EP2188496B1 - Druckluftmotor - Google Patents
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- F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
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- F01C3/085—Rotary-piston machines or engines with non-parallel axes of movement of co-operating members the axes being arranged otherwise than at an angle of 90 degrees of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing the axes of cooperating members being on the same plane
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- F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
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- F01C1/08—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing
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- F01C1/084—Toothed wheels
-
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- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04C2240/00—Components
- F04C2240/50—Bearings
Definitions
- the invention relates to a compressed air driven air motor according to the preamble of claim 1.
- US 3,817,666 is considered to be the closest prior art.
- compressed air motor compressed air motor
- compressed air motor with a rotating, an output shaft actuated rotor has in the manner of a vane cell unit by springs or centrifugal force radially pressed against the wall vanes, as is also known in air compressors in a variety of ways ( DE OS 31 17 412 A1 ).
- the disadvantage of this type of drive is that the sealing wings in the direction of the rotating shaft rotor have a rectangular surface contact with the housing wall on which they slide along, with the disadvantage that it is extremely difficult here to achieve low friction and corresponding tightness quite apart from the disadvantages of extremely high production costs and problems with wear due to sealing and lubrication, which of course has a direct effect on the life, or the decreasing efficiency of the air motor with a corresponding duration of use.
- the compressed air driven drive motor should also there for compressed air tools, eg. B. grinder, use, which is known to be less important to the actual drive quality, but on the life.
- housing wall and rotary piston coating should be elastic to compensate for this known disadvantage, but this is associated with a corresponding effort.
- a rotary piston rotary engine, a machine tool, or a drill spindle to drive.
- the elastic design of such rotary piston set significant limits, since the rotary pistons rub on the housing wall and not roll, resulting in an elastic intermediate area to a strong braking effect, or a significant loss of rotational forces, or the torque to the output shaft of the Air motor leads.
- This unit can serve to implement the mechanical rotational energy in a high-speed generator, as used for example not only in dental technology and in which the rotor is rotationally coupled to the serving as a shaft rotor rotary piston.
- the working space of the shaft rotor limiting the working space except the housing on a spur gear toothing, which is provided except on the shaft rotor on a same with the teeth and therefore correspondingly toothed counter rotor whose axis of rotation to the shaft rotor has a certain angle but has the same direction of rotation as the shaft rotor, wherein the intermeshing toothing is formed as Trochoidenvertechnikung.
- both rotors are each arranged on a rolling bearing, wherein the rolling bearings are supported in the housing of the motor and wherein at least one rolling bearing in the housing in the direction of the axis of rotation including the rotor is axially adjustable.
- the rolling bearings provided for supporting the shaft rotor and the counter rotor are supported in the housing of the engine. Smooth running is particularly important for pneumatically operated units, whereby the lubrication of the bearing is a not inconsiderable problem here, which may be one of the reasons for the bias of the experts.
- the rolling bearing of the shaft rotor is supported in the housing by a screwed in the direction of the rotation axis support nut.
- the rolling bearing of the counter-rotor is arranged in the housing and supported by a housing closing the support plug.
- the inlet channel is distributed over a certain angle of rotation, narrower but in the direction of rotation extending widening, according to the pressure side formed between the rotors narrow opening to the working space.
- the outlet channel is distributed over a certain angle of rotation for degradation relatively widely formed according to the this point to the outlet channel wide open working space.
- the working space can be open to the outside, since the energy input to the compressed air has already been used up.
- a housing 1 namely a shaft rotor 2 and a Counter rotor 3, which engage with frontally arranged teeth 4 and 5 corresponding to each other and thereby limit with the housing 1 engine working spaces 6.
- the axis of rotation of the shaft rotor 2 is denoted by I, the axis of rotation of the counter rotor 3 with II.
- the two axes of rotation I and II enclose an angle ⁇ ⁇ 180 °, so that upon rotation of the rotors 2 and 3, the engine working spaces 6 correspondingly increase, respectively zoom out.
- the in Fig. 1 shown longitudinal section through the air motor passes through these two axes of rotation I and II.
- the housing 1 has inside for receiving the rotors on a cylindrical portion 7 and a spherical portion 8, wherein the latter merges into a cylindrical portion 9 for receiving the bearing of the counter-rotor 3 and corresponding to its offset center axis II.
- the counter-rotor 3 is mounted on a roller bearing 10th rotatably mounted, which is arranged clamped by a support plug 11 in the cylindrical portion 9 of the housing 1.
- the support plug 11 is screwed into the housing 1 for fastening the roller bearing 10.
- a spherical bearing surface 12 is provided, which at the same time also forms the engine working spaces 6 formed by the front teeth 4 and 5 of the rotors separates each other.
- a cycloidal toothing is provided with the known advantages (US Pat. DE PS 42 41 320 C2 ).
- the actual power part forming wave rotor 2 is also rotatably mounted on a roller bearing 13, which is supported by a support nut 14, on the one hand in the cylindrical portion 7 of the housing 1 is guided, but on the other hand there is screwed via a thread 15 in the housing 1.
- the shaft rotor 2 also has a coupling opening 16 for receiving a rotary coupling, not shown, to the rotational movement transfer.
- a flange 17 is arranged to fasten a driven unit according to.
- a flange 18 is provided for connection to the compressed air inlet in a still at this point engine working space.
- the housing is on the one hand opposite to in Fig. 1 shown section rotated by 90 ° and also formed cylindrical over the entire length.
- the axes of rotation I and II coincide in the representation, which only as a perspective but also in Fig. 4 is recognizable.
- the ones in Fig. 1 corresponding things are with the same reference number as in Fig. 1 and distinguished by an index stroke.
- only one housing is shown as a variant, wherein the in Fig. 2 shown bleed serve to illustrate the outlet 19 after utilizing the compressed air, ie after their relaxation.
- a connection bore 20 provided for the inlet of the compressed air in the not shown here but opposite at this point small pump working space 4.
- a corresponding large outlet opening 19 provided to achieve an actual relaxation of the compressed air.
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Description
- Die Erfindung geht aus von einem druckluftangetriebenen Luftmotor nach der Gattung des Anspruchs 1.
US 3 817 666 wird als nächsten Stand der Technik angesehen. - Es ist ein Druckluftmotor mit fluidisch betätigbarem Drehantrieb bekannt, bei dem Druckluftenergie in mechanische Drehenergie gewandelt wird, indem ein druckluftbeaufschlagter Schwenkkolben eine hin- und hergehende Schwenkbewegung in eine Drehbewegung einer Abtriebswelle umsetzt, unter Einsatz einer Freilaufkupplung zwischen Schwenkkolben und Abtriebswelle, wobei die Vorteile eines Luftmotors gegenüber einem Elektromotor hervorgehoben sind (
DE G 93 20 601 ). Die bei diesem Druckluftmotor durch Druckluft erzeugte rotative Bewegung ist jedoch nachteiligerweise nicht kontinuierlich sondern entsprechend der Bewegung des Schwenkkolbens und dem Einsatz der Freilaufkupplung je nach Drehwiderstand ungleichmäßig. Ein anderer Nachteil dieses bekannten Schwenkkolbenluftmotors besteht in dem aufwendigen komplizierten Aufbau und der außerdem erforderlichen Freilaufkupplung, bzw. der hiermit verbundenen verhältnismäßig großen Abnutzung der einzelnen Motorteile. Außerdem ist die Herstellung eines solchen Druckluftmotors außerordentlich aufwendig, wodurch er auch entsprechend teuer wird. - Ein anderer bekannter druckluftbetriebener Antriebsmotor (Druckluftmotor) mit allerdings einem umlaufenden, eine Abtriebswelle betätigenden Rotor, weist in Art eines Flügelzellenaggregats durch Federn oder Fliehkraft radial an die Wand gepresste Flügelzellen auf, wie es auch bei Luftverdichtern in vielfältiger Weise bekannt ist (
DE OS 31 17 412 A1 - Bei wieder einem anderen bekannten Druckluftmotor (
DE OS 196 13 262 A1 - Ein Hauptproblem von Druckluftmotoren, die die Strömungsenergie der Druckluft in Drehenergie einer Welle umsetzen besteht in der Qualität dieser Umsetzung, nämlich inwieweit die eine Energie in die andere mit möglichst geringen Verlusten umsetzbar ist. Hier wurden vom Fachmann Flügelzellenpumpen bevorzugt, weil sowohl die Reibung als auch die innere Dichtheit der Arbeiträume übersehbar schien und vor allem diese grundsätzlichen für den Wirkungsgrad entscheidenden Merkmale durch Pumpen dieser Art bereits bekannt waren.
- Dem erfindungsgemäßen Druckluftmotor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 stand deshalb eine Voreingenommenheit der Fachwelt entgegen.
- Für den Fachmann war es nicht vorstellbar, dass eine Stirnzahnradpumpe als Druckluftmotor dienen könne, da die Druckluft in Art ihres Angriffs auf die Arbeitsflächen des Motors, also insbesondere in den Arbeitsräumen, kompensierend wirken würde, wobei zwar in der Praxis Pneumatikmotoren als Möglichkeit angedeutet wurden (
DE 42 41 320 C2 ), aber in der Praxis wegen der genannten Voreingenommenheit nicht gebaut wurden. Gründen bestanden außerdem darin, dass die bekannten Druckluftmotoren entweder beim Rotationsantrieb Schwankungen aufwiesen oder den erforderlichen Drehmomenten nicht zu genügen schienen. Es ist auch ein anderer Motor auf Drehkolbenbasis beschrieben (US 3,856,440 ) mit Stirnverzahnung aufweisenden Drehkolben, wobei die Zähne eine zykloidische Abwicklung der Lauffläche aufweisen, so dass eine Motorwirkung mit Abtriebsaufgabe entstehen könnte. An eine Umwandlung von Druckluftenergie in mechanische Drehenergie für bestimmte Zwecke ist aber nicht gedacht und auch nicht vorbeschrieben, und aufgrund des häufig Vorhandenseins von Druckluftenergie und vor allem auch bei dem grundsätzlich vorhandenen Bedarf an mechanischer Drehenergie auch nicht nahegelegt. Der Fachmann denkt bei Druckluftmotoren, die eine Umkehrung zu Pumpen und Verdichtern aufweisen, vor allem an rotierende Teile, deren vom Antriebsmedium beaufschlagte Flächen bezüglich der Drehachse eine Hebelwirkung in Drehrichtung aufweisen, wie beispielsweise eine Flügelzelleneinrichtung. Hierbei wird meist nicht beachtet, dass der dem Antriebsflügel folgende, den Arbeitsraum abschließende nächste Flügel eine der Drehrichtung teilweise entgegenwirkende Kraft erzeugt. Diese in Bezug auf die Drehrichtung negative Wirkung besteht auch bei dem erstgenannten Luftmotor (DE G 93 20 601 ). Obwohl es sich dort nur um relativ geringe Schwankungen bei der erzeugten mechanischen Drehenergie handelt, sind diese Schwankungen bei den heute gegebenen hohen Anforderungen an die Gleichmäßigkeit der Drehqualität bei der Umsetzung in mechanische Drehenergie unvertretbar und nachteilig, besonders im Hochdrehzahlbereich, z. B. für Zahnbehandlungsgeräte. - In jedem Fall wird entgegen der Annahme eines Fachmannes überraschenderweise auch aufgrund der günstigen Verdrehanordnung bei einer solchen Stirnverzahnung und der Gestaltungsfreiheit der Abluftöffnung ein außerordentlich hoher Wirkungsgrad erreicht, d. h. die besonders in manchen Einsatzbereichen angestrebte hohe Drehzahl wird bei der Erfindung überraschend erzielt, wobei vor allem die Verluste der meist nur begrenzt vorhandenen Druckluft auf ein Minimum reduzierbar sind.
- Dieses Aggregat kann zur Umsetzung der mechanischen Drehenergie bei einem Hochdrehzahlgenerator dienen, wie er beispielsweise nicht nur in der Dentaltechnik gebraucht wird und bei dem der Läufer mit dem als Wellenrotor dienenden Drehkolben drehschlüssig gekoppelt ist.
- Gemäß einem Merkmal des Druckluftmotors weisen die außer dem Gehäuse den Arbeitsraum begrenzenden Arbeitsflächen des Wellenrotors eine Stirnverzahnung auf, die außer auf dem Wellenrotor auf einem mit den Zähnen desselben zusammenwirkenden und deshalb entsprechend verzahnten Gegenrotor vorgesehen ist, dessen Drehachse zu der des Wellenrotors einen bestimmten Winkel aufweist, aber die gleiche Drehrichtung aufweist, wie der Wellenrotor, wobei die ineinandergreifende Verzahnung als Trochoidenverzahnung ausgebildet ist. Auch diese Vorgabe steht in einem gewissen Widerspruch zu den Annahmen eines Fachmanns, da Arbeitsräume zwischen Stirnzahnrädern als für Motoren kaum geeignet gelten, besonders bei Trochoidenverzahnungen, bei denen ein weiches Abwickeln der Wände der Zahnräder zum Arbeitsraum gewünscht ist.
- Wie oben erwähnt ist ein solcher Drehkolbenmotor an sich bekannt (
DE OS 42 41 320 A1 - Erfindungsgemäß stützen sich die zur Lagerung des Wellenrotors und des Gegenrotors vorgesehenen Wälzlager im Gehäuse des Motors ab. Besonders bei pneumatisch arbeitenden Aggregaten ist der Leichtlauf wichtig, wobei hier auch die Schmierung der Lagerung ein nicht unerhebliches Problem darstellt, was möglicherweise Mitursache für die Voreingenommenheit der Fachwelt ist.
- Nach einer diesbezügliche vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Wälzlager des Wellenrotors im Gehäuse von einer in Richtung der Drehachse verschraubbaren Stützmutter getragen.
- Nach einer vorteilhaften Gestaltung der Erfindung ist das Wälzlager des Gegenrotors im Gehäuse angeordnet und von einem das Gehäuse verschließenden Stützstopfen getragen.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Einlasskanal über einen bestimmten Verdrehwinkel verteilt, schmäler aber in Drehrichtung sich erweiternd ausgebildet, entsprechend der zwischen den Rotoren druckseitig gebildeten schmalen Öffnung zum Arbeitsraum hin.
- Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Auslasskanal über einen bestimmten Verdrehwinkel verteilt zum Abbau verhältnismäßig weit ausgebildet entsprechend dem an dieser Stelle zum Auslasskanal weit offenen Arbeitsraum. Der Arbeitsraum kann hier nach außen offen sein, da die der Druckluft eingegebene Energie bereits verbraucht ist.
- Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung ist mit einer Variante in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
- Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Längsschnitt entlang den Drehachsen I und II eines Druckluftmotors mit Stirnradverzahnung;
- Fig. 2
- einen Teilschnitt durch die Variante des Pumpengehäuses bei gegenüber
Fig. 1 um 90° verdrehter Lage; - Fig. 3
- einen Schnitt entsprechend der Linie III-III in
Fig. 2 und in einem etwas verkleinertem Maßstab und - Fig. 4
- eine Einsicht in das Gehäuse entsprechend dem Pfeil IV in
Fig. 2 in ebenfalls leicht verkleinertem Maßstab. - Bei dem in
Fig. 1 im Längsschnitt dargestellten durch Druckluft angetriebenen Motor sind in einem Gehäuse 1 zwei als Drehkolben dienende Rotoren gelagert, nämlich ein Wellenrotor 2 und ein Gegenrotor 3, die mit stirnseitig angeordneten Zähnen 4 und 5 entsprechend ineinander greifen und dabei mit dem Gehäuse 1 Motorarbeitsräume 6 begrenzen. Die Drehachse des Wellenrotors 2 ist mit I bezeichnet, die Drehachse vom Gegenrotor 3 mit II. Die beiden Drehachsen I und II schließen einen Winkel α < 180° ein, so dass beim Rotieren der Rotoren 2 und 3 die Motorarbeitsräume 6 sich entsprechend vergrößern, bzw. verkleinern. Der inFig. 1 dargestellte Längsschnitt durch den Luftmotor geht durch diese beiden Drehachsen I und II. - Das Gehäuse 1 weist innen zur Aufnahme der Rotoren einen zylindrischen Abschnitt 7 und einen sphärischen Abschnitt 8 auf, wobei Letzterer in einen zylindrischen Abschnitt 9 übergeht zur Aufnahme der Lagerung des Gegenrotors 3 und entsprechend dessen versetzter Mittelachse II. Der Gegenrotor 3 ist auf einem Wälzlager 10 drehgelagert, welches durch einen Stützstopfen 11 eingespannt im zylindrischen Abschnitt 9 des Gehäuses 1 angeordnet ist. Der Stützstopfen 11 ist zur Befestigung des Wälzlagers 10 in das Gehäuse 1 eingeschraubt.
- Zwischen den Rotoren ist, um die aufgrund des Winkels α zwischen den Drehachsen I und II sich beim Rotieren ergebenden pendelnden Bewegung zwischen den Rotoren zu ermöglichen, eine kugelige Auflagefläche 12 vorgesehen, die auch gleichzeitig die durch die Stirnzähne 4 und 5 der Rotoren gebildeten Motorarbeitsräume 6 voneinander trennt. Bei den Stirnzähnen 4 und 5 ist eine zykloide Verzahnung vorgesehen mit den bekannten Vorteilen (
DE PS 42 41 320 C2 - Bei der in den
Fig. 2 bis 4 dargestellten Variante des Luftmotors ist das Gehäuse einerseits gegenüber dem inFig. 1 dargestellten Schnitt um 90° verdreht dargestellt und außerdem über die gesamte Länge zylindrisch ausgebildet. Hierdurch fallen die Drehachsen I und II bei der Darstellung ineinander, was lediglich als Perspektive aber auch inFig. 4 erkennbar ist. Die denen inFig. 1 entsprechenden Dinge sind mit der gleichen Bezugszahl wie inFig. 1 versehen und durch einen Indexstrich unterschieden. Es ist allerdings nur ein Gehäuse als Variante dargestellt, wobei der inFig. 2 gezeigte Anschnitt dazu dienen soll die Auslassöffnung 19 nach Ausnutzung der Druckluft, d. h. nach deren Entspannung, zu verdeutlichen. - So ist wie in
Fig. 3 gezeigt im Gehäuse 1 auf der Druckluftseite eine Anschlussbohrung 20 vorgesehen für den Einlass der Druckluft in den hier nicht dargestellten aber gegenüberliegenden an dieser Stelle kleinen Pumpenarbeitsraum 4. Auf der gegenüberliegenden Seite ist im Gehäuse 1 eine entsprechend große Auslassöffnung 19 vorgesehen, um ein tatsächliches Entspannen der Druckluft zu erzielen. Durch die Erfindung wird erreicht, dass mit einem einfachen trochoidenstimverzahnten Drehkolben unter Druck zugeführte Luft und durch deren Entspannen ein Wellenrotor angetrieben wird, der wiederum als Motor dient. -
- 1
- Gehäuse
- 2
- Wellenrotor
- 3
- Gegenrotor
- 4
- Stirnzähne
- 5
- Stirnzähne
- 6
- Motorarbeitsraum
- 7
- zylindrischer Abschnitt
- 8
- sphärischer Abschnitt
- 9
- zylindrischer Abschnitt für 3
- 10
- Wälzlager
- 11
- Stützstopfen
- 12
- Auflagefläche
- 13
- Wälzlager
- 14
- Stützmutter
- 15
- Gewinde
- 16
- Kupplungsöffnung
- 17
- Flansch
- 18
- Flansch Einlassanschluss
- 19
- Auslassöffnung
- 20
- Anschlussbohrung
-
- I
- Drehachse von
Fig. 2 - II
- Drehachse von
Fig. 3 - α
- zwischen I und II
Claims (5)
- Druckluftmotor, mit einem von Druckluft angetriebenen als Drehkolben arbeitenden Wellenrotor (2), mit einem den Wellenrotor (2) aufnehmenden und mit ihm einen Motorarbeitsraum (6) begrenzenden Gehäuse (1), mit einem Einlassanschluss (18) und einem Auslasskanal (19) des Motorarbeitsraums (6) für die Druckluft bzw. entspannte Abluft, wobei der Wellenrotor (2) mit der Antriebswelle eines mechanischen Drehenergie erzeugenden Aggregats gekoppelt ist, wobei der Wellenrotor (2) zum Motorarbeitsraum (6) hin eine Trochoidenverzahnung aufweist und mit einem in diese Verzahnung eingreifenden, dadurch entsprechend verzahnten und von ihm angetriebenen Gegenrotor (3) zusammenwirkt, wobei aufgrund eines von 180 deg. abweichenden Winkels zwischen den Drehachsen der Rotoren (2, 3) beim Rotieren eine entsprechende Zu- bzw. Abnahme des Volumens des Motorarbeitsraums (6) erfolgt mit entsprechender Entlastung des Luftdrucks und wobei mindestens einer der Rotoren auf einem Wälzlager angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung des Wellenrotors (2) über ein Wälzlager (13) erfolgt und der Gegenrotor auf einem Wälzlager (10) gelagert ist, wobei die Wälzlager (10,13) im Gehäuse des Motors abgestützt sind und wobei mindestens ein Wälzlager (10, 13) im Gehäuse in Richtung der Drehachse (I, II) einschließlich Rotor axial verstellbar ist.
- Druckluftmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (13) des Wellenrotors (2) von einer Stützmutter (14) getragen wird, die am Gehäuse (1) befestigt ist.
- Druckluftmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (10) des Gegenrotors (2) Gehäuse (1) angeordnet ist und von einem das Gehäuse verschließenden Stützstopfen (11) getragen wird.
- Druckluftmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskanal in Verdrehrichtung leicht zunehmend ausgebildet ist und in den auf dieser Seite ein noch geringes Volumen aufweisenden Arbeitsraum mündet.
- Druckluftmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (4) in eine im Gehäuse (1) angeordnete Auslassöffnung (19) übergeht, die einen die vollständige Entspannung der Druckluft ermöglichenden grossen Querschnitt aufweist.
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