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Als Pumpe, Motor oder Kupplung arbeitende Flüssigkeits-Radialkolbenmaschine
Die Erfindung betrifft eine als Pumpe, Motor oder Kupplung arbeitende Flüssigkeitsradialkolbenma- schine, bei der ein Zylinderstern relativ zu einem als Abstützung für die Kolbenenden dienenden Teil, ohne sich gegenüber demselben zu drehen, eine durch Exzenter oder andere Führungsglieder erzwungene translatorische Kreisbewegung ausführt, und bei der der Flüssigkeitszutritt zu den Zylindern über Steuer- öffnungen der Zylinder mittels eines Drehschiebers gesteuert wird und die aus Kern-und Mantelteil be- stehenden Kolben mit den als konische Köpfe ausgebildeten freien Enden bei ihren in Richtung des Zy- lindersternumfanges erfolgenden Hin- und Herbewegungen an aussermittigen Führungsbahnen abrollen,
wobei beide Kolbenteile um ihre Mittellinie Verdrehungen ausführen.
Bei Radialkolbenmaschinen dieser Art ist es lauftechnisch von Vorteil, dass die Kolben bei der er- wähnten Hin- und Herbewegung an der aussermittigen Führungsbahn abrollen können und dabei eine drehende Bewegung um ihre eigene Achse ausführen. Dabei tritt das Problem auf, die Kolbenköpfe und Führungsbahnen so anzuordnen, dass die Bahnkräfte im Zusammenwirken mit dem von innen auf die Kolben wirkenden Flüssigkeitsdruck während der Druckphase keine axial gerichtete Komponente erzeugen, die den Zylinderstern zu kippen versuchen und daher an seiner Lagerung Kantenpressungenhervorrufen würde. Sind ausserdem das Gehäuse und der Zylinderstern rotierend angeordnet, so würde sich diese unerwünschte Auswirkung sogar infolge der auf die Kolben wirkenden Fliehkräfte vergrössern.
Es sind bereits eine Reihe von Radialkolbenpumpen dieser Bauart bekannt.
Bei einer bekannten Anordnung sind z. B. die Zylinder in zwei verschiedenen, normal zur Drehachse der Maschine orientierten Ebenen angeordnet, wobei die radial äusseren Kolbenenden konisch ausgebildet sind und mit passend geformten Führungsbahnen zusammenwirken. Die Führungsbahnen sind dabei in bezug auf die Symmetrieebene der gesamten Kolbenanordnung winkelmässig spiegelbildlich angeordnet. Hiedurch wird erreicht, dass die für eine Rollbewegung erforderliche Abschrägung der Führungsflächen und der radial äusseren Kolbenenden gegensinnige Axialkräfte erzeugen, die sich aufheben können. Ferner liegen die mit den radial äusseren, konisch geformten Kolbenenden zusammenwirkenden Führungsflächen in der Nähe der Symmetrieebene der beiden die Kolben enthaltenden Ebenen.
Diese bekannte Vorrichtung hat den Nachteil, dass die Herstellung infolge der in zwei unterschiedlichen Ebenen angeordneten Zylinderräume und Kolben erschwert ist. Ausserdem weist eine derartige Pumpe ein grösseres Gewicht und eine grössere Längsabmessung auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Radialkolbenpumpe zu schaffen, bei der kein Kippmoment auf die Welle ausgeübt wird und die geringe Längsabmessungen aufweist.
Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, dass zu beiden Seiten der die Achsen der Kolben enthaltenden Ebene je eine Führungsbahn vorgesehen ist und dass ferner der Mantelkolben an seinem äusseren Kopfende mit der einen Führungsbahn und der Kernkolben an seinem äusseren Kopfende mit der andern Führungsbahn zusammenarbeitet, wobei die beiden Kolbenteile sich um ihre Längsachse gegensinnig relativ zum Zylinderstern verdrehen.
Sämtliche Kolben sind also hiebei in einer Ebene angeordnet, so dass sich sehr geringe Längsabmessungen ergeben. Auch die Herstellung eines für eine derartige Pumpe geeigneten Zylindersternes ist sehr einfach.
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Die konischen Kolbenköpfe der beiden Teilkolben wirken vorzugsweise mit dachartigen Führungsbahnen entsprechender Schrägung zusammen.
Man kann das Querschnittsverhältnis der beiden Kolbenteile und die Neigung der Führungsflächen gegen die zur Achse der Welle normale Ebene so wählen, dass die Bedingung erfüllt ist, wonach die Resultierende aller im Betreib auf die Kolbenteile wirkenden Kräfte, wie die des Druckmittels, die der Führungsbahnen und die der dynamischen Kräfte keine axial gerichtete Komponente aufweist.
Vorzugsweise wird zur Sicherung der Kolben gegen Abheben von den Führungsbahnen eine zum Mantelkolben gehörende Gegenführungsbahn am Gehäuse vorgesehen, wogegen für den Kernkolben dessen eigener Kopf als. Sicherung gegen Zurückgleiten in den Mantelkolben dient.
Man kann die Erzeugenden der Führungsbahnen so zueinander versetzt anordnen, dass die Konusspitzen der Kernkolben weiter aussen liegen als diejenigen der Mantelkolben.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand einer schematischen Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 einen nach I-I der Fig. 2 geführten Längsschnitt durch eine als Pumpe arbeitende Kolbenmaschine gemäss der Erfindung, Fig. 2 einen Querschnitt durch die Pumpe gemäss der Schnittlinie 11-11 der Fig. 1, Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Zylinder in grösserem Massstab und mit Angabe der im Betrieb auftretenden Kräfte.
Im zweiteiligen Gehäuse 1 ist mittels der zwei Lager 2 die Antriebswelle 3 drehbar gelagert. Auf der Kröpfung 4 der Welle 3 ist der z. B. sechs Zylinder aufweisende Zylinderstern 5 drehbar gelagert. In diesem sitzt die Steuerbüchse 6, die zu jedem Zylinder 7 eine Durchflussöffnung 8 besitzt. Der Zylinderstern 5 führt im Maschinengehäuse 1 zufolge der Drehbewegung des Exzenters 4 eine translatorische Kreisbewe- gung aus, wobei er durch die beiden Hilfskurbeln 9 geführt wird und sich gegenüber dem Gehäuse nicht dreht. Zur Kröpfung 4 führen die für die Zu- und Ableitung der Arbeitsflüssigkeit nötigen Kanäle 10,11.
Sie münden in den Saugschlitz 12 bzw. den Druckschlitz 13. Mit dem Saugschlitz 12 ist die eine Hälfte der Zylinder 7 durch Öffnungen 8 in Verbindung, während die andere Hälfte der Zylinder mit dem auf der hinteren Seite der Kröpfung 4 befindlichen Druckschlitz 13 in Verbindung steht. Dabei ist angenommen, dass sich die Antriebswelle 3 im Gegenuhrzeigersinn drehe (Pfeil w), In den Zylindern 7 sind zweiteilige Kolben angeordnet, die je aus einem Kernkolben 14 und einem Mantelkolben 15 bestehen. Der letztere weist einen konusförmigen Kopf 16 auf, der an der linken aussermittigen Führungsbahn 17 der im Gehäuse 2 gehaltenen Platte 18 anliegt.
Der Kemkolben 14 ist im Mantelkolben 15 längsverschieblich geführt und gelagert und wird mit seinem ebenfalls konusförmigen Kopf 19 durch den Flüssigkeitsdruck gegen die rechtsseitige aussermittige Führungsbahn 20 der Platte 18 angedrückt. Die beiden Führungsbahnen 17 und 20 liegen dachartig in bezug auf die Mittelquerschnittsebene.
Zur Sicherung der Kolben gegen zu weites Abheben von den Führungsbahnen dient die am Mantelkolben 15 sitzende Scheibe 21 und die am Gehäuse 1 angebrachte Gegenführungsbahn 22, wogegen für den Kernkolben 14 dessen eigener über den Kopf des Mantelkolbens 15 hinausragender Kopf 19 als Sicherung gegen Zurückgleiten in den Mantelkolben 15 dient.
Auf den Mantelkolben wirken der Flüssigkeitsdruck P 2 und der Anpressdruck P'2 = PYcos o , wie Fig. 3 zeigt. Im Schnittpunkt dieser Kräfte lassen sie sich zur resultierenden Axialkraft P ;,. tgo zusammensetzen. Dieser Axialkraft wird durch die am Kolben 14 angreifenden Kräfte P und P'l = Pl/cos x entgegengewirkt, deren Resultierende gleich P. cxl ist und die ebenfalls auf den Mantelkolben einwirkt. Wählt man insbesondere das Querschnittsverhältnis der beiden Kolbenteile, sowie die Angriffspunkte der Kräfte P*, P* und die Neigungen der Steuerbahnflächen gegen die Quermittelebene derart, dass die Axialkräfte P. tg x und P. tg x am gleichen Punkte der Zylindetachse angreifen und gleich gross sind, so heben sich diese Axialkräfte vollkommen auf und es wirkt dann vom Mantelkolben 15 aus keine Axialkraft auf die Zylinderwand.
Hiezu ist, wie gesagt, die Bedingung P tg tg -P. tg < x zu erfüllen. Dies ist möglich, - trotzdem tg < x nicht gleich tg < x ist, wenn die Querschnittsfläche des Mantelkolbens 15 im Verhältnis
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häuse und der Zylinderstern rotierend ausgebildet sein und die Welle festliegend. Soll die Maschine als Wellenkupplung arbeiten, so muss die Druckleitung durch ein Abschlussorgan verschliessbar sein, da die Maschine sonst kein Drehmoment übertragen kann. Diese Einrichtung ist in der Zeichnung nicht dargestellt.
Auch das Gewicht der Kolben kann so abgestimmt werden, dass die bei rotierend angeordnetem Zylinderstern infolge der Zentrifugalkräfte der Kolben entstehenden Axialkräfte sich vollständig aufheben.
Es liegt ferner auf der Hand, dass die Erfindung auch auf Radialkolbenmaschinen angewendet werden kann, bei denen die Exzentrizität der Kurbel 4 verstellbar ist und daher an Stelle der Hilfskurbeln 9 ver-
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Liquid radial piston machine working as a pump, motor or coupling
The invention relates to a liquid radial piston machine working as a pump, motor or clutch, in which a cylinder star relative to a part serving as a support for the piston ends, without rotating relative to the same, executes a translatory circular movement forced by eccentrics or other guide members which the liquid access to the cylinders is controlled via control openings of the cylinders by means of a rotary valve and the pistons consisting of core and shell part with the free ends designed as conical heads move to and fro in the direction of the cylinder star circumference roll off eccentric guideways,
with both piston parts turning around their center line.
In radial piston machines of this type, it is advantageous in terms of running that the pistons can roll on the eccentric guide track during the mentioned back and forth movement and thereby execute a rotating movement about their own axis. The problem arises here of arranging the piston heads and guideways in such a way that the path forces in interaction with the fluid pressure acting on the piston from inside do not generate any axially directed components during the pressure phase that would try to tilt the cylinder star and therefore cause edge pressure on its bearing. If the housing and the cylinder star are also arranged to rotate, this undesirable effect would even increase as a result of the centrifugal forces acting on the pistons.
A number of radial piston pumps of this type are already known.
In a known arrangement, for. B. the cylinders are arranged in two different planes oriented normal to the axis of rotation of the machine, the radially outer piston ends being conical and interacting with suitably shaped guide tracks. The guide tracks are angularly mirror-inverted with respect to the plane of symmetry of the entire piston arrangement. This means that the bevel of the guide surfaces and the radially outer piston ends required for a rolling movement generate axial forces in opposite directions which can cancel each other out. Furthermore, the guide surfaces cooperating with the radially outer, conically shaped piston ends are in the vicinity of the plane of symmetry of the two planes containing the pistons.
This known device has the disadvantage that production is made more difficult due to the cylinder spaces and pistons arranged in two different planes. In addition, such a pump has a greater weight and a greater longitudinal dimension.
The invention is based on the object of creating a radial piston pump in which no tilting moment is exerted on the shaft and which has small longitudinal dimensions.
This object is achieved in that a guide track is provided on both sides of the plane containing the axes of the pistons and that the jacket piston at its outer head end cooperates with one guide track and the core piston at its outer head end with the other guide track both piston parts rotate in opposite directions about their longitudinal axis relative to the cylinder star.
All pistons are thus arranged in one plane, so that the longitudinal dimensions are very small. The production of a cylinder star suitable for such a pump is also very simple.
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The conical piston heads of the two sub-pistons preferably cooperate with roof-like guideways of corresponding inclination.
The cross-sectional ratio of the two piston parts and the inclination of the guide surfaces relative to the plane normal to the axis of the shaft can be selected so that the condition is met, according to which the resultant of all forces acting on the piston parts during operation, such as those of the pressure medium, those of the guideways and which of the dynamic forces has no axially directed component.
To secure the piston against lifting off the guide tracks, a mating guide track belonging to the jacket piston is preferably provided on the housing, whereas the core piston has its own head. Securing against sliding back into the jacket piston is used.
The generatrices of the guideways can be arranged offset from one another in such a way that the cone tips of the core pistons are further out than those of the jacket pistons.
The invention is explained in more detail below with reference to a schematic drawing of an embodiment. 1 shows a longitudinal section according to II of FIG. 2 through a piston machine operating as a pump according to the invention, FIG. 2 shows a cross section through the pump according to section line 11-11 of FIG. 1, FIG. 3 shows a longitudinal section a cylinder on a larger scale and with details of the forces occurring during operation.
In the two-part housing 1, the drive shaft 3 is rotatably mounted by means of the two bearings 2. On the crank 4 of the shaft 3 is the z. B. six cylinders having cylinder star 5 rotatably mounted. The control sleeve 6, which has a flow opening 8 for each cylinder 7, is seated in this. The cylinder star 5 executes a translatory circular movement in the machine housing 1 as a result of the rotary movement of the eccentric 4, whereby it is guided by the two auxiliary cranks 9 and does not rotate relative to the housing. The channels 10, 11 necessary for the supply and discharge of the working fluid lead to the crank 4.
They open into the suction slot 12 or the pressure slot 13. One half of the cylinders 7 is connected to the suction slot 12 through openings 8, while the other half of the cylinders are connected to the pressure slot 13 located on the rear side of the crank 4 . It is assumed that the drive shaft 3 rotates in the counterclockwise direction (arrow w). Two-part pistons are arranged in the cylinders 7, each consisting of a core piston 14 and a jacket piston 15. The latter has a conical head 16 which rests on the left eccentric guide track 17 of the plate 18 held in the housing 2.
The core piston 14 is guided and supported in the jacket piston 15 so as to be longitudinally displaceable, and its likewise conical head 19 is pressed against the eccentric guide track 20 of the plate 18 on the right-hand side by the pressure of the liquid. The two guide tracks 17 and 20 are roof-like with respect to the central cross-sectional plane.
To secure the piston against being lifted too far from the guideways, the disk 21 on the jacket piston 15 and the mating guide track 22 attached to the housing 1 are used, whereas for the core piston 14 its own head 19 protruding beyond the head of the jacket piston 15 serves as a safeguard against sliding back into the Jacket piston 15 is used.
The liquid pressure P 2 and the contact pressure P'2 = PYcos o act on the jacket piston, as FIG. 3 shows. At the intersection of these forces they can be converted into the resulting axial force P;,. put together tgo. This axial force is counteracted by the forces P and P'l = Pl / cos x acting on the piston 14, the resultant of which is P. cxl and which also acts on the jacket piston. If one selects in particular the cross-sectional ratio of the two piston parts, as well as the points of application of the forces P *, P * and the inclinations of the control path surfaces relative to the transverse center plane, such that the axial forces P. tg x and P. tg x act at the same point on the cylinder axis and are of the same magnitude are, these axial forces cancel each other out completely and no axial force then acts on the cylinder wall from the jacket piston 15.
For this purpose, as I said, the condition P tg tg -P. tg <x to be met. This is possible - although tg <x is not equal to tg <x, if the cross-sectional area of the jacket piston 15 is in proportion
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housing and the cylinder star be designed to rotate and the shaft fixed. If the machine is to work as a shaft coupling, the pressure line must be able to be closed by a closing element, otherwise the machine cannot transmit any torque. This device is not shown in the drawing.
The weight of the pistons can also be adjusted in such a way that the axial forces generated by the centrifugal forces of the pistons when the cylinder star is rotating are completely canceled out.
It is also obvious that the invention can also be applied to radial piston machines in which the eccentricity of the crank 4 is adjustable and therefore instead of the auxiliary cranks 9,
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