DE2119698A1

DE2119698A1 - Nockenantrieb fur Fludwandler

Info

Publication number: DE2119698A1
Application number: DE19712119698
Authority: DE
Inventors: Henry North Riverside 111 Schottler (V St A)
Original assignee: Roller Gear Ltd , Zug (Schweiz)
Priority date: 1970-04-23
Filing date: 1971-04-22
Publication date: 1971-11-04
Also published as: CA949809A; AT320368B; NL7105536A; SE369947B; US3659971A; FR2090589A5; GB1328759A; CH522816A

Description

für Fludwandler

Die Erfindung bezieht sich auf einen Nockenantrieb/» insbesondere für eine Kolbenpumpe oder einen Kolbenmotor, zum Umwandeln einer Drehbewegung in eine hin- und hergehende Kolbenbewegung mehrer Kolben oder umgekehrt.

Diejenige Bauart eines Fludwandlers, für die die Erfindung besonders geeignet ist, ist in der US-PS 3,403,668 beschrieben. Die in dieser PS beschriebenen Fludwandler umfassen einen Nockenantrieb zum Umwandeln der Drehbewegung einer Eingangswelle in eine hin- und hergehende Bewegung eines Kolbens, z.B. einer Kolbenpumpe oder eines Kompressors, oder zur Umwandlung der hin- und hergehenden Bewegung eines Kolbens in eine Drehbewegung einer Ausgangswelle, z.B. einer Brennkraftmaschine oder eines hydraulischen Motors. Der Nockenantrieb nach der US-PS macht eine Kurbelwelle, ein Nockengestänge oder dergl. überflüssig und Verbessert den Wirkungsgrad und. die Füllung der Fludwandler. Der Nockenantrieb ermöglicht es, damit ausgestattete Fludwandler mit variablem Ausgang und Fördereigenschaftsn zu betreiben.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Nockenantrieb zu schaffen, der den Aufbau und die Synchronisation einer Mehrzahl von hin- und hergehenden Kolben eines Fludwandlers

§eeignet isx.
essern/ Wenn ein derartiger Nockenantrieb von einem Paar gegenüberliegender Nocken mit dazwischen

gebildet

angeordneten Wälzkörpern/ist, muß die Planetenbewegung der Wälzkörper durch Kegelräder oder dergl. so gesteuert werden, daß die Wälzkörper bezüglich der Nocken ihre richtige Stellung beibehalten. Ohne Führung der Wälzkörper besteht die Gefahr, daß die Wälzkörper in eine Totpunkt- oder Stillstandstellung zwischen den gegenüberliegenden Nockenerhebungen geraten. Die Anordnung von Führungsvorrichtungen wie Kegelrädern zur Führung der Wälzkörper würde eine verhältnismäßig komplizierte Konstruktion bei einem Fludwandler zur Folge haben, der mehrere eng benachbart angeordnete Kolben aufweist.

Wenn jeder der hin- und hergehenden Kolben eines solchen Fludwandlers mit einem gesonderten Nockenantrieb versehen ist, muß der Fludwandler Kegelräder oder andere zweckmäßige Vorrichtungen zum Synchronisieren der verschiedenen Antriebe haben, um Hub und Fluddruck jedes Kolbens zu koordinieren und einen stoßfrei arbeitenden Fludwandler zu schaffen. Die zum Synchronisieren der Bewegungen mehrerer Nockenantriebe erforderlichen Vorrichtungen sind ziemlich kompliziert und beanspruchen einen großen Bauraum bei Fludwandlern mit mehreren hin- und hergehenden Kolben.

Um die geschilderten Schwierigkeiten zu verkleinern oder ganz auszuschalten, ist nach der Erfindung bei einem Nockenantrieb der eingangs genannten Art vorgesehen, daß jedem als Ringkolben ausgebildeten Kolben eine ringförmige Nockenfläche zugeordnet ist, auf denen Wälzkörper abrollen, die von einem drehbaren Käfig über den Umfang der Nockenflächen gleichmäßig verteilt gehalten und auf der anderen Seite des-Käfigs mit ringförmigen, ebenen Laufbahnen einer umlaufenden Sonnenscheibe in Wälzberührung stehen, wobei die Nockenflächen und die Laufbahnen derart gestaltet sind, daß die

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Wälzkörper mit im wesentlichen gleicher Winkelgeschwindigkeit in freier Rollbewegung zwischen den Nockenflachen und den Laufbahnen umlaufen können. Der Nockenantrieb nach der Erfindung baut kompakt und ist einfach in seinem Aufbau. Bei einem mit einem Nockenantrieb nach der Erfindung ausgerüsteten Fludwandler sind die Schwierigkeiten der Wälzkörperführung bezüglich der Nockenerhebungen des Antriebes dadurch umgangen, daß jedem Nockenantrieb eine von Nockenerhebungen freie Sonnenscheibe zugeordnet ist. Da die Laufbahnen an den Nockenscheiben keine Nockenerhebungen aufweisen, rollen die Wälzkörper gleichförmig längs der gesamten Laufbahnlänge ab. Eine Führung der Wälzkörper bezüglich der Sonnenscheibe ist nicht erforderlich.

Der Nockenantrieb nach der Erfindung synchronisiert gleichzeitig die Bewegung mehrerer hin- und hergehender Kolben in sehr einfacher Weise. Jeder Nockenantrieb weint mehrere Wälzkörper zum gleichzeitigen Antreiben mehrerer, dicht einander benachbarter Kolben auf, wobei der Antrieb durch die Rollbewegung der Wälzkörper zwischen einer Nockenfläche und einer dieser gegenüber angeordneten Laufbahn an der entsprechenden Sonnenscheibe bewirkt wird. Die Wälzkörper sind in einem gemeinsamen, drehbaren Käfig angeordnet, so daß die Winkelgeschwindigkeit der mehrere Kolben antreibenden Wälzkörper gleich gehalten ist. Die Laufbahnen an der Sonnenscheibe führen die Wälzkörper mit bestimmten wirksamen Rollradien, wodurch die Winkelbewegung der mehreren Wälzkörper jedes Nockenantriebes synchronisiert werden.

, Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung sind im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Pumpe mit Nockenantrieben nach der Erfindung;

Fig. 2 einen nach der Linie 2.-2 in Fig. 1 gelegten Teilschnitt, der den gemeinsamen Käfig für dir Wälzkörper eines Nockenantriebs nach der Erfindung darr.tollt; ,,

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Fig. 3 einen Querschnitt durch die Pumpe nach der Linie 3-3 in Fig. 1;

Fig. 4 eine Abwicklung des Nockenantriebes der Pumpe nach Fig.1; -

Fig. 5 einen vergrößerten Teilschnitt eines Teils des Nockenantriebes nach der Erfindung;

Fig. 6 einen vergrößerten Teilschnitt nach der Linie 6-6 in Fig.5;

Fig. 7 einen vergrößerten Teilschnitt durch einen abgeänderten Nockenantrieb nach der Erfindung und

Fig. 8 einen vergrößerten Teilschnitt längs der Linie 8-8 in Fig.7

Die in Fig. 1 gezeigte Pumpe nach der Erfindung ist insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 versehen. Die Pumpe 10 umfaßt ein abgedichtetes Pumpengehäuse 11, das bezüglich einer zur Pumpenwelle normalen Mittellinie symmetrisch ausgebildet ist. Im Ge-.häuse 11 ist ein Einlaß 12 vorgesehen, über den Flud in die Pumpe 10 einströmt, sowie einen Auslaß, durch den Flud aus der Pumpe herausgefördert wird. Mit dem Einlaß 12 steht ein Einlaßkanal 14 und mit dem Auslaß/ein Auslaßkanal 15 in Verbindung.

Die Pumpe 10 umfaßt einen ringförmigen Zylinderblock 16, der zentral im Gehäuse 11 montiert ist. In dem Block 16 sind mehrere konzentrische, ringförmige Zylinder 17, 18, 19 und 23 eingearbeitet. Die Zylinder 17 bis 20 haben mit dem Gehäuse 11 eine gemeinsame Längsachse. Jeder Zylinder steht über ein federbelastetes Einlaß-Rückschlagventil 21 mit dem Einlaßkanal 14 und über ein lederbelastetes Auslaß-Rückschlagventil 22 mit dem Ausr laßkanal 15 in Verbindung. Die Rückschlagventile 21 und 22 arbeiten in bekannter V/eise in Abhängigkeit von dem in der Pumpe 10 herrschenden Druck. Die Ventile 21 ermöglichen ein Ansaugen von Flud in die Zylinder 17 bis 20 und die Ventile 22 ein Aus- .

schieben öes Flud aus den Zylindern.

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Die Pumpe 10 umfaßt ferner mehrere Ringkolben 27, 28, 29 und 30. Die Ringkolben 27 bis 30 sind in den ringförmigen Zylindern 17 bis 20 aufgenommen und gleiten darin im Betrieb der Pumpe 10 hin und her. Die Kolben 27 bis 30 sind in ihren Zylindern 17 bis 20 durch Dichtungsringe 31 aus einem elastomeren Material oder andere zweckmäßige Kolbenringanördnungen abgedichtet.

Zweckmäßigerweise haben die Arbeitsflächen der Ringkolben 27 bis 30 eine gleiche wirksame Fläche, um eine gleichförmige und kontinuierliche Strömung des Fludes aus dem Auslaß 13 im Betrieb der Pumpe 10 zu gewährleisten. Zu diesem Zweck sind die Kolben 27 bis 30 und ihre Zylinder 17 bis 20 so dimensioniert, daß die unterschiedlichen Kolbendurchmesser ausgeglichen werden. Die äußeren Zylinder 17 und 18 und die ihnen zugeordneten Kolben 27 und 28 sind dazu mit einer verhältnismäßig kleinen radialen Breite dimensioniert, und die inneren Zylinder 19 und 20 und die ihnen zugeordneten Kolben 29 und 30 sind mit einer beträchtlich größeren radialen Breite dimensioniert, derart, daß die Kolben 27 bis 30 im Betrieb der Pumpe 10 die selbe wirksame Fläche haben und dem geförderten Flud den gleichen Druck mitteilen, obgleich der Durchmesser der äußeren Kolben 27 und 28 beträchtlich größer als der Durchmesser der inneren Kolben 29 und 30 ist.

Um wirkungsvoll arbeiten zu können, müssen die Kolben 27 bis 30 gegenüber einer Drehung im Pumpengehäuse 11 gesichert werden. Dazu ist gemäß den Fig. 1 und 3 jeder Kolben 27 bis 30 mit einem Riegel 32 versehen, während die benachbarten Bereiche des Zylinderblocks 16 mit axialen Nuten 33 gestaltet sind. Die Riegel 32 und Nuten 33 verhindern ein Drehen der Kolben 27 bis 30, lassen jedoch freies axiales Gleiten der Kolben in beiden axialen Richtungen im Gehäuse 11 zu. Die Riegel 32 und Nuten 33 sind gleichmh'ßig über den Umfang der Kolben 27 bis 30 verteilt angeordnet, so daß die auf die Riegel 32 im Betrieb der Pumpe 10 wirkenden Belastungen und die daraus resultierenden Kräfte auf die Kolben gleichmäßig verteilt sind.

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Die Pumpe 10 umfaßt ferner eine zentrale Eingangswelle 40 zum Antreiben der Kolben 27 bis 30. Die Welle 40 ist von Lagern 39 in den Enden des Pumpengehäuses 11 unterstützt. Die gezeigte Anordnung der gegenüberliegenden Ringkolben 27 bis 30 gewährleistet, daß die im Betrieb der Pumpe 10 entstehenden Axialkräfte sich gegenseitig aufheben. Daher werden die Lager 39 axial praktisch nicht belastet und können als einfache Radiallager ausgebildet sein. Die Welle 40 erstreckt sich durch eine zentrale öffnung 38 im Zylinderblock 16. Auf der ¥elle AO sitzende Federringe 37 halten die Welle 40 axial gegenüber dem Zylinderblock 16 fest.

Die Pumpe 10 hat ferner ein Paar Nockenantriebe 50 zum Übertragen der Drehbewegung der Eingangswelle 40 auf die Kolben 27 bis 30. Jeder Nockenantrieb 50 ist gleich ausgebildet und arbeitet in gleicher Weise wie die anderen Antriebe, in dem er die Drehbewegung der Eingangswelle 40 in eine hin- und hergehende Bewegung mindestens zv/eier Ringkolben 27 bis 30 umwandelt. Es braucht daher nur ein Nockenantrieb 50 beschrieben zu werden.

Ein solcher Nockenantrieb 50 umfaßt eine ringförmige, mit mehreren Nockenerhebungen versehene Nockenfläche an jedem Kolben eines mit dem Nockenantrieb zusammenwirkenden Kolbenpaars. Die Endflächen der äußeren Kolben 27 und 28 sowie die Endflächen der inneren Kolben 29 und 30 sind derart bearbeitet, daß sie Nockenflächen 52 und 54 mit mehreren Nockenerhebungen bilden. Wie am besten in Fig. 4 zu sehen ist, hat die Nockenfläche 52 drei in gleichem Abstand voneinander angeordnete Nockenerhebungen 51 und die Nockenfläche 54 ebenfalls drei in gleichem Abstand voneinander angeordnete Nockenerhebungen 53. Aufgrund der drei Nockenerhebungen an den Nockenflächen 52 und 54 macht jeder der Kolben 27 bis 30 bei zv/ei Umdrehungen der Eingangswelle 40 drei Arbeitshübe.

Gemäß den Fig. 1 und 4 haben die Amplituden (a) der Nockenerhebungen 51 und 53 gleiche Höhe. Aufgrund dieser Anordnung

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sind die Hübe der Kolben 27 bis 30 gleich groß. Die gleich großen Hübe der Kolben 27 bis 30 verursachen ein gleichförmigeε Fördern von Flud aus den Zylindern 17 bis 20 und erzeugen eine im wesentlichen stetige und gleichförmige Strömung aus der Pumpe 10.

Fig. 1 und 4 zeigt die Relationen der Nockenflächen 52 und 54 bezüglich ihrer Umfangpanordnung zueinander. Wie durch die strichpunktierten Linien in Fig. 4 deutlich gemacht ist·, sind die Nocken!lachen 52 und 54 derart angeordnet, daß die entsprechenden Nockenerhebungen 51 und 53 radial miteinander ausgerichtet sind. Aufgrund dieser Anordnung fluchten die Nockenerhebungen 51 der Nockenfläche 52 radial mit den Nockenerhebungen 53 der Nockenfläche 54, und in gleicher V/eise fluchten die Nockenvertiefungen 53a der Nockenfläche 54 radial mit der Nockenvertiefung 51a der Nockenfläche 52. Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, umfaßt der Antrieb 50 ferner WälzkörpersatzQ de&een Wälzkörper in Berührung mit beiden Nockenflächen 52 und 54 stehen. Ein erster Wälzkörpersatz umfaßt mehrere Kugeln 56, die mit den Nockenflächen 52 an den äußeren Kolben 27 und 28 zusammenwirken, und ein zweiter Wälzkörpersatz umfaßt mehrere Kugeln 58, die mit den Nockenflächen 54 der inneren Kolben 29 und 30 zusammenv/irken. Da bei der gezeigten Ausführung die Nockenflächen 52 und 54 drei Nockenerhebungen haben, hat jeder Wälzkörpersatz entsprechend der Anzahl der Nockenerhebungen drei Kugeln 56 bzw. 58.

Die Kugeln 56 und 58 beider Wälzkörpersätze des Antriebs 50 sind in einem gemeinsamen Käfig 60 geführt. Wie Fig. 2 zeigt, sind die Kugeln 56 des radial äußeren Wälzkörpersatzes in Öffnungen 61 in im Käfig 60 auf dem Durchmesser D gehalten. Der Durchmesser D ist so gewählt, daß die Kittelpunkte der Kugeln 56 axial mit den Nockenflächen 52 der äußeren Kolben 27 und 28 fluchten. In gleicher V/eise sind die Kugeln 58 des inneren Wälz-»· körperratzes in Öffnungen 62 im Käfig 60 auf einem kleineren Durchmesser d angeordnet, der die Kugelmittelpunkte 58 axial auf

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die Nockenflächen 54 der inneren Kolben 29 und 30 ausrichtet. Die Öffnungen 61 und 62 im Käfig 60 sind in radialer Richtung bezüglich des Durchmessers der Kugeln 56 und 58 geringfügig aufgeweitet. Aufgrund dieser Anordnung können die Kugeln 56 und 58 sich geringfügig in den Öffnungen 61 und 62 radial bewegen und dadurch in dem Antrieb selbst^einstellen. Die Abmessung der Öffnungen und 62 in Umfangsrichtung ist im wesentlichen gleich groß wie der Durchmesser der Kugeln 56 und 58, so daß die Öffnungen die Kugeln 56 und 58 in einer festgelegten Umfangslage im Käfig 60 mit enger Toleranz halten.

Die Öffnungen 61 und 62 sind gleichförmig im Käfig 60 verteilt, so daß die drei Kugeln 56 auf dem großen Durchmesser D um 120° versetzt angeordnet sind und die drei Kugeln 58 auf dem kleinen Durchmesser d ebenfalls um 120 versetzt zueinander angeordnet sind. Die Öffnungen 61 und 62 sind im Käfig 60 derart versetzt, daß die Kugeln 56 in Umfangsrichtung gesehen etwa in der Mitte zwischen den Kugeln 58 angeordnet sind und umgekehrt. Dadurch wirken die Kugeln 56 und 58 abwechselnd auf die äußeren Kolben 27 und 28 und die inneren Kolben 29 und 30 ein, um durch gleiche Zeitintervalle getrennte Hübe zu erzeugen. Dadurch wird der aus der Pumpe 10 austretende Strom im wesentlichen gleichförmig und kontinuierlich gehalten.

Gemäß Fig. 1 ist jeder Käfig 60 auf der Eingangswelle 40 benachbart den Enden eines Paars aus einem inneren und einem äußeren Kolben 27, 29 bzw. 28, 30 angeordnet. Die Federringe 37 auf der Welle 40 hindern die Käfige 60 an einem axialen Gleiten auf der Welle 40 nach innen. Die Passung zwischen der Welle 40 und den Käfigen 60 ist hinreichend lose, so daß die Käfige im Betrieb der Pumpe 10 frei auf der Welle 40 umlaufen können.

Jeder Antrieb 50 umfaßt ferner eine Sonnenscheibe 70. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist je eine Sonnenscheibe 70 benachbart jedem Käfig 60 auf der Welle 40 angeordnet. Die Sonnenscheiben '70

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sind mittels Keilen 71 an einer Drehung auf der Welle AO gehindert. An einem axialen Gleiten auf der Welle 40 nach außen sind die Sonnenscheiben durch Federringe 72 gehindert. Ferner liegen die Sonnenscheiben 70 an dem Nabenabschnitt jedes Käfigs 60 an, so daß eine axiale Einwärtsbewegung der Sonnenscheiben und der Käfige auf der Welle 40 verhindert ist.

Die Sonnenscheiben 70 wirken mit den in den Käfigen 60 gehaltenen Kugeln 56 und 58 zusammen. Wie in Fig. 1 und 5 gezeigt ist, umfaßt jede Sonnenscheibe 70 konzentrische Laufbahnen 76 und 78, die axial auf die Kugeln 56 und 58 ausgerichtet sind. Aufgrund dieser Anordnung rollen die Kugeln 56 und 58 in den ' Laufbahnen 76 und 78 längs der Sonnenscheiben ab, während sie gleichzeitig in Wälzberührung mit den gegenüberliegenden Nockenflächen 52 und 54 stehen. Zur Betätigung der Pumpe 10 wird die Eingangswelle 40 durch eine äußere Kraft (nicht gezeigt) gedreht. Die Drehung der Eingangswelle 40 wird auf die Sonnenscheibe 70 über die Keile 71 übertragen, so daß die Sonnenscheiben mit gleicher Winkelgeschwindigkeit umlaufen wie die Welle. Die Winkerbewegung der Sonnenscheiben 70 treibt die Kugeln 56 und 58 an, so daß diese zwischen den Laufbahnen 76 und 78 und den Nockenflächen 52 und 54 abrollen. Die äußeren Kugeln 56 laufen dadurch um die Welle 40 nach Art von Planeten auf dem großen Durchmesser D um, während die inneren Kugeln 58 entsprechend auf dem Durchmesser d um die Welle umlaufen.

Da die Sonnenscheiben 70 unverschieblich auf der Welle 40 gehalten sind, veranlassen die abrollenden Kugeln 56 und 58 die Kolben 27 bis 30 zu einer axialen, hin- und hergehenden Bewegung in ihren ringförmigen Zylindern, v/enn die Kugeln über die Nockenerhebungen 55 und 51 der Nockenflächen 52, 54 laufen. Die Kolben 27 bis j>0 üben dadurch eine Pumpwirkung auf das in den Zylindern 17 biß 20 enthaltene Flud aus.

Um die Kolben 27 bis 30 nach dem Pumpenhub in ihre Ausgangsstellungen zurückzuführen, kann eine übliche, zweckmäßige Vor-

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richtung verwendet werden (nicht dargestellt). Da die Nockenflächen 52 und 54 jeweils drei Nockenerhebungen bei den gezeigten Ausführungsbeispielen haben, macht jeder Kolben 27 bis 30 während zwei Umdrehungen der Eingangswelle 40 drei Pumpenhübe.

Die Verwendung der Sonnenscheibe 70 und des gemeinsamen Käfigs 60 bei den Antrieben 50 vereinfacht die Gestaltung von Fludwandlern mit mehreren Kolbei erheblich. Da die Wirkung zwischen den von Nockenerhebungen freien Laufbahnen 76 und 78 und den Kugeln 56 und 58 im Betrieb konstant bleibt, besteht keine Notwendigkeit, komplizierte und aufwendige Kegelräder oder dergl. zu verwenden, um die Stellung des Käfigs 60 und der Kugeln 56 und 58 bezüglich der Nockenfläche 52 und 54 zu steuern. Die Anordnung der Kugeln 56 und 58 der beiden Kugelsätze in dem gemeinsamen Käfig 60 vereinfacht die Gestaltung des Wandlers hinsichtlich der Synchronisation der Kugelbewegung, in dem die beiden Kugelsätze um die Welle 40 auf unterschiedlichen Durchmessern d und D mit gleicher Winkelgeschwindigkeit umlaufen.

Der Nockenantrieb 50 ermöglicht die Verwendung einer gleich großen Amplitude a für die Nockenerhebungen 51a und 53a der Nockenflächen 52 und 54. Die Antriebe 50 treiben daher die ihnen zugeordneten Kolben 27 bis 30 mit gleich großem Hub an. Jeder Kolben erzeugt daher einen gleich großen Hafeöruck in dem Flud und verdrängt ein gleich großes Fludvolumen.

Die Verwendung gleich großer Amplituden a für die Nockenerhebungen 51a und 53a schafft unterschiedliche Steigungswinkely der Nockenerhebungen der Nockenfläche 52 und 54, weil die Durchmesser der Nockenflächen unterschiedlich sind. Wie deutlich aus Fig. 4 zu ersehen ist, ist der Winkel y. ~ ' für die Nockenfläche mit dem kleineren Durchmesser größer als der entsprechende Winkel y für die Nockenfläche 52 mit dem größeren Durchmesser, wenn die Nockenerhebungen beider Mockenflächen die gleiche Amplitude a haben. Der Unterschied zwischen den V/inkeln y_Q undfö

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ist eine Funktion des Durchmesserunterschiedes zwischen den Durchmessern d und D der Nockenf3.ächen 54 und 52.

Der vorhandene Unterschied der Steigungswinkel der Nockenerhebungen und der Durchmesser der Nockenflächen 52 und 54 verhindert an sich die Synchronisierung der Bewegung der beiden Kuggelsätze 56 und 58. Da beide Kugelsätze 56 und 58 in einem gemeinsamen Käfig 60 aufgenommen sind, ist ihre Winkelgeschwindigkeit gleich. Wie Fig. 4 zeigt, rollen die Kugeln 56 und 58 längs Bahnen unterschiedlicher Umfangslänge auf den entsprechenden Nockenflächen 52 und 54 bei jedem Umlauf des gemeinsamen Käfigs 60, weil die Steigungswinkel und Durchmesser unterschiedlich sind. Daher hat einer der beiden Kugelsätze die Tendenz, auf die Nockenerhebungen aufzugleiten und einer sanften Rollbewegung des anderen Kugelsatzes Widerstand entgegenzusetzen. Der Kugelkäfig 60 und die unterschiedlichen Umfangslängcn der Bewegungsbahnen der Kugeln 56 und 58 auf den Nockenflächen 52 und 54 wirken zur Erzeugung von Reibungs- und Reaktionskräften zusammen, die eine ordnungsgemäße Funktion der Pumpe 10 zu verhinderxx suchen.

Nach der Erfindung ist daher zur Erzeugung einer der nachteiligen Auswirkung der unterschiedlichen Durchmesser der Nockenflächen 52 und 54 und der unterschiedlichen Winkel y. und f entgegengesetzten Wirkung vorgesehen, die wirksamen Rollradien der Kugeln gegenüber der Sonnenscheibe 70 entsprechend zu verändern. Diese unterschiedlichen Rollradien werden durch Aussparen der Laufbahn 76 und 78 der Sonnenscheibe 70 in bestimmter Weise geschaffen, so daß die Kugeln 56 und 58 die Laufbahnen an gesonderten Berührungspunkten berühren.

Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen im einzelnen, wie die Laufbahnen 76 und 78 ausgebildet sind, um die gev.öincchten Rollradien ξ> zu schaffen. Jede Laufbahn ist auf der inneren Stirnfläche der entsprechenden Sonnenscheibe 70 als V-förmige Umfangsnut aus/rebildet. Gemäß Fig. 5 wirken die Kugeln 56 und 58 dadurch mit den

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Seitenflächen der Umfangsnuten an Berührungspunkten P zusammen. Die Lage der Berührungspunkte P bezüglich des Mittelpunktes C der Kugeln 56 und 58 ist eine direkte Funktion von dem Neigungswinkel ^'üer Seitenflächen der Umfangsnuten. Daraus folgt, daß die wirksamen Rollradien Q der Kugeln 56, 58 in den Umfangsnuten 76, 78 entsprechend eine Funktion des Winkels OC ist. Wie in Fig. 5 zu erkennen ist, sind die wirksamen Radien kleiner als die Kugelradien r und nehmen mit zunehmendem Winkel oiab. Der Abrollradius Φ der Kugeln 56 und 58 hängt von folgender geometrischer Beziehung zwischen den Kugeln und der Laufbahngestaltung ab:

(1) f = ^{r cos} °*

Somit kann eine der Laufbahnen, z.B. die äußere Laufbahn 76 mit einem Winkel oo gestaltet werden. Die Wahl des Winkels bestimmt den wirksamen Abrollradius q , mit dem die Kugeln 56 längs der äußeren Laufbahn 76 abrollen. Der Winkel CK. für die Neigung der Seitenwände der inneren Laufbahn 78 kann dann so berechnet v/erden, daß der wirksame Rollradius für die Kugeln 58; die unterschiedlichen Durchmesser D und d sowie die Winkel y- und V". und die unterschiedlichen Umfangslängen der Nockenflächen 52 und 54 kompensiert.

Die Beziehung zwischen den Steigungswinkeln f und dem v/irksamen Abrollradius γ für die Nockenflächen 52, 54 und die Kugeln 56, 58 und die Winkel ex. für die Laufbahn 76, 78 können gemäß geometrischer Beziehungen beschrieben werden. Für die Analyse sei vorausgesetzt, daß der Käfig 6( festgehalten ist und die gegenüberliegenden Nockenflächen 52, 54 und Laufbahnen 76, 78 über die Kugeln 56, 58 reibend miteinander verbunden sind. An den Fig. 5 und 6 wird deutlich, daß der Winkelabstand or , um den die Kugeln 56, 58 auf den Hockenflächen 5?., 54 aufgrund einer Winkel-, bewegung ο der Sonnenscheibe 70 weiterrollen, proportional zu der Beziehung zwischen dem Kugelradius r und dem wirksamen Abrollradiusöder Kugeln auf den Laufbahnen 76, 73 ist. Unter Eo-'

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rücksichtigung der Tatsache, daß die Kugeln 56, 58 längs um einen Winkel y geneigter Nockenflächen 52, 54 abrollen, gilt:

cos

Da die Nockenflächen 52, 54 an einer Drehung gehindert sind und die Laufbahn 76, 78 auf ein und derselben starren Sonnen- -scheibe 70 angeordnet sind, gilt die folgende Beziehung sowohl für die auf dem Durchmesser D angeordneten äußeren Kugeln 56 als auch für die auf dem Durchmesser d angeordneten inneren Kugeln 58:

(3) JzLSL ^a -JtLL- - _? i

ίο _t ^f V' ®~ oder

W ^ίύο - <*·-§-* und

(5)

Aus Gleichung 2 ergibt sich, daß die Winkelbewegung _v der äußeren ausgesparten Laufbahn 76 und die Winkelbewegung J. der inneren ausgesparten Laufbahn 78 wie folgt ausgedrückt werden kann:

^ro

Nach der Erfindung sind die Neigungswinkel ος der Seitenflächen der Laufbahnnuten ( Fig. 5) so gewählt, daß die sich ergebenden wirknamen Abrollradien O und &. gerade die Wirkung der unterschiedlichen Steigungswinkel ψ und \f. der Nocken-

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flächen 52 und 54 aufheben und die tatsächlichen Winkelgeschwindigkeiten auf den Laufbahnen 76 und 78 einander angleichen. Aus den Gleichungen (6) und (7) folgt:

. i

So "$ί J oder °·>ϋ_ ß? « jL>i Ψι. ^!

ho cos ^ ^ro . St ^ο-^ίΛ;^;;;^χί;

Durch Einsetzen der Gleichungen (3) und (4) für CO" und S und Kürzen von übereinstimmenden Ausdrücken in Gleichung (8) ergibt &ich bei gleichen Radien r und r. für die Kugeln 56 und 58: .

' '■'·-- ■ coTTJ" ^a coö^⁷r" oder (10) '■ Ä ⁼ & .^c.°r ¹^

V/ie aus Fig. 4 und 6 ersichtlich ist, kann die Beziehung zwischen der Amplitude a der Nockenerhebungen und den Steigungswinkeln γ" und y^ der mit drei Nockenerhebungen versehenen Nockenflächen 52 und 54 wie folgt ausgedrückt werden:

Da die. Amplituden a für die Nockenflachen 52 und 54 gleich groß sind, ergibt sich aus den Gleichungen (11) und (12): ·

(13) , a » D tan/^ >= d tan

^A- ■= tan ^> Jl_ * ei

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Die Anwendung der oben angegebenen Beziehungen für die Gestaltung des Antriebs 50 werden aus dem folgenden Beispiel deutlich, in dem die Radien r^ und r der Kugeln 56 und 58 gleich sind, der Neigungswinkel oC für die Seitenv/ände der äußeren Laufbahn 76 zu 20° gewählt ist, D = 84 mm, d = 56 mm und a = 3,5 mm ist.

Aus Gleichung (1) ergibt sich: ■χ_ΰ·-

cos"20°

Mit Gleichung (11) aufolgt:

» a « 3.5 - 0.075783

TffbTü ~ψ&ΐ7

Damit ergibt sich f₀ « 4° 20« und cos Sf₀ =0,99714

Aus Gleichung (14) folgt:

tan^' β tan^ __»__ . 0.075783

0.11363

Somit ist Jf₁ = 6° 29' und cos f± ⁼ °199360

Jetzt kann aus Gleichung (10) der wirksame Rollradius Q für die Kugeln 58 .auf der Laufbahn 78 bestimmt werden:

COs(Tt s= 0.93959? 0.9⁰HfO

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- - 16 -

Schließlich folgt aus Gleichung (1):

0.93634

20° 33·

Gemäß Fig. 5 muß daher eine Nut 76 mit zwei· Zoc_Q = 40 mit einer Nut 78 mit einem Winkel 2 Oi. = 41° 6' kombiniert werden. Bei einer solchen Wahl der Winkel wird die Winkelgeschwindigkeit und die Bewegung der beiden Kugelsätze 56 und 58 in dem gemeinsamen Käfig 60 gleich gemacht. Die Kugeln 56, 58 rollen daher frei ab und die Reibungs- und Reaktionskräfte werd'en entscheidend verringert..

Die Fig. 7 und 8 zeigen einen abgewandelten Nockenantrieb nach der Erfindung, bei dem die Kugeln 56, 58 durch Druckrollen 80 und die Nuten 76, 78 an der Sonnenscheibe 70 durch abgewandelte Nuten 90 ersetzt sind. Die Rollen 80 haben abgesetzte Oberflächen 82 und 84, welche unterschiedliche Abrollradien für die Rollen bezüglich der Nockenflächen 52, 54 und der Sonnenscheibe 70 bestimmen. Die größere Rollenumfangsfläche 82 hat den Radius r, mit dem die Rollen 80 auf den Nockenflächen 52, 54 abrollen. Die kleinere Rollenumfangsfläche 84 hat einen kleineren Radius £ , mit dem die Rollen 80 mit der Sonnenscheibe 70 zusammenwirken. Die mit einer Aussparung versehene Laufbahn 90 nimmt die größere Rollenumfangsfläche 82 mit hinreichendem Spiel auf, so daß die Umfangsflache 82 frei längs der Scnnenscheibe 70 abrollen kann. Ein abgewandelter Käfig 60Ä nimmt Achszapfen 81 der Rollen 80 auf und hält einen Rollensatz 80 ausgerichtet auf die Nockenflächen 52 und 54.

Der abgewandelte Antrieb mit den Rollen 80 kann gemäß den oben angegebenen Gleichungen in gleicher Weise wie der Antrieb 50 mit den Kugeln 56 und 58 dimensioniert werden. Zunächst wird

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ein zv/eckmäßiger Radius ( r und Γ.) für die größere Rollenumfangsflache 82 jeder Rolle 80 gewählt. Darauf wird ein Radius O für die kleinere Ro11enumfangsfläche 84 an einer der Rollen 80, z.B. der Rollradius ρ für die äußeren Rollen 80, gewählt, die auf den Nockenflächen 52 ablaufen. Die Durchmesser D und d und die Amplitude a in der Nockenhöhe ist ebenfalls bekannt.

Aus diesen Daten kann der erforderliche Abrollradius für die kleinere Umfangsflache 84 des anderen Rollensatzes 80, der ebenfalls in dem Käfig 6OA aufgenommen ist, ermittelt werden. Beispielsweise kann mit den gegebenen Daten der Radius O . für die Umfangsflache 84 der inneren Rollen 80 mittels Gleichung (10) berechnet werden. Obwohl jeder gewünschte Ausgangsradius ξ zu Beginn der Rechnung gewählt v/erden kann, wie oben beschrieben, ist es zweckmäßig, wenn der gewählte Radius § , wie der Radiun

£ _qJ gleich dem Radius r der Rollen 80 festgelegt wird. Aufgrund dieser Gestaltung wird die Stufung an einem Rollensatz 80 vermieden und die Konstruktion dadurch vereinfacht. Die Wahl des einen Abrollradius § gleich dem Radius r für einen Rollensatz 80 vereinfacht den Antrieb außerdem insofern, als die Ringnut 90 der Sonnenscheibe 70 für diesen Rollensatz vermieden werden kann.

Ansprüche;

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Claims

ANSPRÜCHE

Nockenantrieb für Pludwandler, insbesondere für eine Kolbenpumpe oder einen Kolbenmotor, zum Umwandeln einer Drehbewegung in eine hin- und hergehende Kolbenbewegung mehrerer Kolben oder umgekehrt, dadurch gekennze ichnet , daß jedem als Ringkolben ausgebildeten Kolben (27 bis 30) eine ringförmige Nockenfläche (52, 54) zugeordnet ist, auf denen Wälzkörper (56, 58; 80) abrollen, die von einem drehbaren Käfig (60; 60A) über den Umfang der Nockenflächen gleichmäßig verteilt gehalten und auf der anderen Seite des Käfigs mit ringförmigen, ebenen Laufbahnen (76,78; 90) einer umlaufenden Sonnenscheibe (70) in Wälzberührung stehen, wobei die Nockenflächen (52, 54) und die Laufbahnen (76,78; 90) derart gestaltet sind, daß die Wälzkörper (56,58; 80) mit im wesentlichen gleicher Winkelgeschwindigkeit in freier Rollbewegung zwischen den Nokkenflächen un& den Laufbahnen umlaufen können·

2. Nockenantrieb nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß zwei Ringkolben (27,29;28,30) und zwei diesen zugeordnete Nockenflachen (52, 54)vorgesehen sind, welche unterschiedliche Durohmesser und unterschiedliche Steigungswinkel der Noökejnerhebungen (51* .53) haben und den entsprechenden Laufbahnen C7§»78| SO) gegenüber angeordnet sind, und daß die Wälzkörper (56, 58j 80) zwischen den Laufbahnen und den Nockenfläohen mit unterschiedlichen Rollradien (r ,!^ablaufen,

3· Nockenantrieb nach Anspruch 2, dadurch g e k. e η η ζ et ch η e t , daß die beiden Nookenflächen (52, 54) konzentrisch angeordnet sind und mehrere gleichmäßig über den Umfang der Nockenflächsn verteilte Nockenerhebungen (51, 53) aufweisen.

Nockenantrieb nach Anspruch 3» dadurch g e k e η η -

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zeichnet, daß die Wälzkörper Kugeln (56, 58) sind, die durch den Käfig (60) in jeweils gleichen Abständen von den Nokkenerhebungen (51, 53) gehalten sind und auf diesen mit einem ihrem Radius (r) entsprechenden Rollradius abrollen, und daß die Laufbahnen (76, 78)von ringförmigen konzentrischen Nuten gebildet sind, in denen die Kugeln mit einem kleineren Rollradius ((P) abrollen.

5. Nockenantrieb nach Anspruch 3, dadurch g e k β'η η 'zeichnet, daß die Wälzkörper abgesetzte Rollen (80) sind, die mit ihrer radial äußeren Umfangsflache (82) auf den Nockenflächen (52, 54) und mit ihren radial weiter innen liegenden Umfangsflächen (84) auf den Laufbahnen abrollen, welche mit einer Nut (90) zur berührungsfreien Aufnahme der radial, äußeren Umfangsf lache versehen sind.

6. Nockenantrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Rollradien (r), mit denen die Wälzkörper (56, 58; 80) auf den Nockenflächen (52, 54) abrollen, für die beiden Nockenflächen etwa oder genau gleich sind, und daß die Rollradien (^), mit denen die Wälzkörper auf den Laufbahnen (76, 78) abrollen, nach der Beziehung

1 5 2 cos
bestimmt sind, worin y^ der Steigungswinkel der Nockenerhebungen

(51) der einen Laufbahn, 2/₂ der Steigungswinkel der Nockenerhebungen (53) der anderen Laufbahn undÄ waafn die entsprechenden Rollradien sind.

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