DE931553C - Druckluft-Zahnradmotor - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 11. AUGUST 1955

D 12314 Ia/46a

Druckluft-Zahnradmotor

Die bekannten Geradzahn- und Schrägzahn-Druckluftmotoren arbeiten als Volldruckmaschinen, indem der volle Betriebsdruck die Rotation der Rotoren dadurch veranlaßt, daß im Bereich des Lufteintritts abwechselnd jeweils eine Zahnflanke beider Rotoren aus der Differenz aller beaufschlagten rechten und linken bzw. positiven und negativen Zahnflanken als Kolbenfläche im Drehsinne wirksam wird.

Nach Überlaufen des Lufteintritts sind alle Zahnlücken noch mit Volldrück gefüllt, der sich lediglich durch den geringen Spalt zwischen den Gehäusebohrungen und den Zahnköpfen der Rotorverzahnungen, also durch eine gewisse Undichtigkeit etwas verringern kann. Am Auspuff dieser Motoren tritt dann die Druckluft mit sehr hoher, und zwar der sogenannten kritischen Geschwindigkeit ins Freie, wodurch eine starke Abkühlung der Luft stattfindet. Weil sich der Auspuffvorgang so schnell abspielt, daß kaum Wärme zugeführt oder entzogen werden kann, vollzieht sich in den Motoren eine angenähert adiabatisclhe Zustandsänderung.

Diese Abkühlung geht bis weit unter den Gefrierpunkt und hängt hauptsächlich von der Eintrittstemperatur der Betriebsluft ab. Der Feuchtigkeits- gehalt der Luft verursacht dabei eine mehr oder weniger starke Vereisung der Motoren, wodurch, vor allen Dingen bei Dauerbetrieb, eine verschiedenartige, aber starke Schrumpfung der Gehäuse, der Rotoren und der Lager hervorgerufen wird. Diese allmähliche Vereisung führt sogar zu einer Abkühlung der eintretenden Betriebsluft, wodurch ein weiterer Druckverlust in Kauf genommen werden muß. Man muß mit Rücksicht auf die Ver-

eisungen und Schrumpfungen die Rotoren mit einem gewissen Untermaß herstellen, was wiederum Lässigkeitsverlust zur Folge hat. Die auftretende starke Vereisung bei. adiabatischer oder polytropischer Zusitandänderung wirkt sich selbst bei Kolben-Druckluftmotoren, die mit einer gewissen Expansion arbeiten, so ungünstig aus, daß sie sich in der Praxis nicht durchsetzen konnten.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Druckluft-Zahnradmotoren ist der, daß nicht allein die in den Zahnlücken eingeschlossene Energie beim Erreichen der Auspufföffnung nutzlos verlorengeht, sondern daß außerdem noch ein unangenehmes lautes Auspuffgerättsch entstellt, das* man durch besondere schalldämpfende Mittel zu bekämpfen, versucht.

Diese Nachteile werden durch die Erfindung auf ein Mindestmaß beschränkt. Zu dem Zweck geht die Erfindung von dem an sich bekannten Gedanken aus, die Druckluft nach Arbeitsleistung vor dem Entweichen in die Umgebung in besonderen Kammern expandieren zu lassen, wie es zur Dämpfung von Auepuffgeräuschen bei Druckluftmotoren Torgeschlagen wurde. So werden bei einem bekannten Preßluftmotor in dem Auspuffraum mehrere Kammern gebildet, so daß die Auspuffluft beim Durchströmen dieser Kammern in mehreren Stufen zu expandieren gezwungen wird. Hiermit wird aber nicht mehr erreicht, als wenn man ein Auspuffrohr mit Drosseln anordnen würde, wobei die Druckluft nach der Arbeitsleistung nach ein- oder mehrmaliger Drosselung frei in die Atmosphäre gelangen kann.

Das Wesentliche der Erfindung besteht nun darin, daß die in dem Motorgehäuse vorgesehenen Expansionsräume wechselweise mit den die Druckluft enthaltenden Zahnlücken und einem Auspuffraum in Verbindimg gesetzt werden, so daß jeweils die Expansionsräume im Moment des Einströmens der Druckluft gegenüber dem Auspuffraum abgesperrt sind. So kann die mit Vordruckspannung in den Expansionsraum überströmende Druckluft auf einen niedrigen Druck expandieren, bevor der Übergang von hier in den Auspuffraum freigegeben wird. Konstruktiv wird diese Wirkung in der Weise ermöglicht, daß der Expansions raum und der Auspuffraum das Rotorengehäuse umhüllen und daß der Expansionsraum von dem Auspuff- . raum durch eine Trennwand abgeteilt ist, deren Innenkante in der Innenfläche des Rotorengehäuses liegt. Bei dieser Trennwand ist eine Öffnung zur Verbindung der Zahnlücken mit dem Expansionsrautn vorgesehen. Die an der Innenfläche des Rotorengehäuses entlang laufenden Zähne übernehmen somit die Steuerung der jeweiligen Verbindung des Expansionsraumes mit den Zahnlücken bzw. dem Auspuffraum. Dabei sind die in der Rotorgehäusewand vorgesehene Verbindungsöffnung zum Expansionsraum und die Breite der Steuerkante der Trennwand so aufeinander abgestimmt, daß in dem Zeitpunkt, in dem ein Zahn die Verbindung zwischen der nachfolgenden Zahnlücke und dem Expansionscaum freigibt, die Verbindung des Expansionsraumes mit dem' Auspuff raum unterbrochen bleibt, solange der vorherlaufende Zahn mit der Innenkante der Trennwand Fühlung hat. Dieses Spiel wiederholt sich dann von Zahnlücke zu Zahnlücke.

Durch die Erfindung wird bewirkt, daß die auf niedrigen Druck expandierte Luft mit geringer Geschwindigkeit in die Außenluft entweichen kann. Das hat zur Folge, daß neben der Verminderung des Auspuffgeräusches die Vereisungsgefahr auf ein solches Maß herabgesetzt wird, daß es möglich ist, die Motoren mit engeren Toleranzen herzustellen und dadurch ihre Wirtschaftlichkeit zu erhöhen.

In der Zeichnung ist ein Zahnradimotor im Schnitt dargestellt, der im wesentlichen aus dem Gehäuse 1 und den Rotoren 2 und 3 besteht. Die Druckluft tritt je nach der Drehrichtung des Motors durch die Öffnungen 4 bzw. 5 in das Gehäuse ein und setzt die Rotoren in Bewegung. Tritt z. B. die Druckluft durch die öffnung 4 ein, so drehen sich die Rotoren in der Richtung, wie sie durch die eingetragenen Pfeile in der Zeichnung angedeutet ist. Wenn die Zahnköpfe der Rotorverzahnungen die Gehäusekanten 6 überlaufen haben, so hört die Arbeitsleistung auf, während die Zahnlücken noch mit Betriebsdruck gefüllt sind. Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung sei zunächst ein Rotor, und zwar der Rotor 2 betrachtet:

Beim Weiterlaufen wandert der Zahn 7 des Rotors 2 über die Gehäusekante 8, so daß nunmehr die in der nachfolgenden Zahnlücke befindliche Druckluft in den Raum 9 übertreten kann. Hierbei findet eine Expansion der Druckluft statt, während der Raum 9 durch den Steg 10 und den Zahnkopf des Zahnes 11 abgeschlossen wird. Durch die Größe des Raumes 9 wird die Höhe des Df uckes nach der Expansion bestimmt, und dieser Druck soll mögliehst niedrig sein. Dreht sjch der Rotor 2 in der angegebenen Pfeilrichtung weiter, so wird nach dem Vorbeiwandern des Zahnkopfes des Zahnes 11 die nächstfolgende, also zwischen Zahn 7 und 11 befindliche Zahnlücke eine Verbindung zwischen dem Raum 9 und dem Auspuff raum 12 herstellen, so daß nunmehr der Raum 9 vorübergehend mit der Außenluft in Verbindung tritt. Die in dem Raum 9 befindliche Luft kann also nun so lange ins Freie entweichen, bis der Zahnkopf des nächstfolgenden Zahnes 7 in Verbindung mit dem Gehäusesteg 10 den Raum 9 wieder abschließt. Im Augenblick des Abschlusses des Raumes 9 wird dieser wiederum mit der Druckluft der nächsten Zahnlücke gespeist und so· fort.

Zwischen den, beiden Rotoren 2 und 3 wiederholt sich dieses Spiel in gleicher Weise, nur zeitlich um eine halbe Zahnteilung versetzt, so daß die Zeiten für das- Auffüllen des Expansionsraumes und für die Verbindung dieses Raumes mit dem Auspuffraum auf beiden Rotorenseiten sich überschneiden.

Durch die Lage der Gehäusestege und ihre Dimensionierung hat man es also in der Hand, wie in der Zeichnung gestrichelt dargestellt, sowohl den Beginn und das Ende, also die Dauer der Entlüf-

tung, als auch die Menge und Geschwindigkeit der austretenden Luft zu variieren. Eine solche Variation ist auch durch die Verlegung der Gehäusekanten 8 und 20 in bezug auf die Auffüllung der Expansions räume möglich.

In der gezeichneten Stellung des Rotors 3 erfolgt keine Auffüllung des Expansionsraumes 13 durch die Druckluft der Zahnlücke 14, da die Zahnlücke 15 bereits die Verbindung des Expansionsraumes 13 mit dem Auspuff raum 16 hergestellt hat. Ein Wiederauffüllen des Expansionsraumes 13 geschieht also erst nach Abdichtung des Steges 17 durch den Zahn 18, weil anschließend der Zahnkopf des Zahnes 19 die Gehäusekante 20 freigibt. Infolge der Expansion in den Räumen 9 und 13 tritt die darin befindliche Luft mit relativ kleiner Geschwindigkeit in die Auspuffräume 12 und 16 über, wodurch auch das Auspuffgeräusch stark herabgemindert wird. Im Hinblick auf die zeitliche

ao Verschiebung des Lufteintritts und Luftaustritts der Räume 9 und 13 besteht auch die Möglichkeit, diese beiden Räume evtl. noch durch eine Bohrung 21 zu verbinden, um hierdurch ein Überfließen der Luft von dem einen zum anderen Raum zu ermögliehen, also die Größe der Expansionsräume zu erweitern.

Durch den Übertritt der in den Zahnlücken befindlichen Druckluft in die abgeschlossenen Expansionsräume 9 und 13 wird eine Expansion erreicht, die sich infolge der dauernd nachfolgenden Wiederauffüllung durch Frischluft der isothermischen Zustandsänderung weitgehend anpassen wird, so daß sich die Vereisungsgefahr auch bei Druckluft mit höherem Feuchtigkeitsgehalt vermeiden läßt. Hierdurch wird erreicht, daß die bisher gewählten Toleranzen für die Außendurchmasser der Rotoren und für die Bohrungen des Motorgehäuses bedeutend enger gehalten, d. h., daß die Lässigkeitsverluste auf ein Minimum verringert werden können, wodurch die Wirtschaftlichkeit der Druckluft-Zahnradmotoren verbessert wird.

Wegen der Umsteuerbarkeit der Motoren werden zwei weitere symmetrisch zu den Rotorachsen liegende Expansionsräume 22 und 23 auf der linken Seite des Motorgehäuses untergebracht, und es besteht die Möglichkeit, den Expansionsraum 9 mit dem Expansionsraum 22 bzw. den Expansionsraum 13 mit dem Expansionsraum 23 über Kanäle, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind, zu verbinden, um auch durch diese Verbindung die Größe des jeweiligen Expansionsraumes zu erweitern und dadurch den Enddruck herabzusetzen. Hierbei wird die expandierte Luft aus den Kammern 9 und 22 durch die entsprechenden Zahnlücken in den Auspuffraum 12 gelangen, während die Luft aus den Räumen 13 und 23 jeweils in den Auspuffraum 16 überfließen kann.

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Druckluft-Zahnradmotor, bei dem die Druckluft nach Arbeitsleistung vor Entweichen in die Umgebung in besonderen Kammern expandieren kann, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Motorgehäuse (1) vorgesehenen Expansionsräume (9, 13) wechselweise mit den die Druckluft enthaltenden Zahnlücken und einem Auspuffraum (12, 16) in Verbindung gesetzt werden, so daß. jeweils die Expansionsräume im Moment des Einströmens der Druckluft gegenüber dem Auspuffraum abgesperrt sind.
2. 2. Druckluft-Zahnradmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Expansionsräume (9, 13) über Öffnungen in der Wand des Rotorgehäuses mit den Zahnlücken Verbindung haben und durch eine Trennwand (10, 17) von dem Auspuff raum (12, 16) abgetrennt sind, wobei der Übergang von dem Expansionsraum in den Auspuffraum durch die . an der Innenkante der Trennwand entlang laufenden Zähne gesteuert wird.
3. 3. Druckluft-Zahnradmotor nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine solche Dimensionierung der Verbindungsöffnung zwischen Expansionsraum (9, 13) und Zahnlücke und der Steuerkante der Trennwand (10, 17), daß der Übergang von dem Expansionsraum in den Auspuffraum zeitweilig gesperrt bleibt, während die Verbindung zwischen einer Zahnlücke und dem Expansionsraum frei bleibt.
4. 4. Druckluft-Zahnradmotor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Umsteuerbarkeit jedem der beiden Rotoren zwei Expansionsräume (9,22 und 13,23) zugeordnet sind, die mit einem gemeinsamen Auspuffraum (12 bzw. 16) in Verbindung gesetzt werden können.
5. 5. Druckl-uffr-Zahnradmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zu einer Drehrichtung des Motors gehörenden Expansionsräume (9, 13 bzw. 22, 23) durch Kanäle miteinander verbunden sind.

   Angezogene Druckschriften: i°5

   Deutsche Patentschriften Nr. 733 265, 388 830.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   S09532 8. SS