ANTRIEBSVORRICHTUNG FÜR OSZILLIERENDE VERDRÄNGERMASCHINEN

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Triebwerk für oszillierende Verdrängermaschinen, wie zum Beispiel Membranpumpen, mit einer Exzenterwelle und mehreren Kolbenstangen, wobei die Kolbenstangen derart mit der Exzenterwelle in Verbindung stehen, dass eine Drehung der Exzenterwelle eine oszillierende Linearbewegung der Kolbenstangen bewirkt.

[0002] Oszillierend arbeitende Maschinen werden üblicherweise nach dem Prinzip des Geradschubkurbelgetriebes gebaut. Bei hohen Leistungen, oder um die oszillierenden, auf das Maschinenfundament wirkenden Massenkräfte gering zu halten, werden solche Maschinen zumeist als Mehrkurbeltriebwerk ausgeführt. Dabei sind die einzelnen Exzenter mit Pleuel- und Kolbenstangen, entweder in Reihen- oder Boxer- oder Sternform nebeneinander angeordnet und werden von einer gemeinsamen Kurbelwelle, deren Exzenter jeweils um den gleichen Winkel gegeneinander versetzt sind, angetrieben.

[0003] Der Nachteil dieser Konstruktion besteht im wesentlichen darin, dass

• die mit mehreren nebeneinander angeordneten Exzenter ausgestattete Kurbelwelle hohen Biegemomenten ausgesetzt ist und dementsprechend kräftig dimensioniert werden muss,
• insbesondere bei der mehrheitlich ausgeführten Reihenbauweise hohe Kräfte in den Lagern zwischen Kurbelwelle und Triebwerksgehäuse auftreten, was die Kosten für das Lager in die Höhe treibt,
• ein vollständiger Massenausgleich erst bei einer Sechs-Zylindermaschine möglich ist, und
• das Triebwerk insgesamt ein großes Bauvolumen, ein hohes Gewicht und hohe Herstellungskosten hat.

[0004] Um diese Nachteile zu beseitigen, wurden bereits Mehrzylindermaschinen entwickelt, deren Kolbenstangen alle in einer Ebene liegen und gegeneinander um gleiche Winkel versetzt sind. Angetrieben werden die Kolbenstangen von einem einzigen Exzenter, so dass die Kurbelwelle entsprechend geringere Abmessungen haben kann. Dieses Konstruktionsprinzip gibt es in zwei verschiedenen Ausführungen:

a) Konstruktionen mit kraftschlüssiger Verbindung zwischen Exzenter und Kolbenstangen, bei denen die Kolbenstangen durch Rückholfedern auf die Gleitflächen des Exzenters gedrückt werden.

b) Konstruktionen mit formschlüssiger Verbindung zwischen Exzenter und Kolbenstangen, bei denen die Rückholfedern durch eine, alle Kolbenstangen umschließende Rückholspange ersetzt werden.

[0005] Beide Ausführungsformen haben Nachteile. So addiert sich bei der Verwendung einer Rückholfeder deren Kraft sich zur Stangenkraft und führt zu einer zusätzlichen Belastung der Bauteile. Wird die Feder zu schwach dimensioniert, kann der angeschlossene Kolben stecken bleiben, so dass der Saughub nicht oder nicht vollständig ausgeführt wird.

[0006] Die alternativ eingesetzte, alle Kolbenstangen umfassende Rückholspange ist, vor allem bei großen Maschinen, ein teures Bauteil und bedingt zudem ein großes Bauvolumen des gesamten Exzenter-Triebwerks.

[0007] Die DE-G-85 21 520 U beschreibt eine Mehrzylindermembranpumpe mit mehreren Membranpumpenköpfen, die jeweils eine durch einen Hydraulikkolben betätigbare Membran aufweisen. Hier erfolgt der Pumpenantrieb über eine Pleuel-Exzenter-Einrichtung. Die Pleuelstange ist sowohl mit dem Kolben bzw. der Kolbenstange als auch mit der Exzenterwelle drehbar gekoppelt, wodurch das Triebwerk aufwendig in der Herstellung ist.

[0008] Die US-5,368,451 beschreibt eine entsprechende Vorrichtung mit drei Hydraulikzylindern, bei denen die Kolbenstange mit Hilfe einer Rückholfeder auf die Exzenterfläche gedrückt wird.

[0009] Auch die DE 196 26 938 A1 beschreibt eine stegförmige Kolben-Zylinder-Anordnung, bei der die Welle von radial ausgerichteten Zylindern umgeben ist, in denen verschiebbare Kolben angeordnet sind, die durch Pleuelstangen über einen Exzenter mit der Wellewerbunden sind.

[0010] Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes Triebwerk zur Verfügung zu stellen, das die beschriebenen Nachteile vermeidet oder zumindest reduziert.

[0011] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Triebwerk mit allen Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine Kulissenführung besteht aus einer Kulisse, welche einen Schlitz, einen Steg oder eine Nut aufweist, und einem entsprechend ausgebildeten Kulissenstein, welcher durch die Kulisse zwangsgeführt wird.

[0012] Durch die Verwendung einer Kulissenführung kann auf Pleuelstangen verzichtet werden, was die Kosten des Triebwerks reduziert und zugleich ermöglicht, dass zum Beispiel eine mit solch einem Triebwerk ausgestattete Membranpumpe kleiner hergestellt werden kann, da nun die in den Dosierzylindern geführte Kolben direkt mit der Exzenterwelle gekoppelt werden können, ohne dass eine Pleuelstange benötigt wird.

[0013] In einer bevorzugten Ausführungsform liegen alle Kolbenstangen in einer Ebene, wobei besonders bevorzugt die Kolbenstangen sternförmig angeordnet sind. Unter sternförmig im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird verstanden, dass die Kolbenstangen in Umfangsrichtung der Exzenterwelle voneinander gleich beabstandet sind. Mit anderen Worten, schließen benachbarte Kolbenstangen in einer Projektion auf einer Ebene senkrecht zur Exzenterwelle jeweils den gleichen Winkel ein.

[0014] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Kulissenführung derart ausgebildet ist, dass Exzenterwelle und Kolbenstangen in einer ersten Raumrichtung, vorzugsweise auch in einer zweiten, hierzu senkrecht angeordneten Raumrichtung formschlüssig miteinander verbunden sind, während eine Relativbewegung in einer dritten Raumrichtung, die senkrecht zur ersten und zur zweiten Raumrichtung angeordnet ist, möglich ist.

[0015] Beispielsweise kann die Kulisse als T-Nut und der Kulissenstein als entsprechend angepasster Nutenstein ausgebildet sein. Dabei hat es sich gezeigt, dass die Kulisse vorzugsweise an der Kolbenstange angeordnet ist und die Kulissensteine vorzugsweise an der Exzenterwelle befestigt sind.

[0016] Beispielsweise kann die Exzenterwelle mit einem Kulissenelement (z. B. drehbeweglich) verbunden sein, welches die Kulissen oder die Kulissensteine aufweist, wobei die Kulissen oder die Kulissensteine auf den Begrenzungsflächen eines regelmäßigen Vielecks mit n Ecken liegen.

[0017] Dabei ist vorzugsweise n ein ganzzahliges Vielfaches von m. Am besten wird n = m gewählt.

[0018] Weiterhin hat sich gezeigt, dass die Kulisse vorzugsweise aus gehärtetem Stahl hergestellt ist. Der Kulissenstein wird am besten aus einer Kupferlegierung, vorzugsweise aus Bronze hergestellt, um eine möglichst reibungsarme Bewegung des Kulissensteins in der Kulisse zu ermöglichen.

[0019] Durch das erfindungsgemäße Mehrkolbentriebwerk werden die eingangs erwähnten Nachteile dadurch beseitigt, dass die Kolbenkräfte sowohl für den Druckhub als auch für den Saughub direkt von der Exzenterkulisse, die drehbeweglich mit der Exzenterwelle verbunden ist, auf die einzelnen Kolbenstangen übertragen werden, wodurch zusätzliche Bauteile, wie zum Beispiel eine teure Rückzugsstange oder Pleuelstangen, entfallen und so die Baugröße des gesamten Triebwerks deutlich reduziert werden kann.

[0020] Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie der zugehörigen Figuren. Es zeigen:

Figur 1

eine erste Ausführungsform eines Exzenterkulissen-Triebwerks gemäß der Erfindung in einer Schnittansicht,

Figur 2

eine weitere Schnittansicht senkrecht zur in Figur 1 gezeigten Ansicht,

Figuren 3a - c

drei Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Triebwerks, und

Figuren 4a+b und 5 a+b

verschiedene Ausführungsformen der Verbindung zwischen Kolbenstange und Kulissenelement.

[0021] Bei der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsform dient das Triebwerk zum Antrieb einer Drei-Zylindermaschine. Das Triebwerk weist somit drei Kolbenstangen 1 auf, die in einer Ebene liegen und um 120° gegeneinander versetzt angeordnet sind. Die Exzenterwelle 2 ist drehbeweglich mit einer Exzenterkulisse verbunden. Wird die Exzenterwelle um die Achse 12 gedreht, so wird sich der Mittelpunkt 11 der Exzenterkulisse auf dem mit der Bezugszahl 13 versehenen Kreis bewegen. Mit anderen Worten führt die Exzenterkulisse eine translatorische Kreisbewegung durch. Das Kulissenelement 6 ist vorzugsweise dreiecksförmig ausgebildet, wobei auf den drei Seiten des Dreiecks die Kulissen- bzw. Nutensteine angeordnet sind, die Gleitflächen 8 aufweisen. Die Kolbenstangen 1 weisen entsprechende Gleitschuhe 5 auf, die als Kulisse dienen. Wie insbesondere in Figur 1 zu erkennen ist, umgreift der Gleitschuh 5 die Kulissensteine des Kulissenelements 6, so dass die Gleitflächen 8 der Kulissensteine an den Gleitflächen 7 der Kulisse anliegen. Die Kulissensteine des Kulissenelements 6 werden somit formschlüssig von dem Gleitschuh 5 umgriffen. Bei einer Drehung der Welle 2 werden die Gleitschuhe 5 entlang der Gleitflächen 8 der Kulissensteine gleiten. Durch diese Konstruktion werden nahezu keine Querkräfte von der Exzenterwelle auf die Kolbenstangen 1 aufgebracht.

[0022] Man erkennt deutlich den außergewöhnlich kompakten Aufbau des Triebwerks.

[0023] In den Figuren 3a bis 3c sind drei unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung gezeigt. In Figur 3a ist ein Zwei-Zylinder-Antrieb gezeigt. Das Triebwerk weist daher lediglich zwei Kolbenstangen 1 auf. Das Kulissenelement 6' hat hier eine rechteckige Form, wobei lediglich an zwei gegenüberliegenden Seiten des Rechtecks entsprechende mit Gleitflächen versehene Kulissensteine angeordnet sind, die von den Gleitschuhen 5 der Kolbenstangen 1 umgriffen werden. Bei einer Drehung der Welle wird sich der Mittelpunkt 11 des Kulissenelements 6' entlang des Kreises 13 bewegen.

[0024] Figur 3b zeigt die aus den Figuren 1 und 2 bereits bekannte Ausführungsform mit drei Zylindern.

[0025] In Figur 3c ist ein Vier-Zylinder-Antrieb gezeigt. Das Kulissenelement 6" ist dem Kulissenelement 6' der Ausführungsform von Figur 3a ähnlich, wobei hier jedoch an allen vier Seiten des quadratischen Kulissenelements 6" entsprechende Gleitflächen 11 tragende Kulissensteine angeordnet sind, die jeweils von einem Gleitschuh 5 einer der vier Kolbenstangen 1 umgriffen werden.

[0026] In den Figuren 4 und 5 sind spezielle Ausführungsformen der Gleitschuhe 5 gezeigt.

[0027] Die Figuren 4a und 4b zeigen eine vergrößerte Darstellung der Kulissenführung. Die Kolbenstangen 1 weisen an ihrem Ende eine Druckplatte 5' auf, welche zusammen mit den Rückholklauen 14 den Gleitschuh bilden. Die Rückholklauen 14 sind mit Hilfe einer Schraube an der Druckplatte 5' befestigt. In der in Figur 4a gezeigten Ausführungsform wird die Rückholklaue 14 stirnseitig auf die Druckplatte 5' aufgeschraubt.

[0028] Bei der in Figur 4b gezeigten Ausführungsform ist die Rückholklaue 14 U-förmig ausgebildet, so dass sie sowohl den Kulissenstein als auch die Druckplatte 5' umgreift. Zur Befestigung wird die Rückholklaue 14 dann von hinten, d. h. von der dem Kulissenstein abgewandten Seite der Druckplatte 5' mit dieser verschraubt.

[0029] In den Figuren 5a und 5b sind Ausführungsformen gezeigt, bei denen die Rückholklauen 14 an den umlaufenden Kanten der Druckplatte 5' angeschraubt sind. Im Falle der Ausführungsform von Figur 5b sind beide Rückholklauen 5' mit Hilfe eines Bolzen und entsprechender Passschrauben 15 miteinander verbunden.

Bezugszeichenliste

[0030] 

1

Kolbenstangen

2

Exzenterwelle

5

Gleitschuh

5'

Gleitschuh-Druckplatte

6.6', 6"

Kulissenelement

7

Gleitflächen der Kulisse

8

Gleitflächen der Kulissensteine

10

Kreis

11

Mittelpunkt des Kulissenelements

12

Achse der Exzenterwelle

13

Kreis

14

Rückholklaue

15

Bolzen/Passschrau be

Ansprüche

1. Triebwerk für oszillierende Verdrängermaschinen mit einer Exzenterwelle (2) und einer Mehrzahl m von Kolbenstangen (1), wobei die Kolbenstangen (1) derart mit der Exzenterwelle (2) in Verbindung stehen, dass eine Drehung der Exzenterwelle eine oszillierende Linearbewegung der Kolbenstangen (1) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzenterwelle (2) und jede Kolbenstange (1) jeweils über eine Kulissenführung miteinander verbunden sind, und dass alle Kolbenstangen (1) in einer Ebene liegen.

2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstangen (1) sternförmig angeordnet sind.

3. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass Exzenterwelle (2) und Kolbenstangen (1) in einer ersten Raumrichtung, vorzugweise auch in einer zweiten hierzu senkrecht angeordneten Raumrichtung formschlüssig miteinander verbunden sind, während eine Relativbewegung in einer dritten Raumrichtung, die senkrecht zur ersten und zur zweiten Raumrichtung angeordnet ist, möglich ist.

4. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kulissenführung als T-Nut/Nutenstein-Verbindung ausgebildet ist, wobei vorzugweise Kolbenstangen die T-Nut aufweisen und die Nutensteine an der Exzenterwelle (2) befestigt sind.

5. Triebwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzenterwelle (2) ein Kulissenelement hat, weiches die T-Nuten oder die Nutensteine aufweist, wobei T-Nuten oder Nutensteine auf den Kanten eines regelmäßigen Vielecks mit n Ecken liegen.

6. Triebwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass n ein ganzzahliges Vielfache von m ist, wobei vorzugsweise n gleich m ist.

7. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die T-Nut aus gehärtetem Stahl hergestellt ist.

8. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Nutenstein aus einer Kupfer-Legierung, vorzugsweise aus Bronze hergestellt ist.

9. Triebwerk nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die T-Nut durch eine Druckplatte (5') und eine Rückholklaue (14), die an der Druckplatte (5') befestigt sind, gebildet wird.

10. Triebwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückholklaue (14) mit der Druckplatte (5') der Kolbenstange (1) mittels eines Bolzens oder einer Passschraube (15) verbunden ist, wobei die Rückholklaue (14) vorzugsweise drehbeweglich mit der Druckplatte (5') verbunden ist.

11. Membranpumpe mit einem Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 10.

Claims

1. A drive mechanism for oscillating positive-displacement machines comprising an eccentric shaft (2) and a plurality m of piston rods (1), wherein the piston rods (1) are connected to the eccentric shaft (2) in such a way that rotation of the eccentric shaft produces an oscillating linear movement of the piston rods (1), characterized in that the eccentric shaft (2) and each piston rod (1) are connected together by way of a sliding unit guide, and in that all piston rods (1) are disposed in one plane.

2. A drive mechanism as set forth in claim 1 characterized in that the piston rods (1) are arranged in a star configuration.

3. A drive mechanism as set forth in one of claims 1 through 2 characterized in that the eccentric shaft (2) and the piston rods (1) are connected together in positively locking relationship in a first direction in space, preferably also in a second direction in space arranged perpendicularly thereto, while a relative movement in a third direction in space which is arranged perpendicularly to the first and second directions in space is possible.

4. A drive mechanism as set forth in one of claims 1 through 3 characterized in that the sliding unit guide is in the form of a T-groove/groove block connection, wherein preferably piston rods have the T-groove and the groove blocks are fixed to the eccentric shaft (2).

5. A drive mechanism as set forth in claim 4 characterized in that the eccentric shaft (2) has a sliding element which has the T-grooves or the groove blocks, wherein T-grooves or groove blocks lie on the edges of a regular polygon with n corners.

6. A drive mechanism as set forth in claim 5 characterized in that n is an integral multiple of m, wherein preferably n is equal to m.

7. A drive mechanism as set forth in one of claims 1 through 6 characterized in that the T-groove is made from hardened steel.

8. A drive mechanism as set forth in one of claims 1 through 7 characterized in that the groove block is made from a copper alloy, preferably from bronze.

9. A drive mechanism as set forth in one of claims 4 through 8 characterized in that the T-groove is formed by a pressure plate (5') and a restraint claw (14) fixed to the pressure plate (5').

10. A drive mechanism as set forth in claim 9 characterized in that the restraint claws (14) are connected to the pressure plate (5') of the piston rod (1) by means of a bolt or a fitting screw (15), wherein the restraint claw (14) is preferably rotatably movably connected to the pressure plate (5').

11. Diaphragm pump comprising a drive mechanism as set forth in one of claims 1 through 10.

Revendications

1. Groupe propulseur pour moteur volumétrique comprenant un arbre à excentrique (2) une pluralité m de tiges de piston (1), étant entendu que les tiges de piston (1) sont en liaison avec l'arbre à excentrique (2) de telle sorte qu'une rotation de l'arbre à excentrique entraîne un mouvement linéaire oscillatoire des tiges de piston (1), caractérisé en ce que l'arbre à excentrique (2) et chaque tige de piston (1) sont respectivement reliés l'un à l'autre par le biais d'un guide de coulisse et en ce que toutes les tiges de piston (1) sont situées dans un seul plan.

2. Groupe propulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tiges de piston (1) sont agencées en forme d'étoile.

3. Groupe propulseur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'arbre à excentrique (2) et les tiges de piston (1) sont reliés les uns aux autres par assemblage de forme dans une première direction de l'espace, et de préférence également dans une deuxième direction de l'espace agencée perpendiculairement à celle-ci, tandis qu'un mouvement relatif est possible dans une troisième direction de l'espace, qui est agencée perpendiculairement aux première et deuxième directions de l'espace.

4. Groupe propulseur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le guide de coulisse est réalisé comme un assemblage de rainure et clavettes rainurées en T, étant entendu que de préférence, les tiges de piston présentent la rainure en T et les clavettes rainurées sont fixées sur l'arbre à excentrique (2).

5. Groupe propulseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'arbre à excentrique (2) comprend un élément de coulisse qui présente les rainures en T ou les clavettes rainurées, étant entendu que des rainures en T ou des clavettes rainurées se trouvent sur les arêtes d'un polygone régulier ayant n angles.

6. Groupe propulseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que n est un multiple entier de m, étant entendu que de préférence, n est égal à m.

7. Groupe propulseur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la rainure en T est réalisée en acier durci.

8. Groupe propulseur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la clavette rainurée est réalisée dans un alliage de cuivre, de préférence en bronze.

9. Groupe propulseur selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que la rainure en T est formée par une plaque de pression (5') et une mâchoire de rappel (14) qui est fixée à la plaque de pression (5').

10. Groupe propulseur selon la revendication 9, caractérisé en ce que la mâchoire de rappel (14) est reliée avec la plaque de pression (5') de la tige de piston (1) au moyen d'un boulon ou d'une vis ajustée (15), étant entendu que la mâchoire de rappel (14) est de préférence reliée avec la plaque de pression (5') de façon rotative.

11. Pompe à membrane comprenant un groupe propulseur selon l'une des revendications 1 à 10.

Zeichnung