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Kreiskolbenmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine Kreiskolbenmaschine
mit einem in einem zylindrischen Gehäuse mit ebenen Stirnwänden mit Hilfe einer
Kurbelwelle beweglichen, mit dem Gehäuse zwei sichelförmige Arbeitsräume periodisch
veränderlichen Volumens bildenden Läufer in Form eines Bogenzweieckes, dessen Mittelpunkt
auf einer Kreisbahn umläuft, während sich der Läufer selbst in der Richtung, in
der er umläuft, um seinen Mittelpunkt dreht, wobei sich die Drehzahlen von Läufermittelpunkt
und Läufer zwangläufig durch eine Getriebeübersetzung wie 2:1 verhalten und wobei
der Mittelpunkt der Kreisbahn außerhalb der Symmetrieachse des Gehäuses liegt.
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Die bekannten Bauarten der vorgenannten Kreiskolbenmaschinen lassen
die Anbringung von Steuerschlitzen in den Gehäusestirnwänden, die von der Stirnseite
des Läufers auf seiner gesamten Bahn abgedeckt werden, nicht zu. Die bekannten Maschinen
benötigen daher mindestens ein selbsttätiges Ventil in dem Austrittskanal für das
Arbeitsmittel, wenn sie als Pumpe oder Verdichter arbeiten.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Vermeidung der vorgenannten
Nachteile. Diese Aufgabe wird an einer Kreiskolbenmaschine der eingangs erwähnten
Art dadurch gelöst, daß der Durchmesser der Kreisbahn weniger als ein Siebentel
des Gehäusedurchmessers beträgt und eine Stirnseite des Läufers auf seiner gesamten
Bahn einen oder mehrere ringförmige, in den Gehäusestirnwänden angeordnete Steuerschlitze
überdeckt, deren radiale Breite eine unbehinderte Zufuhr von Arbeitsmittel zu den
Arbeitsräumen zuläßt. Dadurch ergeben sich folgende Vorteile: Es ist nunmehr ohne
Ventile möglich, den Zu- und Abfluß von Arbeitsmittel zu den Arbeitsräumen so zu
steuern, daß die normalen Arbeitsdiagramme von Kolbenmaschinen, und zwar von Kraft-
und Arbeitsmaschinen verschiedener Art verwirklicht werden können. Die Gestaltung
des Gehäuseinnenumfanges als Zylindermantel entspricht zwar nicht der Bahn, welche
die Ecken des Läufers beschreibt. Die Abweichungen sind aber bei dem angegebenen
Durchmesserverhältnis so gering, daß die in den Ecken des Läufers angeordneten,
radial beweglichen Dichtleisten nur unbedeutende Relativbewegungen gegenüber den
Nuten des Läufers, in denen sie liegen, ausführen müssen. Diese Relativbewegungen
sind praktisch ohne Bedeutung für die Abnutzung der Dichtleisten.
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Das angegebene Verhältnis zwischen dem Gehäusedurchmesser und dem
Durchmesser der Kreisbahn läßt eine Verwendung der üblichen aus einem an dem Läufer
befestigten Innenzahnkranz und einem am Gehäuse befestigten Zahnrad mit der halben
Zähnezahl des Zahnkranzes bestehenden Getriebe nicht zu. Gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung wird das Problem der Schaffung eines geeigneten Getriebes für den
Antrieb des Läufers dadurch gelöst, daß dieses Getriebe aus einem konzentrisch zum
Läufermittelpunkt bzw. zum Hubzapfen der Kurbelwelle angeordneten, mit dem Läufer
verbundenen Außenzahnkranz besteht, in den ein erstes Zahnrad eingreift, das die
halbe Zähnezahl des Läuferzahnkranzes aufweist und auf einer Hilfswelle befestigt
ist, die in einem auf dem Grundlagerzapfen der Kurbelwelle befestigten Tragarm gelagert
ist, wobei auf der Hilfswelle ein zweites Zahnrad befestigt ist, das in einem konzentrisch
zum Grundlagerzapfen angeordneten, am Gehäuse befestigten zweiten Außenzahnkranz
eingreift, der dieselbe Zähnezahl wie das zweite Zahnrad aufweist.
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Eine sehr einfache Gestaltung des notwendigen Massenausgleichs ergibt
sich dadurch, daß an dem Tragarm diametral gegenüber der Hilfswelle ein Ausgleichsgewicht
angebracht ist, dessen Masse so bemessen ist, daß sie zum völligen Ausgleich der
rotierenden Massen des Läufers, des Tragarmes und der umlaufenden Getriebeteile
dient.
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Zweckmäßig liegt die Wirkungsebene des Ausgleichsgewichtes zwischen
den Wirkungsebenen der Massen von Läufer bzw. Tragarm und umlaufenden Getriebeteilen
in einem derartigen Abstand von diesen Wirkungsebenen, daß sich die Kippmomente
aus den rotierenden Massen aufheben.
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Wenn die Kreiskolbenmaschine als Verdichter arbeiten soll, führt von
beiden Arbeitsräumen ein Verbindungskanal zu je einer Steueröffnung in einer Läuferstirnseite,
die wechselweise mit einem bogenförmigen Saug- und Druckschlitz in der Gehäuse-
Stirnwand
derart in Verbindung steht, -daß jeder Arbeitsraum in einer Aufeinanderfolge und
Zeitdauer, die etwa einem Kolbenverdichterdiagramm beim Arbeiten gegen Nenndruck
entspricht, während des Umlaufes des Läufers gesteuert wird.
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Vorteilhaft sind die Steueröffnungen mit Hilfe von Kolbenringen abgedichtet,
die mit ihrem äußeren Umfang an zur Läuferstirnseite offenen zylindrischen Eindrehungen
anliegen und durch -den in den Arbeitsräumen entstehenden, auf die dem Läuferinneren
zugewandten Stirnseite der Kolbenringe wirkenden Druck mit ihrer anderen Stirnseite
gegen die Gehäusestirnwand gepreßt werden.
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Kleine Abweichungen zwischen der Bahn der Läuferecken und dem Gehäuseumfang
sowie die Veränderung des stirnseitigen Spieles zwischen Gehäuse und Läufer unter
Wärmeeinwirkungen im Betrieb können dadurch ausgeglichen werden, daß die Arbeitsräume
in an sich bekannter Weise durch radial bewegliche Dichtleisten in den Läuferecken
sowie durch Dichtleisten am Läuferumfang, deren Stoßstellen durch Dichtbolzen abgedeckt
sind, abgedichtet sind.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand im Schnitt dargestellt.
Außerdem ist die Wirkungsweise schematisch veranschaulicht. In der Zeichnung bedeutet
Fig. 1 einen Längsschnitt längs der Linie C-D in Fig. 2, Fig. 2 einen Querschnitt
längs der Linie A-B in Fig.1. Fig. 3 bis 6 schematische Darstellungen des Arbeitsspieles.
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Das Gehäuse der Drehkolbenmaschine besteht im wesentlichen aus dem
Mantel 1, dessen Innenumfang zylindrisch ist, und den Stirnflächen 2 und 3. In dem
Deckel 2 befinden sich der Saugschlitz 4 und der Druckschlitz 5. Die Teile 1, 2
und 3 werden durch Schrauben 6 zusammengehalten. In dem Gehäuse befindet sich der
Läufer 7, der die Form eines Bogenzweieckes mit den Ecken 8 und 9 aufweist. In den
Ecken 8 und 9 sind die radial beweglichen Dichtleisten 10 angeordnet, die in Nuten
der axial beweglichen Dichtbolzen 11 eintauchen und durch die Fliehkraft an dem
Gehäusemantel 1 zur Anlage kommen, wo sie außerdem noch durch den Druck des abzudichtenden
Mittels angepreßt werden. Sie sind an den Anlagestellen an dem Gehäusemantel 1 so
geformt, daß sie auch dann am Gehäusemantel abdichten, wenn sie schräg zu einer
auf dem Innenumfang des Mantels 1 errichteten Normalen stehen. Ebenfalls in Nuten
der Dichtbolzen 11 tauchen die seitlichen Dichtleisten 12 ein, die ebenso wie die
Dichtbolzen 11 durch den Druck des abzudichtenden Mittels, gegebenenfalls durch
nicht dargestellte Federn unterstützt, mit ihren Stirnseiten an die Stirnwände der
Deckel 2 und 3 gepreßt werden. In der Stirnseite 13 des Läufers 7 liegen die Steueröffnungen
14 und 15, die mit den Steuerschlitzen 4 und 5 zusammenarbeiten und von denen Kanäle
16 und 17 zu den Arbeitsräumen 18 und 19 führen. Die Arbeitsräume 18 und 19 werden
durch die Dichtleisten 10 und 12 begrenzt, wobei die Dichtbolzen 11 die Stoßstellen
zwischen den Leisten 10 und 12 abdecken. Die Steueröffnungen 14 und 15 werden mit
Hilfe von Kolbenringen 20 abgedichtet, die ebenso wie die Bolzen 11 und Leisten
12 an den Stirndeckel 2 gepreßt werden. Der Läufer 7 ist drehbar auf dem Hubzapfen
21 der Kurbelwelle 22 gelagert, die ihrerseits von den Lagern 23 und 24 getragen
wird. An dem Läufer 7 ist konzentrisch zu dessen Mittel- bzw. Drehpunkt 25 der außenverzahnte
Zahnkranz 26 befestigt. In den Zahnkranz 26 greift das Zahnrad 27 ein, das halbsoviel
Zähne wie der Zahnkranz 26 hat und auf der Hilfswelle 28 befestigt ist. Die Welle
28 ist in einem Tragarm 29 gelagert, der seinerseits auf dem Grundlagerzapfen 30
der Kurbelwelle 22 befestigt ist. Das Zahnrad 31 steht mit dem Zahnkranz 32 im Eingriff,
der an dem Getriebegehäuse 33 befestigt ist und ebensoviel Zähne wie das Zahnrad
31 hat. Die Kühlung des Gehäusemantels 1 wird durch den Lüfterflügel34 bewirkt,
der Kühlluft über die Kühlrippen 38 bläst und der von einem Gehäuse 35 umgeben ist,
das Eintrittsöffnungen 36 und Austrittsöffnungen 37 für die Kühlluft aufweist. Der
Läufer 7 wird durch die eintretende Luft, welche die Kanäle 16 und 17 passiert,
und das Schmieröl gekühlt, das in dem Getriebegehäuse durch die umlaufenden Getriebeteile
umhergesahleudert wird und in den Hohlraum des Läufers 7 gelangt. Die Schmierung
der Lager 23 und 24 sowie des Hubzapfens 21 geschieht ebenfalls durch Spritzöl.
Die Schmierung des Läufers 7 und der Dichtelemente 10, 11, 12 und 20 wird durch
das unter dem Einfluß der Fliehkraft an den Gehäusestirnwänden 2 und 3 nach außen
wandernde und von der geförderten Luft mitgeführte Öl besorgt. Die umlaufenden Massen
des Läufers 7, des Tragarmes 29, der Hilfswelle 28 und der Zahnräder 27 und 31 werden
durch das Ausgleichsgewicht 39 ausgeglichen. Die Wirkungsebene 40 des Ausgleichsgewichtes
39 liegt zwischen den Wirkungsebenen 41 der umlaufenden Getriebeteile und der Wirkungsebene
42 des Läufers 7 in einem derartigen Abstand von diesen Wirkungsebenen, daß sich
die Kippmomente aus den rotierenden Massen aufheben.
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Die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Kreiskolbenrnaschine
kann am besten an Hand der Fig. 3 bis 6 verfolgt werden. Es sei angenommen, daß
sich die Kurbelwelle 22 um ihre Achse 43 entgegen dem Uhrzeigersinn in Richtung
des eingezeichneten Pfeiles dreht. Dabei bewegt sich der Hubzapfen 30 in der gleichen
Richtung auf der Kreisbahn 44, ebenso der Tragarm 29. Das Zahnrad 31 rollt auf dem
feststehenden Zahnkranz 32 ab und dreht sich dabei, wie die eingezeichneten Markierungen
zeigen, im Uhrzeigersinn um denselben Winkelbetrag, um den sich der Läufermittelpunkt
25 auf der Kreisbahn 44 bewegt hat. Da das Zahnrad 27 auf der gleichen Welle 28
befestigt ist wie das Zahnrad 31, dreht es sich ebenfalls um diesen Winkelbetrag
und verdreht den Läufer 7 mit Hilfe des Zahnkranzes 26 im Verhältnis 1: 2, d. h.
um den halben Winkelbetrag der Drehung des Läufermittelpunktes 25 entgegen dem Uhrzeigersinn,
d. h. im gleichen Sinn, in dem der Läufermittelpunkt 25 umläuft. Verfolgt man den
Weg des Raumes 19 in den Fig. 3 bis 6, so ergibt sich folgender Arbeisablauf: In
Fig. 3 ist der Raum 19 im Begriff, den Ansaugvorgang zu beenden, da die Steueröffnung
15 gerade den Bereich des Saugschlitzes 4 verläßt. In den Fig. 4 und 5 ist die Öffnung
15 abgedeckt, und der Raum 19 ist kleiner geworden, wobei die eingeschlossene Luft
verdichtet wird. In Fig. 6 ist der Druck in dem Raum 19 auf einen Wert gestiegen,
der etwas über dem Solldruck liegt, und die Öffnung 14 hat Verbindung mit dem Druckschlitz
5, so daß das Ausschieben der verdichteten
Luft beginnt. Verfolgt
man den Weg des Raumes 18 in den Fig. 3 bis 6, so ergibt sich folgender Arbeitsablauf:
In Fig. 3 ist das Ausschieben der verdichteten Luft gerade beendet, die Steueröffnung
14 verläßt den Bereich des Druckschlitzes 5. In Fig. 4 ist der Raum 18 inzwischen
größer geworden, wobei die in dem Kanal 16 eingeschlossene Druckluft auf
den Umgebungsdruck expandiert. In Fig. 5 und 6 ist die Steueröffnung 14 in den Bereich
des Saugschlitzes 4 gelangt, wobei sich der Raum 18 weiter vergrößert und dabei
Luft aus der Atmosphäre ansaugt. Die beschriebene Drehkolbenmaschine arbeitet daher
wie ein Zweizylinder-Kolbenkompressor, bei dem jeder Zylinder während einer Umdrehung
ein volles Arbeitsspiel durchläuft. Aus Fig. 3 und 5 ist ferner zu erkennen, daß
die Läuferecken 8 und 9 in der Stellung der Fig. 3 nahezu am Gehäuseumfang anliegen,
während sie in der Stellung, die in Fig. 5 gezeigt ist, um einen kleinen Betrag
vom Gehäuseumfang entfernt sind. Um diesen Betrag müssen die Dichtelemente
10 eine Relativbewegung gegenüber dem Läufer 7 ausführen.
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Die Anwendungsmöglichkeit der beschriebenen Drehkolbenmaschine ist
nicht auf Verdichter beschränkt. Sie kann auch als Flüssigkeitspumpe verwendet werden,
wobei lediglich notwendig ist, die Druck- und Saugschlitze so weit zu verlängern,
daß sie sich nahezu über einen Halbkreis erstrecken. Es ist außerdem möglich, die
beschriebene Maschine als Druckluft- oder Dampfmotor zu betreiben, wobei das Treibmittel
durch den Schlitz 5 zugeführt wird, während der Schlitz 4 als Auspuff dient und
wobei die Drehrichtung entgegen der dargestellten Richtung verläuft.