DE60310370T2

DE60310370T2 - Radialdrehkolbenmaschine

Info

Publication number: DE60310370T2
Application number: DE60310370T
Authority: DE
Inventors: Gabriele Pecorari
Original assignee: Ecotec SRL
Current assignee: Ecotec SRL
Priority date: 2002-01-16
Filing date: 2003-01-13
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2023-01-14
Also published as: EP1472459B1; DE60310370D1; CN100351515C; RU2313694C2; EP1472459A1; CN1615403A; US7614337B2; KR20040077870A; ATE348264T1; ITBO20020021A0; WO2003060321A8; JP2005515350A; ITBO20020021A1; WO2003060321A1; MXPA04006950A; CA2473442A1; RU2004121030A; ES2278163T3; CN101135301A; US7322271B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationsverdrängermaschine mit radialen Kolben.
Während es sich bei dem Gegenstand dieser Beschreibung um eine Rotationsverdrängermaschine mit radialen Kolben handelt, die als Pumpe oder als Motor mit einem Arbeitsmedium (z.B. Luft, Wasser, Öl) betrieben werden kann, sollte deutlich gemacht werden, dass die Lehren dieser Erfindung ebenso auf eine Verbrennungsverdrängermaschine, z.B. eine Rotationsverdrängermaschine, bei der ein brennbares Gemisch auf herkömmliche Weise innerhalb der radialzylindrischen Kammern gezündet wird, angewendet werden können.
Lange bekannt sind Rotationsverdrängermaschinen mit radialen Kolben, die folgende Komponenten umfassen:

– eine Tragstruktur;
– einen zentral montierten Verteiler;
– eine Dreheinheit bestehend aus einem Rotor, der mit einer Vielzahl von sich radial erstreckenden zylindrischen Kammern ausgebildet ist, wobei jede Kammer jeweils einen Kolben enthält, der für eine Verschiebebewegung in einer ersten Richtung entlang einer ersten Achse koaxial zur Mittellängsachse der jeweiligen zylindrischen Kammer montiert ist;
– Mittel zum Aufnehmen des radialen Drucks der Kolben, wobei die Mittel eine Lagerung in Verbindung mit einem inneren Ring bilden;
– Tragmittel, die die Dreheinheit stützen; und
– Ausrichtungsmittel, um die koaxiale Beziehung zwischen Verteiler und Rotor aufrechtzuerhalten.

Ein solcher Maschinentyp ist beschrieben in der Patentschrift US 2000271 A , die eine Hydraulikmaschine darstellt, bei der der Verteiler durch eine Platte des Gehäuses festgekeilt ist. Der Verteiler ist umhüllt vom Zylindermantel/Hauptrotor, der mit Kugellagern im Gehäuse gelagert wird.
Zum Stand der Technik zählt weiterhin die Patentschrift US 2556717 A , die eine Hydraulikmaschine darstellt, bei der der Zylindermantel durch drei unterschiedliche Lager im Gehäuse gelagert wird, die alle entlang derselben Achse ausgerichtet sind. Die beiden hinteren sind Kugellager und tragen den Zylindermantel auf der Außenoberfläche des Verteilers. Der Verteiler ist an der Endabdeckplatte des Körpers befestigt. Das Anbringen des Kugellagers, welches radial vorgespannt ist, erlaubt einen geringeren Abstand zwischen dem Zylindermantel und dem Verteiler, aber die Summe der Abstände zu dem dritten Kugellager, welches ebenfalls radial vorgespannt ist, ist eng voneinander abhängig.
Zum Stand der Technik zählt außerdem die Patentschrift GB 578392 A , die eine Hydraulikmaschine darstellt, bei der der Kugel(zylinder)block durch einen Gleitkontakt auf dem Verteiler drehbar ist. Der Verteiler ist am Gehäuse befestigt und bestimmt die Rotationsachse des Zylinderblocks.
Ebenfalls zum Stand der Technik zählt die Patentschrift US 2173432 A , die eine Hydraulikmaschine darstellt, bei der der Zylindermantel durch konische Kugellager am Verteiler gelagert wird. Der Verteiler ist am Körpergehäuse befestigt, um die Reaktanz des erzeugten Rotationskräftepaars aufzunehmen, die vom Zylindermantel und den radialen Kolben auf den mit der Antriebswelle drehbaren Reaktanzblock übertragen wird; ein Kreuzkopplungsanschluss verbindet den Reaktanzblock mit der Antriebswelle, um eine Verdrängereinstellung zu ermöglichen.
Schließlich zählt die Patentschrift GB 678917 A zum Stand der Technik, die eine Hydraulikmaschine darstellt, bei der der Zylinderblock auf verschiebbare Weise am Verteiler gelagert wird. Der Zylinderblock und der Rotor, die das Reaktanzrotationskräftepaar von den Zylindern und dem starr mit dem Gehäuse verbundenen Verteiler aufnehmen, sind für eine synchrone Rotation durch einen Mitnehmer gekoppelt.
Die folgenden grundsätzlichen Probleme treten bei derartigen volumetrischen Rotationsmaschinen herkömmlicher Bauweise auf:

(1) da der Kolbenkopf einen punktuellen Kontakt mit der Innenoberfläche der Lagerung hat, kommt es zu einer inakzeptabel konzentrierten Belastung, so dass die Konstruktion nur auf Maschinen mit Kolben kleinen Durchmessers, die bei vergleichsweise geringen Drücken betrieben werden, angewendet werden kann;
(2) der punktuelle Kontakt macht das Erzielen eines angemessenen hydraulischen Ausgleichs unmöglich;
(3) es ist keine Druckschwankungskontrolle für den Kolben vorgesehen; dadurch können Druckabfälle in den hydraulischen Kreisläufen zum Herausspringen des Kolbens aus dem Lagerungsring und somit zu Schlägen führen, die sowohl den Kolbenkopf als auch den Druckring beschädigen können;
(4) eine Rotationsverdrängermaschine dieser Bauart besitzt keinerlei Mechanismen zur Synchronisation von Rotor- und Druckringrotationen und zur Vermeidung des Reibens der Kolbenköpfe an der Innenoberfläche des Rings;
(5) die Kolben einer Maschine dieser Bauart sind nicht mit Dichtungsringen ausgestattet;
(6) der Rotor kann in Reibungskontakt mit dem Verteiler kommen, wodurch die gesamte mechanische Leistungsfähigkeit der Maschine reduziert wird; und schließlich
(7) der Takt zwischen Verteiler und Kolbenhub kann nicht eingestellt werden.

Eine wesentliche Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Kolben unter Kontrolle zu halten, ohne dass er den Kontakt zur Oberfläche des Druckrings verliert und eine Rotationsverdrängermaschine bereitzustellen, die keinen der oben aufgeführten Nachteile aufweist. Insbesondere soll eine richtige Lagerung des Verteilers und des Rotors sowie die Einstellbarkeit des Verteilertakts ermöglicht werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Rotationsverdrängermaschine mit radialen Kolben gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die Erfindung wird nun beschrieben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen. Hierbei zeigen:
1 einen Längsschnitt durch die Rotationsverdrängermaschine mit radialen Kolben der Erfindung;
2 einen Querschnitt entlang der Achse A-A in 1;
3 einen im Wesentlichen zylindrischen Verteiler, der in die Rotationsverdrängermaschine gemäß 1 und 2 eingebracht ist;
4 einen Kolben, der in die Rotationsverdrängermaschine gemäß 1 und 2 eingebracht ist;
5 eine Verbindungsgleitschiene, die in die Rotationsverdrängermaschine gemäß 1 und 2 eingebracht ist;
6 den Druckring (inneren Ring) einer Rotorlagerung, der in die Rotationsverdrängermaschine gemäß 1 und 2 eingebracht ist;
7 eine Einheit, die die Rotation des Rotors und die des inneren Lagerrings synchronisiert.
Es wird darauf hingewiesen, dass in den Zeichnungen nur diejenigen mechanischen Details gezeigt und bezeichnet sind, die für das Verständnis der Erfindung von Belang sind.
1 und 2 zeigen eine Rotationsverdrängermaschine 10 mit radialen Kolben gemäß der Erfindung.
Die Maschine 10 umfasst einen Hauptkörper 11, der zusammen mit einer Abdeckung 12 zu einem im Wesentlichen geschlossenen Gehäuse ausgebildet ist. Der Hauptkörper 11 und seine Abdeckung 12 werden durch Schraubbefestigungen 13 und 14 zusammengehalten.
Wie in 1 gezeigt, wird der Bolzen 13 (der es auch ermöglicht, die Maschine 10 auf einer hier nicht dargestellten Haltevorrichtung zu sichern) durch Durchgangslöcher 11a und 12a geführt, die durch den Hauptkörper 11 beziehungsweise die Abdeckung 12 verlaufen, und die Schraube 14 wird in zwei Gewindebohrungen 11b und 12b eingeschraubt, die ebenfalls im Hauptkörper 11 und der Abdeckung 12 ausgebildet sind. Das gezeigte Ausführungsbeispiel weist vier Bolzen 13 (von denen nur einer in 1 zu sehen ist) und zwei Schrauben 14 (von denen nur eine in 1 zu sehen ist) auf.
Der Raum zwischen dem Hauptkörper 11 und der Abdeckung 12 nimmt einen Verteiler 15 für ein beliebiges Fluid auf. Der Verteiler 15 ist im Wesentlichen zylindrisch um eine Achse A ausgebildet und ist in 3 detaillierter dargestellt.
Wie nachstehend erläutert, ist der Verteiler 15 so montiert, dass er sich in dem durch die Abdeckung 12 definierten Raum gleitend bewegen kann, er rotiert jedoch nicht um die Achse A, die gleichzeitig die Mittellängsachse desselben bildet.
Darüber hinaus ist der Verteiler 15 von einer Dreheinheit 16 (1) umgeben, die einen Rotor 17 enthält, der so angebracht ist, dass er um die mit der Mittellängsachse des Verteilers 15 zusammenfallende Achse A rotiert.
Der Rotor 17 ist von herkömmlicher Bauweise mit einer Vielzahl von sich radial erstreckenden zylindrischen Kammern 18 (von denen nur zwei in 1 zu sehen sind), wobei jede Kammer so ausgebildet ist, dass sie jeweils einen Kolben 19 aufnehmen kann, der eine Bewegung entlang einer radialen Richtung (a) ausführen kann, was unten genauer erläutert werden wird.
Wie in 1 und 3 zu sehen, besitzt der Verteiler 15 zwei Ausnehmungen 15a, 15b und vier Ausschnitte 15c–15f. Die Paare von Ausschnitten 15c, 15f und 15d, 15e sind jeweils mit einer Versteifungsrippe 20 und 21 versehen.
Wie aus der Kombination der drei Abbildungen 3a, 3b und 3c ersichtlich, ist die Ausnehmung 15a mit den Ausschnitten 15d, 15e durch ein Paar von Kanälen 22 und 23 verbunden, entsprechend wird die Fluidverbindung zwischen der Ausnehmung 15b und den Ausschnitten 15c, 15f durch Kanäle 24 und 25 hergestellt.
Die Kanäle 22–25 sind an ihrem linken Ende offen, wie in 3a zu sehen ist.
Wie in 1 und 2 dargestellt, treten die radial zylindrischen Kammern 18 nacheinander in Fluidkontakt mit den Ausschnitten 15c–15f, sobald der Rotor 17 um die Achse A rotiert.
Unter der dem gezeigten Ausführungsbeispiel zu Grunde liegenden Annahme, dass die Maschine 10 als Hydraulikmotor betrieben wird, würde der Maschine 10 durch die Kanäle 22, 23 unter Druck stehendes Öl zugeführt, welches dann über die Kanäle 24, 25 wieder abgeführt wird. Zu diesem Zweck ist die Abdeckung 12 mit einer Öleinlassvorrichtung 26 versehen, die geeignet ist, das unter Druck stehende, von einer abseits liegenden Quelle hereinkommende Öl aufzunehmen, sowie mit einer Ölabführvorrichtung 27.
Insbesondere enthält die Einlassvorrichtung 26 die oben genannte Ausnehmung 15a in dem Verteiler 15 (3a–b), eine entsprechende Ausnehmung 26a befindet sich in der Abdeckung 12 versetzt von der Achse A, und einen Ansaugstutzen 26b.
Ebenso enthält die Abführvorrichtung 27 die oben genannte Ausnehmung 15b in dem Verteiler 15 (3a–b), eine entsprechende Ausnehmung 27a befindet sich in der Abdeckung 12 versetzt von der Achse A, und einen Auslaufstutzen 27b.
In diesem Beispiel fließt das hereinkommende Öl in Richtung des Pfeils F1 und das abfließende Öl in Richtung des Pfeils F2.
Wie in 1 gezeigt, ist jeder Kolben 19 mit dem Druckring 28 einer Lagerung 29 durch Mittel verbunden, die noch zu beschreiben sind.
Der Ring 28 ist darüber hinaus ein integraler Bestandteil der Dreheinheit 16, die, wie bereits gesagt, den Rotor 17 und die Kolben 19 enthält.
Mit anderen Worten bildet der Druckring 28 auch den inneren Ring einer integralen Lagerung 29, die zusätzlich einen äußeren Ring 30 und zwei Paare von zylindrischen Rollen 31 enthält, die üblicherweise zwischen dem inneren Ring 28 und dem äußeren Ring 30 angeordnet sind.
Die Kombination der mehrfachen Rollen 31 und des äußeren Rings 30 bildet ein Mittel, um die radialen Druckkräfte von den Kolben 19 aufzunehmen.
Darüber hinaus sind integrale Lagermittel C1, C4 angebracht, um die Dreheinheit 16 zu stützen und um die Kräfte der Kolben 19 aufzunehmen, sowie eingebaute Ausrichtungsmittel C2, C3, um die koaxiale Beziehung zwischen dem Verteiler 15 und dem Rotor 17 entlang der Achse A aufrechtzuerhalten, wobei diese Ausrichtung bei Verwendung einer ungeraden Anzahl von Kolben 19 entscheidend ist.
Die Bezeichnung „integrale Lager" bezeichnet hier eine Anordnung, bei der die Lagerringe unmittelbar auf die Komponenten der Maschine 10 aufgebracht werden, das heißt es gibt keine Zwischenringe.
Die Lagerungen C1–C4 sind vorteilhaft als Presspassungen ausgebildet, um ein Ausweichen der Achse A des Verteilers 15 zu verhindern.
Der äußere Ring 30 wird ortsfest gehalten und hat eine Mittellinie B (1), die üblicherweise versetzt ist gegenüber der Achse A; er kann mit Hilfe einer Einstellvorrichtung 33 (2) radial verschoben werden, die der Einstellung des Abstands EC (1) zwischen den Achsen A und B dient.
Die Einstellvorrichtung 33 ist von herkömmlicher Bauart und wird hier nicht genauer beschrieben. Ferner kann die Einstellvorrichtung 33 ein mechanisch, hydraulisch, elektromechanisch oder anderswie betriebenes Bauteil sein.
Die Dreheinheit 16 wird konventionell gesteuert. In einer Anwendung, bei der die Maschine 10 im Hydraulikmotormodus betrieben wird, werden Kopf- und Förderleistung in der Maschine 10 durch die Dreheinheit 16, genauer durch den Rotor 17 aufgrund der gegen den Ring 28 drängenden Kolbenköpfe 19 und der um den Abstand EC versetzten Druckkräfte in Drehleistung umgesetzt. Dieser Abstand EC ist wesentlich für die Rotation der Einheit 16. Wäre der Abstand EC gleich Null, so wäre keine Rotation möglich, da der Druckring 28 zum Stillstand käme.
Wie bereits zuvor erwähnt und in 4 gezeigt, ist jeder Kolben 19 mit einer Verbindung zu dem Ring 28 ausgebildet. Eine Schiebeverbindung wird durch eine Umrissform erreicht, die eine Gleitschiene 43 (5) bildet, die an dem rotierenden Ring 28 mittels einer Schraube 44 befestigt ist. Ein Schlitten 45 (4) ist am Kopf des Kolbens 19 fest angebracht, um kleine Bewegungen des Kolbens 19 relativ zum Ring 28 zu ermöglichen. Wie in 2 gezeigt, erfolgen die Bewegungen des Schlittens 45 entlang der Gleitschiene 43 geradlinig entlang einer Achse (b), die senkrecht zu der zuvor genannten Achse (a) verläuft, entlang derer der Kolben 19 sich radial bewegt. Wie bereits erwähnt, bildet die Achse (a) gleichzeitig die Mittellinie der radialzylindrischen Kammer 18, in der der Kolben 19 bewegt werden kann.
Mit anderen Worten verläuft die Gleitschiene 43 senkrecht zur Achse (a), was eine Schiefstellung der Achse (a) des Kolbens 19 relativ zur Achse der Kammer 18 verhindert.
Diese Bewegungen des Kolbens 19 entlang der Achse (b) werden benötigt, um die Kolbeneinstellung an die geometrischen Bedingungen anzupassen, die während der Rotation der Dreheinheit 16 herrschen. Die Gleitschiene 43 des Ausführungsbeispiels ist in 5 genauer dargestellt.
Die Gleitschiene 43 umfasst einen Körper 43a, der mit einer Gewindebohrung 43b versehen ist, die die darin eingeschraubte Schraube 44 aufnimmt (1). Zwei Backen 43c ragen aus dem Körper 43a heraus und umfassen den Schlitten 45, der wie erwähnt fest mit dem Kolben 19 verbunden ist.
In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Gleitschiene 43 fest mit dem inneren Ring 28 verbunden.
Die Funktion der mit dem Ring 28 verbundenen Gleitschiene 43 und des mit dem Kolbenkopf 19 fest verbundenen Schlittens 45 ist wesentlich für diese Erfindung. Wie zuvor erwähnt, ist der Kopf des Kolbens 19 in einem der handelsüblich erhältlichen Ausführungsbeispiele so montiert, dass er lediglich auf dem Druckring 28 aufliegt. Somit können Schwankungen, die einen Druckabfall im hydraulischen Kreislauf verursachen, dazu führen, dass der Kolben 19 sich von der Oberfläche des Rings 28 wegbewegt. Da die Drehbewegung weiter anhält, ist der Kolben 19 zwangsläufig geometrischen und kinematischen Bedingungen ausgesetzt, die ihn gegen die Innenoberfläche des Rings 28 zurückdrängen und dabei eine Reihe von Schlägen des Kolbens 19 gegen den Ring auslösen, durch welche sowohl der Kolbenkopf 19 als auch die Oberfläche des inneren Rings 28 schwer beschädigt werden kann.
Entsprechend ist es bei dieser Erfindung von Bedeutung, dass der Kopf des Kolbens 19 sich nicht von der Innenoberfläche des Rings 28 lösen kann, so dass Druckschwankungen im hydraulischen Kreislauf die oben erwähnten Bauteile nicht beschädigen werden.
Außerdem ist der innere Ring 28 vorteilhaft mit einer im Wesentlichen sinusförmigen Form ausgebildet, so dass die beiden Sätze von Rollen 31 in zwei Seitenlaufbahnen aufgenommen werden können, wobei die Rollensätze auf beiden Seiten der Gleitschiene 43 angeordnet werden.
In 4 ist zu sehen, dass der Kolben 19 und der an ihm befestigte Schlitten 45 mit einem Paar von Erleichterungsbohrungen 46 versehen ist, die quer hindurch gebohrt sind, um die Masse zu reduzieren. Zusätzlich ist der Kolben 19 entlang der Achse (a) mit einer kleinen Bohrung 47 versehen, durch die eine festgelegte Menge Öl in eine Aussparung 48 im Kolbenkopf 19 fließen kann. Die durch die Bohrung 47 durchgelassene Ölmenge dient dem hydraulischen Ausgleich der auf den Kolben 19 wirkenden Kräfte.
Wie in 4b gezeigt, verlaufen die Mittellinien der Bohrungen 46 parallel zueinander und quer zur Achse (a) der Bohrung 47. Dadurch wird der Kolben 19 leichter, ohne dass dies Auswirkungen auf den Durchmesser der Bohrung 47 hätte. In einem weiteren, nicht gezeigten Ausführungsbeispiel gehen die Bohrungen 46 nicht ganz hindurch sondern nähern sich radial der Bohrung 47 an und laufen in einem kurz davor liegenden Punkt zusammen.
Die Außenoberfläche des Kolbens 19 ist mit einer Nut 49 versehen (4a–b), die einen (nicht gezeigten) Dichtring aufnehmen kann. Zusätzlich sind, wie in 4a–c zu sehen ist, an der Stelle der Nut 49 zwei einander gegenüberliegende Ausnehmungen 49a vorhanden. Diese Ausnehmungen 49a ermöglichen die Anbringung des besagten (nicht gezeigten) Dichtrings.
Wie in 4a–b gezeigt, ist die entfernte Oberfläche der Ausnehmung 48 so ausgebildet, dass der Abstand zwischen dem Rand des Kolbens 19 und seiner Kammer 18 begrenzt ist.
4e zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel des Kolbens 19, das sich von dem in 4a–d gezeigten nur durch die Gestaltung einer der Stirnseiten des Kolben 19 unterscheidet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die in 4a–b gezeigte Ausnehmung 48 durch eine Nut 49b ersetzt, die sich dem Umriss der Kopfoberfläche des Kolbens 19 anpasst. Diese Nut 49b steht mit der Bohrung 47 mittels zweier radialer Kanäle 49c in Fluidkontakt. Diese Konfiguration bietet eine vergrößerte Oberfläche für einen verbesserten hydrodynamischen Effekt, wo dies erforderlich ist.
Ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Rings 28 ist in 6 gezeigt, bei welchem der Ring 28 geteilt ist, um zwei getrennte Teilbereiche 28a, 28b zu bilden, die mit Hilfe eines Satzes von Schrauben 28c (von denen nur zwei Schrauben 28c in 6 gezeigt sind) miteinander verbunden werden können.
Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht es, den Rotor 17 einschließlich der Kolben 19 und der zugehörigen Schlitten 45 in den Teilbereich 28a einzubringen, ohne dabei durch den geringen Durchmesser des Teilbereichs 28a behindert zu werden. Dies wiederum lässt eine deutliche Vergrößerung des Hubvolumens des Systems zu, da längere Zylinder 19 und längere Hübe benutzt werden können.
Alternativ könnte ein zweigeteilter äußerer Ring 30 verwendet werden, dessen beide Hälften auf herkömmliche Weise zusammenmontiert werden könnten, zum Beispiel durch eine Verschweißung entlang ihrer Mittellinie.
Wie in 1 gezeigt, ist der Kolben 19 darüber hinaus recht kurz und ein Teil der Verbindungsvorrichtung zum inneren Ring 28, wobei der Kolben 19 in einem der beiden Mittelpunkte (obere Hälfte von 1) in die jeweilige Kammer 18 hineingesteckt ist. Dies reduziert deutlich den Querschnittsumriss der Maschine 10 und damit die Trägheit der sich bewegenden Massen während der Rotation der Dreheinheit 16.
1 zeigt, dass der Rotor 17 den Verteiler 15 mit Hilfe des Lagerpaares C2, C3 trägt.
Ferner können für jedes der Lager C1–C4 sowie für Lager 29 vorteilhaft Scheibenkäfiglager GAB verwendet werden, wie in der Patentschrift WO 01/29439 beschrieben und hier nur für das Lager 29 gezeigt. Optional kann es sich bei den Käfigen GAB um geschlossene, d.h. ungeteilte, Käfige handeln anstelle von geteilten Käfigen, wie sie in dem oben genannten Dokument beschrieben werden.
Durch die Benutzung von ungeteilten Scheibenkäfigen GAB für die Lager der Maschine 10 kann die Lebensdauer der Maschine 10 deutlich verlängert werden. Der ungeteilte Scheibenkäfig GAB kann den Energieverlust der Rollkörper auf 7–10%, gegenüber 30% bei herkömmlichem Käfigdesign, absenken. Dies bedeutet eine deutliche Verbesserung im Hinblick auf die zugelassene Belastung und Geschwindigkeit und damit auch im Hinblick auf die abgegebene Leistung. Obwohl jeder Käfig GAB in der Abbildung zentral auf dem jeweils zugehörigen Rollensatz 31 montiert ist, können andere Anordnungen eine Montage des Käfigs GAB am Rande des Rollensatzes 31 vorsehen.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Abstand zwischen den Lagern C2 und C3 entlang der Achse A recht klein. Dementsprechend wird eine Auslenkung des Verteilers 15 und damit ein Reiben desselben an dem Rotor 17 wirkungsvoll vermieden, selbst an den Stellen, an denen der Abstand zwischen diesen Bauteilen recht gering ist.
Wie in 1 und 3 gezeigt, ist die zwischen den beiden Lagern C2 und C3 eingeschlossene und in den Fluidverteilungsprozess eingebundene Oberfläche des Verteilers 15 in Teilbereiche S1', S3', S1'', S3'' unterteilt, die jeweils den Ausschnitten 15d, 15e und 15c, 15f gegenüberliegen.
Diese Teilbereiche S1', S3', S1'', S3'' sowie die zugehörigen Oberflächen S2 und S4 der Ausnehmung CAV im Rotor 17 (1) können eher konisch als zylindrisch geformt sein, wie in den Abbildungen gezeigt. Offensichtlich haben S1' und S3' auf einer Seite die gleiche Konusmantellinie, genauso wie das Paar S1' (S1'') und S3' (S3''), und das Paar S2, S4 auf der Seite der Ausnehmung CAV. Auf diese Art und Weise kann die in den Verteilerbereich einlaufende zulässige Ölmenge eingestellt werden, indem der Verteiler 15 entlang der Achse A verschoben wird. Folglich kann eine nahezu Komplettabsperrung ermöglicht werden.
Alternativ könnten Kompromisslösungen vorgesehen werden, z.B. derart, dass ein erhebliches Auslaufen von unter Druck stehendem Öl zugelassen ist, um andere Systembauteile zu schmieren.
Der Öldruck an den Ausschnitten 15d, 15e erzeugt zwangsläufig radiale Lasten, die teilweise auf die Oberflächen S1'' und S3'' des Verteilers 15 übertragen würden. Ebenso erzeugt der Öldruck an den Ausschnitten 15c, 15f radiale Lasten, die teilweise auf die Oberflächen S1' und S3' des Verteilers 15 übertragen würden. Dies erfordert einen hydraulischen Ausgleich dieser radialen Lasten, sofern ein Reibungskontakt des Verteilers 15 mit der Ausnehmung CAV im Rotor 17 vermieden werden soll. Zu diesem Zweck sind, wie auch in 3a und 3c zu sehen, Kanäle in der Art des Kanals CAN1 vorgesehen, die den Kanal 25 in Fluidkontakt mit der Oberfläche S3' des Verteilers 15 bringen. Auf die gleiche Weise sind die Oberflächen S1', S2'' (S1'') und S3'' mit ihren jeweiligen Kanälen verbunden. Die Oberfläche S3'' z.B. steht über einen Kanal CAN2 ( 3c) in Fluidkontakt mit dem Kanal 22. Auf diese Weise wird ein Durchlass für das Fluid zwischen den Oberflächen S1', S3', S1'', S3'' auf der einen Seite und zwischen den Oberflächen S2, S4 der Ausnehmung CAV auf der anderen Seite erzeugt.
Dieser Durchlass ist nützlich für den Ausgleich der hydraulischen Kräfte.
Als eine Konsequenz daraus müssen die Lager C2 und C3 nur die Wechsellasten des Verbindungsbereichs zwischen dem Verteiler 15 und den radialzylindrischen Kammern 18 tragen, zusätzlich zu Lasten, die aus ungenauem Ausgleich resultieren.
Der beschriebene Aufbau ist auch erfinderisch in der Hinsicht, dass der links von dem Lager C2 angebrachte Verteilerbereich 15 unter die Abdeckung 12 gleiten kann. Eine Bohrung F in der Abdeckung 12 trägt der Gleiteigenschaft des Verteilers 15 Rechnung.
Um ein Auslaufen von Öl durch einen Zwischenraum zwischen der Außenoberfläche des Verteilers 15 und der Oberfläche der Bohrung F zu vermeiden, sind an beiden Enden der Bauteile 26, 27 Dichtringe AN angebracht. Diese Dichtringe AN passen in ge schlossene Aufnahmen, die in der Oberfläche der Bohrung F in der Abdeckung 12 ausgebildet sind. „Geschlossene Aufnahme" bezeichnet hier eine in der Abdeckung 12 ausgebildete Ringnut. Darüber hinaus sind die Ringe AN vorteilhaft aus Materialien (Stahl, Teflon^®, etc.) gefertigt, die den zu erwartenden Beträgen von Druck, Temperatur und Größe des Zwischenraums angemessen sind.
Die Gleiteigenschaft des Verteilers 15 ist ebenfalls von grundlegender Bedeutung für diese Erfindung.
Und zwar darf die Außenoberfläche des Verteilers 15 auf keinen Fall die Innenfläche des Rotors 17 berühren. Wird jeglicher Kontakt vermieden, so besteht keinerlei Reibungswiderstand und die Leistung ist maximal.
Indem jeglicher Kontakt vermieden wird, wird auch das Problem der Verunreinigung vieler Bauteile durch das Einfließen von Öl gelöst.
Alle beweglichen Teile der Erfindung sind vorteilhaft aber nicht zwingend einsatzgehärtete Bauteile mit einer Härte von etwa 60 HRC. Die an die Ausschnitte 15c–f (siehe auch 3c) angrenzenden Verteileroberflächen S1', S1'', S3', S3'', S2 und S4 sollten jedoch vorteilhaft eine Härte von mindestens 1400 HV haben.
Durch den Einsatz der Lager C2, C3 und der Ausgleichshydraulik, wie oben beschrieben, erübrigt sich, z.B. in der Konstruktion des Rotors 17, die Verwendung von Gleitmetallen wie Bronze und anderen Kupferlegierungen, Gusseisen, Aluminiumlegierungen etc.
Durch Verwendung eines gleitenden Verteilers 15 kann die Maschine 10 auf eine optimale Arbeitsleistung ausgerichtet werden.
Jede Art von Kolbenmaschine hat das Problem der variablen Taktung. Die Kammereinspritz- oder -auslassfunktionen müssen relativ zu den Umkehrpunkten beschleunigt oder verzögert werden entsprechend solcher Faktoren wie Druck, Drehung, etc.
Bei Verwendung eines mit keinem weiteren Bauteil verbundenen Verteilers 15, kann dieser mithilfe nicht gezeigter Mittel um einen vorgegebenen Winkel gedreht werden, um die Einlass- und Auslassphasen wie gewünscht zu beschleunigen oder zu verzögern.
Eine Phaseneinstellung kann aufgrund eines vorhandenen Abstands sowie durch Veränderlichkeit der Größen Druck, Drehung, Verdrängung, etc. erforderlich sein. Wenn die Einlass- und Auslassphasen optimiert sind, läuft das System ruhiger und Vibrationen spielen keine Rolle mehr. Außerdem verlängert sich die Lebensdauer der Lager und das Ausgangsdrehmoment der Maschine 10 wird stabiler.
Eine Neueinstellung des Verteilers 15 kann nur durch systematisches Ausprobieren erfolgen, da jede Maschine 10 unterschiedlich getaktet ist.
Darüber hinaus wird die Bewegung des Rotors 17 umgekehrt, wenn der Verteiler um 180 Grad gedreht wird.
Zusätzlich zu der oben beschriebenen Winkeleinstellung, und wenn die Maschine 10 sowohl im Pump- als auch im Motormodus betrieben wird, so dass der Verteiler 15 in beiden Situationen arbeiten muss, muss eine axiale Einstellung (entlang der Achse A) mit Hilfe zweier von der Mittellinie M versetzter Nuten GF (siehe 3a) vorgenommen werden.
Somit sollten für einen ruhigen, vibrationslosen Betrieb zwei Nuten GF vorgesehen sein, eine für den Betrieb der Maschine als Pumpe, die andere für den Betrieb als Motor.
Eine Positionsverschiebung entlang der Achse A zur Auswahl der Nut GF ist auch von Bedeutung, wenn die Maschine 10 als eine im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn rotierende Pumpe betrieben wird.
Ein Fachmann auf diesem Gebiet wird erkennen, dass durch die Möglichkeit, den Verteiler 15 sowohl um einen Winkel als auch axial entlang der Achse A zu verschieben, vielfältige Anforderungen an die Maschine 10 erfüllt werden können.
Die Erfindung beinhaltet auch eine Querkupplung 50 (1 und 7), mit Hilfe derer sich der Ring 28 der Lagerung 29, gegen den die Kolben 19 gedrängt werden, in perfekter Synchronisation mit dem Rotor 17 drehen kann.
Die Querkupplung 50 minimiert darüber hinaus wirksam die Anforderungen an den Kolben 19 bezüglich der Führung innerhalb seiner Kammer 18.
Als „Führung" wird hier der Teilbereich der Kammerwand bezeichnet, der in Kontakt mit der Kolbenoberfläche bleibt, wenn der Kolben 19 maximal weit aus der Kammer 18 herausbewegt ist.
Die Querkupplung 50 und die Schlitten 45 halten den Kolben 19 innerhalb der Kammer 18 ausgerichtet, so dass kurze Führungen verwendet und radiale Massen verringert werden können.
Im Gegensatz dazu muss in herkömmlichen Ausführungsbeispielen ohne Querkupplung 50 die Länge einer Kolbenführung 50% der Kolbenlänge und der Durchmesser 100% des Durchmessers des Kolbens 19 betragen.
Die Querkupplung 50 umfasst insbesondere eine vorteilhaft aus behandeltem Stahl gefertigte Platte 50a, wie in 7 am besten zu sehen ist. Die Platte 50a ist mit einer zentralen Bohrung 50b und zwei peripheren Aussparungen 50c versehen, wobei letztere zwei Zähne 52 (1) des Rings 28 aufnehmen. Zwei prismatische Führungen 50d sind angebracht, um die Bewegungen von zwei Zähnen 53 (von denen nur einer mit gestrichelten Linien in 1 gezeigt ist), die mit dem Rotor 17 verbunden sind, zu führen. Die prismatischen Führungen 50d sind mit der im Wesentlichen rechteckigen zentralen Bohrung 50b verbunden. Die Form der zentralen Bohrung 50b bewirkt, dass die Zähne 53 sich nur entlang der Längsseite der zentralen Bohrung 50b bewegen können.
Es ist offensichtlich, dass andere konventionelle Bauteile, wie ein Gleichlaufgelenk, Radpaare etc. verwendet werden könnten, um den Ring 28 mit dem Rotor 17 zu synchronisieren.
Schließlich kann im Bereich der Presspassung des Verteilers 15 und des Rotors 17 die Rotorkontaktfläche vorteilhaft nitriert sein, um lokaler Erwärmung standzuhalten und einen Kolbenfresser zu vermeiden.
Zuletzt könnten in der oben beschriebenen Rotationsverdrängermaschine die Rolllager 29 oder C1 oder C4 durch Gleitlager ersetzt werden, die ein Gleitmittel bestehend aus mindestens einer Schicht aus einem Gleitkunststoffmaterial umfassen, welches durch eine zusätzliche Schicht aus einem porösen Metall mit einem der kontaktierenden Teile oder einem zwischenliegenden Metallelement verbunden ist.
Die Vorteile dieser Rotationsverdrängermaschine 10 sind:

– verglichen mit gängigen Verdrängermaschinen etwa 70% weniger Reibung; der Bereich von Verdrängermaschinen, die hergestellt werden können, erstreckt sich somit von 1 cm³ Kapazität bis zu mehr als 30.000 cm³ bei gleichbleibend hoher Leistung;
– bei gleicher Größe liefert dieses System eine höhere Ausgangsleistung als herkömmliche Maschinen, da es höhere Geschwindigkeiten erreichen kann;
– sowohl der Betriebsdruck als auch die Ausgangsleistung können kraft einer geringeren spezifischen Last gesteigert werden, Verunreinigungen durch kleine Partikel führen zu keiner ernsthaften Beschädigung, da alle beweglichen Teile oberflächengehärtet sind;
– die Rotationen des Druckrings und des Rotors sind exakt synchronisiert, wodurch die Kolben und die Verbindungsvorrichtungen unbeschädigt bleiben;
– ein gleitend montierter Verteiler;
– die Taktung der Maschine kann durch Drehen und/oder eine axiale Verschiebung des Verteilers eingestellt werden;
– die Rotationsverdrängermaschine läuft gleichermaßen gut im Pump- wie im Motormodus;
– wenn die Rotationsverdrängermaschine im Pumpmodus betrieben wird, so kann lediglich durch Änderung der axialen Position des Verteilers eine Drehung der Pumpe im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn eingestellt werden.

Während die Maschine dieser Erfindung im Wesentlichen als ein Hydraulikmotor oder als eine Hydraulikpumpe beschrieben wurde, so sollte klar sein, dass die Maschine auch als ein hydraulisch betriebenes Variationsgetriebe arbeiten kann.

Claims

Rotationsverdrängermaschine (10) mit radialen Kolben (19); Rotationsverdrängermaschine (10), umfassend: – eine Tragstruktur mit einem Hauptkörper (11) und einer Abdeckung (12); – einen zentral montierten Verteiler (15); – eine Dreheinheit (16) bestehend aus einem Rotor (17), der mit einer Vielzahl von sich radial erstreckenden Kammern (18) ausgebildet ist, wobei jede Kammer (18) jeweils einen Kolben (19) enthält, der für eine Verschiebebewegung in einer ersten Richtung entlang einer ersten Achse (a) koaxial zur Mittelängsachse der jeweiligen zylindrischen Kammer (18) montiert ist; und – Mittel (30, 31) zum Aufnehmen des radialen Drucks der Kolben (19), wobei die Mittel (30, 31) eine Lagerung (29) in Verbindung mit einem Druckring (28) bilden; – die Lagerung (29) umfasst einen drehbaren Innenring (28), einen stationären Außenring (30) und dazwischen liegende Rollmittel (31), wobei der drehende Innenring (28) Verbindungsmittel (43, 45) für jeden Kolben (19) enthält und die Verbindungsmittel (43, 45) eine Bewegung in einer geraden Linie entlang einer durch eine zweite Achse (b) definierten ersten Richtung ermöglichen, die rechtwinklig zur ersten Achse (a) ist; – die Verbindungsmittel (43, 45) umfassen eine an dem Ring (28) befestigte Gleitschiene (43) und einen am Kopf des Kolbens (19) befestigten Gleitblock (45), wobei der Gleitblock (45) ein flacher Gleitblock (45) ist, so dass die jeweiligen Bewegungsbahnen des Gleitblockes (45) und der Gleitschiene (43) geradlinige Bewegungsbahnen entlang der Achse (b) sind; – der Rotor (17) ist mittels Traglagermitteln (C1, C4) im Hauptkörper (11) und der Abdeckung (12) gehaltert; wobei die Rotationsverdrängermaschine (10) dadurch gekennzeichnet ist, dass der Verteiler (15) gleitend innerhalb eines von der Abdeckung (12) definierten Raumes und in koaxialer Beziehung im Rotor (17) mittels Lagermitteln (C2, C3) montiert ist.
Rotationsverdrängermaschine (10) nach Anspruch 1, wobei zwischen der Oberfläche der Bohrung (F) in der Abdeckung (12), in welcher der Verteiler (15) montiert ist, und der Außenoberfläche des Verteilers Ringdichtungen (AN) an beiden Enden der Einlass- und Auslassvorrichtungen vorgesehen sind.
Rotationsverdrängermaschine (10) nach Anspruch 1, wobei die Kraft des Kolbens (19) über eine hydraulisch ausgeglichene Endoberfläche auf den Druckring (28) übertragen wird.
Rotationsverdrängermaschine (10) nach Anspruch 1, wobei zumindest einer der Kolben (19) mit einem geschlossenen Dichtring versehen ist.
Rotationsverdrängermaschine (10) nach Anspruch 1, wobei zumindest einer der Kolben (19) dem Verteiler (15) mit einer zur Auffüllung unerwünschten Abstandes geformten Stirnfläche gegenüberliegt.
Rotationsverdrängermaschine (10) nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Kolben (19) mit mindestens einer Erleichterungsbohrung (46) ausgebildet ist.
Rotationsverdrängermaschine (10) nach Anspruch 6, wobei die Längsachse der Bohrung (46) sich quer zur Achse (a) des Kolbens (19) erstreckt und eine im Kolben (19) ausgebildete hydraulische Ausgleichsbohrung (47) nicht kreuzt.
Rotationsverdrängermaschine (10) nach Anspruch 1, wobei einer der Kolben (19) vollständig innerhalb der jeweiligen radialen zylindrischen Kammer (18) angeordnet ist und zumindest ein Teil der Gleitschiene (43) innerhalb der radialen zylindrischen Kammer (18) angeordnet ist.
Rotationsverdrängermaschine (10) nach Anspruch 1, wobei mindestens eines der Lager (29, C1–C4) ein integrales Lager ist.
Rotationsverdrängermaschine (10) nach Anspruch 1, wobei der Ring (28) vorteilhaft eine sinusförmige Form aufweist, so dass er zwei Sätze von Rollkörpern (31) in zwei Seitenlaufbahnen aufnehmen kann und diese auf einer Seite der Gleitschiene (43) angeordnet sind.
Rotationsverdrängermaschine (10) nach Anspruch 1, wobei mindestens eines der Lager (29, C1–C4) mit einem ungeteilten Scheibenkäfig (GAB) ausgerüstet ist.
Rotationsverdrängermaschine (10) nach Anspruch 11, wobei jeder ungeteilte Scheibenkäfig (GAB) umfangs des jeweiligen Satzes an Rollkörpern (31) befestigt ist.
Rotationsverdrängermaschine (10) nach Anspruch 9, wobei zumindest eines der Lager (29, C1–C4) mit einer Vielzahl von Rollkörpern in Presspassungsbeziehung befestigt ist.
Rotationsverdrängermaschine (10) nach Anspruch 1, wobei der Rotor (17) und der Druckring (28) von einer Synchronisationsvorrichtung (50) auf synchrone Rotation geregelt werden.
Rotationsverdrängermaschine (10) nach Anspruch 14, wobei die Synchronisationsvorrichtung (50) eine Querkupplung (50) ist.
Rotationsverdrängermaschine (10) nach Anspruch 1, wobei die Anordnung des Verdrängers (15) sowohl im Winkel als auch axial entlang einer Längsmittellinie (A) einstellbar ist.
Rotationsverdrängermaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 und 15, wobei mindestens ein Oberflächenbereich des Verteilers (S1', S3', S1'', S3'') und die Oberflächenbereiche (S2, S4) einer auf dem Rotor (17) vorgesehenen Ausnehmung (CAV) eine konische Form aufweisen, um es den Oberflächenbereichen zu ermöglichen, auf verschiedene Arten zueinander zu passen.
Rotationsverdrängermaschine (10) nach Anspruch 1, wobei Dichtringe (AN) aus Metall vorgesehen sind, um Öl von einem Austritt über den Abstandsspalt zwi schen der Außenoberfläche des Verteilers (15) und der Oberfläche der Bohrung (F) in der Abdeckung (12) abzuhalten.
Rotationsverdrängermaschine (10) nach Anspruch 18, wobei die Ringe (AN) jeweils in entsprechenden in die Oberfläche der Bohrung (F) eingebrachten Ringsitzen aufgenommen sind.
Rotationsverdrängermaschine (10) nach Anspruch 1, wobei die Abdeckung (12) eine Einlassvorrichtung (26) und eine Auslassvorrichtung (27) trägt, und die Einlass- und Auslassvorrichtungen (26, 27) jeweils mit einer von der Mittellinie (A) des Verteilers (15) achsversetzten Nut (26a, 27a) gebildet sind.
Rotationsverdrängermaschine (10) nach Anspruch 1, wobei einer der Kolben (19) vollständig innerhalb der jeweiligen radialen zylindrischen Kammer (18) angeordnet ist und zumindest ein Teil der Gleitschiene (43) innerhalb der radialen zylindrischen Kammer angeordnet ist.
Rotationsverdrängermaschine (10) nach Anspruch 1, wobei mindestens eines der Lager (29, C1 oder C4) für den Rotor (17) und/oder für die Kupplung der inneren und äußeren Ringe (28, 30) aneinander Reibungswiderstand erzeugt und in welchem Gleitmittel vorgesehen sind, die zumindest eine Schicht aus einem Anti-Reibungs-Kunststoffmaterial umfassen, welche über eine zusätzliche Schicht aus einem porösen Metall mit einem der kontaktierenden Teile oder einem anderen zwischenliegenden Metallelement verbunden ist.
Rotationsverdrängermaschine (10) nach Anspruch 1, wobei der Rotor (17) im Bereich der Ankopplung an den Verteiler (15) eine nitrierte Oberfläche aufweist.
Rotationsverdrängermaschine (10) nach Anspruch 21, wobei zumindest einer der Kolben (19) mit einem geschlossenen Dichtring versehen ist.
Rotationsverdrängermaschine (10) nach Anspruch 21, wobei zumindest einer der Kolben (19) mit mindestens einer Erleichterungsbohrung (46) versehen ist.
Hydraulisch betriebenes Variationsgetriebe, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens eine Maschine (10), wie in den vorhergehenden Ansprüchen beansprucht, enthält.