DE3041477C2 - Kolben und H-förmige Kolbenschuhe in Radialkolbenaggregaten - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft Kopien und H-förmige Kolbenschuhe in Radialkolben-Aggregaten.

Radialkolbenaggregate mit äußeren, also nicht eintauchenden, nicht H-förmigen Kolbenschuhen können keinen langen Kolbenhub erreichen und sind daher als Motoren nicht rationell. Auch läßt deren Ausbildung die Verlängerung der Kolbenarme über die Außenfläche des Kolbenschuhes nicht zu. da derartige Kolbenschuhe keine Η-Form haben und ihnen daher der Sriditz fehlt, durch den die Kolbenarme hindurch zu ragen hätten.

H-förmige, auch eintauchende oder tieftauchende Kolbenschuhe genannt, sind aus der DE-OS 14 03 748, der DE-AS 13 02 469 und der DE-OS 25 00 779 bekannt. Daraus kennt man auch den Rotor mit seinen Radialstegen, an deren Zylinderteilflächen die Kolben geführt sind und das radiale Einwärts Vorbeigleiten der Kolbenschuh-SeiCenteile an dem Außendurchmesser der Rotorstege vorbei radial nach innen. Daraus ergab sich der lange Kolbenhub dieser Aggregate bei gegebener Bauabmessung. Der Kolbenschuh ist mit einem Schwenkgelenk im Kolben gelagert. Bei der bekannten Ausführung blieben die radial äußeren Kanten des Kolbens aber noch radial innerhalb der seitlichen Führungsteile des H-förmigen Kolbenschuhes.

Für Aggregate mit langen Kolbenhüben, soweit die Hübe pro gegebenem Innendurchmesser der Kolbenhubführung nicht allzu lang waren, also insbesondere bei Pumpen, hat sich die Ausführung nach den bekannten Veröffentlichungen in der Praxis bewährt.

Durch die gegenwärtige Erfindung wird erkannt, daß derartige Aggregate insbesondere als Motoren neue Anwendungsgebiete erschließen können. Bei Motoren aber ist ein großer Relativkolbenhub von hoher Wichtigkeit, um ein hohes Drehmoment bei kleiner Abmessung des Motors zu erhalten.

Der Innendurchmesser der Kolbenhubführung, also der Durchnesser der Kolbenhubführungsfläche wird mit »da« bezeichnet und der Kolbenhub mit »S« (stroke), wobei der Kolbenhub pro halber Rotorumdrehung S = 2 e ist mit »e« = Exzentrizität zwischen Rotorachse und Achse der Kolbenhubführungsfläche. Für hohen Wirkungsgrad des Motors und großes Drehmoment des Motors muß daher ein hohes Hubverhältnis »S/da« angestrebt werden. In der Pumpe auch, doch sind in der Pumpe der Wirkungsgrad und das Hubverhältnis nicht so wichtig, wie im Motor.

Denn die Pumpe kann auch bei geringerem Wirkungsgrade arbeiten, während für den Motor ein guter Wirkungsgrad und hohes Drehmoment unerläßlich ist

Für das große Hubverhältnis »S/da« benötigt man eine gute Führung der Kolben. In modernen Motoren nach der Erfindung ist das Hubverhältnis mindestens 0,12; oft aber auch 0,20, was bedeutet, daß der Kolbenhub 12 bis 20 Prozent des Führungsdurchmessers »da« erreicht In Sonderausführungen auch einen noch höheren Prozentsatz. Abhängig vom Hubverhältnis ist die relative Ausschwenkgröße (Schwenkwinkel) des Kolbenschuhes am Kolben oder im Kolben. Der mit steigendem Hubverhältnis steigende Ausschwenkwinkel des Kolbenschuhes steigert die Kraftkomponente in Umlaufrichtung. Diese Kraftkomponente in Umlaufrichtung ist besonders in Motoren zur Erzeugung des Drehmomentes erwünscht. Die Folge der gesteigerten Kraftkomponente in Umlaufrichtung und damit des Drehmomentes ist aber ein verstärkter Druck der Kolbenaußenfläche auf den betreffenden Teil der Zylinderwand oder der Gleitfl?che des Rotorsteges.

Diesen verstärkten Druck können die herkömmlichen Kolben der oben beschriebenen Veröffentlichungen nicht mehr tragen, ohne an den beschriebenen, benachbarten Flächen heiß zu laufen. Um diesen Nachteil zu überwinden, müßten neuartige Kolben geschaffen werden, die diesen Nachteil nicht mehr haben und die das Heißlaufen unter dem verstärkten Druck verhindern. Solche neuartigen Kolben müßten also vorallem die Gleitfähigkeit des Kolbens an der Zylinderwand und der Gleitfläche des Rotorsteges verbessern.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße Radialkolbenmaschine so weiterzubilden, daß eine verbesserte Führung des Kolbens erreicht wird und damit seine Gleitfähigkeit an der Gleitfläche der Zylinderwand und am Rotorsteg gesteigert wird.

Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst und zwar dadurch, daß die den Schwenkteil des Kolbenschuhes stellenweise berührenden, radial nach außen ragenden Kolbenarme an der Schwenkauflage und an den Innenflächen der Kolbenschuhe vorbei, radial nach außen in die Schlitze der Kolbenschuhe hineinragen.

Durch den Anspruch 2 wird die Lagerfläche so ausgebildet, daß sie vom Schwenkzentrum des Kolbenschuhes aus in beiden radialen Richtungen erstreckt ist, beiderseits des Schwenkgelenkes den Kolben führt, lagert und eine Verkantung relativ zur Zylinderachse voll ausschaltet.

Der Anspruch 3 verlängert die Kolbenarme noch weiter radial nach außen und erhöht die Lagerfläche so erheblich, daß die relative Flächenbelastung gegenüber der Vortechnik fast halbiert wird, und die Tangentiallast der Kolbenwand so in deren Mitte konzentriert isi, daß

eine gleichmäßige Flächenlasl über die ganze Radialausdehnung des Kolbens erreicht wird.

Durch den Anspruch 4 wird die Flächenbelastung weiter verringert und kann so weit ausgebildet werden, daß die Reibung unbedeutend wird,da die Druckfluidtasche(n) des Anspruchs 4 den Kciben auf dem Fluiddruck in dieser Tasche tragen und mechanische Traglast und Reibung weitgehend ausschalten oder auf ein Minimum verringern kann.

Fig. 1 ist eine Ansicht eines Kolbenschuhes nach einem Beispiel der Erfindung und zeigt rechts daneben die Schnittfigur entlang der Schnittlinie A-A.

F i g. 2 zeigt den Schuh der linken Figur in F i g. 1 von oben gesehen.

Fig.3 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolbenschuh mit anderer Lage und Ausbildung des Schwenkteiles.

F i g. 4 zeigt einen Längsschnitt durch einen Oberteil eines Kolbens.

F i g. 5 zeigt die Ansicht des Kolbens in F i g. 4 von rechts gesehen.

Fig.6 zeigt einen Längsschnitt durch ein anderes Kolbenkopfbeispiel.

F i g. 7 zeigt Schnitte durch weitere Ausbildungsbeispiele des Kolbenoberteiles.

F i g. 8 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil der Maschine, insbesondere den Rotor und die Kolbenhubführung eines Aggregates der Erfindung mit eingebauten Kolben und Kolbenschuhen in Querschnitten.

Fig.9 zeigt das gleiche wie Fig.8, jedoch mit anderen eingebauten Kolben und Kolbenschuh Beispielen nach der Erfindung.

Fig. 10 zeigt Längsschnitte und Ansicht eines Kolbens der Erfindung.

In Fig. 1 hat der Kolbenschuh der Erfindung nach diesem Ausführungsbeispiel die Schwenkachse 22 um die die Schwenkwalze 12 ausgebildet ist, wobei sich mit gleichbleibendem Radius die Lagerfläche 23 ausbildet. Endwärts der Schwenkwalze 12 können Radialstützen 113 ausgebildet sein. Oben außen sind die seitlichen Führungsteile 13/14 mit den Endflächen 18, den inneren Zugführungsflächen 17 und der äußeren Gleitfläche 16 erkennbar. Die inneren Flächen 17 können bei Motoren oder Pumpen ohne Selbstansaugebetrieb gelegentlich fortgelassen werden. Die F i g. 2 zeigt die Ansicht auf den Schuh von oben und daher ist in rhr die »H-Form« des eintauchenden oder tieftauchenden Kolbenschuhes sichtbar. Zwischen den seitlichen FührungsteileR 14 sieht man die bis an den Kolbenschuhzentralsteg 12 heranreichenden Schlitze ϋβ, 94 zwischen den Außenschenkeln des »H«. Die Lagerfläche 23 hat den Radius 100 um die Schwenkachse 22. Die Kolbenachse hat das Bezugszeichen 101.

Ein Vorteil des Kolbenschuhes der F i g. 1 besteht darin, daß die Schwenkachse hoch oben liegt, wodurch die Drehmomenten-Angriffskraft im Motor relativ weit nach radial außen zu liegen kommt, wobei der Motor ein entsprechend hohes Drehmoment mit Kraftangriff an langem Hebelarm erzielt.

Ein weiterer Vorteil dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung ist, daß der Kolbenschuh einfach herstellbar und billig ist Denn die Schlitze 93 und die Lagerfläche 23 kann man mit der Drehbank beim Einspannen an den Enden der Schwenkachse 22 einfach herstellen.

Im Ausführungsbeispiel der F i g. 3 hat die Schwenkwalze 20, deren Schwenkachse 22 hier etwas tiefer liegen kann, die Ausnehmungen 19, die dazu dienen, daß die Arretierungen % des Kolbens 3 der F i g. 4 in die Ausnehmungen 19 eingreifen können und die Arretierer 96 dabei den Kolbenschuh der F i g. 3 gegen Herausfallen aus dem Kolben der F i g. 4 sichern. Die Ausnehmungen 19 sind so bemessen, daß trotz der Arretierstifte 96 die Schwenkbewegung ungestört erfolgen kann. Der Kolbenschuh-Zentralsteg 21 ist in Fig.3 auch sichtbar. In den F i g. 4 und 5 hat das Oberteil des Kolbens 3 das Schwenkbett 4 mit der Lagerfläche 6 zur Aufnahme des Schwenkteiles 20 des Kolbenschuhes und zur Lagerung

ίο der Schwenkfläche 23 auf der Lagerbettfläche 6. Entsprechend ist die Lagerbettfläche 6 nur etwa 180 Grad ausgebildet ISO Grad tun die Schwenkachse 22, so daß man den Vorteil hat daß die Fläche 6 mit einfachen Radiusfräsern oder Schleifscheiben hergestellt werden kann. Als weiterer Vorteil der Erfindung sind die Kolbenarme 1 und 2 vom Kolben 3 her, das Lagerbett berührend, radial nach außen erstreckt Sie können so weit radial nach außen verlängert sein, daß sie nach Einsetzen des Kolbenschuhes in das Schwenk* bett 4 radial über die Außenfläche 16 der Kolbenschuhes herausragen. In Fig.5 sieht man auch noch, daß die Kolbenarme 1, 2 so schmal sein müssen, daß sie in die Schlitze 93,94 der tauchenden Kolbenschuhe eingreifen oder durch diese hindurchgreifen können. Wenn die Innenfläche 17 des Kolbenschuhes eine nicht gezeichnete Ausnehmung hat kann die Armbreite der Arme 1,2 jedoch auch breiter als der Schlitz 93,94 sein.

Die Kolbenarme 1,2 sind ein wesentlicher Bestandteil der Erfindung. Denn sie bilden eine lange Kolbenführungsteilfläche, die radial über das Schwenkzentrum 22 nach außen reicht Außerdem ist es durch die Ausbildung des Bettes 4 und der Arme 1,2 nach diesen Figuren, möglich, den Kolbenschuh 12, 20, radial von außen her in den Kolben hereinzulegen. Das war bei dem bisherigem Stande der Technik nicht möglich, denn bisher mußte der Kolbenschuh eine Schwenkwalzen Lagerfläche (23) von mehr'als 180 Grad Umgreif ungswinkel haben, die Lagerbettfläche (6) um mehr als 180 Grad ausgebildet sein und das Schwenkwalzenteil 12, 20, teilweise umgreifen, wodurch ein Hereinlagen des K-;lbenschuhes in das Bett 4 hinein unmöglich war und die Kolbenschuhschwenkwalze von der Seite her und entlang der Schwenkachse 22 in das Lagerbett im Kolben hereingeschoben werden mußte.

Im übrigen sieht man, daß die Haltestifte oder Arretierer 96 im Kolbenoberteil angeordnet werden können, um in die Ausnehmungen 19 des Kolbenschuhes einzugreifen und den Kolbenschuh gegen Herausfallen aus dem Schwenkbett 4 zu sichern.

so In F i g. 6 ist gezeigt daß der Stift (die Stifte) 7 so hoch im Kolbenoberteil angeordnet werden kann, daß dieser oberhalb der Gleitfläche 16 des Kolbenschuhes liegt, wenn der Kolbenschuh 12, 20 in das Lagerbett 4 im Kolben 3 eingesetzt ist.

In den F i g. 4 und 6 zeigt das Bezugszeichen 5 den vom Lagerbett 4 radial nach außen erstreckten Schlitz, der zusammen mit dem Lagerbett 4 den Vorteil hat, daß diese Teile zusammen mit der Schwenklagerbettfläche 6 bearbeitet werden kö linen.

In F i g. 7 ist gezeigt, daß man auch auf den Arretierstift 96 verzichten kann, wenn man die Kolbenarme 1, 2, wie in Fig.7 links gezeigt, mit Fortsätzen 8 versieht, die man nach dem Einsetzen des Kolbenschuhes in das Lagerbett 4 umbiegt, wie in der rechten und unteren F Pg. 7 gezeigt. Die Ecken 8 oder Fortsätze 8 erfüllen dann die Funktion des Haltestiftes 96 der F i g. 4,5. Bei dieser einteiligen Kolbenausführung ist verhindert, daß die Stifte 96 sich lösen könnten.

In den F i g. 8 und 9 sieht man einen Teil des Rotors 24 im Radialschnitt mit zwei Zylindern 25, 26. Die Rotorachse ist mit »C« bezeichnet. Mit we«· ist die Achse (Mittellinie) der Kolbenhubführung 35 bezeichnet. Dazwischen ist die Exzentrizität »e« ausgebildet und der Kolbenhub pro Umdrehung des Rotors ist »S = 2 e«. Die Kolben 53, 63 laufen in den Zylindern in bekannterweise radial auswärts und einwärts, wobei sie den Kolbenhub »S « Stroke« ausführen. Die äußeren Gleitflächen 16 der Kolbenschuhe 12,20 gleiten an der Innenfläche 27 der Kolbenhubführung 35.

Der Kolbenhubring hat bei tieftauchenden Kolbenschuhen im Aggregat die ebenfalls aus den genannten Veröffentlichungen bekannte Ringnut 34, die die Kolbenhubführungsfläche 27 durchbricht und dabei zweiteilt und die sich radial von innen her in den Kolbenhubring 35 hereinerstreckt. Die Innenfläche 27 ist die wichtige Koibenhubiührungsiiäohe, die- den Innendurchmesser »da« hat, so daß man aus »2 e => S« und »da« das eingangs beschriebene Hubverhältnis »S/da« als wichtige Leistungs- und Wirkungsgrad-Kenngröße des Aggregates erhalten kann.

In den Figuren sind auch die Schlitze 5, sowie die Kolbenarme 1 und 2 zu sehen, und, wie die Kolbenschuhe mit dem betreffenden Kolbenschuhzentralsteg in den Schlitzen 5 des Kolbens schwenken. Der Winkel ,gamma« zeigt die Ausschwenkung der betreffenden Kolbenschuhe aus der Normallage. In den F i g. 8 und 9 ist noch ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Kolbenarme 1 und 2 in die Ringnut 34 des Kolbenhubringes 35 eingreifen. Der Kolbenhubring 35 kann auch ein Teil des Gehäuses oder als Gehäuseteil mit der Kolbenhubfläche 27 ausgebildet sein, damit der Kolbenhubring 35 eingespart werden kann.

Übrigens zeigen diese beiden Figuren die lange Führung dzr Kolben zwischen den Rotorradialstegen und im Rotor. In der Fig.8 sind die Kolbenschuhe der F i g. 1, 2 eingebaut und in F i g. 9 die Kolbenschuhe der F i g. 3. Mit ihren zugehörigen Kolben. In die F i g. 8 und 9 sind die Benennungen der wichtigsten Teile, wie ,Rotor«, »Kolben« und »Ringnut«, sowie der Kolbenschuh mit der Kürzung »Schuh« eingetragen.

In der Fig. 10 ist der bevorzugte Kolben der

Erfindung in zwei zueinander senkrechten Längsschnitten gezeigt und der rechte Figurenteil zeigt den Kolben in der Ansicht von links. Dieses Ausführungsbeispiel des Kolbens zeigt die inneren Teilringnuten oder Ausnehmungen 77 zum Einsatz von Halteplatten zur Verhinde- rung des Herausfallens des Kolbenschuhes aus dem Kolbenbette 5 des Kolbens 3.

Außerdem zeigt diese Ausführung des Kolbens die Anordnung der Druckfluidtaschen 54, 55 in der Nähe des Schwenkzentrums 22. Die Druckfluidtaschen 54,55 sind durch die zylindrische Außenfläche des Kolbens 3 hindurch in den Kolben eingearbeitet und mittels der Kanäle oder Bohrungen 56,66, durch die Lagerfläche 6 hindurch mit dem Schwenkbeu 4 des Kolbens 3 verbunden. Die Druckfluidtaschen 54,55 erhalten beim Betrieb des Aggregates periodisch Druckfluid aus dem Lagerbette 4 in an sich bekannter Weise, um die Außenfläche des Kolbens 3 zum Lauf an der Innenfläche des betreffenden Zylinders 25, 26 des Rotors 24 zu schmieren und teilweise vom Lagerdruck zu entlasten.

Die Besonderheit der Ausbildung nach der Erfindung besteht darin, daß die Druckfluidtaschen 54, 55 etwa in der F-idialhöhe des Schwenkzentrums 22 angeordnet sind. Denn in dieser Radialhöhe werden die Druckfluidtaschen besonders gut wirksam und nehmen die

tangentlalen Anpreßkräfte des Kolbens 3 an die betreffende Zylinderwand 25, 26 hier an der richtigen Stelle auf. Dadurch läuft der Kolben nach der Fig. 10 besonders leicht bei einem Minimum an Reibung und bei Verhinderung höherer Reibung in dem bitreffenden Zylinder des betreffenden Rotors. Die Druckfluidtaschen 54, 55 befinden sich in derjenigen Längsebene durch die Achse des Kolbens, die zur Längsebene, in der die Schwenkachse 22 liegt, senkrecht steht.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Kolben in einer Radialkolbenmaschine mit H-förmigen Kolbenschuhen, Radialstegen mit verlängerten Zylinderteilflächen zur Führung der Kolben am Rotor und schwenkbarer Kolbenschuhlagerung in einem Lagerbett im Kolben, dadurch gekennzeichnet, daß die den Schwenkteil (20) des Kolbenschuhes (12) stellenweise berührenden, radial nach außen ragenden Kolbenarme (1, 2) an der Schwenkauflage (6) und an den Innenflächen (17) der Führungsteile (13, 14) der Kolbenschuhe (12) vorbei, radial nach außen in die Schlitze (93,94) der Kolbenschuhe (12) hineinragen.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Kolbenarme (1, 2) bis über die äußere Gleitfläche (16) des Kolbenschuhes (12) hinaus erstreckt sind und oberhalb der genannten Gleitfläche (16) eine Halterung (7,96) zwischen den Kolbenarmen (1,2) angeordnet ist

3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenarme (1,2) und die Halterung (7, 96) in die Ausnehmung (34) der Kolbenhubführung (35) hereinragen.

4. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Druckfluidtasche (54, 55, 71, 72) etwa in Radialhcbe des Schwenkzentrums (22) in der Außenfläche des Kolbens angeordnet ist