Kolbenabstützeinrichtung an Kolbenmaschinen für ein Druckmedium. Die Erfindung bezieht. sich auf eine Kolbenabstützeinrichtung an einer Kolben maschine für ein Druckmedium, bei der der Kolben sich auf der vom Zylinderraum abgewendeten Seite mittels eines Abstützteils gleitend gegen eine die Kolbenkräfte auf nehmende Fläche stützt und gegenüber die ser Fläche eine quer zur Kolbenachse gerich tete Hin- und Herbewegung ausführen kann.
Es ist bekannt, Gleitflächen aufeinander gleitender anderer Teile einer Maschine da durch in einem bestimmten Abstand vonein ander zu halten und dadurch die Reibung stark zu verkleinern, dass man an einer dieser Gleitflächen eine Druckkammer ausspart, die über eine Drosselöffnung mit einem flüssigen oder gasförmigen Druckmedium gespiesen wird.
Die Verwendung von vom Zylinderraum aus ohne Zwischenschaltung einer Drossel stelle gespiesenen Druckkammern ist auch bei den Kolben eingangs genannter Art bekannt geworden. Dabei bestehen auch bei Einbau einer Drosselstelle in der Verbindung zwi schen Druckkammer und Zylinderraum aber insofern gewisse Schwierigkeiten, als an den Kolben in ihrer Aehsrichtung zu dem durch das Druckmedium ausgeübten Kolbendruck zusätzliche Kräfte auftreten können, wie Be- schleunigungs- oder Zentrifugalkräfte, denen wohl während des Druckhubes,
nicht aber während des Saughubes auf diese einfache Weise vermittels der an der G=leitfläche des Kopfes des Kolbens ausgesparten Druck kammer entgegengewirkt. werden kann, indem während des Saughubes die Druckmittelzufuhr zu den Druckkammern vom Zylinder her aus bleibt. Es könnte wohl durch eine besondere Pumpe, die ständig Druekflüssigkeit erzeugt, die Druckkammer auch während des Saug hubes unter Druck gehalten werden, was aber eine verwickelte Bauart und zusätzlichen Ar beitsaufwand ergibt.
Aber aueh wenn die Kolbenmaschine leer oder schwach belastet läuft, steht, genügend hoher Druck im Ar beitsraum der Zylinder der Maschine auch während des Druckhubes nicht mehr zur Ver fügung, so dass die an die Kammern aussen anschliessenden Teile der Gleitfläche von die sen zusätzlichen Kräften gegeneinander ge- presst werden, wobei grössere Reibung und eventuell Anfressen oder Abnützung entsteht.
Diese Schwierigkeiten können durch mög lichst reichliche Bemessung der aussen an die Drucldiammer anschliessenden Tragfläche des Kolbenkopfes gemildert werden, doch hat dies zur Folge, dass dabei der Durchmesser der Kolbenköpfe wesentlich grösser als der Durch messer des im Zylinder arbeitenden Kolbens und der Einbau der Kolben schwieriger wird.. Dieser grosse Platzbedarf des Kolbenkopfes ist bei gedrängt, zu bauenden Kolbenmaschi nen unerwünscht, überdies erschwert ein gro sser Durchmesser des Kolbenkopfes gutes An liegen mit geringem Spiel, und der grosse Kopf ergibt eine entsprechend grosse Massen kraft, besonders wenn der Kolben in rotieren- den, sternförmig angeordneten Zylindern ar beitet.
Gemäss der Erfindung ist es möglich, die sen Schwierigkeiten und Nachteilen aus dem Wege zu gehen, indem nebst der in der Ver bindung zwischen Druckkammer und Zylin derraum vorgesehenen Drosselstelle zusätz liche Tragflächen innerhalb der Druckkam mer vorgesehen.werden. Wie Versuche gezeigt haben, kann bei dieser Anordnung von zusätz lichen Tragflächen die Wirkung der Druck kammern bezüglich Verminderung der Rei bung voll erhalten werden.
Sie hat bei ent sprechender Ausbildung und Anwendung eines schmierfähigen Druckmittels neben dem geringeren Gewicht des ganzen Kolbens noch den Vorteil, dass während der Druckperiode sich der hohe Druck des Druckmittels fast augenblicklich mindestens dem ganzen Schmier film an den zusätzlichen, innerhalb der Druckkammern angeordneten Tragflächenmit- teilt, so dass während der Saugperiode der Schmierfilm weniger rasch von diesen Flächen verdrängt wird.
Wird die Kolbenmaschine so betrieben, dass auch der Saugraum unter einem gewissen geringen Druck, z. B. 2 bis 5 at steht, so ergibt sich der Vorteil, dass die zusätzlichen Flächen auch im Leerlauf noch mit Druckmittel geschmiert werden, was bei Anordnung der Tragfläche ausserhalb der Druckkammern nur in weniger ausgiebigem Masse möglich ist.
In der Zeichnung sind Ausführungsbei spiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 eine dreizylindrige Kolbenmaschine in Sternbauart im Schnitt nach Linie I-I der Fig. 2, Fig. 2 den Seitenruss dazu im Schnitt nach Linie 11-II der Fig.1. Fig. 3 in grösserem Massstab einen Kolben teilweise im Längsschnitt, Fig. 4 die Ansicht des Kolbenkopfes von Fig. 3 in Richtung des Pfeils A gesehen,
Fig. 5 eine Variante des Kolbens samt Ab- stützkalotte, Fig. 6 die Ansicht der Einrichtung nach Fig. 5 in Richtung des Pfeils B gesehen. Nach Fig. 1 und 2 ist bei der dreizylindri- gen Kolbenmaschine, die als Pumpe oder als Motor arbeiten kann, auf dem am Gehäuse 1 fest angeordneten Steuerzapfen 2 der Zylin derblock 3 mit drei sternförmig angeordneten Zylindern drehbar gelagert.
Im Gehäuse 1 ist ferner der Rotor 5 bei 6 und 7 drehbar und exzentrisch zur Achse 2ra des Zapfens 2 ge lagert und mit dem Zylinderblock 3 mittels eines Mutnehmers 9 in Form einer Kreuz schleifen- oder Universalkupplung so gekup pelt, dass Zylinderblock und Rotor stets die gleiche Drehzahl haben. Am innern Umfang des Rotors 5, der über den Wellenstummel 10 angetrieben wird, wenn die Maschine als Pumpe arbeiten soll, sind drei ebene Flächen 11 vorgesehen, gegen welche sich Abstützteile der Kolben 12, 13 anlegen.
Der Kolben 12 insbesondere legt sich mit seinem Kolbenkopf 15 in Form eines Gleitschuhes direkt gegen die zugehörige Gleitfläche 11 an, die Kolben 13, von denen in Fig. 1 nur einer vollständig gezeigt ist, dagegen unter Zwischenschaltung einer einstellbaren Kugekalotte 28. In dem festen Steuerzapfen 2 sind die Kanäle 4 vor gesehen, die zur Zu- und Abführung der Ar beitsflüssigkeit z.
B. im Sinne der in Fig. 2 eingezeichneten Pfeile dienen. Die über der horizontalen Mittelebene des Zapfens 2 liegen den Zylinder sind mit dem obern der Kanäle 4, die unter dieser Mittelebene liegenden Zy linder mit dem untern der Kanäle 4 in Ver bindung, wobei der Steg 8 Saug- und Druck raum der Maschine voneinander trennt.
Die Bauart des Kolbens 12 ist in Fig. 3 und 4 in grösserem Massstab dargestellt. In der an der Fläche 11 anliegenden Stirnfläche des Kopfes 15 ist die flach anzunehmende Druckkammer 16 ausgespart, deren vertiefter Teil in Fig. 4 schraffiert ist. Sie wird vom Zylinderinnern 19 her über die Bohrung 20 und die Drosselöffnung 21 des Kolbens mit Druckflüssigkeit gespeist. Die Kammerbegren- zung wird von der schmalen Ringfläche 23 gebildet.
Zusätzliche Tragflächen sind inner halb der Kammer 16 in der Form von sechs Ringsektoren 24 vorgesehen, die die Druck kammer 16 bis auf die sechs radialen Nuten 25, die zentrale Ausnehmung 26 und die um laufende Nut 29 ausfüllen. Ausserhalb der Druckkammer ist die zusätzliche ringförmige Tragfläche 14 vorgesehen, die durch die Ring nut 17 von der Kammer 16 getrennt ist.
Aus der Druckkammer 16 bzw. der Nut 29 strömt Druckflüssigkeit durch den engen Spalt zwischen der Ringfläche 23 und der Fläche 11 in die Ringnut 17, aus der sie durch die Nuten 18 frei nach aussen abfliessen kann. In diesem Fall kann sich der Kammer druck nicht in den Spalt zwischen der zusätz lichen Druckfläche 14 und der Fläche 11 fortpflanzen.
Auf den Kolben wirken in der Richtung vom Zylinderraum her der Flüssigkeitsdruck auf die Kolbenfläche 22 von der Grösse Fk sowie eine zusätzliche Kraft C z. B. bei der Bauart der Maschine nach Fig. 1 als radial wirkende Zentrifugalkraft des Kolbens. Zwi schen Kolbenkopf 15 und Fläche 11 sollte die Schmierschicht z. B. etwa 0,01 mm Dicke ha ben, um flüssige Reibung zu sichern und da mit die Reibung möglichst klein zu halten. Um dies zu ermöglichen, muss die Summe der den Kolbenkopf 15 von der Fläche 11 abdrücken den Flüssigkeitsdrücke beim spezifischen Flüssigkeitsdruck p, in der Kammer 16 so gross wie die Summe der andrückenden Kräfte sein.
Dabei wird durch den Spalt zwi schen den Flächen 11 und 23 Flüssigkeit aus der Kammer 16 abströmen, so dass der Druck p, darin wegen der Drosselung des Zulaufes bei 21 kleiner als der Druck p im Zylinder 19 wird. Ist die volle Kreisfläche der Kam mer 16 innerhalb der Ringfläche 23 von der Grösse F" jene der Ringfläche 23 von der Grösse F2, so muss also sein
EMI0003.0011
Die Fläche Fa ist dabei mit nur dem halben Kammerdruck multipliziert, weil der Druck an der Fläche 23 von innen nach aussen an nähernd linear von p, auf den Wert Null ab fällt.
Wenn<I>p, = p</I> wird, hört der Öldurch- fluss in der Schmierschicht auf, und es tritt halbflüssige Reibung auf. Die Gleichung lau tet dann, wenn man durch p dividiert: F, -I- F212 = Fx + CIp Um bei Vollast-Arbeitsdruck flüssige Reibung zu erzielen, muss daher die Summe von Kam merfläche und halber Randfläche grösser als die Summe von Kolbenfläche und Quotient aus Zusatzkraft und Vollastdruck sein.
Mit Vorteil wird dafür gesorgt, dass dieses Ver hältnis bei der maximalen Zusatzkraft C schon bei einem unter dem Vollastdruck lie genden Druck erreicht wird.
Während des Druckhubes wird der Kol benkopf bei einer solchen Bemessung der Ent- lastungskammerfläche in geringem Masse von der Fläche 11 abgehoben, wobei reichlich Öl zwischen die Gleitfläche 11 und die Gleit flächen 23 und 24 und in geringerem Masse an die Fläche 14 gelangt. Beim Saughub wirkt die Entlastung in der Kammer 16 nicht mehr und die genannten Flächen 23, 24 und 14 fangen nicht kompensierte zusätzliche Kräfte C auf. Dabei wird Öl zwischen den Tragflächen 23, 24 und 14 einerseits und der Fläche 11 anderseits herausgequetscht und die Ölschicht etwas dünner, bis der Druckanstieg des folgenden Druckhubes in der Kammer 16 eintrifft.
Auf diese Weise wird während der ganzen Arbeitsperiode des Kolbens für genü gende Schmierung an den Flächen des Kol benkopfes gesorgt.
Um auch bei geringer Belastung der Ma schine und niedrigem Druck der Arbeits flüssigkeit eine genügende Schmierung der Kolbenkopfflächen zu sichern, wird mittels einer besonderen Pumpe vorteilhaft auch die Saugseite der Kolbenmaschine unter einem ge ringen Druck von z. B. 2 bis 5 at gehalten. Natürlich muss dabei trotzdem eine grössere Reibung am Kolbenkopf als bei grösserer Be lastung der Maschine in Kauf genommen wer den. Tritt die grösste Zusatzkraft C im Be triebe nur ausnahmsweise auf, so können die Flächen F, und F, auch kleiner als nach der angegebenen Regel bemessen sein.
Zu starkes Abheben der Kolbenköpfe 15 von den Flächen 11 wird durch im Rotor 5 angebrachte Leisten 27 verhindert, die hinter die Köpfe 15 greifen. Die Nut 17 kann weg gelassen werden, wobei der äussere Durchmes ser des Kopfes 15 und eventuell der Kam mer 16 etwas verkleinert werden kann, da dann auch die Fläche 14 die -Wirkung der Druckkammer 16 unterstützt. Doch wird dann bei Ausfall des Kammerdruckes besonders die äussere Tragfläche 14 weniger gut durch das im Rotorraum ausserhalb der Kolben wohl stets vorhandene Ölbad geschmiert.
Die Bauart des Kolbens 13 und seiner Ab stützeinrichtung ist in Fig. 5 und 6 näher gezeigt. Sie -unterscheidet sich von der oben beschriebenen ausser durch die zwischen Kol ben und Gleitfläche 11 eingefügte einstellbare Kugelkalotte 28 dadurch, dass der verdickte Kolbenkopf am Zylinder geführt ist, -Lind fer ner dadurch, dass ausserhalb der Ringfläche 23 zusätzliche Tragflächen nicht mehr vorge sehen sind. Die Kugelkalotte erlaubt, kleine Abweichungen der Kolbenachse von der zur Fläche 11 senkrechten Richtung auszuglei chen.
Ihr kugelförmiger Sitz-im Kolben kann durch eine Druckkammer 31 wenigstens teil weise entlastet sein. Die Kalotte ist von einem Kanal 30 durchsetzt, durch den die Druck kammer 16 mit der Ölzuführung 20, 21 aus dem Zylinderraum 19 verbunden ist.
Der verdiekte Kolbenkopf 32 ist über den ganzen Kolbenhub durch die am Zylinder 3 feste erweiterte Führiuig 33 geführt, die bei der innern Totpunktlage des Kolbens mit ihrem Ende 35, wie gestrichelt angegeben, bis an die Gleitfläche 11 mit geringem Abstand heranreicht.
Um die Druckkammer 16 wirksam zu ma chen, soll die von innen her durch die ra dialen Nuten 25 mit Drucköl gespiesene Ring nut 29 sich mindestens über 80,w" des Umfan ges erstrecken. Unter Umständen ist es vor teilhaft, die sektorförmigen zusätzlichen Trag flächen _24 durch weitere kleinere Nuten zu unterteilen, um Eindringen der Druckflüssig keit zwischen diesen Tragflächen und die Fläche 11 zu erleichtern.
Zur Verbesserung der Tragfähigkeit der Schmierschicht der Druekkammermitte kön- nen die radialen 1Vuten 25 nur ein Stück weit von aussen nach der Mitte geführt sein, wie die Fig. 6 iri der rechten Hälfte zeigt, wo bei diese Nuten über mehrere Bohrungen 36 von der Kammer 31 her gespiesen werden. Die Bohrungen 36 könnnen durch eine Ring nut miteinander verbunden sein, was in der Zeichnung nicht dargestellt ist.
Die Verwendung der Bauart nach Fig. 5 und 6 ermöglicht von allen beschriebenen Va rianten den kleinsten Durchmesser für den anliegenden Kolbenkopf.
Die Breite der Randfläche 23 kann, wie Versuche gezeigt haben, ziemlich schmal ge halten und mit Vorteil auf höchstens<B>15%</B> des Kammerradius bemessen werden.
Die am Rotor 5 vorgesehenen Führungs leisten 27 greifen in eine Ausnehmung 34 des verdickten Endes 32 des Kolbens ein. Diese kann in Form einer rundumlaufenden Aus drehung vorgesehen sein, wie die untere Hälfte der Fig. 5 zeigt, oder nur als seitliche Ein fräsungen, wie die obere Hälfte der Fig. 5 zeigt.
Die Kolben werden zur Verminderung der Massenkräfte mit Vorteil aus Leichtmetall hergestellt.
Wird der Kolbenkopf nach Fig. 3 so lang gemacht wie in Fig. 5, so kann auch er durch zeitweise zwischen die Leisten 27 greifende Führungslappen 33 besser geführt werden.
An Stelle von Flüssigkeit kann auch ein Gas als Arbeits- und Druckmittel benutzt werden.