Rotationskolbenmaschine

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine mit einem Rotationskolben, der in einem Gehäuse mit einer Gehäusemantelfläche drehbar ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Rotationskolben oder ein Gehäuse für eine derartige Rotationskolbenmaschine.

Stand der Technik

Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 544 025 AI ist eine

Rotationskolbenmaschine mit einem Mantel in Epitrochoidenform oder

Peritrochoidenform vorzugsweise in zweibogiger Ausführung mit dreieckigem Rotationskolben zum Transport von kompressiblen und nichtkompressiblen Gasen, Flüssigkeiten oder Emulsionen bekannt, die in einer Betriebsart

Kraftmaschine (Turbine) oder Arbeitsmaschine (Pumpe) betrieben werden kann.

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Rotationskolbenmaschine mit einem

Rotationskolben, der in einem Gehäuse mit einer Gehäusemantelfläche drehbar ist, zu schaffen, die einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar ist.

Die Aufgabe ist bei einer Rotationskolbenmaschine mit einem Rotationskolben, der in einem Gehäuse mit einer Gehäusemantelfläche drehbar ist, dadurch gelöst, dass die Gehäusemantelfläche, in einem Querschnitt betrachtet, die Gestalt einer Zykloide und der Rotationskolben, in einem Querschnitt betrachtet, die Gestalt einer geschlossenen ovalen Kurve aufweist. Die Gestalt des

Rotationskolbens ähnelt vorzugsweise einer Ellipse. Bei der Rotationskolbenmaschine handelt es sich vorzugsweise um eine Fluidmaschine, insbesondere eine Hydraulikmaschine, die mit einem Hydraulikmedium, wie Hydrauliköl, betrieben wird. Die Fluidmaschine, insbesondere

Hydraulikmaschine, kann als Fluidpumpe, insbesondere Hydraulikpumpe, und/oder als Fluidmotor, insbesondere Hydraulikmotor, arbeiten. Die

erfindungsgemäße Rotationskolbenmaschine wird vorzugsweise dazu verwendet, hydraulische Energie, zum Beispiel in Form eines Hydraulikdrucks, beziehungsweise eines Hydraulikvolumenstroms, in eine Drehbewegung des Rotationskolbens umzuwandeln, und/oder umgekehrt. Die erfindungsgemäße Rotationskolbenmaschine ist vorzugsweise an ein dreiphasiges Hydrauliksystem angeschlossen. Somit betrifft die Erfindung gegebenenfalls auch ein

Hydrauliksystem, insbesondere ein dreiphasiges Hydrauliksystem, mit einer erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine. Alternativ können drei

Anschlüsse der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine

aufeinanderfolgend freigeschaltet werden, zum Beispiel durch Rückschlagventile oder geschaltete Ventile, einen geeigneten Scheibenmechanismus, oder durch einen Steuerkolben. In einem Motorbetrieb der Rotationskolbenmaschine wird aus der hydraulischen Energie eine mechanische Drehbewegung des

Rotationskolbens erzeugt. In einem Pumpenbetrieb der

Rotationskolbenmaschine wird aus einer mechanischen Drehbewegung des Rotationskolbens eine Förderwirkung erzeugt. Die Erfindung betrifft

gegebenenfalls auch ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen

Rotationskolbenmaschine. Die erfindungsgemäße Rotationskolbenmaschine ist einfach aufgebaut und umfasst, im Vergleich zu herkömmlichen

Rotationskolbenmaschinen, nur wenig bewegliche Teile, insbesondere keine hin- und hergehenden Teile. Mit der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine kann durch Vertauschen zweier Phasen auf einfache Art und Weise ein

Drehrichtungswechsel dargestellt werden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Rotationskolbenmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusemantelfläche, im Querschnitt betrachtet, die Gestalt eines Dreiecks mit konvexen Seiten und abgerundeten Ecken aufweist. Der Begriff konvex bedeutet im Zusammenhang mit den Seiten, dass die Seiten des Dreiecks nach außen gewölbt oder gekrümmt sind. Durch die abgerundeten Ecken wird ein sanfter Übergang zwischen den konvexen Seiten des Dreiecks geschaffen.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Rotationskolbenmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gestalt des Rotationskolbens, im Querschnitt betrachtet, einen größten Durchmesser aufweist, der senkrecht zu einem kleinsten Durchmesser angeordnet ist, wobei sich die beiden Durchmesser in einem Mittelpunkt der geschlossenen ovalen Kurve schneiden. Die als Zykloide ausgeführte geschlossene ovale Kurve entsteht zum Beispiel durch Abrollen eines kleinen Kreises in einem großen Kreis. Das Ende eines Arms an dem kleinen Kreis beschreibt vorteilhaft eine erfindungsgemäße Mantelkontur. Der kleine Kreis entspricht vorzugsweise einem Außendurchmesser eines

Kolbenritzels, das dem Rotationskolben zugeordnet ist. Der große Kreis entspricht vorzugsweise einem Innendurchmesser eines Hohlrads, das dem Gehäuse zugeordnet ist. Ein Durchmesserverhältnis zwischen dem kleinen Kreis und dem großen Kreis beträgt zwei zu drei. Die Armlänge des Arms an dem kleinen Durchmesser ist vorzugsweise mindestens so groß, dass die

Mantelfläche des Gehäuses stets nach außen gewölbt ist. Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Rotationskolbenmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gestalt des Rotationskolbens so an die Gehäusemantelfläche angepasst ist, dass im Betrieb der

Rotationskolbenmaschine insgesamt drei Dichtspalte zwischen dem

Rotationskolben und der Gehäusemantelfläche ausgebildet werden. In den Dichtspalten schmiegt sich der Rotationskolben im Bereich seines größten

Durchmessers und, je nach Stellung auch dazwischen, so an die

Gehäusemantelfläche an, dass ein Durchtritt von Fluid zwischen zwei

Arbeitsräumen im Bereich des jeweiligen Dichtspalts ausreichend klein oder ganz unterbunden wird.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Rotationskolbenmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Dichtspalten von dem

Rotationskolben und der Gehäusemantelfläche drei Arbeitsräume der

Rotationskolbenmaschine begrenzt werden, denen jeweils ein Anschluss der Rotationskolbenmaschine zugeordnet ist. Die Anschlüsse ermöglichen einen dreiphasigen Betrieb der Rotationskolbenmaschine. Dabei sind die Anschlüsse vorzugsweise im Bereich der abgerundeten Ecken des Dreiecks angeordnet, das die Gehäusemantelfläche darstellt.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Rotationskolbenmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskolben ein zentrales Kolbenritzel mit einer Außenverzahnung aufweist, die sich mit einer Innenverzahnung eines gehäusefesten Hohlrads in Eingriff befindet. Ein Außendurchmesser des

Kolbenritzels entspricht vorzugsweise dem vorab beschriebenen kleinen Kreis. Analog entspricht eine Innenverzahnung des gehäusefesten Hohlrads vorzugsweise dem vorab beschriebenen großen Durchmesser. Durch den Eingriff zwischen der Innenverzahnung des gehäusefesten Hohlrads und der Außenverzahnung des Kolbenritzels wird auf einfache Art und Weise eine definierte Abrollbewegung zwischen dem Kolbenritzel und dem gehäusefesten Hohlrad im Betrieb der Rotationskolbenmaschine sichergestellt.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Rotationskolbenmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskolben exzentrisch zu einer Gehäuselängsachse drehbar gelagert ist. Die Gehäuselängsachse erstreckt sich vorzugsweise durch einen Mittelpunkt des Dreiecks mit den konvexen Seiten, das zur Darstellung der Gehäusemantelfläche als gleichseitiges Dreieck ausgeführt ist. Zur drehbaren Lagerung des Rotationskolbens dient zum Beispiel ein Kurbelzapfen. Der Kurbelzapfen ist zum Beispiel über eine Kurbelwelle gelagert und kann nur eine Kreisbewegung ausführen. In Kombination mit einer Gehäusemantelfläche mit abgerundeter Dreiecksform hat der Rotationskolben vorzugsweise eine abgerundete Zweiecksform.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Rotationskolbenmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesserverhältnis zwischen einem Durchmesser des Kolbenritzels und einem Durchmesser des gehäusefesten Hohlrads zwei zu drei beträgt. Dieser Wert hat sich bei im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Untersuchungen im Betrieb der

Rotationskolbenmaschine als besonders vorteilhaft erwiesen. Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Rotationskolbenmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Zähnezahlverhältnis zwischen dem

Kolbenritzel und dem gehäusefesten Hohlrad zwei zu drei beträgt. Dieser Wert hat sich bei den im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten

Untersuchungen ebenfalls als vorteilhaft erwiesen.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Rotationskolben oder ein Gehäuse für eine vorab beschriebene Rotationskolbenmaschine. Die genannten Teile sind separat handelbar.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Es zeigen:

Figur 1 eine stark vereinfachte Darstellung eines Gehäuses einer erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine im Querschnitt;

Figur 2 eine stark vereinfachte Darstellung eines Rotationskolbens der

erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine im Querschnitt;

Figur 3 eine stark vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen

Rotationskolbenmaschine mit drei Anschlüssen im Querschnitt und die

Figuren die gleiche Darstellung wie in Figur 3 in sechs verschiedenen Betriebs- 4 bis 9 zuständen der Rotationskolbenmaschine.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist ein Gehäuse 3 mit einer Gehäusemantelfläche 5 im Querschnitt dargestellt. Die Gehäusemantelfläche 5 hat die Gestalt eines als Zykloide ausgeführten gleichseitigen Dreiecks mit drei konvexen Seiten und mit abgerundeten Ecken. Das Dreieck, das die Gehäusemantelfläche 5 darstellt, hat einen Mittelpunkt 6. Eine Gehäuselängsachse erstreckt sich senkrecht zur Zeichenebene in Figur 1 durch den Mittelpunkt 6 des Dreiecks, das die

Gehäusemantelfläche 5 darstellt.

Ein kleiner Kreis 8 symbolisiert ein Kolbenritzel. Eine Linie 9, die von dem kleinen Kreis 8 ausgeht, symbolisiert einen Arm, der zur Beschreibung einer

Mantelkontur dient, welche die Zykloide darstellt. Der kleine Kreis 8

beziehungsweise das Kolbenritzel 8 ist exzentrisch zu einem großen Kreis 10 angeordnet, dessen Mittelpunkt dem Mittelpunkt 6 des Gehäuses 3

beziehungsweise der Gehäusemantelfläche 5 entspricht. Der große Kreis 10 symbolisiert ein gehäusefestes Hohlrad mit einer Innenverzahnung, mit der eine Außenverzahnung kämmt, die an dem Kolbenritzel 8 ausgebildet ist.

Die zykloidische Gestalt der Gehäusemantelfläche 5 entsteht durch Abrollen des kleinen Kreises 8 im großen Kreis 10. Das Ende des Arms 9 an dem kleinen Kreis 8 beschreibt die Mantelkontur der Gehäusemantelfläche 5. Ein

Durchmesserverhältnis des kleinen Kreises 8 zu dem großen Kreis 10 beträgt zwei zu drei. Die Armlänge des Arms 9 ist mindestens so groß, dass die

Gehäusemantelfläche 5 stets nach außen gewölbt ist.

In Figur 2 ist ein Rotationskolben 12 vereinfacht im Querschnitt dargestellt. Der Rotationskolben 12 hat die Gestalt 14 einer geschlossenen ovalen Kurve. Die Gestalt 14 des Rotationskolbens 12 ähnelt einer Ellipse und hat einen größten Durchmesser 16, der senkrecht zu einem kleinsten Durchmesser 17 angeordnet ist. Die beiden Durchmesser 16 und 17 schneiden sich in einem Mittelpunkt 18 des Rotationskolbens 12. Die einer Ellipse ähnelnde Kontur des

Rotationskolbens 12 entsteht durch Abwälzen des kleinen Kreises 8, der das Kolbenritzel darstellt, in dem großen Kreis 10, der das Gehäusehohlrad darstellt, und durch Abtragen der Kolbenmantelfläche am Berührpunkt zur vorgegebenen Gehäusemantelfläche 5.

In Figur 3 ist eine Rotationskolbenmaschine 20 mit dem Gehäuse 3 aus Figur 1 und dem Rotationskolben 12 aus Figur 2 dargestellt. Der das Kolbenritzel darstellende kleine Kreis 8 ist fest mit dem Rotationskolben 12 verbunden. Der das Hohlrad darstellende große Kreis 10 ist fest mit dem Gehäuse 3 verbunden. Die an dem Kolbenritzel 8 und dem Hohlrad 10 ausgebildeten Verzahnungen greifen ineinander. Ein Zähnezahlverhältnis zwischen dem Kolbenritzel 8 und dem Hohlrad 10 beträgt zwei zu drei.

Durch einen Pfeil 25 ist in den Figuren 3 bis 9 eine Bohrung für einen

Kurbelzapfen oder einen Lagerzapfen beziehungsweise eine Bewegung des Lagerzapfens angedeutet. Der Lagerzapfen ist fest mit dem Rotationskolben 12 verbunden. Im Betrieb der Rotationskolbenmaschine 20 dreht sich der

Rotationskolben 12 mit dem Lagerzapfen um den Mittelpunkt (6 in Figur 1) des

Gehäuses 3, wie durch den Pfeil 25 angedeutet ist.

In den Figuren 4, 6, 8 sieht man, dass im Betrieb der Rotationskolbenmaschine 20 an drei Stellen ein Dichtspalt zwischen dem Rotationskolben 12 und dem Gehäuse 3 ausgebildet wird. Durch die drei Dichtspalte entstehen im Betrieb der

Rotationskolbenmaschine 20 drei Arbeitskammern oder Arbeitsräume. In den Figuren 3, 5, 7 und 9 werden zwei Arbeitskammern oder Arbeitsräume ausgebildet. Bei der in den Figuren 3 bis 9 dargestellten Drehbewegung des Rotationskolbens

12 in dem Gehäuse 3 ändert sich das Kammervolumen der Arbeitskammern oder Arbeitsräume zyklisch. Jeder Arbeitskammer ist einer der Anschlüsse 21, 22, 23 zugeordnet. Je nach Stellung des Rotationskolbens 12 in dem Gehäuse 3 entstehen zwischen der Kolbenkontur 14 (siehe Figur 2) und der

Gehäusemantelfläche 5 im Betrieb der Rotationskolbenmaschine 20 zwei oder drei Arbeitskammern oder Arbeitsräume.

Bei einer Drehung des Rotationskolbens 12 im Betrieb der

Rotationskolbenmaschine 20 strömt durch die Anschlüsse 21 bis 23

Hydraulikmedium, wie Öl, in die Arbeitskammern oder Arbeitsräume ein oder aus den Arbeitsräumen oder Arbeitskammern heraus. Daraus ergeben sich drei Volumenströme. Die Summe der drei Volumenströme ist zu jedem Zeitpunkt gleich null. Ein Vergleich zu einem symmetrischen elektrischen Drehstrom bietet sich an. Die Maßverhältnisse sind vorteilhaft so, dass auf einfache Art und Weise eine stirnseitige Abdichtung der Rotationskolbenmaschine 20 möglich ist. Über die Anschlüsse 21 bis 23, die auch als Hydraulikanschlüsse bezeichnet werden, wird im Betrieb der Rotationskolbenmaschine 20, der in den Figuren 3 bis 9 veranschaulicht ist, zyklisch Fluid beziehungsweise Hydraulikmedium, wie Öl, hinein und hinaus beziehungsweise heraus gefördert.

In den Figuren 3 bis 9 ist eine Bewegungsabfolge beispielhaft dargestellt. Dabei dreht der Rotationskolben 12 mit dem Kolbenritzel 8 um eine halbe Umdrehung, das heißt um einhundertachtzig Grad, nach rechts, während der Kurbelzapfen 25 beziehungsweise der Lagerzapfen um eine ganze Umdrehung, das heißt um dreihundertsechzig Grad, nach links dreht.

In Figur 3 befindet sich der Rotationskolben 12, der verkürzt auch als Kolben bezeichnet wird, bei null Grad. Der Kurbelzapfen, dessen Drehbewegung im Raum durch den Pfeil 25 symbolisiert wird, befindet sich ebenfalls bei null Grad. Durch einen Pfeil 31 ist eine Drehbewegung des Rotationskolbens 12 im

Uhrzeigersinn angedeutet. Durch einen Pfeil 32 ist angedeutet, dass durch den Anschluss 22 Hydraulikmedium angesaugt wird. Durch einen Pfeil 33 ist angedeutet, dass durch den Anschluss 23 Hydraulikmedium herausgefördert wird. Im Bereich des Anschlusses 21 ist ein erster Dichtspalt zwischen dem Rotationskolben 12 und der Gehäusemantelfläche 5 ausgebildet.

In Figur 4 befindet sich der Kolben 12 bei dreißig Grad. Der Kurbelzapfen 25 befindet sich bei sechzig Grad. Durch einen Pfeil 35 ist die weitere

Drehbewegung des Kolbens 12 angedeutet. Durch den Anschluss 22 wird in Figur 4 weder Hydraulikmedium angesaugt noch hinausgefördert. Durch einen

Pfeil 37 ist angedeutet, dass durch den Anschluss 23 weiter Hydraulikmedium herausgefördert wird. Durch einen Pfeil 38 ist angedeutet, dass durch den Anschluss 21 Hydraulikmedium angesaugt wird. In Figur 5 befindet sich der Kolben 12 bei sechzig Grad. Der Kurbelzapfen 25 befindet sich bei einhundertzwanzig Grad. Durch einen Pfeil 41 ist die weitere Drehbewegung des Rotationskolbens 12 angedeutet. Durch einen Pfeil 42 ist angedeutet, dass durch den Anschluss 21 weiterhin Hydraulikmedium angesaugt wird. Durch einen Pfeil 43 ist angedeutet, dass durch den Anschluss 22

Hydraulikmedium herausgefördert wird. Im Bereich des Anschlusses 23 ist zwischen dem Kolben 12 und der Gehäusemantelfläche 5 ein zweiter Dichtspalt ausgebildet.

In Figur 6 befindet sich der Kolben 12 bei neunzig Grad. Der Kurbelzapfen 25 befindet sich bei einhundertachtzig Grad. Durch einen Pfeil 45 ist die weitere

Drehbewegung des Kolbens 12 angedeutet. Durch einen Pfeil 46 ist angedeutet, dass durch den Anschluss 22 Hydraulikmedium herausgefördert wird. Durch einen Pfeil 47 ist angedeutet, dass durch den Anschluss 23 Hydraulikmedium angesaugt wird. Über den Anschluss 21 wird in Figur 6 weder angesaugt noch hinausgefördert.

In Figur 7 befindet sich der Kolben 12 bei einhundertzwanzig Grad. Der

Kurbelzapfen 25 befindet sich bei zweihundertvierzig Grad. Durch einen Pfeil 51 ist die weitere Drehbewegung des Kolbens 12 angedeutet. Durch einen Pfeil 52 ist angedeutet, dass durch den Anschluss 23 Hydraulikmedium angesaugt wird. Durch einen Pfeil 53 ist angedeutet, dass durch den Anschluss 21

Hydraulikmedium herausgefördert wird. Im Bereich des Anschlusses 22 ist zwischen dem Kolben 12 und der Gehäusemantelfläche 5 ein dritter Dichtspalt ausgebildet.

In Figur 8 befindet sich der Kolben 12 bei einhundertfünfzig Grad. Der

Kurbelzapfen 25 befindet sich bei dreihundert Grad. Durch einen Pfeil 55 ist die weitere Drehbewegung des Kolbens 12 angedeutet. Durch einen Pfeil 56 ist angedeutet, dass durch den Anschluss 22 Hydraulikmedium angesaugt wird. Durch den Anschluss 23 wird in Figur 8 weder Hydraulikmedium angesaugt noch herausgefördert. Durch einen Pfeil 58 ist angedeutet, dass durch den

Hydraulikanschluss 21 Hydraulikmedium herausgefördert wird.

In Figur 9 befindet sich der Kolben 12 bei hundertachtzig Grad. Der Kurbelzapfen 25 befindet sich bei sich bei dreihundertsechzig Grad. Durch einen Pfeil 61 ist die weitere Drehbewegung des Kolbens 12 angedeutet. Durch einen Pfeil 62 ist angedeutet, dass durch den Anschluss 22 Hydraulikmedium angesaugt wird. Durch einen Pfeil 63 ist angedeutet, dass durch den Anschluss 23

Hydraulikmedium herausgefördert wird. Im Bereich des Anschlusses 21 bildet das, bezogen auf Figur 3, andere Ende des Kolbens 12 wieder den ersten Dichtspalt aus.

Im vorangegangenen Beschreibungstext wird der Begriff angesaugt für einen Pumpbetrieb der Rotationskolbenmaschine verwendet. In einem Motorbetrieb würde Hydraulikmedium nicht angesaugt sondern hineingedrückt.