DE69000176T2 - Hydraulische drehkolbenmaschine. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Drehkolbenmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Solche Maschinen vom Flügelzellentyp können als hydraulische Pumpen oder Motoren arbeiten.
• Hydraulische Drehkolbenmaschinen der vorliegenden Art umfassen generell ein Gehäuse, einen drehbar innerhalb des Gehäuses gelagerten Rotor mit einer Mehrzahl von radial sich erstreckenden peripheren Schlitzen und eine Mehrzahl von Flügeln, die einzeln in den Schlitzen gleitend gelagert sind. Ein Nockenring umgibt den Rotor und besitzt eine radial nach innen gerichtete Oberfläche, die eine Gleitbahn für die Flügel bildet, wobei ein oder mehrere Fluiddruckräume zwischen der Nockenringoberfläche und dem Rotor gebildet werden. Ein- und Auslaßkanäle fördern hydraulische Fluids zu und von den Räumen.
• Im Betrieb der Maschinen dieser Art ist es notwendig, daß die Rotorflügel die gegenüberstehende Nockenringoberfläche gleitend berühren. Während des Betriebs werden die Flügel nach außen gegen die Nockenringoberfläche durch zentrifugale Kräfte gedrängt. Es existieren jedoch mancherlei Bedingungen und es werden Kräfte erzeugt, welche die Flügel in der Tendenz davon abhalten, frei als Folgeglieder der Nockenringoberfläche zu wirken und auch die Flügel dazu bringen, sich von der Flügelbahn zurückzuziehen, beispielsweise sowohl mechanische als auch viskose Reibung, Lagerbelastung der Flügel gegenüber der Bahn oder zwischen Flügel und Rotor sowie Differenzdrücke, die zu ungünstigen resultierenden Kräften führen, die auf die extremen inneren oder äußeren Kanten der Flügel einwirken. Bei der Inbetriebnahme der Maschine ist es ferner unerwünscht, den Flügeln zu ermöglichen, von der gegenüberstehenden Nockenringoberfläche abgehoben zu sein, und zwar wegen des Druckverlustes, wenn das Fluid frei über die Flügel fließt als auch weil die Zentrifugalkräfte die Flügel dazu bringen können, infolge des Stoßes gegen die Nockenringoberfläche beschädigt zu werden.
• Zur Überwindung der zuvor erwähnten Probleme ist bisher vorgeschlagen worden, Kammern im Rotor unterhalb der Ventilschlitze vorzusehen. Federn werden in diesen Rotorkammern angeordnet und/oder Fluid wird unter Druck in die Rotorkammern gefördert, um die Flügel radial nach außen gegen die Nockenringoberfläche zu drängen. Soweit Flügelfedern verwendet werden, zeigen diese schwankende Federkennlinien sowohl zwischen individuellen Federn als auch über die Lebensdauer einer gegebenen Feder, die Federn besitzen eine begrenzte Lebensdauer und es kommt zu Reibverschleiß an den gegenüberstehenden Kanten der Flügel. Das Vorsehen von Unterflügel-Fluiddruck, ob nun intermittierend oder kontinuierlich, macht im allgemeinen die Verwendung von Ventilen zur Zuführung des Fluids zu den Unterflügelkammern vor deren Zuführung zu dem primären Maschinenräumen erforderlich und löst auch nicht das Problem des Stoßes der Flügel gegen die Nockenringoberfläche, außer wenn mit Flügelfedern kombiniert. Man hat sich auch sog. Innenflügelmaschinen zugewendet, die in Frage stehenden Probleme konnten jedoch nicht gänzlich gelöst werden.
• In einem weiteren Vorschlag (GB-A 1 140 213) zur Überwindung des zuvor erwähnten Problems sind innerhalb des Gehäuses Nockeneinrichtungen vorgesehen, welche den Hub der Flügel nach innen begrenzen. Die Nocken besitzen jedoch profilierte Oberflächen, die äquidistant von den profilierten Oberflächen der Flügelbahnoberfläche nur in dem Abschnitt zwischen den Hauptöffnungen sind, die für die Zu- und Abfuhr der Arbeitsflüssigkeit verwendet werden. In den anderen Abschnitten zeigen die Nockeneinrichtungen ebene Oberflächen, so daß der Abstand zwischen der Flügelbahnoberfläche und der Nockenringoberfläche ungleichmäßig ist. Deshalb ist der Freiraum zwischen den äußeren Enden der Flügel und der Flügelbahnoberfläche ungleichförmig, woraus zwei ausgesprochene Nachteile folgen. Erstens, im Fall von Druckschwankungen oder Druckverlust wird selbst minimale Abdichtung verhindert. Zweitens, wenn die Maschine anfänglich startet, legen die Flügel einen wesentlichen Weg zurück und gewinnen Schwung, bevor sie gegen die Flügelbahnoberfläche schlagen. Dies führt tendenziell zur Beschädigung des Flügelspitzen und der Flügelbahnoberfläche.
• Das von der Erfindung zu lösende Problem besteht darin, die erwähnten Nachteile zu überwinden.
• Die Lösung des Problems besteht in der Kombination der Merkmale des Anspruches 1. Die weiteren Ansprüche 2 bis 5 zeigen Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine hydraulische Drehkolbenmaschine mit Einrichtungen vorgesehen, die sicherstellen, daß die Flügel kontinuierlich benachbart der Nockenringoberfläche angeordnet sind. Ferner kann der Reibverschleiß reduziert werden, die Maschine ist weniger teuer für den Hersteller als zuvor bekannte Maschine ähnlichen Typs.
• Die Maschine gemäß Erfindung kann auch zur Aufteilung eines einzelnen Eingangsstromes an hydraulischer Flüssigkeit in zwei oder mehrere Ausgangsströme im vorbestimmten Stromverhältnis benutzt werden. Zuvor bekannte Einrichtungen für diesen Zweck setzten relativ komplizierte und teure spezialisierte Strukturen voraus.
• Die vorliegende Erfindung betrachtet eine hydraulische Drehkolbenmaschine vom Flügelzellentyp, die ein Gehäuse, einen innerhalb des Gehäuses gelagerten Rotor mit einer Mehrzahl von radial sich erstreckenden peripheren Schlitzen und eine Mehrzahl von Flügeln aufweist, die individuell verschieblich in den Rotorschlitzen gelagert sind. Ein Nockenring innerhalb des Gehäuses umgibt den Rotor und besitzt eine radial nach innen gerichtete Oberfläche, welche eine Führungsbahn für den Gleiteingriff der Flügel bildet und es ist mindestens ein Fluiddruckraum zwischen der Nockenringoberfläche und dem Rotor vorgesehen. Fluidein- und -auslaßkanäle in dem Gehäuse sind mit dem Druckraum verbunden.
• Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, die in Pumpenmotoren und anderen Flügelzellenmaschinen des vorliegenden Charakters nützlich ist, ist ein Nockenmechanismus im Gehäuse in festgelegter Stellung mit Bezug auf den Nockenring montiert und weist eine Oberfläche zur Anlage der radial inneren Kanten der Flügel auf, um die radial äußeren Flügelkanten benachbart zu der Kammringoberfläche zu positionieren. In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung kann dieser Nockenmechanismus die Form eines Paares von Nockenplatten annehmen, welche kontinuierliche und radial gerichtete Oberflächen aufweisen, deren Kontur im wesentlichen identisch mit der Nockenringoberfläche ist und die radial nach innen um einen Abstand versetzt sind, der der radialen Dimension der Rotorflügel entspricht und vorzugsweise ein wenig größer ist. Die Nockenplatten werden von dem Gehäuse getragen und sind in zylindrischen Taschen gelegen, die an axial entgegengesetzten nach außen schauenden Oberflächen des Rotors geformt sind. Demgemäß berühren die Nockenplatten gleichförmig die inneren Kanten der Flügel an axial im Abstand angeordneten Stellen. Ferner sind in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Fluiddruckkammern in dem Rotor benachbart den Ventilschlitzen geformt, so daß der Fluiddruck die Flügel gegen die Nockenringoberfläche während des normalen Betriebes drängt, während die Flügel von den Nockenplattenoberflächen angehoben werden, wodurch der Reibkontakt und der Verschleiß zwischen den Flügeln und den Nockenplattenoberflächen vermieden wird.
• Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Motor für freie Drehung innerhalb des Gehäuses auf einer Stummelachse gelagert, die vollständig von dem Gehäuse umschlossen ist. Der Rotor und der Nockenring bilden mindestens zwei Fluiddruckräume, vorzugsweise zwei Räume, die radial symmetrisch mit Bezug auf die Stummelachse angeordnet sind. Die Maschine bildet so einen Stromteiler vom Flügelzellentyp zur Aufteilung eines Eingangsstromes von unter Druck stehender hydraulischer Flüssigkeit in zwei Ausgangsströme bei vorbestimmten Stromverhältnis, speziell in einem Verhältnis von 1:1 in der bevorzugten Ausführung der Erfindung. Der Druckabfall zwischen Ein- und Auslaß ist weitgehend reduziert, verglichen mit vorbekannten Einrichtungen für einen ähnlichen Zweck.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Die Erfindung mit zusätzlichen Zielen, Merkmalen und Vorteilen wird am besten aus der nachfolgenden Beschreibung, den angefügten Ansprüchen und der begleitenden Zeichnung verständlich. Dabei zeigt:
• Fig. 1 eine schematische Darstellung eines hydraulischen Flüssigkeitsstromteilers vom Flügelzellentyp gemäß vorliegender bevorzugter Ausführungsform der Erfindung,
• Fig. 2 eine Endseitenansicht des Stromaufteilers gemäß der Erfindung,
• Fig. 3 ein Schnitt entlang im wesentlichen entlang der Linie 3-3 in Fig. 2, und
• Fig. 4 einen Schnitt entlang im wesentlichen entlang der Linie 4-4 in Fig. 3.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
• Fig. 1 stellt schematisch eine Druck ausgeglichene hydraulische Drehkolbenmaschine 10 vom Flügelzellentyp mit zwei sichelförmigen Räumen dar, die einen Rotor aufweist, der auf einer Welle 14 drehbar gelagert ist. Der Rotor 12 besitzt einen kreisförmigen Umriß und in Umfangsrichtung eine Anordnung von radial gerichteten Schlitzen 16, in welchen eine entsprechende Mehrzahl von Flügel 18 radial verschieblich angeordnet sind. Ein Nockenring 20 umgibt den Rotor 12 radial und weist eine radial nach innen gerichtete Nockenringoberfläche 22 auf, die mit dem Rotor 12 und den Flügeln 18 zusammenarbeitet, um zwei sich gegenüberstehende Fluidräume 24, 26 zu bilden. Die hydraulische Flüssigkeit wird von einem Einlaß 28 zu zwei Einlaßöffnungen 30, 32 geliefert, die in Verbindung mit den Räumen 24, 26 stehen und die jeweiligen Räume kommunizieren auch durch Auslaßöffnungen 34, 36 und Überströmkanäle 35, 37 mit den jeweiligen Fluidauslässen 38, 40. Eine Kammer ist im Rotor 12 unterhalb jedes Schlitzes 16 geformt und steht mit den Öffnungen 30, 32 in Verbindung, so daß der hydraulische Fluiddruck die Flügel 18 radial nach außen gegen die Oberfläche 22 des Nockenringes 20 drängt. Bis zum insofern beschriebenen Ausmaß (mit der Ausnahme der getrennten Auslässe 38, 40) ist die Maschine 10 von im großen und ganzen bekannter Ausbildung und kann entweder als Pumpe arbeiten, wobei der Rotor 12 in Richtung 42 durch die Welle 14 angetrieben wird und Pumpenflüssigkeit vom Niederdruckeinlaß 28 zu den Hochdruckauslässen 38, 40 gefördert wird, oder als Motor, in welchem der Fluidstrom vom Hochdruckeinlaß 28 zu den Niederdruckauslässe 38, 40 den Rotor 12 und die Welle 14 in Richtung 42 antreibt.
• Gemäß einem ersten bedeutsamen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Nockenplatte 46 (Fig. 1) in fester Stellung relativ zum Nockenring und die Welle 14 umgebend angeordnet. Die Nockenplatte 46 weist eine radial nach außen gerichtete Schmalseitenoberfläche 48 auf, welche die radial inneren Kanten der Flügel 18 berührt und im wesentlichen die gleiche Kontur, jedoch in der Größe reduziert der gegenüberliegenden Oberfläche 22 des Nockenringes 20 entspricht. Die Nockenringoberfläche 48 hält von der Nockenringoberfläche 22 einen Abstand ein, der etwas größer als die radiale Abmessung der Flügel 18 ist. Die Nockenplatte 46 positioniert daher die Flügel 18 radial benachbart der Oberfläche 22 des Nockenringes 20 bei allen Stellungen des Rotors 12. Die Flügel nehmen daher automatisch eine Stellung ein, in welcher die Räume 24, 26 beim Anlauf der Maschine im wesentlichen abgedichtet werden und die Verschiebung der Flügel 18 beim radialen Stoß auf die Nockenringoberfläche 22 ist minimal, wenn der Fluiddruck den Kammern 44 zugeführt wird. Wenn jedoch der Fluiddruck in den Kammern 44 anliegt, werden die Flügel 18 gegen die Nockenringoberfläche 22 gedrängt, so daß die inneren Kanten von der Oberfläche 48 der Nockenplatte 46 frei kommen, wobei die Gleitreibung und der Verschleiß zwischen den Flügeln und der Nockenplattenoberfläche reduziert werden. Gemäß einem zweiten wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Rotor 12 nicht drehbar mit der Welle 14 gekoppelt, sondern dreht sich frei zu dieser, während die Welle 14 vollständig innerhalb des umgebenden Gehäuses eingeschlossen ist. Die Maschine 10 bildet somit einen Stromteiler zur Aufteilung des Eingangsfluidstroms am Einlaß 28 in getrennte Auslaßströme bei den Auslässen 38, 40.
• Die Fig. 2 bis 4 stellen eine zur Zeit bevorzugte Ausführungsform der hydraulischen Drehkolbenmaschine als Stromteiler 10 dar. Die Bezugszeichen in Fig. 2 bis 4 sind identisch mit denen in der schematischen Darstellung nach Fig. 1 für sich entsprechende Elemente. Der Rotor 12 ist frei drehbar auf der Stummelachse 14, die mit einer Schraube 50 an der Deckelplatte 52 des Maschinengehäuses 54 befestigt ist. Eine Ringscheibe 56 arbeitet mit der Schraube 50 zusammen, um eine Rückseitenplatte 58 festzuhalten, wobei der Nockenring 20 zwischen der Rückseitenplatte 58 und der Deckelplatte 52 zwischengefügt ist, um den Rotorhohlraum zu bilden. Die Rückseitenplatte 58 und der Nockenring 20 werden von einem topfförmigen Gehäuse 60 umgeben, welches durch Schraubbolzen 62 an der Deckelplatte 52 befestigt ist, um das Gehäuse 54 zu komplettieren. Getrennte ringförmige Räume 61, 63 werden zwischen dem Gehäuse 60 und der Platte 58 gebildet, um die jeweiligen Auslaßströme zu den Auslässen 38, 40 zu fördern. Die Deckelplatte 52 und die Rückseitenplatte 58 weisen sich gegenüberstehende ebene Oberflächen 53, 59 auf, in denen axial nach außen gerichtete ebene Oberflächen 13, 15 des Rotors 12 gegenüberstehen. Eine Nockenplatte 46 ist auf der dem Rotor gegenüberstehenden Oberfläche jeder Platte 52, 58 montiert und dort durch die Stege 64 gehalten. Jede Nockenplatte wird daher in einer im wesentlichen zylindrischen Tasche 74 (Fig. 4) in der gegenüberliegenden Rotoroberfläche positioniert, wobei die äußere Schmalseitenoberfläche 48 jeder Nockenplatte 48 an den gegenüberliegenden inneren Kanten der Flügel 18 anliegt, wie zuvor beschrieben.
• Der Einlaß 28 (Fig. 1 und 2) steht mit den Öffnungen 30, 32 in Verbindungen,wie zuvor beschrieben, und daher über einen Kanal 66 (Fig. 3) mit einem abgedichteten Raum 68 in der Rückseitenplatte 58. Ein Kanal 70 erstreckt sich vom Raum 68 zu einem ringförmigen Kanal 72 auf der dem Rotor gegenüberliegenden Oberfläche der Rückseitenplatte 68, um einen hydraulischen Klemmechanismus zu bilden und die Rückseitenplatte 68 am Nockenring 22 und am Deckel 52 zu halten. Der Kanal 72 erstreckt sich in einem Radius von der Drehachse des Rotors 12 entsprechend der radialen Position der Fluidkammern 44 und fördert somit Fluid mit im wesentlichen Einlaßdruck zu den Rotorkammern 44, um die Flügel 18 radial nach außen gegen die Nockenringoberfläche 22 zu drängen.
• Anstelle einer hydraulischen Drehkolbenmaschine 10 vom doppelwangigen Flügelzellentyp, der zwei Fluidverschiebungsräume 24, 26 aufweist, können auch vielwangige Maschinen verwendet werden, um drei oder vier etc. Fluidverschiebungsräume zu schaffen. In solchen Fällen werden die Ein- und Auslaßkanäle gemäß der Anzahl der Wangen multipliziert. Der Einlaßstrom wird dann in drei oder vier usw. Auslaßströme aufgeteilt. Die Räume sind normalerweise gleich groß, wonach auch die Ströme in ihrer Größe gleich sind. Es ist jedoch auch möglich, die Volumina der Räume unterschiedlich zu machen, um so ein gewünschtes, vorbestimmtes Stromverhältnis zwischen den Auslaßströmen zu erzeugen.

Claims (5)

1. Hydraulische Drehkolbenmaschine mit folgenden Merkmalen: ein Gehäuse (54);

ein Rotor (12) ist zur Drehung innerhalb des Gehäuses gelagert und weist eine Mehrzahl von radial sich erstreckenden peripheren Schlitzen (16) auf, die jeweils in einer Unterflügelkammer (44) enden;

eine Mehrzahl von Flügel (18) sind individuell in den Schlitzen (16) verschieblich gelagert und weisen eine vorbestimmte radiale Dimension auf;

ein Nockenring (20) innerhalb des Gehäuses (54) umgibt den Rotor (12) und weist eine radial nach innen gerichtete Flügelbahnoberfläche (22) auf;

mindestens ein Fluidverschiebungsraum (24, 26) ist zwischen der Flügelbahnoberfläche (22) und dem Rotor (12) vorgesehen;

Fluideinlaß- (30, 32) und Auslaß- (34, 36) Einrichtungen sind in dem Gehäuse (54) hydraulisch mit mindestens dem einen Raum (24, 26) verbunden;

eine Nockeneinrichtung (46) ist innerhalb des Gehäuses in fester Stellung innerhalb des Nockenrings (20) montiert und weist eine radial nach außen gerichtete Nockenoberfläche (48) auf, die während des Nichtbetriebes der Maschine oder im Fall von Fluktuation oder Druckverlust wirksam wird, um an den inneren Enden der Flügel (18) anzugreifen und die äußeren radialen Enden benachbart, jedoch mit einem bestimmten Abstand von der Nockenringoberfläche (22) zu positionieren; das Gehäuse (54) weist eine Einrichtung (70, 72) zur Zuführung von unter Druck stehendem Fluid zu den Unterflügelkammern (44) auf, um die Flügel (18) von der Nockenoberfläche (48) anzuheben und die äußeren Enden der Flügel (18) gegen die Flügelbahnoberfläche (22) zu drängen, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenoberfläche (48) eine kontinuierliche Kontur mit im wesentlichen der gleichen Form wie die Kontur der Flügelbahnoberfläche (22), jedoch reduziert in ihrer Größe, aufweist, so daß die Nockenoberfläche (48) von der Flügelbahnoberfläche (22) um einen im wesentlichen gleichförmigen Abstand angeordnet ist, der ein wenig größer als die radiale Abmessung der Flügel (18) ist.

2. Maschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (2) eine im wesentlichen ebene Seitenfläche und eine in der Seitenfläche geformte Tasche aufweist, daß das Gehäuse eine Einrichtung zur Bildung einer im wesentlichen flachen Seite gegenüber der Rotorseitenfläche aufweist und daß die Nockeneinrichtung (46) eine flache Nockenplatte umfaßt, die an dem Gehäuse (54) befestigt und in der Tasche gelegen ist.

3. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12) zwei im wesentlichen ebene Seitenflächen (13, 15) aufweist, die jeweils im wesentlichen kreisförmige, axial nach außen sich öffnende und darin eingeformte Taschen (54) aufweisen, daß das Gehäuse (54) eine Einrichtung zur Bildung von flachen Seiten (53, 59) aufweist, die diesen Seitenflächen (13, 15) gegenüberstehen und daß die Nockeneinrichtung (46) zwei im wesentlichen identische Platten aufweist, die an dem Gehäuse (54) befestigt sind und jeweils in einer der Taschen (74) zum hinsichtlich Druck ausgeglichenen Eingriff an den radial inneren Enden der Flügel (18) gelegen sind.

4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, zur Aufteilung eines Eingangsstroms von hydraulischem Fluid in mindestens zwei Ausgangsströme bei vorbestimmtem Stromverhältnis, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12) zur freien Drehung innerhalb des Gehäuses (54) auf einer Stummelachse (14) gelagert ist, die vollständig von dem Gehäuse (54) umschlossen ist, daß die Maschine mindestens zwei Stromverschiebungsräume (24, 26) zwischen der Flügelbahnoberfläche (22) und dem Rotor (12) aufweist, daß eine Einrichtung (28, 30, 32) in dem Gehäuse (54) zur Förderung des Eingangsstromes an unter Druck stehendem hydraulischen Fluid zu den Räumen (24, 26) und eine Einrichtung (34, 36, 38, 40) in dem Gehäuse zur Lieferung mindestens zweier Auslaßströme aus den Räumen (24, 26) vorgesehen sind.

5. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12) und der Nockenring (20) so konstruiert und angeordnet sind, daß zwei (24, 26) der Räume radial symmetrisch mit Bezug auf die Stummelachse (14) angeordnet sind.