DE1263973B

DE1263973B - Innerer Drehkolben einer Drehkolbenmaschine mit exzentrisch ineinander angeordneten Drehkolben

Info

Publication number: DE1263973B
Application number: DEB41057A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Friedrich Lueck
Original assignee: Borsig GmbH
Current assignee: Borsig GmbH
Priority date: 1956-07-17
Filing date: 1956-07-17
Publication date: 1968-03-21

Description

Innerer Drehkolben einer Drehkolbenmaschine mit exzentrisch ineinander angeordneten Drehkolben Die Erfindung betrifft den inneren Drehkolben einer Drehkolbenmaschine, insbesondere eines Verdichters, mit exzentrisch ineinander angeordneten zahnradartigen Drehkolben, von denen der äußere den inneren unmittelbar, d. h. ohne besondere Getriebezahnräder bzw. -verzahnung in der Drehbewegung mitnimmt,. wobei die Verzahnung dieses inneren Drehkolbens aus kreisbogenförmigen Zahnköpfen und diese verbindenden, flachen Bögen ähnelnden, konkaven Zahnlückenkurven besteht und jeder dieser Zahnköpfe ständig die Innenverzahnung des äußeren Drehkolbens berührt bzw. fast berührt und wobei ferner das gasförmige Förder- bzw. Arbeitsmedium den zwischen dem inneren und dem äußeren Drehkolben gebildeten Verdrängerzellen durch Gehäuseöffnungen an einer Stirnseite der Drehkolben axial zu- und abgeleitet wird.
Bei solchen Drehkolbenmaschinen wird vielfach eine Verzahnung für die beiden Drehkolben gewählt, bei welcher, im Querschnitt gesehen, von einer theoretischen Grundform mit Spitzen als Zahnköpfen und meist Hypozykloiden als Verbindungskurven ausgegangen wird, wobei dann die Spitzen durch Kreisbögen ersetzt werden und die zykloidischen Verbindungskurven gleichsam nach außen verschoben werden, so daß sie an die Kreisbögen der Zahnköpfe tangierend anschließen. Dabei ist der Krümmungsradius der Zahnkopfkreisbögen so groß (etwa 5 bis 7 und mehr Prozent des größten Durchmessers des inneren Drehkolbens) gewählt, daß die Zahnköpfe im Querschnitt nicht mehr als spitz, sondern als gut abgerundet erscheinen, da man offenbar der Ansicht war, daß sich spitze Zahnköpfe bei Förderzahnrädern bzw. Drehkolben, die sich gegenseitig unmittelbar antreiben, schneller abnutzen würden. Da bei der theoretischen Ausgangsform der innere Drehkolben mit den Zahnspitzen, im Querschnitt also punktförmig mit der jeweils radial äußersten Stelle jedes Zahnes, die Innenverzahnung des äußeren Drehkolbens berührt, besteht in jeder Verdrängerzelle ein Ausgleich der in Umfangsrichtung durch den Druck des Förder-oder Arbeitsmediums auf die beiden zu dieser Verdrängerzelle gehörigen Zahnflanken des inneren Drehkolbens ausgeübten Kräfte und Momente. Diese Druckkräfte können z. B. als Tangentialprojektionen auf die Radialebene durch jeden Zahn dargestellt werden, welche dann bezüglich beider Zahnflanken gleich groß sind. Der in einer Verdrängerzelle herrschende Kompressions- oder Arbeitsdruck kann hier also keine Momente auf den inneren Drehkolben ausüben, so daß der innere Drehkolben gleichsam leer mitläuft, wenn er vom äußeren angetrieben wird. Wenn aber an Stelle der spitzen abgerundete Zahnköpfe vorhanden sind, dann berühren die Zahnköpfe des inneren die Innenverzahnung des äußeren Drehkolbens nicht immer mit ihren Scheitellinien, viehmehr wandert die Berührungsstelle an jedem Zahnkopf des inneren Drehkolbens hin und her, und es ändern sich dabei ständig die Abstände der zu einer Verdrängerzelle gehörigen Berührungsstellen zwischen den Verzahnungen von der Drehachse des inneren Drehkolbens, so daß die tangentialen Projektionsflächen, also die Druckkräfte und damit die auf den inneren Drehkolben ausgeübten Momente, in den einzelnen Verdrängerzellen nicht mehr im Gleichgewicht sind. Ferner entstehen bei gasförmigen Arbeitsmedien infolge Rückexpansion und Rückkompression noch weitere Drehmomente am inneren Drehkolben, so daß der innere Drehkolben infolge des Drehmomentwechsels flattert und eine dauernde Schlagarbeit auf den äußeren Drehkolben ausübt, was Geräuschentwicklung und Abnutzung der Zahnköpfe zur Folge hat.
Es ist auch eine als Verdichter oder Expansionsmaschine gedachte Drehkolbenmaschine mit zwei im Inneneingriff kämmenden zahnradartigen Drehkolben bekannt, bei der der äußere Drehkolben mit der Antriebswelle verbunden ist und der innere Drehkolben im Querschnitt verhältnismäßig spitze Zahnköpfe aufweist. Dieser wird aber vom äußeren Drehkolben über Getriebezahnräder in der Drehbewegung mitgenommen. Dafür dürfen die Zahnköpfe des inneren die Zahnflanken des äußeren Drehkolbens nicht direkt berühren, sonst wäre die Konstruktion überbestimmt. Um dennoch eine gute Dichtung zwischen den Verzahnungen zu erreichen, sieht der Erfinder dieser bekannten Maschine radial bewegliche Zahnköpfe in Form von plattenförmigen Trennschiebern, deren Außenkanten mit Abrundungen verhältnismäßig kleiner Krümmungsradien versehen sind, im inneren Drehkolben vor. Angaben über die Größe dieser Krümmungsradien fehlen aber in der betreffenden Vorveröffentlichung.
Lediglich in Form einer Querschnittsdarstellung sind noch zwei im Inneneingriff kämmende Zahnräder bekannt, bei denen das innere Rad aus einem kreiszylindrischen Kern besteht, von dem drei Zähne abstehen, deren Flanken durch steil stehende Kurven-bzw. Bogenstücke gebildet werden, die sich außen in einer Spitze treffen. Das Außenzahnrad weist vier Hohlzähne auf, in die die Zähne des Innenrades eingreifen können. Zwischen diesen Hohlzähnen erstrekken sich verhältnismäßig große Wandbereiche einer zentrischen kreiszylindrischen Bohrung des Außenrades.
Bei einer bekannten Zahnradpumpe mit zwei Zahnrädern im Inneneingriff, bei welcher das vom äußeren angetriebene innere Zahnrad viel weniger Zähne als das äußere aufweist und mit verhältnismäßig dicken Zahnköpfen versehen ist und ferner zwischen den beiden Zahnrädern noch ein sichelförmiges Füllstück sich befindet, sind die Ein- und Auslaßöffnungen zu den Zahnrädern in einer Gehäusestirnwand innerhalb des äußeren Zahnrades angeordnet und bis weit innerhalb des Zahnfußkreises des inneren Zahnrades ausgedehnt. Die Zahnlücken zwischen den Zähnen des inneren Zahnrades sind zur Ein- und Auslaßseite hin so ausgekehlt, daß das Fördermedium hauptsächlich über diese Auskehlungen in Verdrängerzellen zwischen den Zahnrädern ein- und abgeleitet wird. Es ist weiterhin eine Zahnradpumpe mit zwei Zahnrädern im Außeneingriff bekannt, bei welcher das Fördermedium an beiden Stirnseiten über Gehäusetaschen den Zahnlücken zu-- und abgeleitet wird, wobei die Zahnlücken, im Längsschnitt gesehen, nach beiden Stirnseiten hin abgeschrägt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Drehkolbenmaschine der -eingangs erwähnten Art das Flattern des inneren Drehkolbens und die daraus sich ergebende Geräuschbildung und Abnutzung der Drehkolben zu vermeiden und ferner auch Maßnahmen zu treffen, um die Ein- und Ausströmgeschwindigkeiten des Förder-. oder Arbeitsmediums zu den Verdrängerzellen zu verringern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zahnköpfe des inneren Drehkolbens, im Querschnitt gesehen, mit einem engen Abrundungsradius von etwa 1 bis 3 % des größten Durchmessers des inneren Drehkolbens abgerundet sind, so daß sie als relativ spitz erscheinen, und daß die zwischen den Zahnköpfen befindlichen Zahnlücken, im Längsschnitt gesehen, an der den stirnseitig angeordneten Ein- und Auslaßöffnungen zunächst liegenden Seiten abgeschrägt sind.
Um die Geräuschbildung und die Abnutzung des inneren Drehkolbens weiter zu mindern, sind nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung seine Zahnköpfe an ihren mit der Innenverzahnung des äußeren Drehkolbens in Berührung kommenden Stellen mit auswechselbaren Einsatzstücken aus einem Werk-Stoff mit besonders guten Gleiteigenschaften oder aus einem elastischen Werkstoff versehen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt F i g. 1 den Querschnitt durch zwei Drehkolben ohne Gehäuse, F i g. 2 den Längsschnitt durch einen Drehkolbenkompressor mit angetriebenem äußeren und mitgenommenem inneren Drehkolben nach der Linie II-I1 in F i g. 1 und F i g. 3 einen Teilquerschnitt der beiden Drehkolben in vergrößerter Darstellung mit einer weiteren Einzelheit.
In den F i g. 1 und 2 bewegt sich der angetriebene äußere Drehkolben 1 im Drehsinn des Uhrzeigers um seine Achse 2 und nimmt dabei den um seine Achse 4 drehenden inneren Drehkolben 3 mit. Der äußere Drehkolben 1 ist dabei mittels Gleit- oder Wälzlagern einseitig (fliegend) in einem Gehäuse 5, der innere Drehkolben gleichfalls einseitig in einem Gehäusedeckel 6 gelagert. In diesem Deckel ist ein Drehschieber 7 eingebaut, welcher die Einlaßöffnung 8 und die Auslaßöffnung 9 enthält. Der innere Drehkolben 3 ist auf der dem Drehschieber 7 zugekehrten Seite mit Abschrägungen 10 versehen. Zwischen dem äußeren und dem inneren Drehkolben werden die Verdränger= zellen 11,12,13,14 und 15 gebildet. Bei Drehung der Drehkolben vergrößern sich die Verdrängerzellen 11 und 12 und saugen durch die Einlaßöffnung 8 Gas an. Die Verdrängerzelle 13 verkleinert sich, ohne dabei mit der Einlaßöffnung 8 oder der Auslaßöffnung 9 in Verbindung zu stehen, so daß eine Kompression vor sich gehen kann. Die Verdrängerzelleri 14 und 15 verkleinern sich gleichfalls und schieben das verdichtete Gas durch die Auslaßöffnung 9 in eine Druckleitung aus. Wie F i g. 1 deutlich erkennen läßt, wandert infolge der spitzen Form der Zahnköpfe die Berührungslinie zwischen innerem und äußerem Drehkolben an einem Zahnkopf des inneren Kolbens im Laufe einer Umdrehung in radialer Richtung nur so wenig hin und her, daß praktisch keine unausgeglichenen Drehmomente am inneren Drehkolben 3 auftreten, da die Vektorsumme der tangentialen Gaskräfte auf die Zahnköpfe des inneren Drehkolbens 3 in jeder Verdrängerzelle 11 bis 15 bei allen Drehkolbenstellungen fast Null ist. An der Verdrängerzelle 15 ist besonders deutlich zu erkennen, in welch starkem Maße die Abschrägung 10 des inneren Drehkolbens 3 die seitliche freie Auslaßöffnung zwischen den Läufern vergrößert.
In F i g. 3 sind ein Teil des äußeren und ein Teil des inneren Drehkolbens in vergrößertem Maßstab dargestellt. Der Zahnkopf 16 des inneren Drehkolbens 3 berührt dabei gerade die Innenverzahnung 18 des äußeren Drehkolbens 1 und wird von diesem mitgenommen, während sich der Zahnkopf 17 im gleichen Zeitpunkt von der Innenverzahnung fast getrennt hat.
Alle anderen nicht gezeichneten Zahnköpfe sind vom äußeren Läufer ebenfalls durch einen sehr geringen Spalt getrennt. Rein theoretisch ist jede Verdrängerzelle von der benachbarten durch eine Berührungsstelle eines Zahnkopfes des inneren Drehkolbens mit der Innenverzahnung des äußeren Drehkolbens getrennt, aber herstellungstechnisch läßt sich diese mehrfache Berührung zwischen den Verzahnungen nicht verwirklichen, so daß die erwähnten, natürlich sehr geringen Spalte an einigen der Zahnköpfe des inneren Drehkolbens entstehen. Aus F i g. 3 ist also zu erkennen, daß ein und derselbe Zahnkopf nur während verhältnismäßig kleiner Winkeldrehungen der Drehkolben und nur an seinem äußersten Ende bei geringen Gleitgeschwindigkeiten belastet wird.
Durch Aufbringen der Einsatzstücke 19 läßt sich erreichen, daß die Führungsecken entweder aus Werkstoffen mit besonders guten Gleiteigenschaften, wie beispielsweise Sintermetallen, Hartpreßstoffen oder Kohle, oder aus elastischen Werkstoffen, wie Buna oder sonstigen Kunststoffen, bestehen können.
Ferner ist ein leichtes Auswechseln der aufgeklebten, aufvulkanisierten oder allenfalls aufgelöteten Einsatzstücke 19 möglich und damit eine lange Lebensdauer des eigentlichen Läufers erzielbar.

Claims

Patentansprüche: 1. Innerer Drehkolben einer Drehkolbenmaschine, insbesondere eines Verdichters, mit exzentrisch ineinander angeordneten zahnradartigen Drehkolben, von denen der äußere den inneren unmittelbar, d. h. ohne besondere Getriebezahnräder bzw. -verzahnung in der Drehbewegung mitnimmt, wobei die Verzahnung dieses inneren Drehkolbens aus kreisbogenförmigen Zahnköpfen und diese verbindenden, flachen Bögen ähnelnden, konkaven Zahnlückenkurven besteht und jeder dieser Zahnköpfe ständig die Innenverzahnung des äußeren Drehkolbens berührt bzw. fast berührt und wobei ferner das gasförmige Förder-bzw. Arbeitsmedium den zwischen dem inneren und dem äußeren Drehkolben gebildeten Verdrängerzellen durch Gehäuseöffnungen an einer Stirnseite der Drehkolben axial zu- und abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnköpfe (16,17) des inneren Drehkolbens (3), im Querschnitt gesehen, mit einem engen Abrundungsradius von etwa 1 bis 3 % des größten Durchmessers des inneren Drehkolbens abgerundet sind, so daß sie als relativ spitz erscheinen, und daß die zwischen den Zahnköpfen befindlichen Zahnlücken, im Längsschnitt gesehen, an der den stirnseitig angeordneten Ein- und Auslaßöffnungen (8 und 9) zunächst liegenden Seite abgeschrägt (s. Abschrägungen 10) sind.
2. Innerer Drehkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine Zahnköpfe (16, 17) an ihren mit der Innenverzahnung (18) des äußeren Drehkolbens (1) in Berührung kommenden Stellen mit auswechselbaren Einsatzstücken (19) aus einem Werkstoff mit besonders guten Gleiteigenschaften oder aus einem elastischen Werkstoff versehen sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 444 208, 445 893, 556181, 865 864, 904 985; schweizerische Patentschrift Nr. 58 987; französische Patentschrift Nr. 853 807; britische Patentschrift Nr. 370 474; USA.-Patentschriften Nr. 1362 621, 1490 115, 2 498 848; Buch von H a d e k e 1, »Displacement Pumps and Motors«, 1951, Verlag Pitman & Sons Ltd., London, S. 57, 59, 60 und 61; ATZ (Automobiltechnische Zeitschrift), Heft vom Juni 1954, S. 148 und 149.