DE102006059600A1

DE102006059600A1 - Antriebseinheit, geeignet für Hochleistungs- Verdichter, - Pumpen, -Bremsen, Kraftantriebe, sowie die dazugehörigen Maschinen

Info

Publication number: DE102006059600A1
Application number: DE200610059600
Authority: DE
Inventors: Alexander Von Gencsy
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-12-18
Filing date: 2006-12-18
Publication date: 2008-06-19

Abstract

Die vorliegende Erfindung beinhaltet eine Antriebeinheit, die sich insbesondere für Hochleistungs-Kompressoren, -Pumpen, -Bremsen und Kraftantriebe eignet, sowie eben diese kompletten Maschinen. Die verschiedenen o. a. Maschinen können unter der Verwendung ein und derselben Antriebseinheit modulartig, beginnend bei Einzylinder-, bis hin zu Vielzylinder-Maschinen, aufgebaut werden. Hochleistungsmaschinen sind es deshalb, weil im Falle der Verwendung von Arbeitskolben doppeltwirkende Arbeitszylinder verwendet werden können. Erfinderisch an diesem Antrieb und an diesen Maschinen ist, dass die Bauhöhe der verschiedenen Maschinen trotz der Verwendung von doppeltwirkenden Zylindern nur marginal größer ist als die Bauhöhe vergleichbarer Maschinen mit einfachwirkenden Zylindern und dass die Antriebseinheit sowie die dazugehörigen Maschinen in ihrem Aufbau so einfach gehalten sind, dass sie ggf. extrem verkleinert werden können.

Description

Die vorliegende Erfindung beinhaltet eine Antriebseinheit die sich insbesondere für Hochleistungs-Kompressoren, -Pumpen, -Bremsen, und Kraftantriebe eignet, sowie eben diese kompletten Maschinen, wobei es die Bauart des die Kolbenpleuel bewegenden Antriebskörpers ermöglicht die Leistung aufgrund der Verwendung von doppeltwirkenden Arbeitszylindern wesentlich zu erhöhen, ohne den sonst üblichen Nachteil eines größeren mechanischen Aufwandes, sowie einer eklatant größeren Bauhöhe der gesamten Maschine aufgrund der sonst dafür üblicherweise zweigeteilten Pleuel mit einer entsprechenden zusätzlichen Gleitlagerung, in Kauf nehmen zu müssen.
Die Bauart der Antriebseinheit ermöglicht aber auch bei allen erwähnten Maschinen den problemlosen Einsatz von einfach wirkenden Zylindern.
Bei der bekannten Bauart z.b. einers Kolben-Kompressors in Form eines Einzylinder-Tauchkolben-Kompressors ist es aufgrund der seitlichen Oszillation des Pleuels nicht möglich den Raum unterhalb des Kolbenbodens abzudichten, und somit auch diesen Raum für eine Arbeitsleistung heranzuziehen. Dies gilt ebenso für mehrzylindrige Ausführungen dieser Bauart mit wie auch immer angeordneten Arbeitszylindern. Da sich hierbei nur der Raum oberhalb des Kolbenbodens durch einen zweckmäßig ausgeführten Zylinderabschluß (Zylinderkopf) sinnvoll abdichten läßt, und somit auch nur dieser Raum als Arbeitsraum zur Verfügung steht ist diese Anordnung zumindest in Bezug auf Pumpen/Kompressoren auch als einfachwirkender Zylinder bekannt.
Um die Leistung einer solchen Maschine durch Heranziehen auch des Raumes unterhalb des Kolbenbodens als Arbeitsraum wesentlich zu erhöhen, sind andere Bauformen bekannt.
Hierbei wird durch geeignete mechanische Maßnahmen das den Kolben treibende Pleuel meistens in zwei Teile unterteilt, wobei noch ein zusätzliches Gleitlager zum Einsatz kommt.
Durch diese Anordnung wird der direkt mit dem Kolben verbundene Teil des Pleuels von einer seitlichen Oszillation befreit.
Dieser Teil des Pleuels führt daher nur noch eine hin- und hergehende Oszillation ohne seitliche Oszillation durch.
Der mit der Kurbelwelle verbundene Teil des Pleuels führt, wie auch das Pleuel bei der Tauchkolben-Bauart, weiterhin sowohl eine seitliche, als auch eine hin- und hergehende Oszillation durch. Die dabei auftretenden seitlichen Kräfte werden aber nicht an dem direkt mit dem Kolben verbundenen Teil des Pleuels weitergegeben, sondern durch das zusätzliche Gleitlager aufgefangen.
Diese Ausführung eines zweigeteilten Pleuels mit zusätzlichem Gleitlager ist auch als Kreuzkopf-Pleuel bekannt.
Dadurch das der direkt mit dem Kolben verbundene Teil des Pleuels nur noch eine hin- und hergehende Oszillation durchführt, ist es nun möglich mit geeigneten Mitteln den Raum unterhalb des Kolbenbodens gegenüber dem übrigen Maschinenraum ebenfalls mit einem zweckmäßig ausgeführtem Zylinderabschluß abzudichten, um damit auch den Raum unterhalb des Kolbenbodens als Arbeitsraum heranzuziehen, und dadurch die Leistung einer entsprechenden Verdichter-/Fördermaschine nahezu zu verdoppeln..
Zumindest in Bezug auf Pumpen/Kompressoren ist eine solche Anordnung auch als doppeltwirkender Zylinder bekannt.
Eine solche nahezu Verdoppelung der Leistung wird in der bekannten Form aber immer mit einem mechanischem Mehraufwand, und einer eklatant gestiegenden Bauhöhe der entspechenden Maschine erkauft. Diese eklatant gestiegene Bauhöhe kommt in erster Linie durch das zwischengeschaltete Gleitlager für das zweigeteilte Pleuel, welches in seiner Auslegung und damit auch in seiner Länge an die Hubverhältnisse der Kurbelwelle angepasst sein muß, zustande.
Die Bauhöhe erhöht sich dadurch also mindestens um die gesamte Hublänge, wobei verschiedene Sicherheitsabstände der bewegten Teile untereinander noch hinzu gerechnet werden müssen.
Der Stand der Technik wird innerhalb der 1 dargestellt, wobei in der 1a eine Tauchkolben-maschine mit einem einfach wirkendem Zylinder, und in der 1b eine Maschine mit einem Kreuzkopf geführtem Pleuel und doppelt wirkendem Zylinder dargestellt wird.
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1a zeigt einen Einzylinder Kolbenkompressor mit einfachwirkendem Zylinder 36.
Der Arbeitskolben 3 ist mit seinem Kolbenboden 18 dargestellt. Der Zylinder 36 ist nach oben mit dem Zylinderabschluß 33 abgedichtet, der das Einlassventil 1, sowie das Auslassventil 2 beinhaltet. Ferner ist die Kurbelwelle 5, sowie deren Hubzapfen 4 dargestellt. Durch das sowohl auf und ab, als auch seitlich hin und her oszillierende Pleuel 6, bleibt nur der Raum 38 oberhalb des Arbeitskolbens 3 als Arbeitsraum, da ein sinnvolles Abdichten des Zylinderraumes 37 unterhalb des Kolbenbodens 18 um diesen für eine weitere Arbeitsleistung heranzuziehen, nicht möglich ist.
1b zeigt eine Einzylinder Kolben-Flüssigkeitspumpe mit einem von einem Kreutzkopf 14 geführtem, zweigeteiltem Pleuel 8/7 und doppeltwirkendem Zylinder 28. Der Arbeitskolben 3 ist mit einer starren Verbindung 17 mit dem oberen, nur auf und ab oszillierenden Teil des Pleuels 7, kraftschlüssig verbunden.
Der Zylinder 28 ist nach oben hin mit dem Zylinderabschluss 33 abgedichtet, der das Einlassventil 9, sowie das Auslaßventil 10 beinhaltet.
Der untere Teil des Zylinders ist mit dem Zylinderabschluß 34 abgedichtet, der das Einlassventil 11, das Auslassventil 12, sowie zusätzlich die Pleuelabdichtung 13 beinhaltet.
Der Kreuzkopf 14 verbindet das obere Teil des Pleuels 7 mit dem unteren Teil des Pleuels 8. Der Geitschuh 15 des Kreutzkopfes 14, der sich in dem Gleitlager 16 auf und ab bewegt, angetrieben durch den unteren Teil des Pleuels 8, ermöglicht eine gerade Führung des oberen Teil des Pleuels 7, ohne das auf den oberen Teil des Pleuels 7 seitliche Kräfte übertragen werden können.
Dadurch ist eine gerade Führung des oberen Teils des Pleuels 7 gewährleistet, und somit auch eine Abdichtung des Zylinderraumes 37 unterhalb des Arbeitskolbens 3, die den Einsatz von diesem Raum unter Verwendung eines geeigneten Zylinderabschlusses als weiteren Arbeitszylinder ermöglicht.
Um dem Nachteil des größeren mechanischen Aufwandes, sowie den Nachteil der größeren Bauhöhe einer Maschine mit doppelt wirkenden Zylindern nach dem Stand der Technik entgegenzutreten, überwindet die hier erfinderseitig vorliegende Erfindung den Stand der Technik mittels einer speziellen Antriebseiheit die es ermöglicht in der gleichen Ausführung, beginnend bei einzylindrigen, bis hin zu vielzylindrigen Maschinen sowohl einfachwirkende, als auch doppeltwirkende Arbeitszylinder für verschiedene Einsatzgebiete zum Einsatz kommen zu lassen, wobei sich die Bauhöhe der jeweiligen Maschine nur marginal gegenüber der kleinsten Bauhöhe einer entsprechenden Maschine mit einfach wirkendem Arbeitszylinder gemäß dem Stand der Technik, erhöht.
Die für die Bewegung der Arbeitskolben benötigten Zug- und Druckkräfte werden durch die Rotation von einem konzentrischen Antriebskörper, der innerhalb des Maschinengehäuses exzentrisch gelagert, und mit einer kraftübertragenden Antriebswelle kraftschlüssig verbunden ist, aufgebracht.
Diese Zug- und Druckkräfte werden über eine im Antriebskörper umlaufende Lauffläche an die Pleuel und von da aus an die Arbeitskolben weitergegeben.
Die Lauffläche kann desshalb sowohl Zug- als auch Druckkräfte weiterleiten, da sie in Form einer Rille ausgeführt ist, und somit eine innere, als auch eine äußere Lauffläche aufweist, die diese Kräfte übertragen kann.
Die Pleuel haben keine starre Verbindung mit dem Antriebskörper sondern vorzugsweise Rollen, die innerhalb der Laufrille frei abrollen können. Weiterhin bewirkt eine passgenaue Längsführung der Pleuel, das keine durch den – egal in welche Richtung – rotierenden Antriebskörper endstehenden Seitenkräfte auf diese übertragen werden, und die Pleuel somit während ihres Arbeitsspiels gerade geführt bleiben, welches ein zweckmäßiges Abdichten der Pleuel gegenüber dem inneren Maschinenraum ermöglicht.
Damit wären die notwendigen mechanischen Voraussetzungen für einen zweckgerichteten z.b. Gas- oder Flüssigkeitsdichten Zylinderabschluß, der die für die Funktion der jeweiligen Maschine notwendigen Steuerungsorgane beinhaltet, auch des unterhalb des Kolbenbodens liegenden Raumes, und somit die Möglichkeit des Einsatzes eines doppeltwirkenden Arbeitszylinders bei niedrigster Bauhöhe der gesamten Maschine, gegeben.
Die vorliegende Erfindung wird in den 2-6 dargestellt.
2 zeigt das Maschinengehäuse 20 sowie die Antriebswelle 27 und den exzentrisch gelagerten Antriebskörper 23 mit der eingearbeiteten Laufrille 24, einen, der hier acht, doppeltwirkenden Arbeitszylinder 28 mit dem Arbeitskolben 3, ferner die zur Vermeidung von seitlichen Kräften auf das Pleuel benötigte allumfassend Pleuelführung 30, sowie die Pleuelrolle 31 eines Rollenpleuels 32.
Die zur Funktion der Maschine benötigten Zylinderabschlüsse mit den benötigten Steuerorgane an den oberen und unteren Enden der Zylinder, sowie die Zu- und Ableitungen sind hier nicht dargestellt. Zu einer besseren jeweiligen Funktion können die Arbeitskolben mit wenigstens einem Kolbenring ausgestattet sein.
3 zeigt den fertig montierten Arbeitskolben mit Rollenpleuel 22, die starre Anbindung des Pleuels an den Arbeitskolben 17, die Pleuelrollenachse 19 und eine Pleuelrolle 31, sowie den in zwei Teile zerlegten Antriebskörper 23 mit der eingearbeiteten Laufrille 24 und einer Montagebohrung 21.
Um sowohl eine Fertigung des Antriebskörpers 23 als auch eine Montage der bewegten Teile zu gewährleisten, besteht der Antriebskörper 23 aus zwei spiegelbildlich aufgebauten Hälften, die mit geeigneten Mitteln über vorzugsweise wenigstens zwei Montagebohrungen kraft- und formschlüssig miteinander verbunden werden.
4 zeigt den zusammengebauten Antriebskörper 23 im Querschnitt, sowie zwei eingelegte Arbeitskolben 3 mit Rollenpleueln 32. Der obere Arbeitskolben 3 ist über ein Pleuelauge 35, sowie über einen Kolbenbolzen mit dem Rollenpleuel 32 verbunden, während der untere Arbeitskolben 3 mit einer Starren Verbindung 17 kraftschlüssig mit dem Rollenpleuel 32 verbunden ist. Ziffer 25 zeigt die druckbelastete Lauffläche des Antriebkörpers 23, während Ziffer 26 die zugbelastete Lauffläche des Antriebskörpers 23 zeigt.
5 zeigt einen doppelt wirkenden Arbeitszylinder 28 mit dem oberen Zylinderabschluß 33, ein in diesen funktionell untergebrachtes Einlassventil 9, sowie ein Auslassventil 10.
Ziffer 34 zeigt den unteren Zylinderabschluß mit dem Einlaßventil 11, dem Auslassventil 12, sowie der Pleuelabdichtung 13. Ferner ist der Arbeitskolben 3, mit einer starren Verbindung 17 zu dem Rollenpleuel 32, sowie die Pleuelrolle 31, dargestellt. Das Pleuel wird durch die Führung 30 in Längsrichtung geführt. Die Pleuelführung 30 nimmt dabei sämtliche seitlichen Kräfte die durch die Rotation des Antriebskörpers 23 auf das Pleuel 32 einwirken können auf, so das das Pleuel gerade geführt wird, dadurch von der Pleueldichtung 13 sicher abgedichtet werden kann, und damit die Möglichkeit eröffnet den Raum 37 unterhalb des Arbeitskolbens 3 ebenfalls als Arbeitsraum heranzuziehen.
Das Einlassventil 11, sowie das Auslassventil 12 des unteren Zylinderabschlusses 34 können auch in einem Winkel von vorzugsweise 90 Grad zu der Achse des doppelt wirkenden Arbeitszylinders 28 angeordnet sein, um die für die Funktion der Maschine benötigten Zu- und Ableitungen außerhalb des inneren Maschinenraums (2 Ziffer 39) anbringen zu können. Damit kann der innere Maschinenraum frei von dem zu fördernden Medium gehalten werden.
Die Zu- und Ableitungen des oberen Zylinderabschlusses 33, sowie des unteren Zylinderabschlusses 34 sind hier nicht dargestellt.
Zu einer besseren jeweiligen Funktion können die Arbeitskolben mit wenigstens einem Kolbenring ausgestattet sein.
6 zeigt eine Antriebsmaschine mit dem Maschinengehäuse 20 sowie der Antriebswelle 27 und dem exzentrisch gelagerten Antriebskörper 23 mit einer eingearbeiteten Laufrille 24, die Rollenstößel 29, ferner die zur Vermeidung von seitlichen Kräften auf die Rollenstößel benötigte allumfassende Pleuelführungen 30, sowie die Pleuelrolle 31 eines Rollenstößels 29. Die Markierung 41 zeigt den unteren Totpunkt des Rollenstößels 29, währen die Markierung 40 den oberen Totpunkt des Rollenstößels 29 anzeigt, zwischen denen sich die hier acht Rollenstößel 29 während einer 360 Grad Drehung des Antriebskörpers hin und her bewegen. Diese Markierungen gelten sinngemäß für alle dargestellten Rollenstößel 29.
Der Pfeil 42 weist auf den verfügbaren Nutzhub der jedem einzelnen Rollenstößel 29 für das Verrichten von Arbeit zur Verfügung steht.
Die freien Enden der Rollenstößel 29 können je nach Auslegung und Anlenkung ihrer freien Enden entweder eine Zug-, eine Druck-, oder eine Zug- und Druckarbeit, wie z.B. das Bewegen von Hebeln, oder das Drehen von Rädern, ausführen.

1: Einaßventil
2: Auslaßventil
3: Arbeitskolben
4: Hubzapfen
5: Kurbelwelle
6: seitlich, sowie hin- und her oszillierendes Pleuel
7: nur hin- und her oszillierender Teil des Pleuels
8: seitlich, sowie hin- und her oszillierender Teil des Pleuels
9: Einlaßventil oberer Zylinder
10: Auslaßventil oberer Zylinder
11: Einlaßventil unterer Zylinder
12: Auslaßventil unterer Zylinder
13: Abdichtung des Pleuels
14: Kreuzkopf Pleuelverbindung
15: Gleitschuh
16: Gleitlager
17: Starre Verbindung Pleuel/Kolben
18: Kolbenboden
19: Pleuelrollenachse
20: Maschinengehäuse
21: Bohrung zur Montage des zweigeteilten Antriebskörpers
22: fertig montierter Arbeitskolben mit Rollenpleuel
23: Antriebskörper mit Laufrille
24: Laufrille
25: druckbelastete Lauffläche
26: zugbelastete Lauffläche
27: Antriebswelle
28: doppelt wirkender Arbeitszylinder
29: nur hin- und her oszillierendes Pleuel
30: Pleuelführung
31: Pleuelrolle
32: Rollenpleuel
33: oberer Zylinderabschluß
34: unterer Zylinderabschluß
35: Kolben/Pleuel Verbindung mittels Pleuelauge und Kolbenbolzen
36: einfach wirkender Zylinder
37: Raum unterhalb des Arbeitskolbens
38: Raum oberhalb des Arbeitskolbens
39: innerer Maschinenraum
40: oberer Totpunkt
41: unterer Totpunkt
42: Hublänge

Claims

Eine Antriebseiheit dadurch gekennzeichnet, das sich innerhalb eines Gehäuses ein vorzugsweise zweiteiliger Antriebskörper, der vorzugsweise über eine Antriebswelle exzentrisch gelagert ist, rotierender weise frei bewegen kann, dadurch gekennzeichnet, das dieser Antriebskörper eine umlaufende Laufrille aufweist, dadurch gekennzeichnet, das in dieser Laufrille vorzugsweise kreisrunde, innerhalb der Laufrille frei ablaufen könnende Laufrollen aufgenommen werden, die mit geeigneten Mitteln mit wenigsten einem Pleuel oder wenigstens einem Stößel kraftschlüssig verbunden, und diese durch eine fest an das Gehäuse gebundene, alle, durch die Rotation des Antriebskörpers entstehenden Seitenkräfte aufnehmende Führung, gerade geführt bleiben, und somit die durch die exzentrische Rotation des Antriebskörpers, und damit der Laufrille, entstehende Rotationsbewegung in einen radial zur Antiebswelle verlaufenden kraftschlüssigen Hin- und Rückhub umsetzen und diesen im Falle der Rollenstößel, entweder direkt in Arbeit umsetzen, oder im Falle der Rollenpleuel an geeignete mechanische Kraftübertragungsglieder, vorzugsweise an ggf. mit mindestens einem Kolbenring versehene, sich in einem einfach- oder vorzugsweise in einem doppeltwirkendem Zylinder bewegenden Arbeitskolben, die entweder starr, oder über ein Pleuelauge und einen Kolbenbolzen mit dem Pleuel kraftschlüssig verbunden sind, zur Arbeitsverrichtung weitergeben können.
Eine Fördermaschine mit einer Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet das sie mit wenistens einem Arbeitskolben und wenigstens einem einfachwirkendem, vorzugsweise aber wenigstens einem doppeltwirkenden Zylinder versehen ist, dadurch gekennzeichnet, das die oberen und die unteren Zylinderabschlüße, sowie die für die Funktion notwendigen Zu- und Ablaufleitungen derart gestaltet sind, das diese Maschine insbesondere für das Verdichten von Luft bzw. von Gasen geeignet ist.
Eine Fördermaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet das die oberen und die unteren Zylinderabschlüße, sowie die für die Funktion notwendigen Zu- und Ablaufleitungen derart gestaltet sind, das diese Maschine insbesondere für das Fördern von Flüssigkeiten geeignet ist.
Eine Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, das sie in einer aus Luft oder Gas bestehenden Umgebung arbeitet, dadurch gekennzeichnet, das die oberen und die unteren Zylinderabschlüße lediglich eine Öffnung in der Funktion einer Düse beinhalten, die mit ihrem Durchmesser derart (klein) bemessen sind, das sie den Ansaugen oder Verdrängen wollenden Arbeitskolben in seiner Bewegung stetig behindern, so das diese Maschine als pneumatische Bremse geeignet ist.
Eine Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, das sie in einer aus Flüssigkeit bestehenden Umgebung arbeitet, und somit als hydraulische Bremse geeignet ist.
Eine Antriebsmaschine mit einer Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet das sie mit mindestens einem, vorzugsweise aber mit mehreren Stößeln versehen ist, die vorzugsweise mit ihren freien Enden direkt, entweder Zug-, oder Druck-, oder Zug- und Druckarbeiten wie z. B. Hebel bewegen, Räder drehen o.a., verrichten können.
Die Maschinen nach den Ansprüchen 2 + 3 + 4 + 5 + 6 dadurch gekennzeichnet, das sie aus sehr kleinen, aktuellen oder zukünftigen Elementen/Modulen/Bauteilen der Mikro und/oder der Nano Technologie zusammengesetzt sind, und somit als Arbeitsmaschinen für diese Technologien geeignet sind.