DE2234777B2

DE2234777B2 - Verdichter

Info

Publication number: DE2234777B2
Application number: DE19722234777
Authority: DE
Inventors: Ernst 4130 Moers Menssen
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1972-07-14
Filing date: 1972-07-14
Publication date: 1980-03-06
Also published as: JPS4967211A; GB1388376A; DE2234777A1; DE2234777C3; JPS5712841B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdichter, bestehend aus einem mit Ein- und Auslaßöffnungen versehenen Gehäuse mit mindestens zwei Rotoren als Haupt- und Nebenläufer, die mit schraubenlinienförmig gewundenen Zahnreihen besetzt und achsparallel und ineinandergreifend angeordnet sinJ, wobei die Zahnprofile des Hauptläufers im wesentlichen konvex und außerhalb des Teilkreises befindlich und die Zahnflanken des Nebenläufers im wesentlichen konkav und innerhalb des Teilkreises befindlich ausgebildet sind und die Zahnprofile zum Teil Kreisbogenabschnitte aufweisen.

Verdichter in Schraubenbauart werden zur Verdichtung oder Entspannung von Gasen verwendet. Sie arbeiten bekanntlich in der Weise, daß die Zahnreihe des einen Rotors in die Zahnlückenreihe des anderen Rotors eingreift und einen dichten Abschluß zwischen Hochdruckraum und Niederdruckraum herstellt. Durch die schraubenförmige Verzahnung bilden sich winkelförmige Arbeitskammern zwischen den Rotoren und der Gehäusewand, die sich jeweils vom Eingriff der

■> Rotorrippen bis zu einer gemeinsamen festen Querebene auf der Seite des Hochdruckdurchlasses erstrecken. Während eines Verdichtungsvorgangs dreht sich ein im Eingriff befindliches Paar von Hauptläuferzahn und Nebenläuferzahnlücke nach unten aus dem Eingriff

ι« heraus. Die senkrecht zu den Rotorenachsen liegende Eingriffsebene verschiebt sich bei fortschreitender Umdrehung axial in Richtung der gemeinsamen Querebene, wodurch die Zahnlückenräume zwischen Einlaßstirnseite und Eingriff immer länger werden, bis an der die Querebene bildende Gehäusestirnwand, Zahn und Lücke außer Eingriff kommen. Die mit Gas gefüllten Lücken stehen an der Einlaßstirnseite mit dem Ansaugkanal in Verbindung, während sie an der gegenüberliegenden Seite durch die Gehäusestirnwand abgeschlossen sind. Bei weiterer Umdrehung werden die Zahnlücken auch an der Einlaßstirnseite abgeschlossen und dann weiter gedreht bis auf der Oberseite der Zahn in die Zahnlücke eindringt. Dieser Eingriff verlagert sich von der Einlaßstirnwand in Richtung zur

2"> Gehäusestirnwand, wobei sich die Zahnlücken räumlich verkürzen und dabei das darin befindliche Gas verdichten. Ivach Einstellung des Enddrucks überstreifen Zahnspitze und Zahnflanke die im Gehäuseoberteil angeordneten Auslaßsteuerkanten und stellen damit die

«ι Verbindung zum Druckstutzen her. Hat die Eingriffstelle die Gehäuseslirnwand erreicht, dann ist das Kammervolumen gleich Null und das Gas wird ausgeschoben.

Der Wirkungsgrad des Verdichters hängt weitgehend

t"> von der Abdichtung zwischen Hochdruck- und Niederdruckraum ab. Als Lösung bietet sich eine entlang der Schraubenflanken nicht unterbrochene Abdichtungslinie an. Dies ist konstruktiv möglich und auch schon verwirklicht worden. Als Zahnprofil der Rotoren

in verwendet man heute hierzu hauptsächlich einen Halbkreis. Der Hauptläufcr hat üblicherweise vier im Stirnschnitt halbkreisförmige Zähne, der Nebenläufcr sechs dazu passende Zahnlücken, und beide Läufer haben gleiche Außendurchmcsser.

•r> Dem Halbkreisprofil und auch anderen, in der Vergangenheit vorgeschlagenen Profilen hafvet aber ein großer Nachteil an. Die Zahnflanken am Fuß des Hauptläufers, also des Läufers mit der geringeren Zähnezahl, und die am Kopf des Nebeniäufers sind sehr

V) steil. Dies wirkt sich bei der Herstellung äußerst ungünstig aus, da die Werkzeuge einen zu geringen Freiwinkel haben, was die Schnittbedingungen verschlechtert und den Werkzeugverschleiß an der Freifläche steigert. Dies erfordert oftmaliges Nach-

Ti schleifen der Werkzeuge, worunter ihre genaue Profilform leidet und weswegen teure Nacharbeiten notwendig sind.

Daher konnten sich, trotz der unbestrittenen Vorteile gegenüber anderen Bauarten wie Kolben- und Turbo-

w) maschinen, die Verdichter in Schraubenbauart infolge der hohen Fertigungskosten, die sich besonders bei kleinen Maschinen bemerkbar machen, bei denen der Preisanteil der Läufer einen großen Prozentsatz des Gesamtpreises ausmacht, nicht in dem erwarteten Maße

h^r. durchsetzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verdichter in Schraubenbauart zu entwickeln, der sich durch cm Zshpiprofi! der Hsupt- und Nebenläufer

auszeichnet, das neben einer guten Abdichtung, eine wesentlich wirtschaftlichere Fertigung, insbesondere bezüglich der Schnittbedingungen der Verzahnungswerkzeuge und deren Verschleiß, als bisher gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die vorlaufende Flanke des Zahnprofils des Hauptläufers im Fußbereich von einer Evolvente und im daran anschließenden Bereich von Kreisbogenabschnitten gebildet ist, daß die nachlaufende Flanke des Zahnprofils des Hauptläufers durchgehend eine Evolvente aufweist, daß die nachlaufende ^Flanke des Zahnprofils des Nebenläufers im Kopibereich von einer Evolvente und im daran anschließenden Bereich von Kreisbogenabschniiten gebildet ist und daß die vorlaufende Flanke des Zahnprofils des Nebenläufers eine Zykolide und daran anschließend eine Evolvente aufweist, wobei entsprechende Bereiche des Zahnprofils des Haupt- und des Nebenläufers einander zugeordnet sind.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß hinsichtlich der Fertigung es nicht günstig ist, von einer möglichst idealen Zahnform auszugehen und dieser die Werkzeuge bzw. das Verzahnungsverfahren anzupassen, sondern es weit vorteilhafter ist, zuerst ein günstiges Verzahnungsverfahren auszuwählen. Von den im Maschinenbau üblichen Verzahnungsarten eignet sich die Evolventenverzahnung für eine wirtschaftliche Fertigung am besten. Dies hat seinen Grund darin, daß die Zähne des Rades und des Gegenrades von einem gemeinsamen Abwälzprofil mit geraden Flanken erzeugt werden. Diese Werkzeuge lassen sich relativ einfach und mit hoher Genauigkeit herstellen und haben eine hohe Standzeit. Sie erlauben gute Schnittbedingungen, wenn der Eingriffswinkcl genügend groß gewählt wird. Dafür hat sich überwiegend ein Winkel von 20° eingeführt, es gibt aber auch Werkzeuge mit Eingriffswinkeln von 12°, 15°, 25° und 30" und andere. Trotz Verwendung dieser die Schnittbedingungen verbessernden Werkzeuge mit größeren Eingriffswinkeln an den steilen Strecken der Zahnflanken, gewährleistet das erfindungsgemäße Zahnprofil eine gute Abdichtung innerhalb der Maschine.

Zudem ist erkannt worden, daß man im Normalschnitt, in dessen Richtung ja die Verzahnung erzeugt wird, mit einem festgelegten Eingriffswinke! arbeiten muß. Somit ergeben sich für Läufer mit verschiedenen Längen-Durchmesser-Verhällnis keine kongruenten Stirnschnittprofile mehr, da der sich aus einem bestimmten Winkel ergebende Eingriffswinkel im Stirnschnitt umso größer wird, je größer der Schrägungswinkel der Läuferverzahnung ist. Im Gegensatz dazu waren die Stirnschnitte der bisherigen Schraubenmaschinen bei allen Längen-Durchmesser-Verhältnissen gleich.

Das erfindungsgemäße Läuferprofil, das zum Teil aus Evolventen, zum Teil aus anderen Kurvenstücken besteht, gewährleistet eine Dichtlinie, die nur geringfügige Unterbrechungen aufweist. Im Vergleich mit dem seit vielen Jahren benutzten sogenannten symmetrischen Kreisbogenprofil, bei dem sich zwischen der nachlaufenden Flanke des Hauptläufers und der vorlaufenden Flanke des Nebenläufers ein relativ großer Formspalt bildet und Gas von höherem Druck in die nachfolgende Zahnlücke mit niedrigerem Druck überströmen läßt, erweist sich das erfindungsgemäße Profil als erheblich günstiger. Für die erfindungsgemäße Profilform gilt, daß dieser Form- oder auch Blasspalt

kü

di** Pvo Nebenläufers ist.

Um die Evolventen aufweisenden Bereiche am Kopf des Nebenläufers zu verkürzen, was eine Verkleinerung des unerwünschten Blasspaltes zur i-'olge hat, kann der

·· Anmeldegegenstand mit Vorteil so ausgeführt sein, daß anschließend an die Evolventen das Zahnprofil des Hauptläufers am Fuß und das des Nebenläufers am Kopf jeweils abgerundet ist, wobei die Abrundung ein Kreisbogen ist, dessen Mittelpunkt auf dem Teilkreis

i<> des jeweiligen Rotors liegt.

Ebenfalls großen Einfluß hat eine Variante bei der Herstellung der Evolventenverzahnung, die eine äußerst vorteilhafte Ausbildungsform des Anmeldungsgegenstandes darstellt, und darin besteht, daß die

r. Evolventenverzahnung eine Profilverschiebung aufweist. Dann fallen der Teilkreis der Verzahnung und der Wälzkreis des erzeugenden Werkzeugs nicht mehr zusammen. Die Profilverschiebung verhindert gleichzeitig, daß bei kleiner Zähnezahl die Kopfflanke der

-Ii Zahnstange, also des Werkzeuges, den Zahnfluß des Hauptläufers unterschneidet, und damit dessen an und für sich konvexe Ausbildung unterbricht.

Besonders vorteilhaft wirkt sich eine Ausbildung des Anmeldungsgegenstandes aus. bei der die gegenüberlie-

2^r· genden Zahnflanken eines Zahnes unterschiedliche Eingriffswinkd aufweisen. Damit erreicht man noch bessere Schnittbedingungen für die Verzahnungswerkzeuge. Ist beispielsweise, im Stirnschnitt, die Strecke einer Zahnflanke, die von keiner Evolvente gebildet ist.

«ι ein Kreisprofil, so ist es besonders günstig, den Eingriffswinkel auf dieser Kreisbogenseite zu vergrößern. Eine derartige Maßnahme kann wichtig sein für Werkzeuge, die nicht im Abwälzverfahren arbeiten sollen, weil Werkzeuge und Werkzeugmaschinen dafür

ι· zu groß werden.

Die Herstellung der Verzahnung des Haupt- und Nebenläufers von Verdichtern in Schraubenbauart gestaltet sich, wie eingangs schon erwähnt wurde bei einem Evolventenprofil sehr einfach. Vorteilhafierweise

■ie wird man bei der Fertigung größerer Stückmengen auf das Abwälzverfahren zurückgreifen.

Alle zur Verzahnung von Evolventenzahnrädern geeignete Verfahren und Werkzeugmaschinen können in äußerst vorteilhafter und wirtschaftlicher Weise auf

■r> die Verzahnung der Läufer von Verdichtern in Schraubenbauart angewendet werden, vorausgesetzt, sie lassen die Einstellung des erforderlichen großen Schrägungswinke! zu.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand

'Ίΐ der in den F i g. 1 —3 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den Eingriff eines Hauptläuferzahns in eine Nebenläuferzahnlücke mit dem dazugehörigen Profil des erzeugenden Werkzeugs im Stirnschnitt

• > F i g. 2 ein Beispiel wie in F i g. 1 mit unterschiedlichen Eingriffswinkeln und abgerundeten Zahnprofilen.

Fig.3 ein Beispiel wie in Fig. 1, bei dem das Verhältnis der Zähnezahl von Haupt- und Nebenläufer nicht wie üblich 4 zu 6 sondern 4 zu 7 beträgt.

™i In dem Beispiel gemäß Fig. 1 stimmen die Abmessungen des Hauptläufers mit denen des Nebenläufers überein, deren Mittelpunkte mit M\ bzw. M₂ bezeichnet sind, 1 h„ der Fußkreis !6 bzw. der Kopfkreis 18 des Hauptläufers haben den gleichen Durchmesser wie der

tv") Fußkreis 17 bzw. der Kopfkreis 19 des Nebenläufers. Die Eingriffslinie 22 und 23, die unter dem Eingriffswinkel α zur Wälzlinie 20 geneigt sind, schneiden sich im Wäbniinkι r Hurrli den auch die Wälzkre'se 14 und

des Haupt- und Nebenläufers gehen. In diesem Beispiel wurde der Eingriffswinkel a. im Normalschnitt für das Werkzeug mit 15" festgelegt. Im gezeichneten Stirnschnitt ergibt sich bei dem hier gewählten Schrägungswinkel der Läuferverzahnung ein Eingriffswinkcl von ca. 21°. Das erzeugende Abwälzprofil 21 verläuft zu ca. 75% gemeinsam für Haupt- und Nebenläuferprofil. Für den Verlauf der Nebenläuferflanke von Punkt 8 br 9 ist das gemeinsame Profil unterbrochen. Hier hai das Werkzeug des Nebenläufers den Verlauf der strichpunktierten Linie 13, während das Werkzeug für den Hauptläufer mit dem Verlauf von 8 über 11 nach 9 ausgeführt ist. Das Profil des eingreifenden Zahnes des Hauptläufers ist im Abschnitt 1 bis 2 eine Evolvente, der eine Evolventenstrecke 6 bis 7 der Zahnflanke des Nebenläufers entspricht. Daran schließt sich ein Kreisbogenprofil 2 bis 3 des Hauptläufers bzw. 7 bis 8 des Nebenläufers an. Die Strecke 3 bis 4 des Hauptläufers ist ein Teil des Kopfkreises desselben und der Teil 4 bis 5 wieder eine Evolvente. Diesem Evolventenabschnitt entspricht die Evolvente 9 bis 10 am Kopf des Nebenläufers. Am Punkt 9 wird die Evolvente des Nebenläufers vom Werkzeug unterschnitten und es entsteht die Zykloide 12 von 8 bis 9, die mit dem Punkt 4 des Hauptläufers zusammenarbeiten muß, um eine nicht unterbrochene Dichtungslinie zu erhalten.

Das Profil des Werkzeugs wird nicht nur von geraden Strecken, sondern auch von kreis- und/oder kurvenförmigen Teilen gebildet. Betrachtet man die Werkzeuge deshalb im Normalschnitt, in dessen Richtung die Verzahnung ja erzeugt wird, so bleiben die geraden Strecken gerade, nur mit einem anderen Winkel, während die Kreisbögen zur Ellipse werden und die Kurve entsprechend dem Normalschnitt umgerechnet werden muß.

In F i g. 2 sind die Eingriffslinien 24 und 25 unter dem Eingriffswinkel λ 1, der gleich dem Eingriffswinkcl <\ in F i g. 1 ist, die Eingriffslinien 26 und 27 unter dem Winkel i\ 2 gegenüber der Walzlinie 20 geneigt. Während der ι Winkel λ 1 somit unverändert 15° im Normalschnitt, entspricht 2Γ im hier dargestellten Stirnschnitt, beträgt, wurde für die andere Seite des Profils einen Winkel tx 2 mit 25° im Normalschnitt bzw. ca. 33° im Stirnschnitt gewählt. Wenn beispielsweise ein Scheibenfräser im

κι Teilverfahren angewendet werden soll, dann kann dieser, z. B. 5° schräg zur Mitte des Läufers arbeiten, um auf der 15" Eingriffswinkelseite einen größeren Winkel und damit bessere Schnittbedingungen zu erreichen. Außerdem ist in F i g. 2 eine Abrundung der Zahnprofilc

r> dargestellt, die Teil eines Kreises ist, dessen Mittelpunkt m auf dem Teilkreis, der hier mit dem Wal/kreis 14 bzw. 15 zusammenfällt, des jeweiligen Rotors liegt. Die Evolventenstrecken am Kopf des Nebenläufers können noch durch einfache Veränderungen bezüglich der Abmessungen des Rotors, z. B. des Läuferdurchmessers, der Zahnhöhe, der Zähnezahl und/oder des Achsabstandes der Rotoren, verkürzt werden.

In Fig. 3 haben beide Läufer gleiche Durchmesser und auch gleichen Achsabstand wie in F i g. I und 2, aber

2^r> der Nebenläufer hat 7 Zähne anstatt 6. Es wurde der gleiche Eingriffswinkel 15° wie in Fig. 1 benutzt. Es isl zu erkennen, daß die Evolventenstrecken 6 bis 7 und 9 bis 10 nur noch halb so lang sind wie in Fig. 1, und daC die Zahnkopfbreite des Nebenläufers stark verkleinen

jo ist. Durch die verkürzten Evolventenstrecken am Kopl des Nebenläufers wird eine Verkleinerung des Blasspal tes erreicht, während die starke Verkleinerung dei Zahnkopfbreite des Nebenläufers hinsichtlich eine; etwaigen Anstreifens desselben am Gehäuse vor

J5 Vorteil ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verdichter, bestehend aus einem mit Ein- und Auslaßöffnungen versehenen Gehäuse mit mindestens zwei Rotoren als Haupt- und Nebenläufer, die mit schraubenlinienförmig gewundenen Zahnreihen besetzt und Achsparallel und ineinandergreifend angeordnet sind, wobei die Zahnprofile des Hauptläufers im wesentlichen konvex und außerhalb des Teilkreises befindlich und die Zahnflanken des Nebenläufers im wesentlichen konkav und innerhalb des Teilkreises befindlich ausgebildet sind und die Zahnprofile zum Teil Kreisbogenabschnitte aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die vorlaufende Flanke des Zahnprofils des Hauptläufers im Fußbereich von einer Evolvente (1 bis 2} und im daran anschließenden Bereich von Kreisbogenabschnitten (2 über 3 bis 4) gebildet ist, daß die nachlaufende Flanke des Zahnprofils des Hauptläufers durchgehend eine Evolvente (4 bis 5) aufweist, daß die nachlaufende Flanke des Zahnprofils des Nebenläufers im Kopfbereich von einer Evolvente (6 bis 7) und im daran anschließenden Bereich von Kreisbogenabschnitten (7 bis 8) gebildet ist und daß die vorlaufende Flanke des Zahnprofils des Nebeniäufers eine Zykolide (8 bis 9) und daran anschließend eine Evolvente (9 bis 10) aufweist, wobei entsprechende Bereiche des Zahnprofils des Haupt- und des Nebeniäufers einander zugeordnet sind.

2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend an die Evolventen (1 bis 2, 4 bis 5, 6 bis 7, 9 bis 10) das Zahnprofil des Hauptläufers am Fuß und das des Nebeniäufers am Kopf jeweils abgerundet ist, wobei die Abrundung ein Kreisbogen ist, dessen Mittelpunkt (in) auf dem Teilkreis(14,15) des jeweiligen Rotors liegt.

3. Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Evolventenverzahnung eine Profilverschiebung aufweist.

4. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüberliegende Flanken des Zahnprofils eines Zahnes unterschiedliche Eingriffswinkel («,, <x₂) aufweisen.

5. Verfahren zur Herstellung der Verzahnung der Haupt- und Nebenläufer von Verdichtern nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 4, gekennzeichnet durch eine Anwendung des Abwälzverfahrens.