Kolbenschuhanordnung in einer Radialkolbenmaschine

Abstract

 Eine Radialkolbenmaschine besitzt in einem Rotor (24) radial geführte Kolben (73), an deren radial äußeren Enden H-förmige Kolbenschuhe (10) angeordnet sind, die auf einer inneren Führungsfläche (27) eines exzentrisch zur Rotorachse angeordneten Kolbenhubringes (35) gleiten. Um auch bei kleinem Rotordurchmesser und großen Kolbenhüben eine einwandfreie Kolbenführung zu erreichen, besitzen die Kolben (73) Kolbenarme (1, 2), die in Fortsetzung eines den Kolbenschuhzentralsteg (21) schwenkfähig aufnehmenden Schwenkbettes (Lagerfläche 6) am Kolben (73) angeordnet sind und denselben verlängern.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Kolben bzw. eine Kolbenschuhanordnung in einer Radialkolbenmaschine mit H-förmigen Kolbenschuhen, mit Radialstegen mit verlängerten Zylinderteilflächen zur Führung der Kolben am Rotor, mit schwenkbarer Lagerung des Kolbenschuhschwenkteiles an einem Lagerbett im Kolben und mit an den Zentralsteg oberhalb des Schwenkteiles heranreichenden Schlitzen zwischen den seitlichen Führungsteilen des Kolbens.

[0002] _H-förmige Kolbenschuhe, auch eintauchende oder tieftauchende Kolbenschuhe genannt, sind aus den DE-PS 14 03 748, 13 02 469, 25 00 779 und 25 01 158 bekannt. Aus diesen Druckschriften kennt man auch den Rotor mit seinen Radialstegen, an deren Zylinderteilflächen die Kolben geführt sind, und das radial einwärts gerichtete Vorbeigleiten der Kolbenschuh-Seitenteile an dem Außendurchmesser der Rotorstege vorbei radial nach innen. Daraus ergibt sich der lange Kolbenhub dieser Aggregate bei gegebener Bauabmessung.

[0003] Der Kolbenschuh ist mit einem Schwenkgelenk im Kolben gelagert. Bei der bekannten Ausführung sind die bezüglich der Rotorachse radial äußeren Kanten des Kolbens radial innerhalb der seitlichen Führungsteile des H-förmigen Kolbenschuhes angeordnet.

[0004] Diese Ausführungsform hat sich, soweit die Hübe bezogen auf den Innendurchmesser der Kolbenhubführung nicht allzu lang waren, für Aggregate mit langen Kolbenhüben bewährt.

[0005] Radialkolbenmaschinen können auch als Motoren neue Anwendungsgebiete erschließen, wobei die Rotoren der Motoren zum Beispiel gleichzeitig treiben und tragen können. Die Verwendung der Aggregate als Motoren hat daher zugenommen. Bei Motoren ist ein großer Relativkolbenhub von besonderer Wichtigkeit, um ein hohes Drehmoment bei kleiner Abmessung des Motors zu erhalten.

[0006] Der Innendurchmesser der Kolbenhubführung, also der Durchmesser der Kolbenhubführungsfläche wird mit "da" bezeichnet und der Kolbenhub mit "S", wobei der Kolbenhub pro halber Rotorumdrehung S=2e ist mit "e" =Exzentrizität zwischen Rotorachse und Achse der Kolbenhubführungsfläche(n). Für hohen Wirkungsgrad des Motors und großes Drehmoment des Motors muß ein hohes Hubverhältnis "S/da" angestrebt werden. Bei einer Pumpe sind dagegen 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 bei gegebenem Reibverhältnis, unerläßlich sind,

[0007] Für das große Hubverhältnis "S/da" benötigt man eine gute Führung der Kolben. Angestrebt wird ein Hubverhältnis von mindestens 0,12 oder sogar 0,20.

[0008] Dies bedeutet, daß der Kolbenhub 12 bis 20 Prozent des Führungsdurchmessers "da" erreicht. In Sonderausführungen auch einen noch höheren Prozentsatz.

[0009] Entsprechend dem Hubverhältnis steigt die relative Ausschwenkung (Schwenkwinkel) des Kolbenschuhes am 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.

[0010] Es ist Aufgabe der Erfindung, im Hinblick auf ein großes Hubverhältnis eine verbesserte Führung des Kolbens zur Steigerung der rationellen Gleitfähigkeit des Kolbens an dem betreffendem Teil der Gleitfläche der Zylinderwand oder des Rotorsteges zu schaffen, um als Motoren besonders geeignete _Radialkolbenmaschinen mit hohem Drehmoment schaffen zu können.

[0011] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die das Schwenkteil des Kolbenschuhes stellenweise berührenden, radial zur Rotorachse nach außen erstreckten Kolbenarme an der Schwenkauflage bzw. dem Lagerbett und an den Innenflächen der Führungsteile der Kolbenschuhe vorbei radial nach außen erstreckt sind.

[0012] Da die bezogen auf die Rotorachse äußeren Kolbenteile weit nach radial außen verlängert sind, wird auch die Außenfläche der Kolben entsprechend verlängert, so daß eine lange Auflagefläche des Kolbens auf seiner Führungsfläche im Zylinder und am Rotorsteg entsteht. Diese größere Auflagefläche läßt eine größere Tragkraft für die Kraftkomponente in Umlaufrichtung und damit ein größeres _Dreh- moment zu.

[0013] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Kolbenarme in eine Ringnut oder Ausnehmung der Kolbenhubführung hereinragen und dementsprechend zumindest teilweise außerhalb der Kolbenführungsflächen auftauchen.

[0014] Aufgrund dieser Maßnahmen wird eine besonders gute Kolbenführung erreicht.

[0015] Außerdem besteht bei über die äußere Gleitfläche des Kolbenschuhes hinaus erstreckten Kolbenarmen die Möglichkeit, oberhalb der äußeren Gleitfläche des Kolbenschuhes eine Halterung zwischen den Kolbenarmen zur Verhinderung des Herausfallens des Kolbenschuhes aus dem Kolben anzuordnen.

[0016] Aufgrund der erfindungsgemäß gut geführten Kolben können hohe Drehmomente erreicht werden, die eine entsprechend große Kraftkomponente in Umlaufsrichtung des Rotors aufweisen, so daß auf die Kolben gegebenenfalls größere Kräfte quer zur Kolbenhubachse wirken.

[0017] Zur Abstützung dieser Querkräfte ist es zweckmäßig, wenn mindestens eine durch den Schwenkteil und dessen Ausnehmungen mit ihren Steuerkanten mit Druckfluid periodisch beaufschlagte Druckfluidtasche bezogen auf die Rotorachse etwa in Radialhöhe des Schwenkzentrums zwischen Kolben und Kolbenschuh durch die Außenfläche des Kolbens hindurch in den Kolben hinein in Richtung der Drehmomenten-Kraftkomponente angeordnet ist. Aufgrund der langen Kolbenarme ist die Anordnung dieser Druckfluidtasche auf der Mantelfläche der Kolben in Höhe der Schwenkachse zwischen Kolben und Kolbenschuh ohne weiteres möglich. Mit der Druckfluidtasche kann ein Druckfeld erzeugt werden, welches den Kolben entgegen den Querkräften beaufschlagt, so daß die Querkräfte nicht zu mechanischen Reibungen zwischen Kolben und Zylinderfläche bzw. Kolbenführungsfläche führen. Da der Kolben mittels der Druckfluidtasche bezogen auf die Rotorachse radial weit außen abgestützt werden kann, kann das Drehmoment gegebenenfalls an einem langen Hebelarm relativ zur Rotorachse angreifen.

[0018] Aufgrund der genannten Maßnahmen wird ein hoher Anstellwinkel des Kolbenschuhes zur Kolbenhubführung möglich, dieser Anstellwinkel ist mindestens gleich groß wie bei Axialkolbenmotoren mit Schrägscheiben und Massivkolben. Der erfindungsgemäße Radialkolbenmotor wird also den Axialkolbenmotoren im Drehmoment pro Baugröße sowie im Drehmoment pro Reibteilen mindestens ebenbürtig. Gleichzeitig ist im erfindungsgemäßen Motor aber die in den Axialkolbenaggregaten bestehende Verkantungstendenz der Kolben ausgeschaltet, da der Kolben erfindungsgemäß während des ganzen Hubes voll geführt bleibt.

[0019] Infolge der verringerten Verkantungsgefahr und der Verminderung der Kolbenreibung durch die _Druckfluidtasche wird der erfindungsgemäße Radialkolbenmotor bei gleich großem Hubverhältnis einem entsprechenden Axialkolbenmotor prinzipiell im Wirkungsgrad und in der Leistung überlegen, wobei das geringe Leistungsgewicht des erfindungsgemäßen Motors besonders bemerkenswert ist. Zum Beispiel sind mit einem erfindungsgemäßen Motor etwa 100 PS bei einem Gewicht von unter 12 Kg möglich.

[0020] In vorteilhafter Weise kann die Herstellung des Kolbens, des Kolbenschuhes und des Schwenkgelenkes zwischen Kolben und Kolbenschuh vereinfacht werden. Dazu wird zweckmäßigerweise vorgesehen, daß die Lagerfläche des das Schwenkteil des Kolbenschuhes aufnehmenden Schwenkbettes im Kolben höchstens um einen 180^0-Bogen um das Schwenkzentrum herumgeführt ist. Bei dieser Ausführung ist es möglich, die Lagerflächen im Kolben und am _Kolbenschuh gemeinsam zu schleifen oder zu bearbeiten, indem eine Serie der Teile auf eine gemeinsame Achse gespannt wird, so daß die bisherige _Einzelbearbeitung überwunden wird und eine Serie von Kolben- oder Kolbenschuhschwenkflächen gemeinsam hergestellt werden kann.

[0021] Außerdem bietet diese Anordnung die Möglichkeit, bei der Montage den Kolbenschuh mit seinem Schwenkteil in Richtung der Kolbenachse in das Lagerbett am Kolben einzusetzen, wobei sowohl das Schwenkteil als auch die seitlichen Führungsteile des H-förmigen Kolbenschuhes selbsttätig ihre richtige Lage einnehmen.

[0022] Bei allen Ausführungsformen der Erfindung wirken die verlängerten Kolbenarme einer Verdrehung des Kolbens gegenüber dem zugehörigen Kolbenschuh entgegen, so daß der Kolben gegen Verdrehung arretiert ist. Dadurch wird sichergestellt, daß die gegebenenfalls auf der Mantelfläche der Kolben vorgesehenen Druckfluidtaschen immer in richtiger Stellung verbleiben und die mittels der Druckfluidtaschen erzeugten Druckfelder die Querbelastung des Kolbens bzw. das Drehmoment aufnehmen.

[0023] Zwar sind Einzelmerkmale der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung im Stand der Technik beschrieben, wie beispielsweise die Ringnut in der Führungsfläche der Kolbenführung, vergl. die DE-PS 14 02 369. Auch die Anordnung einer Druckfluidtasche ist aus -der DE-PS 14 53 433 an sich bekannt. Jedoch fehlt im Stand der Technik die gezielte Anwendung dieser Maßnahmen im Hinblick auf ein hohes zu erreichendes Drehmoment. Insbesondere sind beim Stand der Technik Druckfluidtaschen, bezogen auf die Rotorachse, zu weit radial einwärts angeordnet, so daß auf den Kolben wirkende Querkräfte nicht durch entsprechende von den Druckfluidtaschen erzeugte Druckfelder aufgefangen werden können.

[0024] Darüber hinaus werden im Stand der Technik auch Kolbenschuhe verwendet, die keine H-Form aufweisen, vergl. z.B. die _DE-PS 23 07 997, so daß die Führungsfläche der Kolbenschuhe immer radial außerhalb des _Rotorumfanges verbleiben muß. Mit diesen einfachen _Kolbenschuhen kann im Gegensatz zu den erfindungsgemäßen, H-förmigen, tief eintauchenden Kolbenschuhen, deren äußere Führungsfläche beim Einwärtshub radial unterhalb des Rotorumfanges liegen kann, kein großer Kolbenhub erreicht werden. Entsprechende Motoren haben nur einen geringen Wirkungsgrad. Außerdem kann nicht in einfacher Weise eine Verdrehsicherung zwischen Kolben und Kolbenschuh erreicht werden, da in diesem Kolbenschuh im Gegensatz zu H-förmigen Kolbenschuhen keine Schlitze vorhanden sind, in die Kolbenarme o.dgl. eingesteckt werden könnten.

[0025] Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren erläutert:

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

Fig. 2 zeigt den Schuh der linken Figur in Figur 1 von oben gesehen.

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

_Fig. 4 ist ein Längsschnitt durch einen Oberteil eines Kolbens , wobei

Fig. 5 dessen Ansicht zeigt , in Fig. 4 von rechts gesehen. Beide Figuren zeigen eine Ausführungsform des Kolbens der Erfindung.

_Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt durch ein anderes Kolbenkopfbeispiel.

Fig. 7 zeigt Schnitte durch weitere Ausbildungsbeispiele des Kolbenoberteiles.

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

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

_Fig. 10 zeigt einen Querschnitt durch ein Teil eines Erfindungsaggregates mit eingebauten anderen Beispielen von Kolben und Schuh, wobei die linke Figur ein Schnitt durch die rechte ist.

_Fig. 11 zeigt den Kolben der Figur 10 separiert in Schnitten und Ansicht.

Fig. 12 zeigt, wie der Kolben bisher nach den eingangs genannten Patentschriften ausgeführt war.

Fig. 13 zeigt die Ansicht einer Spannplatte dafür von oben und

Fig. 14 zeigt Schnitte durch einen Teil eines Aggregates der Erfindung mit eingebautem Kolben und Kolbenschuh-Ausführungsbeispiel.

_Fig. 15 zeigt den Kolben eines anderen Ausführungsbeispieles in Schnitten und in einer Ansicht.

Fig. 16 zeigt den dazu passenden Kolbenschuh als Ausführungsbeispiel der Erfindung in Schnitten.

_Fig. 17 zeigt die Platte der Figur 13 im Schnitt.

Fig. 18 zeigt Schnitte durch einen Teil des Aggregates, wie die Figur 14 sie zeigt, jedoch den Kolben und Schuh der Figuren 15, 16 eingebaut.

Fig. 19 zeigt Schnitte durch ein weiteres Beispiel der Kolbenoberteil-Ausbildung der Erfindung, und

Fig. 20 ist ein Diagramm, in dem Funktionen und Werte über dem Rotorumlaufwinkel alpha eingetragen sind.

[0026] Im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 hat der Kolbenschuh 10 einen walzenförmigen Kolbenschuh-Zentralsteg 12 mit Schwenkachse 22 und Lagerfläche 23 mit gleichbleibendem Radius 100. Endwärts des Kolbenschuh-Zentralsteges 12 können Radialstützen 113 mit seitlichen Führungsteilen 13, 14, den Endflächen 18, den inneren Zugführungsflächen 17 und der äußeren Gleitfläche 16 angeordnet sein. Die inneren Flächen 17 können bei Motoren oder Pumpen ohne Selbstansaugebetrieb gelegentlich fortgelassen werden.

[0027] Die Figur 2 zeigt die Draufsicht auf den Kolbenschuh 10 von oben, so daß die "H-Form" des Kolbenschuhes 10 sichtbar ist. Zwischen den seitlichen Führungsteilen 14 sieht man die bis an den Kolbenschuhzentralsteg 12 heranreichenden Schlitze 93, 94.

[0028] In der Praxis wird dieser Kolbenschuh "eintauchender" oder "tieftauchender" Kolbenschuh genannt, weil seine Außenfläche bis zum Außendurchmesser 29 der Rotorstege, vergl. Fig. 8, 9, in den Rotor 24 eintaucht (eintauchender Schuh) oder die Außenfläche 16 am Außendurchmesser 29 der Rotorstege radial nach innen vorbei in die abgedrehten Rotorteile tief eintaucht (tieftauchender Kolbenschuh).

[0029] Ein Vorteil des Kolbenschuhes 10 der Figur 1 besteht darin, daß die Schwenkachse 22 hoch oben liegt, wodurch die Drehmomenten-Angriffskraft im Motor relativ weit nach radial außen zu liegen kommt und der Motor ein entsprechend hohes Drehmoment mit Kraftangriff an langem Hebelarm erzielt.

[0030] Ein weiterer Vorteil dieses Ausführungsbeispieles der Erfindung ist, daß der Kolbenschuh einfach herstellbar und billig ist. Denn die Schlitze 93, 94 und die Lagerfläche 23 kann man mit der Drehbank beim Einspannen an den Enden der Schwenkachse 22 einfach herstellen.

[0031] Im Ausführungsbeispiel der Figur 3 hat der Kolbenschuhzentralsteg 21 ein Schwenkteil 20, dessen Schwenkachse 22 hier etwas tiefer liegen kann, und die Ausnehmungen 19, die dazu dienen, daß die Arretierstifte 96 des Kolbens 3, vergl. Figur 4, in die Ausnehmungen 19 eingreifen und die Arretierstifte 96 dabei den Kolbenschuh der Figur 3 gegen Herausfallen aus dem Kolben der Figur 4 sichern können. Die Ausnehmungen 19 sind so bemessen, daß trotz der Arretierstifte 96 die Schwenkbewegung ungestört erfolgen kann.

[0032] In den Figuren 4 und 5 hat das Oberteil des _Kol- bens 3, dessen Achse mit 101 bezeichnet ist, das Lager- bzw. Schwenkbett 4 mit der Lagerfläche 6 zur Aufnahme des Schwenkteiles 20 des Kolbenschuhes 10 bzw. der Lagerfläche 23. Entsprechend der Erfindung ist die Lagerfläche 6 nur als 180°-Bogen, bezogen auf die Schwenkachse 22, ausgebildet, mit dem Vorteil, daß die Lagerfläche 6 mit einfachen Radiusfräsern oder Schleifscheiben hergestellt werden kann. Gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind die Kolbenarme 1 und 2 von der Lagerfläche 6 des Kolbens 3 radial nach außen erstreckt und können so weit radial nach außen verlängert sein, daß sie nach Einsetzen des Kolbenschuhes 10 in das Schwenkbett 4 radial über die äußere Gleitfläche 16 des Kolbenschuhes herausragen.

[0033] In Figur 5 ist ersichtlich, daß die Kolbenarme 1, 2 hinreichend schmal sein müssen, um in die Schlitze 93, 94 der Kolbenschuhe 10 eingreifen oder durch diese hindurchgreifen können. Wenn die Zugführungsfläche 17 des Kolbenschuhes 10 eine nicht gezeichnete Ausnehmung hat, kann die Breite der Arme 1, 2 jedoch auch breiter als die Schlitze 93, 94 sein.

[0034] Die Kolbenarme 1, 2 sind ein wesentlicher Bestandteil der Erfindung. Denn sie bilden eine lange Kolbenführungsfläche, die radial über die Schwenkachse 22 nach außen reicht. Außerdem ist es durch die Ausbildung des Schwenkbettes 4 und der Arme 1, 2 nach den Figuren 4 und 5 möglich, den Kolbenschuhzentralsteg 12, 21, radial von außen her in den Kolben 3 hereinzulegen.

[0035] Dies war bei dem bisherigem Stande der Technik nicht möglich, da die Lagerfläche 6 den Kolbenschuhzentralsteg um mehr als 180 Grad umgreifen mußte, so daß ein Hereinlegen des Kolbenschuhes in das Bett 4 unmöglich war und die Kolbenschuhe von der Seite her entlang der Schwenkachse 22 in das _Lagerbett im Kolben hereingeschoben werden mußten.

[0036] Im übrigen sieht man, wie bereits beschrieben, daß die Arretierstifte 96 im Kolbenoberteil angeordnet werden können, um in die Ausnehmungen 19 des Kolbenschuhes 10 einzugreifen oder den Kolbenschuh anderartig gegen Herausfallen aus dem Schwenkbett 4 zu sichern.

[0037] In Figur 6 ist gezeigt, daß der Stift (die Stifte) 7 hoch im Kolbenoberteil oberhalb der Gleitfläche 16 des Kolbenschuhes 10, wenn der Kolbenschuh 10 in das Lagerbett 4 im Kolben eingesetzt ist, angeordnet sein kann.

[0038] In den Figuren 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 Schwenklagerfläche 6 bearbeitet werden können. Auch das ist ein wichtiger Vorteil der Erfindung. Bei der bisherigen Ausführung des Kolbens nach der Figur 12 mußte jede Schwenklagerfläche 6 jedes einzelnen Kolbens einzeln eingespannt, geschliffen und gemessen werden. Bei dem Kolben nach der Erfindung ist es jedoch möglich, eine große Anzahl Kolben 3 mit allen Schwenkachsen 22 in eine gemeinsame Schwenkachse zu spannen und die Schwenklagerflächen 6 der Kolbenserie gemeinsam mit Formfräser zu fräsen und nach dem Härten des Kolbens gemeinsam mit Form-Radiusschleifscheiben auf der Flächenschleifmaschine zu schleifen. Dadurch entfallen Einzelbearbeitungen und Messungen. Die Bearbeitungszeit ist dadurch derartig verkürzt, so daß der Kolben um vieles billiger als der der Vortechnik wird, und nur noch einen Bruchteil des Kolbens der Vortechnik kostet.

[0039] In Figur 7 ist gezeigt, daß man auch auf den Arretierstift 96 verzichten kann, wenn man die Kolbenarme 1, 2 wie in Figur 7 links gezeigt, mit Fortsätzen 8 versieht, die man, wie Figur 7 rechts und unten zeigt, nach dem Einsetzen des Kolbenschuhes 10 in das Lagerbett 4 umbiegt, wie in dem rechten und unteren Teil der Figur 7 gezeigt. Die Fortsätze 8 erfüllen dann die Funktion des Haltestiftes 96 der Figur 4, 5. Bei dieser einteiligen Kolbenausführung ist verhindert, daß die Stifte 96 sich lösen können.

[0040] In den wichtigen Figuren 8 und 9 sieht man einen Teil des Rotors 24 im Radialschnitt mit zwei Zylindern 25, 26. Die Rotorachse ist mit "C" bezeichnet. Mit "E" ist die zur Rotorachse C exzentrische Achse (Mittellinie) des Kolbenhubringes 35 bezeichnet, wobei die Exzentrizität "e" den Kolbenhub S pro Umdrehung des Rotors bestimmt: "S = 2 e". Die Kolben 53, 63 laufen in den Zylindern 25, 26 radial auswärts und einwärts, wobei sie den Kolbenhub S ausführen. Die äußeren Gleitflächen 16 der Kolbenschuhe 10 gleiten an der inneren Führungsfläche 27 des Kolbenhubringes 35. Der Kolbenhubring 35 hat bei tief tauchenden Kolbenschuhen eine Ringnut 34, die sich, die Führungsfläche 27 durchbrechend und unterteilend, radial von innen her in den Kolbenhubring 35 hinein erstreckt. Die Führungsfläche 27 hat den Innendurchmesser "da", so daß man aus "2e = S" und "da" das eingangs beschriebene Hubverhalten "_S/da" als wichtige Leistungs- und Wirkungsgrad-Kenngröße des Aggregates erhalten kann.

[0041] Der Außendurchmesser des Rotors 24 ist mit 29 bezeichnet.

[0042] Die Figur 8 zeigt den Rotorumlaufwinkel α zwischen der Nullebene und der Radialachse des betreffenden Zylinders und Kolbens. Auf diesem Winkel α beruhen die Daten des Diagrammes der Figur 20.

[0043] In den Figuren 8 und 9 sind auch die Schlitze 5 und die Kolbenarme 1 und 2 zu sehen. Außerdem ist erkennbar, wie die Kolbenschuhe 10 mit ihrem Kolbenschuhzentralsteg 12, 21 in den Schlitzen 5 des Kolbens schwenken. Der Winkel y zeigt die Ausschwenkung der betreffenden Kolbenschuhe 10 aus der Normallage, dieser Winkel erscheint ebenfalls im Diagramm der Figur 20. In den Figuren 8 und 9 ist noch ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Kolbenarme 1 und 2 in die Ringnut 34 des Kolbenhubringes 35 eingreifen.

[0044] Der Kolbenhubring 35 kann auch ein Teil des _Ge-häuses oder als Gehäuseteil mit der Führungsfläche 27 ausgebildet sein, so daß ein separater Kolbenhubring eingespart werden kann.

[0045] Übrigens zeigen die beiden Figuren 8 und 9 die lange Führung der Kolben 53, 63 zwischen den Rotorradialstegen und im Rotor 24. In der Figur 8 sind die Kolbenschuhe der Figuren 1, 2 eingebaut und in Figur 9 die Kolbenschuhe der Figur 3 mit ihren zugehörigen Kolben.

[0046] In die Zeichnungen sind die international verbreiteten Benennungen "Piston" für Kolben, "Shoe" für Kolbenschuh, "Groove" für Ringnut und "Actuator" für Kolbenhubring eingetragen.

[0047] Der Kolbenschuh 10 in Figur 10 entspricht im wesentlichen dem der Figur 3, jedoch ohne die Ausnehmungen 19. Die Halterung für den Kolbenschuhzentralsteg 21 im Kolben 73 wird hier durch einen selbstspannenden Plattenteil, die Spannplatte 9 bewirkt, die in entsprechenden Schlitzen 77 in den Kolbenarmen 1, 2 selbsthaltend angeordnet ist.

[0048] Diese Spannplatte 9 ist in den Figuren 13 und 17 separiert noch einmal dargestellt. Sie hat den Spannbogen 78 zwischen den Halteenden 79. Figur 13 zeigt, daß die Halteenden 79 seitlich einer Ausnehmung vorstehen, wobei die Halteenden 79 die Teile 102, 102' des Kolbens der Figur 11 umgreifen, so daß die Spannplatte 9 sich relativ zu den Kolbenarmen 1, 2 nicht verdrehen kann. Die Endstücke zwischen den Halteenden 79 greifen in die Schlitze 77 der Arme 1, 2 der Kolben 3 der Figur 11 ein, wie auch in Figur 10 links gezeigt ist. Der Spannbogen 78 kann vorgesehen sein, um mittels der Spannplatte 9 den Kolbenschuh 10 fest auf die Schwenklagerfläche 6 zu drücken und dabei der Außenfläche des Kolbenschuhes bei der Schwenkbewegung geschmeidig zu folgen.

[0049] In den Figurenteilen der Figur 10 sieht man den Kolben 73 im Zylinder 26 des Rotors 24. Der linke Teil der Figur ist ein Schnitt durch den rechten Teil der Figur entlang der Schnittlinie, wodurch deutlich wird, wie die Kolbenarme 1, 2 und die sonstigen Teile zwischen den RotorRadialstegen 124 liegen.

[0050] Die Figur 11 zeigt den Kolben der Figur 10 in separierten Zeichnungen, jedoch im Maßstab, wie dem der Figuren 14 bis 18, damit die Kolben miteinander vergleichbar sind. Die Beschreibung der Figur 10 soll daher auch für die Figur 11 gelten und mit ihr zusammen gelesen werden. Die wichtigen Teile der Kolbenhubführung, wie 27, 34, 35 sind auch in Figur 10 zu sehen und ebenso der Schlitz 5 zwischen den Kolbenarmen 1 und 2.

[0051] Als erfindungsgemäße Besonderheit haben die Kolben der jetzt beschriebenen Figuren 10 und 11 etwa in Radialhöhe der Schwenkachse 22 die Druckfluidtaschen 54, 55 und/oder 71, 72, die von außen her in die Kolbenaußenfläche und Außenteile eingearbeitet sind. Die Kanäle 51 und 56, 66 sind im Prinzip aus der eingangs erwähnten Patentschrift 14 53 433 bekannt, aus der auch die Steuerkanten, die die Steuertaschen 60, 59 in dem Schwenkteil des Kolbenschuhes begrenzen, bekannt sind. Die Steuertaschen 59, 60 beaufschlagen und steuern die Beaufschlagung der Kanäle 56, 66 und damit der Druckfluidtaschen 54 und 55. Diese Beaufschlagung erfolgt periodisch wechselnd bei jedem Umlauf des Rotors. Die Besonderheit nach dieser Erfindung besteht darin, daß die Druckfluidtaschen 54, 55 aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung der Kolbenarme 1, 2, jetzt erfindungsgemäß in radialer Höhe der Schwenkachse 22 angeordnet sind, während sie bei der Vortechnik zu tief radial innen lagen und dort nicht gut wirksam werden konnten. Sie lagen außerhalb der aktuellen Kraftangriffskomponente und führten zu einer Verkantung der Kolben, anstatt sie mit Druckfluid zu entlasten.

[0052] Aus der Kurve "Ft" der Figur 20 ist ersichtlich, daß die Last des Kolbens in Umlaufrichtung, also in Drehmomentrichtung (oder entgegengesetzt gerichtet dazu), mit dem Umlaufwinkel oC des Rotors zunimmt und abnimmt. Daher müßte, wie die Erfindung erkennt, eigentlich ein Druckfluidfeld bzw. eine Druckfluidtasche 54, 55 mit Veränderbarkeit des Querschnittes angeordnet werden, wenn das Druckfluidfeld die Tangentiallast immer richtig aufnehmen soll. Eine stufenlos veränderliche und gesteuerte Veränderung der Querschnitte der Druckfluidtaschen 54, 55 ist jedoch schwierig und teuer. Daher ist im Ausführungsbeispiel der Figur dieser Erfindung eine stufenweise Beaufschlagung mehrerer Druckfluidtaschen mit Anpassung an die Funktion "Ft" der Figur 20 angeordnet.

[0053] Wenn der Kolben in Figur 10 auswärts gleitet und die Schwenkbewegung des Kolbenschuhzentralsteges 21 um die Schwenkachse 22 so weit fortgeschritten ist, daß die obere Kante der Wand der Steuertasche 59 den Kanal 56 freizugeben beginnt, ist zunächst nur die Druckfluidtasche 55 über die Steuertasche 59 mit der Druckleitung 51 zum Zylinder 26 verbunden. In diesem Zustande ist die Druckfluidtasche 55 dem Druckfluid zugeschaltet. Sobald die Auswärtsbewegung des Kolbens (z.B. 3,73) analog den Daten der Figur 20 fortschreitet, überläuft die radial äußere Wand der Druckfluidtasche 55, 54 die in der Rotorwand angeordnete Verbindungstasche 75, 74, wodurch die Verbindung des Druckfluids im Zylinder 26 mit der zugeschalteten Verbindingstasche 74 oder 75 entsteht. Nunmehr wirkt zusätzlich zu dem Querschnitt der Druckfluidtasche 54 oder 55 auch noch der Querschnitt der Verbindungstasche 74 oder 75 auf die Kolbenwand und die Zylinderwand als Kraftkomponente in Drehmomentrichtung oder umgekehrt. Es erfolgt also eine stufenweise Vergrößerung des Druckfluidfeldes in Umlaufrichtung (Drehmomentangriffsrichtung) in Analogie zur Kolben-Radialbewegung und zu den Daten der Figur 20. Bei noch weiterer radialer Auswärtsbewegung verbinden die Druckfluid-Verbindungstaschen 74 oder 75 sich mit den weiteren Druckfluidtaschen 72 oder 71 in der Außenfläche des betreffenden Kolbens, zum Beispiel 73. Diese Lage ist in Figur 10 rechts gezeichnet. Dieses ist die dritte Stufe der Zuschaltung der Druckfluidtaschen in Drehmomentrichtung oder entgegengesetzt.

[0054] Jetzt ist die größte Querschnittssumme der Druckfluidttaschen in Drehmomentrichtung erreicht. Das geeschieht in der Lage, in der die Tangentialkraft (Drehmomentkomponente) "Ft" in Figur 20 am größten ist.

[0055] Beim E_Einwärtslauf des Kolbens schalten die Druckfluidttaschen in umgekehrter Reihenfolge nach- einander ab. Bei der zweiten Hälfte der betreffeenden Rotorumdrehung steuert die Kante der Steuer-tasche 60 die Druckfluidtaschen an der gegenüiberliegenden Hälfte des Kolbens und die Steuer-tasche 59 schaltet die diesseitige, vorher beschriebene Seite des Kolbens von der Beaufschlacgung der betreffenden Druckfluidtaschen mit Druckffluid ab. Die Taschen werden dann mit dem Niederrdruckbereich des Aggregates stufenweise nacheiinander verbunden und abgeschaltet.

[0056] Die obere Figur der Figur 10 zeigt einen Längsschnitt durch den Kolbenschuh, wie er sich aus dem Schnitt durch die Mittelachse des Kolbens bzw. Schuhes der unteren Figur der Figur 10 ergibt. Beachtenswert ist in der oberen Figur, daß diese den Kolbenschuh im 1:1-Verhältnis einer Versuchsvorrichtung zeigt. Die Steuertaschen 59, 60 sieht man strichliert, da sie vor und hinter der Schnittfläche liegen. Die Ausnehmungen 57 verbinden die Steuertaschen 59 und 60, die gleichzeitig Druckfluid-Entlastungstaschen sind. Die Kanäle 58 leitem das Druckfluid in die Druckfluidtaschen 61, 62 in der Außenfläche der Kolbenschuhe, d.h. in dem Gleitflächen 16, die an der Gleitfläche (den Gleitflächen) 27 des Kolbenhubringes 35 gleiten.

[0057] Beachtenswert ist, daß die Druckfluidtaschen 61, 62 teilweise radial oberhalb des Schwenkteiles 20 liegen, so daß das Schwenkteil 20 eine Radialstütze für die Druckfluidtaschen 61, 62 bildet und so auch für die die Taschen 61, 62 umgebenden Dichtflächenteile der Gleitfläche 16.

[0058] In Figur 11 sieht man den Kolben in Schnitten und in einer Ansicht, und zwar in dem Maßstab, der die Daten der Figur 20 ergibt.

[0059] Figur 12 zeigt einen Querschnitt durch den Kolben 83 der Vortechnik, wie aus den eingangs erwähnten Patentschriften bekannt. Da die Böden und Schwenkachsen der Kolben 3 bzw. 83 der Figuren 11 bzw. 12 auf gleicher Ebene stehen, sieht man hier deutlich, daß der Kolben 83 der Vortechnik oben viel kürzer ist, also eine viel geringere Kolbenführung zu bieten hatte, und außerdem, daß beim Kolben 83 der _Vortechnik kein Platz vorhanden war, um die Drehmoment-Druckfluidtaschen 54, 55, 71 und 72 in Höhe des Schwenkzentrums anzuordnen. Ferner sieht man, wie beim Kolben 83 der Vortechnik die Lagerbettfläche 6 um mehr als 180 Grad (etwa 240 Grad um die Schwenkachse herum ausgebildet sein mußte, um das entsprechende Schwenkteil des Kolbenschuhes der Vortechnik stellenweise zu umgreifen. was Einzeleinspannung, -bearbeitung und Einzelmessen bei der Herstellung der Fläche 6 erforderte und wodurch der Kolben der Vortechnik teuer wurde. Das Schwenkzentrum ist beim Schwenkgelenk mit Kugelteilform der Mittelpunkt der betreffenden _Teilkugelflächen des Gelenkes, bei walzenförmigem Schwenkteil, wie bei der Erfindung, - die Schwenkachse 22. Schwenkzentrum und Schwenkachse sind jeweils mit 22 bezeichnet.

[0060] Die Figuren 14 und 18 zeigen im wesentlichen Gleiches wie die Figur 10, jedoch in einem Maßstab, der die Daten der Figur 20 ergibt, also Kolben mit 20 mm Durchmesser, wobei das Aggregat in einer Versuchsvorrichtung bei 130 mm "da" einen Kolbenhub "S" von 20 mm abgibt. Den linken Radialschnittfiguren ist jeweils die rechte Längsschnittfigur durch das betreffende Teil des Aggregates zugezeichnet. In der Figur 14 sind die Kolben der Figur 11 mit ihren Kolbenschuhen eingezeichnet. Im gleichen Rotorteil der Figur 18 sind die Kolben der Figur 15 mit ihren Kolbenschuhen der Figur 16 eingezeichnet.

[0061] Der Unterschied der Kolben nach Figur 15 gegenüber der Figur 11 besteht darin, daß das Schwenklagerbett 104 nicht walzenteilförmig, also nicht hohlzylinderteilförmig mit Zylinderteilfläche um die Schwenkachse 22 ausgebildet ist, wie in Figur 11, sondern kugelteilförmig, also hohlkugelteilförmig mit sphärischer Lagerbettfläche 106 vom Radius 100 um das Schwenkzentrum 22. Dadurch wird es erforderlich, den Schlitz 91, 92 in das obere Kolbenteil radial oberhalb des Schwenkzentrums 22 einzufräsen, was bei dem Kolben der Figur 11 nicht notwendig war.

[0062] Mancher Hersteller zieht jedoch die sphärische, kugelteiförmige Ausbildung gemäß den Figuren 15 und 16 vor. Insbesondere deshalb, weil sphärische Gelenke in Axialkolbenaggregaten, die bisher den Markt beherrschten, üblich waren. Technisch gesehen ist jedoch die Ausführung mit Zylinderteilform nach Figuren 11 und 3 radial tragfähiger und auch billiger in der Herstellung, wenn man die vom Erfinder vorgeschriebenen Bearbeitungsmaschinen verwendet.

[0063] Der zugehörige Kolbenschuh der Figur 16 hat entsprechend ein kugelteilförmiges Schwenkteil 20, das in das Lagerbett 104 im Kolben 3 der Figur 15 einsetzbar ist. Der Kolbenschuh benötigt die Verjüngung des Kolbenschuhzentralstabes 21 mit den Radienfiguren nach 20, 23, 21 der unteren Figur der Figur 16.

[0064] Die Figur 15 zeigt außerdem, daß im Kolben 3 statt der beiden Drehmoment-Druckfluidtaschengruppen zwecks Vereinfachung oder für geringere Wirkungsgrade des Aggregates auch ein einzelnes Paar von _Tangentialdruckfluidtaschen 54, 55 mit Steuerkanälen 56, 66 angeordnet sein kann.

[0065] Außerdem zeigen die Zeichnungen der Figur 15 die Ausbildung der oberen Kolbenarme 1, 2, mit den Schlitzen 77 und den verengten Außenteilen 102, 102' zur Befestigung und Sicherung gegen Verdrehung der Halteplatte der Figuren 13 und 17. Zu beachten ist noch, wie die Zeichnung rechts in Fig. 15 zeigt, daß bei dieser Ausführung, aber auch bei den Kolben der Figur 11, wie jeweils die rechte Ansichtszeichnung zeigt, der Kolbenteil oberhalb des Schwenklagers auf eine Abmessung durch die Abarbeitungen 91, 92 verengt werden muß, damit die seitlichen Führungsteile 14 des Kolbenschuhes, vergl. Figur 2, in diese Abarbeitungen 91, 92 hineinschwenken können oder teilweise in sie eintreten.

[0066] Das Ausführungsbeispiel der Zeichnungen der Figur 19 zeigt, daß anstelle der Halteplatte oder Spannplatte 9 der Figuren 13 und 17 auch einfach ein Stift oder mehrere Stifte 96 radial oberhalb des Kolbenschuhes angeordnet werden können, um diesen im Kolben zu halten. Man dreht dabei vorteilhafterweise die radial äußeren Teile des Außendurchmessers der Kolbenarme 1, 2 etwas ab, oder bohrt sie an, um eine Vernietung der Stifte 96 zu ermöglichen, ohne daß diese die Zylinderwand oder die Führungsfläche an den Rotorsegmenten berühren und beschädigen können.

[0067] Der Rotor mit seinen Radialstegen, wie er in den Aggregaten der Erfindung verwendet wird, ist nicht beschrieben, da dieser aus den eingangs erwähnten Patentschriften bekannt ist.

[0068] Das Diagramm der Figur 20 zeigt die Werte eines Aggregates mit 130 mm "da", 20 mm Kolbenhub "S" und 20 mm Durchmesser der Kolben. Unter dem Diagramm sind die einzelnen Bedeutungen der Kurven eingetragen.

[0069] Die Berechnung dieser Werte ergibt sich aus den Forschungsergebnissen des Erfinders. Nachfolgend werden nur die Formeln angebeben, auf die Ableitungen und Beweise wird verzichtet.

[0070] Es gelten:

Kolbenhub = 2 e =S. (Maße in mm.)

= _Umlaufwinkel zwischen der Nullfläche und der Kolbenachse.

= Schwenkwinkel des Kolbenschuhes im Kolben.

Δa = Kolbenradiallage =

Va = Radialgeschwindigkeit des kolbens =

α = Schwenkwinkel = JNV.sin (e/R)sinα

FT = Tangentialkraft = Drehmomentkomponente =

V_RS = Schwenkgeschwindigkeit der Schwenkflächen relativ zueinander also Fläche 23 auf Fläche 6 = V_RS = Va (R/R_S) mit R = ½ da

Nfa = _Reibungsverlust der Kolbenwand auf der Zylinderwand, wenn die Erfindung nicht angewendet ist und Reibungskoeffizient

µ_p = 0,20 ist.

Nfa = Va · Ft · µp

Nps = Reibungsverlust zwischen der Schwenkgelenkfläche 23 und der Lagerbettfläche 6, wenn µ = -,10 ist.

[0071] Die beiden letzteren Terme zeigen die Wichtigkeit der Anwendung der Erfindung, weil durch die Erfindung diese Verluste fast vollständig oder weitgehend aufgehoben werden.

[0072] Die obigen Daten gelten für 100 Bar Druck im Aggregat und 1500 Umdrehungen pro Minute.

[0073] Es sei noch bemerkt, daß das lange Kolbenoberteil der Erfindung verbunden mit der Anwendung im Rotor mit Radialsteg von etwas kleinerem Durchmesser als "da", also etwa 90 bis 99,9 % "da", eine so stabile Kolbenführung bringt, daß der Kolben keinerlei Kipptendenz hat. Denn er ist beim ganzen Kolbenhub durch die Radialstege des Rotors geführt. Dadurch erhält die Erfindung ihre hohe Betriebssicherheit, ihren hohen Wirkungsgrad. Der Rotorstegaußendurchmesser 29 ist erfindungsgemäß gegenüber der Vortechnik auf bis zu 99,99 Prozent von "da" vergrößert. Rs = Schwenkbettradius 100.

Ansprüche

1. Kolben und Kolbenschuh-Anordnung in einer Radialkolbenmaschine mit H-förmigen Kolbenschuhen, _Radialstegen mit verlängerten Zylinderteilflächen zur Führung der Kolben am Rotor, schwenkbarer Lagerung des Kolbenschuhschwenkteiles an einem Lagerbett im Kolben und an den Zentralsteg oberhalb des Schwenkteiles heranreichenden Schlitzen zwischen den seitlichen Führungsteilen des Kolbenschuhes, dadurch gekennzeichnet, daß die das Schwenkteil (12,20) des Kolbenschuhes (12,20) stellenweise berührenden, radial zur Rotorachse nach außen erstreckten Kolbenarme (1,2) an der Schwenkauflage bzw. dem Lagerbett (6) und an den Innenflächen (17) der Führungsteile (13,14) der Kolbenschuhe (12,20) vorbei radial nach außen erstreckt sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenarme (1,2) bis über die äußere Gleitfläche (16) des Kolbenschuhes (12,20) hinaus erstreckt sind und oberhalb der Gleitfläche (16) des Kolbenschuhes (12,20) eine Halterung (7,9,96) zwischen den genannten Armen (1,2,101,102) zwecks Verhinderung des Herausfallens des Kolbenschuhes aus dem Kolben (3,43,63) angeordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenarme (1,2,101,102) und die Halterung (7,9,96) in eine Ringnut oder Ausnehmung (34) einer Kolbenhubführung (35) hereinragen und dadurch mindestens teilweise radial außerhalb der Kolbenhubführungsflächen (27) erscheinen.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine durch den Schwenkteil (12,20) und dessen Ausnehmungen (59,60) mit ihren Steuerkanten mit Druckfluid periodisch beaufschlagte Druckfluidtasche (54,55,71,72), bezogen auf die Rotorachse etwa in Radialhöhe des Schwenkzentrums (22), durch die Außenfläche des Kolbens hindurch in den Kolben (3,43,63) hinein in Richtung der Drehmomenten-Kraftkomponente angeordnet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfluidtasche (54,55,71,72) stufenlos regelbar oder mehrteilig, gegebenenfalls unter Mitbenutzung einer in der betreffenden Zylinderwand angeordneten Verbindungstasche (74,75) ausgebildet ist und dadurch die wirksame Querschnittsfläche der Druckfluidtasche (54,55) während des Kolbenhubes der Drehmomenten-Kraftkomponente angepaßt verändert ist.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfluidtasche (54,55) aus zwei radial zueinander versetzten einzelnen Druckfluidtaschen (54,55,71,72) besteht, die periodisch nacheinander dem Druckfluid im Zylinder (26) zuschaltbar und abschaltbar sind.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenschuhzentralsteg (21) und das Kolbenschuh-Schwenkteil (12,20) mit einem gleichen Radius (100) um die Schwenkachse (22) ausgebildet sind.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenschuh (20,12) mittels eines um eine Senkrechte zur Kolbenachse (101) in Schlitzen (31) im Kolben (3, 53) schwingenden Stiftes (30) gegen Demontage gesichert sind.

9. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß oberhalb der Schwenkfläche (23) des Kolbenschuhes (12,20) Ausnehmungen (19) angeordnet sind, in die in den genannten Kolbenarmen (1,2) befestigte Haltestifte (96) eingreifen.

Zeichnung