DE3346546A1

DE3346546A1 - Spiralmaschine, spiralteil fuer eine spiralmaschine und verfahren zu dessen bearbeitung

Info

Publication number: DE3346546A1
Application number: DE19833346546
Authority: DE
Inventors: Russell William Troy Ohio Griffith; Gerald Walter Sidney Ohio Lilienthal; Earl Burnell Sidney Ohio Muir
Original assignee: Copeland Corp LLC
Current assignee: Copeland Corp LLC
Priority date: 1982-12-23
Filing date: 1983-12-22
Publication date: 1984-06-28
Also published as: SG28887G; JPS59131702A; FR2538464B1; FR2538464A1; GB2132276A; GB2132276B; ES534352A0; ES8501850A1; BR8307083A; GB8333892D0; ES528316A0; KR840007146A; ES8505791A1; JPH0581721B2

Description

BESCHREIBUNG:

Die Erfindung betrifft eine Spiralmaschine, ein Verfahren zur Bearbeitung der Flanken von Spiralwindungen an der Spiralmaschine sowie Spiralteile für die Spiralmaschine.

man

Unter "Spiral"-Maschinen versteht eine Klasse von Maschinen, welche der Verdrängung verschiedener Strömungsmittelarten dienen. Derartige Vorrichtungen können als Expander als Verdrängungsmotor, als Pumpe, als Kompressor usw. ausgelegt werden. Viele Merkmale der vorliegenden Erfindung sind auf alle diese Maschinenarten anwendbar. Die nachfolgend zu Erläuterungszwecken beschriebenen Ausführungs-' beispiele betreffen einen Kompressor für gasförmige StrÖ-mungsmittel.

Allgemein gesprochen umfaßt eine "Spiralmaschine" zwei Spiralwindungen ähnlicher Konfiguration, die jeweils auf einer getrennten Endplatte montiert sind und so ein Spiralteil bilden. Die Spiralteile sind so ineinandergepaßt, daß die eine Spiralwindung eine Drehverschiebung von 180 gegenüber der anderen besitzt. Die Maschine arbeitet, wenn ein Spiralteil (das "kreisende" Spiralteil) gegenüber dem anderen Spiralteil (dem "festen" Spiralteil) sich bewegt und dabei eine linienhafte Berührung zwischen den Flanken der entsprechenden Windungen stattfindet. Hierdurch werden sich bewegende, isolierte, halbmondförmige Strömungsmitteltaschen gebildet. Die Spiralen werden allgemein als Kreisevolventen ausgebildet. Im Idealfalle gibt es keine Relativverdrehung zwischen den Spiralteilen im Betrieb, d.h.,bei der Bewegung handelt es sich um eintrein kurvilineare Translation (d.h., keine Linie im Körper dreht sich). Die Strömungsmitteltaschen führen das Strömungsmittel aus einer ersten Zone in der Spiralmaschine, wo sich ein Strömungsmitteleinlaß befindet, zu einer zweite Zone in der Maschine, wo sich ein Strömungsmittelauslaß

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befindet. Das Volumen der abgedichteten Tasche verändert sich, während sich diese von der ersten zu der zweiten Zone bewegt. Zu jedem Zeitpunkt gibt es mindestens zwei abgedichtete Taschen. Wenn es mehrere Paare abgedichteter Taschen zu einem bestimmten Zeitpunkt gibt, hat jedes Paar unterschiedliches Volumen. In einem Kompressor befindet sich die zweite Zone auf höherem Druck als die erste Zone und ist pyhsikalisch in der Mitte der Vorrichtung angebracht; die erste Zone befindet sich dann am Außenumfang der Maschine.

Zwei Beruhrungsarten bilden die Strömungsmitteltaschen, die zwischen den Spiralteilen entstehen: axial verlaufende, tangentiale Linienberührungen zwischen den Spiralflächen der Windungen, die durch Radialkräfte hervorgerufen werden ("Flankenabdichtung"), und Flächenberührungen, die durch Axialkräfte zwischen den ebenen Randflächen (den "Spitzen") jeder Windung und der gegenüberliegenden Endplatte erzeugt werden ("Spitzendichtung"). Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades muß bei beiden Berührungsarten eine gute Abdichtung erzielt werden. Die vorliegende Erfindung befaßt sich jedoch hauptsächlich mit der Flankenabdichtung. Bei einem herkömmlichen Spiralkompressor (d.h. einem, bei welchem die Flanken Kreisevolventen sind) darf zur Erzielung einer guten Flankenabdichtung keine Relativverdrehung zwischen den Spiralteilen stattfinden.

Allgemein sind Spiralmaschinen im US-Patent 801,182 beschrieben. Repräsentative, nachfolgende Patente, welche Spiralkompressoren und -pumpen beschreiben, sind die US-Patente 1,376,291, 2,475,247, 2,494,100, 2,809,779, 2,841,089, 3,560,119, 3,600,114, 3,802,809, 3,817,644, 3,884,599, 4,141,677, 4,300,875, 4,304,535 und 4,357,132.

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Das Konzept der Spiralmaschine ist nun schon einige Zeit bekannt und weist bestimmte Vorteile auf. Beispielsweise haben Spiralmaschinen einen hohen isentropischen und volumetrischen Wirkungsgrad, sind demzufolge verhältnis-P-mäßig klein und leicht bei einer bestimmten Kapazität.

Sie sind leiser und vibrationsfreier als viele Kompressoren, da sie keine großen hin- und hergehenden Teile (beispielsweise Kolben, Verbindungsstangen usw.) verwenden. Da die gesamte Strömungsmittelströmung in einer Richtung

,Q erfolgt, wobei eine gleichzeitige Kompression in mehreren gegenüberliegenden Taschen stattfindet, gibt es weniger druckerzeugte Vibrationen. Diese Maschinen haben außerdem eine hohe Verläßlichkeit und eine hohe Lebensdauer aufgrund der verhältnismäßig geringen Anzahl beweg-1icher Teile, der verhältnismäßig niedrigen Bewegungsgeschwindigkeit zwischen den Spiralteilen und aufgrund einer inherenten Unempfindlichkeit gegenüber Strömungsmittelverunreinigungen. Trotzdem liegt der Grund dafür, warum Spiralmaschinen bisher nicht weiter verbreitet sind, vermutlich darin, daß diese Maschinen schwer herzustellen sind und daß sich inherente Abdicht- und Verschleißprobleme ergeben.

Besonders schwierig beim Bau von Spiralmaschinen ist die Frage, wie eine relative Winkelverdrehung zwischen den Spiralteilen, wenn das eine gegenüber dem anderen eine Umlaufbahn durchläuft, verhindert werden kann. Diese Frage wird verhältnismäßig häufig durch die Verwendung einer Oldham-Kupplung gelöst, die zwischen dem kreisenden Spiralteil und einem festen Bereich der Maschine angeordnet ist. Eine Oldham-Kupplung umfaßt einen Oldham-Ring und zwei Sätze von Keilteilen auf Gleitblocks. An einer Seite des Oldham-Ringes sind Nuten ausgebildet, die unter rechtem Winkel zu ähnlichen Nuten an der anderen Seite stehen. Ein Satz von Keilteilen ist mit einer Fläche am kreisenden Spiralteil verbunden und befindet sich in den Nuten

γ an einer Seite des Oldham-Ringes, während der andere Satz von Keilteilen entweder am feststehenden Spiralteil oder am Maschinengehäuse befestigt ist und sich in den Nuten an der anderen Seite des Oldham-Ringes befindet. Der Old-

r- harn-Ring bewegt sich parallel zu den Nuten hin- und her,

welche den Satz von Keilteilen enthalten, die am feststehenden Spiralteil bzw. Gehäuse befestigt sind. Auf diese Weise wirktdie Oldham-Kupplung als Einrichtung, welche die Winkelverdrehung des umlaufenden Spiralteiles in gegenüber dem festen Spiralteil steuert (d.h., verhindert), ein Konzept, welches für die richtige Funktion einer herkömmlichen Spiralmaschine für wesentlich gehalten wird. Die US-Patentschrift 4,121,438 zeigt eine derartige Maschine.

Spiralmaschinen, welche von der Oldham-Kupplung Gebrauch machen, weisen jedoch beim Zusammenbau, im Betrieb und bei der Wartung Nachteile auf. Diese beruhen im wesentlichen auf der großen Zahl von Teilen, welche die Kupp-

2Q lung bilden. Diese große Teilezahl erhöht axe Material-, Hersteil- und Zusammenbaukosten. Die Gleitblocks bzw. die Keilteile bei der Oldham-Kupplung gleiten außerdem alle in den Nuten am Oldham-Ring, wodurch sich Schmier- und Verschleißprobleme ergeben. Der hin- und hergehende Ring kann außerdem naturgemäß nicht ausbalanciert werden.

Es gibt noch andere Einichtungen, mit denen eine Relativverdrehung zwischen den Spiralteilen verhindert werden kann. Dazu gehören Mehrfachantriebe, welche die beiden Spiralteile um verschiedene Mittelpunkte antreiben und ähnliche Konzepte. Aufgrund ihrer Komplexität zeigen jedoch auch diese Einrichtungen viele unerwünschte Merkmale der Oldham-Kupplung.

γ Mit der vorliegenden Erfindung wird das Problem aus einer anderen Richtung angegriffen. Das Grundkonzept der Erfindung besteht in der Verwendung einer einfachen die Drehung des kreisenden Spiralteiles steuernden Einrichtung/ welche eine Relativverdrehung nicht eliminiert sondern diese auf einen verhältnismäßig kleinen Wert einstellt, in Kombination mit einer leichten Modifikation der Kontur der Spiralwindungen, wodurch die begrenzte Relativverdrehung zwischen den Spiralteilen kompensiert wird, damit zwischen den Win-

-^q düngen der dichtende Flankenkontakt aufrecht erhalten wird. Drei verschiedene Versionen der die Drehung steuernden Einrichtung werden beschrieben, von denen eine eine einfache Verbindung ist, welche zwischen dem kreisenden Spiralteil und einem festen Abschnitt des Kompressors

•j^g liegt. Zwei Ausführungsbeispiele sind "Vier-Stangen-Verbindungen" und zwei zusätzliche Ausführungsbeispiele betreffen Kurbel- und Gleitanordnungen.Alle Versionen koppeln das umlaufende und das feste Spiralteil in einer bestimmten Winkelbeziehung in allen Positionen, wenn das kreisende Spiralteil gegenüber dem festen Spiralteil umläuft.

Die die Drehung des umlaufenden Spiralteils steuernde Verbindung gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Nachteile der bekannten Einrichtungen, welche diese Funktion ausüben, nicht auf. Da sie weniger Teile aufweist, ist sie preiswerter herzustellen und sehr viel leichter zusammenzubauen. Auch die Schmierprobleme werden auf ein minimum reduziert, da es weniger Verbindungen gibt und bei einem Ausführungsbeispiel ausschließlich Schwenkverbindungen statt Gleitverbindungen sind. Das die Drehung verhindernde Teil enthält außerdem keinen hin- und hergehenden Ring.

, Damit die geringfügige Verdrehung des kreisenden Spiralteiles möglich ist, verwendet die vorliegende Erfindung zwei besondere Verfahren zur Modifikation der Spiralwindungs-Kontüren. Beide Verfahren sind sehr leicht durch zuführen und ergeben eine hoch wirksame Flankenabdichtung (ein Verfahren führt zu einer theoretisch perfekten Flankenabdichtung) , wenn sie zusammen mit der oben erwähnten Verbindung eingesetzt werden. Außerdem wird ein neues Verfahren zur Bearbeitung der Windungen beschrieben.

Der erfindungsgemäße Kompressor enthält außerdem eine verbesserte Antriebseinrichtung, welche das bewegliche Spiralteil auf seiner Umlaufbahn bewegt, kompakt ist und außerdem einfach herzustellen und zusammenzubauen ist. Diese Antriebseinrichtung, von der zwei Ausführungsbeispiele be-

schrieben werden, ergibt die notwendige Berührung zwischen den Spiralwindungen, welche zu einer wirksamen Windungsabdichtung führt, während sie gleichzeitig eine automatische Entlastungsfunktion ausüben, wenn eine Verstopfung oder

2Q dergleichen erfolgt. Wenn ein nicht kompressibles Strömungsmittel in den Kompressor eingesaugt wird, verringert sich automatisch der Umlaufradius des kreisenden Spiralteiles, so daß dieses Strömungsmittel zwischen den Spiralwindungen in eine Zone geringeren Drucks entweichen kann

2g (d.h., die Spiralen "reiten" einfach über etwa vorhandener Flüssigkeit). Diese Funktion wird ohne zusätzliche Teile, beispielsweise Ventile oder dergleichen, erzielt und arbeitet sehr sanft. Die Antriebseinrichtung ist innerhalb des oberen Kurbelwellenlagers untergebracht und reduziert auf

QQ diese Weise die axiale Abmessung der Maschine und verringert die Schwingungen.

Schließlich umfaßt der erfindungsgemäße Kompressor ein verbessertes Schublager, mit dem die axiale Last des kreisengpj den Spiralteiles aufgenommen wird. Das Schublager nützt die

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inherente Drehbewegung des umlaufenden Spiralteiles aus und erzeugt hierdurch einen Quetschfilm, welcher die Öl-Tragefläche für das Lager bildet. Das resultierende Lager zeigt wesentlich weniger Reibung als herkömmliche Nadellager und

,- ist erheblich weniger verschleißanfällig als herkömmliche Kugellager. Kugel-Schublager, insbesondere solche mit verhältnismäßig kleinen Kugeln, haben so hohe Punktlasten, daß sie zu starkem Verschleiß neigen. Das erfindungsgemäße Lager ist außerdem verhältnismäßig preiswert, sehr einfach ^g in der Bauweise und leicht herzustellen und zusammenzubauen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

■i c iig. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen erf indungs- !

gemäßen Kältemittelkompressor;

Fig. 2 die Ansicht eines Teiles der Oberseite des in Fig.1 gezeigten Kompressors;

Fig. 3 einen Schnitt gemäß Linie 3-3 in Fig. 1; Fig. 4 einen Schnitt gemäß Linie 4-4 in Fig. 1; Fig. 5 einen Schnitt gemäß Linie 5-5 in Fig. 4; Fig. 6 einen Schnitt gemäß Linie 6-6 in Fig. 1; Fig. 7 einen Teilschnitt gemäß Linie 7-7 in Fig. 6; Fig. 8 eine übertriebene, vergrößerte Darstellung der kreisenden Antriebsvorrichtung von Fig. 6 in ihrer normalen Antriebsposition;

Fig. 9 eine Ansicht ähnlich der Fig. 8, in der jedoch die Antriebsvorrichtung in ihrer entlasteten Position dargestellt ist;

Fig. 10 einen Schnitt gemäß Linie 10-10 in Fig. 1; Fig. 11 einen Schnitt gemäß Linie 11-11 in Fig. 1;

Fig. 12 die Unteransicht des feststehenden oberen Spiralteils; s

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Fig. 13 die Draufsicht auf das untere, kreisende Spiralteil ;

Fig. 14 eine Ansicht ähnlich der Fig. 4, in welcher ein zweites Ausführungsbeispiel der die Drehung kon

trollierenden erfindungsgemäßen Einrichtung dargestellt ist;

Fig. 15 einen horizontalen Teilschnitt, welcher ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsge-

mäßen, die Drehung kontrollierenden Einrichtung zeigt;

Fig. 16 eine Ansicht ähnlich der Fig. 15, in der ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsge-

mäßen, die Drehung kontrollierenden Einrichtung darstellt;

Fig. 17 einen horizontalen Teilschnitt, in dem ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungs

gemäßen Antriebsvorrichtung in ihrem normalen Antriebszustand dargestellt ist;

Fig. 18 eine Ansicht ähnlich der Fig. 15, in der jedoch die Antriebsvorrichtung in ihrem entlasteten Zu

stand dargestellt ist;

Fig. 19 eine schematische Darstellung von einem Ausführungsbeispiel zweier zusammenarbeitender Spiralwindungen nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2OA,2OB, 21, 22 und 23 Diagramme der erfindungsgemäßen Geometrie, welche die verwendete Nomenklatur zeigen;
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Fig. 24 die schematische Ansicht einer Vorrichtung,mit

welcher die erfindungsgemäße Bearbeitungsmethode durchgeführt werden kann. -28-

In Fig. 1 ist exemplarisch ein Kältemittelkompressor in hermetisch abgeschlossener Bauweise dargestellt. Der Kompressor befindet sich innerhalb einer hermetisch geschlossenen Umhüllung, die aus einer oberen Schale 10 und einer unteren Schale 12 besteht. Die Schalen sind in üblicher Weise bei 14 verschweißt. Am Boden der unteren Schale 12 sind mehrere Füße 16 befestigt, von denen einer gezeigt ist. Die Anordnung umfaßt einen Motor 18, der in Antriebsverbindung mit einer Kurbelwelle 20 steht. Diese wiederum treibt einen Kompressor 22 vom Spiraltyp an, der mit ihrem oberen Ende verbunden ist. Eine Ölpumpe 24 wird vom unteren Ende der Kurbelwelle 20 angetrieben und schmiert die Maschine, In der unteren Schale 12 befindet sich ein Schmiermittelsumpf, dessen oberes Niveau mit 26 bezeichnet ist.

Die Motor-Kompressor-Anordnung umfaßt ein unteres Lagergehäuse 28, in dem sich ein Lager 30 befindet. In diesem ist das untere Ende der Kurbelwelle 20 drehbar gehalten und gelagert. Ein oberes Lagergehäuse 32, in dem sich eine Bohrung 33 mit im Abstand befindlichen Lagerhülsen 34 und 36 befindet,trägt verdrehbar und lagert das obere Ende der Kurbelwelle 20. Die Lagergehäuse sind mittels mehrerer Gewindebolzen 38 aneinander befestigt, welche den Stator 40 des Motors 18 dazwischen einklemmen. An der Kurbelwelle 20 befestigt und innerhalb der Mittelbohrung des Stators angeordnet ist ein Rotor 42. Der Motor entspricht in jeglicher Hinsicht herkömmlicher Bauweise und Funktion. Die Motor-Kompressor-Anordnung ist innerhalb der unteren Schale 12 mittels mehrerer Montagebolzen 44 (einmal gezeigt) montiert, welche in das untere Lagergehäuse 28 eingeschraubt und an der Unterseite der unteren Schale 12, wie am besten bei 46 zu erkennen, angeschraubt sind. Ein Auslecken aus der Schale wird mittels eines O-Ringes 48 verhindert, weleher dicht am Außenumfang von jedem Montagebolzen 44 angreift.

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Der Kompressor selbst umfaßt ein oberes, festes Spiralteil 50 und ein unteres, kreisendes Spiralteil 52 mit einer flachen unteren Fläche 53 und einer nach unten verlaufenden Antriebsnabe 54. Diese befindet sich innerhalb c einer exzentrisch angeordneten Bohrung 56 im oberen Ende der Kurbelwelle 20. Das Ende der Nabe 54 hat einen Rücksprung 55. Ein oberes Gegengewicht 57 ist in der Nähe der Bohrung 56 an der Kurbelwelle 20 vorgesehen und trägt dazu bei, die Exzentrizität des Antriebs auszubalancieren. Die

-^q Kurbelwelle besitzt außerdem ein unteres Gegengewicht 59, welches in der Nähe ihres unteren Endes befestigt ist und das Balancesystem in bekannter Weise vervollständigt. Das feststehende Spiralteil 50 ist in genau bestimmter Entfernung über der planaren oberen Fläche 58 des oberen Lager-

■^5 gehäuses 32 mittels eines Abstandsringes 60 angeordnet und mit mehreren Bolzen 62 an das.Gehäuse 32 geschraubt. Die Bolzen 62 dienen außerdem dazu, den Abstandsring 60 einzuklemmen. Das obere Ende von jedem Bolzen 62 ragt in ein Nylon-Abstandsstück 64, welches sich innerhalb eines schalenartigen Elementes 66 befindet. Letzteres ist an einem Montagering 68 befestigt, der an der Oberseite der oberen Schale 10 angeschweißt ist. Auf diese Weise ist die Oberseite der Motor-Kompressor-Anordnung an der Oberseite der Schale angebracht. Nur eine derartige Verbindung ist dargestellt; es sind jedoch mehrere vorgesehen.

Das feststehende Spiralteil 50 umfaßt eine planare Spitzendichtflache 70, aus welcher eine Spiralwindung 72 herausragt. Das Spiralteil 50 ist mit einer zentral angeordneten, nierenförmigen Abgabeöffnung 74 versehen, welche mit einer Abgabekammer 76 kommuniziert, die sich an deren oberer Fläche befindet. Die Kammer 76 ist durch eine mit einer geeigneten Dichtung versehenen Ventilplatte 78 abgedeckt, durch welche öffnungen 79 verlaufen. Die Ventilplatte 78 wird mittels eines Zylinderkopfes 80 an ihrer Stelle gehalten, der an der oberen Fläche des Spiralteils 50 mittels

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mehrerer Schrauben 82 befestigt ist. Die Strömungsrichtung durch die Öffnungen 79 wird durch ein herkömmliches, blattartiges Rückschlagventil 81 gesteuert, welches an der Ventilplatte 78 zusammen mit der üblichen Rückscheibe 83 mittels eines Niets 85 befestigt ist.

Das ausgestoßene Strömungsmittel gelangt aus dem Zylinderkopf 80 über eine Öffnung 84, in welcher ein Ende eines Äuslaßrohres 86 angeordnet ist. Das Rohr 86 erstreckt sich über die Oberseite der Anordnung nach unten zwischen letztere und die Schale bis zu einem Punkt, wo es aus der Schale in normaler Weise (nicht gezeigt) austritt. Saug-I gas wird in normaler Weise in die Schale über ein Fitting 88 eingebracht, welches sich durch die Wand der oberen Schale 10 erstreckt. Der hier beschriebene Motor-Kompressor ist vom sogenannten "low-side"-Typ, bei dem sich Sauggas in der hermetisch abgeschlossenen Schale befindet, um den Motor zu kühlen usw.. Das Gas tritt in den Kompressor 22 am Umfang der Spiralwindungen ein.

Das kreisende Spiralenteil 52 umfaßt eine planare Spitzendichtungsfläche 90, aus welcher eine Spiralwindung 92 herausragt. Diese berührt die Windung 72 bei einer relativen Kreisbewegung der Spiralteile in üblicher Weise so, daß sich Strömungsmitteltaschen von sich verringerndem Volumen bilden. Die Spitzen der Windungen 92 sollen dicht an der Fläche 70 des festen Spiralteiles und die Spitzen der Windung 72 sollen dicht an der Fläche 90 des kreisenden Spiralteiles anliegen. Die mittlere Zone des kreisenden Spiralteiles 52 ist mit einem nierenförmigen Rücksprung 94 versehen, wodurch der Fluß des Auslaßströmungsmittels erleichtert wird. Beide Spiralwindungen 72 und 92 verjüngen sich im Querschnitt gleich und gleichmäßig, um so an deren Wurzel die Stärke der Spiralwindung zu maximieren. Die Auslaßöffnung 74 und der Rücksprung 94 sind so konfiguriert, daß sich die maximale Strömungsfläche ergibt, ohne die Wur-

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zel der benachbarten Spiralen zu schwächen. Die Spitzendichtflachen 70 und 90 sollten in parallelen Ebenen liegen, welche parallel zu denjenigen Ebenen sind, in welchen die Spitzen beider Spiralwindungen liegen und die senkrecht zur Rotationsachse der Kurbelwelle 20 sind.

Die Antriebsvorrichtung verwendet keine starre Kupplung zwischen der Kurbelwelle und dem kreisenden Spiralteil sondern gibt radial nach, so daß eine automatische Entlastung des Kompressors möglich ist, wenn ein inkompressibles Strömungsmittel eingesaugt wird oder eine Fehlausrichtung der Teile auftritt. Die Antriebsvorrichtung hält die Flanken des kreisenden Spiralteiles in dichtender Anlage an denjenigen des festen Spiralteiles unter Ausnutzung von Zentrifugal- und Antriebskräften. Dies geschieht in einer axial sehr kompakten Weise unter Verwendung einer Entlastungsnabe 100, wie am besten in den Fign. 1 sowie 6 bis 9 dargestellt ist.

Die Nabe 100 umfaßt einen äußeren, kreisförmigen zylindrischen Halter 102 und in axialem Abstand voneinander befindliche innere Lagerhülsen 104 und 106, in welchen die Nabe 54 des kreisenden Spiralteiles gelagert ist. Der Halter 102 ist an seinem Umfang mit einer flachen angetriebenen Fläche 108 versehen, welche in einer Ebene liegt, die parallel zur Achse der Drehung der Kurbelwelle ist. Die angetriebene Fläche 108 steht in Antriebsverbindung mit einer komplementären flachen antreibenden Fläche 110 in der Wand der Bohrung 56, wobei letztere Fläche eine größere Breite als die erste aufweist. Die Bohrung 56 besitzt im übrigen eine solche Größe und Form, daß eine begrenzte relative tangentiale Verschiebung zwischen der Nabe 100 und der Kurbel 20 möglich ist. Der Drehmittelpunkt der Kurbelwelle ist mit cc bezeichnet. Eine Drehung der Kurbelwelle 20 führt dazu, daß die Nabe 100 um die Achse cc umläuft.

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Dies wiederum führt dazu, daß die Nabe 54 und damit auch das kreisende Spiralteil 52 um die Achse cc kreisen. Der Radius des Kreises des kreisenden Spiralteiles wird durch die Geometrie der Spiralwindungsprofile bestimmt (d.h.,

5,durch die Berührung der Flanken der Windungen des kreisenden Spiralteiles mit den Flanken der Windungen des feststehenden Spiralteiles).

Wenn die Windungen auf inkompressible Strömungsmittelmasse treffen, werden die hierdurch erzeugten Kräfte, welche die Windungen zu trennen suchen, durch die Entlastungsnabe 100

• ιaufgenommen, welche aus der normalen Antriebsposition, die in den Fign. 6, 8 und 9 dargestellt ist, in die übertrieben in Fig. 9 dargestellte Position verschoben wird. Auf diese Weise können sich die Spiralwindungen trennen und über die inkompressible Strömungsmittelmasse gelangen, worauf Zentrifugalkräfte dazu führen, daß die kreisende Spiralwindung sich zurück in dichte Anlage an die feste Spiralwindung bewegt.

Die axiale Verschachtelung der Teile minimalisiert die axiale Höhe der Anordnung. Außerdem kann auf diese Weise das obere Gegengewicht sehr nahe an dem Massenmittelpunkt des kreisenden Spiralteiles angeordnet werden, was die Lagerbelastungen und Biegekräfte an der Kurbelwelle sowie die Größe des erforderlichen Gegengewichtes reduziert. Außerdem wird kein freitragendes Antriebslager an der Oberseite der Kurbelwelle benötigt, was Lagerverluste weiter reduziert.

Die nachfolgend beschriebene, kreisende Antriebseinrichtung ermöglicht die gewünschte Orbitalbewegung und gleichzeitig eine automatische Entlastung des Kompressors, wenn dieser auf inkompressibles Strömungsmittel trifft. Dieses Ausführungsbeispiel, welches im horizontalen Schnitt in den Fign. 17 und 18 dargestellt ist, umfaßt eine Kurbelwelle (mit dem Drehmittelpunkt cc), in deren oberem Ende

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sich eine axiale Bohrung 114 der dargestellten Form befin-, det. Der wichtige Teil dieser Bohrung ist eine kreisförmige Zylinderfläche 115 (mit dem Mittelpunkt cp), in welcher eine Nabe 116 mit einem Vorsprung 117 untergebracht ist. Der Vorsprung 117 hat den gleichen Ra'dius wie die Fläche 115. Die Nabe 116 ist mit einer Kreisbohrung 118 (Mittelachse es) versehen, in der die Nabe 54 des kreisenden Spiralteiles gelagert ist. Geeignete Lager können an der Zwischenfläche von Bohrung 118 und Nabe 154 in Bedarfsfalle vorgesehen werden. Wie zu erkennen ist, ist die Geometrie derart, daß bei Drehung der Kurbelwelle 112 um die Achse cc die Zentrifugalkräfte die entsprechenden Teile normalerweise in den in Fig. 17 gezeigten Positionen halten, in denen der Radius der Kreisbewegung durch die Geometrie der Spiralwindungsflanken, wie oben erwähnt, bestimmt wird. Wenn jedoch eine Entlastungssituation auftritt, kann sich die Nabe 116 um den Mittelpunkt cp in die Position verdrehen, welche in Fig. 18 gezeigt ist. Hier können sich die Spiralwindungsflanken in dem Ausmaße voneinander trennen, das zur Überwindung der zwischenliegenden inkompressiblen Materie notwendig ist.

Die Kopplung der Spiralteile zur Steuerung der zwischen diesen stattfindenden Relativverdrehung geschieht auf sehr einfache Weise. Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fign. 1 bis 13 (vgl. insbesondere die Fign. 1, 4 und 5) geschieht dies dadurch, daß am äußeren Umfang des kreisenden Spiralteiles 52 ein Vorsprung 120 vorgesehen ist, durch den sich eine axiale Bohrung 122 erstreckt. In dieser befindet sich verschwenkbar ein Vorsprung 124 an einem Ende eines einfachen Verbindungsgliedes 126, dessen gegenüberliegendes Ende gelenkig an irgendeinem festen Teil der Vorrichtung angebracht ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Verbindungsglied 126 an einem der axial verlaufenden Positionierstifte 128 gelagert, der in das feststehende Spiralteil 50 und das obere Lagergehäuse 32 hineinragt und diese

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Teile genau gegeneinander positioniert. Die untere Fläche des Verbindungsgliedes 126 ist flach und ruht gleitend auf der flachen oberen Fläche des Abstandsringes 60.

Das Verbindungsglied 126 ist vorzugsweise so lang wie möglich (um den Effekt zu minimalisieren, daß sich der Vorsprung 124 auf einem Bogen statt auf einer geraden Linie bewegt). Es sollte so gut wie möglich senkrecht zu einer imaginären Linie arbeiten, die zwischen der Mitte des kreisenden Spiralteiles und der Bohrung 122 verläuft. Diese sehr einfache Verbindungsanordnung ersetzt die komplexe Oldham-Kupplung, die bei bekannten Vorrichtungen verwendet wird. Das kleine Ausmaß an Relativverdrehung zwischen den Spiralteilen, welche bei dieser Verbindungsanordnung möglich ist, ist genau kontrolliert und besitzt eine definierte Größe und Art, so daß sie ohne weiteres in Kauf genommen werden kann, ohne daß Einbußen an Funktion oder Wirkungsgrad eintreten. Dies wird nachfolgend noch erläutert.

in Andere einfache Verbindungsanordnungen sind/den Fign. 14 bis 16 dargestellt. Das Ausführungsbeispiel von Fig. 14 ist nahezu mit demjenigen nach den Fign. 1 bis 13 identisch, mit der-Ausnahme, daß das einfache Verbindungsglied verhältnismäßig gerade ist, wie dies bei 130 angedeutet ist, und an seinem festen Ende an einem Vorsprung 132 gelagert ist. Dieser ist an einer Klammer 134 montiert, welche starr an der oberen Schale 10 befestigt ist. Das bewegliche Ende des Verbindungsgliedes 130 entspricht in jeglicher Hinsicht demjenigen, welches für das vorhergehende Ausführungsbeispiel beschrieben wurde; die Funktion der beiden Verbindungsglieder ist dieselbe. Diese beiden Verbindungsanordnungen sind dem Fachmann als Vier-Stangen-Verbindungen bekannt. Die erste "Stange" der Verbindung ist das Verbindungsglied 126 bzw. 130, welches sich von einem festen Teil der Struktur zum Umfang des kreisenden Spiralteiles erstreckt. Die zweite "Stange" der Verbindung ist das imagi-

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näre Verbindungsglied zwischen dem Schwenkpunkt am Umfang des kreisenden Spiralteiles und dem geometrischen Zentrum des Spiralteiles. Die dritte "Stange" ist das imaginäre Verbindungsglied, welches sich zwischen dem geometrischen Mittelpunkt des Spiralteiles und dem Mittelpunkt der Kreisbewegung des Spiralteiles erstreckt. Die vierte "Stange" ist die feste Struktur, welche von dem festen Schwenkpunkt der ersten "Stange" zum festen Schwenkpunkt der dritten "Stange" verläuft.

Die Ausführungsbeispiele der die Rotation kontrollierenden Einrichtung, die in den Fign. 15 und 16 dargestellt sind, sind beide von derselben Bauweise mit Kurbel und Gleiteinrichtung. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 15 ist ein Vor-

I^ sprung 120 am kreisenden Spiralteil 52 mit einem radial verlaufenden, länglichen Schlitz 136 versehen, in welchem sich ein verschiebbarer Stift 138 befindet. Dieser ist an einer Klammer 140 montiert, die ihrerseits starr an der oberen Schale 10 befestigt ist. Beim Ausführungsbeispiel von Fig. 16 ist am Vorsprung 120 des kreisenden Spiralteiles 52 ein Stift 142 befestigt, welcher verschiebbar in einem radial verlaufenden länglichen Schlitz 144 an einer Klammer 146 angeordnet ist. Die Klammer 146 ist an der oberen Schale 10 befestigt.Bei beiden letzten Ausführungsbeispielen wird die Verdrehung des kreisenden Spiralteiles infolge des gegenseitigen Eingriffes von Stift 138 im Schlitz 136 bzw. des Stiftes 142 im Schlitz 144 verhindert.

Somit wird bei allen vier Ausführungsbeispielen die Rotation des kreisenden Spiralteiles dadurch verhindert, daß es um einen einzigen, relativ feststehenden Schwenkpunkt verschwenkt wird. Der einzige nennenswerte Unterschied zwischen den Anordnungen besteht darin, daß bei den Vier-Stangen-Verbindungsanordnungen der einzige Schwenkpunkt sich in einem leicht gekrümmten Weg bewegt, während bei den beiden Anordnungen mit Kurbel und Gleiteinrichtung

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die Relativbewegung des Schwenkpunktes auf einem geradlinigen Weg stattfindet. Außerdem variiert bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 15 das imaginäre Verbindungsglied zwischen dem einzigen Schwenkpunkt und dem geometrischen Mittelpunkt des kreisenden Spiralteiles bei der Kreisbewegung des Spiralteiles, während es bei den anderen Ausführungsbeispielen fest ist.

Der Umgang mit hohen Schubkräften, die eine inhärente Eigenschaft von Spiralmaschinen ist, ist ein Feld, welches den Konstrukteuren viele Probleme beschert hat. Mit der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, daß diese Schubkräfte unter Verwendung eines Lagers bewältigt werden können, welches beim Tragen der Schublast durch einen Quetschfilmmechanismus von dem inhärenten Ungleichgewicht des kreisen-

den Spiralteiles Gebrauch macht. Dieses Lager weist sehr ge- ^! ringe Reibung auf, ist sehr einfach herzustellen, benötigt nur flache Endbearbeitung, hat hohe Steifigkeit und erleidet wegen der niedrigen Relativgeschwindigkeiten kleine 2Q Scherverluste. Außerdem überträgt es die Schubkräfte direkt zum Rahmen der Vorrichtung (d.h., zum oberen Lagergehäuse 32).

Wie am besten in den Fign. 1, 10 und 11 zu erkennen ist, 2g umfaßt die Schublageranordnung ein verhältnismäßig dünnes Lager 150 aus Teflon (PTFE) und bleiimprägnierter Bronze oder einem anderen geeigneten Lagermaterial. Es weist einander gegenüberliegende, paralJele Flächen auf und berührt an seiner unteren Seite die flache obere Fläche 58 des obe-QQ ren Lagergehäuses 32 und an seiner oberen Seite die flache Oberfläche 53 am kreisenden Spiralteil 52 verschiebbar.Eine Relativbewegung zwischen dem Lager 150 und dem Spiralteil 52 wird mittels eines Stiftes 152 verhindert, der in beide Teile ragt. Am Lager 150 befinden sich keine Ölnuten; gg stattdessen ist die obere Fläche 58 des Gehäuses 32 mit zwei konzentrischen Nuten 154 und 156 versehen. Die Nut 156

^33465Λ6

ist eine Ölzufuhrnut und wird über mehrere Kanäle 158 mit Öl versorgt. Die Kanäle 158 kommunizieren über das Gehäuse 32 mit der Bohrung 33 in der Zone zwischen den Lagerhülsen 34 und 36. Die Nut 154 ist eine ölabzugsnut, über welche das Öl über mehrere Kanäle 160 zu dem offenen Kurbelgehäuse abgezogen werden kann, welches vom Gehäuse 32 gebildet wird. Auf diese Weise wird die ölübertragung in das Sauggas, welches in den Kompressor eintritt, reduziert. Die Flächen 53 und 58 sollten zueinander parallel und senkrecht zur Drehachse der Kurbelwelle 20 sein.

Die Funktion dieses Lagers beruht vermutlich darauf, daß das kreisende Spiralteil inhärent ein klein wenig verkippt bzw. taumelt, während es kreist. Dies erzeugt eine umlaufende Ölwelle, welche die gesamte Fläche des Lagers mit einer Geschwindigkeit überquert, die durch die Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle bestimmt ist. Wenn der Motor so bei 3600 U/min betrieben wird läßt die relative Axialgeschwindigkeit der Teile diese Welle die gesamte Fläche des Lagers 150 und die Fläche 58 in einem Kreisweg mit 3600 ü/min überqueren. Ein herkömmliches hydrodynamisches Lager würde vermutlich nicht richtig funktionieren, da es keine ausreichende Relativbewegung (d.h., keine ausreichende Tangentialgeschwindigkeit) zwischen dem Spiralteil und dem Gehäuse gibt.

Es handelt sich dabei nämlich nur um eine Kreisbewegung mit verhältnismäßig kleiner Verschiebung.

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Da das erfindungsgemäße Lager eine verhältnismäßig große, flache Oberfläche verwendet, ist die Flächenbelastung verhältnismäßig klein und daher eine lange Lebensdauer des Lagers möglich.

Die Schubkräfte, die an der Oberseite des kreisenden Spiral teiles auftreten, werden durch das axiale Ineinandergreifen der beiden Spiralteile aufgenommen. Insbesondere die Berührung der Windungsspitzen am einen Spiralteil mit der

IQ spitzen Dichtfläche am anderen Spiralteil übernimmt dies. Die Schrauben 62 drücken die Spiralteile axial zusammen und der Strömungsmitteldruck, der durch die Funktion des Kompressors erzeugt wird, drückt diese auseinander. Um eine gute Spitzenabdichtung zu erzielen, sollten ausreichende Axialkräfte vorhanden sein, welche die Spiralteile zusammen drücken oder diese ausreichend nahe aneinanderhalten. Andererseits sollten Reibung und Verschleiß so weit wie möglich verkleinert werden.

Bei dem vorliegenden Kompressor wird der Spitzenverschleiß dadurch gesteuert, daß die Dicke des Endes der äußeren Windung von jedem Spiralteil, wie am besten in den Fign. 12 und 13 gezeigt ist, beträchtlich vergrößert wird. Es ist bekannt, daß die äußere Flanke der äußeren 180° von jeder Spiralwindung beim Kompressionszyklus nicht benutzt wird. Von dieser Tatsache wird beim erfindungsgemäßen Kompressor zur Regelung des Spitzenverschleisses Gebrauch gemacht. Wie in Fig. 12 zu erkennen ist, besitzen ungefähr die letzten 180° der Windung 72 größere Dicke als der Rest der Windung, die bei 170 beginnt und bei 172 endet. Diese Fläche gleitet auf der Fläche 90 des kreisenden Spiralteiles 52. Schmieröl wird der Grenzefläche über einen Kanal 174 im kreisenden Spiralteil 52 zugeführt, dem seiner seits öl aus einem vertikalen Kanal 178 zugeleitet wird, der mit dem Raum zwischen den Lagerhülsen 104 und 106 über einen radialen Kanal 180 kommuniziert (Fign. 7 und 13).

39

Das äußere Ende des Kanals 176 ist in der üblichen Weise mit einem Stopfen versehen. Wie in Fig. 13 gezeigt, besitzen auch die ungefähr letzten 180° der Windung 92 größere Dicke als der Rest der Windung, die bei 182 beginnt und bei 184 endet. Außerdem ist dieser erweiterte Windungsabschnitt mit einer Ölversorgungsnut 185 versehen, welcher öl aus einem Kanal 186, der mit dem Kanal 176 kommuniziert, zugeführt wird. Durch diese verhältnismäßig breiten Flächen wird die Flächenbelastung in axialer Richtung und damit !Q der Spitzenverschleiß reduziert.

Die Schmierung der entsprechenden Teile der Maschine geschieht mittels einer ölpumpe 24, die mechanisch von der Kurbelwelle angetrieben wird und das Öl unter Druck aus dem Ölsumpf am Boden der Schale, der insgesamt mit 200 bezeichnet ist, zu allen sich bewegenden Teilen der Maschine pumpt, die eine Schmierung benötigen. Die ölpumpe 24 ist in Übereinstimmung mit bekannten Kriterien von bekannter Bauweise. Es kann sich beispielsweise um eine solche handeln, wie sie in der US-Patentschrift 43 31 420 oder der US-Patentschrift 43 31 421 beschrieben ist, worauf Bezug genommen wird. Der Einlaß zu der Pumpe ist mit 202 gekennzeichnet und der Auslaß der Pumpe erfolgt über einen vertikal verlaufenden ölkanal 204, der sich bis zur Mitte der Kurbelwelle 20 nach oben erstreckt.

Wie am besten in den Fign. 1, 6 und 7 zu erkennen ist, kommuniziert das obere Ende des Kanals 204 mit einem Querkanal 206 in der Kurbelwelle, dessen gegenüberliegende Enden mit vertikal verlaufenden Kanälen 208 und 210 kommunizieren. Das radial äußere Ende des Kanals 206 und die oberen Enden der Kanäle 208 und 210 sind in üblicher Weise mit einem Stopfen versehen. Der Kanal 208 kommuniziert mit einem radial verlaufenden Kanal 212, der den Raum zwischen den Lagerhülsen 34 und 36 in Kommunikation mit einem Vorrat unter Druck stehenden Schmieröls bringt. Der Kanal 210 kommu-

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niziert mit einem im wesentlichen radial verlaufenden Kanal 214, der seinerseits mit der Grenzfläche der Flächen 108 und 110 kommuniziert, sowie mit einem radial verlaufenden Kanal 216 in der Nabe 100, welcher den Raum zwischen den Lagerhülsen 104 und 106 in Verbindung mit der Quelle unter Druck stehenden Schmieröls bringt. Das Schmieröl wird aus dem Raum zwischen dem äußeren Paar von Lagerhülsen zum Schublager über den Kanal 158, wie erwähnt, und vom Raum zwischen dem inneren Paar von Lagerhülsen zu den zusammenarbeitenden Spiral-Spitzenflächen über die Kanäle 118, 178, 176, 174 und 186, wie oben ausgeführt, geleitet.

Da sich das untere Gegengewicht 59 unterhalb des Flüssigkeitsniveaus des Ölsumpfes befindet (aufgrund der Größe des Gegengewichts, welches zur Ausbalancierung der verhältnismäßig großen exzentrischen Masse des kreisenden Spiralteils erforderlich ist), wird Vorsorge dagegen getragen, daß. das sich drehende Gegengewicht Öl pumpt, was unnötig Energie verbrauchen würde. Dies geschieht dadurch, daß ein Rücksprung 220 im unteren Lagergehäuse 28 ausgebildet ist, welcher der äußeren Fläche des Gegengewichts 59, wenn dieses dreht, sehr nahe kommt. Der äußere Umfang der Kammer 220 kommuniziert mit einer ölausgangsleitung 222, die sich radial nach außen und dann nach oben zwischen dem Gehäuse und der Schale erstreckt. Beim Anlassen des Kompressors führt die Drehung des Gegengewichts 59 dazu, daß öl aus der Kammer 220 über die Leitung 220 in den Sumpf der Schale gepumpt wird. Um diese Entleerung der Kammer 220 von öl möglich zu machen, ist das Gehäuse 28 mit einem Kanal 224 versehen, der am einen Ende mit dem mittleren Abschnitt der Kammer 220 und am anderen Ende mit einer Leitung 226 kommuniziert, die nach oben bis über das ölniveau im Boden des Sumpfes verläuft, über diese Leitung kann Gas oder Dampf in die Kammer 220 eintreten, wenn der Kompressor angelassen wird, wodurch alles öl aus dieser abgelassen werden kann.

Überschüssiges öl an der Ober- und Unterseite der inneren

ORIGINAL

Lagerhülsen, an der Oberseite der äußeren Lagerhülsen und der Innenseite der Schublager wird über Kanäle 217 und zurück zum Kurbelgehäuse abgezogen.

Herkömmliche Spiralkompressoren mit Windungskonturen, die Kreisevolventen sind, erfordern eine kurvilineare Translation zwischen dem feststehenden und dem sich bewegenden Spiralteil, damit ein Linie-an-Linie-Flankenkontakt aufrecht erhalten wird. Wenn die kurvilineare Drehverhinderungseinrichtung durch die erfindungsgemäße Verbindung ersetzt wird, die eine geringfügige Verschwenkung des kreisenden Spiralteiles möglich macht, muß eine Einrichtung eingesetzt werden, welche die linienhafte Flankenberührung aufrecht erhält, damit der Wirkungsgrad so hoch wie möglich gemacht wird. Nachfolgend werden hierzu zwei Verfahren beschrieben. Beim ersten handelt es sich um ein Evolventen-Verschiebungsverfahren; das zweite ist eine Evolventenmodifikation, die zu Windungsflankenprofilen führen, welche keine echten Evolventen bzw. keine Kreisevolventen sind.

Die Flanken-Leckentfernungen (d.h., die Entfernung zwischen den miteinander arbeitenden Spiralwindungen) sind außerordentlich klein, wenn das erste Verfahren benutzt wird. Das zweite Verfahren gibt theoretisch Flanken-Leckentfernungen vom Wert Null.

Allgemein gesprochen verwenden Spiralkompressoren zwei oder mehr Spiralwindungen, die aus der Evolventen einer ebenen

erzeugt
Geometrie/und auf Basisplatten montiert werden. Wenn ein erzeugender Kreis verwendet wird, werden dessen Radius, die Dicke der Spiralwindung und die Gesamtzahl von Windungen so gewählt, daß die gewünschte volumetrische Verdrängung und das gewünschte Druckverhältnis erhalten wird. Wenn die Spiralteile um 180° verdreht und so zusammengebracht werden, daß sich die Flanken und Spitzen berühren, bilden sich Taschen. Wenn ein Spiralteil in einer kurvilinearen Translation (keine Linie im Körper dreht sich) gegenüber dem

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anderen Spiralteil bewegt wird, dann werden diese Taschen abgedichtet und bewegen sich nach innen auf die Mitte oder nach außen auf die Windungsenden zu, je nach der Drehrichtung. Wenn es mehr als eineinhalb arbeitende Windungen gibt, wird das Strömungsmittel in den Taschen komprimiert bzw. expandiert. Wenn es sich bei der Bewegung um eine echte kurvilineare Translation handelt, ergibt sich eine perfekte Flankenabdichtung (wenn man Unregelmäßigkeiten der Evolventenfläche außer Betracht zieht). Aufgrund der verhältnismäßig langen Dichtlinie der Flanken und Spitzen können kleine Abstände zu erheblich reduzierten Wirkungsgraden führen. Im Gegensatz zur Beseitigung von Flankenabständen ist die Vermeidung von Spitzenabständen nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Zur Erläuterung des Hintergrundes und anhand der Fig. 2OA werden nachfolgend die Gleichungen angegeben, welche die Spiralevolventenprofile beschreiben, wenn die Relativbewegung eine kurvilineare Translation und die relative Drehbewegung zwischen den erzeugenden (x-y)-Achsen der Spiralteile 180° beträgt:

R = C(1 + Ar - MT/C)²)· ¹^²
Ar =' Ac + Pi/2 = Ap - arc tan (Ap) 25

Dabei sind: R die Entfernung zwischen dem Mittelpunkt des Basiskreises bis zum Punkt am Spiralprofil,

C der Radius des erzeugenden Basiskreises, Ar der Rollwinkel,

T die Dicke der Spiralwindung M ein logischer Modifikationsfaktor; M = 1 für die Fläche S1 und M=O für die Fläche S2
35

-43-

Ac ist der numerische Kontrollwinkel, der in-

krementiert wird; er kann auch als der Kurbelwinkel betrachtet werden, wenn zwischen dem beweglichen und dem festen Spiralteil an dem betrachteten Punkt eine Berührung stattfindet,

Ap der Polarkoordinatenwinkel.

Eine kurvilineare Translationsbewegung erfordert die Verwendung einer die Verdrehung verhindernden Einrichtung, beispielsweise die komplexe und verhältnismäßig Oldham-Kupplung. Eine sehr viel einfachere und preiswertere Einrichtung ist die die Drehung kontrollierende Verbindungsanordnung, die oben beschrieben wurde. Diese Anordnung ermöglicht jedoch ein geringfügiges Verschwenken des kreisenden Spiralteiles, was normalerweise dazu führen würde, daß sich die Flanken der Spiralwindungen trennen oder gegenseitig ins Gehege kommen und so den Wirkungsgrad der Maschine reduzieren. Dadurch, daß die Geometrie der Windung verändert wird, kann dieser Abstand bzw. diese gegenseitige Störung reduziert bzw. eliminiert werden. In diesem Zusammenhang werden nachfolgend zwei Profilmodifikationen erläutert .

Es wurde entdeckt, daß herkömmliche Kreisevolventen mit der oben erwähnten Verbindungsanordnung verwendet werden können und eine hervorragende Flankenabdichtung erzielt wird, wenn einfach das innen liegende Evolventenprofil einer Spiralflanke an einem anderen Basiskreismittelpunkt als das äußere Evolventenprofil derselben Windungsflanke gebildet wird. Die Evolventenprofile sind identisch; die sich ergebende Windung variiert jedoch über ihre Länge hinweg in der Dicke. Die Basiskreise sowohl der inneren als auch der äußeren Flanke können an einem oder auch an beiden Spiralteilen verschoben werden. Es gibt somit drei mögliche Fälle: -44-

1. Es werden nur das innere und das äußere Profil des feststehenden Spiralteiles gegeneinander verschoben; 2. es werden nur das innere und das äußere Profil des kreisenden Spiralteiles verschoben;

3. es werden das innere und das äußere Profil an beiden Spiralteilen verschoben.

überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß der obige Fall No. 1 zur besten Dichtung und der Fall No. 2 zum schlechtesten Ergebnis führt. Diese Erkenntnis basiert auf einer theoretischen Analyse? vermutlich ist jedoch in der Praxis die Leckage, die zwischen miteinander arbeitenden Flanken auftritt, auch im Fall No. 2 hinnehmbar. Zwei der-, 'artige Windungen 250 und 252, welche aneinander angepaßt sind, sind übertrieben in Fig. 19 dargestellt. Dabei handelt es sich um eine Maschine nach dem oben erwähnten Fall No. 1, bei welcher die Windung 250 die kreisende Windung und die Windung 252 die feststehende Windung ist und alle Korrekturen aufweist.

Die Geometrie des erfindungsgemäßen Verbindungsmechanismus ist in Fig. 21 dargestellt. Dort bedeuten:

P = Ort des die Drehung kontrollierenden Schwenkpunktes am kreisenden Spiralteil (beispielsweise die Achse des Vorsprungs 124),

es = Ort des geometrischen Mittelpunktes des kreisenden Spiralteiles,
cc = Drehachse der Kurbelwelle, 3Ol= Entfernung zwischen der geometrischen Mitte des

kreisenden Spiralteiles und dem Punkt P (d.h., die Länge des imaginären Verbindungsgliedes, welches von dem kreisenden Spiralteil gebildet wird), Am = relativer Winkel zwischen den Spiralteilen, β = Winkel vom Anfangspunkt der Evolventen am kreisenden Basiskreis bis zum Mittelpunkt des Schwenkzapfens (polar)

Υέ.

IE= Exzentrizität (Radius der Kreisbewegung des kreisenden Spiralteiles),

V = Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle, Tm = Zeit,
S1 = inneres Flankenprofil,

S2 = äußeres Flankenprofil.

Zur Entwicklung der erfindungsgemäßen Spiralteile müssen zunächst herkömmlich geformte Spiralteile konstruiert werden (wie sie zusammen mit einer Oldham-Kupplung verwendet würden), um so die richtige Verdrängung, das richtige Druckverhältnis und die Austrittsöffnungsgeometrie nach herkömmlichen Methoden zu bestimmen. Hieraus ergeben sich bekannte Werte für den Evolventen-Basiskreisradius C, die Windungsdicke T und die Anzahl von Windungen auf der äußeren Fläche. Wenn dies geschehen ist, muß der Ort des Punktes P, des Schwenkpunktes des kreisenden Spiralteiles, gewählt werden. Die Entfernung zwischen dem geometrischen Mittelpunkt es und dem Punkt P ist L. Die Entfernung L wird so gewählt, wie es für die Herstellung praktisch ist. Sie kann kleiner als die Entfernung zwischen dem geometrischen Spiralteilmittelpunkt bis zur Außenseite des Spiralteiles sein, wenn sich der Schwenkpunkt P an der Unterseite des Spiralteiles befindet. Vorzugsweise ist er jedoch außerhalb der äußeren Windung, wie in den Fign. 1, 4 und 13 gezeigt. Da das Ende der äußeren Windung einen bequemen Bezugspunkt bildet, wird zu Demonstrationszwecken der Schwenkpunkt P dort gewählt, obwohl jede andere Stelle entlang des Spiralteilumfanges in Frage käme. Die Länge L stellt das Verbindungsglied dar, welches von dem kreisenden Spiralteil zwischen dem Mittelpunkt es und dem Schwenkpunkt P gebildet wird. Die Linie zwischen cc und es wird als "Mittelpunktlinie" bezeichnet.

Wie oben beschrieben, wurde gefunden, daß es eine Anzahl grundlegender Verbindungsmechanismen gibt, mit denen eine nur geringfügige, kontrollierte Verdrehung zwischen den Spiralteilen erzielbar ist. Aufgrund der Leichtigkeit der

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Herstellung, der geringen Kosten und der leichten Schmierung wird das Vier-Stangen-Gestänge bevorzugt. Wenn die Länge L ausreichend lang und das Verbindungsglied im wesentlichen senkrecht zu der Linie ist, die in Fig. 21 zwisehen P und cc verläuft, wird die Vier-Stangen-Gestängebewegung ähnlich der Bewegung des Ausführungsbeispieles mit Kurbel und Gleiteinrichtung von Fig. 16, da sich der Punkt P im wesentlichen auf einer geraden Linie bewegt und die Länge L sich nicht ändert. Dieses Ausführungsbeispiel ist daher am leichtesten zu berechnen. Die anderen beschriebenen Mechanismen folgen einer ähnlichen Analyse mit ähnlichen Resultaten.

Das Grundproblem in Fig. 21 besteht darin, daß sich das kreisende Spiralteil um den Winkel Am verdreht, wenn sich der Mittelpunkt des kreisenden Spiralteiles auf der Kreisbahn mit der Exzentrizität E bewegt. Diese Winkelexkursionen führen zu einer Fehlpassung der Spiralflächen, was gleichzeitig zu Spalten und gegenseitigen Störungen an den Dichtpunkten zwischen den Spiralflanken und dadurch zu geringer Kapazität und niedrigem Wirkungsgrad führt. Die Größe des Spaltes bzw. der gegenseitigen Behinderung hängt von der Größe der Fehlanpassung zwischen den Spiralflächen ab, die ihrerseits wieder von der Verbindungsgeometrie und der Spiralkonfiguration abhängt.

Unter der Annahme, daß P radial auf einer geraden Linie durch den Mittelpunkt des erzeugenden Kreises des festen Spiralteiles sich bewegt, errechnet sich der Wert von Am folgendermaßen:

sin (Am) = E sin (VTm) L

Für kleine Werte von Am (um die es sich hier handelt) wird 5 angenommen:

Am = sin (Am) = E sin (VTm) (rad) ~⁴⁷~

Weil der maximale Winkel, um den sich das kreisende Spiralteil gegenüber dem feststehenden Spiralteil verdreht, bei VTm = 90° liegt, gilt:

Am max = E/L (rad)

In Fig. 21 ist der Wert von Am 0°, wenn die Mittenlinie die Position a schneidet. Es gibt somit einen Relativwinkel 0 zwischen den Spiralteilen zu diesem Zeitpunkt, was bedeutet, daß es keine Spiralteilflächen-Fehlanpassung in dieser Position gibt. Wenn sich jedoch die Mittenlinie zum Punkt b bewegt, erhöht sich der Wert von Am auf den Wert Am max, was zu einer maximalen Flächen-Fehlanpassung führt. Wenn man fordert, daß die Dichtpunkte bei der vorliegenden Erfindungsanordnung sich an denselben Punkten wie bei einer Oldham-Kupplung (d.h, ohne zulässige Relativbewegung) befinden, dann müssen die Profile hierzu modifiziert werden. Beobachtet wurde, daß an den Positionen a und c ein Relativwinkel von 0° zwischen den Spiralteilen liegt und daher keine radiale Korrektur erforderlich ist. Bei den Positionen b und d, wo der relative Winkel zwischen den Spiralteilen sein Maximum hat, ist die Korrektur maximal und gleich

R max = [(E/L)/2 (Pi)J 2 (Pi)C = EC/L 25

Zwischen den Punkten der Korrektur 0 und der maximalen Korrektur hat die radiale Korrektur einen Mittelwert, der ungefähr gleich

(EC/L)sin (VTm)

Wenn sich somit die unkorrigierten Spiralteile an der Position befinden, welche die maximale Korrektur erfordert, weist ein Satz von Dichtungspunkten eine Lücke auf,welche

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zum Schließen einer Korrektur bedarf, während der andere Satz von Dichtungspunkten sich tatsächlich gegenseitig im Weg ist. Es wurde entdeckt, daß diese Lücken und gegenseitigen Störungen dadurch korrigiert werden können, daß die Evolventenprofile in einer Richtung verschoben werden, die senkrecht zu einer Linie durch die Spiralteilmittelpunkte und den Schwenkpunkt P ist, wenn sich die Spiralteile in ihrer nicht verdrehten Position befinden.

IQ Wenn die Korrektur bzw. die Verschiebung nur bei einer Spiralwindung (Fälle No. 1 und 2) angewandt werden soll, dann wird das innere Windungsprofil in einer Richtung entlang der Normallinie um einen Betrag verschoben/der gleich R ist, wodurch die Lücke geschlossen und die gegenseitige Störung eliminiert wird. Das äußere Windungsprofil wird um denselben Betrag in die entgegengesetzte Richtung aus demselben Grunde verschoben.

Wenn alle vier Flankenprofile korrigiert werden (Fall No.3), dann wird eine ähnliche Korrektur an beiden Spiralwindungen durchgeführt. Wenn genauer das innere Profil der einen Spiralwindung in einer Richtung entlang der Normallinie so verschoben wird, daß die Lücke geschlossen und die gegenseitige Störung eliminiert wird, dann wird das äußere Profil derselben Windung in der anderen Richtung aus dem gleichen Grund verschoben. Das innere Profil der zweiten Spiralwindung wird ebenfalls verschoben, aber im entgegengesetzten Sinne wie das innere Profil an der ersten Spiralwindung; das äußere Profil wird in entgegengesetzter Richtung wie das äußere Profil der ersten Spiralwindung verschoben. Die Größe der Korrektur, die an jeder Windungsflanke im Fall No. 3 angewendet werden muß, ist folgende:

Feststehende Spiralwindung Kreisende Spiralwindung Äußere Flanke Rechte Flanke Äußere Flanke Rechte Flanke

<^Y><^Rmax> <¹"^Y> <^Rmax> ⁽¹"^{X) (R}max>

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Dabei ist X der Anteil (%/100) der Korrektur, der an der äußeren Flanke der feststehenden Spiralwindung gewünscht wird, und Y ist der Anteil der Korrektur, der an der inneren Flanke der feststehenden Spiralwindung gewünscht wird. Somit ergeben die Korrektur an der äußeren Flanke der feststehenden Spirale zuzüglich der Korrektur an der inneren Flanke der kreisenden Spirale insgesamt R , ebenso wie die kombinierten Korrekturen an der inneren Flanke des feststehenden Spiralteiles und der äußeren Flanke des kreisenden Spiralteiles.

Das Ergebnis ist ein Spiralteil oder zwei Spiralteile mit einer Windung, die nicht mehr gleichförmige Dicke besitzt. In Fig. 19 ist zu beachten, daß die feststehende Spiralwindung 252, an welcher die gesamte Korrektur durchgeführt wurde, überall dieselbe Dicke besitzt, wo sie die x-Achse schneidet, und überall reduzierte Dicke besitzt, wo sie die y-Achse unter der x-Achse schneidet, und überall vergrößerte Dicke besitzt, wo sie die y-Achse über der x-Achse schneidet. Wenn man sich somit entlang einer korrigierten Windung nach innen bewegt, verändert sich die Dicke kontinuierlich und besitzt ein Maximum und Minimum bzw. einen "Nominalwert" ungefähr alle 90°. Das Ergebnis ist, daß die Profile im Betrieb eine derartige Form und Position besitzen, daß sie sich einander außerordentlich nahekommen und alle erforderlichen Punkte zu den notwendigen Zeiten abdichten.

Wie erwähnt, führt das Verfahren der Evolventen-Verschiebung zu einem kleinen Flankenabstand bzw. einer kleinen gegenseitigen Störung. Die Größe dieses Abstandes bzw. der gegenseitigen Störung hängt nicht nur vom Kurbelwinkel und der zugrunde liegenden Spiralgeometrie ab, sondern auch vom Verhältnis K, d.h., dem Verhältnis der Modifikation, welche an der feststehenden Spirale durchgeführt wurde, geteilt durch die gesamte Modifikation. Nimmt man somit an,

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daß beide Spiralteile in derselben Weise modifiziert wurden, gilt K = 1, wenn die gesamte Modifikation dem feststehenden Spiralteil zugeordnet ist; wenn dagegen die gesamte Modifikation dem beweglichen Spiralteil zugeordnet ist, gilt K=O. Zufriedenstellend arbeitende Kompressoren mit einem Wert K = 0,5, der ursprünglich für den besten gehalten wurde, wurden hergestellt und getestet. Eine nachfolgende Rechnung ergab jedoch überraschenderweise, daß der kleinste Fehler dann auftritt, wenn K = 1, während der IQ größte Fehler auftritt, wenn K= 0. Es besteht nahezu eine lineare Beziehung zwischen den beiden, daher ist der beste Wert für K gleich 1. K kann auch Werte annehmen, die größer als 1 oder kleiner als 0 sind, diese Werte haben jedoch keine bekannten Vorteile.

Wie oben erwähnt, muß nicht derselbe Korrekturbetrag an jedem Spiralteil angewandt werden. Im Falle ungleicher Korrektur gibt es unterschiedliche Wert von K für verschiedene Flankenzwischenflachen in derselben Maschine. In der hier verwendeten Terminologie stellt das Verhältnis K1 das K-Verhältnis für die feste äußere und die kreisende innere Flanke dar, der Wert K2 stellt das K-Verhältnis für die feste innere und die kreisende äußere Flanke dar. Die optimale Situation (die gesamte Korrektur an dem feststehenden Spiralteil) tritt also auf, wenn K1 = 1 und K2 = 1, was dem Wert K = 1 entspricht.

Insgesamt rühren die möglichen theoretischen Fehler bei der Verschiebungsmethode von drei verschiedenen Ursachen: 30

1) Dem Sinusfehler aufgrund der Näherung A = sin (A);

2) dem Bogenfehler des Verbindungsgliedes, wenn die Länge des Verbindungsgliedes ausreichend groß ist, wird dieser Fehler sehr klein, üblicherweise ist jedoch diese Länge aufgrund praktischer Dimensionserwägungen begrenzt. Dieser Fehler kann vollständig durch Verwendung einer Kurbel und einer Gleiteinrichtung eliminiert werden.

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3) Der Wahl der zu korrigierenden Fläche. Wenn die Verschiebung vollständig an dem beweglichen Spiralteil durchgeführt wird, hat dieser Fehler seinen Maximalwert. Da es keinen bekannten Vorteil gibt, diese Verschiebung an dem beweglichen. Spiralteil anzubringen, sollte sie an dem festen Spiralteil angebracht werden.

Wahrscheinlich sind jedoch in der Praxis alle diese Fehler so vernachlässigbar klein, daß sie die Kompressorfunktion IQ nicht nachteilig beeinflussen.

Fig. 22 zeigt einen Flankenkontakt zwischen der äußeren, kreisenden und der inneren, festen Flanke. Diese Punkte sind für jeden vorgegebenen geometrischen Parameter (C.T.L.) und für jede Kompressor-Kurbelstellung (Ac) definiert. Das zusätzliche Material, welches vom Evolventenprofil für eine kontinuierliche Berührung zwischen den Spiralen abgezogen bzw. hinzugefügt werden muß, wurde entsprechend den folgenden Gleichungen bestimmt:
20

R = C(1 + Doc²)¹^²

Doc = Ar + K1(Am) festst. äußere Spiralfläche

Doc = Ar + (K2 - 1)Am bewegl. äußere Spiralfläche Doc = Ar + K2(Am) - T/C feste innere Spiralfläche Doc = Ar + (K1 - 1)Am- T/C bewegl. innere Spiralfläche Ar = Ac + B + 5 (Pi)/2 feste äußere Spiralfläche Ar = Ac + B + 5 (Pi)/2 + Am bewegl. äußere Spiralfläche Ar = Ac + B + 3 (Pi)/2 feste innere Spiralfläche Ar = Ac + B + 3 (Pi)/2 + Am bewegl. innere Spiralfläche Ap = Ar - arctan(Doc)

Bei einem begrenzenden Verbindungsglied (Vier-Stangen):

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Am = B - Bb

Bb = (vergleiche die Rechnung in den Schritten 3-5 des unten erläuterten Algorithmus)

Für eine haltende Gleiteinrichtung (Kurbel und Gleiteinrichtung mit Stift am Spiralteil:

Am = aresin (JjE/lJsiri Ac))

K1 = Modifikationsgröße, die der äußeren Flanke des

feststehenden Spiralteiles gegeben wird, ge- ^ teilt durch die Gesamtmodifikation zwischen

der festen äußeren und der beweglichen inneren Flanke.

K2 = Modifikationsgröße, welche der festen inneren

Spiralflanke gegeben wird, geteilt durch die 15

Gesamtmodifikation zwischen fester innerer und

beweglicher äußerer Flanke. Doc = "Dummy"-Variable
Ac = "Kurbelwinkel", richtiger als Inkrementwinkel

anzusehen.

B = Winkel vom Beginn der Evolvente eines Oribal-Basiskreises bis zum Mittelpunkt des Schwenkzapfens (Polar)

C = Radius des erzeugenden Basiskreises _O1_ T= Dicke der Spiralwindung

Das Inkrement Ac beginnt dabei so, daß Ar = 0. Nw= Anzahl von Windungen = (Ar bis zum Ende der

Windung - Pi/2) / 2(Pi)
Halt, wenn Ac = 2 (Pi)(Nw) + Pi/2

_on In kartesischen Koordinaten:

ο 1/2
X=C(I + Doc^) ' cos(Ar - aretan(Doc)) Y = C(1 + Doc²)^1/2sin(Ar - aretan(Doc))

Bei numerisch gesteuerten Fräsmaschinen müssen die kartesischen Koordinaten so programmiert werden, daß sich Positionskoordinaten ergeben.Ein möglicher Algorithmus ist folgender:

1. Wenn Evolventenprofil = innere Fläche dann Ac = - B - 3 (Pi)/2 + Au

Wenn Evolventenprofil = Außenfläche dann

Ac = - B -5 (Pi)/2 + Au
I^ 2. Wenn eine beschränkende Gleiteinrichtung (Kurbel und Gleiteinrichtung mit Stift am Spiralteil) verwendet wird,dann gilt:

Am = arc s in Qe/ils in (Ac)]

Weiter mit Schritt 7.

¹^ 3. Wenn ein beschränkendes Verbindungsglied (Vier-Stangen-Verbindung) verwendet wird, dann gilt:

Xa = (E) cos(Ac + B + Pi)

Ya = (E) sin (Ac + B + Pi)

Xgb = Xa + (L) cos (B + Pi)

Xc = x-Koordinate der Mitte des Vorsprungs 124 (Fig.4) Yc = y-Koordinate der Mitte des Vorsprungs 124 (Fig.4)

Az = ((Xc- Xa)² + (Yc - Ya)²)*⁵

Yu = (Xa - Xc)/Az

Cc = arctan(Yu)
FH = F12 = 1

Wenn (Ya - Yc) > 0 dann weiter mit Schritt 4

Cc = 2(pi) - Cc

FH = -1

g₀ 4. Xum = Xc + Lik(cos(Cc))

Wenn Xgb - Xum<10 dann weiter mit Schritt 5

F12 = -1

5. Yu = (Az² + Lik² -L²)/ 2(Az)(LIk) Cb = (FH) (F12)arctan (Yu)

Xb = Xc + Lik(cos(Cc + Cb))

Yb = Yc + Lik(sin(Co + Cb))
Xgb = Xb

Bb = arctan((Xa - Xb)/L)

Wenn Ya - Yb> 0 dann weiter mit Schritt 6

Bb = 2 (pi) - Bb

6. Am = B - Bb
7. Ar = Ac + B + 5 (pi)/2 - Pi(LI) + Am(L2) Doc = Ar + K(Am)(L3) + (K-1)(Am)(L2) - (T/C)(CL1) R = C(1 + DOC ) '

ρ = Ar - arctan(Doc)

X= ((R) cos (p) + [(TT) sin (Ar)} TT) L4 !5 Y= (R) sin (ρ) - [(TI)COS(Ar)]TT

8. Ac = Ac + Ai

9. Wenn Ar = 2(pi)(Nw) + P1/2 dann weiter m± Schritt 2 10. Der Vorgang ist vollständig.

NOMENKLATUR

E = Exzentrizität= C(Pi) - T

C = Radius des erzeugenden Kreises

L = Entfernung zwischen der geometrischen Mitte des ^5 kreisenden Spiralteiles und dem Mittelpunkt P des Verbindungsgliedzapfens

Ac = Abbildender Winkel

K1 = Modifikationsgröße, welche der äußeren Flanke des feststehenden Spiralteiles gegeben wird, geteilt durch die Gesamtmodifikation zwischen der festen · äußeren und der beweglichen inneren Flanke,

K2 = Modifikationsgröße, welche der inneren Flanke des festen Spiralteiles gegeben wird, geteilt durch die Gesamtmodifikation zwischen fester innerer und beweglicher äußerer Flanke,

R = Größe des Polvektors
Ar = Rollwinkel

Aro = Rollwinkel (Ar) am beweglichen (kreisenden)

Spiralteil

Arf = Rollwinkel (Ar) am festen Spiralteil B = Winkel vom Beginn einer Evolvente am kreisenden Basiskreis bis zum Mittelpunkt des Schwenkzapfens

(Polar)

T = Dicke der Spiralwindung

Ai = Inkrementwinkel (d.h., der Winkel um den AC inkrementiert wird)

Au = stumpfer Winkel in Fig. 2OB (der Winkel zwischen der x-Achse und einer Linie, die senkrecht zu einer Tangente am erzeugenden Basiskreises ist und durch die Berührungspunkte des physikalischen inneren Endes einer Windung und den Evolventenkurven verläuft, aus denen seine Flanken erzeugt wurden)

T1 = Werkzeugradius

D = Entfernung zwischen dem Basiskreismittelpunkt und dem Mittelpunkt eines Verankerungsstifts

Lik = Länge des die Verdrehung kontrollierenden Verbindungsglieds (4 Stangen)
20

Logische Koeffizienten

Fläche: LJ L2 L3 L4 TT

Feste innere 1 0 1 -1 -1 Feste äußere 0 0 1-1 1 Bewegliche innere 110 1-1 Bewegliche äußere 0 10 11

Das Verfahren zur Herstellung des festen und des kreisenden Spiralteiles mit einer NC-Maschine oder dergleichen unter Verwendung des oben beschriebenen Verschiebungsverfahrens ist schematisch in Fig. 2 4 dargestellt. Hier stellt ein Werkstück dar, welches zu einer Spiralwindung geformt werden soll. 302 ist eine Halterung, welche das Werkstück 300 festhält, während dies von einem Schneidwerkzaugt 304, bei dem es sich um einen Stirnfräser handeln kann,

-56-

" " 33A65A6

Ψ.

bearbeitet wird. Die Maschine, welche das Schneidwerkzeug 304 bezüglich des Werkstückes 300 positioniert, wird in herkömmlicher Weise so programmiert, daß aus dem gemeinsamen erzeugenden Basiskreis der Evolventenspirale die

j- inneren und äußeren Flankenprofile (identische Kurven) geformt werden. Wenn somit das Werkstück in einer Position in der Halterung für die gesamte Flankenbearbeitung fixiert wird, wird eine herkömmliche Spiralwindung mit gleichförmiger Dicke erzeugt, wobei beide Flanken Evol- ^q venten des gleichen Basiskreises sind.

Erfindungsgemäß wird jedoch die äußere Flanke der Windung bearbeitet, wenn sich das Werkstück in der dargestellten Position befindet, in der es gegen einen Anschlag 308 anliegt. Die innere Flanke der Windung wird bearbeitet, wenn sich das Werkstück am Anschlag 306 befindet. Weitere Veränderungen an der Orientierung des Werkstückes erfolgen nicht. Die Entfernung zwischen den Anschlägen 306 und 308 ist gleich der gesamten Verschiebung des evolventenerzeugenden Basiskreises, die gewünscht wird, errechnet nach den oben erläuterten Kriterien für die erwähnte Verschiebungsmethode, zuzüglich zu der Gesamtabmessund des Werkstücks zwischen den Anschlägen. Das heißt, die Entfernung, um die sich das Werkstück vom Anschlag 308 bis zum Anschlag

2g 306 bewegt, ist gleich der erwünschten Verschiebung der erzeugenden Basiskreise. Die Verteilung des Korrekturanteiles, der jeder Flanke gegeben wird, wird ihrerseits durch die Basisposition (Bezugspunkt) des Schneidwerkzeuges 304 gegenüber den Anschlägen 306 und 308 bestimmt.

Wenn die Basisposition in der Mitte liegt, dann wird jeder Flanke die gleiche Korrektur gegeben.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

ί 1.)Spiralmaschine mit

einem ersten Spiralteil, welches eine Spiralwindung aufweist;

einem zweiten Spiralteil, welches eine zweite Spiralwindung aufweist und so montiert ist, daß es sich gegenüber dem ersten Spiralteil bewegen kann,

wobei die zweite Windung so mit der ersten Windung kämmt, daß bei einer Bewegung der zweiten Windung gegenüber der ersten Windung entlang eines bestimmten Weges Strömungsmittel-taschen von sich progressiv veränderndem Volumen gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, welche für eine Bewegung der zweiten Windung (92) auf dem bestimmten Weg sorgt, enthält:

Eine Antriebseinrichtung, welche einen ersten Punkt an dem zweiten Spiralteil (52) sich auf einem im wesentlichen kreisförmigen Orbitalweg gegenüber dem ersten Spiralteil (50) bewegen läßt;

eine die Drehung steuernde Einrichtung, welche die Drehbewegung des zweiten Spiralteiles (52) beschränkt, indem sie die Bewegung eines zweiten Punktes hieran begrenzt.
2. Spiralmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnetdaß die Bewegung des'zweiten Punktes auf einen im wesentlichen geradlinigen Weg gegenüber dem ersten Spiralteil (50) beschränkt ist.
3. Spiralmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der geradlinige Weg im wesentlichen radial zur zweiten Spiralwindung (92) verläuft.
4. Spiralmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der geradlinige Weg geringfügig gekrümmt ist.
5. Spiralmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichent, daß der geradlinige Weg eine wirklich gerade Linie ist.
6. Spiralmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich der erste Punkt in der Mitte der zweiten Spiralwindung (92) befindet.

7. Spiralmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich der zweite Punkt radial außerhalb der zweiten Spiralwindung (92) befindet.

8. Spiralmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spiralwindung (72,92) eine innere und eine äußere Flanke aufweist, deren Profil die Evolvente eines Kreises ist.

9. Spiralmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spiralwindung (72,92) eine innere und eine äußere Flanke aufweist, deren Profil die Evolvente einer ebenen geometrischen Figur ist.

10.Spiralmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelpunkt der erzeugenden Figur des Evolventenprofils an der äußeren Flanke von beiden Windungen (72, 92) gegenüber dem Mittelpunkt der erzeugenden Figur des Evolventenprofils der inneren Flanke derselben Windung (72,92) versetzt ist.

11.Spiralmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitte der erzeugenden Figur des Evolventenprofils der äußeren Flanke von einer Windung (72,92) gegenüber der Mitte der erzeugenden Figur des Evolventenprofils der inneren Flanke derselben Windung (72,92) versetzt wird.

¹ BAD ORIGINAL

12 = Spiralmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die die Drehung steuernde Einrichtung mit dem zweiten Spiralteil (52) im wesentlichen an einem einzigen Punkt verbunden ist und daß die Mitten voneinander im wesentlichen entlang einer Linie versetzt sind, die normal zu einer Linie steht, welche zwischen dem genannten einzigen Punkt und der Mitte der zweiten Windung (92) verläuft, wenn die Spiralteile (50,52) nicht relativ zueinander verdreht sind=

13= Spiralmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrischen Figuren Kreise von gleichem Radius sind, und daß die Mittelpunkte voneinander an jeder Windung (72,92) um einen Betrag versetzt sind, die gleich EC/L sind, wobeis

E = Radius der Kreisbewegung C = Radius des erzeugenden Basiskreises L = Entfernung vom geometrischen Mittelpunkt der reiten Windung (92) bis zu

dem zweiten Punkt=

14= Spiralmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Drehung steuernde Einrichtung ein Verbindungsglied (126) umfaßt, das mit einem Abschnitt gelenkig mit dem zweiten Spiralteil (52) verbunden'ist und mit einem anderen Abschnitt so montiert ist, daß es sich um eine Achseverdrehen kann, welche gegenüber dem ersten Spiralteil (50) fest ist.

15= Spiralmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Verbindungsgliedes (126), die zwischen den Verbindungsglied-Abschnitten verläuft, im wesentlichen senkrecht zu einem Radius der zweiten Windung (92) ist, welche durch die Gelenkverbindung des Verbindungsgliedes (126) mit dem zweiten Spiralteil (52) verläuft.

BAD ORIGINAU

16. Spiralmaschine nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenkverbindung des Verbindungsgliedes (126) mit dem zweiten Spiralteil (52) sich radial außerhalb der zweiten Windung (92) befindet.

17. Spiralmaschine nach einem der Ansprüche 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Abschnitt des Verbindungsgliedes (126) am ersten Spiralteil (50) montiert ist.

18. Spiralmaschine nach einem der Ansprüche 14, 15 oder 16, die in einer hermetisch geschlossenen Schale angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Abschnitt des Verbindungsgliedes (126) an der Schale (10,12) montiert ist.

19. Spiralmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Drehung Steuerende Einrichtung eine "Vier-Stangen-Verbindung" (126,130) umfaßt, welche das bewegliche Spiralteil (52) mit einer festen Trägerstruktur verbindet.

20. Spiralmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Drehung steuernde Einrichtung einen Kurbel- und Gleitmechanismus umfaßt, welcher das bewegliche Spiralteil (52) mit einer festen Trägerstruktur verbindet.

21. Spiralmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Kurbelwelle (20) umfaßt, welche um eine erste Achse gedreht wird und eine im wesentlichen flache Antriebsfläche (110) aufweist, die in einer Ebene senkrecht zu einem Radius von der ersten Achse und im Abstand von dieser liegt, wobei ein Antriebselement (102) mit einer im wesentlichen flachen angetriebenen Fläche (108) in Antriebsberührung

BAD ORIGINAL

mit der antreibenden Fläche (110) steht und eine angetriebene Einrichtung (100) an deirj zweiten Spiralteil (52) gelenkig mit dem Antriebselement (104) verbunden ist, so daß sie sich gegenüber diesem um eine zweite Achse verdrehen kann, die von der ersten Achse einen Abstand besitzt, wodurch eine Verdrehung der Kurbelwelle (20) eine Kreisbewegung der zweiten Achse an dem zweiten Spiralteil (52) gegenüber dem ersten Spiralteil (50) um die erste Achse hervorruft.

22. Spiralmaschine nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene der antreibenden Fläche (110) im wesentlichen parallel zu einer Ebene ist, die durch die beiden Achsen verläuft-

23„ Spiralmaschine nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Antriebselement (102) frei auf der antreibenden Fläche verschieben kann, wenn ein Hindernis zeitweilig das zweite Spiralteil (52) daran hindert, seinem normalen Bewegungsweg zu folgen.

24o Spiralmaschine nach einem der Ansprüche 21, 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement (102) im Querschnitt im wesentlichen ringförmig ist. 25

25. Spiralmaschine nach einem der Ansprüche 21, 22, 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement (102) im wesentlichen zylindrisch ist und daß sich die angetriebene Fläche (110) an dessen äußerem Umfang befindet«

6«, Spiralmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

das erste Spiralteil (50) eine erste flache Dichtfläche (70) und die erste Spiralwindung (72) eine erste flache Spitzenfläche aufweist;

das zweite Spiralteil (52) eine zweite flache Dichtfläche (90) und die zweite Spiralwindung (92) eine zweite flache Spitzenfläche aufweist;

das zweite Spiralteil (52) so montiert ist, daß es sich gegenüber dem ersten Spiralteil (50) bewegt,

wobei die zweite Windung (92) derart mit der ersten Windung (72) kämmt, daß bei einer Bewegung der zweiten ^O Windung (92) gegenüber der ersten Windung (72) entlang eines bestimmten Weges sich die inneren und äußeren Flanken von einem erheblichen Abschnitt von jeder Windung (72,92) berühren und Strömungsmitteltaschen von sich progressiv veränderndem Volumen bilden;

wobei die erste Spitzenfläche in dichtender Anlage an der zweiten Dichtfläche (90) und die zweite Spitzenfläche in dichter Anlage an der ersten Dichtfläche (70) ist und so die Taschen abdichtet;

wobei jede Windung (72,92) so angeordnet ist, daß die Außenflanke am äußeren Endabschnitt die Flanke der anderen Windung (92,72) nicht berührt, wobei der Endabschnitt von jeder Windung (72,92) in radialer Richtung wesentlichen dicker als der Rest ist, so daß er einen unverhältnismäßig großen Anteil der Axiallast an den Spiralteilen (50,52) trägt.

27. Spiralmaschine nach Anspruch 2 6,. dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Ölversorgungsnut (185) in einer Spitzenfläche umfaßt sowie eine Einrichtung (186,176), mit welcher öl zur Verringerung der Reibung in die Nut gebracht wird.

BAD ORIGINAL

2 8» Spiralinaschine nach Anspruch 2 6 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung umfaßt, welche Schmieröl zumindest einer Dichtfläche (70,90) in eine Zone bringt, wo sie von einer Spitzenfläche berührt wird.

29. Spiralmaschine nach einem der Ansprüche 26, 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß sich mindestens einer der Endabschnitte über ungefähr 180° erstreckt.

30. Spiralmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:

Eine feste Trägerstruktur (32), welche

das erste Spiralteil (50) trägt;

ein Schublager (150), welches zwischen der festen Trägerstruktur (32) und dem zweiten Spiralteil (52) angeordnet ist und im wesentlichen in der Draufsicht ringförmig ist und eine parallele, flache, ununterbrochene Lagerfläche aufweist, welche zu der festen Trägerstruktur (10,12) zeigt;

eine Schmiereinrichtung (154,156) welche öl an die Zwischenfläche zwischen dem Schublager (150) und der festen Trägerstruktur (32) liefert und zwischen diesen Teilen einen Ölfilm erzeugt,

wobei das sich ergebende, kleine Taumeln des zweiten Spiralteiles (52) bei dessen Kreisbewegung gegenüber dem ersten Spiralteil (50) ein "Quetschfilmphänomen" zwischen dem Schublager (150) und der festen Trägerstruktur erzeugt.

31. Spiralmaschine nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß das Schublager (150) am zweiten Spiralteil befestigt ist.

32. Spiralmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:

Eine angetriebene Kurbelwelle (20), die sich um eine erste Achse dreht und eine zylindrische antreibende Fläche aufweist, deren Strömungsachse parallel zur erten Achse ist;

ein Antriebselement (1Ö2), welches eine zylindrische angetriebene Fläche aufweist, welche in Antriebseingriff mit der antreibenden Fläche steht;

eine angetriebene Einrichtung am zweiten Spiralteil (52), welche gelenkig mit dem Antriebselement (102) so verbunden ist, daß sie sich gegenüber diesem um eine dritte Achse verdreht,welche einen Abstand von der ersten Achse aufweist und parallel zu dieser verläuft, wodurch eine Drehung der Kurbelwelle (20) dazu führt, daß die dritte Achse am zweiten Spiralteil (52) relativ zum ersten Spiralteil (50) um die erste Achse kreist.

33. Spiralmaschine nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungsachse der antreibenden Fläche einen Abstand von der ersten Achse besitzt.

34. Spiralmaschine nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungsachse der antreibenden Fläche einen Abstand von der dritten Achse besitzt.

BAD ORIGINAL

35. Spiralmaschine nach einem der Ansprüche 32 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß die antreibende und die angetriebene Fläche eine gemeinsame Krümmungsachse besitzen.

36. Spiralmaschine nach einem der Ansprüche 32 bis 35, uadurch gekennzeichnet, daß die erste Achse einen größeren Abstand von der Krümmungsachse als die dritte Achse besitzt.

37. Spiralmaschine nach einem der Ansprüche 32 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungsachse einen Abstand von der durch die erste und die dritte Achse gebildeten Ebene besitzt.

38. Spiralmaschine nach einem der Ansprüche 32 bis 38, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement (102) sich frei gegenüber der Kurbelwelle (20) um die Krümmungsachse verdrehen kann, wenn ein Hindernis zeitwei-Hg verhindert, daß das zweite Spiral teil (52) seinem normalen Bewegungsweg folgt.

39. Spiralmaschine nach einem der Ansprüche 32 bis 38, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement (102) im Querschnitt im wesentlichen ringförmig ist.

40. Spiralmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Profile der inneren und der äußeren Flanke der ersten Windung (72) jeweils Evolventen derselben erzeugenden geometrischen Figur s ind;

der Mittelpunkt der erzeugenden Figur des Profils der äußeren Flanke der ersten Windung (72) einen Abstand vom Mittelpunkt der erzeugenden Figur des Profils der inneren Flanke der ersten Windung (72) besitzt.

41. Verfahren zur maschinellen Herstellung der inneren und äußeren Flanke eines Spiralteiles aus einem Werkstück unter Verwendung einer programmierbaren Maschine, bei welchem das Profil von jeder Flanke aus derselben ebenen geometrischen Figur erzeugt wird, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

(1) Die Maschine wird so programmiert, daß sie die innere und die äußere Flanke der Spirale (72,92) basierend auf einer bezogen auf das Werkstück an einem festen Punkt befindlichen erzeugenden Figur bearbeitet;

(2) es wird der Bezugspunkt bestimmt, an dem das Werkstück gegenüber dem Schneidwerkzeug der Maschine angeordnet werden muß, damit die Spiralflanken in Entsprechung mit dem Programm bearbeitet werden;

(3) es wird das Werkstück relativ zum Schneidwerkzeug in einer ersten Position positioniert, die einen Abstand vom Bezugspunkt besitzt und das Werkstück wird so bearbeitet, daß sich eine Flanke der Spiralen (72, 92) ergibt;

(4) es wird das Werkstück relativ zum Schneidwerkzeug in einer zweiten Position angeordnet und so bearbeitet, daß sich die andere Flanke der Spirale (72,92)ergibt,

wobei die Schritte (3) und (4) den Schritten (1) und (2) folgen und in beliebiger Reihenfolge sein könnnen. 30

42. Verfahren nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Position einen Abstand von der ersten Position besitzt.

BAD ORIGINAL

43. Verfahren nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Position in einer Richtung einen Abstand vom Referenzpunkt besitzt und daß die zweite Position einen Abstand vom Referenzpunkt in der entgegengesetzten Richtun besitzt.

44. Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 43, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Position im wesentlichen den gleichen Abstand vom Bezugspunkt

"LQ besitzen.

45. Verfahren nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß sich die zweite Position am Bezugspunkt befindet.

2g 46. Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 45, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Figur ein Kreis ist.

47. Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 46, dadurch gekennzeichnet, daß die Profile Kreisevolventen sind.

48. Feststehendes Spiralteil und bewegliches Spiralteil für eine Spiralmaschine, wobei ein Abschnitt des beweglichen Spiralteiles gegenüber dem festen Spiralteil mit einer Exzentrizität E kreist und wobei am beweglichen Spiralteil eine die Drehung steuernde Einrichtung an einem Punkt P befestigt ist und wobei beide Spiralteile eine Spiralwindung enthalten, deren Innen- und Außenfläche auf einem erzeugenden Kreis basiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Innen- und Außenflächen durch die folgenden Gleichungen (kartesische Koordinaten) definiert sind:

X = C(1 + Doc )¹'² cos(Ar - arctan(Doc)) Y=C(I+ Doc²)¹^² sin(Ar - arctan(Doc))

dabei sind:

2 1/2
R = Cd + Doc ) ' -

Doc = Ar + K1(Am) feste äußere Sprialflache

Doc = Ar + (K2 - 1)Am bewegliche äußere Spiralfläche

Doc = Ar + K2(Am) - T/C feste innere Spiralfläche

Doc =Ar+ (K1 - 1)Am- T/C bewegliche innere Spiralfläche

Ar = Ac + B + 5 (Pi)/2 feste äußere Spiralfläche Ar = Ac + B + 5 (Pi)/2 + Am bewegliche äußere

Spiralfläche

Ar = Ac + B + 3(Pi)/2 feste innere Spiralfläche

Ar = Ac + B + 3(Pi)/2 + Am bewegliche innere

Spiralfeder

Ap = Ar - arctan(Doc)
15

Am = aresin ( LE/L] sin (Ac))

K1 = Modifikation, welche der festen äußeren Spiralflanke gegeben wird, geteilt durch die Gesamtmodifikation zwischen fester äußerer und beweglicher innerer Flanke. festen

K2 = Modifikation, welche der/inneren Flanke des

Spiralteiles gegeben wird, geteilt durch die Gesamtmodifikation zwischen fester inneren und beweglicher äußerer Flanke.

Doc = "Dummy"-Variable

Ac = Abbildender inkrementwinkel B = Winkel zwischen dem Beginn der Evolvente

am umlaufenden Basiskreis bis zum Schwenk_on Zapfenmittelpunkt (Polar).

C = Radius des erzeugenden Basiskreises T = Dicke der Spiralwindung
E = C(Pi) - T

L = Entfernung zwischen der geometrischen Mitte des umlaufenden Spiralteils (52) und dem

Mittepunkt P des Verbindungsgliedes-Zapfens,

Ac wird inkrementiert ausgehend mit einem Wert Ac

derart, daß Ar = 0,
Nw = Anzahl von Windungen = (Ar bis zum Ende der Spirale - Pi/2) / 2 (Pi), Halt wenn Ac = 2 (Pi)(Nw) + Pi/2.

49. Spiralteile nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Kurbel- und Gleitverbindung aufweist, welche zwischen dem feststehenden Spiralteil (50) und dem beweglichen Spiralteil (52) liegt und eine Relativverdrehung der Spiralteile (50,52) auf einen begrenzten, bestimmten Wert beschränkt.

50. Feststehendes Spiralteil und bewegliches Spiralteil für eine Spiralmaschine, wobei ein Abschnitt des beweglichen Spiralteiles gegenüber dem festen Spiralteil mit einer Exzentrizität E und am beweglichen Spiralteil eine die Drehung steuernde Einrichtung an einem Punkt P befestigt ist, wobei jedes Spiralteil eine Spiralwindung mit einer Innen- und einer Außenfläche aufweist,

welche auf einem erzeugenden Kreis basiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Innen- und Außenfläche durch die folgenden Gleichungen (kartesische Koordinaten) definiert werden:
25

X = C(1 + Doc²)¹'² cos(Ar - arctan(Doc)) Y = Cd + Doc²) ¹^² sin (Ar - arctan(Doc))

dabei sind:
30

R = C(I + Doc ) '

Doc = Ar + K1(Am) feste äußere Spiralfläche Doc = Ar + (K# - 1)Am bewegliche äußere Spiralfläche Doc = Ar + K2(Am) - T/C feste innere Spiralfläche Doc = Ar + (K1 - 1)Am - T/C bewegliche innere Spiralfläche

14

Ar = Ac + B + 5 (Pi)/2 feste äußere Spiralfläche

Ar = Ac + B + 5 (Pi)/2 + Am bewegliche äußere Spiralfläche

Ar = Ac + B + 3(Pi)/2 feste innere Spiralfläche

Ar = Ac + B + 3(Pi)/2 + Am bewegliche innere Spiralfläche

Ap = Ar - arctan (Doc)

Errechnung von Am:
(1) Xa = (E) cos(Ac + B + Pi)
Ya = (E) sin (Ac + B + Pi)

Xgb = Xa + (L) cos (B + Pi)
Xc = x-Koordinate vom Punkt P Yc = y-Koordinate vom Punkt P Az = ((Xc- Xa)² + (Yc - Ya)²)"⁵ Yu = (Xa - Xc)/Az

Cc = arctan(Yu)
FH = F12 = 1

Wenn (Ya - Yc)> 0 dann weiter mit Schritt 2 Cc = 2 (pi) - Cc

FH = -1

(2)Xum = Xc + Lik(cos(Cc))

Wenn Xgb - Xum <- 0 dann weiter mit Schritt 3 F12 = -1

(3)Yu = (Az² + Lik² -L²) / 2(Az)(Lik)

Cb = (FH) (F12) arctan (Yu)
Xb = Xc + Lik(cos(Cc + Cb))
Yb = Yc + Lik(sin(Cc + Cb))
Xgb = Xb

Bb = arctan((Xa - Xb)/L)

Wenn Ya - Yb > 0 dann weiter mit Schritt 4 Bb = 2(pi) - Bb
(4) Am = B - Bb
-15-

K1 = Modifikation, welche der festen äußeren Spiralflanke gegeben wird, geteilt durch die Gesamtmodifikation zwischen fester äußerer und beweglicher innerer Flanke,

K2 = Modifikation, welche der festen inneren Spiralflanke gegeben wird, geteilt durch die

Gesamtmodifikation zwischen fester innerer und beweglicher äußerer Flanke,

Doc = "Dummy"-Variable

Ac = abbildender Inkrementwinkel

B= Winkel vom Beginn der Evolvente am umlaufenden Basiskreis bis zum Mittelpunkt des Schwenkzapfens (Polar), C = Radius des erzeugenden Basiskreises, T = Dicke der Spiralwindung, E = C(Pi) - T

¹^ L= Entfernung zwischen der geometrischen Mitte

des kreisenden Spiralteiles (52) und dem Mittelpunkt P des Verbindungsgliedzapfens, Ac wird inkrementiert beginnend mit einem Wert

Ac, bei dem Ar =0,

Nw = Anzahl von Windungen = (Ar bis zum Ende der

Spirale - Pi2) / 2(Pi)
Halt, wenn Ac = 2 (Pi)(Nw) + Pi/2.

51. Spiralteile nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem eine Vier-Stangenverbindung umfassen, die zwischen dem festen Spiralteil (50) und dem beweglichen Spiralteil (52) liegt und eine Relativverdrehung der Spiralteile (50,52) auf einen begrenzten, bestimmten Wert beschränkt.

52. Feststehendes Spiralteil und bewegliches Spiralteil für eine Spiralmaschine, wobei ein Abschnitt des beweglichen Spiralteiles gegenüber dem festen Spiralteil mit einer Exzentrizität E kreist und am beweglichen Spiralteil ein die Verdrehung steuerndes Verbindungs-

— 1 6 —

glied an einem Punkt P befestigt ist, wobei jedes Spiralteil eine Spiralwindung enthält, deren innere und äußere Fläche auf einem erzeugenden Kreis basiert, dadurch gekennzeichnet, daß die innere und die äußere Fläche eine Kontur aufweist, welche von einer NC-Maschine nach der folgenden Routine gebildet ist:

1. Wenn Evolventenprofil = Innenfläche, dann Ac = -B- 3 (Pi)/2 + Au

Wenn Evolventenprofil = Außenfläche, dann Ac = - B - 5 (Pi)/2 + Au

2. Xa = (E) cos(Ac + B + Pi)
Ya = (E) sin(Ac + B + Pi)
Xgb = Xa + (L) cos (B + Pi)

Xc = x-Koordinate vom Punkt P

Yc = y-Koordinate vom Punkt P

Az = ((Xc- Xa)² + (Yc - Ya)²)*⁵

Yu = (Xa - Xc)/Az

Cc = arctan(Yu)
_{pl1 =} p₁₂ _ -j

Wenn (Ya - Yc) > O dann weiter mit Schritt 3 Cc = 2(pi) - Cc
FH = -1

3. Xum = Xc + Lik(cos(Cc))

Wenn Xgb - Xüm < 0 dann weiter mit Schritt 4 F12 = -1

4. Yu = (Az² + Lik² -L²)/ 2(Az) (Lik) Cb = (FH) (F12) arctan (Yu)

Xb = Xc + Lik(cos(Cc + Cb))

Yb = Yc + Lik(sin(Cc + Cb))

Xgb = Xb

Bb = arctan((Xa - Sb)/L)
Wenn Ya - Yb> 0 dann weiter mit Schritt 5 Bb = 2(pi) - Bb

-17-

5. Am = B - Bb

6. Ar = Ac + B + 5(Pi)/2 - Pi(LI) + Am(L2)

Doc = Ar + K(Am) (L3) + (Κ-1) (Am) (L2') - (T/C) (L1) R = Cd + Doc²)^1/2
ρ = Ar - arctan(Doc)

X= ((R) cos (p) + Q(T1) sin (Ar)] TT)L4 Y = (R) sin (p) - C(TI)COs(Ar)]TT

7. Ac = Ac + Ai

8. Wenn Ar = 2(pi)(Nw) + Pi/2 dann weiter mit Schritt

9. Das Verfahren ist abgeschlossen

dabei sind:

E = Exzentrizität = C(Pi) - T
C = Radius des erzeugenden Kreises

¹^ L= Entfernung zwischen der geometrischen Mitte des kreisenden Spiralteiles (52) und der Mitte T des Verbindungsglied-Zapfens
Ac = abbildender Winkel

K1 = Modifikation, welche der festen äußeren Spiral-

flanke gegeben wird, geteilt durch die Gesamt-

modifikation zwischen fester äußerer und beweglicher innerer Flanke

K2 = Modifikation, welche der festen inneren Spiralflanke gegeben wird, geteilt durch die Gesamtmodifikation zwischen innerer und beweglicher äußerer Flanke

R = Größe des Polarvektors

Ar = Rollwinkel

Aro =Rollwinkel (Ar) am beweglichen (kreisenden) Spiralteil

Arf =Rollwinkel (Ar) am festen Spiralteil

B = Winkel zwischen dem Anfang der Evolvente am umlaufenden Basiskreis bis zum Mittelpunkt des Gelenkzapfens (Polar)

T = Dicke der Spiralwindung

-18-

Ai = Inkrementwinkel (d.h., der Winkel, um den AC in-

krementiert wird)
Au = Kegelwinkel (der Winkel zwischen der x-Achse und einer Linie, die senkrecht zu einer Tangente an den erzeugenden Basiskreis ist und durch die Berührungspunkte des pyhsikalischen inneren Endes einer Windung und den Evolventenkurven, aus denen ihre Flanken erzeugt wurden, verläuft) T1 = Werkzeugradius

D= Entfernung zwischen dem Mittelpunkt des Baiskreises und dem Mittelpunkt des Verankerungsstifts

Lik = Länge des die Drehung (Steuernden Verbindungsgliedes
wobei die logischen Koeffizienten folgende sind:

Flache: L1 L2 L3 L4 TT Feste innere 1 0 1 -1 -1 Feste äußere 0 0 1 -1 1 Bewegliche innere 1 1 0 1 -1 Bewegliche äußere 0 1 0 1 1

53. Spiralteile nach Anspruch 52, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Vier-Stangen-Verbindung umfassen, welche

zwischen dem festen Spiralteil (50) und dem bewegli-25

chen Spiralteil (52) liegt und eine Relativverdrehung zwischen den Spiralteilen (50,52) auf einen begrenzten, bestimmten Wert beschränkt.

54.Feststehendes Spiralteil und bewegliches Spiralteil 30

für eine Spiralmaschine, wobei ein Abschnitt des beweglichen Spiralteiles gegenüber dem festen Spiralteil· mit einer Exzentrizität E kreist und am beweglichen Spiralteil ein die Drehung steuerndes Verbindungsglied

an einem Punkt P befestigt ist, wobei jedes Spiralteil 35

eine Spiralwindung enthält, deren Innen- und Außen-

-19-

fläche auf einem erzeugenden Kreis basiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Innen- und Außenfläche eine Kontur aufweisen, die von einer NC-Maschine nach der folgenden Routine gebildet wurde:

1. Wenn Evolventenprofil = Innenfläche dann

Ac = - B - 3(pi)/2 + Au

Wenn Evolventenprofil = Außenfläche dann Ac = - B - 5(pi)/2 + Au

2. Am = aresin t(E/L) sin (Ac)}

3. Ar = Ac + B + 5 (Pi)/2 - Pi(LI) + Am(L2)

Doc = Ar + K(Am)(L3) + (K-1)(Am)(L2) - (T/C)(L1) R = C(1 + Doc²)¹^²
ρ = Ar - arctan(Doc)

X = ((R) cos (p) + [(T1) sin (Ar)] TT) L4 Y = (R)sin(p) - Qt 1) cos (Ar)I[TT

4. Ac = Ac + Ai

5. Wenn Ar = 2(pi) (Nw) + Pi/2 dann weiter mit Schritt 2 6. Das Verfahren ist abgeschlossen.

Dabei sind;

E = Exzentrizität = C(Pi) - T

C = Radius des erzeugenden Kreises ° L= Entfernung zwischen der geometrischen Mitte

des kreisenden Spiralteiles (52) und dem Mittelpunkt P des Verbindungsglied-Zapfens,

Ac = abbildender Winkel

K1 = Modifikation, welche der festen äußeren Spiral-

flanke gegeben wird, geteilt durch die Gesamtmodifikation zwischen fester äußerer und beweglicher innerer Flanke,

K2 = Modifikation, welche der festen inneren Spiralflanke gegeben wird, geteilt durch die Gesamtmodifikation zwischen fester innerer und beweglicher äußerer Flanke,

-20-

33A6Ö46

R= Größe des Polarvektors
Ar = Rollwinkel
Aro = Rollwinkel (Ar) am beweglichen (kreisenden) Spiralteil
Arf = Rollwinkel (Ar) am festen Spiralteil

B = Winkel vom Beginn der Evolvente am umlaufenden Basiskreis bis zum Mittelpunkt des Schwenkzapfens (Polar)

T = Dicke der Spiralwindung
IQ Ai = Inkrementwinkel (d.h., der Winkel, um den AC

inkrementiert wird)

Au = Kegelwinkel (der Winkel zwischen der x-Achse und einer Linie, die senkrecht zu einer Tangente am erzeugenden Baiskreis ist und durch die Berüh- IQ rungspunkte des pyhsikalischen inneren Endes

einer Windung und den Evolventenkurven, aus denen die Flanken erzeugt wurden, verläuft) T1 = Werkzeugradius

D = Entfernung zwischen dem Mittelpunkt des Basiskreises und dem Mittelpunkt des Verankerungsstiftes
wobei die logischen Koeffizienten folgende sind:

Fläche: L1 L2 L3 L4 TT

Feste innere 1 0 1 -1 -1 Feste äußere 0 0 1 -1 1 Bewegliche innere 1 1 0 1 -1 Bewegliche äußere 0 1 0 1 1

55. Spiralteile nach Anspruch 54, dadurch gekennzeichnet,

daß sie eine Kurbel- und Gleit-Verbindung umfassen, welche zwischen dem feststehenden Spiralteil (50) und dem beweglichen Spiralteil (52) liegt und eine Relativ-_OI_ Verdrehung dieser Spiralteile (50,52) auf einen begrenzten, bestimmten Wert beschränkt.