DE9016807U1

DE9016807U1 - Drehkolbenmaschine

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Publication number: DE9016807U1
Application number: DE9016807U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-12-12
Filing date: 1990-12-12
Publication date: 1992-04-09
Anticipated expiration: 2000-12-13
Also published as: EP0561855B1; WO1992010648A1; EP0561855A1; KR930703524A; JPH06503392A; BR9107160A; DK0561855T3; JP2915141B2; ATE109868T1; CN1042663C; AU9025391A; CN1063141A; DE59102530D1; US5326238A

Description

Jürgen Schukey,

Hamburg

N/Kö (#63)

Drehkolbenmaschine

Die Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine mit einem Gehäuse, mit einer im Gehäuse gelagerten Welle, mit einem Ringraum, in dem zwei Rotationskörper angeordnet sind und an dessen Wänden, in denen Ein- und Auslaßöffnungen für das Arbeitsmedium vorgesehen sind, die Rotationskörper dichtend anliegen, wobei jeder Rotationskörper radial sich nach außen erstreckende sektorförmige Flügel aufweist, die beiden Rotationskörper koaxial angeordnet sind und ihre Flügel so ineinandergreifen, daß jeweils ein Flügel des einen Rotationskörpers zwischen zwei Flügeln des anderen Rotationskörpers angeordnet ist, wobei eine Kurvenbahnsteuerung vorgesehen ist, durch die bei Rotation der Welle beide Rotationskörper Drehungen mit zyklischen Änderungen der Rotationsgeschwindigkeit und der Abstände zwischen den Flügeln der beiden Rotationskörper ausführen und die Kurvenbahnsteuerung innere Kurvenringe, die mit der Welle drehfest verbunden sind, äußere Kurvenringe, die mit einem Rotationskörper drehfest verbunden sind, und in Umfangsrichtung durch einen mit dem Gehäuse verbundenen Käfig unverschiebbar gehaltene sich zu beiden Stirnflächen hin kegelförmig verjüngende Wälzkörper aufweist, wobei die Wälzkörper zwischen je einem inneren Kurvenring und einem äußeren Kurvenring abrollen.

Bei einer solchen Drehkolbenmaschine (EP-Bl-O 316 346) erfolgt die Kurvenbahnsteuerung der Rotationskörper jeweils mit zwei Sätzen von Elementen, die jeweils einen inneren Kurvenring, Wälzkörper und einen äußeren Kurvenring aufweisen. Zwei solche Sätze von Steuerungen sind erforderlich, da nur über einen gewissen Winkelbereich (z.B. 45°) die Wälzkörper vom inneren

Kurvenring nach außen gedrückt werden können und dann diese
Wälzkörper wiederum den äußeren Kurvenring durch die nach
außen gerichtete Kraft so drehen, daß ein Drehmoment vom
inneren Kurvenring auf den äußeren Kurvenring übertragen
werden kann. Anschließend müssen dann die Wälzkörper wieder
nach innen bewegt werden; während dieser Zeit kann kein
Drehmoment vom inneren Kurvenring auf den äußeren Kurvenring übertragen werden. Es muß daher ein zweiter Satz einer solchen Kurvenbahnsteuerung vorgesehen sein, die in diesem Drehwinkelbereich die Drehmomentübertragung bewirkt. Das Entsprechende gilt natürlich, wenn vom äußeren Kurvenring auf den inneren
Kurvenring Drehmomente übertragen werden sollen. Es versteht sich, daß durch die große Zahl von Elementen der Kurvenbahnsteuerung der Aufbau verhältnismäßig aufwendig wird und auch erhöhte Reibungsverluste auftreten können. Außerdem haben die Kurvenringe verhältnismäßig komplizierte Form, so daß ihre
Herstellung aufwendig und teuer ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer
Drehkolbenmaschine der eingangs genannten Art, die einfacher aufgebaut ist.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß die Wälzkörper mit Kegelradverzahnungen versehen sind, daß die zu den Wälzkörpern gerichteten Oberflächen der Kurvenbahnen der Kurvenringe in einer rotationssymmetrischen, der Oberfläche der
Wälzkörper entsprechenden Fläche angeordnet und mit entsprechenden Innenkegelradverzahnungen versehen sind, und daß für jeden Rotationskörper höchstens eine Kurvenbahnsteuerung mit einem inneren und einem äußeren Kurvenring und Wälzkörpern
vorgesehen ist.

Statt zwei der erwähnten Sätze von Elementen benötigt man nur noch einen Satz. Die Wälzkörper übertragen das Drehmoment vom inneren auf den äußeren Kurvenring oder umgekehrt nicht mehr dadurch, daß sie sich nach außen oder nach innen bewegen. Sie behalten vielmehr ihre Radialstellung zumindest im

wesentlichen bei und übertragen die Drehmomente durch Drehung mit Hilfe der Verzahnungen.

Die Wälzkörper rollen dabei auf den verhältnismäßig schmalen Kurvenbahnen ab, die von den Innenflächen der Kurvenringe hervorstehen. Diese Oberflächen liegen in Flächen, die im wesentlichen die gleiche Doppelkegelform wie die Wälzkörper haben und ebenfalls mit Verzahnungen versehen sind. Solche im wesentlichen kegelförmigen Oberflächen können wesentlich leichter hergestellt werden als die komplizierten Kurvenformen der vorbekannten Drehkolbenmaschine. Auch die Kurvenringe insgesamt können innen bis auf die vorstehenden Kurvenbahnen rotationssymmetrisch oder doppelkegelförmig sein, wodurch sie ebenfalls leichter herzustellen sind.

Obwohl es denkbar ist, daß nur ein Rotationskörper mit einer Kurvenbahnsteuerung versehen ist, ist zweckmäßigerweise für jeden der Rotationskörper eine solche Kurvenbahnsteuerung vorgesehen.

Damit die Kurvenbahnsteuerung spielfrei arbeitet, ist zweckmäßigerweise vorgesehen, daß die Verzahnungen Evolventenverzahnungen sind, deren Evolventengeometrie senkrecht zur Achse des Wälzkörpers steht.

Die Vorteile von Evolventenverzahnungen sind dem Fachmann bekannt. Steht die Evolventengeometrie senkrecht zur Achse des Wälzkörpers und nicht, wie dies sonst bei Kegelzahnrädern üblich ist, senkrecht auf der Oberfläche des Kegels, so hat man neben der Mittellinie der Kurvenbahn eine Profilverschiebung, in der die Zahnräder immer noch spielfrei ineinander eingreifen. Man hat also sozusagen jeweils auf der Mittellinie ein Nullgetriebe und auf beiden Seiten V-Nullgetriebe (Decker, "Maschinenelemente, Gestaltung und Berechnung", Carl Hanser Verlag München 1963, S. 370-373).

Bei Evolventengetrieben beträgt nach DIN 867 der Eingriffswinkel 20°. Wird erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Eingriff swinkel ungefähr 30 bis 50°, insbesondere ungefähr 35 bis 40° beträgt, so können durch die Kurvenringe und die Wälzkörper nicht nur die Drehmomente wie gewünscht übertragen werden, sondern auch radiale Kräfte aufgenommen werden. Die Kurvenbahnsteuerungen können daher als zusätzliche Lager dienen. Unter gewissen Umständen wird man sogar völlig auf andere Lager verzichten können, was den Aufbau der Drehkolbenmaschine weiter vereinfacht.

Wenn die Kurvenringe aus zwei spiegelsymmetrischen Hälften aufgebaut sind, so sind sie leichter herzustellen. Außerdem kann die Kurvenbahnsteuerung leichter zusammengesetzt werden. Werden die Kurvenringe axial zusammengespannt, was durch eine Einspannung und/oder mit entsprechenden Federn geschehen kann, so könnten auf die Lager der Wälzkörper Radialkräfte einwirken, wenn z.B. die inneren Kurvenringe eine größere Radialkraft als die äußeren Kurvenringe ausüben. Es ist daher zweckmäßigerweise vorgesehen, daß die Wälzkörper, die sich in Umfangsrichtung nicht bewegen können, in Lagerungen gehalten sind, die in Radialrichtung zumindest um einen gewissen Betrag verschiebbar sind. In diesem Falle können die Wälzkörper den ungleichmäßigen Kräften ausweichen.

In den meisten Fällen wird man beabsichtigen, daß die Rotationskörper keine Nettodrehbewegung ausführen. Zu diesem Zweck ist zweckmäßigerweise vorgesehen, daß die Zahl der Zähne von innerem und äußerem Kurvenring gleich ist und durch die Zahl der Flügel teilbar ist. Beim Betrieb wird dann der Wälzkörper mit seinem mittleren Bereich mit dem äußeren Kurvenring und mit seinen Endbereichen mit dem Innenring zusammenwirken.

Vorteilhafterweise weist jede Kurvenbahnsteuerung die gleiche Anzahl von Wälzkörpern auf wie die Anzahl der Flügel pro Rotationskörper. Insbesondere in diesem Falle, aber auch in

anderen Fällen, verhält es sich so, daß die Kurvenbahnen hohe Symmetrie aufweisen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Radialebene des Ringraums der Drehkolbenmaschine mit den beiden Rotationskörpern;

Fig. 2 die beiden Rotationskörper in verschiedenen Stellungen;

Fig. 3 eine Hälfte der Maschine im Querschnitt; und

Fig. 4 die Kurvenbahn auf der Oberfläche des inneren Kurvenrings.

In Fig. 1 ist der Ringraum 1 gezeigt, der von Teilen des Gehäuses 2 umschlossen wird. Im Ringraum 1 befinden sich die beiden ineinandergreifenden Rotationskörper, die als Flügelräder 3 und 4 ausgebildet sind. Das Flügelrad 3 weist dabei die Flügel 3a, 3b, 3c und 3d auf, während das Flügelrad 4 die Flügel 4a, 4b, 4c und 4d aufweist. Beide Flügelräder werden durch eine mittig angeordnete Welle 5 auf noch zu beschreibende Weise angetrieben. Mit 6a-h sind verschiedene Einlaßöffnungen und Auslaßöffnungen in der Stirnwand des Ringraumes 1 bezeichnet.

Die Arbeitsweise dieser Anordnung ist die folgende. Bewegt sich die Welle 5 im Gegenuhrzeigersinn, so werden die Flügelräder 3 und 4 auf noch zu beschreibende Weise mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten im Uhrzeigersinn gedreht. Bei der gezeigten Stellung würde sich zum Beispiel das Flügelrad 4 im Uhrzeigersinn schneller drehen als das Flügelrad 3. In diesem Fall würde sich der Arbeitsraum zwischen den Flügeln 3d und 4a

vergrößern, so daß Gas durch den Einlaßkanal 6a eingesaugt wird. Zu einem späteren Zeitpunkt wird dann dieser Einlaßkanal 6a durch den langsam nachfolgenden Flügel 3d verschlossen. Etwa von diesem Moment an beginnt sich der Flügel 3d schneller zu bewegen als der Flügel 4a, so daß der Arbeitsraum zwischen beiden Flügeln verkleinert wird und das Gas komprimiert wird, bis sich beide Flügel soweit bewegt haben, daß der Arbeitsraum über der Auslaßöffnung 6b angelangt ist, so daß hier das Gas entweichen kann. Zu diesem Zeitpunkt kann dann der Flügel 3d bis an den Flügel 4a herangeführt werden, so daß das Gas hier völlig herausgedrückt wird.

Diese Wirkungsweise kann sowohl für einen Kompressor als auch für eine Verbrennungskraftmaschine verwendet werden. Es müßten lediglich Verbrennungsräume, Brennstoffleitungen usw. vorgesehen werden.

In Fig. 2 sind vier Phasen des eben beschriebenen Arbeitszyklus dargestellt. Nach einer 90°-Drehung der beiden Rotationskörper beginnt ein neuer Arbeitszyklus.

In Fig. 3 ist in einem Axialschnitt eine Hälfte der erfindungsgemäßen Maschine dargestellt. Die andere Hälfte der Maschine setzt sich dabei im wesentlichen spiegelsymmetrisch nach links hin fort.

Die Antriebswelle 5 ist über eine Distanzhülse 15 und Radialsowie Axiallager 16, 17 und einen Gehäuseflansch 18 im Gehäuse 2 drehbar gelagert. Außerhalb der Distanzhülse 15 schließen sich noch ein Kupplungsflansch 19 sowie eine Mutter 20 an. Innen von der Distanzhülse 15 folgt der aus zwei Teilen bestehende innere Kurvenring 7. Rechts schließt sich dann eine Distanzhülse 21 an, die zu dem entsprechenden inneren Kurvenring 7 auf der anderen Seite führt, der für den Antrieb des anderen der beiden Rotationskörper bestimmt ist.

Durch Spannen der Mutter 20 werden nun über die Distanzhülsen 15 und 21 sowie durch ein entsprechendes Gegendruckelement auf der linken nicht gezeigten Seite der Maschine die beiden Hälften der Kurvenxnnenringe 7 zusammengedrückt, so daß die Wälzkörper 9 nach außen gedrückt werden und zwar gegen die äußeren Kurvenringe 8. Diese bestehen ebenfalls aus zwei Hälften und sind in einer Mantelhülse 22 drehfest angeordnet, die mit dem Rotationskörper 3 verbunden ist. Durch Verschlußflansche 23 werden die äußeren Kurvenringe 8 nicht nur festgehalten, sondern auch gegeneinander gedrückt, um hier einen Gegendruck für den Druck der Wälzkörper 9 zu schaffen. Das Zusammendrücken der Hälften der Innenringe 7 oder Außenringe 8 kann dabei auch über Federelemente erfolgen.

Der Käfig 14, in dem die Wälzkörper 9 gelagert sind, ist schließlich am Gehäuseflansch 18 befestigt und über eine Planverzahnung 24 mit dem Käfig auf der anderen Seite der Anordnung drehfest verbunden. Auf diese Weise ist der Käfig in Umfangsrichtung gegen das Gehäuse 2 festgelegt. Die Winkeleinstellung des Käfigs 14 in bezug auf das Gehäuse kann aber noch dadurch geändert werden, daß die Winkelstellung des Gehäuseflansches 18 in bezug auf das Gehäuse 2 durch ein Verstellager 25 geändert wird.

Die Wälzkörper 9 sind nicht direkt im Käfig 14 gelagert, sondern in außen quaderförmig ausgebildeten Lagern 50, die in entsprechenden Nuten des Käfigs 14 so aufgenommen sind, daß sie in Umfangsrichtung kein Spiel haben, sich aber in Radialrichtung ein wenig hin- und herbewegen können. Dies ermöglicht, daß die Wälzkörper 9 beim Spannen nach außen gedrückt werden können.

Bei 26 bis 30 sind noch Dichtungen gezeigt, bei 31 eine weitere Dichtung zwischen den Gehäusehälften. 32 schließlich ist eine Gleithülse zwischen Käfig 14 und Rotor 3.

Wie gesagt, ist das Gehäuse 2 aus zwei Hälften zusammengesetzt, wobei bei der Trennlinie 33 derselben die Dichtung vorgesehen ist. Wenn die Dichtwirkung zwischen den Flügeln der Rotationskörper 3, 4 und der Wand des Ringraums 1 schlechter wird, kann durch Anziehen eines durch die Bohrung 34 geführten Bolzens dafür gesorgt werden, daß die beiden Gehäusehälften enger aufeinander zubewegt werden, wodurch ein besserer Kontakt zwischen'Gehäusewänden und Rotationskörpern 3, 4 im Ringraum gegeben ist, wodurch die Dichtwirkung verbessert wird.

Die in Form eines Doppelkegel ausgebildeten Wälzkörper 9 sind mit einer Kegelradverzahnung 51 versehen. Es handelt sich dabei um eine Evolventenverzahnung, wobei die Evolventenebene senkrecht zur Achse der Wälzkörper 9 steht. Die Kurvenringe und 8 haben innen im wesentlichen eine ähnliche Fläche wie die Außenfläche der Wälzkörper 9. Es bestehen aber zwischen den Ringen 7, 8 einerseits und dem Wälzkörper 9 andererseits Zwischenräume 52. Ringe 7, 8 einerseits und Wälzkörper 9 andererseits berühren sich nur im Bereich der Kurvenbahnen 53, die auf den Innenflächen der Kurvenringe 7, 8 als längliche Vorsprünge vorgesehen sind, die an ihrer Oberfläche eine Evolventenverzahnung tragen, die derjenigen der Wälzkörper entspricht. Die Verzahnungen nicht nur der Wälzkörper 9, sondern auch der Kurvenbahnen 53, haben, wie die einer Kegelradverzahnung entspricht, in der Mitte einen größeren Modul bzw. eine größere Teilung als zu den axialen Enden des Wälzkörpers 9 hin. In Umfangsrichtung haben die Kurvenbahnen 53 unterschiedliche Abstände von der Mittelebene. Dadurch ändert sich das Übersetzungsverhältnis sowohl vom inneren Kurvenring 7 zum Wälzkörper 9 als auch vom Wälzkörper 9 zum äußeren Kurvenring 8. Wird nun die Welle 5 angetrieben, so dreht sich mit ihr der Innenring 7 gleichförmig. Der Wälzkörper 9 wird eine wechselnde Drehgeschwindigkeit annehmen, je nach dem, wie weit die Kurvenbahn 53 an der Berührungsstelle zwischen Wälzkörper 9 und Innenring 7 gerade von der Mittellinie entfernt ist. Auch das Übersetzungsverhältnis zwischen

Wälzlager 9 und Außenring variiert entsprechend, so daß der Rotationskörper 3 die gewünschte, nicht gleichförmige Drehbewegung durchführt.

Die Ausführungsform der Fig. 3 weist vier Wälzkörper 9 auf, von denen in der Figur zwei sichtbar sind. Zwei weitere Wälzkörper 9 befinden sich in einem Winkelabstand von 90° vor der Zeichnungsebene und hinter der Zeichnungsebene. Die Kurvenbahnen 53 haben dabei einen Verlauf (Abstand von der Mittelebene als Funktion des Winkels um die Mittelachse des Wälzkörpers 9), der eine Periode von 90° hat.

In Fig. 4 ist die Kurvenbahn der äußeren Oberfläche einer Hälfte eines inneren Kurvenrings 7 gezeigt. Die Kurvenbahn 53 hat, wie deutlich sichtbar, einen mit dem Winkel variierenden Abstand von der Mittelebene. Die Evolventenverzahnung 54 hat in der Nähe der Mittellinie (bei B) einen größeren Modul (Teilung, Zahnabstand) als im äußeren Bereich (bei A).

Claims

Schutzansprüche

1. Drehkolbenmaschine mit einem Gehäuse (2), mit einer im Gehäuse (2) gelagerten Welle (5), mit einem Ringraum (1), in dem zwei Rotationskörper (3, 4) angeordnet sind und an dessen Wänden, in denen Ein- und Auslaßöffnungen (6a-6h) für das Arbeitsmedium vorgesehen sind, die Rotationskörper (3, 4) dichtend anliegen, wobei jeder Rotationskörper (3, 4) radial sich nach außen erstreckende sektorförmige Flügel (3a-3d, 4a-4d) aufweist, die beiden Rotationskörper (3, 4) koaxial angeordnet sind und ihre Flügel so ineinandergreifen, daß jeweils ein Flügel des einen Rotationskörpers zwischen zwei Flügeln des anderen Rotationskörpers angeordnet ist, wobei eine Kurvenbahnsteuerung (7, 8, 9) vorgesehen ist, durch die bei Rotation der Welle (5) beide Rotationskörper (3, 4) Drehungen mit zyklischen Änderungen der Rotationsgeschwindigkeit und der Abstände zwischen den Flügeln der beiden Rotationskörper ausführen und die Kurvenbahnsteuerung innere Kurvenringe (7), die mit der Welle (5) drehfest verbunden sind, äußere Kurvenringe (8), die mit einem Rotationskörper (3, 4) drehfest verbunden sind und in Umfangsrichtung durch einen mit dem Gehäuse (2) verbundenen Käfig (14) unverschiebbar gehaltene sich zu beiden Stirnflächen hin kegelförmig verjüngende Wälzkörper (9) aufweist, wobei die Wälzkörper (9) zwischen je einem inneren Kurvenring (7) und einem äußeren Kurvenring

(8) abrollen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper

(9) mit Kegelradverzahnungen (51) versehen sind, daß die zu den Wälzkörpern (9) gerichteten Oberflächen der Kurvenbahnen (53) der Kurvenringe (7, 8) in einer rotationssymmetrischen, der Oberfläche der Wälzkörper (9) entsprechenden Fläche angeordnet und mit entsprechenden Kegelradverzahnungen (54) versehen sind, und daß für jeden Rotationskörper (9) höchstens eine Kurvenbahnsteuerung mit einem

inneren und einem äußeren Kurvenring (7, 8) und Wälzkörpern (9) vorgesehen ist.

2. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Rotationskörper (3, 4) eine Kurvenbahnsteuerung (7, 8, 9, 51, 52) vorgesehen ist.

3. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurvenringe (7, 8) mit Ausnahme der Kurvenbahnen (53) im wesentlichen rotationssymmetrisch sind.

4. Drehkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzahnungen (51, 54) Evolventenverzahnungen sind, deren Evolventengeometrie senkrecht zur Achse des Wälzkörpers (9) steht.

5. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingriffswinkel der Verzahnungen (51, 54) ungefähr 30° bis 50° beträgt.

6. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingriffswinkel der Verzahnungen (51, 54) ungefähr 35° bis 40° beträgt.

7. Drehkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurvenringe (7, 8) aus zwei spiegelsymmetrischen Hälften aufgebaut sind.

8. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper (9) in Lagerungen (50) gehalten sind, die in Radialrichtung verschiebbar sind.

9. Drehkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Zähne von innerem und äußerem Kurvenring (7, 8) gleich und durch die Zahl der Flügel (3a, 3b, 3c, 3d) teilbar ist.

10. Drehkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Wälzkörper (9) jeder Kurvenbahnsteuerung (7, 8, 9, 51, 52) durch die Zahl der Flügel des Rotationskörpers (3, 4) teilbar ist.

11. Drehkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurvenbahnen (53) hohe Symmetrie aufweisen.