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Ringkolbenmaschine
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Die Erfindung betrifft eine Ringkolbenmaschine mit einem mit einer
in einem Gehäuse drehbar gelagerten Welle drehfest, aber axial verschieblich verbundenen
verzahnten Rotor und einem mit einer Innen- und einer Außenverzahnung versehenen
Ringkolben, dessen Zähnezahl der Innenverzahnung um einen Zahn größer ist als die
des Rotors, so daß zwischen den Zähnen Verdrängungskammern gebildet sind, mit Zu-
und Abflußkanälen in dem Gehäuse, mit einer Stirnscheibe und einer mit Einlaß- und
Auslaßsteueröffnungen versehenen Steuerscheibe, die an dem Rotor und dem Ringkolben
seitlich anliegen, und mit einem mit einer Innenverzahnung versehenen Gehäusering,
dessen Mittellinie mit der
Mittelachse des Rotors zusammenfällt
und auf dessen Inllellverzahnung die Außenverzahnung des von diesem mit Spiel eingef
ten Ringkolbens derart abrollt, daß dessen Mittelachse eine Kreisbewegung um die
feststehende Mittelachse des Rotors beschreibt.
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Eine aus der europäischen Patentveröffentlichung 38 482 bekannte Ringkolbenmaschine
dieser Art ist nicht nur fertigungstechnisch schwierig herstellbar, sie weist zusätzlich
auch den Nachteil auf, daß sich der Rotor und der Ringkolben aufgrund der über deren
Umfang wirkenden unterschiedlichen Drücke nur schwierig abdichten lassen und häufig
im Bereich der Mischreibung mit einem durch diese bedingten erhöhten Verschleiß
laufen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die bekannte Ringkolbenmaschine
derart zu verbessern, daß die durch den Rotor und den Ringkolben gebildeten Verdrängungskammern
gut abgedichtet sind und beide mit möglichst geringer Reibung gegenüber den an diesen
anliegenden Teilen im Gehäuse gelagert sind.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen den
Flanken jeweils einer Seite der miteinander im Eingriff befindlichen Zähne des Gehäuseringes
und der Außenverzahnung des Ringkolbens und den aufeinander abwälzenden Zahnköpfen
und Zahngründen in axialer Richtung verlaufende Kanäle gebildet sind, deren Querschnitt
sich in Drehrichtung verringert. Im Eingriffsbereich der Verzahnungen des Rotors
mit der Innenverzahnung des Ringkolbens, also im Bereich des Drehmomentübertragungspunkts,
wird das Hydrauliköl aus den zwischen den Zahnflanken gebildeten Kammern verdrängt,
so daß die Zahnflanken auseinandergespreizt werden und eine metallische Berührung
der Zahnflanken verhindert wird.
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Zweckmäßigerweise bestehen die Zahnprofile der Außenverzahnung des
Ringkolbens und der Innenverzahnung des Gehäuseringes aus
zykloiden
Verzahnungen, deren Profile so weit verschoben sind, daß an den Zahnflanken die
Kanäle begrenzende Hinterschneidungen entstehen. Diese Kanäle sind durch die anliegenden
Scheiben zu Kammern geschlossen, aus denen die Hydraulikflüssigkeit verdrängt wird.
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Bei Ringkolbenmaschinen erfolgt die Aufsteuerung der Einlaß-und Auslaßsteueröffnungen
über 1800 exzentrisch, so daß dadurch die Steuerscheibe oder Verteilerplatte exzentrisch
aufgespreizt wird. Die Steuerscheibe führt somit eine Taumelbewegung aus, wenn sie
nicht fest eingespannt wird, die eine gute Abdichtung der Verdrängungskammern verhindert.
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Nach einer erfinderischen Weiterbildung ist daher vorgesehen, daß
die Steuerscheibe mit einer konzentrischen Ringnut versehen ist, die in dem an die
Zahnköpfe der Verzahnung des Gehäuserings anschließenden Bereich vorgesehen ist.
Da diese Ringnut mit den Druckkammern in Verbindung ist, wird auf der der Druckseite
gegenüberliegenden Seite ein Druck aufgebaut, der ein Taumeln der Steuerscheibe
weitgehend verhindert. Die Steuerscheibe braucht daher nicht fest im Gehäuse angeordnet
zu werden, sondern kann gleichsam schwimmend gelagert werden, so daß sie sich den
gegebenen Verhältnissen anpaßt. Die Steuerscheibe wird durch das Druckmittel in
den umlaufenden Arbeitskammern umlaufend einseitig mit einem Axialschub beaufschlagt,
der bestrebt ist, aufgrund der exzentrischen Belastung ein Taumeln zu erzeugen.
Durch die Ringnut wird Druckmittel mit Arbeitsdruck in den den Arbeitskammern in
etwa gegenüberliegenden Bereich gefördert, so daß der in diesem Bereich auf die
Steuerscheibe wirkende Axialschub mit gleichem Rhythmus umläuft und ein Taumeln
weitgehend vermieden wird. Dieser Gegendruck baut sich sogar an einem größeren Hebelarm
auf, weil er zwischen der Steuerscheibe und der entsprechenden Stirnseite des Ringkolbens
wirkt.
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Nach einer anderen erfinderischen Weiterbildung ist vorgesehen, daß
eine Ventilplatte durch einen im Gehäuse abgestützten Federring gegen den Rotor
derart angedrückt ist, daß sie bei Überdrücken von diesem abhebt, und daß das Gehäuse
mit Ölabflußleitungen versehen ist. Treten Überdrücke, beispielsweise im Falle eines
plötzlichen Blockierens, auf, wird die Ventilplatte von dem Rotor und dem Ringkolben
abgehoben, so daß die Hydraulikflüssigkeit abfließen kann. Die Ventilplatte wirkt
also bei Überschreiben des höchstzulässigen Drucks als Schockventil oder aber auch
als Druckbegrenzungsventil. Auf zusätzliche Schockventile oder Druckbegrenzungsventile
kann somit verzichtet werden.
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Zweckmäßigerweise wird auch die Ventilscheibe spiegelbildlich zu der
Steuerscheibe mit einer Ringnut verstehen, um diese in der gleichen Weise wie die
Steuerscheibe zu stabilisieren.
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Bei der erfindungsgemäßen Ringkolbenmaschine sind der Rotor und der
Ringkolben zwischen der Steuerscheibe und der Ventilscheibe federnd eingespannt,
so daß die Ventilplatte gleichsam wie ein hydraulischer Kolben wirkt, der die Dichtspalte
zwischen dem Ringkolben und dem Rotor einerseits und der Steuerscheibe und der Ventilplatte
andererseits mit einem Druck abdichtet, der für die Maschine noch nicht schädlich
ist. Treten jedoch Überdrücke auf, hebt die Ventilplatte ab, so daß Beschädigungen
der Maschine verhindert sind.
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Nach einer weiteren erfinderischen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß
das Gehäuse im Bereich eines der Lager der Rotorwelle mit die Ölabführungsleitungen
bildenden Bohrungen versehen ist, die über Rückschlagventile jeweils in die Druckölzuführungs-
und Abführungsleitungen münden und einen so großen Querschnitt aufweisen, daß sich
in diesen aufgrund der Drosselung ein Staudruck aufbaut, der Kavitation in dem über
die Ventilscheibe tretenden
Drucköl verhindert. Müssen im Falle
eines Überdrucks größere Druckölmengen abgeführt werden, können mit allen schädlichen
Folgen;K;avitationserscheinungen auftreten, wenn der Gegendruck nicht groß genug
ist. Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung steigt jedoch mit der Menge des abzuführenden
Drucköls auch der durch dien Staudruck aufgebaute Gegendruck, so daß schädliche
Kavitation vermieden werden kann.
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Nach einer weiteren erfinderischen Weiterentwicklung ist vorgesehen,
daß die auf einer zu der Wellenachse konzentrischen Kreislinie angeordneten Einlaß-
und Auslaßsteueröffnungen paarweise einen größeren bzw. kleineren Abstand voneinander
aufweisen, derart, daß im Bereich des Drehmomentübertragungspunktes keine Einlaß-
und Auslaßsteueröffnungen gleichzeitig aufgesteuert werden. Durch diese Ausgestaltung
wird der Aufspreizdruck zwischen den miteinander im Eingriff befindlichen Zahnflanken,
insbesondere im Bereich des Drehmomentübertragungspunktes, gesteigert, so daß metallische
Berührungen der Verdrängerverzahnungen weitgehend vermieden sind. Gleichzeitig sind
sogenannte Wasserschläge ausgeschlossen, weil das zu verdrängende Druckmittel nicht
blockiert wird. Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung der Ringkolbenmaschine gestattet
es, auf die sonst erforderlichen, der Abdichtung dienenden Steuerscheiben zu verzichten.
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Weiterhin kann der Motor für höhere Drehmomente ausgelegt werden,
weil die Schmierverhältnisse durch den sich daraus ergebenden hydrostatischen Auftrieb
(Aufspreizung der Zahnflanken) verbessert sind.
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Nach einer weiteren erfinderischen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß
der Gehäusering einstückig mit dem Gehäuse bzw. einer Gehäusehälfte ausgebildet
ist und die axialen Bohrungen für die das Gehäuse mit dem Gehäusedeckel bzw. die
die Gehäusehälften verschraubenden Bolzen durch die Zähne der Innenverzahnung des
Gehäuserings
geführt sind. Der konstruktive Aufwand wird durch diese Ausgestaltung verringert.
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Nach einer weiteren erfinderischen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß
die Steuerscheibe mit einem nabenförmigen Fortsatz versehen ist, der im axialen
Abstand Ringnuten aufweist, die abwechselnd über kürzere und längere Bohrungen mit
den zugehörigen Einlaß-und Auslaßsteueröffnungen verbunden sind und die mit Ringnuten
des Gehäuses, in die jeweils die Zu- und Abflußkanäle münden, geschlossene Ringkanäle
bilden. Diese Ausgestaltung gewährleistet eine einfache und gute Zuführung und Abführung
der Hydraulikflüssigkeit zu den Einlaß- und Auslaßsteueröffnungen.
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Nach einer weiteren erfinderischen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß
die durch die Innenverzahnung des Ringkolbens und die Außenverzahnung des Rotors
gebildete Verdrängerverzahnung aus einer zykloiden Verzahnung besteht, deren Profile
so weit verschoben sind, daß die Zahnkopf- und Zahnfußbereiche durch Kreisbogen
gebildet sind, die im Bereich ihrer gemeinsamen Tangente ineinander übergehen. Bei
dieser Ausgestaltung lassen sich die Zahnprofile sehr einfach herstellen, weil sich
die Koordinaten der Verzahnungen in einfacher Weise in einen NC-Fräser eingeben
lassen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der
Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Ringkolbenmaschine
und Fig. 2 einen Schnitt durch die Ringkolbenmaschine längs der Linie II - II in
Fig. 1.
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In den endseitigen topfförmigen Gehäusehälften 1, 2 ist über die Kegelrollenlager
5, 6 die Rotorwelle 7 gelagert. Die Steuerscheibe 9 und die Ventilscheibe 8 sind
durch die beiden Gehäuseteile 1, 2 dadurch in ihrer Endlage gehalten, daß sie mit
entsprechenden Abstütz- und Auflageflächen versehen sind. Der Rotor 3 ist auf der
Welle 7 dadurch drehfest festgelegt, daß diese im Querschnitt eine Polygonform aufweist
und der Rotor mit einer entsprechenden Bohrung versehen ist. Statt dieses Polygonprofils
könnte auch eine Keilwellenverzahnung oder dergleichen vorgesehen werden. Der Rotor
3 ist auf der Rotorwelle begrenzt axial verschieblich. Er ist zwischen der Steuerscheibe
9 und der Ventilplatte 8 dadurch eingespannt, daß die Ventilscheibe 8 gegenüber
dem Gehäuseteil 2 durch eine Ringfeder 10 abgefedert ist.
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Die Ringfeder 10 stützt sich mit ihrem äußeren Bereich auf einer ringförmigen
Gehäuse stufe ab und liegt mit ihrem inneren Bereich an der Rückseite der Ventilscheibe
8 an. Die Federkraft der. Ringfeder 10 ist derart bemessen, daß zwischen dem äußeren
Umfangsbereich der Ventilscheibe und einer ringförmigen Anschlagfläche des Gehäuses
ein Spalt verbleibt.
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Die Rückseite der Ventilscheibe 8 ist gleichsam wie ein Stufenkolben
ausgebildet, wobei der innere Kolbenteil 20, der auf der Ringfeder 10 abgestützt
ist, in eine entsprechende zylindrische Bohrung der Gehäusehälfte 2 eingepaßt und
dieser gegenüber durch eine Ringdichtung 21 abgedichtet ist, damit eine Rückwirkung
des Arbeitsdrucks auf das Kegelrollenlager 6 ausgeschlossen ist.
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Die äußere Ringfläche 22 der stufenkolbenartigen Rückseite der Ventilplatte
8 ist mit dem Arbeitsdruck beaufschlagt, so daß dieser die Einspannung des Rotors
3 unterstützt und die Kraft der Ringfeder 10 entsprechend verringert werden kann.
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Die Steuerscheibe 9 weist auf ihrer Rückseite ebenfalls eine ringkolbenförmige
Fläche 23 auf, die jedoch kleiner ist als die
ringkolbenförmige
Fläche 22 der Ventilscheibe, so ;iß icnicht von der Gehäusehälfte 1 abhebt und der
auf die tellelscheibe wirkende Arbeitsdruck lediglich der Verringerung der Anpressung
dient. Zur Speisung der äußeren Ringkolbenflächen der Ventil- und Steuerscheiben
sind durch Rückschlagventile 24 gesicherte Bohrungen vorgesehen, die mit den Zu-
und Abflußleitungen 12, 13 in Verbindung stehen.
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Die Steuerscheibe 9 weist einen nabenförmigen Fortsatz 25 auf, der
im axialen Abstand mit Ringnuten 26, 27 versehen ist, die mit entsprechenden Ringnuten
28, 29 der Gehäusehälfte 1 geschlossene Ringkanäle bilden. Die in der Gehäusehälfte
1 vorgesehenen Ringnuten 28, 29 sind durch die Zu- und Abflußleitllngen 12, 13 in
der dargestellten Weise angeschnitten.
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Der Gehäuseinnenraum ist im Bereich des Kegelrollenlagers 5 mit Bohrungen
30, 31 verstehen, die über durch Rückschlagventile 32, 33 gesicherte Leitungen 34,
35 in die Zu- und Abflußleitungen 12, 13 münden. Weiterhin ist das Polygonprofil
der Welle 7 mit einer axial verlaufenden Nut 36 verstehen, so daß eine Verbindung
zu dem Gehäuseraum hinter der Ventilscheibe 20 hergestellt ist.
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Wird die Ventilscheibe bei auftretenden Überdrücken von dem Rotor
3 und dem Ringkolben 4 abgehoben, kann das überschüssige Druckmittel durch die Nut
36 und die Leitungen 31, 33 und 34, 35 in den betreffenden Abflußkanal zurückfließen,
wobei in dem jeweiligen Kanal 30 oder 31 eine Drosselung in der Weise stattfindet,
daß sich ein schädliche Kavitation verhindernder Gegendruck aufbaut.
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Von besonderer Bedeutung ist, daß sowohl in der Ventilscheibe 8 als
auch in der Steuerscheibe 9 spiegelbildlich zueinander dem Ringkolben 4 zugewandte
Ringnuten vorgesehen sind, die konzentrisch zur Wellenachse 7 im Bereich der Zahnköpfe
der in er (;-häusehälfte 2 vorgesehenen Außenverzahnung 39 vorgesellell sind.
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Diese Ringnuten 37, 38 dienen dem Druckaufbau zwischen der Ventilscheibe
37 bzw. der Steuer scheibe 38 und dem Ringkolben 4 in dem den Verdrängungskammern
gegenüberliegenden Bereich.
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Die Einlaß- und Auslaßsteueröffnungen 40, 41, die zu ihrer Verbindung
mit den entsprechenden Ringkanälen unterschiedliche Tiefen aufweisen, sind, wie
aus Fig. 2 ersichtlich ist, paarweise in Umfangsrichtung in geringerem und weiteren
Abstand voneinander angeordnet. Diese Anordnung dient der Aufspreizung der Zahnflanken
der Verdrängerverzahnungen im Bereich des Drehmomentenabstützpunkts D und sie verhindern,
daß das Druckmittel über die durch das Zahnflankenspiel sich einstellenden Kanäle
von der Druckseite auf die Saugseite fließen kann.
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Die Gehäusehälften 1, 2 sind durch Bolzen 42 miteinander verschraubt,
die durch Bohrungen der Zähne 39 der Außenverzahnung hindurchgeführt sind.
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Das Druckmittel, das sich in den auf der durch den Doppelpfeil A gekennzeichneten
Druckseite befindlichen Verdrängungskammern befindet, ist bestrebt, den Ringkolben
4 in Richtung des Pfeils B zu verschieben. Dabei stützt sich der Ringkolben in dem
durch den Doppelpfeil C gekennzeichneten Bereich mit den Flanken seiner Verzahnung
auf den Gegenflanken der Verzahnung des Gehäuses ab. Andererseits stützt sich der
Ringkolben mit seiner Innenverzahnung wälzend auf der Verzahnung im Bereich des
Doppelpfeils 1) des Rotors ab, so daß die durch das Druckmittel erzeugte resultierende
i)ruckkraft an dem Hebelarm F des Rotors ein Drehmoment erzeugt.
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Die Steuerscheibe 9 weist auf ihrer Rückseite ebenfalls eine ringkolbenförmige
Fläche 23 auf, die jedoch kleiner ist als die ringkolbenförmige Fläche 22 der Ventilscheibe,
so daß diese nicht von der Gehäusehälfte 1 abhebt und der auf die Steuerscheibe
wirkende
Arbeitsdruck lediglich der Verringerung der Anpressung dient. Zur Speisung der äußeren
Ringkolbenflächen der Ventil- und Steuerscheiben sind durch Rückschlagventile 24
gesicherte Bohrungen vorgesehen, die mit den Zu- und Abflußleitungen 12, 13 in Verbindung
stehen.
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Die Steuerscheibe 9 weist einen nabenförmigen Fortsatz Z iiif>
der im axialen Abstand mit Ringnuten 26, 27 versehen ist, die mit entsprechenden
Ringnuten 28, 29 der Gehäusehälfte 1 geschlos sene Ringkanäle bilden. Die in der
Gehäusehälfte 1 vorgesehenen Ringnuten 28, 29 sind durch die Zu- und Abflußleitungen
12, 13 in der dargestellten Weise angeschnitten.
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Der Gehäuseinnenraum ist im Bereich des Kegelrollenlagers 5 mit Bohrungen
30, 31 verstehen, die über durch Rückschlagventile 32, 33 gesicherte Leitungen 34,
35 in die Zu- und Abflußleitungen 12, 13 münden. Weiterhin ist das Polygonprofil
der Welle 7 mit einer axial verlaufenden Nut 36 verstehen, so daß eine Verbindung
zu dem Gehäuseraum hinter der Ventilscheibe 20 hergestellt ist.
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Wird die Ventilscheibe bei auftretenden Überdrücken von dem Rotor
3 und dem Ringkolben 4 abgehoben, kann das überschüssige Druckmittel durch die Nut
36 und die Leitungen 31, 33 und 34, 35 in den betreffenden Abflußkanal zurückfließen,
wobei in dem jeweiligen Kanal 30 oder 31 eine Drosselung in der Weise stattfindet,
daß sich ein schädliche Kavitation verhindernder Gegendruck aufbaut.
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Von besonderer Bedeutung ist, daß sowohl in der Ventilscheibe 8 als
auch in der Steuerscheibe 9 spiegelbildlich zueinander den Ringkolben 4 zugewandte
Ringnuten vorgesehen sind, die konzentrisch zur Wellenachse 7 im Bereich der Zahnköpfe
der in der Gehäusehälfte 2 vorgesehenen Außenverzahnung 39 vorgesehen sind.
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Diese Ringnuten 37, 38 dienen dem Druckaufbau zwischen der Ventilscheibe
37 bzw. der Steuerscheibe 38 und dem Ringkolben 4 in
dem den Verdrängungskammern
gegenüberliegenden Bereich.
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Die Einlaß- und Auslaßsteueröffnungen 40, 41, die zu ihrer Verbindung
mit den entsprechenden Ringkanälen unterschiedliche Tiefen aufweisen, sind, wie
aus Fig. 2 ersichtlich ist, paarweise in Umfangsrichtung in geringerem und weiteren
Abstand voneinander angeordnet. Diese Anordnung dient der Aufspreizung der Zahnflanken
der Verdrängerverzahnungen im Bereich des Drehmomentenabstützpunkts D und sie verhindern,
daß das Druckmittel über die durch das Zahnflankenspiel sich einstellenden Kanäle
von der Druckseite auf die Saugseite fließen kann.
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Die Gehäusehälften 1, 2 sind durch Bolzen 42 miteinander verschraubt,
die durch Bohrungen der Zähne 39 der Außenverzahnung hindurchgeführt sind.
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Das Druckmittel, das sich in den auf der durch den Doppelpfeil A gekennzeichneten
Druckseite befindlichen Verdrängungskammern befindet, ist bestrebt, den Ringkolben
4 in Richtung des Pfeils B zu verschieben. Dabei stützt sich der Ringkolben in dem
durch den Doppelpfeil C gekennzeichneten Bereich mit den Flanken seiner Verzahnung
auf den Gegenflanken der Verzahnung des Gehäuses ab. Andererseits stützt sich der
Ringkolben mit seiner Innenverzahnung wälzend auf der Verzahnung im Bereich des
Doppelpfeils D des Rotors ab, so daß die durch das Druckmittel erzeugte resultierende
Druckkraft an dem Hebelarm F des Rotors ein Drehmoment erzeugt.
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