DE69628869T2

DE69628869T2 - Schraubenrotor und Verfahren zur Profilerzeugung seiner Zähne

Info

Publication number: DE69628869T2
Application number: DE69628869T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Kawasaki-shi Kawamura; Kiyoshi Kawasaki-shi Yanagisawa; Shigeyoshi Nagata
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1995-04-05
Filing date: 1996-04-04
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2016-04-05
Also published as: DE69628869D1; TW331581B; EP0736667A2; EP0736667A3; US5800151A; US5697772A; JPH08277790A; EP0736667B1; KR100394363B1; KR960037189A; JP2904719B2

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Schraubenrotor, ein Verfahren zum Erzeugen eines querverlaufenden oder senkrecht zur Achse verlaufenden Zahnprofils für einen solchen Schraubenrotor, und eine Schrauben- bzw. Schneckenmaschine, die ein Paar solcher Schraubenrotoren aufweist.
Beschreibung der verwandten Technik:
Eine herkömmliche Schraubenvakuumpumpe ist offenbart in der japanischen Gebrauchsmusteroffenlegungsschrift Nr. 63-14884. Die offenbarte Schraubenvakuumpumpe besitzt ein Paar von Schraubenrotoren, die miteinander in Eingriff stehen. Jeder dieser Schraubenrotoren besitzt ein quadratisches Zahnprofil, das eine Fase umfasst, die verhindern soll, dass die ineinandergreifenden Schraubenrotoren einander stören, wenn die Schraubenrotoren gedreht werden, um ein Strömungsmittel zu pumpen. Da das Strömungsmittel durch die Fasen der Schraubenrotoren jedoch leckt, besitzt die Schraubenvakuumpumpe eine geringe Effizienz bzw. einen niedrigen Wirkungsgrad.
Das Zahnprofil besitzt eine Außenumfangsbreite, die notwendigerweise gleich der halben Schraubensteigung ist, wodurch sich keine Freiheit bei der Konstruktion der Außenumfangsbreite ergibt. Bei der offenbarten Schraubenvakuumpumpe ist es daher nicht möglich, eine optimale Außenumfangsbreite zu konstruieren, die bestimmt ist durch die Fördermenge, das Kompressionsverhältnis und den Spalt um die Schraubenrotoren der Schraubenvakuumpumpe herum. Infolgedessen erfordert die Schraubenvakuumpumpe eine übermäßig große Oberflächendichtung um die Schraubenrotoren herum, was das Volumen der Nuten der Schraubenrotoren vermindert.
Wenn die Nuten der Schraubenrotoren tiefer gemacht würden, um die Strömungsrate mit dem quadratischen Zahnprofil zu erhöhen, dann würde der Grad der gegenseitigen Beeinflussung oder der Störung zwischen den Schraubenrotoren erhöht werden. Um zu verhindern, dass die Schraubenrotoren einander stärker stören oder einen erhöhten Grad an gegenseitiger Beeinflussung besitzen, wäre es notwendig, die Freiräume zwischen den ineinandergreifenden Schraubenzähnen zu vergrößern. Die vergrößerten Freiräume zwischen den ineinandergreifenden Schraubenzähnen würden dann die Effizienz der Schraubenvakuumpumpe senken.
Es ist ein Quimby-Zahnprofil zur Verwendung als ein interferenzfreies Doppelrotor-Zahnprofil bekannt. Jedoch sieht das Quimby-Zahnprofil keine vollständig kontinuierliche Dichtungslinie vor, wodurch eine Strömungsmittelleckage von einem Auslassanschluss zu einem Ansauganschluss einer Schraubenmaschine, wie beispielsweise einer Schraubenvakuumpumpe, bewirkt wird. Entsprechend ist das Quimby-Zahnprofil nicht geeignet zur Verwendung als ein Zahnprofil für Schraubenrotoren in Maschinen zur Handhabung von Gasen.
Ein bekanntes Schraubenzahnprofil, das keine Interferenz zwischen Schraubenrotoren verursacht und eine komplette Dichtlinie vorsieht, ist in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 64-8193 offenbart. Das offenbarte Schraubenzahnprofil ist konstruiert zur Verwendung in Flüssigkeitspumpen. Da das Schraubenzahnprofil eine Flüssigkeitsdichtung bildet durch von der Pumpe gehandhabte Flüssigkeit, um jegliche Flüssigkeitsleckage zu minimieren, wird eine komplette bzw. vollständige Dichtlinie durch die ineinandergreifenden Schraubenrotoren erzeugt, um dadurch einen hohen Pumpendruck mit einer Steigung bzw. Umdrehung zu erzeugen.
Bei Schraubenmaschinen, wie beispielsweise Schraubenvakuumpumpen, bei denen sich Schraubenrotoren mit sehr kleinem Freiraum oder Spiel dazwischen drehen, wird die Leistung durch jegliche Strömungsmittelleckage entlang der Außenumfangsoberflächen der Schraubenrotoren stark beeinflusst. Wenn ein bogenförmiges oder zykloid-förmiges Zahnprofil verwendet wird als kontinuierliches Einzelpunktkontakt-Zahnprofil, wenn das Schraubenzahnprofil verwendet, das in der japanischen Patentveröffentlichung 64-8193 offenbart ist, dann ist, da die Außenumfangsbreite automatisch bestimmt ist durch die Radien der Zahnspitze und der Kreisbögen der Wurzel, keine Konstruktionsfreiheit verfügbar für das Zahnprofil, und zwar ähnlich wie beim quadratischen Zahnprofil, das in der japanischen Gebrauchsmusteroffenlegungsschrift Nr. 63-14884 offenbart ist.
Ferner wird auf CH-A-325 597 hingewiesen, die als Grundlage für den Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche verwendet wurde.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Schraubenrotor vorzusehen, der ein Minimum an Strömungsmittelleckage erzeugt, wenn er in eine Schraubenmaschine eingebaut ist, sowie ein Verfahren zum Erzeugen eines querverlaufenden oder senkrecht zur Achse verlaufenden Zahnprofils eines solchen Schraubenrotors, und eine Schraubenmaschine, die einen solchen Schraubenrotor darin umfasst.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Erzeugen eines querverlaufenden Zahnprofils eines Schraubenrotors vorgesehen gemäß Anspruch 1 oder 4.
In jedem der genannten Verfahren sollte die Kurve, die die imaginäre Zahnstange definiert, vorzugsweise eine Sinuskurve oder eine Kombination aus zwei Evolventenkurven aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Schraubenrotor zum Eingriff mit einem zugehörigen Schraubenrotor vorge sehen, und zwar mit einem querverlaufenden Zahnprofil, wie es beschrieben ist in Ansprüchen 7 oder 11.
Bei jedem der obigen Schraubenrotoren sollte die vorbestimmte Kurve, die die imaginäre Zahnstange definiert, vorzugsweise eine Sinuskurve oder Kombination aus zwei Evolventenkurven aufweisen.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Schraubenmaschine vorgesehen mit einem Paar von Schraubenrotoren, die in ineinandergreifendem Eingriff miteinander und außer Kontakt miteinander gehalten sind und synchron miteinander drehbar sind zum Ansaugen und Ablassen eines Strömungsmittels, wie es beschrieben ist in Ansprüchen 15 oder 19.
Bei jeder der oben genannten Schraubenmaschinen sollte die vorbestimmte Kurve, die die imaginäre Zahnstange definiert, vorzugsweise eine Sinuskurve oder eine Kombination aus zwei Evolventenkurven aufweisen. Jeder der Schraubenrotoren sollte nicht auf eine einzige Schraubenwindung begrenzt sein, sondern kann zwei oder mehr Schraubgewindegänge aufweisen. Das von der Schraubenmaschine angesaugte und abgelassene Strömungsmittel ist vorzugsweise Gas, ist aber nicht auf Gas beschränkt.
Bei der obigen Anordnung weist eine der Kurven, die den Zahnwurzelkreisbogen und den Außenumfangskreisbogen miteinander verbindet, eine Trochoid-Kurve auf, die erzeugt ist durch einen Punkt auf der Außenumfangsoberfläche des zugehörigen Schraubenrotors, oder eine Kurve, die erzeugt ist durch einen Zahnspitzenbogen des zugehörigen Schraubenrotors, und die andere der Kurven ist erzeugt durch eine imaginäre Zahnstange, die definiert ist durch eine vorbestimmte Kurve. Die Zahnprofile der Schraubenrotoren mit der obigen Konfiguration werden theoretisch störungsfrei gehalten, d. h. ohne gegenseitige Beeinflussung bzw. Berührung. Daher ist es nicht notwendig, die Zahnprofile der Schraubenrotoren mit einer Fase zu versehen oder den Freiraum zwischen den Zahnprofilen der Schraubenrotoren übermäßig zu erhöhen, um eine Interferenz dazwischen zu verhindern. Infolgedessen sehen die Schraubenrotoren eine komplette bzw. vollständige Dichtlinie dazwischen vor zum Minimieren jeglicher Strömungsmittelleckage zwischen den Schraubenrotoren in der Schraubenmaschine. Da das Zahnprofil gemäß der vorliegenden Erfindung frei von jeglicher Interferenz zwischen den Schraubenrotoren ist, kann die Tiefe der Schraubenrotornuten erhöht werden, um dadurch die Strömungsrate der Schraubenmaschine mit den Schraubenrotoren zu erhöhen.
Wenn der Schraubenrotor einen einzelnen Gewindegang besitzt und eine Nut mit erhöhter Tiefe besitzt, dann neigt er dazu, außerhalb des dynamischen Gleichgewichts zu sein bei der Drehung, weil der Schwerpunkt des Zahnprofils nicht mit der Mitte des Schraubenrotors ausgerichtet ist, und er ist daher nicht geeignet für eine Hochgeschwindigkeitsdrehung. Wenn der Schraubenrotor mehrere Gewindegänge besitzt, wie beispielsweise einen doppelten Gewindegang, ist jedoch der Schwerpunkt des Zahnprofils mit der Mitte bzw. dem Mittelpunkt des Mehrgewindegangschraubenrotors ausgerichtet, und der Schraubenrotor wird bei Drehung im dynamischen Gleichgewicht gehalten und kann bei hohen Geschwindigkeiten gedreht werden.
Falls das Zahnprofil des Schraubenrotors einen Zahnspitzenkreisbogen besitzt, wird der Zahnspitzenkreisbogen in Oberflächenkontakt mit dem zugehörigen Schraubenrotor gehalten, wodurch eine Oberflächendichtung vorgesehen wird zum Minimieren einer Strömungsmittelleckage.
Wenn die Schraubenrotoren mehrere Gewindegänge aufweisen, wie beispielsweise doppelte Gewindegänge, dann sehen sie keine komplette bzw. vollständige Dichtlinie vor. Jedoch kann jeglicher Leckagepfad, der eine Strömungsmittelleckage zwischen den Schraubenrotoren hindurch gestattet, minimiert werden durch Optimieren des Zahnprofils und der Schraubensteigung. Daher kann jegliche von den Mehrfachgewindegangschrauben rotoren verursachte Strömungsmittelleckage unterdrückt werden bis zu dem Punkt, wo sie die Leistung der Schraubenmaschine nicht wesentlich beeinträchtigt.
Zusätzlich können Parameter des Schraubenrotors, wie beispielsweise eine Außenumfangsbreite, frei bestimmt werden ohne Beschränkungen, die durch die Schrauben- bzw. Gewindesteigung und die Radien der Zahnspitzen- und Wurzelkreisbögen auferlegt sind. Der Schraubenrotor kann somit konstruiert werden für eine idealere Konfiguration. Die Breite der Oberflächendichtung auf der Außenumfangsoberfläche des Schraubenrotors kann optimiert werden für eine verminderte Strömungsmittelleckage.
Da das Zahnprofil des Schraubenrotors erzeugt werden kann durch kontinuierliche Kurven von der Zahnspitze zur Zahnwurzel, ist das Zahnprofil frei von jeglichen Stellen, wo ein Schneider bzw. Fräsen zum Bearbeiten des Schraubenrotors andernfalls ernsthaft beschädigt werden könnte. Entsprechend kann der Schraubenrotor gemäß der vorliegenden Erfindung effizient hergestellt werden.
Die obigen und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, die bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsansicht eines Paars von Schraubenrotoren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und zwar eingebaut in eine Schraubenvakuumpumpe als eine Schraubenmaschine;
2 ist eine perspektivische Ansicht der in 1 gezeigten Schraubenrotoren;
3 ist eine fragmentarische Vorderansicht der in 1 gezeigten Schraubenrotoren;
4 ist eine vergrößerte fragmentarische axiale Querschnittsansicht eines Schraubenzahns der Schraubenrotoren;
5 ist eine vergrößere fragmentarische Querschnittsansicht des in 4 gezeigten Schraubenzahns;
6 ist ein Diagramm einer imaginären Zahnstange zum Erzeugen des in 5 gezeigten Schraubenzahns;
7 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der imaginären Zahnstange und einem Zahnprofil zeigt;
8 ist eine Ansicht einer Phase ineinandergreifenden Eingriffs zwischen den in 1 gezeigten Schraubenrotoren;
9 ist eine Ansicht einer weiteren Phase ineinandergreifenden Eingriffs zwischen den Schraubenrotoren, und zwar nach der in 8 gezeigten Phase;
10 ist eine Ansicht noch einer weiteren Phase ineinandergreifenden Eingriffs zwischen den Schraubenrotoren, und zwar nach der in 9 gezeigten Phase;
11 ist eine Ansicht noch einer weiteren Phase ineinandergreifenden Eingriffs zwischen den Schraubenrotoren, und zwar nach der in 10 gezeigten Phase;
12 ist eine vergrößerte fragmentarische Querschnittsansicht eines Schraubenzahns von Schraubenrotoren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
13 ist ein Diagramm einer imaginären Zahnstange zum Erzeugen des in 12 gezeigten Schraubenzahns;
14 ist eine vergrößerte fragmentarische Querschnittsansicht eines Schraubenzahns von Doppelgewindegangschraubenrotoren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
15 ist eine fragmentarische Ansicht, die eine Strömungsmittelleckage in einem ineinandergreifenden Bereich der Schraubenrotoren gemäß dem in 4 bis 14 gezeigten Ausführungsbeispielen veranschaulicht;
16 ist eine Querschnittsansicht eines Paars von Schraubenrotoren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und zwar eingebaut in eine Schraubenvakuumpumpe als eine Schraubenmaschine;
17 ist eine vergrößerte fragmentarische Querschnittsansicht eines Schraubenzahns der in 16 gezeigten Schraubenrotoren;
18 ist eine fragmentarische Ansicht, die eine Strömungsmittelleckage in einem ineinandergreifenden Bereich der Schraubenrotoren gemäß dem in 16 gezeigten Ausführungsbeispiel veranschaulicht;
19 ist eine Ansicht einer Phase ineinandergreifenden Eingriffs zwischen den in 16 gezeigten Schraubenrotoren;
20 ist eine Ansicht einer weiteren Phase ineinandergreifenden Eingriffs zwischen den Schraubenrotoren, und zwar nach der in 19 gezeigten Phase;
21 ist eine Ansicht noch einer weiteren Phase ineinandergreifenden Eingriffs zwischen den Schraubenrotoren, und zwar nach der in 20 gezeigten Phase;
22 ist eine Ansicht noch einer weiteren Phase ineinandergreifenden Eingriffs zwischen den Schraubenrotoren, und zwar nach der in 21 gezeigten Phase;
23 ist eine vergrößerte fragmentarische Querschnittsansicht einer Schraubenzahns von Schraubenrotoren gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
24 ist eine vergrößerte fragmentarische Querschnittsansicht eines Schraubenzahns von Doppelgewindegangschraubenrotoren gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Wie in 1 gezeigt ist, weist eine Schraubenvakuumpumpe als eine Schraubenmaschine, die Schraubenrotoren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst, ein Pumpengehäuse A auf, das folgendes aufweist: ein oberes Rotorgehäuse 1, ein mittleres Gehäuse 2, das an einem unteren Ende des oberen Rotorgehäuses 1 angebracht, und ein unteres Gehäuse 3, das an einem unteren Ende des mittleren Gehäuses 2 angebracht ist. Das obere Rotorgehäuse 1 besitzt eine Pumpkammer B, die darin definiert ist und ein Paar von Schraubenrotoren 5A, 5B aufnimmt, die miteinander in Eingriff stehen in einer im wesentlichen 8-förmigen Querschnittskonfiguration.
Die Schraubenrotoren 5A, 5B sind an jeweiligen oberen Enden paralleler drehbarer Wellen 6A, 6B fest angebracht, die von oberen Lagern 8A, 8B und unteren Lagern 9A, 9B in dem Pumpengehäuse A drehbar getragen sind. Die Schraubenrotoren 5A, 5B besitzen Schraubenzähne, die schraubenförmig in entgegengesetzte Richtungen gewunden sind und miteinander in Eingriff und außer Kontakt miteinander gehalten sind, wie es in den 2 und 3 gezeigt ist.
Das untere Gehäuse 3 besitzt eine Motorrotorkammer C, die darin definiert ist und einen Motorrotor aufnimmt. Das untere Gehäuse 3 nimmt darin ein Motorstatorgehäuse 12 auf, das um die Motorrotorkammer C angeordnet ist. Ein Motor 10 besitzt einen Motorrotor 10A, der auf der drehbaren Welle 6A angebracht ist und in der Motorrotorkammer C angeordnet ist, und einen Motorstator 10B, der in dem Motorstatorgehäuse 12 um den Motorrotor 10A herum getragen ist. Die drehbaren Wellen 6A, 6B besitzen jeweilige untere Enden, die jeweils (Zeit-)Steuerzahnräder 7A, 7B tragen, die in ineinandergreifendem Eingriff miteinander gehalten sind. Wenn der Motor 10 erregt wird, drehen sich die drehbaren Wellen 6A, 6B in entgegengesetzte Richtungen aufgrund der (Zeit-)Steuerzahnräder 7A, 7B, um die Schraubenrotoren 5A, 5B synchron zueinander zu drehen.
Das Rotorgehäuse 1 besitzt einen Ansauganschluss F, der in einer oberen Endwand davon definiert ist und in Verbindung mit der Pumpkammer B gehalten ist. Die Schraubenrotoren 5A, 5B besitzen ein unteres Auslassende entfernt von ihrem oberen Ende, das zum Ansauganschluss F weist und beabstandet von einem oberen Ende des mittleren Gehäuses 2. Ein Auslassraum 21 ist zwischen dem unteren Auslassende der Schraubenrotoren 5A, 5B und dem oberen Ende des mittleren Gehäuses 2 definiert. Der Auslassraum 21 steht in Verbindung mit einem Auslassanschluss G, der in dem zentralen bzw. mittleren Gehäuse 2 definiert ist und sich zur Seite davon öffnet. Die unteren Auslassenden der Schraubenrotoren 5A, 5B sind zum Auslassraum 21 hin insgesamt frei liegend.
Die Schraubenrotoren 5A, 5B besitzen jeweilige Schraubenzähne, die ein axiales Zahnprofil besitzen, wie es in 4 gezeigt ist, sowie ein querverlaufendes oder senkrecht zur Achse verlaufendes Zahnprofil, wie es in 5 gezeigt ist. Wie in 5 gezeigt ist, weist das querverlaufende Zahnprofil folgendes auf: einen Außenumfangskreisbogen AB, welcher sich um den Mittelpunkt des Schraubenrotors herum erstreckt, einen Zahnwurzelkreisbogen CD, welcher sich um den Mittelpunkt des Schraubenrotors herum erstreckt, eine Kurve BC, die den Außenumfangskreisbogen AB und den Zahnwurzelkreisbogen CD miteinander verbindet, und eine Kurve DA, die den Außenumfangskreisbogen AB und den Zahnwurzelkreisbogen CD in einer im wesentlichen diametral gegenüberliegenden Beziehung zu der Kurve BC miteinander verbindet. Bei dem querverlaufenden Zahnprofil ist die Kurve DA definiert durch eine Trochoid-Kurve, die erzeugt wird durch einen Punkt A auf der Außenumfangsoberfläche des zugehörigen Schraubenrotors, und die Kurve BC ist definiert durch einen Prozess des Erzeugens einer imaginären Zahnstange, die durch eine Sinuskurve definiert ist, wie in 6 gezeigt ist, und durch einen Prozess der Erzeugung einer Zahnprofilkurve, die durch die imaginäre Zahnstange erzeugt wird.
Die Beziehung zwischen der Kurve BC und der imaginären Zahnstange wird nachfolgend beschrieben mit Bezug auf 7. Die imaginäre Zahnstange besitzt eine Steigungslinie P_R. 7 zeigt einen Steigungskreis P_H des Zahnprofils und eine Kurve f(x), die die imaginäre Zahnstange definiert, während ein Steigungskreis P_H sich in Kontakt mit einer Steigerungslinie P_R der imaginären Zahnstange gedreht hat von einem Ursprung O zu einem Punkt P über einen Winkel θ.
Wenn man annimmt, dass die imaginäre Zahnstange und das Zahnprofil miteinander in Kontakt stehen an einem Punkt c mit den Koordinaten (x, y) in einem Zahnstangenkoordinatensystem X_R-Y_R, dass die Form der imaginären Zahnstange dargestellt ist durch y = f(x), wobei die Ableitung davon ausge drückt ist durch f(x), und der Steigungskreis P_H einen Radius R besitzt, dann werden ein Winkel α, der Winkel θ und ein Abstand r von der Mitte des Steigungskreises P_H zum Punkt c ausgedrückt durch die folgenden Gleichungen: α = tan–1 [{y·f(x)}/(R + y)] (1) θ = {x + y·f(x)}/R (2) r = {(R + y)2 + (y·f(x))2}1/2 (3)
Der Punkt c besitzt die Koordinaten (x₁, y₁) in einem Zahnprofilkoordinatensystem X_H – Y_H und wird wie folgt ausgedrückt: x1 = r·sin(θ – α) (4) Y1 = r·cos(θ – α) (5)
Wenn die Gleichungen (1) bis (3) in die Gleichungen (4) und (5) eingesetzt werden, um dadurch die Koordinaten (x, y) des Punkts c in dem Zahnstangenkoordinatensystem X_R-Y_R in die Koordinaten (x₁, y₁) in dem Zahnprofilkoordinatensystem X_H-Y_H umzuwandeln, ist die Form der Kurve BC des Zahnprofils bestimmt (siehe 5).
Die Kurve DA, die den Außenumfangskreisbogen AB und den Zahnwurzelkreisbogen CD auf dem Zahnprofil des Schraubenrotors 5A miteinander verbindet, ist repräsentiert durch eine Kurve, die erzeugt wird durch einen Punkt A auf dem Außenumfangskreisbogen des zugehörigen Zahnprofils 5B, und die andere Kurve BC ist repräsentiert durch eine Kurve, die durch die imaginäre Zahnstange erzeugt wird. Theoretisch stören bzw. beeinflussen sich die Zahnprofile der Schraubenrotoren 5A, 5B daher nicht. Es ist nicht notwendig, die Zahnprofile der Schraubenrotoren 5A, 5B mit einer Fase zu versehen oder den Freiraum zwischen den Zahnprofilen der Schraubenrotoren 5A, 5B übermäßig zu erhöhen, um jegliche Interferenz dazwischen zu verhindern. Infolgedessen sehen die Schraubenrotoren 5A, 5B eine vollständige Dichtlinie dazwischen vor zum Minimieren jeglicher Strömungsmittelleckage zwischen den Schraubenrotoren 5A, 5B in der Schraubenvakuumpumpe.
8 bis 11 zeigen aufeinanderfolgende Phasen des ineinandergreifenden Eingriffs zwischen den in 1 gezeigten Schraubenrotoren 5A, 5B, was die Art und Weise verdeutlicht, in der das Zahnprofil der Schraubenrotoren 5A, 5B verhindert, dass sie einander stören, während sie sich in Eingriff miteinander drehen. In 8 sind die Schraubenrotoren 5A, 5B in der in 3 gezeigten Position gezeigt, und Linien 2A, 2B verbinden den Mittelpunkt jedes Schraubenrotors mit den Punkten B, C. In den 9 bis 11 sind die Schraubenrotoren 5A, 5B in aufeinandertolgenden Phasen aus der in 3 gezeigten Position gedreht gezeigt. Aus 8 bis 11 ist ersichtlich, dass die Schraubenrotoren 5A, 5B einander nicht stören bzw. dass es keine Interferenz dazwischen gibt, während sie sich in ineinandergreifendem Eingriff miteinander drehen.
12 und 13 zeigen einen Schraubenzahn der Schraubenrotoren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Schraubenzahn jedes Schraubenrotors besitzt ein querverlaufendes Zahnprofil, das eine Kurve BC (siehe 12) umfasst, die erzeugt wird durch eine imaginäre Zahnstange (siehe 13), die eine Kombination aus zwei Evolventenkurven basierend auf Basisbzw. Grundkreisen R aufweist.
14 zeigt einen Schraubenzahn von Doppelgewindegangschraubenrotoren gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 14 gezeigt ist, besitzt der Schraubenzahn ein Zahnprofil einschließlich Kurven BC, B1C1, die jeweils erzeugt werden durch eine imaginäre Zahnstange, die durch eine Sinuskurve definiert ist.
Das in 5 und 6 gezeigte Zahnprofil ermöglicht es, die Tiefe der Nuten der Schraubenrotoren zu erhöhen, um die Strömungsrate zu erhöhen, da zwischen den Schraubenrotoren keine Interterenz oder Störung verursacht wird. Der Schraubenrotor mit einzelnem Gewindegang neigt jedoch dazu, bei Drehung außerhalb des dynamischen Gleichgewichts zu sein, weil der Schwerpunkt des Zahnprofils nicht mit der Mitte des Schraubenrotors ausgerichtet ist, und ist daher nicht für Hochgeschwindigkeitsdrehung geeignet. Gemäß dem in 14 gezeigten Ausführungsbeispiel jedoch ist, da der Schwerpunkt des Zahnprofils mit der Mitte des Doppelgewindegangschraubenrotors ausgerichtet ist, der Schraubenrotor bei Drehung im dynamischen Gleichgewicht gehalten und kann mit hohen Drehzahlen gedreht werden.
15 zeigt eine Strömungsmittelleckage LF an einem ineinandergreifenden Bereich zwischen den Schraubenrotoren gemäß den Ausführungsbeispielen von 4 bis 14. Das Zahnprofil jedes Schraubenrotors umfasst einen Punkt A, welcher eine lineare Dichtung bezüglich der Kurve DA des anderen Schraubenrotors vorsieht. Die Strömungsmittelleckage LF tritt wahrscheinlich auf durch die lineare Dichtung, die durch den Punkt A vorgesehen wird.
16 zeigt ein Paar von Schraubenrotoren, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und zwar eingebaut in eine Schraubenvakuumpumpe als eine Schraubenmaschine. Die in 16 gezeigte Schraubenvakuumpumpe ist identisch zu der in 1 gezeigten Schraubenvakuumpumpe mit der Ausnahme des Zahnprofils des Schraubenrotoren 5C, 5D.
Die Schraubenrotoren 5C, 5D besitzen jeweilige Schraubenzähne, die jeweils ein querverlaufendes oder senkrecht zur Achse verlaufendes Zahnprofil besitzen, wie es in 17 gezeigt ist. Wie in 17 gezeigt ist, weist das querverlaufende Zahnprofil folgendes auf: einen Außenumfangskreisbogen AB, der sich um den Mittelpunkt des Schraubenrotors herum erstreckt, einen Zahnwurzlkreisbogen CD, der sich um den Mittelpunkt des Schraubenrotors herum erstreckt, eine Kurve BC, die den Außenumfangskreisbogen AB und den Zahnwurzelkreisbogen CD miteinander verbindet, und eine Kurve DA, die den Außenumfangskreisbogen AB und den Zahnwurzelkreisbogen CD in einer im wesentlichen diametral gegenüberliegenden Beziehung zu der Kurve BC miteinander verbindet. Die Kurve DA weist zwei Kurvensegmente auf, d. h. einen Zahnspitzenbogen EA, der mit dem Außenumfangskreisbogen AB verbunden ist, und eine Kurve DE, die mit dem Zahnwurzelkreisbogen CD verbunden ist.
Der Zahnspitzenbogen EA ist definiert als ein Bogen mit einem Krümmungsradius, der gleich ist wie oder geringer ist als der Unterschied zwischen dem Krümmungsradius des Außenumfangskreisbogens AB und des Radius R (siehe 7) des Steigungskreises P_H. Die Kurve DE weist eine Kurve auf, die zwischen und mit dem Zahnwurzelkreisbogen CD und dem Zahnspitzenbogen EA verbunden ist und erzeugt ist durch den Zahnspitzenbogen EA des zugehörigen Schraubenrotors.
18 zeigt eine Strömungsmittelleckage LF in einem Eingriffsbereich zwischen den Schraubenrotoren gemäß dem in 17 gezeigten Ausführungsbeispiel. Wie in 18 gezeigt ist, sieht der Zahnspitzenbogen EA eine Oberflächendichtung CA bezüglich der Kurve DE des anderen Schraubenrotors vor. Die Oberflächendichtung CA besitzt eine größere Breite oder einen größeren Bereich zum Blockieren der Strömungsmittelleckage LF als die Liniendichtung, die in 15 gezeigt ist, wodurch die Strömungsmittelleckage LF im Vergleich zu der in 15 gezeigten Liniendichtung vermindert wird.
19 bis 22 zeigen aufeinanderfolgende Phase ineinandergreifenden Eingriffs zwischen den in 16 gezeigten Schraubenrotoren 5C, 5D und verdeutlichen die Art und Weise, in der die Zahnprofile der Schraubenrotoren 5C, 5D verhindern, dass sie einander stören, während sie sich in Eingriff miteinander drehen. Die in 19 bis 22 gezeigten Phasen entsprechend jeweils den in 6 bis 9 gezeigten Phasen.
23 zeigt einen Schraubenzahn eines Schraubenrotors gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Zahnprofil des in 23 gezeigten Schraubenzahns unterscheidet sich von dem Zahnprofil des in 12 gezeigten Zahnprofils darin, dass es zusätzlich einen Zahnspitzenbogen EA umfasst ähnlich zu dem in 17 gezeigten Zahnspitzenbogen EA. Der in 23 gezeigte Zahnspitzenbogen EA ist effektiv zum Vermindern jeglicher Strömungsmittelleckage entlang der Schraubenrotoren um Vergleich zu dem in 12 gezeigten Zahnspitzenprofil.
24 zeigt einen Schraubenzahn von Doppelgewindegangschraubenrotoren gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Zahnprofil des in 24 gezeigten Schraubenzahns unterscheidet sich von dem in 14 gezeigten Zahnprofil des Doppelgewindegangschraubenzahns darin, dass es zusätzlich Zahnspitzenbögen EA, E1A1 umfasst, und zwar ähnlich zu dem in 17 gezeigten Zahnspitzenbogen EA. Die in 24 gezeigten Zahnspitzenbögen EA, E1A1 sind effektiv zum Vermindern jeglicher Strömungsmittelleckage entlang der Schraubenrotoren im Vergleich zu dem in 14 gezeigten Zahnprofil.
Bei jedem der obigen Ausführungsbeispiele besitzen die Schraubenrotoren jeweilige Zahnprofile, die identisch zueinander sind. Jedoch sind die Prinzipien der vorliegenden Erfindung auf ein Paar von Schraubenrotoren anwendbar, d. h. männliche und weibliche Rotoren, die unterschiedliche Zahnprofile besitzen.
Aus der obigen Beschreibung wird deutlich, dass die vorliegende Erfindung die folgenden Vorteile bietet:

(1) Da die Zahnprofile der Schraubenrotoren der obigen Konfiguration theoretisch außer Interferenz miteinander bzw. ohne gegenseitige Störung gehalten werden, ist es nicht notwendig, die Zahnprofile der Schraubenrotoren mit einer Fase zu versehen, oder den Spalt zwischen den Zahnprofilen der Schraubenrotoren übermäßig zu erhöhen, um jegliche Interferenz dazwischen zu vermeiden.
(2) Da die Schraubenrotoren gute Dichteigenschaften besitzen, wird eine Strömungsmittelleckage auf ein Minimum vermindert.
(3) Wenn der Schraubenrotor mehrere Gewindegänge besitzt, wird der Schraubenrotor bei Drehung im dynamischen Gleichgewicht gehalten, da der Schwerpunkt des Zahnprofils mit der Mitte des Mehrfachgewindeschraubenrotors ausgerichtet ist.
(4) Da eine Außenumfangsbreite frei bestimmt werden kann, kann die Breite der Oberflächendichtung auf der Außenumfangsoberfläche des Schraubenrotors optimiert werden für eine verminderte Strömungsmittelleckage, und daher kann der Schraubenrotor für eine idealere Konfiguration konstruiert werden.

Obwohl bestimmte bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung gezeigt und in Einzelheiten beschrieben wurden, ist verständlich, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen daran gemacht werden können, ohne vom Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines querverlaufenden bzw. transversalen Zahnprofils eines Schraubenrotors (5A, 5B), wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind: Definieren eines querverlaufenden bzw. transversalen Zahnprofils eines Schraubenrotors (5A oder 5B), und zwar in Eingriff stehend bzw. kämmend mit einem zugehörigen Schraubenrotor (5B oder 5A), mit einem Zahnwurzelkreisbogen (CD), einem Außenumfangskreisbogen (AB) und zwei Kurven (BC, DA), die den Zahnwurzelkreisbogen und den Außenumfangskreisbogen verbinden, wobei die zwei Kurven nicht direkt miteinander verbunden sind; Definieren einer (DA) der zwei Kurven durch eine Trochoidkurve, erzeugt durch einen Punkt an einer Außenumfangsobertläche des zugehörigen Schraubenrotors, gekennzeichnet durch: Definieren der anderen (BC) der zwei Kurven durch Bestimmung einer Kurve, die eine imaginäre Zahnstange definiert und Erzeugen einer Zahnprofilkurve erzeugt durch die imaginäre Zahnstange dann, wenn der Steigungs- bzw. Teilungskreis des Rotors auf der Teilungs- bzw. Steigungslinie der imaginären Zahnstange rollt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erwähnte Kurve, die die erwähnte imaginäre Zahnstange definiert, eine Sinuskurve ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kurve, die die imaginäre Zahnstange definiert, eine Kombination aus zwei Evolventenkurven ist.
Verfahren zur Erzeugung eines querverlaufenden bzw. transversalen Zahnprofils eines Schraubenrotors (5A, 5B), wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind: Definieren eines querverlaufenden bzw, transversalen Zahnprofils eines Schraubenrotors (5A oder 5B), und zwar in ineinandergreifendem Eingriff bzw. kämmend mit einem zugehörigen Schraubenrotor (5B oder 5A), mit einem Zahnwurzelkreisbogen (CD), einem äußeren Umfangskreisbogen (AB) und zwei Kurven (BC, DA), die den Zahnwurzelkreisbogen und den äußeren Umfangskreisbogen verbinden, wobei die zwei Kurven nicht direkt miteinander verbunden sind, gekennzeichnet durch: Definieren einer (DA) der zwei Kurven, die zwei Kurvensegmente (EA, DE) aufweist, wobei eines (EA) der zwei Kurvensegmente einen Zahnspitzenkreisbogen aufweist, der als ein Bogen definiert ist mit einem Krümmungsradius gleich oder kleiner als die Differenz zwischen einem Krümmungsradius des äußeren Umfangskreisbogens und einem Radius eines Teilungs- bzw. Steigungskreises des Zahnprofils, und zwar verbunden mit dem äußeren Umfangskreisbogen, und wobei ferner das andere (DE) der zwei Kurvensegmente eine Kurve aufweist, die verbunden ist mit dem Zahnwurzelkreisbogen und bestimmt ist durch eine Kurve, welche durch einen Zahnspitzenbogen des zugehörigen Schraubenrotors erzeugt wird; und Definieren der anderen (BC) der zwei Kurven durch Bestimmung einer Kurve, die eine imaginäre Zahnstange definiert und Erzeugen einer Zahnprofilkurve, die erzeugt wird durch die imaginäre Zahnstange dann, wenn der Teilungs- bzw. Steigungskreis des Rotors auf der Steigungs- bzw. Teilungslinie der imaginären Zahnstange rollt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Kurve, die die imaginäre Zahnstange definiert, eine Sinuskurve umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Kurve, die die imaginäre Zahnstange definiert, eine Kombination von zwei Evolventenkurven aufweist.
Ein Schraubenrotor (5A oder 5B) zum ineinandergreifenden Eingriff bzw. Kämmen mit einem zugehörigen Schraubenrotor (5B oder 5A) mit einem quer bzw. transversal verlaufenden Zahnprofil, wobei das transversale Zahnprofil folgendes aufweist: einen Zahnwurzelkreisbogen (CD); einen äußeren Umfangskreisbogen (AB); und zwei Kurven (BC, DA), die den Zahnwurzelkreisbogen und den erwähnten äußeren Umfangskreisbogen verbinden, wobei die zwei Kurven nicht direkt miteinander verbunden sind; wobei eine (DA) der Kurven definiert ist durch eine Trochoidkurve, die erzeugt wird durch einen Punkt auf einer Außenumfangsoberfläche des zugehörigen Schraubenrotors, dadurch gekennzeichnet, daß die andere (BC) der Kurven durch eine imaginäre Zahnstange erzeugt wird, die definiert wird durch eine vorbestimmte Kurve.
Schraubenrotor nach Anspruch 7, wobei die vorbestimmte Kurve, die die imaginäre Zahnstange definiert, eine Sinuskurve ist bzw. aufweist.
Schraubenrotor nach Anspruch 7, wobei die vorbestimmte Kurve, die die imaginäre Zahnstange definiert, eine Kombination von zwei Evolventenkurven ist bzw. aufweist.
Schraubenrotor nach Anspruch 7, wobei der Schraubenrotor ein Mehrfachgewinde besitzt.
Schraubenrotor (5A oder 5B) zum ineinandergreifenden Eingriff bzw. Kämmen mit einem zugehörigen Schraubenrotor (5B oder 5A) mit einem querverlaufenden bzw. transversalen Zahnprofil, wobei das transversale Zahnprofil folgendes aufweist: einen Zahnwurzelkreisbogen (CD); einen äußeren Umfangskreisbogen (AB); und zwei Kurven (BC, DA), die den Zahnwurzelkreisbogen und den äußeren Umfangskreisbogen verbinden, wobei die zwei Kurven nicht direkt miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Kurven zwei Kurvensegmente (EA, DE) aufweist, wobei eines (EA) der zwei Kurvensegmente einen Zahnspitzenbogen aufweist, der definiert ist als ein Bogen mit einem Krümmungsradius gleich oder kleiner als die Differenz zwischen dem Krümmungsradius des äußeren Umfangskreisbogens und einem Radius eines Teilungs- bzw. Steigungskreises des Zahnprofils, und zwar verbunden mit dem äußeren Umfangskreisbogen, und wobei ferner das andere (DE) der zwei Kurvensegmente eine Kurve aufweist, die mit dem Zahnwurzelkreisbogen verbunden ist und bestimmt ist durch eine Kurve, welche durch einen Zahnspitzenbogen des zugehörigen Schraubenrotors erzeugt wird, und wobei ferner die andere (BC) der Kurven erzeugt wird durch eine imaginäre Zahnstange, die durch eine vorbestimmte Kurve definiert ist.
Schraubenrotor nach Anspruch 11, wobei die vorbestimmte Kurve, die die imaginäre Zahnstange definiert, eine Sinuskurve aufweist.
Schraubenrotor nach Anspruch 11, wobei die vorbestimmte Kurve, die die imaginäre Zahnstange definiert, eine Kombination von zwei Evolventenkurven aufweist.
Schraubenrotor nach Anspruch 11, wobei der Schraubenrotor ein Mehrfachgewinde besitzt.
Eine Schraubenmaschine mit einem Paar von Schraubenrotoren (5A, 5B), die in ineinandergreifendem Eingriff bzw. kämmend und außer Kontakt miteinander gehalten und synchron miteinander drehbar sind, um ein Strömungsmittel anzusaugen und abzugeben, wobei jeder der Schraubenrotoren ein transversales bzw. querverlaufendes Zahnprofil aufweist, wobei das transversale Zahnprofil folgendes aufweist: einen Zahnwurzelkreisbogen (CD); einen äußeren Umfangskreisbogen (AB); und zwei Kurven (BC, DA), die den Zahnwurzelkreisbogen und den äußeren Umfangskreisbogen verbinden, wobei die zwei Kurven nicht direkt miteinander verbunden sind; wobei eine (DA) der Kurven definiert ist durch eine Trochoidkurve, welche erzeugt wird durch einen Punkt auf einer Außenumfangsoberfläche des zugehörigen Rotors, dadurch gekennzeichnet, daß die andere (BG) der Kurven erzeugt wird durch eine imaginäre Zahnstange, die definiert ist durch eine vorbestimmte Kurve.
Schraubenmaschine nach Anspruch 15, wobei die vorbestimmte Kurve, die die imaginäre Zahnstange definiert, eine Sinuskurve aufweist.
Schraubenmaschine nach Anspruch 15, wobei die vorbestimmte Kurve, die die imaginäre Zahnstange definiert, eine Kombination von zwei Evolventenkurven aufweist.
Schraubenmaschine nach Anspruch 15, wobei jeder der Schraubenrotoren Mehrfachgewindegänge besitzt.
Schraubenmaschine mit einem Paar von Schraubenrotoren (5A, 5B), die in ineinandergreifendem Eingriff miteinander bzw. kämmend und außer Kontakt miteinander gehalten werden und synchron miteinander drehbar sind zum Ansaugen und Abgeben eines Strömungsmittels, wobei jeder der Schraubenrotoren ein querverlaufenden bzw. transversales Zahnprofil aufweist, wobei das transversale Zahnprofil folgendes umfaßt: einen Zahnwurzelkreisbogen (CD); einen äußeren Umfangskreisbogen (AB); und zwei Kurven (BC, DA), die den Zahnwurzelkreisbogen und den Außenumfangskreisbogen verbinden, wobei die zwei Kurven nicht direkt miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine (DA) der Kurven zwei Kurvensegmente (EA, DE) aufweist, wobei eines (EA) der zwei Kurvensegmente einen Zahnspitzenbogen besitzt, der definiert ist als ein Bogen mit einem Krümmungsradius gleich oder kleiner der Differenz zwischen einem Krümmungsradius des Außenumfangskreisbogens und einem Radius eines Teilungs- bzw. Steigungskreises des Zahnprofils, und zwar verbunden mit dem Außenumfangskreisbogen, und wobei das andere (DE) der zwei Kurvensegmente eine Kurve aufweist, die mit dem Zahnwurzelkreisbogen verbunden und durch eine Kurve bestimmt ist, welche erzeugt wird durch einen Zahnspitzenbogen des zugehörigen Schraubenrotors, und wobei die andere (BC) der Kurven erzeugt wird durch eine imaginäre Zahnstange, die definiert wird durch eine vorbestimmte Kurve.
Schraubenmaschine nach Anspruch 19, wobei die vorbestimmte Kurve, die die imaginäre Zahnstange definiert, eine Sinuskurve aufweist.
Schraubenmaschine nach Anspruch 19, wobei die vorbestimmte Kurve, die die imaginäre Zahnstange definiert, eine Kombination von zwei Evolventenkurven aufweist.
Schraubenmaschine nach Anspruch 19, wobei die Schraubenrotoren Mehrfachgewindegänge besitzen.