Drehkolbenmaschine

Abstract

 Eine Drehkolbenmaschine hat ein Gehäuse und einen Ringkolben, der mit einer relativ zu dem Gehäuse drehbaren Welle (20) drehfest verbunden und in einem zu der Welle (20) koaxialen Ringraum (38) des Gehäuses drehbar und axial verschiebbar geführt ist, wobei die axiale Endfläche des Ringraumes (38) und/oder des Ringkolbens als Wellenfläche (54) mit achsparalleler Amplitude und mindestens einem Wellenberg und einem Wellental ausgebildet ist und wobei an dem der Wellenfläche (54) zugekehrten Stirnende des Ringkolbens oder axialen Ende des Ringraumes mindestens ein zur Anlage an der Wellenfläche (54) bestimmter Wälzkörper (52) mit radial zur Kolbenachse gerichteter Drehachse gelagert ist, somit jeweils einen Einlass- und einen Auslasskanal (18, 19) in dem Gehäuse, die mit dem zwischen dem Ringkolben (22) und der Endfläche des Ringraumes (38) gebildeten Arbeitsraum der Drehkolbenmaschine in Verbindung stehen. Der mindestens eine Wälzkörper (52) ist in einer kolbenfesten oder gehäusefesten Tasche frei drehbar gehalten und stützt sich auf der der Wellenfläche (54) entgegengesetzten Seite an einer Laufscheibe (58) ab, die über ein Wälzkörperlager (60) koaxial zur Kolbenachse drehbar an dem Ringkolben bzw. dem Gehäuse gelagert ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine mit einem Gehäuse und einem Ringkolben, der mit einer relativ zu dem Gehäuse drehbaren Welle drehfest verbunden und in einem zu der Welle koaxialen Ringraum des Gehäuses drehbar und axial verschiebbar geführt ist, wobei die axiale Endfläche des Ringraumes und/oder des Ringkolbens als Wellenfläche mit achsparalleler Amplitude und mindestens einem Wellenberg und einem Wellental ausgebildet ist und wobei an dem der Wellenfläche zugekehrten Stirnende des Kolbens oder axialen Ende des Ringraumes mindestens ein zur Anlage an der Wellenfläche bestimmter Wälzkörper mit radial zur Kolbenachse gerichteter Drehachse gelagert ist, und mit jeweils einem Einlass- und einem Auslasskanal in dem Gehäuse, die mit dem zwischen dem Ringkolben und der Endfläche des Ringraumes gebildeten Arbeitsraum der Drehkolbenmaschine in Verbindung stehen.

[0002] Eine Drehkolbenmaschine der vorstehend genannten Art ist beispielsweise aus der DE 101 56 835 A1 bekannt.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehkolbenmaschine der vorstehend genannten Art so auszubilden, dass die Reibung zwischen dem Ringkolben und dem Gehäuse möglichst gering wird.

[0004] Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der mindestens eine Wälzkörper in einer kolbenfesten oder gehäusefesten Tasche frei drehbar gehalten ist und sich auf der der Wellenfläche entgegengesetzten Seite an einer Laufscheibe abstützt, die über ein Wälzkörperlager koaxial zur Kolbenachse drehbar an dem Ringkolben bzw. dem Gehäuse gelagert ist.

[0005] Durch diese Anordnung wird sichergestellt, dass der Wälzkörper zwischen dem Ringkolben und dem Gehäuse bei einer Relativdrehung dieser beiden Teile stets rollt und damit für eine geringe Reibung zwischen den beiden Teilen sorgt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Drehkolbenmaschine beispielsweise als Pumpe arbeitet und Fluide fördert, die keine oder nur eine sehr geringe schmierende Wirkung haben. Die Tatsache, dass der Wälzkörper in einer Tasche gehalten ist, spielt dabei eine untergeordnete Rolle, da der Wälzkörper nur in einer Richtung parallel zur Kolbenachse und kaum in Umlaufrichtung belastet wird, so dass die Gleitreibungskräfte zwischen dem Wälzkörper und den senkrecht zu der Umlaufrichtung gerichteten Taschenwänden vernachlässigbar sind.

[0006] Das Wälzkörperlager ist zweckmäßigerweise ein Nadellager. Um eventuelle Toleranzen ausgleichen zu können und eine Mindestlaufbelastung des Nadellagers sicherzustellen, ist es zweckmäßig, wenn das Wälzkörperlager zwischen der Laufscheibe und einer achsnormalen Ringscheibe liegt, die gegenüber dem Ringkolben bzw. dem Gehäuse axial gefedert ist. Die Federung kann dabei auf einfache Weise dadurch erzielt werden, dass die Ringscheibe auf einem Ring aus einem elastischen Material liegt.

[0007] Aus Fertigungs- und Montagegründen ist es zweckmäßig, wenn die Tasche in einem Ring ausgebildet ist, der drehfest mit dem Ringkolben oder dem Gehäuse verbindbar ist und dessen axiale Abmessung geringer als der Durchmesser des Wälzkörpers abzüglich der zweifachen Amplitude der Wellenfläche ist. In dem Ring ist auch zweckmäßigerweise mindestens ein Fluidkanal ausgebildet, der sich zwischen einer an der Umfangsfläche des Ringes ausgebildeten Steueröffnung und einer in den Arbeitsraum mündenden Axialöffnung erstreckt.

[0008] Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Gehäuse einen äußeren Zylinder mit einer Einlass- und einer Auslassöffnung sowie einen den Ringraum enthaltenden inneren Zylinder, der in dem äußeren Zylinder stationär eingesetzt ist und in dessen Zylinderwand zwei gegeneinander abgedichtete, nach radial außen offene Aussparungen ausgebildet sind, die einerseits mit der Einlass- bzw. Auslassöffnung in Verbindung stehen und andererseits über jeweils mindestens eine Steueröffnung mit dem Ringraum verbunden sind. Die Aussparungen können an dem inneren Zylinder ohne großen Aufwand mechanisch hergestellt, z.B. ausgefräst werden. Wenn der innere Zylinder in den äußeren Zylinder eingesetzt wird, werden diese Aussparungen durch die Innenfläche des äußeren Zylinders abgedeckt, so dass sich geschlossene Kanäle ergeben. Diese Lösung ist einfach herzustellen und zu montieren.

[0009] Die erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine kann als Pumpe oder auch als Hydromotor betrieben werden. Grundsätzlich ist es möglich, entweder das Gehäuse stationär zu halten und den Kolben zu drehen oder den Kolben stationär zu halten und das Gehäuse zu drehen, auch wenn letztere Lösung einen größeren Aufwand bei dem Anschluss von Fluidleitungen erfordert. Ebenso kann der mindestens eine Wälzkörper mit seinem Lager an dem Ringkolben oder aber an der Endfläche des Ringraumes angeordnet sein. Zur Kontur der Wellenfläche wird auf die DE 101 56 835 A1 verwiesen.

[0010] Die folgende Beschreibung erläutert in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels. Es zeigen:

Fig.1

eine perspektivische Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Drehkolbenpumpe,

Fig.2 und 3

jeweils eine perspektivische Ansicht der Drehkolbenpumpe ohne den äußeren Zylindermantel des Gehäuses,

Fig.4

eine Draufsicht auf die in Fig.1 dargestellte Drehkolbenpumpe,

Fig.5

einen die Achse enthaltenden Schnitt durch die Drehkolbenpumpe entlang der Linie V-V in Fig.4,

Fig.6

einen die Achse enthaltenden Schnitt durch die Drehkolbenpumpe entlang der Linie VI-VI in Fig.4,

Fig.7

eine perspektivische Ansicht des Ringkolbens allein,

Fig.8

eine axiale Endansicht des in Fig.7 dargestellten Ringkolbens und

Fig.9

einen die Achse enthaltenden Schnitt durch den Ringkolben entlang Linie IX-IX in Fig.8.

[0011] Die in Fig.1 dargestellte Drehkolbenpumpe umfasst ein allgemein mit 10 bezeichnetes Gehäuse mit einem äußeren, annähernd zylindrischen Gehäusemantel 12, der an den axialen Enden jeweils durch einen achsnormalen Deckel 14 bzw. 16 verschlossen ist und zwei Öffnungen 18, 19 hat, die je nach Drehsinn der Drehkolbenpumpe wahlweise als Einlass- oder Auslassöffnung für ein zu förderndes Medium dienen. Aus dem unteren Deckel 16 ragt eine Welle 20 heraus, die mit einem allgemein mit 22 bezeichneten Ringkolben (Fig.7) drehfest verbunden ist. Der Ringkolben 22 ist als Doppelkolben ausgebildet. Der detailliertere Aufbau des Ringkolbens 22 und des Gehäuses 10 soll nun näher erläutert werden.

[0012] In den äußeren Gehäusemantel 12 ist ein Innenzylinder 24 stationär eingesetzt (Fig.5 und 6), der an seinen axialen Enden jeweils durch einen Zylinderdeckel 26 verschlossen ist. In den jeweiligen Zylinderdeckel 26 ist eine axiale Hülse 28 eingesetzt. Durch die untere Hülse 28 erstreckt sich die Welle 20, die in einem in dem unteren Deckel 16 des äußeren Gehäuses 10 angeordneten Kugellager 30 drehbar gelagert ist. Die Welle 20 wird dabei durch Sprengringe 32 und 34 axial festgelegt. Das Kugellager 30 selbst und die Durchtrittsöffnung für die Welle 20 werden durch eine Ringdichtung 36 abgedeckt, die in eine ringförmige Aussparung in dem unteren Deckel 16 eingesetzt ist, wie diese die Fig.5 und 6 zeigen.

[0013] Der innere Zylinder 24 bildet zusammen mit den Hülsen 28 einen Ringraum 38 zur Aufnahme des als Ringkolben ausgebildeten Kolbens 22 (Fig.7). Dieser besteht aus einem Mittelabschnitt 40, der über Keilnuten und darin angeordnete Laufkugeln 42 mit der Welle 20 drehfest, aber axial gegenüber der Welle 20 beweglich gekoppelt ist. An den Mittelabschnitt 40 schließt sich jeweils ein Zwischenring 44 an, auf den zum jeweiligen axialen Ende des Kolbens 22 hin ein Käfigring 46 folgt. Der Käfigring 46, der Zwischenring 44 und der Mittelabschnitt 40 sind durch achsparallel verlaufende Stifte 48 drehfest miteinander verbunden, die in der Fig.7 gestrichelt eingezeichnet sind.

[0014] Wie die Fig.7 und 8 zeigen, hat der jeweilige Käfigring 46 drei im Winkelabstand von 120° angeordnete Taschen 50 zur Aufnahme jeweils einer zylindrischen Rolle 52 mit radial gerichteter Achse. Die axiale Abmessung des Käfigringes 46 ist so gewählt, dass die Laufrolle 52 nach beiden axialen Enden hin über den Käfigring 46 hinausragt. Die Laufrollen 52 sind zur Anlage an einer Wellenfläche 54 bestimmt, die an der jeweiligen achsnormalen Innenfläche des Zylinderdeckels 26 des inneren Gehäusezylinders 24 ausgebildet ist. Jede dieser Wellenflächen umfasst drei Wellenberge und drei Wellentäler und hat eine annähernd sinusförmige Wellenkontur. Zur näheren Erläuterung der Wellenkontur wird auf die DE 101 56 835 A1 verwiesen. Die Laufrollen 52 müssen aus dem Käfigring 46 in axialer Richtung zumindest so weit herausragen, dass der Käfigring 46 nicht an der Wellenfläche 54 anstoßen kann, wenn sich die Laufrollen in den Wellentälern befinden. Die beiden Käfigringe 46 an den axialen Enden des Ringkolbens 22 sind in Umfangsrichtung so gegeneinander versetzt, dass sich die Laufrollen 52 am einen Ende des Ringkolbens 22 in den Tälern der ihnen zugewandten Wellenfläche 54 befinden, während die Laufrollen 52 am anderen Ende des Ringkolbens 22 die Wellenberge der anderen Wellenfläche 54 berühren.

[0015] Um die Reibung zwischen dem rotierenden Ringkolben 22 und dem Gehäuse 10 minimal zu machen und um sicherzustellen, dass die Laufrollen 52 auch tatsächlich bei einer Drehung des Kolbens auf den Wellenflächen abrollen, sind die Laufrollen 22 nicht in einem Gleitlager gelagert, sondern stützen sich an einem allgemein mit 56 bezeichneten Axiallager ab. Dieses umfasst eine ringförmige Laufscheibe 58, die über ein Nadellager 60 auf einer ringförmigen Axialscheibe 62 aufliegt, die ihrerseits in eine ringförmige Aussparung in dem Zwischenring 44 des Kolbens 22 eingebettet ist. In den Boden der Aussparung ist dabei ein O-Ring 64 eingelegt, der aufgrund seiner Elastizität die Axialscheibe 62 in Richtung auf das Nadellager 60 drückt und somit eine Mindestlaufbelastung des Nadellagers sicherstellt. Wenn sich also der Ringkolben 22 relativ zum Gehäuse 10 dreht, laufen die Laufrollen 22 nicht nur an der jeweiligen Wellenfläche 54, sondern auch an der ihnen zugekehrten achsnormalen Ringfläche der Laufscheibe 58 ab, die ihrerseits wiederum über das Nadellager 60 sich gegenüber dem Zwischenring 44 drehen kann. Dadurch ist sichergestellt, dass die Laufrollen bei einer Drehung des Ringkolbens 22 gegenüber dem Gehäuse 10 tatsächlich rollen und nicht schleifen, wodurch die Reibung zwischen Kolben und Gehäuse und der Verschleiß der gegeneinander bewegten Teile auf ein Minimum reduziert wird.

[0016] Wie man in den Fig.7 und 8 erkennt, sind in den Käfigringen 46 zwischen den Taschen 50 sektorförmige Hohlräume 66 ausgebildet, die nicht nur zu den axialen Enden des Käfigringes 46 hin offen sind, sondern auch jeweils über eine Steueröffnung 68 in die Außenumfangsfläche des Ringkolbens 22 münden. Die Steueröffnungen 68 wirken mit Steueröffnungen 70 zusammen, die in dem inneren Zylinder 24 des Gehäuses 10 ausgebildet sind und die wiederum mit Aussparungen 72, 74 in Verbindung stehen, die in der Außenumfangsfläche des inneren Zylinders 24 ausgebildet sind, wie dies insbesondere die Fig.2 und 3 zeigen. Diese Aussparungen 72, 74 bilden zusammen mit der Innenfläche des äußeren Zylindermantels 12 abgeschlossene Kanäle, die mit jeweils einer der Einlass-/ Auslassöffnungen 18, 19 in Verbindung stehen. Die beiden Aussparungen 72 und 74 sind durch eine Dichtungslippe 76 gegeneinander abgedichtet, die in eine entsprechende Nut in dem inneren Zylinder 24 eingelegt ist und an der Innenfläche des äußeren Gehäusemantels 12 anliegt (Fig.5). Bei der Drehung des Ringkolbens 22 in dem Gehäuse 10 treten die Steueröffnungen 68 des Ringkolbens 22 und die Steueröffnungen 70 in dem inneren Zylinder 24 abwechselnd in Flucht miteinander, um so das Einströmen bzw. Ausströmen des zu pumpenden Fluides in die bzw. aus den Hohlräumen 66 in den Käfigringen 46 zu steuern. Die Pumpwirkung entsteht dabei durch die Axialbewegung des Kolbens relativ zu dem Gehäuse.

[0017] Die erfindungsgemäße Drehkolbenpumpe kann aufgrund der geringen Reibung zwischen Kolben und Gehäuse mit sehr hohen Drehzahlen betrieben werden und eignet sich auch zur Förderung von Fluiden, die keine schmierende Wirkung haben. Sie kann auf einfache Weise zusammengebaut und auseinandergebaut werden und ist somit auch gut zu reinigen.

Ansprüche

1. Drehkolbenmaschine mit einem Gehäuse (10) und einem Ringkolben (22), der mit einer relativ zu dem Gehäuse (10) drehbaren Welle (20) drehfest verbunden und in einem zu der Welle (20) koaxialen Ringraum (38) des Gehäuses (10) drehbar und axial verschiebbar geführt ist, wobei die axiale Endfläche des Ringraumes (38) und/oder des Ringkolbens als Wellenfläche (54) mit achsparalleler Amplitude und mindestens einem Wellenberg und einem Wellental ausgebildet ist und wobei an dem der Wellenfläche (54) zugekehrten Stirnende des Ringkolbens (22) oder axialen Ende des Ringraumes mindestens ein zur Anlage an der Wellenfläche (54) bestimmter Wälzkörper (52) mit radial zur Kolbenachse gerichteter Drehachse gelagert ist, und mit jeweils einem Einlass- und einem Auslasskanal in dem Gehäuse (10), die mit dem zwischen dem Ringkolben (22) und der Endfläche des Ringraumes (38) gebildeten Arbeitsraum der Drehkolbenmaschine in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wälzkörper (52) in einer kolbenfesten oder gehäusefesten Tasche (50) frei drehbar gehalten ist und sich auf der der Wellenfläche (54) entgegengesetzten Seite an einer Laufscheibe (58) abstützt, die über ein Wälzkörperlager (60) koaxial zur Kolbenachse drehbar an dem Ringkolben (22) bzw. dem Gehäuse gelagert ist.

2. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzkörperlager ein Nadellager (60) ist.

3. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzkörperlager (60) zwischen der Laufscheibe (58) und einer achsnormalen Ringscheibe (62) liegt, die gegenüber dem Ringkolben (22) bzw. dem Gehäuse axial gefedert ist.

4. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringscheibe (62) auf einem Ring (64) aus einem elastischen Material liegt.

5. Drehkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Tasche (50) in einem Ring (46) ausgebildet ist, der drehfest mit dem Ringkolben (22) oder dem Gehäuse verbunden ist und dessen axiale Abmessung geringer als der Durchmesser des Wälzkörpers (52) abzüglich der zweifachen Amplitude der Wellenfläche (54) ist.

6. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ring (46) mindestens ein Fluidkanal (66) ausgebildet ist, der sich zwischen einer an der Umfangsfläche des Ringes (46) ausgebildeten Steueröffnung (68) und einer in den Arbeitsraum mündenden Axialöffnung erstreckt.

7. Drehkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) einen äußeren Zylinder (12) mit einer Einlass- und einer Auslassöffnung (18, 19) sowie einen den Ringraum (38) enthaltenden inneren Zylinder (24) umfasst, der in dem äußeren Zylinder (12) stationär eingesetzt ist und in dessen Zylinderwand zwei gegeneinander abgedichtete nach radial außen offene Aussparungen (72, 74) ausgebildet sind, die einerseits mit der Einlass- bzw. Auslassöffnung (18, 19) in Verbindung stehen und andererseits über jeweils mindestens eine Steueröffnung (70) mit dem Ringraum (38) verbunden sind.

Zeichnung