch die Undichtigkeit beeinflusst wird.
Werden die beschriebenen Massnahmen im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 vorgenommen, so lassen sich alle Forderungen bezüglich der Stabilität in einfacher Weise erfüllen im Verein mit einer befriedigenden Drehzahlgenauigkeit.
Das als Verstärker wirkende Ventil lässt sich natürlich durch einen merhstufigen Verstärker mit aufeinander wirkenden Ventilen ersetzen, wodurch sich eine grössere Verstärkung und damit auch eine verbesserte Drehzahlgenauigkeit ergibt. Ein solcher Verstärker kann in bekannter Weise mit Rückführvorrichtungen zur Erzielung einer einwandfreien Stabilität versehen sein.
In den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Regeleinrichtung so ausgebildet, dass die Leerlaufdrehzahl von Hand aus durch Drehung eines Drehventils (72, 74, 76 in Fig. 3) oder eines Stellrings zur Einstellung der auf die Membran 84 oder den Kolben 85 wirkenden Gegenkraft eingestellt wird, die beispielsweise durch die Feder 96 ausgeübt wird. Statt dessen lässt sich die Regeleinrichtung für Fernsteuerung ausbilden, was besonders bei Motoren für zahnärztliche Zwecke ein wesentlicher Vorteil ist, weil dabei der Motor mit dem dazugehörigen Werkzeug bei der Arbeit mit der einen Hand gehalten wird, während die Drehzahl mit der anderen Hand oder mit dem Fuss mittels eines Pedals geregelt wird. Ein Beispiel einer Einrichtung mit einem ferngesteuerten Drosselventil im Auslass ist in Fig. 7 dargestellt.
Das Drosselventil besteht hier aus einem Ringkolben 114, auf den eine Feder 116 in der Öffnungsrichtung wirkt. Das Auslassloch 68 in der Nabenhülse 34 mündet hier in eine Ringnut 69 der Nabenhülse. Diese Ringnut, in der die abziehende Luft beim Ausströmen verteilt wird, hat eine abgeschrägte Kante 71, wo die Luft an der Auslasskante des Ringkolbens 114 austritt. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit einer Feineinstellung der Drosselung der ausströmenden Luft. Der Ringkolben 114 ist in einem zylindrischen Teil 118 der Wand 88 des Membrangehäuses verschiebbar. Diese Wand hat auch einen Kanal 120 in Verbindung mit einem Schlauchanschluss 122 für die Zufuhr eines gasförmigen Druckmittels über den Kanal 120 in einen Zylinderraum 123 hinter dom Ringkolben 114.
Wird der Druck im Schlauchanschluss 122 durch entsprechende Betätigung eines darin eingeschalteten, nicht gezeigten Steuerorgans erhöht, so wird der Ringkolben 114 entgegen Ider Wirkung der Feder 116 nach links in Fig. 7 verschoben und der Ringkanal 69 vollständig verdeckt oder verdeckt gehalten, während bei einer Verminderung des Druckes die Feder 116 den Ringkolben nach rechts in Fig. 7 schiebt und der Ringkanal 69 mehr und mehr geöffnet wird. Wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 werden die Druckänderungen durch den Kanal 80 auf die hinter der Membran 84 liegenden Kammer 82 übertragen, wodurch der Rohrschieber 44 verstellt wird und die Zufuhr des Druckmittels zum Einlasskanal 26 entsprechend regelt.
Die Ausführung nach Fig. 7 hat unter anderem den Vorteil, dass trotz der Fernsteuerung das Volumen auf der Auslasseite nicht erhöht wird und daher Schwierigkeiten hinsichtlich der Stabilität vermieden werden.
Die auf die Membran 84 wirkende Gegenkraft ergibt sich dadurch, dass der Rohrschieber 44 hinsichtlich des Einlassdrucks der Luft nicht ausgeglichen ist, die hier auf eine Druckfläche 124 wirkt. Diese Druckfläche wird dadurch erhalten, dass die Nut 58 durch eine Ausdrehung 126 ersetzt ist, die sich bis zum rechten Ende des Schiebers erstreckt. Ein Federring 127 wirkt in entgegengesetzter Richtung auf das linke Ende des Schiebers.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 wird die den Druck in der Kammer 82 ausgleichende Gegenkraft durch eine pneumatische Feder anstelle der in Fig. 3 gezeigten mechanischen Schraubenfeder erzeugt. Als pneumatische Feder wirkt das Luftpolster in der vollständig geschlossenen Kammer 92. Die mit der freien Luft in Verbindung stehende Öffnung 94 in Fig. 3 ist also hier geschlossen. Die Leckluft in der Ringnut 100 des Rohrschiebers 44 kann dabei in folgender Weise direkt in die Aussenluft abströmen.
Das Drosselventil im Auslasskanal des Motors, das in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen im Motor selbst angebracht ist, und zwar auf der Nabenhülse 34, kann stattdessen in einer Verlängerung des Auslasskanals angeordnet sein, die sich beliebig weit vom Motor erstreckt. Bei Anordnung des Drosselventils in Entfernung vom Motor muss auf die dadurch bedingte Volumenvergrösserung auf der Auslasseite Rücksicht genommen werden. Dies kann in einfacher Weise durch entsprechende Abmessung der Regeleinrichtung geschehen, so dass eine zufriedenstellende Stabilität erhalten wird. Die dem Auslassdruck entgegenwirkende Gegenkraft kann in anderer Weise regelbar sein als mittels einer einstellbaren Feder gemäss Fig. 5, und zwar mittels eines regelbaren Gasdrucks in der Kammer 92, so dass sich die Leerlaufdrehzahl durch Einstellung dieses Druckes regeln lässt.
Gegebenenfalls kann eine der Feder 96 ähnliche, nicht regelbare mechanische Feder im Verein mit dem regelbaren Druck zur Verwendung kommen. Ein Beispiel einer regelbaren Gegenkraft in Form eines Gasdrucks ist in Fig. 8 gezeigt. Die den Rohrschieber 44 umgebende Kammer 92 hat hier eine Öffnung für einen Schlauchanschluss 128, der mit einer nicht gezeigten Druckluftquelle in Verbindung steht.
Anstelle der Membran 84 sind zwei Membranen 130 angeordnet, die am äusseren Umfang zwischen den Membrangehäuseteilen 88 und 86 und einem dazwischenliegenden, mit Auslassöffnungen 134 versehenen Ring 132 eingespannt sind. Der Zwischenraum 136 zwischen den Membranen 130 dient zur Ableitung der Leckluft, die sich im Kanal 100 ansammelt und durch die Öffnung 102 in diesen Zwischenraum gelangt. Der Rohrschieber hat einen radialen Flansch 91, gegen den die inneren Enden der Membranen 130 möglichst wirksam abdichten. Luft, die etwa aus den Kammern 82 und 92 in den Zwischenraum 136 zwischen den Membranen 130 leckt, kann ebenfalls durch die Öffnungen 134 in Ring 132 austreten. In das mit dem Auslasskanal 28 des Motors in Verbindung stehende Loch 68 ist eine Drosselblende 104 eingesetzt, die eine konstante Drosselung der austretenden Luft bewirkt.
Wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen pflanzt sich der Auslassdruck durch einen Kanal 80 in die Kammer 82 fort.
Druckluft gelangt zum Anschluss 128 über ein Drosselventil entweder von der Druckluftquelle, die den Motor durch den Einlasskanal 46 speist, oder von einer anderen Druckquelle.
Die Einrichtung gemäss Fig. 8 arbeitet grundsätzlich in derselben Weise wie die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele. Bei Erhöhung des Luftdrucks im Anschluss 128 und damit auch in der Kammer 92 wird die diese Kammer begrenzende Membran 130 einem erhöhten Druck ausgesetzt, der den Rohrschieber 44 nach links in Fig. 8 verschiebt, wodurch der Durchfluss durch den Kanal 58 an der Zwischenwand 52 vorbei erhöht wird und Luft höheren Druckes in den Einlasskanal 26 des Motors einströmt. Gleichzeitig erhöht sich die Drehzahl des Motors und damit auch der Druck im Auslass 28, 68 so dass die der Kammer 82 zugekehrte Membran 130 über den Kanal 80 einem steigenden Druck ausgesetzt wird, der die auf der entgegengesetzten Seite wirkende Kraft ausgleicht. Der Rohrschieber bleibt dann in einer Lage stehen, die dem durch den Schlauchanschluss 128 zugeführten erhöhten Steuerdruck entspricht.
In den Ausführungsbeispielen nach Fig. 7 und 8 kann der Schlauchanschluss 122 bzw. 128 mit einer Zweigleitung 129 in Verbindung stehen, wie dies in Fig. 8 mit gestrichelten Linien angedeutet Abmessung und Ausbildung lassen sich leicht so abstimmen, dass der Gesamtwirkungsgrad des Motors dabei nicht verschlechtert wird.
Zur Erzielung einer der Drehzahl des Motors entsprechenden Luftstrommenge je Zeiteinheit und somit einer der Drehzahlregelung dienenden, auf Änderungen der Drehzahl ansprechenden Grösse kann eine Zellenrad ähnliche Vorrichtung Verwendung finden, in der Luft mit einem bestimmten konstanten Druck durchgeschleust wird. Am einfachsten kann der Läufer 10 selbst als Zellenrad ausgebildet sein, er kann aber auch mit einem solchen Zellenrad gekuppelt sein. In Fig. 4 und 4a ist ein Beispiel des erstgenannten Falls dargestellt.
Hier befinden sich im Läufer 10 mehrere vorzugsweise gleich grosse Hohlräume 142, die mit keinem Zylinder des Läufers in Verbindung stehen. Von jedem Hohlraum 142 geht ein Kanal 144 aus, der in die Lagerfläche des Läufers am Schieber 18 mündet. Eine Öffnung 146 im Schieber steht in Verbindung mit einem axialen Kanal 148, der an eine Druckquelle mit einem bestimmten konstanten Druck angeschlossen ist. Der Schieber hat auch einen axialen Kanal 150 mit einer an der Oberfläche des Schiebers mündenden Öffnung 152. Der Kanal 150 steht in Verbindung mit der Regeleinrichtung, beispielsweise mit dem Kanal 80 Iderselben. Wenn ein Hohlraum 142 mit seiner Öffnung 144 die Öffnung 146 zum Druckkanal 148 überschreitet, gelangt eine bestimmte Luftmenge konstanten Drucks in den Hohlraum.
Nachdem der Läufer 10 sich in Richtung des Pfeils 154 in Fig. 4 soweit gedreht hat, dass der Kanal 144 in der Öffnung 152 des axialen Kanals 150 gegenüberliegt, in dem der Druck Niedriger ist, wird eine diesem niedrigeren Druck entsprechende Luftmenge durch den Kanal 150 abgegeben. In dieser Weise wird bei jeder Umdrehung des Läufers eine bestimmte Luftmenge mit einem bestimmten Druck vom Einlasskanal 148 in den Auslasskanal 150 geschleust. Die je Zeiteinheit im Kanal 150 abgegebene Luftmenge ist ein Mass der Drehzahl und kann über die Drosselung im Auslasskanal des Motors oder in einem anderen, damit in Verbindung stehenden Kanal in einen Druck umgewandelt werden, um eine zur Drehzahl proportionale Betätigung der Regeleinrichtung sicherzustellen.
Die in Fig. 4 und 4a gezeigte Vorrichtung hat den Vorteil, dass sie klein und einfach ist, und eine störende Undichtigkeit mit einfachen Mitteln vermeidet. Die Hohlräume 142 sind vorzugsweise gleichmässig im Läufer verteilt, so dass die druckabhängige Kraftwirkung zwischen Läufer und Schieber ausgeglichen wird. Die Hohlräume bestehen vorteilhaft aus zwei diametral gegenüberliegenden Zylinderräumen, aus denen die kugelförmigen Kolben entfernt wurden und die an ihren äusseren Enden abgeschlossen sind.
Die Drehzahlregelung des beschriebenen Motors kann auch mittels eines besonderen Verdichters oder einer Pumpe erfolgen, die vom Hauptmotor angetrieben wird. Dieser Verdichter oder diese Pumpe kann von derselben Bauart sein, wie der beschriebene Motor, kann jedoch kleiner sein, da er nur den Leistungsbedarf der Regeleinrichtung zu decken braucht. Bei kleinen Luftmotoren für beispielsweise zahnärztliche Zwecke mit gedrängter Bauart haben jedoch die oben beschriebenen Einrichtungen zur Drehzahlabbildung wesentliche Vorteile im praktischen Gebrauch.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele und Abänderungen derselben lassen sich im Rahmen der Erfindung weiter abändern und in verschiedener Weise miteinander kombinieren. Sie sind in der Hauptsache für Motoren für zahnärztliche Zwecke bestimmt, bei denen ein weiterer Regelbereich erwünscht ist. In einer praktisch erprobten Ausbildungsform konnte die Leerlaufdrehzahl unter Beibehaltung voll befriedigender Eign- schaften hinsichtlich der Konstanthaltung der Drehzahl und der Möglichkeit der Entnahme des maximalen Moments kontinuierlich von 4 000 bis 55 000 Umdrehungen je Minute geändert und die Drehzahl somit im Verhältnis von 14:1 eingestellt werden.
Die oben beschriebenen Einrichtungen für mit einem gasförmigen Druckmittel betriebene Motoren können sinng-mäss bei Motoren verwendet werden, die mit einer Flüssigkeit betrieben werden. Der Erfindungsgedanke beschränkt sich nicht auf umlaufende Maschinen, sondern gilt auch für Maschinen mit einem hin- und hergehenden Werkzeug.
Anstelle der beschriebenen Vereinigung der Regeleinrichtung mit dem Motor kann diese Einrichtung als getrennte Einheit ausgebildet sein, die in beliebiger geeigneter Weise an die Kanäle des Motors angeschlossen ist.