DE2010365A1 - Kolbenschuh für Axialkolbenmaschinen - Google Patents

Description

S-PSRRY' RAHD CORPORATION ; . .

TROY, MICMIGArJ 48084, USA,

Kolbenschuh iür Axialkolbenmaschinen

Die Erfindung bezieht sich auf Energieumsetzungssysteme und eignet sich.insbesondere auf Systeme solcher Art, bei welchen zwei oder mehr Maschinen zur Umsetzung von Energie in bzw. aus Druckflüssigkeit vorgesehen sind, von welchen eine oder eine Gruppe als Pumpe arbeitet und die andere bzw. die andere Gruppe als Flüssigkeitsmotor.

Die Erfindung hat allgemein mit Axialkolbenmaschinen zu tun; insbesondere betrifft die Erfindung eine Verbesserung der Konstruktion von Kolbensockeln für solche Maschinen, wie sie insbesondere in der USA Patentschrift 2 776 628 dargestellt und beschrieben sind.

Bei Einheiten dieser Art war es üblich, die Kolben mit kugelförmigen Enden auszustatten, welche mit je einem Kolbenschuh ausgestattet sind. Der Schuh ist zum Zweck des Druckausgleichs mit hydrostatischen Lauffläche ausgebildet,, zu welcher Flüssigkeit durch einen Kanal im Kolben und eine gesteuerte Öffnung irn Kolbenschuh zugeführt wird. Bei Kolbenschuhanordnungen der angegebenen Art neigen die Kolbenschuhe dazu Kippbewegungen gegenüber der hydraulischen Tragfläche auszuführen, mit welcher sie beim Umlauf der Maschine bei erhöhter Geschwindigkeit zusammenwirken. Dies bedingt eine übermäßige Leckage, die von der Schuhfläche in die Atmosphäre führt, in welcher die Kolben umlaufen*

noch wesentlicher ist, daß eine erhebliche Verringerung der Lebensdauer der Kolbenschuhe verursacht wird und daher eine entsprechende Verringerung der Arbeitsfähigkeit der Maschine.

Es würde daher erwünscht sein, einen solchen Kolbenschuh verfügbar zu machen, bei welchem die Kippbewegung bei hoher Geschwindigkeit verhindert ist. Es würde außerdem wünschenswert eein, einen solchen Kolbenschuh verfügbar zu machen, bei welchem die den Schuh gegen Kippbewegungen haltende Kraft eine nicht mechanische sonder hydraulische Kraft ist.

Gegenstand der Erfindung ist demgemäß ein Kolbenschuh für Maschinen zur Umsetzung von Energie in bzw, aus Druckflüssigkeit mit einem mehrere Axialkolben enthaltenden Rotor, dessen Kolben sich an ihrem außerhalb des Rotors liegenden Ende über die zugehörigen Kolbenscbuhe an einer die KoIbenbetatigung bewirkenden Gegenfläche abstützen, mit der Besonderheit, daß der Kolbenschuh eine zusammenhängende, eine mittlere Vertiefung auf v/eisende zur Gegenfläche parallele Ausgleichsflache besitzt, und unter dem Einfluß einer lialtekraft steht, welche die Ausgleichslasche in Richtung zur Gegenfläche drängt, daß die Vertiefung zwecks Bildung einer zweiten, der iialtekraft entgegenwirkenden Kraft über einen engen Kanal mit einer Druckflüssigkeitsquelle in ■ Verbindung steht und von einem Flüosigkeitsnustrittsspalt zwischen den zusammenwirkenden Flächen umgeben ist, und daß

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in der Ausgleichsfläche mit gegenseitigem Abstand eine die mittlere Ausnehmung umgebende Ringanordnung bildenden Öffnungen vorgesehen sind, zwischen welchen mit der Ausgleichsfläche koplanare Flächenteile liegen und welche eine Vielzahl von Drucktaschen bilden, durch welche die Kolbenschuhfläche und die mit ihr zusammenwirkende Gegenfläche parallel zueinander gehalten werden. ,

Es ist daher ein Ziel der Erfindung, eine Maschine zur Umsetzung von Energie in bzw. aus Druckflüssigkeit mit einem mehrere Axialkolben enthaltenden Rotor und mit Ausbildung der Axialkolben mit Kolbenschuhen verfügbar zu machen, wobei die Kolbenschuhe eine billige Fertigung ermöglichen und sich durch lange Lebensdauer auszeichnen.

Es ist ein_: weiteres Ziel der Erfindung eine Maschine, der angegebenen Art verfügbar zu machen, bei welcher ein Kippen der Kolbenschuhe bei jeder Geschwindigkeit verhindert ist und die Mittel zur Verhinderung einer solchen Kippbewegung durchweg hydraulische Mittel sind.

Ein weiteres Ziel der Erfindung bes.teht in der Verfügbarmachung einer Maschire der angegebenen Art, bei welcher die Leckage bei allen Arbeitsgeschwindigkeiten in erträglichen Grenzen.gehalten wird. .. ■ ■

Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der in der Zeichnung veranschaulichten bevorzugten Ausführungsform; in der Zeichnung zeigt:

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Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Axialkolbenmaschine, die der erfindungsgemäß ausgebildet ist.

Fig. 2 eine vergrößerte Teilschnittdarstellung eines aus Kolben und Kolbenschuh bestehenden Satzes.

Fig. 3 eine Stirnansicht des Kolbenschuh.es nach Fig.

Fig. 1 veranschaulicht eine zur Zeit bevorzugte, aber nur als Beispiel dienende Ausführungsform der Erfindung. Es handelt sicn um eine Pumpe 10 mit seitwärts ausschlagenden in einem Rotor beweglichen Kolben. Das Gehäuse 12 der Pumpe 10 besteht aus zwei Teilen 14 und 16, die mittels nicht dargestellter Schraubenbolzen miteinander verbunden sind. Eine Dichtung sorgt für einen flüssigkeitsdichten Abschluß der die beiden Teile trennenden Fuge. Die Dichtung besteht vorzugsweise aus einem elastischen 0-Ring von runder QuerSchnittsform . Es ist jedoch auch möglich, irgendeine andere Dichtungsart zu verwenden. Ein Ausrichtungsdorn 22 ist vorgesehen, um die Teile 14 und 16 in der richtigen gegenseitigen Winkellage zu halten. Das Gehäuse 12 ist mit einem vorstehenden Teil und einem Befestigungsflansch 2.6 mit Bohrungen 28 ausgestattet.

Eine in dem Gehäuse 12 vorgesehene Bohrung 30 bildet eine Kammer 32 für die Aufnahme eines zylindrischen Blocks 34. Der zylindrische Block 34 ist mit mehreren Kolbenbohrungen 36 ausgestattet, deren jede einen axial verschiebbaren Kolben 38 enthält und mit einer Öffnung 37 versehen ist. Die Kolben

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38 haben kugelförmige Enden 40, welche in halbkugelförmige .Sockel 41 von Schuhen 42 eingreifen, die mit Bezug auf die Kolben beweglich sind. Der Zylinderblock 34 erstreckt sich axial zwischen einer Ventilplatte 44 und einer geneigten Widerlagerplatte 46. Die Ventilplatte 44 kann entsprechend der USA Patentschrift 2 313 407 ausgebildet sein und dient in.an sich bekannter Weise dazu, die in richtiger Phase erfolgende Flüssigkeitsverbindung zwischen den Öffnungen 37 und den Bohrungen 36 für die Kolben sowie den äußeren Einlaß und Auslaß Verbindungsöffnungen der Maschine herzustellen, die mit, 48 und 49 bezeichnet sind. Die Widerlagerplatte 46 kann an dem Gehäuse 12 durch irgendwelche Mittel, beispielsweise mittels Schrauben, festgelegt sein.

Die Kolbenschuhe 42 sind mit nach auswärts sich erstreckenden Flanschen 54 versehen, deren Schulterflächen 55. die Auflageflachen für einen Käfigring 56 bilden, der mit den Kolben 38 entsprechenden Öffnungen 58 ausgestattet ist. Die Öffnungen 58 haben einen solchen Durchmesser, daß zwischen ihnen und den Kolbenschuhen 42 ein Spielraum frei bleibt, der einen unbehinderten Flüssigkeitsdurchtritt zuläßt. Ein Ring 60 mit einer Schulter 62 ist vorgesehen, der an dem Käfig 56 anliegt und eine kegelstumpfförmige Bohrung 64 enthält. Die Bohrung 64 liegt an der kugeligen Außenfläche 66 des Kranzes 68 an,der an dem rechten Ende des Zylinderblocks 34 angeformt ist und Nuten enthält, die mit den Keilen der Antriebswelle 72 in Eingriff stehen. Der ringförmige Käfig % wird mittels einer Platte 57 in seiner Lage gehalten, welche mittels geeigneter Mittel,ζ, B. mittels Schrauben 59,

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an der Viderlagerplatte befestigt ist. Die lialtoplatto yl ist so angebracht, daß ein Spielraum zwischen dem ringförmigen Käfig und der Halteplatte verbleibt.

Eine Feder 74 ist in einer mittleren Ausnehmung 76 des Zylinderblocks 34 untergebracht. Das eine. linde der Feder wirkt gegen eine Scheibe 7S und einen in dem Zylinderblock 34 angeordneten Sprengring 80.Das.äußere Ende der Feder stützt sich an einer Scheibe G2 ab, welche ihrerseits an einer an der "welle 72 angebrachten Stufe 84 anliegt. Dia von der Feder 74 ausgeübt Kraft bewirkt somit die Anlage der Fläche 35 des Zylinderblocks 34 an der Fläche 4? der Ventilplatte 44.

Die Antriebswelle 72 ruht in Lagern 73 und 75 und kann ein Drehmoment von einer Antriebsmaschine (nicht dargestellt) auf den Zylinderblock übertragen, und rswar unter Vermittlung der Antriebsverbindung 6?, 70. Line übliche Wellendichtung ist bei 77 vorgesehen. Bei Maschinen dieser Art kann die Kammer 32 mit Flüssigkeit gefüllt seinj zusätzlich zu der Schmierung der erwähnten in die Flüssigkeit eintauchenden Teile wird auf diese Weise ein Durchlaß ermöglicht, um im Innern auftretende Leckflüssigkeit zu einer Aulaßöffnung zu führen, welche bei 79 angegeben ist.

In den Fig. 2 und 3 ist ein Kolben mit Kolbenschuh dargestellt wobei die SchuhflHche 90 des Kolbenschuhes 42 eine Tragfläche 91 aufweist, in welche eine mittlere Vertiefung eingearbeitet ist. Die mittlere Vertiefung 92 steht mit dem

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Hochdruck in der Kolbenkaminer durch axiale Bohrungen .93 und 104 in Verbindung, die sich durch den Kolben 38 erstrecken. Die Bohrung 104 ist zur halbkugeligen Fläche 4i zwischen der Kölbenkugel und dem Kolbenschuh offen. Die Druckflüssigkeit kann dann unmittelbar durch einen engen Kanal 94 innerhalb des Schuhes 42 in die zentrale Vertiefung 92 gelangen. Die ausgleichende Fläche 91 jedes Kolbenschuhs liegt gleitend an der Stützfläche 47 der Widerlagerplatte 46 an; die Fläche 91 ist ringförmig und ist von einem äußeren Durchmesser 97 und einem inneren Durchmesser 98 begrenzt, wobei der innere Durchmesser 98 die zentrale Vertiefung umschließt. Auf diese Weise ist jeder Kolben 38 mit einer Bohrung 93 versehen, welche zu dem mit Öffnung versehenen Ende der zylindrischen Bohrung 36 führt und über den Kanal 104 in den Halsteil 106 und in dem kugeligen Ende 40 zur Steueröffnung 94 in der Endfläche des Kolbenschuhes 42 führt und auf diese Weise mit der Ausnehmung 92 innerhalb der ringförmigen Ausgleichflache 91 in Verbindung steht.

Es ist damit ersichtlich, daß die Vertiefung 92 Druckflüssigkeit erhält, wenn der Arbeitsraum des zugeordneten Zylinders 36 unter Druck steht. Diese Flüssigkeit bildet ein hydraulisches Polster zwischen der Fläche 47 der Widerlagerplatte und der Ausgleichsfläche 91 des Kolbenschuhs , um auf diese Weise auf den Schuh 42 eine Schubkraft auszuüben, welche der parallel zur Äntriebsachss verlaufenden Schubkraft des Kolbens entgegenwirkt.

Die Größe der entgegenwirkenden Schubkraft, welche in Folge des hydraulischen Drucks innerhalb der Vertiefung 92 entsteht,

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hängt von der Fläche der Vertiefung 92, der Leckage über die ringförmige Ausgleichszläche 91 und dem Druckabfall ε η der Steueröffnung 9⁷J- ab. Bei größer v/erdendem Spielraum zwischen der Fläche 47 und der Ausgleichsfläche 91, wird eine stärkere Leckage zwischen diesen Flächen bestehen, welche eine Verringerung des Druckes innerhalb der Vertiefung 92 zur .. ol:,e hat, und umgekehrt. Durch Änderung der Lage der Ausgleichfläche 91 und der Größe der Vertiefung 92 kann der Kolbenschuh so ausgeführt sein, daß ein hydraulicher Schub entsteht, welcher die Komponente des jeweiligen Koll-jenscliubs genau ausgleicht; oder die Ausgleichstellen können so bemessen sein, daß sie eine vorteilhafte Unbalance erzeugen, Vielehe eine Fedhaltekraft erzeugt, welche die Scuulikolben gegen die Fläche 47 der .viderlagerplatte vorspannen. Bei Vergrößerung der Vertiefung 92 wird die den Schuh niederhaltende Kraft abnehmen,was eine Vergrößerung der Leckage längs der Ausgleichfläche 91 zur Folge hat und umgekehrt.

wie bereits erwähnt, haben die Tragflächen der Kolbenschuhe das Bestreben, mit Bezug auf die Widerlagerplatte zu kippen, •■renn die Drehzahl der Maschine wächst. Dieses winklige Kippen des Kolbenschuhs führt zu einer Vergrößerung der Leckage, weil die Weite des Spielraums zwischen der Ausgleich fläche und der Widerlagerplatte größer wird; darüber hinaus führt das Kippen zu einer Vergrößerung der Abnutzung an der Stelle der Tragfläche, welche mit der Widerlagerplatte in tierUhrung bleibt, wodurch die Lebensdauer der Maschine weiter verringert wird. Um das Ausmaß der Kippung des Schuhes zu begrenzen und die Fläche des Kolbenschuhes in

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einer allgemein parallelen Gleitstellung mit Bezug auf .die VJiderlagerflache 47 zu halten, sind auf der Fläche jedes Schuhes innerhalb der Ausgleichfläche mehrere in Abstand voneinander liegende Öffnungen oder Nuten 110 vorgesehen, wie dies in Fig. 3 veranschaulicht ist. Die Nuten 110 haben die Form von bogenförmigen Vertiefungen, welche zwischen der mittleren Vertiefung 92 und dem äußeren Umfang 97 der Schuhfläche liegen, und zwar in Hintereinanderanordnung in Urnfangsrichtung. Die Nuten 110 sind weder mit der mittleren Vertiefung 91 noch mit- dem äußeren Umfang der Schuhfläche direkt verbunden} sie werden durch die Leckage längs der Schuhfläche unter einem vorbestimmten Druck gehalten. Dem Kippen des Schuhes wirkt die /änderung der Druckverteilung längs der Schuhfläche und innerhalb der verschiedenen voneinander getrennten Nuten entgegen; das bedeutet, daß in diesen Nuten nahe dem Punkt, wo die Schuhfläche sich abhebt, ein Druckabfall auftritt, während in den Nuten^die dem Punkt naheliegen, mehr an der Fläche der Widerlagerplatte verbleibt eine Druckzunahme stattfindet. La'die verschiedenen Nuten voneinander getrennt sind, wird der Mittelpunkt der Druckkräfte, die an dem Schuh wirksam sind, von dem Mittelpunkt des Schuhs verschoben, und zwar in Richtung zu dem Teil der Schuhfläche, welche eine Kippbewegung in Richtung zur Fläche der WiderlageipLatte ausführt, mit dem Ergebnis, daß ein Kraftmoment entsteht, welches den Schuh in eine Richtiig zwingt, die derjenigen der Zentrifugalkraft entgegengesetzt ist; das bedeutet, daß sich diese Druckverschiebung dahin-

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gehend auswirkt, daß die Schuhfläche in eine Lage zurückkippt, welche relativ parallel zur Fläche der v/iderlagerplatte ist. Auf diese „eise kann der Kippung der Schuhflache mit .,Jezug auf die l.'iderlagerplatte durch Änderungen des Druckes der verschiedenen voneinander getrennten Rillen entgegengewirkt werden, welche die mittlere "Vertiefung 92 umgeben. Für die voneinander getrennten Nuten 110 haben noch einen weiteren günstigen Einiluß auf die Ausbildung des Schuhes und dessen Lebensdauer, und zwar*dadurch, daß sie dem Schuh eine gewisse Drehbewegung vermitteln; die Schuhe neigen dazu, um das kugelige Ende des Kolbens eine' Drehbewegung relativ zur ".t'iderlagerplatte auszuführen, mit dem Ergebnis, daß die Abnutzung an dein Schuh gleichmäi3ig über dessen ganze Fläche verteilt wird und eine allgemein !"lache Lagerflache an dem Schuh erhalten bleibt.

Die Zwischenflüche 112 zwischen je zwei Nuten 11U ist koplanar mit der übrigen Ausgleichsfläche 91, so daß die Zwischenflächen 112 wie zusätzliche Tragflächen i'ür den Schuh wirken, während gleichzeitig die lMuten 110 eine zusätzliche Druckfläche bilden, um den Druckgradienten zwischen der zentralen Vertiefung 92 und der Umfangsfläclio 97 des Kolbenschuhes abzuflachen, mit dem Ergebnis, daß jeder Kolbenschuh /:'lacher an der Fläche 4?' der \viderlagerplatte vorbeigleitet.

Es ist somit erkennbar, daß mit der Erfindung eine^ wesentliche Verbesserung für ^xialkolbenmaschinen geschaffen ist und daß insbesondero eine verbesserte Kolbenschuhausbildung

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ersielt-Ist} bei welcher die Leckage längs der-Kolbenschuhfläche bei hoher Dreiizahl wesentlich verringert ist, während der Verschleiß an dieser Fläche geringer ausfällt, was eine Verlängerung der Lebensdauer der Maschine bedeutet.

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Claims (2)

1. Pafehtan'swrtfcho ^: ""

   1, Kolbonscliuh für Maschinen zur Umsetzung von Energie in bzw· aus Druckflüssigkeit mit einem mehrere Axialkolbc-n entlisItGUiSon Rotor, dessen Kolben sich an ihrem außerhalb den rotors liegenden Ende über die zugehörigen Kolbonschuhe an einer die Kolbonbotätigung bewirkenden Gegenflilclio abstützen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenschuh (42) eine zusaancnhiingende, eine mittlere Vertiefung (92) aufweisende, zur GegcnflaOhe (47) parallele Ausgleichsfläclio (91) besitzt, und unter dem Einfluß einer Haltckraft steht, welche dio Ausgleichsfläche in Richtung zur Gegenfleiche drängt, daß die Vertiefung (92) zwecks Bildung einer zweiten, der Haltekraft entgegenwirkenden Kraft, über einen cnzen Kanal (104) mit einer Druckflüssigkeitsquolle in Verbindung steht und von einem Flücsigkoitsaustrittsspalt zwischen den zusammenwirkenden Flächen (91, 47) umgeben ist, und da/3 in der Ausgleichsfliiche (91) mit gegenseitigem Abstand eine die mittlere Ausnehmung (92) umgebende Ringanordnung bildenden Öffnungen (110) vorgesehen sind, zwischen welchen mit der Aucgloichsflache Isoplanar© Flächenteile (112) liegon und welche eine Vielzahl von Drucktaschen bilden, durch v/olcho die Kolbcnschuhflcicho (91) und die mit ihr zusammenwirkende Gegenflächo (47) parallel zueinander gehalten werden·
2. 2. Kolbonsobuh nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Ringanordnung bildenden Öffnungen au3 in Iftofangerichtung aufeinander folgenden Bogonnuten (110) bestehen·

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   BAD ORiGINAL

   sr ■ ■ .

   "■■'■ \.s·,· ·.,·%,«■ 5 %.^: 201.036$

   3· KolbenscUuh nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet $ , ddij die Aus^iöichsxlächG (9'I) rundo Fora hat, da3 die Vertiefung (92) zur Ausgleichsiil&che sentrisch liegt und daß dor cii^c Drucltxlüssigkeitslcanal (104) in der Mitte der s (92) laündot·

   4· Kolbenschuii nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gel;Gmiseiclmet| daß eine in dem Schuh (42) gelagerte Kübel ,(4Q) die HaltekraSt ausübt und mit einem Druckorßan, z. B. einem Kolben (3Q) verbunden ist*

   nach einoci der Ansprache 1 bis 4, dadurch

   t, daö. der lüttelpunlct (Sentroid) der zweiten die Halteitraft yirlcondon Kraft bei paralleler Aus-

   der Auߣjleichsfl?iche (91) und dcrGogenfläche (47) an dera engoxi Urucliilücaiskoitsicanal (104) liest und durQh vorübergehende Aufhebung der Parallelität derart verla^ort wird, daO die zuoacaaenwiricendon PlSchcn in ihre parallele Lage zurückgedrängt werden.

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   L e e r s e i t e