專利名稱：用于將壓縮空氣能轉(zhuǎn)化為機械能的方法及其壓縮空氣發(fā)動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的類型的用于將壓縮空氣能轉(zhuǎn)化為機械轉(zhuǎn)動能 的方法以及一種根據(jù)權(quán)利要求2的類型的壓縮空氣驅(qū)動的空氣發(fā)動機，所述空氣發(fā)動機尤 其用于實施根據(jù)權(quán)利要求1的方法。
背景技術(shù)：
具有可流體地操作的轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置的壓縮空氣發(fā)動機是已知的，其中壓縮空氣能 被轉(zhuǎn)化為機械轉(zhuǎn)動能，其方式是，在擺動活塞和輸出軸之間使用空程離合器的情況下，壓縮 空氣加載的擺動活塞將來回的擺動運動轉(zhuǎn)化為輸出軸的轉(zhuǎn)動運動，其中，空氣發(fā)動機比電 動機更具優(yōu)勢(DE G 93 20601)。但是不利的是，在使用所述壓縮空氣發(fā)動機時，通過壓縮 空氣產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動運動不是連續(xù)的，而是按照擺動活塞的運動和空程離合器的使用視旋轉(zhuǎn)阻 力而定是不均勻的。所述已知的擺動活塞空氣發(fā)動機的另一缺點在于耗費的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和此 外所需的空程離合器或者各發(fā)動機部件的與此相關(guān)的相對較大的磨損。此外，制造這樣的 壓縮空氣發(fā)動機耗費非常大，因此該壓縮空氣發(fā)動機也相應(yīng)昂貴。而帶有回轉(zhuǎn)的、操縱輸出軸的轉(zhuǎn)子的另一已知壓縮空氣操作的驅(qū)動發(fā)動機(壓縮 空氣發(fā)動機)以葉片式機組(FlUgelzellenaggregat)的形式具有由彈簧或者離心力沿徑 向壓在壁上的葉片，如其在空氣壓縮機中以多種形式已知的那樣(DE OS 31 17 412 Al)。 這種驅(qū)動裝置的缺點在于密封葉片在回轉(zhuǎn)的軸轉(zhuǎn)子方向上與殼體壁具有正交的面接觸， 所述密封葉片在殼體壁上順著滑動，其缺點在于除了非常高的制造成本和在由于密封和 潤滑而導(dǎo)致的磨損方面的問題這些缺點之外，非常難于在此實現(xiàn)小的摩擦和相應(yīng)的密封 性，這當然直接影響使用壽命或者在已使用了相應(yīng)時間的情況下壓縮空氣發(fā)動機的效率降 低。此外，壓縮空氣操作的驅(qū)動發(fā)動機應(yīng)用于壓縮空氣工具、例如磨削機，其中眾所周知使 用壽命比實際的驅(qū)動質(zhì)量重要。在另一已知的壓縮空氣發(fā)動機中(DE OS 196 13 262 Al)，輸出軸的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動通 過兩個通過齒輪傳動裝置聯(lián)接的軸中的一個進行，所述兩個通過齒輪傳動裝置聯(lián)接的軸承 載兩個轉(zhuǎn)動活塞，這兩個轉(zhuǎn)動活塞在殼體中通過加載壓縮空氣而置于相反的轉(zhuǎn)動運動中， 類似于壓縮空氣發(fā)動機中魯茨鼓風機的反轉(zhuǎn)。在此，也主要在密封或者磨損以及與此關(guān)聯(lián) 的在一定運行時間之后的不密封方面存在問題，因為兩個轉(zhuǎn)動活塞在徑向上分別在氣缸孔 或者反運動體的壁上運行，并且在軸向上又以其平坦的端面在殼體的相應(yīng)平坦的端面上運 行，其中，在磨損之后或者在間隙由于溫度變化發(fā)生變化的情況下，無法隨后對密封結(jié)構(gòu)進 行修正。雖然殼體壁和轉(zhuǎn)動活塞涂層應(yīng)是彈性的，以便補償這個已知的缺點，但這導(dǎo)致相應(yīng) 的耗費。在此也考慮以這樣的轉(zhuǎn)動活塞回轉(zhuǎn)發(fā)動機驅(qū)動一工具機，例如鉆軸。在所有的情 形中，這樣的轉(zhuǎn)動活塞的彈性構(gòu)型都受到顯著的限制，因為轉(zhuǎn)動活塞在殼體壁上摩擦而不 是滾動，這在彈性的中間區(qū)域中導(dǎo)致強的制動作用或者導(dǎo)致壓縮空氣發(fā)動機的輸出軸上的 轉(zhuǎn)動力或轉(zhuǎn)動力矩的顯著損耗。
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將壓縮空氣的流動能轉(zhuǎn)化為軸的轉(zhuǎn)動能的壓縮空氣發(fā)動機的主要問題在于所述 轉(zhuǎn)化的質(zhì)量，即一種能量可在怎樣的程度上以盡可能少的損耗轉(zhuǎn)化為另一種能量。在此，本 領(lǐng)域技術(shù)人員會優(yōu)選葉片泵，因為無論是摩擦還是工作室的內(nèi)部密封性都是可忽略的，并 且通過這種泵已知了尤其是對效率起決定性作用的基本特征。因此，具有權(quán)利要求1的特征的根據(jù)發(fā)明的方法以及具有權(quán)利要求2的特征的根 據(jù)本發(fā)明的壓縮空氣發(fā)動機，尤其是用于實施根據(jù)權(quán)利要求1的方法的壓縮空氣發(fā)動機， 與本技術(shù)領(lǐng)域的成見相沖突。本領(lǐng)域技術(shù)人員無法想到端齒輪泵(Stirnzahnradpumpe)可用作壓縮空氣發(fā) 動機，因為壓縮空氣以端齒輪泵配合的方式補償?shù)刈饔迷诎l(fā)動機的工作面上、即尤其是在 工作室內(nèi)補償?shù)刈饔茫渲?，雖然在實踐中氣動發(fā)動機已表明是可行方案(DE 42 41 320 C2)，但在實踐中由于所述成見而未被制造。此外，原因還在于已知的壓縮空氣發(fā)動機要么 在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動時具有波動，要么顯得不能滿足所需的轉(zhuǎn)動力矩。也已描述了以轉(zhuǎn)動活塞為基 礎(chǔ)的另一種發(fā)動機(US 3，856，440)，其具有轉(zhuǎn)動活塞，所述轉(zhuǎn)動活塞具有端齒部，其中，這 些齒具有旋輪線式地展開的滾動面，從而能夠產(chǎn)生具有輸出任務(wù)的發(fā)動機作用。但是未考 慮也未描述為了確定的目的而將壓縮空氣能轉(zhuǎn)化為機械轉(zhuǎn)動能，并且由于壓縮空氣能的經(jīng) 常存在以及首先即便在對機械轉(zhuǎn)動能基本存在需求時，也不能想到將壓縮空氣能轉(zhuǎn)化為機 械轉(zhuǎn)動能。對于相對于泵反轉(zhuǎn)并且具有空氣壓縮機的壓縮空氣發(fā)動機，本領(lǐng)域技術(shù)人員首 先考慮的是這樣的旋轉(zhuǎn)部件，所述旋轉(zhuǎn)部件的由驅(qū)動介質(zhì)加載的面關(guān)于轉(zhuǎn)動軸線具有在旋 轉(zhuǎn)方向上的杠桿作用，例如葉片裝置。在此，往往不會注意到驅(qū)動葉片后的、封閉工作室的 下一個葉片產(chǎn)生部分地反作用于旋轉(zhuǎn)方向的力。即便在以上提及的空氣發(fā)動機(DE G 93 20 601)中也產(chǎn)生這個關(guān)于旋轉(zhuǎn)方向為負的作用。雖然在那里僅僅是在產(chǎn)生機械轉(zhuǎn)動能時 的相對小的波動，但是所述波動在當今對在轉(zhuǎn)化為機械轉(zhuǎn)動能時旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的均勻性提出高 的要求情況下是不合理的并且是不利的，特別是在高轉(zhuǎn)速范圍，例如對于牙科治療設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
在所有情形中，與本領(lǐng)域技術(shù)人員的預(yù)想不同，也由于在這樣的端齒部的情況下 有利的旋轉(zhuǎn)裝置和出氣開口的設(shè)計自由度，意想不到地獲得非常高的效率，也就是說，本發(fā) 明意想不到地實現(xiàn)了特別在某些應(yīng)用領(lǐng)域中追求的高轉(zhuǎn)速，其中，尤其可以將通常僅僅有 限存在的壓縮空氣的損失降到最小。根據(jù)所述方法，所述機組可用于在使用高轉(zhuǎn)速發(fā)電機時機械轉(zhuǎn)動能的轉(zhuǎn)化，如其 例如不僅用于牙科技術(shù)中并且其中運動體與作為軸轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動活塞旋轉(zhuǎn)鎖合地聯(lián)接。根據(jù)所述方法的特征，軸轉(zhuǎn)子的除殼體之外起限定工作室作用的工作面具 有端齒部，所述端齒部除了設(shè)置在軸轉(zhuǎn)子上還設(shè)置在與軸轉(zhuǎn)子的齒共同作用并且因 此相互嚙合的反轉(zhuǎn)子上，反轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動軸線與軸轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動軸線具有一確定的角度， 但具有與軸轉(zhuǎn)子相同的旋轉(zhuǎn)方向，其中，彼此配合的齒部被構(gòu)造為長短輻旋輪線齒部 (Trochoidenverzahnung)。所述方法與本領(lǐng)域技術(shù)人員的預(yù)想也具有一定的矛盾，因為端 齒輪之間的工作室被認為是不適合于發(fā)動機的，特別是在長短輻旋輪線齒部的情況下，其 中，所期望的是齒輪的壁向著工作室柔和地展開。以下也被相應(yīng)地認為是壓縮空氣發(fā)動機的有利構(gòu)型一個端齒盤與輸出軸連接，并且一個第二端齒盤在與第一端齒盤成一確定的旋轉(zhuǎn)角度的情況下與第一端齒盤嚙合形 成工作室，其中，所述部件中的一個作為旋輪線部分具有旋輪線式展開的滾動面，并且其 中，另一個與其嚙合地共同作用的部件的齒作為控制部分具有齒梳，所述齒梳沿著旋輪線 部分的齒面運動。如以上所述，這樣的轉(zhuǎn)動活塞發(fā)動機本身是已知的(DE OS 42 41 320 Al)，但由于本技術(shù)領(lǐng)域的成見從未被用于轉(zhuǎn)化成機械的轉(zhuǎn)動能。根據(jù)權(quán)利要求2的特征， 這些轉(zhuǎn)子中的至少一個設(shè)置在滾動軸承上。根據(jù)本發(fā)明的一種有利構(gòu)型，設(shè)置用于支承軸轉(zhuǎn)子和/或反轉(zhuǎn)子的滾動軸承支撐 在發(fā)動機的殼體中。特別是在氣動地工作的機組中，輕載運行是重要的，其中，支承裝置的 潤滑在此也不是無關(guān)緊要的問題，這可能是本領(lǐng)域的偏見的共因。根據(jù)本發(fā)明的一種在這方面有利的構(gòu)型，滾動軸承在殼體中由一可沿轉(zhuǎn)動軸線的 方向旋擰的支撐螺母承載并且可沿軸向與轉(zhuǎn)子一起在殼體中調(diào)整。由此可以至少進行轉(zhuǎn)子 在殼體中的校正或者轉(zhuǎn)子的相互校正。根據(jù)本發(fā)明的一種有利構(gòu)型，與在壓力側(cè)在轉(zhuǎn)子之間形成的、通向工作室的、窄的 開口相對應(yīng)地，進氣通道分布在確定的旋轉(zhuǎn)角度上，構(gòu)造成較窄的但是在轉(zhuǎn)動方向上逐漸 擴大。根據(jù)本發(fā)明的一種附加的有利構(gòu)型，與在此向著排出通道很寬地敞開的工作室相 對應(yīng)地，出氣通道分布在確定的旋轉(zhuǎn)角度上，構(gòu)造成相對寬，以便卸載。在此，工作室可以向 外敞開，因為輸入壓縮空氣的能量已被消耗。


通過變形方案在附圖中示出本發(fā)明的主題的實施例，以下對所述實施例進行詳細 描述。附圖示出圖1 具有端齒輪齒部的壓縮空氣發(fā)動機的沿轉(zhuǎn)動軸線I和II的縱截面，圖2 泵殼體的變形方案在與圖1相比旋轉(zhuǎn)90度的位置中的局部截面；圖3 根據(jù)圖2中的線III-III并且具有略微縮小的尺寸的截面；和圖4 :同樣具有略微縮小的尺寸的根據(jù)圖2中的箭頭IV看向殼體的視圖。
具體實施例方式在圖1中以縱截面圖示出的通過壓縮空氣驅(qū)動的發(fā)動機中，在殼體1中支承有兩 個用作轉(zhuǎn)動活塞的轉(zhuǎn)子，即軸轉(zhuǎn)子2和反轉(zhuǎn)子3，這些轉(zhuǎn)子以一些設(shè)置在端側(cè)上的齒4和5 相應(yīng)地彼此配合并且在此與殼體1 一起限定發(fā)動機工作室6。軸轉(zhuǎn)子2的轉(zhuǎn)動軸線以I表 示，而反轉(zhuǎn)子3的轉(zhuǎn)動軸線以II表示。這兩條轉(zhuǎn)動軸線I和II圍成一角度α <180°，從 而在轉(zhuǎn)子2和3旋轉(zhuǎn)時發(fā)動機工作室6相應(yīng)地擴大或者縮小。圖1中所示的空氣發(fā)動機的 縱截面經(jīng)過這兩條轉(zhuǎn)動軸線I和II。殼體1在內(nèi)部具有用于容納這些轉(zhuǎn)子的圓柱形區(qū)段7和球形區(qū)段8，其中所述球 形區(qū)段8過渡到一圓柱形區(qū)段9中，以便容納反轉(zhuǎn)子3的支承裝置以及相應(yīng)地容納反轉(zhuǎn)子 3的錯開的中軸線II。反轉(zhuǎn)子3可轉(zhuǎn)動地支承在滾動軸承10上，所述滾動軸承10通過支 撐堵頭11夾緊地設(shè)置在殼體1的圓柱形區(qū)段9中。該支撐堵頭11擰入到殼體1中，以便 固定滾動軸承10。
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為了能夠由于轉(zhuǎn)動軸線I和II之間的角α而在旋轉(zhuǎn)時在這些轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生搖擺 運動，在這些轉(zhuǎn)子之間設(shè)置球形的支承面12，所述球形的支承面12也同時地將由轉(zhuǎn)子的端 齒4和5形成的發(fā)動機工作室6相互分開。在這些端齒4和5中以已知的優(yōu)點設(shè)置有旋輪 線齒部(DE PS 42 41 320 C2)。形成真正功率部件的軸轉(zhuǎn)子2同樣可轉(zhuǎn)動地支承在一滾動 軸承13上，所述滾動軸承13本身由支撐螺母14承載，所述支撐螺母14 一方面在殼體1的 圓柱形區(qū)段7中導(dǎo)向，但是另一方面在那里通過螺紋15擰入到殼體1中。由此，一方面確 保了軸轉(zhuǎn)子2的容易的轉(zhuǎn)動運行，而另一方面也確保了關(guān)于球形區(qū)段8或者反轉(zhuǎn)子3的一 定的可調(diào)整性。此外，軸轉(zhuǎn)子2具有聯(lián)接開口 16，用于容納未示出的轉(zhuǎn)動連接裝置，以便傳 遞轉(zhuǎn)動運動。在殼體1上設(shè)置有法蘭17，以便可以相應(yīng)地固定待驅(qū)動的機組。此外，在殼體 1的背面上設(shè)置有一法蘭18，用于將壓縮空氣入口連接到在此尚小的發(fā)動機工作室中。在圖2至4中所示的空氣發(fā)動機的變形方案中，殼體一方面相對于圖1中所示的 截面旋轉(zhuǎn)90度，另一方面在整個長度上圓柱形地構(gòu)造。由此，轉(zhuǎn)動軸線I和II在示圖中彼 此重合，這僅僅可作為透視圖看出，但也可以在圖4中看出。與圖1中相應(yīng)的部分設(shè)有與圖 1相同的參考標記并且通過上標進行區(qū)別。但是作為變形方案僅僅示出殼體，其中圖2中所 示的區(qū)段應(yīng)當用于表明在使用壓縮空氣之后，即壓縮空氣卸載之后的出氣開口 19。因此，如圖3所示，在殼體1中在壓縮空氣側(cè)上設(shè)置有一連接孔20，用于供壓縮空 氣進入到在此未示出、但在此對置的、小的泵工作室4中。在對置一側(cè)上，在殼體1中設(shè)置 有相應(yīng)大的出氣開口 19，以便實現(xiàn)壓縮空氣的實際卸載。通過本發(fā)明實現(xiàn)了，借助簡單的、 長短輻旋輪線端齒嚙合的轉(zhuǎn)動活塞驅(qū)動在壓力下傳輸?shù)目諝獠⑶彝ㄟ^所述空氣的卸載來 驅(qū)動軸轉(zhuǎn)子，所述軸轉(zhuǎn)子又用作發(fā)動機。所有在說明書中、隨后的權(quán)利要求書中和附圖中所示的特征能夠單獨地以及彼此 任意組合地落在本發(fā)明范圍內(nèi)。參考標號列表
1殼體圖2至4中的變形方案
2軸轉(zhuǎn)子I圖2的轉(zhuǎn)動軸線
3反轉(zhuǎn)子II圖3的轉(zhuǎn)動軸線
4端齒α I和II之間的夾角
5端齒
6發(fā)動機工作室
7圓柱形區(qū)段
8球形區(qū)段
9用于3的圓柱形區(qū)段
10滾動軸承
11支撐堵頭
12支承面
13滾動軸承
14支撐堵頭
15螺紋
16聯(lián)接開口
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17法蘭18法蘭進氣接頭19出氣開口20連接孔
權(quán)利要求
一種方法，用于在使用壓縮空氣操作的機組的情況下將壓縮空氣能轉(zhuǎn)化為機械轉(zhuǎn)動能，所述機組具有至少一個軸轉(zhuǎn)子(2)，所述軸轉(zhuǎn)子限定工作室(6)、以其工作面在所述工作室中滾動并且引起輸出軸的旋轉(zhuǎn)，并且所述方法用于將所述軸轉(zhuǎn)子或者所述輸出軸的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為機械轉(zhuǎn)動能，其特征在于，所述機組具有至少一個軸轉(zhuǎn)子，所述軸轉(zhuǎn)子限定工作室、以其工作面在所述工作室中滾動并且引起輸出軸的旋轉(zhuǎn)，所述軸轉(zhuǎn)子(2)以端齒部(4)工作并且與一構(gòu)造有相應(yīng)的齒(5)的反轉(zhuǎn)子(3)共同作用，所述軸轉(zhuǎn)子以端齒部工作并且與一個構(gòu)造有相應(yīng)的齒的反轉(zhuǎn)子共同作用，其中，彼此嚙合的所述齒部被構(gòu)造為長短輻旋輪線齒部。
2.壓縮空氣發(fā)動機，尤其用于實施根據(jù)權(quán)利要求1的方法， 具有一由壓縮空氣驅(qū)動的、作為轉(zhuǎn)動活塞工作的軸轉(zhuǎn)子(2)，具有一容納所述軸轉(zhuǎn)子(2)并且與所述軸轉(zhuǎn)子(2) —起限定發(fā)動機工作室(6)的殼體⑴，具有發(fā)動機工作室(6)的用于壓縮空氣或者被卸載的排氣的進氣接頭(18)和出氣通 道(19)，其中，所述軸轉(zhuǎn)子(2)與產(chǎn)生機械轉(zhuǎn)動能的機組的驅(qū)動軸聯(lián)接， 其特征在于，所述軸轉(zhuǎn)子(2)朝向所述發(fā)動機工作室(6)具有長短輻旋輪線齒部，并且與一配合到 所述齒部中的、由此相應(yīng)地嚙合并且由所述軸轉(zhuǎn)子驅(qū)動的反轉(zhuǎn)子(3)共同作用，其中，由于 這些轉(zhuǎn)子(2，3)的轉(zhuǎn)動軸線之間的角度不同于180度，在旋轉(zhuǎn)時所述發(fā)動機工作室(6)的 容積伴隨著所述壓縮空氣的相應(yīng)卸載而增大或者縮小，其中，這些轉(zhuǎn)子中的至少一個設(shè)置 在滾動軸承上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓縮空氣發(fā)動機，其特征在于，所述軸轉(zhuǎn)子(2)的支承裝置通 過滾動軸承(13)實現(xiàn)并且所述滾動軸承由支撐螺母(14)承載，所述支撐螺母固定在所述 殼體⑴上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的壓縮空氣發(fā)動機，其特征在于，所述反轉(zhuǎn)子支承在一滾動 軸承(10)上，所述滾動軸承設(shè)置在所述殼體(1)中并且由一封閉所述殼體的支撐堵頭(11)承載。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的壓縮空氣發(fā)動機，其特征在于，所述滾動軸承(10，13)在 所述殼體中在所述轉(zhuǎn)動軸線(I，II)的方向上可連同轉(zhuǎn)子一起軸向地調(diào)整。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一項所述的壓縮空氣發(fā)動機，其特征在于，所述進氣通道被 構(gòu)造成沿旋轉(zhuǎn)方向略微增大并且通到在該側(cè)上具有尚小容積的所述工作室中。
7.根據(jù)權(quán)利要求2至6中任一項所述的壓縮空氣發(fā)動機，其特征在于，所述工作室(4) 過渡到一設(shè)置在所述殼體(1)中的出氣開口中(19)，所述出氣開口具有一能夠使所述壓縮 空氣完全卸載的大橫截面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于將壓縮空氣能轉(zhuǎn)化為機械能的方法以及一種用于所述方法的壓縮空氣發(fā)動機，其中，該發(fā)動機以本身已知的端齒輪轉(zhuǎn)子(2，3)工作，通過所述端齒輪轉(zhuǎn)子(2，3)由于其支承和構(gòu)型實現(xiàn)了特別高的效率。
文檔編號F01C3/08GK101970801SQ200880104524
公開日2011年2月9日 申請日期2008年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月31日
發(fā)明者F·阿諾德 申請人:Cor泵和壓縮機股份公司