DE2631893A1

DE2631893A1 - Dichtung fuer drehkolbenmotore

Info

Publication number: DE2631893A1
Application number: DE19762631893
Authority: DE
Inventors: Noble Gene Barker
Original assignee: Caterpillar Tractor Co
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1975-10-23
Filing date: 1976-07-15
Publication date: 1977-05-05
Also published as: GB1502222A; US3988078A; JPS5252205A

Description

CATERPILLAR TRACTOR CO., Peoria, Illinois 61629, V.St.A.

Dichtungen für Drehkolbenmotore

Die Erfindung bezieht sich auf Mittel zur Abdichtung an der Schnittstelle von Scheiteldichtungen und Umfangsdichtungen bei Drehkolbenvorrichtungen. Am Rotor von Drehvorrichtungen angeordnete Umfangsdichtungen sowie die bei diesen Vorrichtungen verwendeten Scheiteldichtungen erzeugen im allgemeinen eine gute Abdichtung unabhängig von den daran auftretenden Druckdifferenzen. Im Falle von Kolbendichtungen, d.h. Dichtungen, die häufig als "Bolzen"- oder "Knopf"-Dichtungen bezeichnet werden, ergibt sich jedoch zu verschiedenen Stufen des zyklischen Betriebs einer solchen Vorrichtung kein Pfad für das unter Druck stehende Strömungsmittel, um zur Unterseite der Kolbendichtung geleitet zu werden, um so diese Dichtung gegen die Wand der Kammer vorzuspannen, gegenüber welcher eine Abdichtung hervorgerufen werden soll. Infolgedessen besteht die Möglichkeit des Vorhandenseins eines unerwünschten Leckpfades an jeder Kolbendichtung zu gewissen Punkten des Betriebs bei einer derartigen Vorrichtung.

709818/068 4

Die vorliegende Erfindung hat sich in erster Linie zum Ziel gesetzt, eine Drehkolbenvorrichtung vorzusehen, wie beispielsweise eine Drehkolbenvorrichtung mit Schrägachse oder eine Trochoid-Vorrichtung, wie sie beispielsweise als Pumpe, Motor/ Kompressor oder dgl. verwendet werden kann, und wobei die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden; insbesondere sieht die Erfindung Abdichtmittel für die Schnittstelle von Scheitel- und Umfangs-Dichtungen vor, welche eine gute Dichtung an diesen Schnittstellen über den gesamten Betriebszyklus einer solchen Vorrichtung hinweg vorsehen, und zwar unabhängig von Druckdifferenzen, um auf diese Weise den unerwünschten Leckpfad zu eliminieren, wie er bei bekannten Kolbend. ~htungen vorhanden ist.

Gemäß e in Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die erwähnten Ziele bei einer Drehkolbenvorrxchtung erreicht, welche ein Gehäuse aufweist, das eine Kammer mit einem Arbeitsraum bildet, und wobei im Gehäuse eine Welle drehbar gelagert ist, auf der wiederum ein Rotor mit einer Vielzahl von Scheiteln innerhalb der Kammer drehbar gelagert ist. Ferner trägt der Rotor Scheiteldichtungen in Nuten an jedem der Scheitel für eine Abdichtberührung mit einer Wand der Kammer. Mehrere Umfangsdichtungen werden vom Umfang des Rotors getragen und schneiden die Scheiteldichtungen an deren Seiten und stehen abdichtend mit einer weiteren Wand der Kammer in Berührung. Dabei ist erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen, daß die Schnittstelle von Scheiteldichtungen und Umfangsdichtungen durch erste Dichtungen abgedichtet ist, welche an mindestens einem Ende jeder der Scheiteldichtungen getragen sind, und die zwischen benachbarten Umfangsdichtungen angeordnet sind. Die Erfindung sieht ferner zweite Dichtungen vor, die von jeder der Scheiteldichtungen getragen werden, um abdichtend mit einem Teil der Nut in Berührung zu stehen, in der die Scheiteldichtung aufgenommen ist.

709818/0664

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung besitzt jede Scheiteldichtung eine erste Nut in einem Ende zur Aufnahme der ersten Dichtung, wobei sich die Nut im wesentlichen in Ausrichtung mit einer umfangsmäßig angeordneten Dichtuncrsaufnahmenut befindet. Ferner ist erfindungsgemäß eine zweite Nut in jeder Scheiteldichtung vorgesehen und öffnet sich in die entsprechende Scheiteidichtungs-Aufnahmenut und nimmt ebenfalls die zweite Dichtung auf. Die Erfindung sieht ferner Vorspannmittel vor, die zur Vorspannung der ersten und zweiten Dichtungen in Dichtberührung mit den Wänden dienen, die sie abdichtend umfassen sollen. Gemäß einem außerordentlich bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Drehkolbenvorrichtung eine Drehkolbenvorrichtung mit Schrägachse.

Die Erfindung sieht insbesondere vor, daß jede Scheiteldichtung mindestens zwei Dichtelemente aufweist, und zwar für die abdichtende Berührung einer Wand der Kammer. Erfindungsgemäß ist eines der Dichtelemente ein Keilglied, hergestellt aus einem relativ weichen Material, wohingegen das andere der Elemente aus einem relativ harten Material hergestellt ist. Es sind ferner Mittel vorgesehen, um die Dichtelemente jeder Scheiteldichtung vorzuspannen, was zur Folge hat, daß der Keil dazu dient, dem anderen Dichtelement der Scheiteldichtung eine Longitudinalvorspannung aufzuprägen, um das Element in Dichtberührung mit einer weiteren Wand der Kammer vorzuspannen.

Weitere Vorteile, Ziele, Einzelheiten sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt einer Drehkolbenvorrichtung, und zwar insbesondere einer Drehkolbenvorrichtung mit Schrägachse, die gemäß der Erfindung ausgebildet ist;

709818/0664

Fig. 2 eine vergrößerte abgewickelte Teilansicht eines Teils der Vorrichtung gemäß Fig.1;

Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt annähernd längs der Linie 3-3 in Fig. 2.

In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel für eine Drehkolbenvorrichtung eine solche mit Schrägachse dargestellt, und zwar insbesondere ein Viertaktmotor. Die Prinzipien der Erfindung können jedoch auch bei anderen Drehkolbenvorrichtungen, wie beispielsweise Trochoid-Vorrichtungen, Anwendung finden. Ferner ist die Anwendung der Erfindung nicht auf Motore beschränkt, sondern die Erfindung kann auch bei Pumpen, Kompressoren oder dgl. verwendet werden. Schließlich sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung auch bei Vorrichtungen benutzbar ist, die nicht nach dem Viertakt-Prinzip arbeiten.

Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Gehäuse 10 vorgesehen, welches eine Kammer 12 bildet, von der ein Teil als Arbeitsraum in bekannter Weise dient. Die Kammer 12 wird durch eine radial aussen gelegene sphärische Wand 14, eine radial innen gelegene sphärische Wand 16 und verbindende, entgegengesetzt angeordnete, im ganzen sich radial erstreckende Wände 18 definiert. Die Lager 20 im Gehäuse dienen zur Drehlagerung einer Welle 22. Die Welle 22 besitzt einen winkelmäßig versetzten Exzenterteil 24, der in der Kammer 12 angeordnet ist. Mittels eines Schubkragehs 26, der Schublager 28 sowie der Drehlager 30 wird die Nabe 32 eines Rotors 34 am winkelmäßig versetzten Teil 24 gelagert.

Der Rotor 34 besitzt einen Umfangsflansch 36. Der Rotor

P trägt ferner mehrere Dichtungen. Beispielsweise trägt die Nabe 32 an jedem Ende Öldichtungen 40 . Zudem ist an jedem Ende der Nabe 32 eine Kompressionsdichtung 42 vorgesehen.

709818/0664

Der Flansch 36 trägt ebenfalls Dichtungen. Speziell ist an jedem Scheitel des Rotors, wie beispielsweise am Scheitel 50 (Fig. 2) eine im ganzen sich radial erstreckende Scheiteldichtung 52 vorgesehen. Der radial aussen gelegene Umfang des Flansches 36 ist mit einer Umfangsdichtungs-Aufnahmenut 54 ausgestattet, um die Umfangsdichtungen 56 aufzunehmen.

Bei einer Drehkolbenvorrichtung mit Schrägachse stehen die Scheiteldichtungen 52 abdichtend mit der einen oder anderen der Seitenwände 18 in Berührung, während die Umfangsdichtungen 56 die Aussenkammerwand 14 berühren. Im Falle eines (nicht gezeigten) Trochoid-Motors würden die Scheiteldichtungen des Rotors mit der Aussenumfangswand in Berührung stehen, wohingegen die Umfangsdichtungen mit den Seitenwänden in Berührung stünden.

Aus den Fig. 2 und 3 erkennt man, daß jede Scheiteldichtung 52 von einer Nut oder Ausnehmung 60 in jedem Scheitel 50 am Rotorflansch 36 aufgenommen ist.

Die Nut 60 ist etwas breiter als die Breite der Dichtung 52, um die sogenannte "Gaserregung" der Dichtung 52 zu gestatten, was an sich bereits wohlbekannt ist.

Die Ausnehmungen oder Nuten 54 zur Aufnahme der Umfangsdichtungen schneiden die Nut 60,wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt, und nehmen Umfangsdichtungen 56 auf. Nicht gezeigte Vorspannmittel sind normalerweise zwischen dem Boden der Nuten 54 und den Abdichtungen 56 vorgesehen, um letztere in Berührung mit der Wand 14 zu drücken.

Wie man am besten in Fig. 3 erkennt, ist ein Ende 70 der Scheiteldichtung 52 mit einer Nut oder Ausnehmung 72 ausgestattet, welche sich nach aussen zur Wand 14 hin öffnet, d.h. also zu der Wand hin, die abdichtend mit den Umfangsdichtungen 56 in Berührung steht. Innerhalb der Nut 72 ist ein erstes Dichtelement 74 für die Berührung mit der Wand

709818/0664

vorgesehen. Eine Feder 76 wird zur Erzeugung einer gewünschten Vorspannung auf die erste Dichtung 74 verwendet.

Die Dichtung 74 besitzt erfindungsgemäß eine Breite, die etwas geringer ist als die Breite der Nut 72, um so die Gaserregung zu gestatten. Wie man in der Fig. 2 erkennt, sitzt die Dichtung 74 zwischen den Enden von benachbarten Umfangsdichtungen 56. Man erkennt ferner, daß Nut 72 und erste Dichtung 74 derart gemäß der Erfindung dimensioniert sind, daß sich die Dichtung 74 nach innen in die Scheiteldichtung 52 um einen Abstand hineinerstreckt, der etwas größer ist als die Tiefe der Umfangsdichtungs-Aufnahmenut 54.

Das Ende 7O der Scheiteldichtung 52 trägt eine zweite Dichtungsaufnahmenut oder Ausnehmung 8O, die sich zum Boden der Scheiteldichtungsaufnahmenut 60 hin öffnet. In der Nut 8O sitzt ein zweites Dichtungselement 82, wobei eine Feder 84 in der Nut 80 angeordnet ist und die Dichtung 82 in Dichtungsberührung mit dem Boden der Nut 6O drückt. Die Dichtung

82 besitzt aus Gründen der Gaserregung eine - vgl. Fig. 3 etwas kleinere Breite als die Breite der Nut 80. Wie man am besten in Fig. 2 erkennt, besitzt sie auch eine Querabmessung, die etwas kleiner ist als die Breite der Nut 6O, um so sicherzustellen, daß sich die Dichtung 82 frei darin bewegen kann.

Gemäß einem außerordentlich bevorzugten Äusführungsbeispiel der Erfindung besteht jede Scheiteldichtung 52 aus zwei oder mehr Elementen. Fig. 3 zeigt,, daß die Scheiteldichtung 52 einen Keil 9O umfaßt, der aus einem relativ weichen Material ausgebildet ist und zwischen zwei langgestreckten Dichtelementen 92 sitzt, die aus einem relativ harten Material ausgebildet sind. Erfindungsgemäß sind ferner Federn 94 innerhalb der Nut 60 angeordnet, um die Elemente 90 und 92 in Dichtberührung mit den Wänden 18 zu drücken. Wegen der Form des Keils 90 wird ein Teil der durch die Feder 94 auf den Keil 90 ausgeübten Vorspannkraft in eine longitudinale Vorspannkraft umgewandelt, die gegen die Elemente 9.2 gerichtet ist, und diese veranlaßt, eine Abdichtung gegenüber einer Gehäuseoberfläche an einem oder mehreren ihrer Enden 7O vorzu-

709818/0664

sehen.

Das Vorhandensein des Keils 9O gestattet die Herstellung jeder Scheiteldichtung 52 derart, daß eine relativ dichte Abdichtung an ihren Enden erreicht wird, wenn die Vorrichtung kalt ist. Wenn sich die Vorrichtung erwärmt und die Elemente 92 sich ausdehnen, so bewegen sie nockenwirkungsartig den Keil 9O nach unten, wenn sich die Punkte 96 einander nähern. Zwar ist ein sehr kleiner Leckpfad vorhanden, dieser ist aber hinreichend klein, um im Interesse der Erreichung einer thermischen Kompensation in der Dichtung selbst tolerierbar zu sein.

Der Keil 9O besteht aus einem relativ weichen Material verglichen mit dem für die Ausbildung der Elemente 92 verwendeten Material, um so den Abrieb an den Enden der Elemente und auch am Scheitel 98 in Berührung mit der Wand 18 zu kompensieren. Typischerweise entwickelt sich eine kleine Flachstelle nach einigem Gebrauch am Scheitel 98, wobei diese Entwicklung sicherstellt, daß eine gute Abdichtung vorgesehen wird, und zwar unabhängig vom Abrieb an den Enden der Elemente 92.

Eine ausgezeichnete Abdichtung am Schnitt von Umfangsdichtungen 56 und Scheiteldichtungen 52 wird erfindungsgemäß wie folgt erhalten. Wie in Fig. 2 dargestellt, gibt es drei abgedichtete Kammern A, B und C, die mit jedem Scheitel-Ümfangs-Dichtungsschnitt verbunden sind. Wenn der Druck in der abgedichteten Kammer A größer ist als in jeder der Kammern B oder C, tritt nur ein minimales !,eck. zur abgedichteten Kammer B auf, und zwar über einen kleinen Spalt D, der zwischen der Dichtung 74 und ihrer Nut 72 existiert.

Es tritt sehr wenig Leck von Kammer A zu Kammer C auf. Obwohl Gas von Kammer A unter die Scheiteldichtung 52 gelangt und diese nach oben aus ihrer Nut 60 heraus vorspannt, schließt es das Vorhandensein von Dichtungselement 82 in wirkungsvoller Weise aus, daß irgendwelches derartiges Gas in die Kammer C leckt.

709818/0S64

Λα

Wenn der Druck in Kammer B größer ist als der Druck in entweder Kammer A oder C, so wird ein Leck aus den oben erwähnten Gründen in wirkungsvoller Weise ausgeschlossen.

Wenn der Druck in Kammer C größer ist als der Druck in entweder der Kammer A oder der Kammer B_f so bewegt sich die Dichtung 82 in Fig. 3 nach rechts und bewirkt eine Abdichtung gegenüber der rechten Seite der Nut 80, um eine Abdichtung von Kammer C gegenüber entweder Kammer A oder Kammer B über die Nut 60 herzustellen. Nur ein minimaler Leckpfad in einem schmalen Spalt E wird vorhanden sein.

Es sei bemerkt/ daß das erfindungsgemäße Abdichtsystem die Gaserregung von Dichtungen stets vorsieht, wenn eine Druckdifferenz vorhanden ist, wodurch schädliche Leckpfade elimiert werden, die bei üblichen Kolbendichtungen oder "Bolzen" vorhanden sind.

709818/0664

Leerseite

Claims

Ansprüche

Iy .Drehvorrichtung mit einem Gehäuse, welches eine Kammer definiert, die einen Arbeitsraum umfaßt, und wobei im Gehäuse eine Welle drehbar gelagert ist, auf der ein Rotor mit einer Vielzahl von Scheiteln innerhalb der Kammer drehbar gelagert ist, und wobei der Rotor in Nuten an jedem seiner Scheitel Scheiteldichtungen für die Dichtungsberührung mit einer Wand der Kammer trägt, und wobei ferner am Umfang des Rotors eine Vielzahl von Umfangsdichtungen getragen ist, welche die Scheiteldichtungen an den Seiten schneiden und abdichtend mit einer weiteren Wand der Kammer in Berührung stehen, gekennz eichnet durch erste Dichtungen (74), die durch mindestens ein Ende (70) jeder der Scheiteldichtungen (52) getragen sind und zwischen den benachbarten Umfangsdichtungen (56) angeordnet sind und abdichtend mit der erwähnten weiteren Wand (14) in Berührung stehen, und wobei zweite Dichtungen (82) von jeder der Scheiteldichtungen (52) getragen werden, um abdichtend mit einem Teil der entsprechenden Nut (60) in Berührung zu stehen.
2. Drehvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Dichtungen (82) von dem erwähnten einen Ende (70) der entsprechenden Scheiteldichtung (52) getragen sind.
3. Drehvorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, gekennzeichnet durch Vorspannmittel (76, 84) zum Vorspannen der ersten und zweiten Dichtungen (74, 82) in Dichtungsberührung mit der erwähnten anderen Wand (14) bzw. dem Nutenteil (60).
4. Drehvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (22) einen winkelmäßig versetzten Teil (2*4) innerhalb der Kammer (12) aufweist, und daß der Rotor auf dem winkelmäßig versetzten Teil (24) drehbar gelagert ist, wobei die Vorrichtung eine Drehkolbenvorrichtung mit Schrägachse ist.

709818/0664 ORMHNAL INSPECT»
5. Drehkolbenvorrichtung mit einem eine Kammer einschließlich eines Arbeitsraums bildenden Gehäuse, in welchem eine Welle drehbar gelagert ist, auf der ein Rotor mit einer Vielzahl von genuteten Scheiteln innerhalb der Kammer drehbar gelagert ist, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Scheiteldichtungen (52), und zwar eine für jeden Scheitel (50), angeordnet in den erwähnten Nuten (60), wobei jede der Scheiteldichtungen (52) mindestens zwei Dichtelemente aufweist, um eine Wand (14) der Kammer (12) abdichtend zu berühren, und wobei eines der Dichtungselemente ein Keilglied (90) aus
einem relativ weichen Material und die anderen der Elemente (92) aus einem relativ harten Material ausgebildet sind, und wobei schließlich Mittel (94) vorgesehen sind, um die Dichtungselemente (90, 92) in Abdichtberührung mit der Wand (14) zu drücken, wodurch das Keilglied (90) dazu dient, dem anderen Dichtelement (92) eine Longitudinalvorspannung aufzuprägen, um dieses andere Dichtelement (92) in Dichtberührung mit der anderen Wand (14) der Kammer zu drücken, und wobei schließlich Umfangsdichtungen (56) am Rotor (34) auf einer Umfangsoberfläche desselben getragen werden und die Scheiteldichtungen (52) schneiden, und wobei ferner zusätzliche Dichtmittel am Schnitt von Scheiteldichtungen (52) und umfangsdichtungen (56) vorgesehen sind, und erste Dichtungen (74) getragen von mindestens einem Ende (70) der Scheiteldichtung (52) und angeordnet zwischen benachbarten umfangsdichtungen (56) und die andere Wand abdichtend berührend
sowie zweite Dichtungen (82) getragen von jeder der Scheiteldichtungen (52) vorgesehen sind, um abdichtend mit einem Teil der entsprechenden Nut (60) in Berührung zu stehen.

709818/0664
6. Drehkolbenvorrichtung mit einem eine Kammer (12) und einen Arbeitsraum definierenden Gehäuse, in welchem eine Welle drehbar gelagert ist, die ihrerseits einen Rotor in der Kammer drehbar lagert, wobei der Rotor eine Vielzahl von Scheiteln an einer Oberfläche aufweist, und wobei schließlich in der einen Oberfläche des Rotors eine Vielzahl von Scheiteldichtungsaufnahmenuten vorgesehen ist, und wobei ferner mindestens eine Umfangsdichtungs-Aufnahmenut (54) in einer anderen Oberfläche des Rotors (34) vorgesehen ist und die Scheiteldichtungs-Aufnahmenuten (60) schneidet, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von langgestreckten Scheiteldichtungen (54), von denen eine in jeder der Scheiteldichtungs-Aufnahmenuten (60) sitzt, und wobei jede Scheiteldichtung (54) eine erste Nut (72) in einem Ende derselben aufweist, und zwar im wesentlichen ausgerichtet mit der Umfangsdichtungs-Aufnahmenut (54), und wobei eine zweite Nut (80) sich in die entsprechende Scheiteldichtungs-Aufnahmenut (60) hinein öffnet, und wobei ferner Umfangsdichtungen (56) in der Umfangsdichtungs-Aufnahmenut (54) angeordnet sind und sich längs dieser im wesentlichen zu den ersten Nuten (60) erstrecken, und wobei ferner eine Vielzahl der ersten Dichtungen (7 4),eine in jeder der ersten Nuten (72), angeordnet ist, und wobei ferner

eine Vielzahl von zweiten Dichtungen (82), eine in jeder der zweiten Nuten (80), angeordnet ist, und wobei schließlich die ersten und zweiten Dichtungen (74, 82) die Schnittlinien der Scheitel- und Umfangsdichtungen (52, 56) im wesentlichen abdichten.

709818/0664