DE2635972A1 - Aussenachsige drehkolbenmaschine - Google Patents

Description

HUBERT FREIHERR VON WELSER «ooo münohen «o RECHTSANWALT DANZIGER STRA₈SE 1β

TELEFON OJ0/S 81SBBO ZUOELA8SEN AN DEN LANDGERICHTEN MÜNCHEN I UND II, O C O £ Q *7 O

am oberlandebqerioht münohen und am tu O J J / £

■AYKRISOHEN OBERSTEN LANDESOERIOHT O g AUQUSt 1976

Beschreibung der Erfindung

Außenachsige Drehkolbenmaschine

Anmelder:

Borsig GmbH
Berliner Str. 19-37
1000 Berlin 27

Wankel GmbH

Alt Picheisdorf 35a

1000 Berlin 20

Die Erfindung betrifft eine im Kämmeingriff arbeitende außenachsige 1: 1 übersetzte Drehkolbenmaschine/ deren Kolben je zwei Zähne aufweisen/ die kämmend in Aussparungen des Gegenläufers eingreifen.

Derartige Maschinen können als kraftaufnehmende Maschinen, z.B. als Gebläse oder Pumpen, verwendet oder als kraftaufgebende Maschinen^ z.B. für den Antrieb von Ladergebläsen

8098 0 7/0119

SANKKONTOl DKUTSCHE BANK AO MÜNCHEN 22/26843 (BLZ 7OO 7OO10) ■ POSTSCHECKKONTO! MÜNCHEN 1990βα·β03 ANOERKONTO! DEUTSOHE BANK AO MUNCHKN 88/28 88Ο (BLZ 7OO 7OO ΙΟ)

-Z-

betrieben werden und sind sowohl für flüssige wie gasförmige Medien geeignet.

Eine derartige Maschine wurde erstmalig im Jahr 1835 von Bellfort in der BR-PS 1 430 beschrieben (Zeitschrift The Engineer vom 28.4.1939, Seite 250). Ferner ist in DT-OS 2 232 609 eine derartige Maschine dargestellt. Die beiden in einem Gehäuse umlaufenden Kolben weisen aneinander abrollende zylindrische Grundkörper auf, an denen einander gegenüberliegende Zähne und im rechten Winkel zu deren Achse einander gegenüberliegende Aussparungen vorgesehen sind, in die die Zähne eingreifen. Die Synchronisierung der Umdrehung der Zähne erfolgt dabei durch ein außerhalb des Gehäuses angeordnetes 1:1 übersetztes Getriebe.

Die beiderseitige Kontur der Zähne bestimmt eine Zykloide, die durch das anlaufende Eck der Aussparung des Gegenläufers beschrieben wird. Die Laufbahn des Mantels des Gehäuses wird durch die Bahn der Ecken der Zähne bestimmt und weist zwischen seinen beiden Bögen einen Einlaß und einen Auslaß auf, deren Achse die Mittelsenkrechte auf der Verbindungslinie der Kolbenachsen ist. Die Spitzen der Zahnecken können in einer an der Gehäuselaufbahn anlaufenden Kurve beschnitten sein, um einen verlängerten Dichtspalt zu gewinnen, so daß sie ein vor- und ein nachlaufendes Zahneck

800807/0119

aufweisen. Besondere Dichtelemente sind bei diesen Maschinen nicht beschrieben worden. Die Abdichtung erfolgt lediglich durch Spalte zwischen dem Kolben und zwischen diesem und dem Gehäuse.

Im allgemeinen weisen derartige Maschinen den Nachteil auf, das beim Ineinandergreifen von Zahn- und Aussparung des Gegenkolbens unerwünschte Druck- und Strömungsverhältnisse eintreten, die größere Drehgeschwindigkeiten praktisch ausschließen, obwohl die völlig ausgewuchteten Kolben an sich Drehgeschwindigkeiten, jedenfalls bei gasförmigen Medien, zuließen, wie sie bei Turbinen gleicher Größe möglich sind.

Wird die Kontur der Aussparungen der Kolben, in die die Zähne kämmen, durch die Laufbahn der Ecken dieser Zähne bestimmt, so bilden sich beiderseits der Zähne Räume, die von den Ecken der Aussparung und denen der Zähne begrenzt werden. In diesen Räumen entsteht ein durch das Eintauchen des Kolbens in die Aussparung sich aufbauender Druck, der sich mit Weiterdrehen des Zahnes in dem vor dem Zahn liegenden Raum je nach Drehgeschwindigkeit in einer, insbesondere bei Flüssigkeiten unverträglichen Weise erhöht.

Zur Vermeidung dieses Effektes wurden im Grund der Aussparung kanalförmige Ausfräsungen vorgeschlagen, die die Räume vor und hinter den Zähnen miteinander verbinden und einen Druckausgleich herstellen sollen. Auch können die Aussparungen zum gleichen Zweck über

809307/0119

-Jt-

die von der Laufbahn der Zahnecken bestimmte Kontur vertieft werden.

Um jedoch eine Undichtigkeit zwischen beiden Kolben zu vermeiden, kann auf die Spaltdichtung zwischen den Zahnflanken und den Ecken der Ausnehmungen des jeweiligen Gegenkolbens nicht verzichtet werden, so daß durch die genannten Maßnahmen nur eine Verschiebung des eingeschlossenen, unter Druck stehenden Mediums mit entsprechend schädlichen um die Kolbenecken fließenden Quetschströmungen erreicht wird. Durch die vorgenannte Drucksteigerung, aber auch durch die Quetschstromungen treten erhebliche Verluste an Antriebs- bzw. Abtriebsleistung ein und der Drehzahl der Maschine wird je nach Dichte und Viskosität des durchströmenden Mediums trotz der völlig berührungsfrei laufenden und voll ausgewuchteten Kolben eine feste Grenze gesetzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil wenigstens zu vermindern und die Strömungsverhältnisse beim Eingriff von Zahn und Aussparung zu verbessern.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Ausbildung der Zähne gelöst, bei der die gesamte in Drehrichtung nachlaufende Flanke jeden Zahnes gegenüber der von der nachlaufenden Ecke der zugehörigen Ausnehmung des Gegenkolbens beschriebenen Zykloide zurückgesetzt ist und daß die Ausnehmung gegenüber der Laufbahn der Zahnecke vertieft ist. Es ist vorteilhaft,

809807/0119

die Kontur der nachlaufenden Flanke des Zahnes so auszubilden, daß sie etwa parallel zu der von dem nachlaufenden Eck der zugehörigen Ausnehmung beschriebenen Zykloide, jedoch von dem von dieser Zykloide . bestimmten Zahneck bis zu dem Ansatzpunkt der .Zykloide am Grundkörper des Kolbens verläuft.

Die Abdichtung zwischen dem Kolben erfolgt dann nurmehr durch den zwischen der vorauslaufenden Flanke des Zahnes und dem vorauslaufenden Eck der Ausnehmung gebildeten Spalte. Das zwischen Zahn und Aussparung eingeschlossene Medium jwird nach der Abströmseite" der Maschine zwischen der nachlaufenden Flanke des Zahnes und dem nachlaufenden Eck der Aussparung gefördert.

Es hat sich in überraschender Weise gezeigt, daß sich der Verlust an Antriebs- bzw. Abtriebsleistung bei dieser Ausbildung der Kolben erheblich verbessert und daß bei gleicher Leistung gegenüber bekannten Zahn- und Aussparungsausbildungen mit wesentlich höheren Drehgeschwindigkeiten des Kolbens, also mit erheblich höherem Durchsatz des Mediums gefahren werden kann. Derartige Maschinen können z.B. vorteilhaft paarweise mit auf gleichen Wellen laufenden Kolben als Abgaslader verwendet werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden näher beschrieben und ist in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen

809807/0119

Fig. 1 einen Radialschnitt einer als Abgaslader arbeitenden erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine.

Fig. 2 ein Ausschnitt aus Fig. 1.

Fig. 3 ein das Verhältnis von Antriebsleistung und Drehzahl der erfindungsgemäßen Maschine im Verhältnis zu einer gleichgroßen und gleichartigen bekannten Maschine darstellendes Diagramm.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Maschine weist ein Gehäuse 1 auf, das aus einem Mantel 2 und Seitenwänden 3 besteht, von denen nur eine dargestellt ist. Im Mantel 2 sind Kühlräume 4 für eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen. Der Mantel 2 weist einen Einlaß 5 auf, der den zuströmseitigen Innenraum der Maschine mit einer Zuleitung für die Ladeluft verbindet, sowie einen Auslaß 6,der vom abströmseitigen Innenraum zum Einlaß eines Verbrennungsmotors führt. Die je zwei Zähne 7,8,9,10 und je zwei Ausnehmungen 11,12,13,14 aufweisenden Kolben 15 und 16 sind mit Wellen 17,18 fest verbunden, auf denen die sie antreibenden von den Abgasen des genannten Motores beaufschlagten Kolben einer nicht darstellenden kraftabgebenden Maschine gleicher Bauart und entsprechender Ausmaße fest angeordnet sind. Die Drehrichtung der Kolben zeigen die Pfeile 19 und 20.

809807/0119

- r-

Die in Drehrichtung rückwärtigen Flanken der Zähne . 7,8,9,10 weisen Abfräsungen 21,22,23,24 auf, die diese Flanken gegenüber der Zykloidenform, die die vorauslaufenden Flanken zeigen, nach innen zu zurückversetzen . Die Ausnehmungen 11,12,13,14 sind gegenüber der Laufbahn der Kolbenecken vertieft. Die Zähne 7,8,9,10 sind an ihren Spitzen verbreitert, um Anlaufflächen zu bilden, die parallel zur Krümmung des Gehäusemantels sind, um längere Dichtspalte zu erzielen. Dadurch bildet jede Zahnspitze zwei Ecken. Die Kolben laufen allseitig berührungsfrei und die Dichtung erfolgt lediglich durch die Bildung enger Spalte zwischen den Zähnen und dem Gehäuse einerseits und zwischen den aneinander abrollenden runden Grundkörpern 25,26 der Kolben 15 und 16 und zwischen den in Drehrichtung vorauslaufenden Ecken 27,28,29,30 der Ausnehmungen 11,12,13,14 und den in Drehrichtung vorauslaufenden äykloidenförmigen Zahnflanken 31,32, 33,34 andererseits. Die Konturen dieser Zahnflanken 31,32,33,34 sind durch die Bewegung der vorauslaufenden Ecken 27,28,29,30 der Aussparungen bestimmt, so daß diese Ecken während des gesamten Durchgangs der Flanken 31,32,33,34 mit diesen in Eingriff bleiben.

Fig.2 zeigt im Ausschnitt aus Fig. 1 den Eingriff des Zahnes 8 des Kolbens 15 in die Ausnehmung 13 des Kolbens 16. Die gestrichelte Linie 35 stellt die Laufbahn der Kolbenecken dar, die entstehende Fläche zwischen der Linie 35 und der Ausnehmung 13 die Vertiefung 36 dieser Ausnehmung gegenüber der Laufbahn

809807/0119

der Ecken dar. Diese Vertiefung ergibt einen Raum für den Druckausgleich zwischen den Räumen vor und hinter dem Zahn 8. Die gestrichelte Linie 37, die der Zykloidenkurve der vorauslaufenden Zahnflanke 32 entspricht, begrenzt den Umfang der Abfräsung 38, um die die Zahnflanke 22 zurückgenommen ist.

Die in der Ausnehmung 13 eingeschlossene Luft kann zwischen der in Drehrichtung rückwärtigen Zahnflanke 22 und dem nachlaufenden Eck 37 der Ausnehmung 13, das mit dieser Flanke 22 nicht in Eingriff kommen kann, in den Raum der Abströmseite der Maschine ohne nennenswerte Strömungsverluste entweichen, während die vorauslaufende Ecke 29 der Ausnehmung 13 im ständigen Eingriff mit der vorauslaufenden zykloidenförmigen Zahnflanke 32 die Abdichtung zwischen den Kolben während des Durchganges des Zahnes 8 durch die Ausnehmung 13 bildet. Nach diesem Durchgang wird die Abdichtung von den aneinander abrollenden Grundkörpern 25 und 26 übernommen, so daß die Kolben untereinander stets abgedichtet bleiben.

Das Diagramm in Fig. 3, dessen senkrechter Parameter die von der Abgasmaschine gelieferte Antriebsleistung und dessen waagrechter Parameter die Drehzahl der Kolben angibt, zeigt die Kurve A, die bei einer erfindungsgemäßen Maschine gemessenen Werte. Die Kurve B gibt diejenigen Vergleichswerte wieder, die sich bei

80S807/0119

der gleichen Maschine ergaben, die mit Kolben arbeitete, bei denen die in Drehrichtung rückwärtigen Zahnflanken nicht abgedreht waren, also gleiche Konturen aufwiesen, wie die vorauslaufenden Zahnflanken, d.h., eine Form, wie sie die strichpunktierte Linie 37 in Fig. 2 wiedergibt. Das überraschende Ergebnis zeigt, daß zum Erreichen einer Drehzahl der Kolben von 9000 Umdrehungen in der Minute, bei denen noch ein befriedigender Füllungsgrad erzielt werden kann, für die erfindungsgemäße Maschine etwa nurmehr die Hälfte derjenigen Antriebsleistung erforderlich war, wie sie für die gleiche Maschine aufgewendet werden mußte, die mit Kolben bekannter Bauart ausgerüstet war, also mit Kolben mit symmetrischen Zähnen mit beiderseitig zykloidenförmigen Konturen. Es zeigte sich demnach, daß bei einer derartigen, mit herkömmlichen Kolben ausgestatteten Maschine Schwierigkeiten bestehen, die genannte Drehzahl mit einer Antriebsleistung zu erreichen, wie sie von einer Abgasmaschine geliefert werden kann.

Patentansprüche

80Ö807/0119

Bezugszeichenverzeichnis

1 Gehäuse

2 Mantel

3 Seitenwände

4 Kühlräume

5 Einlaß

6 Auslaß 7 I Zähne 10

12 Ausnehmungen

|g Kolben

17 Wellen 18

19 Pfeile 20

22 Abfräsungen

25 Grundkörper 26

28 vorauslaufende Ecken der Ausnehmungen

22 vorauslaufende Zahnflanken

34 ■'.■-.*-.

35 Laufbahn der Kolbenecken

36 Vertiefung der Ausnehmungen

37 Zykloidenkurve der rückwärtigen Zahnflanke

38 Abfräsungen

'809807/Q119

Claims (1)

Patentansprüche

1. j Im Kämmeingriff arbeitende außenachsige 1:1 übersetzte Drehkolbenmaschine, deren Kolben je zwei Zähne aufweisen, die kämmend in Aussparungen des Gegenläufers eingreifen,

dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte in Drehrichtung nachlaufende Fläche (37) jeden Zahnes (7,8,9,10) gegenüber der von der nachlaufenden Ecke der zugehörigen Ausnehmung (11,12,13,14) des Gegenkolbens (15,16) beschriebenen Zykloide zurückgesetzt und daß die Ausnehmung (11,12,13,14) gegenüber der Laufbahn (35) der Ecken der Zähne (7,8,9/10) vertieft ist.

2« Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur (21/22,23,24) der nachlaufenden Flanke jeden Zahnes (7,8,9,10) etwa parallel zu der von dem nachlaufenden Eck der zugehörigen Ausnehmung (11,12,13,14) beschriebenen Zykloide/ jedoch von dem von dieser Zykloide bestimmten Eck eines Zahnes (7,8,9,10) bis zu dem Ansatzpunkt der Zykloide am Grundkörper (25,26) des Kolbens (15,16) verläuft.

809807/0119

ORIGINAL