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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen
in einen Roots-Verdichter eingebauten Rotor-Bausatz und
insbesondere auf eine Technik zur sicheren Befestigung eines
Rotors aus einer Leichtmetallegierung auf einer aus Stahl
gefertigten Lagerwelle. Es sind mehrere
unterschiedliche Techniken zur Befestigung des Rotors auf der
Welle bekannt, um einen exakten Antrieb zu erreichen.
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Aus der EP-0135257 A1, die dem gattungsbildenden Teil des
Patentanspruchs 1 entspricht, ist eine Rotoranordnung für
ein Aufladegebläse bekannt, wobei die Rotoren an Wellen mit
einem abgestuften Durchmesser befestigt sind, die in die
zentral angeordneten Durchgangsbohrungen in den Rotoren
eingepreßt werden. Gerade Keilprofile, die auf die Wellen
gewalzt sind, bilden in den Rotorbohrungen auf der dem
Steuerzahnrad des Rotors benachbarten Seite ineinandergreifende
Keile. Die Preßpassung zwischen der Welle und dem Rotor
erfolgt lediglich an den seitlichen Bereichen von diesen.
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In der japanischen Anmeldung (Kokai Nr. 59-63390) ist ein
Rotor-Bausatz beschrieben, wobei, um ein Spiel zwischen einem
Rotor und einer Welle zu verhindern, ein radial verlaufender
Stift eingesetzt wird, welcher in die Welle sowie in
radiale Stiftbohrungen im Rotor eingreift. Die Stifte sind am
Ende des Rotors benachbart zum Steuerzahnrad vorgesehen,
während axiale Keile an der entgegengesetzten Seite
angeordnet sind, um die Drehmomentübertragung zu verbessern.
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Die Schrift US-A-3275225 offenbart schließlich die
Verwendung von zentral angeordneten radialen Stiften, um das
Positionieren des Rotors mit Bezug zur Welle zu verbessern.
Diese Stifte verlaufen rechtwinklig zu diametral
entgegengesetzten abgeflachten Wellenflächen, um einen sicheren Sitz
zwischen der Welle und dem Rotor zu schaffen.
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Ein Verdichter einer Roots-Bauart gemäß einem
unveröffentlichten internen Stand der Technik verwendet eine Mehrzahl
von Rotor-Bausätzen, von denen jeder einen Rotor einschließt
und eine Lagerwelle, um den Rotor zu lagern. Der Rotor und
die Welle sind untereinander so befestigt, daß die Welle im
Preßsitz in eine konzentrisch durch den Rotor hindurch
ausgebildete axiale Bohrung eingebracht wird, während ein
Verriegelungsstift durch den Rotor und die Welle in einer die Achse
des Rotor-Bausatzes kreuzenden Richtung eingesetzt wird.
Üblicherweise ist der Rotor aus einem vergleichsweise weichen
Leichtmetall-Legierungsmaterial, wie einer
Aluminiumlegierung, für ein vermindertes Beharrungsvermögen gebildet,
während die Lagerwelle für eine ausreichende Steifigkeit aus
einem Stahlmaterial gefertigt ist.
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In einem Rotor-Bausatz der oben geschilderten Konstruktion
haben der Rotor und die Lagerwelle einen relativ großen
Unterschied im Wärmedehnungskoeffizienten. Demzufolge schrumpft
der Rotor in einem größeren Ausmaß als die Lagerwelle, wenn
der Rotor-Bausatz z. B. in einem
Temperatur-Wechselbeanspruchungstest gekühlt wird, wobei der Rotor und die Welle einer
erheblichen Änderung in der Temperatur unterworfen werden.
Als Resultat wird der Wert des Übermaßes zwischen der
Innenfläche des Rotors und der Außenfläche der Welle im
Vergleich zum Soll- oder vorbestimmten zweckmäßigen Übermaß,
das bei einem Preßsitzeingriff der Welle mit der Bohrung
im Rotor gegeben ist, vergrößert. Der vergrößerte
übermaßwert resultiert in einer erhöhten Beanspruchung
(Zugspannung), die auf-den Rotor in dessen Umfangsrichtung ausgeübt
wird. Die Zugspannung kann die Fließgrenze des Rotormaterials
überschreiten, was eine plastische Verformung des Rotors
während eines Kühlens des Rotor-Bausatzes hervorruft. Wenn
der Rotor-Bausatz anschließend einer höheren Temperatur
ausgesetzt wird, so wird folglich der Übermaßwert zwischen dem
Rotor und der Welle wegen der plastischen Verformung
reduziert und die Haltekraft oder der Anpreßdruck zwischen den
beiden Bauteilen demzufolge vermindert. Das kann ein
geringes
Ausmaß einer relativen Rotationsklapperbewegung zwischen
dem Rotor und der Welle im Betrieb des Verdichters
ermöglichen. Während umlaufende und axiale Bewegungen des Rotors mit
Bezug zur Welle durch den Verriegelungsstift unterbunden
werden, können die Stiftbohrungen, in die der
Verriegelungsstift eingesetzt ist, aufgrund eines Abriebs vergrößert
werden, da das Antriebsdrehmoment auf den Rotor durch den
Verriegelungsstift übertragen wird. Deshalb können
Relativbewegungen zwischen dem Rotor und der Welle stattfinden, wenn
die Preßpassungskraft zwischen diesen unter die kritische
untere Grenze herabgesetzt wird.
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Der oben erwähnte Verriegelungsstift, der das Drehmoment des
Rotors aufnimmt, ist an einem axial mittigen Teil des Rotor-
Bausatzes angeordnet, während das Antriebsdrehmoment auf die
Lagerwelle durch ein Steuerzahnrad aufgebracht wird, das
am einen der entgegengesetzten Enden der Welle befestigt ist.
Insofern besteht ein erheblicher Abstand zwischen dem
Steuerzahnrad und dem Verriegelungsstift, welcher mehr oder
weniger ein Verdrehen eines Abschnitts der Welle aufgrund einer
auf diesen Teil aufgebrachten Torsionskraft hervorrufen kann.
Das ist ein Grund für eine weitere Schwierigkeit des
bekannten Roots-Verdichters, daß nämlich eine vorbestimmte
relative Winkelphase der mehreren Rotor-Bausätze während eines
Betriebs des Verdichters verlustig gehen kann.
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Die Aufgabe, die dieser Erfindung zugrunde liegt, ist, einen
Roots-Verdichter, der einen Rotor-Bausatz umfaßt, zu
schaffen, welcher ein leichtes axiales Positionieren der Welle
mit Bezug zum Drehkolben gewährleistet, und den Drehkolben
gegenüber hohen axialen Beanspruchungen, die 'auf einen
Unterschied im Wärmedehnungskoeffizienten zwischen dem
Drehkolben und der Welle zurückzuführen sind, zu schützen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch
die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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In dem Roots-Verdichter dieser Erfindung mit dem oben
beschriebenen Aufbau werden die am einen Ende des
Preßsitzteils der Welle auf der Seite des Steuerzahnrades
vorgesehenen Eingriffszähne gegen die Innenfläche der axialen
Bohrung im Drehkolben an ihren Flächen gepreßt, die mit Bezug
zur tangentialen Richtung der Welle geneigte Flächen
einschließen. Der Zunahmewert im übermaß zwischen diesen
geneigten Flächen der Zähne und der Innenfläche des
Drehkolbens ist merklich kleiner als derjenige zwischen den
tangentialen (zur radialen Richtung der Welle rechtwinkligen)
Flächen der Zähne und der Innenfläche des Drehkolbens. Als
Ergebnis werden die Zugspannungen, die auf den Drehkolben in
dessen Umfangsrichtung während eines Kühlens des
Rotor-Bausatzes in einer Wärmestoßprüfung ausgeübt werden, die
Fließgrenze des Materials des Drehkolbens an seinen Teilen,
die die geneigten Flächen eines jeden Zahnes der
Eingriffszähne berühren, nicht überschreiten. Auf diese Weise tragen
die Eingriffszähne dazu bei, den Drehkolben gegen eine
plastische Verformung aufgrund solcher Zugspannungen zu
schützen, und folglich auch dazu, eine Verminderung in der
Haltekraft zwischen dem Drehkolben und der Lagerwelle zu
verhindern.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Rotor-Bausatzes
wird ein dem Steuerzahnrad vermitteltes Drehmoment auf den
Drehkolben primär durch den Preßsitzeingriff der
Eingriffszähne mit dem Drehkolben übertragen. Deshalb werden
Stiftbohrungen für den Verriegelungsstift gegenüber einer
Vergrößerung aufgrund von Abrieb geschützt, so daß eine
relative Drehbewegung des Drehkolbens und der Welle
ausgeschaltet wird. Insofern ist der Roots-Verdichter, der gemäß der
Erfindung konstruiert ist, imstande, ein Übermaß zwischen
den benachbarten Rotor-Bausätzen oder zwischen dem Rotor-
Bausatz und dem Statorgehäuse des Verdichters zu vermeiden.
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Weil ferner die Eingriffszähne am Ende des Preßsitzteils
der Welle auf
der Seite des Steuerzahnrades vorgesehen sind,
wird eine durch das dem Steuerzahnrad vermittelte Drehmoment
hervorgerufene Torsionskraft an einem Abschnitt der Welle
zwischen den Eingriffszähnen und dem Steuerzahnrad eher als
zwischen dem Verriegelungsstift und dem Steuerzahnrad
ausgeübt. Das heißt mit anderen Worten, daß die Länge eines Teils
der Welle, auf welchen die Torsionskraft aufgebracht wird,
vermindert wird, und folglich wird die Größe einer
Verdrehung der Welle aufgrund der Torsionskraft ebenfalls
herabgesetzt. Folglich bewahren die Rotor-Bausätze eine
vorbestimmte Winkelphase mit Bezug zueinander und sind diese von einem
übermaß zwischen den Drehkolben frei.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Roots-Verdichters
ist einer Anordnung zuzuschreiben, wobei der
Verriegelungsstift im wesentlichen in der axialen Mitte des Preßsitzteils
der Welle angeordnet ist. Das bedeutet, daß eine axiale
Verlagerung des Drehkolbens mit Bezug zur Welle, welche durch
einen Unterschied im Wärmedehnungskoeffizienten zwischen den
zwei Bauteilen hervorgerufen werden kann, gleichmäßig an
beiden Seiten des Verriegelungsstifts auftritt, wenn der Rotor-
Bausatz einem Temperaturwechsel unterliegt. Deshalb werden
die auf den Rotor aufzubringende axiale Spannung und dessen
daraus folgende Verformung gemildert.
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Wie vorstehend beschrieben wurde, wird der Roots-Verdichter
gemäß dem Grundgedanken dieser Erfindung gegenüber einem
übermaß zwischen den benachbarten Rotor-Bausätzen oder
zwischen den Rotor-Bausätzen und dem ortsfesten Gehäuse des
Verdichters geschützt und insofern in seiner Lebensdauer
gesteigert. Das ist der schließlich sich ergebende Vorteil, der
durch die vorliegende Erfindung geboten wird.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung werden die in Mehrzahl
vorhandenen Eingriffszähne voneinander in einer
Umfangsrichtung der Welle beabstandet. In einer Ausführungsform
des dieses Merkmal einschließenden Roots-Verdichters hat
jeder der Eingriffszähne eine zu einer radialen Richtung der
Welle senkrechte Kopffläche und ein Paar von geneigten
Seitenflächen, die von entgegengesetzten Enden der Kopffläche
ausgehen.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung umfaßt die axiale
Bohrung ein erstes Bohrloch, das einem Preßsitzteil der
genannten Welle, an welcher die Eingriffszähne vorgesehen sind,
entspricht, und ein zweites Bohrloch, das dem Rest des
Preßsitzteils der Welle entspricht.
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In einer Ausführungsform des obigen Merkmals der Erfindung
ist ein Durchmesser des ersten Bohrlochs größer als
derjenige des zweiten Bohrlochs.
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In Übereinstimmung mit einem weiteren Merkmal der Erfindung
werden die Eingriffszähne in Gestalt eines Getriebezähne
besitzenden Zahnrades vorgesehen, wobei die Zähne voneinander
in einer Umfangsrichtung der Welle beabstandet sind. In
diesem Fall wird bevorzugt, daß ein Durchmesser des ersten
Bohrlochs geringer als ein Durchmesser eines Kopfkreises der
Getriebezähne, jedoch größer als ein Durchmesser des
Fußkreises der Getriebezähne ist.
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In Übereinstimmung mit einer Anordnung gemäß dem obigen
Merkmal der Erfindung hat jeder der Getriebezähne eine
zu einer radialen Richtung der Welle rechtwinklige
Kopffläche und ein Paar von geneigten Seitenflächen, die sich
zwischen entgegengesetzten Enden der Kopffläche sowie einer
äußeren Umfangsfläche der Welle erstrecken.
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Die obigen und fakultative Ziele, Merkmale und Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden bei einem Studium der
folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung unter Würdigung im Zusammenhang mit
den beigefügten Zeichnungen deutlicher. In den Zeichnungen
ist:
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Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines
Roots-Verdichters, der Rotor-Bausätze, die in
Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung
konstruiert sind, enthält;
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Fig. 2 eine teilweise abgebrochene Schnittdarstellung von
einem der beiden Rotor-Bausätze des Verdichters von
Fig. 1;
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Fig. 3 eine stirnseitige Ansicht des Rotor-Bausatzes von
Fig. 2 bei Betrachtung längs der Achse des
Rotor-Bausatzes;
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Fig. 4 eine abgebrochene, vergrößerte Darstellung des Rotor-
Bausatzes von Fig. 2;
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Fig. 5 eine abgebrochene Darstellung im Querschnitt des
Rotor-Bausatzes, die einen Preßsitzeingriff zwischen einem
Drehkolben und Eingriffszähnen an einer Lagerwelle des
Rotor-Bausatzes von Fig. 2 zeigt;
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Fig. 6 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung eines
Rotor-Bausatzes eines Roots-Verdichters in Übereinstimmung
mit einem unveröffentlichten internen Stand der Technik.
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Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wird im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben.
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In der Seitenansicht der Fig. 1 ist ein Roots-Verdichter
in einer Konstruktion gemäß der Erfindung gezeigt. In der
Figur bezeichnet die Bezugszahl 10 ein Statorgehäuse des
Roots-Verdichters, in welchem ein Paar von Rotor-Bausätzen
15, 16 drehbar mittels Lagern 19 gehalten sind. Der Rotor-
Bausatz 15 umfaßt einen Drehkolben 17 und eine Lagerwelle 13.
Der Drehkolben 17 hat eine Querschnittsgestalt, die der
Gestalt eines Kokons oder einer Erdnußhülse ähnlich ist, wie
in Fig. 3 gezeigt ist, und er besteht aus einem Leichtmetall-
Legierungsmaterial, wie einer Aluminiumlegierung. Die
Lagerwelle 13 ist aus einem Stahlmaterial gefertigt und hat am
einen ihrer entgegengesetzten axialen Enden ein
Steuerzahnrad 11. In gleichartiger Weise umfaßt der Rotor-Bausatz 16
einen Drehkolben 18 sowie eine Lagerwelle 14 mit einem
Steuerzahnrad 12, das mit dem Steuerzahnrad 11 kämmt und die
gleiche Zähnezahl wie das Zahnrad 11 hat. Am anderen Ende
der Lagerwelle 13 ist eine Antriebsscheibe 21 befestigt.
Eine der Antriebsscheibe 21 vermittelte Drehbewegung wird
auf die Lagerwelle 13 und über die Steuerzahnräder 11, 12
auf die Lagerwelle 14 übertragen, wodurch die zwei Rotor-
Bausätze 15, 16 mit derselben Geschwindigkeit in
entgegengesetzten Richtungen gedreht werden, wobei eine vorbestimmte
relative Winkelphase eingehalten wird.
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Da die beiden Rotor-Bausätze 15 und 16 identisch aufgebaut
sind, bezieht sich die folgende detaillierte Beschreibung
lediglich auf den Rotor-Bausatz 16, der in den Fig. 2 bis
Fig. 5 gezeigt ist. Der Drehkolben 18 besitzt eine durch
diesen axial hindurch ausgebildete Axialbohrung. Diese
Axialbohrung hat ein erstes Bohrloch 42 und ein zweites Bohrloch
20, das im Durchmesser kleiner als das erste Bohrloch 42 ist.
Die Stahl-Lagerwelle 14 wird durch das axiale Bohrloch 20
und 42 so eingesetzt, daß die Welle 14 über eine
vorbestimmte Länge in das axiale Bohrloch 20, 42 im Preßsitz
eingebracht wird. Ein Teil der Welle 14, der im Preßsitz in dem
axialen Bohrloch 20, 42 aufgenommen ist, wird als
"Preßsitzteil" bezeichnet. Die Welle 14 besitzt eine Mehrzahl von
Eingriffszähnen 22 in Gestalt eines einstückig am einen
der einander entgegengesetzten Enden des Preßsitzteils auf
der Seite des Steuerzahnrades 12 ausgebildeten Zahnrades.
Die Eingriffszähne 22 sind so gestaltet, daß sie sich in
der axialen Richtung der Welle 14 erstrecken, und sie sind
in der Umfangsrichtung der Lagerwelle 14 voneinander gleich
beabstandet, wie in Fig. 5 dargestellt ist. Der Durchmesser
des zweiten Bohrlochs 20 und der Außendurchmesser der
Lagerwelle 14 werden so bestimmt, daß die Welle 14 mit dem
zweiten Bohrloch in einer engen oder festen Passungsweise in
Eingriff ist. Das erste Bohrloch 42 ist zur Aufnahme der
Eingriffszähne 22 mit einer Preßpassung ausgebildet. Der
Durchmesser des ersten Bohrlochs 42 ist kleiner als der
Durchmesser des Kopfkreises (Außendurchmesser) der Zähne 22,
jedoch größer als der Durchmesser des Fußkreises der Zähne
22. Mit der in das axiale Bohrloch 20, 42 unter Zwang
eingesetzten Lagerwelle 14 sind die Zähne 22 teilweise in die
Innenfläche, die das erste Bohrloch 42 bestimmt,
eingelassen, wie in Fig. 4 und 5 gezeigt ist. Der Drehkolben 18 und
die Lagerwelle 14 besitzen an ihren axial mittigen Teilen
jeweils Stiftbohrungen 23 und 24. Diese Stiftbohrungen 23, 24
sind so ausgebildet, daß sie in einer die Drehachse des
Rotor-Bausatzes 16 kreuzenden Richtung verlaufen. Um einen
Verriegelungsstift 26, nachdem die Lagerwelle 14 im
Preßsitz in die Bohrlöcher 20, 42 eingebracht ist, aufzunehmen,
sind diese Stiftbohrungen 23, 24 miteinander in Flucht.
Auf diese Weise wird der Verriegelungsstift 26 in der
axialen Mitte des Preßsitzteils der Welle 14 angeordnet. Wie in
Fig. 4 gezeigt ist, ist zwischen dem zweiten Bohrloch 20 und
dem ersten Bohrloch 42 eine Ringkehle 44 ausgestaltet.
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Wie oben gesagt wurde, wird die Lagerwelle 14 unter Zwang
in das zweite Bohrloch 20 für eine enge Passung eingebracht,
während gleichzeitig die Kopfflächen der Eingriffszähne, die
nahe dem Steuerzahnrad 12 ausgebildet sind, gewaltsam in
die Innenwand des Drehkolbens 18, die das erste Bohrloch 42
abgrenzt, eingegraben werden. In diesem Zustand wird eine
Drehbewegung der Lagerwelle 14 mit Bezug zum Drehkolben 18
primär durch die Preßpassung der Eingriffszähne 22 in dem
ersten Bohrloch 42 verhindert, während eine Längsverlagerung
der Lagerwelle 14 mit Bezug zum Drehkolben 18 primär durch
den durch die Stiftbohrungen 23, 24 hindurch eingesetzten
Verriegelungsstift 26 unterbunden wird.
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In einem Rotor-Bausatz 30 eines in Fig. 6 zu Vergleichszwecken
dargestellten Roots-Verdichters ist eine
Stahl-Lagerwelle 32 im Preßsitz in eine in einem Drehkolben 34
ausgebildete Bohrung 36 eingesetzt. Hierbei wird ein
Verriegelungsstift 38 in in der Lagerwelle 32 sowie dem Drehkolben
34 ausgebildete Bohrungen eingeführt, um eine relative
Drehbewegung
zwischen der Welle und dem Rotor 32, 34 zu
verhindern. Da hier ein relativ großer Unterschied im
Wärmedehnungskoeffizienten zwischen dem aus einem
Leichtmetall-Legierungsmaterial gefertigten Drehkolben 34 und der aus einem
Stahlmaterial hergestellten Lagerwelle 32 besteht, schrumpft
der Drehkolben 34 in einem größeren Ausmaß als die Lagerwelle
32, wenn der Rotor-Bausatz 30 während eines
Temperatur-Wechselbeanspruchungstests, der einen hohen Grad einer
Temperaturänderung in sich schließt, gekühlt wird. Als Ergebnis wird
der Wert des Übermaßes zwischen der Innenfläche des
Drehkolbens 34 und der Außenfläche der Welle 32 im Vergleich mit
dem vorbestimmten Übermaßwert, der durch den Preßsitz oder
die Preßpassung der Welle 32 in der Bohrung 36 im Drehkolben
34 gegeben ist, vergrößert. Diese Vergrößerung im Übermaßwert
ruft eine Spannung (Zugspannung) hervor, die auf den Rotor
34 in der Umfangsrichtung der Bohrung 36 ausgeübt wird,
wobei die Spannung die Fließgrenze des Materials des Rotors 34
überschreiten kann, was in einer plastischen Verformung des
Drehkolbens 34 resultiert. Mit dieser plastischen Verformung
kann das Übermaß zwischen der Welle 32 und dem Drehkolben 34
nicht zum ursprünglich gegebenen Maß zurückgebracht werden,
nachdem der Rotor-Bausatz nachfolgend einer höheren
Temperatur ausgesetzt wird. Somit leiden die Welle 32 und der
Drehkolben 34 an einem Mangel an Haltekraft oder Anpreßdruck
zwischen diesen, und der Rotor-Bausatz 30 neigt zu einer
geringen Relativbewegung zwischen der Welle 32 sowie dem
Drehkolben 34.
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Im Gegensatz zu dem Rotor-Bausatz 30 des in Fig. 6 gezeigten
Roots-Verdichters hält der erläuterte Rotor-Bausatz 16 einen
hinreichenden Wert des Übermaßes zwischen der Stahl-Lagerwelle
14 und dem Drehkolben 18 aus einer Leichtmetallegierung auch
dann aufrecht, wenn der Bausatz 16 einer
Temperaturwechselprüfung ausgesetzt wird, weil die Eingriffszähne 22 teilweise
in die Wand des Drehkolbens 18 gepreßt werden, wie vorher
erläutert wurde. Im einzelnen besitzt jeder der
Eingriffszähne
22 eine zur radialen Richtung der Welle 14
rechtwinklige Kopffläche 40 und ein Paar von geneigten Seitenflächen
28, die sich (bei Betrachtung in der Umfangsrichtung der
Welle 14) zwischen den entgegengesetzten Enden der
Kopffläche 40 und der Außenumfangsfläche der Welle 14
erstrecken.