DE3518217A1 - Zweifache rotorgetriebeanordnung fuer eine trochoid-rotationseinrichtung - Google Patents

Zweifache rotorgetriebeanordnung fuer eine trochoid-rotationseinrichtung

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Description

Trochoid Power Corporation, 14789 Martin Drive, Eden Prairie, Minnesota 55344, U.S.A.
Zweifache Rotorgetriebeanordnung für eine Trochoid-Rotationseinrichtung
Die hier beschriebene Erfindung betrifft eine Steuergetriebe- bzw. Einstellgetriebeanordnung für eine Trochoid-Rotationseinrichtung mit vergrößerbarer Kammer, die einen planetenartig umlaufenden Rotor besitzt, bei dem eine zweifache Anordnung von Steuergetrieben vorgesehen ist, an gegenüberliegenden Seiten des Rotors, um ein Taumeln des Rotors zu verhindern.
Trochoid-Rotationseinrichtungen mit vergrößerbarer Kammer, wie z.B. der Wankelmotor oder epitrochoide Rotationsma-
108
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schinen, weisen im allgemeinen ein Gehäuse auf, das einen Raum bildet, in dem ein Rotor auf eine planetenartige Weise drehbar angebracht ist. Trochoid-Rotationseinrichtungen können in zwei Gruppen aufgeteilt werden, nämlich solche mit innerer Hüllkurve und solche mit äußerer Hüllkurve. Bei der Ausbildung mit innerer Hüllkurve ist das Profil des Gehäuseraums eine Trochoidkurve und das äußere Profil des Rotors ist die innere Hüllkurve der Trochoidkurve. Bei einer Einrichtung mit äußerer Hüllkurve ist das Rotorprofil die äußere Hüllkurve der Kurve. Variable Räume, die zwischen den zugekehrter Umfangsflachen des Rotors und des Gehäuses gebildet sind, dienen als Arbeitskammern für eine Kompression oder eine Expansion eines Fluids.
Bei Trochoid-Einrichtungen ist das Rotortaumeln ein chronisches Problem. Das Rotortaumeln beruht auf dem Freischwingen bzw. Auskragen des Rotors bei seiner planetenartigen Bewegung und tritt insbesondere bei Einrichtungen mit äußerer Hüllkurve auf, bei denen sich ein Antriebszahnrad-Steuergetriebe, das mit dem Rotor verbunden ist, bezüglich eines Ringgetriebes bewegt. Das Rotortaumeln beruht möglicherweise auf einer radialen Kraft, die ein Außer-Eingriff-Kommen bewirkt, aufgebracht gegen die abgeschrägte Oberfläche der Zähne des Antriebszahnradgetriebes durch dessen Bewegung um das Ringgetriebe.
Ein Rotortaumeln kann einen Leistungsverlust bewirken und Unwirksamkeiten der Arbeitskammer. Hauptsächlich bewirkt das Rotortaumeln, daß die Umfangsecken des Rotors gegen die Seitenwände schlagen, was eine Materialbeeinträchtigung und einen frühzeitigen Ausfall der Einrichtung verursachen kann.
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Diese Taumelwirkung verursacht auch einen ungleichen Abdichtungsverschleiß in dem Rotorgehäuse, was umso bedeutender ist, je größer die Dichtfläche und die Rotorabmessung ist, und sich in verminderter Abdichtungslebensdauer der Trochoid-Einrichtung auswirkt.
Eine Trochoid-Rotationseinrichtung, insbesondere eine solche mit äußerer Hüllkurve, ist mit einer zweifachen Steuerungsgetriebeanordnung in Verbindung mit dem Rotor versehen. Die Steuerungsgetriebesysteme sind funktionell mit gegenüberliegenden seitlichen Seiten des Rotors verbunden, um den Rotor gegen ein Taumeln abzustützen. Ein bedeutendes Merkmal der Erfindung ist es, daß die an gegenüberliegenden Seiten befindlichen Steuergetriebe auf einer Seite des Rotors nicht notwendig spiegelbildlich zu der anderen Seite sein müssen und es in der Tat auch nicht sind. Das heißt, daß die gegenüberliegenden Antriebszahnrädergetriebe und/oder die gegenüberliegenden Ringgetriebe umfangsmäßig relativ zueinander versetzt sind, an gegenüberliegenden Seiten des Rotors. Dies erlaubt es, die Antriebszahnradgetriebe an dem Rotor zu befestigen ohne Berücksichtigung ihrer relativen umfangsmäßigen Zahnbeabstandung, und erlaubt es in der Folge auch, die inneren Ringgetriebe so einzustellen, daß eine gleiche Getriebezähnebelastung auftritt, was eine Voraussetzung ist, um das Rotortaumeln auszuschließen. Ein weiteres bedeutendes Merkmal der Erfindung ist es, daß die zwei gegenüber angeordneten Steuergetriebesysteme gleichzeitig vollständig übereinstimmende Belastungen zu jeder Zeit tragen.
Gleichmäßige Belastung und relative umfangsmäßige Versetzung der quer zu dem Rotor gegenüber angeordneten Steuergetriebe wird gleichzeitig bewirkt durch eine beliebige Befestigung der Antriebszahnräder-Getriebe an deir.
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Rotor und dann eine Einstellung der Ringetriebe in Bezug
auf die Antriebszahnräder, bevor die Ringgetriebe in dem
Rotorgehäuse befestigt werden. Dies kann ausgeführt werden, indem Haltevorrichtungen verwendet werden oder es kann
noch besser ausgeführt werden durch einen Zusammenbau
der Trochoideinrichtung unter Verwendung einer geeigneten
Instrumentausrüstung und Meßmitteln. Dieses Einstellverfahren ermöglicht es, daß das zweifache Einstellgetriebesystem eine versetzte Beziehung ausbildet zwischen den Einstellgetrieben des gegenüberliegenden Paares, was Zusammenbau- und Herstellungstoleranzen in der Welle, den Getrieben und dem
Exzenter ausgleicht, um so eine ausgeglichene Belastung der Einstellgetriebesysteme sicherzustellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines Seitenaufrisses eines
epitrochoiden Kompressors mit äußerer Hüllkurve, unter Verwendung einer zweifachen Einstellgetriebeanordnung gemäß
der hier beschriebenen Erfindung; und
Fig. 2 zeigt einen schematischen Vorderaufriß, darstellend
die relative Anordnung der gegenüberliegenden Einstellgetriebe während der Bewegung des Rotors.
Wie einem Fachmann in diesem Gebiet bekannt ist, wird mit
den Bezeichnungen "innere Umhüllende" und "äußere Umhüllende" die Weise beschrieben, in der die Profile der Arbeitsglieder erzeugt werden, für Rotations-Trochoideinrichtungen mit vergrößerbarer Kammer. Typische Ausbildungen der
Trochoideinrichtungen besitzen feste Gehäuseglieder zur
Aufnahme des Rotors, der planetenartig darin sich bewegt.
Die bekannten Ausgestaltungen besitzen entweder innere
BOEI-LNtEKT & :BO£.HMERT
-JEr-
Rotoren in Gestalt einer epitrochoiden oder hypotrochoider. Kurve, oder sie besitzen innere Rotoren in der Gestalt von Umhüllenden, abgeleitet von solchen Kurven. Die Bezeichnungen "epitrochoid" und "hypotrochoid" beziehen sich auf die Weise, in der die Profilkurven der Trochoidmaschinen erzeugt werden, wie dies z.B. in dem U.S. Patent 3,117,5611 beschrieben ist.
Trochoidprofile mit innerer Hüllkurve und äußerer Hüllkurve können viele Ausgestaltungen einnehmen. Beabstandungen, die zwischen dem trochoiden Profil des Arbeitsgliedes und der Umfangswandoberfläche des Hüllkurven-Arbeitsgliedes ausgebildet sind, dienen dazu, eine Arbeitskammer für ein Fluid zu begrenzen, wie sie beispielsweise für Expansions- oder Kompressionsverfahren eines Fluids verwendet werden. Wenn es auch die herkömmliche Art ist, das Rotorgehäuse stationär zu halten, während sich der Rotor in dem Gehäuseraum bewegt, ist es genau so bekannt, den Rotor und die Antriebswelle festzuhalten und das Rotorgehäuse zu rotieren, wie dies etwa in dem U.S. Patent 3,091,368 offenbart ist.
Die Figur der Zeichnung zeigt eine Trochoid-Rotationseinrichtung 10 mit äußerer Umhüllender, auf der Grundlage einer Epitrochoidkurve mit drei Ausformungen, die, jedoch lediglich beispielhaft,als Kompressor arbeitet. Die Einrichtung 10 weist ein zweistückiges Rotorgehäuse 11, 12 auf, das einen profilierten Raum 13 bildet, in dem ein epitrochoider Rotor 14 für eine Bewegung angebracht ist. Ein Paar von Endplatten 15 und 16 sind jeweils an den äußeren Seiten der Gehäusestücke 11, 12 über geeignete Bolzenmittel 17 angebracht. Eine einzelne angetriebene Welle 18 erstreckt sich axial durch das Gehäuse 11, 12 und ist für eine Drehung in geeigneten Achs-
BOEHMEFGT & SOEHMERT;
lagern in den Ehdplatten 15 und 16 abgestützt. Das Profil der äußeren Umhüllenden des Gehäuseräumes 13 ist symmetrisch ausgebildet zu einer ersten Achse, die die axiale Mittellinie der Antriebswelle 18 ist. Die Antriebswelle ist mit einer exzentrischen Ausformung 19 ausgebildet, die konzentrisch zu einer zweiten Achse ist, die radial zu der ersten Achse versetzt ist und um welche der Rotor 14 symmetrisch angeordnet ist. Der Rotor 14 bewegt sich planetenartig um die zweite Achse über ein Büchsenlager 20.
An dem Rotor 14, zur Drehung mit diesem über das Büchsenlager 20, ist ein zweifaches, gegenüberliegendes Antriebszahnradgetriebeelement 21 angebracht, gebildet durch einen einzigen Stützring 23 und ein erstes radiales Antriebszahnradgetriebe 24, das sich angrenzend an eine seitliche Seite des Rotors 13 erstreckt, und ein gleiches, getrenntes zweites radiales Antriebszahnradgetriebe 22, angeordnet angrenzend an die gegenüberliegende seitliche Seite des Rotors 14. Das zweite Antriebszahnradgetriebe 22 ist geeignet, wahlweise mit Bolzen befestigt zu werden, wie gewünscht, an die angrenzende Ecke des Stützringes 23. Die Antriebszahnradgetriebe 24 und 22 sind jeweils konzentrisch zu der zweiten Achse. Das Antriebszahnradgetriebeelement 21 kann auf herkömmliche Weise an dem Rotor über eine Schrumpfverbindung befestigt werden.
Die Antriebszahnrad-Getriebe 22 und 24 sind betrieblich zugeordnet entsprechenden gleichen Ringgetrieben 25 und 26, die über Bolzen an den Abdeckplatten 27 und 28 befestigt sind, ausgebildet an den Rotorgehäusestücken 11 und 12. Die Ringgetriebe 25 und 26 sind jeweils konzentrisch zu der ersten Achse. Diese Antriebszahnrad- und Ringgetriebe dienen so als eine zweifache Steuergetriebeanordnung für die Trochoideinrichtung 10, in Übereinstimmung mit der Erfindung.
Der Gehäuseraum 13 und der Rotorumfang dienen dazu, Arbeitskammer variablen Volumens zu bilden, entsprechend zu den Ausformungsbereichen des Raumes 13 bei einer Bewegung des Rotors 14 in dem Gehäuse 11, 12. Die Arbeitskammern sind geeignet abdichtbar voneinander getrennt durch herkömmliche Scheitelpunktdichtungen 29, die an jeder der Spitzen des aktiven Profils angeordnet sind, und andere herkömmliche Arbeitskammer-Dichtanordnungen, sowie z.B. Bogendichtungen, die entlang gegenüberliegenden Seiten des Rotorumfangs angeordnet sind und in Seitenwandbereichen des Motors befestigt sind.
Jede Arbeitskammer ist mit jeweiligen Einlaß- und Auslaßöffnungen 30 und 31 ausgestattet, die in den Gehäusebereichen 11 und 12 ausgebildet sind und entsprechende Einlaß- und Auslaßventilmittel 32 und 33 besitzen, die beispielsweise die Gestalt von Federklappenventilen haben können, was es erlaubt, in den Arbeitskammern Arbeitsfluid während des Betriebs des Kompressors 10 aufzunehmen, zu komprimieren und auszustoßen. Die Einlaß- und Auslaßöffnungen können in den Gehäuseseitenwänden angrenzend zu den Rotorseiten angeordnet sein, oder in der äußeren umhüllenden Oberfläche, die die Abdichtungen 29 enthält. Geeignete Fluidströmungsmittel (nicht dargestellt) dienen dazu, das Fluid, wie etwa Luft, zu den Einlaßöffnungen 30 und durch die Arbeitskammern zu leiten und als komprimiertes Fluid durch die Auslaßöffnungen 31 auszulassen.
Die gegenüberliegenden Steuergetriebesysteme 24, 26 und 22, 25 an jeder Seite des Rotors 14 müssen nicht notwendig spiegelbildlich zueinander sein und sind es in der Tat auch nicht. In Übereinstimmung mit der Erfindung ist beabsichtigt, daß die gegenüberliegenden Ringgetriebe 25 und 26 umfangsmäßig relativ zueinander versetzt sind,
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so daß sie in radialer Richtung nicht miteinander ausgerichtet sind bezüglich ihrer gemeinsamen Drehachse, um so Zusammenbau- oder Fertigungstoleranzen auszugleichen, sowie etwa den Gesamtzahnfehllauf oder das Gesamtzahnspiel oder das Spiel bezüglich der Anordnung. Dieser relative Versatz der gegenüberliegenden Steuergetriebe ist das Ergebnis der Einstellung der Antriebszahnradgetriebe, oder alternativ der Ringgetriebe, der zweifachen Steuergetriebeanordnung, um zugleich eine gleiche Belastung der gegenüberliegenden Steuergetriebesysteme 22, 25 und 24, 26 zu jeder Zeit der Rotorbewegung sicherzustellen» Da die gegenüberliegenden Einstellgetriebesysteme lastmäßig ausgeglichen sind, ist der Rotorbetrieb frei von einem schädlichen Taumeln. Zusätzlich zu der Verbesserung in der Verschleißdauer der Rotorabdichtung als Ergebnis des taumelfreien Betriebes des Rotors nicht langer ein Bedarf gegeben, die seitliche Weite der Getriebezähne des Rotorantriebszahnrades relativ zu der weiten Abmessung des entsprechenden Zahnes des Ringgetriebes mit Übergröße vorzusehen, wie es herkömmliche Praxis ist, um das bislang typische Rotortaumeln zu kompensieren. Desgleichen ermöglicht die Aufteilung der Belastung zwischen den zwei Steuergetriebesystemen gemäß der hier beschriebenen Erfindung es, die Zahnweite des Rings und des Antriebszahnradgetriebes in dem jeweiligen Steuergetriebesystem 24, 26 oder 22, 25 zu reduzieren, bis zu einem Faktor von etwa 1/2 relativ zu herkömmlichen Zahnweiten-Abmessungen bei einer typischen einzelnen Einheit einer Einstellgetriebeanordnung, verwendet in einer vergleichbaren Trochoid-Rotationseinrichtung. Räumliche Einsparungen sind daher bei der Trochoideinrichtung 10 auf der einen oder der anderen Seite des Rotors 14 gegeben.
Ujt. ein- ausgeglichene Einstellung des Antriebszahnrades
BOEHME*RT.&*BOEH-MEKT
- M-
und des Rings der Steuergetriebesysteme 24, 2 6 und 22, 25 bei der hier beschriebenen Erfindung zu ermöglichen, und um eine ausgeglichene Belastung zu erreichen, bringt der Monteur eine Anzeigelinie an dem Umfang 50 des Rotors 14 an. Die zweifachen Antriebszahnradgetriebe 24 und 25 werden über Bolzen zusammen befestigt, indem das Antriebszahnradgetriebe 22 an dem Stützring 23 frei befestigt wird und das duale Antriebszahnradgetriebeelement 21 des Rotors 14 angebracht wird, so daß beide Antriebszahnradgetriebe 24 und 22 konzentrisch zu der Rotationsachse des Exzenters 19 sind, d.h. der zweiten Achse. Die Rotoranordnung wird an dem Exzenter 19 angebracht der an der Welle 18 befestigt ist. Die Welle wird gedreht, bis der Exzenter 19 in der oberen mittleren Totpunktstellung ist, in der die Anzeigelinie an dem Rotor 14 sich in einer "Maximum" Stellung befindet. Eine übereinstimmende Anzeigemarke, zusammenfallend oder ausgerichtet mit der Anzeigelinie an dem Rotor 14, wird dann an dem Raumprofil des Gehäuses angebracht, um diesen "Maximum" Stellungspunkt aufzuzeichnen.
Die gleichen Ringgetriebe 25 und 26 und deren Gehäuseabstützung 27 und 28 sind so, daß die Ringgetriebe konzentrisch sind zu der Wellenachse, d.h. zu der ersten Achse. Eines der Ringgetriebe, etwa das Ringgetriebe 25, das schon mit dem entsprechenden Antriebszahnradgetriebe zusammenwirkt, hier dem Antriebszahnradgetriebe 22, wird dann gedreht, bis die Anzeigelinie auf dem Rotor 14 sich wieder in ihrem "Maximum" Stellungspunkt befindet. Dieses Ringgetriebe 2 5 wird dann in dieser Ausrichtung relativ zu dem Antriebszahnradgetriebe 22 an der Gehäuseabstützung, d.h. an dem Abdeckplattenbereich 27 befestigt.
Der nächste Schritt, der vorzunehmen ist, ist es dann,
eine Bewegungsanzeige an der Seitenwand 51 des Rotors 14 anzubringen. Diese Seitenwand ist die Seite, die dem Getriebe, das ursprünglich als erster Schritt der Einstellung gewählt worden ist, gegenüberliegt, nämlich die, die dem Getriebe 25 zugewandt ist. Die Welle wird dann freigedreht und das andere Ringgetriebe 26 wird umfangsmäßig so eingestellt, daß die Ablesung an dem Anzeiger an der Seitenwand 51 minimiert ist in Bezug auf die Größe ihrer Anzeige. Eine typische Erfahrung ist, daß der Rotor eingestellt werden kann, bei einer Ablesung des Anzeigers an der Seitenwand 51, die so klein ist, daß sie plus oder minus 0,001 ist, bei Verwendung von Büchsenlagern 20 zur Abstützung des Rotors. Das andere Ringgetriebe 26 wird dann, nachdem es so eingestellt ist, in dieser Ausrichtung relativ zu dem Antriebszahnradgetriebe 24 an der Gehäuseabstützung, d.h. an der Abdeckplatte 28, befestigt.
Als Ergebnis dieses Einstellverfahrens für das zweifache Steuergetriebesystem kann erwartet werden, daß die gegenüberliegenden Steuergetriebe, entweder die Antriebszahnräder 22 und 24 oder die Ringe 25 und 26 oder aber beide nicht so ausgerichtet sind, daß sie zueinander spiegelbildlich sind, sondern vielmehr umfangsmäßig relativ zueinander beabstandet sind, so daß sie nicht radial miteinander ausgerichtet sind. Jedoch sind die zweifachen Steuergetriebesysteme nun so eingestellt, daß als Ergebnis des Einstellverfahrens ein Rotortaumeln verhindert ist und beide Einstellgetriebesysteme zu jeder Zeit die gleiche Last tragen. Dies liegt vor, weil das Einstellverfahren es ermöglicht, daß die zweifachen Steuergetriebesysteme eine Verschiebungsbeziehung zwischen den entsprechenden, gegenüberliegenden Steuergetrieben entwickeln, die Zusammenbau- und Herstellungtoleranzen in der Welle, den Getrieben und dem Exzenter kompensiert, zur Erreichung dieser ausgeglichenen, gleich-
BOEHMEfJT&:
' Ab*
mäßigen Belastung.
Wenn auch verschiedene geringfügigere Abänderungen für Fachleute in diesem Gebiet selbstverständlich sind, so soll doch verstanden werden, daß alle solche Änderungen, wie sie vernüftig und der Sache eigen sind, unter den Schutzumfang des hier nachgesuchten Patents fallen.

Claims (8)

BOEHMKRT & ΒΠΕ TM 1308 Ansprüche
1.yTrochoid-Rotationseinrichtung, aufweisend einen Rotor, angeordnet auf einer Welle für eine planetenartige Bewegung, wobei dieser Rotor eine symmetrische äußere Profilfläche aufweist, ein Gehäuse mit einer Umfangswandflache, bildend einen Raum zur Aufnahme des Rotors, einen Exzenter, der an der Welle befestigt ist und den Rotor trägt, zur Bewegung auf der Welle in dem Raum, und Arbeitskammern, die in dem Raum zwischen der Umfangsprofilflache des Rotors und der Umfangswandfläche des Gehäuses gebildet sind, wobei die Verbesserung umfaßt, daß die Rotorbewegung im wesentlichen frei ist von seitlichem Taumeln, dadurch, daß der Rotor für eine Bewegung in dem Raum auf der Welle angeordnet ist über ein gleiches Paar von Steuergetriebesystemen, zusammenwirkend mit dem Rotor und angeordnet an gegenüberliegenden seitlichen Seiten des Rotors, wobei weiter jedes der Steuergetriebesysteme Antriebszahnradgetriebe und ein Ringgetriebe aufweist, das Paar von Steuergetriebesystemen gleich belastet ist zu jeder Zeit während der Bewegung des Rotors und umfangsmäßig relativ zueinander versetzt ist, so daß sie nicht in radialer Ausrichtung miteinander sind.
2. Trochoideinrichtung nach Anspruch 1, wobei die umgebende Wandfläche, die den Raum bildet, eine äußere Hüllkurve einer Trochoidkurve ist, und wobei die Trochoidkurve die äußere Profilumfangsflache des Rotors bildet.
3. Trochoid-Rotationseinrichtung nach Anspruch 2, wobei
die Welle angetrieben ist und die Einrichtung ein Kompressor ist mit Einlaß- und Auslaßventilmitteln, die mit jeder der Arbeitskammern verbunden sind.
4. Trochoid-Rotationseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die entsprechenden Antriebszahnradgetriebe des Paares von Steuergetriebesystemen umfangsmäßig relativ zueinander versetzt sind, so daß sie nicht in einer radialen Ausrichtung miteinander sind.
5. Trochoideinrichtungen nach Anspruch 4, wobei die Antriebszahnradgetriebe an dem Rotor befestigt sind und konzentrisch zu einer Rotationsachse des Exzenters und die Ringgetriebe an den Seitenwänden des Gehäuses befestigt sind und konzentrisch zu einer Rotationsachse der Welle.
6. Trochoid-Rotationseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die entsprechenden Ringgetriebe des Paares von Steuergetriebesystemen umfangsmäßig relativ zueinander versetzt sind, so daß sie nicht in einer radialen Ausrichtung zueinander sind.
7. Trochoid-Rotationseinrichtung nach Anspruch 6, wobei die Antriebszahnradgetriebe an dem Rotor befestigt sind und konzentrisch zu einer Rotationsachse des Exzenters und die Ringgetriebe an den Seitenwänden des Gehäuses befestigt sind und konzentrisch zu einer Rotationsachse der Welle.
8. Trochoideinrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse aus zwei getrennten Gehäusehälften gebildet ist, die lösbar miteinander befestigt sind in einer Ebene, die sich durch den Raum erstreckt.
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