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Drehkolbenmaschine Die Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine,
z. B. eine Drehkolbenpumpe, mit welcher Flüssigkeiten oder Gase gefördert werden,
oder einen Drehkolbenmotor, bei dem Flüssigkeiten oder Gase zum Antrieb dienen.
Solche Maschinen arbeiten mit ineinanderlaufenden Zahnrädern, wobei ein außenverzahnter
innenliegender Radkörper mit einem innenverzahnten außenliegenden Radkörper zusammenarbeitet.
Der außenliegende Radkörper weist einen Zahn mehr auf als der innenliegende Radkörper.
Außerdem sind die Radkörper exzentrisch zueinander gelagert. Alle Zahnköpfe berühren
sich und dichten die zwischen den Zähnen liegenden Druckkammern ab. Die Flüssigkeit
kann sowohl von innen als auch von außen oder von der Seite her zu- oder abgeführt
werden. Die bisher bekannten Maschinen dieser Art leiden mehr oder minder unter
dem Mangel der ungenügenden Abdichtung zwischen den Zahnköpfen des einen Rades und
den gegenüberliegenden Zahnflanken des anderen Rades. Es sind zwar Einrichtungen
bekanntgeworden, die diesem Mangel abhelfen sollen, doch können sie diese Aufgabe
nicht restlos erfüllen. So verwendet beispielsweise eine dieser Verbesserungen mittels
Federdruckes oder mittels hydraulischen Druckes angepreßte Schneiden, eine andere
sieht eine Abwälzwandung aus Gummi od. dgl. vor, während eine dritte die zusammenarbeitenden
Drehkolbenteile in Richtung der Exzentrizität beweglich lagert.
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Durch die Erfindung soll dieser Mangel wirksam behoben werden. Erfindungsgemäß
werden zu diesem Zweck die Zähne oder die Zahnköpfe mindestens eines der beiden
Radkörper in radialer Richtung beweglich gestaltet und durch Federkraft oder den
Druck des durch die Maschine laufenden Mediums oder durch die Wirkung beider gegen
die gegenüberliegende Berührungsfläche des Gegenrades gedrückt. Damit ist eine einwandfreie
Abdichtung gegeben.
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Im Gegensatz zu den bekannten Drehkolbenmaschinen, bei welchen zwei
hydraulische Körper exzentrisch ineinander gelagert sind und prismatische Schieber
im kleineren der beiden Zylinderkörper in radialer Richtung gleiten, uni. mit der
Wandung des größeren zylindrischen Körpers zusammen die Arbeitsräume zu bilden,
sind beim Erfindungsgegenstand solche Schieber nicht vorhanden. Während die Schieber
bei jeder Umdrehung einen großen Weg in radialer Richtung zurücklegen müssen, ist
der Weg der gleitend angeordneten Zahnköpfe beim Erfindungsgegenstand nur so gering,
daß er gerade ausreicht, um den zur Abdichtung notwendigen Flächendruck zwischen
Zahnkopf und der dazugehörigen Zahnflanke aufzubringen. Dies ist vorzugsweise dann
möglich, wenn für die beiden Zahnräder die an sich bekannte Verzahnung verwendet
wird, bei welcher die Zahnköpfe des einen Rades aus Kreisbogen bestehen und die
Zahnköpfe des zugehörigen Gegenrades aus äquidistanten Hypozykloiden oder Epizykloiden
bestehen.
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Bei dieser Art Verzahnung besteht Gefahr, daß die Zahnräder mit nach
der Erfindung beweglichen Zahnköpfen sich derart verklemmen können, daß sie nicht
mehr drehbar sind. Ein weiterer Teil der Erfindung besteht darin, diesen Mangel,
der durch die Form der Verzahnung gegeben ist, zu beseitigen.
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Es ist naheliegend, daß die Mittelpunkte der Kreisbogen der Zahnköpfe
des Innenrades auf dem Teilkreisdurchmesser liegen, der mit dem zugehörigen Teilkreis
des Außenrades tangiert. Hierbei steht in den Zahnlücken des Außenrades die Zykloide
im Mittelpunkt der Zahnlücke senkrecht zum Teilkreis. Das hat zur Folge, daß der
Flankenwinkel in der Nähe des Berührungspunktes der beiden Teilkreise ein spitzer
Winkel ist, und die Zahnreibung kann unter Umständen den beweglichen Zahnkopf in
radialer Richtung aus dem Innenrad herausziehen. Sowie dies passiert, lassen sich
die beiden Räder zusammen nicht mehr drehen, da der Sehnenabstand der Zahnköpfe
des Innenrades mit beweglichen Zahnköpfen sich geändert hat. Um diesen Mangel zu
beheben, sind die gleitenden Zahnköpfe auf der Innenseite mit einem Bund versehen,
welcher die Bewegung in radialer Richtung einschränkt. Damit bei dieser Lösung die
Zahnköpfe, welche im entgegengesetzten Bereich des Berührungspunktes der beiden
Teilkreise liegen, gut dichten können, ist der Lagerabstand der beiden Zahnräder
etwas kleiner gehalten als die halbe Höhe des Zahnes des Außenrades.
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Da der Bund auf der Innenseite der gleitenden Zahnköpfe teuer in der
Herstellung ist, sind noch andere Hilfsmittel angegeben, um diesen Mangel zu beseitigen.
Es ist bekannt, zur Erzeugung der Zahnflanke
des Außenrades bzw.
Innenrades verlängerte Zvl:lo,iden zu verwenden. Hierbei ist der Winkel zwischen
der Zahnflanke und der Radialen durch den Zahnkopf immer so groß"daß die Zahnköpfe
nie klemmen können, auch dann, wenn dieselben keinen Bund zur Begrenzung für ihre
radiale Bewegung haben. Bei dieser Lösung kann,das Innenrad das Außenrad nicht mehr
zuverlässig mitnehmen. Es ist darum notwendig, die beiden Zahnräder durch zwei besondere
Zahnkränze anzutreiben.
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Bei beiden Lösungen sind auf der Innenseite der gleitenden Zahnköpfe
zwei Kugelrückschlagventile vorgesehen, welche mit je zwei benachbarten Zahnkammern
in Verbindung stehen. Es ist demnach Druckausgleich zwischen der Innenseite des
gleitenden Zahnkopfes und der Zahnkammer, in welcher der höhere Dru-k wirkt, ohne
daß die Flüssigkeit von einer Zahnkammer zur anderen überströmen kann. Die Federn,
welche das Kugelrückschlagventil belasten, dienen gleichzeitig zur Erzeugung des
Anpressungsdruckes für den gleitenden Zahnkopf.
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Zuletzt ist mit einem weiteren Vorschlag die Innenseite des Zahnkopfes
abwechselnd mit einem Raum höheren Öldruckes und einem Raum niedrigen Öldruckes
in Verbindung gesetzt. In der Nähe der Berührungspunkte der beiden Teilkreise, in
welcher Gefahr des Verklemmens besteht, wird die Innenseite des gleitenden Zahnkopfes
entlastet, so daß der in den Zahnkammern wirkende Öldruck den Zahnkopf nach innen
drückt, um das Gleiten der beiden Zahnflanken bzw. Verklemmen derselben zu verhindern.
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Der Erfindungsgedanke läßt die verschiedensten konstruktiven Ausführungsmöglichkeiten
zu. Einige davon sind in der Zeichnung wiedergegeben, ohne daß die Erfindung hierauf
beschränkt sein soll.
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Fig. 1 stellt einen Längsschnitt durch eine stufenlos regelbare Pumpe
für Flüssigkeiten dar; Fig. 2 ist der Schnitt durch die beiden Zahnräder der Pumpe
nach Linie C-D der Fig. 1; Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch den gleitbaren Zahnkopf
des Innenrades nach Linie A-B der Fig. 4 im vergrößerten Maßstab; Fig. 4 zeigt einen
Längsschnitt durch den gleitbaren Zahnkopf des Innenrades mit den beiden Rückschlagventilen
nach Linien B-C der Fig. 2 und 3 im vergrößerten Maßstab; Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt
durch eine stufenlos regelbare Pumpe, bei welcher die Zahnflanken des Außenrades
als verlängerte Zykloiden ausgebildet sind; Fig.6 zeigt einen Querschnitt durch
die beiden Zahnräder nach Linie D-E der Fig. 5; Fig. 7 zeigt einen Längsschnitt
durch eine stufenlos regelbare Pumpe, bei welcher die gleitenden Zahnköpfe des Innenrades
auf der Innenseite vom Öldruck gesteuert wenden, nach Linie F-G der Fig. 8; Fig.
8 zeigt einen Querschnitt -durch die Zahnräder nach Linie E-F der Fig. 7.
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Die Antriebswelle 1 ist einteilig mit dem Radkörper 2 .des Innenrades
verbunden. Die Antriebswelle 1 ist hohl, und durch die Schlitze 3 wird die Flüssigkeit,
beispielsweise 01, welches durch die Öffnung 4 in das 'Gehäuse 5 eingeleitet
wird, zugeführt. In der hohlen Antriebswelle 1 ist der Steuerschieber 6 gelagert.
In bekannter Weise kann die Fördermenge der Pumpe durch Verdrehen des Steuerschiebers
6 mit Hilfe des Hebels 7 stufenlos verändert werden. Durch Schlitze 8 tritt das
Öl vom hohlen Steuerschieber durch die Kanäle 9 in die Zahnkammern 10. Bei der Drehung
der Räder nach Fig. 2 in der angegebenen Pfeilrichtung vergrößern sich die Zahnkammern.
10, saugen die Flüssigkeit durch die hohle Antriebswelle hindurch, die Zahnkammern
11 verkleinern sich und drücken die Flüssigkeit durch die Kanäle 12 in den rechten
Teil 13 des Steuerschiebers und durch Schlitze 14 zum Gehäuseaustritt 15. Es ist
bekannt, daß eine der beiden Zahnräder, z. B. das Außenrad, mit einer Zykloidenverzahnung
16 zu versehen, wobei die Zahnköpfe des zugehörigen Innenrades 17 in diesem 'Falle
zweckmäßigerweise Kreisbogen sind. Es kann auch umgekehrt das Innenrad mit Zykloidenflanken
und das Außenrad mit Kreisbogen versehen sein. Die Antriebswelle 1 ist mit Lagern
18 und 19 im Gehäuse 5 gelagert. Das zugehörige Außenrad 20 ist mit Deckeln 21 und
22 fest verschraubt, welche mit den Lagern 23 und 24 im Gehäuse 5 gelagert sind.
Die Lagerbohrungen des Gehäuses für das Außenrad und die Welle sind um das Maß e
exzentrisch zueinander. Die Zahnköpfe 17 des Innenrades 2 sind in radialer Richtung
beweglich gelagert. Ein Bund 25 begrenzt die radiale Bewegung des gleitenden Zahnkopfes.
Auf der inneren Seite des "Zahnkopfes 17 sind zwei Rückschlagventile 26 vorgesehen.
Das eine der beiden Rückschlagventile steht mit der Bohrung 27 mit der rechts liegenden
Zahnkammer in Verbindung, das andere Rückschlagventil mit der Bohrung 28 mit der
links zum Zahnkopf liegenden Zahnkammer. Demnach wirkt in dem Raum 29 immer der
höhere Druck der beiden links und rechts liegenden Zahnkammern. Federn
30 belasten die Ventilkugeln und drücken den gleitenden Zahnkopf zur Abdichtung
immer an die gegenüberliegende Zahnkammer, auch dann, wenn in den Zahnkammern und
im Rauen 29 Druckausgleich vorhanden ist.
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Nach Fig. 2 drücken die Zahnköpfe 17 auf der linken Seite der Figur
bei der angegebenen Drehrichtung in tangentialer Richtung zum Teilkreis gegen die
Zahnflanken des Außenrades. Bei dem Zahnkopf 31 ist der Zahnflankenwinkel a eingezeichnet.
Da dies ein spitzer Winkel ist, wird durch die Reibung des Zahnkopfes der gleitende
Zahnkopf in radialer Richtung nach außen gezogen. Um das zu vermeiden, ist auf der
Innenseite der Anschlag 25 vorgesehen. In der oberen Hälfte der Figur und besonders
auf der ganzen rechten Hälfte trifft diese Gefahr nicht zu, da sich die Zahnköpfe
des Innenrades, insbesondere auf der rechten Seite, von der Zahnflanke des Außenrades
hinwegbewegen. Damit die gleitenden Zahnköpfe im oberen Teil der Fig. 2 zuverlässig
dichten, ist das Maß e für die Lagerung der beiden Zahnräder etwas kleiner (etwa
0,1 mm) als die halbe Höhe h des Zahnes des Außenrades.
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In Fig.5 und 6 ist ein anderes Hilfsmittel, um das Klemmen der Zahnköpfe
zu vermeiden, dargestellt. Nach Fig. 5 ist das Außenrad auf der einen Seite mit
einem Deckel 32 verschraubt, welcher am inneren Durchmesser eine Verzahnung 33 trägt.
Diese Verzahnung steht im Eingriff mit einem Zahnrad 34, welches fest verkeilt ist
mit der Antriebswelle 1. Die Teilkreise 35 und 36 der beiden Zahnräder entsprechen
in ihren Durchmessern dem Außendurchmesser d der Welle bzw. dem Innendurchmesser
D des Deckels 32. Die Zykloide des Außenrades ist so weit verlängert, daß
zwischen dem Radkörper 2 des Innenrades und dem Deckel 21 bzw. 32 noch eine genügende
Dichtung vorhanden ist. Man erkennt nach Fig. 6, daß der Zahnflankenwinkel ,B nahezu
90° geworden ist und so groß, daß ein Verklemmen der Zahnköpfe 37 nicht mehr möglich
ist. Die Zahnköpfe 37 sind, wie in Fig. 3
und 4 dargestellt, mit
Rückschlagventil mit den benachbarten Zahnkammern verbunden und werden durch Federn
an die Zahnflanken des Außenrades gedrückt. Es ist gegenüber Fig. 3 lediglich der
Bund 25 auf der Innenseite weggelassen.
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Zuletzt ist in Fig. 7 und 8 ein weiteres Hilfsmittel dargestellt,
um das Verklemmen der Zahnköpfe zu vermeiden. Nach Fig. 8 sind bei den gleitenden
Zahnköpfen 38 die Bunde 25 der Fig. 3 weggelassen. Ebenso sind die Rückschlagventile
weggelassen. Es sind aber die Federn 39 vorgesehen. Der Raum 40 auf der Innenseite
der Zahnköpfe steht durch Bohrung 41 mit dem Innern des Rades in Verbindung. Der
Steuerschieber 42 hat nicht nur die üblichen Schlitze 43 für die Ölzuführung bzw.
einen in der Fig.7 gegenüberliegenden Schlitz, der nicht dargestellt ist, für die
Ableitung, sondern zusätzlich zwei Ringkanäle 44 und. 45. Der Ringkanal 44 steht
mittels der Bohrung 46 in Verbindung mit der Schieberdruckseite 47. Hiermit ist
auf der Pumpendruckseite ein Druckausgleich zwischen der Innenseite der gleitenden
Zahnköpfe und den Zahnkammern erreicht. Es ist bekannt, Flüssigkeitspumpen, z. B.
Ölpumpen, die Flüssigkeit mit einem Vordruck zuzuführen, damit Kavitation vermieden
wird. Der Ringraum 45 steht mit einer Langnut 53, einem Ringraum 48 und Bohrung
49 mit dem Innern des Pumpengehäuses in Verbindung, welche durch eine nicht gezeichnete
Bohrung entweder mit der Atmosphäre in Verbindung steht oder mit einer besonderen
Absaugpumpe. Wenn demnach die Bohrung 50 mit dem Ringraum 45 in Verbindung kommt,
findet eine Entspannung im Rauar 51 statt. Der Pumpenvordruck in den Zahnkammern
52 ist größer als der Druck im Raum 51, so daß der Pumpenvordruck den gleitenden
Zahnkopf nach innen drückt und damit ein Klemmen, desselben verhindert.
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Die Erfindung betrifft sinngemäß auch einen Motor, bei welchem die
Flüssigkeit mit hohem Druck zugeführt wird, und Pumpen- bzw. Ölmotoren., welche
statt einer Flüssigkeit ein Gas komprimieren oder mit einem komprimierten Gas angetrieben
werden. Auch bei Brennkraftmaschinen, welche nach dem Drehkolbenprinzip arbeiten,
kann die Erfindung sinngemäß angewendet sein.