DE102018005332A1

DE102018005332A1 - Rotationskolbenmotor

Info

Publication number: DE102018005332A1
Application number: DE102018005332.7A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-06-27
Filing date: 2018-07-06
Publication date: 2020-01-02

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotationskolbenmotor mit zumindest einem Rotor, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (E2) in jeder Schnittansicht durch die Mittelachse des Motors (EM) eine konvexe Form hat, deren Tangente jeweils im Übergang zur Seitenfläche des Rotors (E2) einen Winkel (α) von mindestens 20° zur Seitenfläche des Rotors (E2) aufweist. Die Erfindung betrifft außerdem Verfahren zur Herstellung eines solchen Motors.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotationskolbenmotor, sowie Verfahren zu dessen Herstellung.
Aus der Praxis sind Rotationskolbenmotoren vorrangig in Trochoidenbauart mit zweibogiger Trochoidenform als sogenannte Wankelmotoren bekannt. Bei derartigen Motoren formen jeweils ein mittleres Gehäuse mit einer zweibogig trochoidenförmigen Innenkontur - auch Trochoide genannt - und dieses Gehäuse seitlich abschließende, seitliche Gehäuseteile - auch Seitenteile genannt - einen Arbeitsraum, in dem ein als Rotationskolben ausgebildeter und im Querschnitt zur Mittelachse die Form eines Dreiecks mit konvexen Seiten aufweisender Läufer - auch Rotor genannt - rotiert. Der Rotor treibt dabei einen exzentrischen Teil einer Welle - auch Exzenterwelle genannt - an, auf dem er gleichzeitig gelagert ist. Die Mittelachse der Exzenterwelle befindet sich auf der Mittelachse des Motors im Ursprung der Trochoidenkontur. Die Führung des Rotors im Arbeitsraum erfolgt üblicherweise durch ein außenverzahntes Zahnrad in einem Seitenteil, sowie ein entsprechend innenverzahntes Zahnrad im Rotor.
Der Rotor ist entlang seiner Kanten mit Dichtelementen versehen, die in permanentem Kontakt mit den Außenwänden des Arbeitsraumes sind. Diese Dichtelemente sind üblicherweise sogenannte Radialdichtleisten auf den radialen Kanten des Rotors, sogenannte Seitendichtleisten entlang der seitlichen Kanten des Rotors und sogenannte Eckbolzen, die seitlich in den Eckbereichen des Rotors, in denen die Radialdichtleisten und die Seitendichtleisten zusammentreffen, positioniert sind.
Die Innenkontur der Trochoide wird durch die Parameter e, R und a bestimmt. Dabei ist e die Exzentrizität der Exzenterwelle, R der Radius des Grundkreises und a eine Äquidistante, durch die der Kuppenradius der Radialdichtleisten ausgeglichen wird. Mit den gleichen Parametern wird auch der Rotor bestimmt, wobei hier noch das Spiel (sp) hinzukommt, durch das Spiel und Toleranzen im Motor berücksichtigt werden, um eine Kollision zwischen Rotor und Trochoide im Betrieb zu verhindern.
Aus der Praxis sind Rotationskolbenmotoren bekannt, deren geometrische Parameter entlang der Mittelachse konstant sind. Die Berührung zwischen Radialdichtleisten und Trochoide erfolgt somit immer entlang einer geraden Linie, und der Arbeitsraum bildet in jeder Schnittansicht, die durch die oder parallel zur Mittelachse verläuft, die Form eines Rechtecks. Dies birgt den Nachteil, dass zur Verbrennung in den Motor eingeleitetes Gas, üblicherweise Kraftstoff-Luft-Gemisch, in den Eckbereichen nicht oder nur unvollständig verbrennt, weil es von der Flammenfront schlecht erreicht wird und durch ein ungünstiges Oberflächen-Volumen-Verhältnis zu stark von den Gehäuseteilen gekühlt wird. Dies führt zu einer Verschlechterung von Wirkungsgrad und Abgasemissionen.
Als Alternative hierzu ist eine Gestaltung gemäß der Patentschriften US4308002A , EP0310549A1 , DE19708602A1 , DE3447518A1 und US3083699A bekannt. Hierbei wird der Rotor jeweils dergestalt ausgeführt, dass er nicht nur in Querschnitten zur Mittelachse die Form eines Dreiecks mit konvexen Seiten aufweist, sondern auch in jeder Schnittansicht, die durch die oder parallel zur Mittelachse verläuft, mit einer konvexen Kuppe versehen ist, die tangential in die Seitenflächen des Rotors verläuft. Dies führt dazu, dass die Übergangsbereiche der Gehäuseteile besser von der Flammenfront erreicht werden und auch das Oberflächen-Volumen-Verhältnis in den Eckbereichen günstiger ist. Auf die bekannte, dreiteilige Ausführung der Gehäuseteile (Trochoide mit Seitenteilen) muss bei dieser Gestaltung jedoch verzichtet werden, da damit der tangentiale Übergang in die Seitenbereiche nicht realisierbar ist. Stattdessen sollen zwei im Bereich des Arbeitsraums symmetrische Gehäusehälften verwendet werden.
Wie einige der o.g. Patentschiften nahelegen, ist die Verbindung der Gehäusehälften jedoch kritisch, und sie ist in der Praxis trotz der genannten Optimierungen kaum realisierbar, da die Anschlusskonturen der Gehäusehälften im Arbeitsraum vollständig fluchten müssen. Schon minimale Abweichungen führen zu Undichtigkeiten und Verlusten hinsichtlich Wirkungsgrad und Leistung. Eine annähernd ausreichend genaue Ausführung der Gehäusehälften wäre höchstens noch dadurch realisierbar, dass die inneren, den Arbeitsraum bildenden Flächen, im montierten Zustand bearbeitet werden, wobei die Zugänglichkeit für entsprechende Werkzeuge sehr eingeschränkt wäre. Außerdem führt der tangentiale Übergang der Seiten des Rotors in die konvexen Kuppen dazu, dass zwischen Rotor und Gehäuse spaltförmige Bereiche entstehen, an denen die Verbrennung wiederum eingeschränkt sein kann. Dies ist aufgrund der Lage der Spalte zwar nicht allzu kritisch, kann aber trotzdem einen Teil des zuvor erreichten Vorteils bei Wirkungsgrad und Abgasemissionen aufheben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden und einen zusätzlich in weiteren Bereichen verbesserten Rotationskolbenmotor vorzustellen, der Vorteile hinsichtlich Verbrennung, Abgasemissionen und Herstellbarkeit hat. Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Werkzeuge zur Herstellung des verbesserten Rotationskolbenmotors vorzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Rotationskolbenmotor, dessen Rotor in jeder Schnittansicht durch die Mittelachse des Motors eine konvexe Form aufweist, deren Tangente jeweils im Übergang zur Seitenfläche des Rotors einen Winkel von mindestens 20° zur Seitenfläche des Rotors aufweist. Dadurch kann das zum Rotor korrespondierende Gehäuse des Rotationskolbenmotors dreiteilig ausgeführt werden, und die Trochoidenlaufbahn ist zur Bearbeitung nicht durch die seitlichen Gehäuseteile verdeckt, was die Herstellung erheblich vereinfacht. Gleichzeitig sind die Eckbereiche noch gut von der Flammenfront erreichbar, und sie haben ein für die Verbrennung günstiges Oberflächen-Volumen-Verhältnis, während nahe am Rotor nur gering spaltförmige Bereiche entstehen.
Außerdem kann der Rotor durch die konvexe Form mit einer kompakteren Brennraummulde ausgeführt werden. Dadurch entsteht ein ähnlicher Brennraum wie bei vielen Hubkolbenmotoren, und es kann aus thermodynamischer Sicht eine weitere Effizienzsteigerung angenommen werden.
Die konvexe Form muss dabei in Schnittansicht durch die Mittelachse des Motors nicht zwangsläufig kreisbogenförmig sein. Sie kann auch eine andere Form aufweisen, beispielsweise kreisbogenförmig mit geraden Bereichen, elliptisch, usw. Auch können Bereiche wellenförmig ausgestaltet sein, sofern dies beispielsweise für die Gasströmung im Motor sinnvoll ist.
Es ist verständlich, dass die Innenkontur bzw. Laufbahn der Trochoide eines erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors der Form des Rotors entspricht und entsprechend konkav ausgeführt ist. Somit bietet es sich zunächst an, dass die geometrischen Parameter (R, a) in jeder Schnittansicht senkrecht zur Mittelachse des Motors für Rotor und Trochoide gleich sind und entlang der Mittelachse variiert werden, sodass die Form der Laufbahn der der Kuppen des Rotors entspricht.
Gleiches gilt auch für die Radialdichtleisten eines erfindungsgemäßen Motors. Damit diese vollständig an der Trochoide anliegen, ist eine Gestaltung vorgesehen, bei der die Kuppen der Radialdichtleisten in jeder Schnittansicht senkrecht zur Mittelachse des Motors den gleichen Radius a aufweisen wie die Äquidistante a der Trochoide in der jeweils selben Schnittansicht. Dabei ist es erfindungsgemäß möglich, dass a entlang der Mittelachse variiert wird. Auch ist es möglich, die Radialdichtleisten mehrteilig auszuführen, wie es von herkömmlichen Rotationskolbenmotoren bekannt ist.
Wenn die Radialdichtleisten für einen erfindungsgemäßen Motor wie zuvor beschrieben in jeder Schnittansicht senkrecht zur Mittelachse des Motors einen Radius a aufweisen, können die Radialdichtleisten, aber auch die Trochoide und der Rotor nicht mit konventionellen, rotationssymmetrischen Werkzeugen wie beispielsweise Konturfräsern erstellt werden. Entsprechend ist für die Bearbeitung der Innenkontur der Trochoide ein erfindungsgemäßes Werkzeug vorgesehen, dessen Außenkontur der einer Radialdichtleiste entspricht. Dieses Werkzeug kann dann auf die gleiche Art relativ zur Trochoide bewegt werden (bzw. die Trochoide relativ zum Werkzeug), wie sich auch eine Radialdichtleiste innerhalb der Trochoide bewegt.
Um zum Abschluss der Bearbeitung der Trochoide eine möglichst glatte Oberfläche zu erreichen und insbesondere keine die Dichtigkeit der Radialdichtleisten beeinflussenden Längsrillen in der Laufbahn zu erzeugen, ist ein weiteres erfindungsgemäßes Werkzeug vorgesehen. Dieses basiert auf dem vorherigen Werkzeug, sieht jedoch für den Bereich der Radialdichtleiste ein Element als Unterlage vor, das im Bereich der Kontaktfläche zur Trochoide um eine Äquidistante zurückversetzt ist. Der durch die Äquidistante entstehende Spalt wird dann durch ein Schleifband überbrückt, das auf dem vorgenannten Element gleitet und im Werkzeug geführt ist. Das Schleifband kann dabei in seiner Laufrichtung verändert werden. Dadurch entsteht auf der Oberfläche der Trochoide ein Kreuzschliff.
Zur Bearbeitung der Radialdichtleisten und des Rotors sind entsprechend Werkzeuge vorgesehen, deren Innenkontur der einer erfindungsgemäßen Trochoide entspricht. Die Trochoidenkontur muss dabei nicht vollständig abgebildet werden, wenn sie sich wiederholt, was ab einer zweibogig trochoidenförmigen Form der Fall ist. Im Sinne einer besseren Zugänglichkeit ist es somit sinnvoll, die Werkzeuge zur Bearbeitung der Radialdichtleisten und des Rotors in Form eines Trochoiden-Segments, beispielsweise einer halben Trochoide, auszuführen. Dabei ist beim Werkzeug zur Bearbeitung des Rotors ein Aufmaß zum Ausgleich des Spiels (sp) zu berücksichtigen.
Um zu erreichen, dass die Radialdichtleisten eines erfindungsgemäßen Motors vollständig an der Trochoide anliegen, ist alternativ zur vorgenannten Gestaltung, bei der die Kuppen der Radialdichtleisten in jeder Schnittansicht senkrecht zur Mittelachse des Motors den gleichen Radius a aufweisen wie die Äquidistante a der Trochoide in der jeweils selben Schnittansicht, eine weitere Ausgestaltung vorgesehen. Bei dieser Ausgestaltung wird die Radialdichtleiste rotationssymmetrisch ausgeführt, sodass sie in jeder Schnittansicht durch ihre Mittelachse den gleichen Radius aufweist. Dadurch kann die Radialdichtleiste mit einem rotationssymmetrischen Werkzeug wie beispielsweise einem Konturfräser hergestellt werden, und sie kann auch durch Drehen eines zugeschnittenen Rohlings hergestellt werden.
Die Bearbeitung der Trochoide kann dann wie zuvor mit einem Werkzeug erfolgen, das der Kontur der Radialdichtleiste nachempfunden ist. In diesem Fall kann das Werkzeug allerdings auch als rotierende, in ihrer Drehrichtung veränderbare Scheibe ausgeführt werden, was die Bearbeitung der Trochoide wesentlich erleichtert. Ein den Konturen von Radialdichtleiste und Trochoide entsprechender Rotor kann wie zuvor durch ein Werkzeug erzeugt werden, dessen Innenkontur einem Teil einer erfindungsgemäßen Trochoide entspricht.
Eine weitere Möglichkeit zur Erstellung der Komponenten eines erfindungsgemäßen Motors sind sogenannte additiven Verfahren, bei denen Geometrien ohnehin sehr frei erzeugt werden können. Dabei ist es erfindungsgemäß möglich, die Komponenten einzeln herzustellen und dann zu montieren, aber sie können auch gemeinsam erstellt werden, und es ist ebenfalls möglich, den Produktionsprozess eines Bauteils zu unterbrechen, Teile zu montieren und dann den Produktionsprozess fortzusetzen. Dadurch können sich beispielsweise Rotor und Radialdichtleisten schon bei der Herstellung in der Trochoide befinden und müssen nicht nachträglich in die Trochoide eingesetzt werden. Auch kann ein additives Verfahren mit einem der zuvor beschriebenen Herstellungsverfahren kombiniert werden.
Durch die kuppenförmige Ausgestaltung des Rotors ist der maximale Grundkreisradius R am Rotor größer als der minimale Grundkreisradius R der Trochoide. Der Rotor kann somit nicht in Richtung der Mittelachse in die Trochoide eingesetzt werden. Bei entsprechender Ausgestaltung ist es jedoch möglich, dass der Rotor in die Trochoide eingeschwenkt werden kann.
Sofern die gewählte Geometrie ein Einschwenken des Rotors nicht zulassen sollte und auch eine additive Herstellung nicht möglich sein sollte, ist erfindungsgemäß vorgesehen, den Rotor mehrteilig auszuführen. Dann können die einzelnen Segmente des Rotors in die Trochoide eingesetzt und danach mit einander verbunden werden. Dies ist hinsichtlich Dichtigkeit wesentlich einfacher realisierbar als eine geteilte Trochoide, da nur die Dichtelemente in direktem Kontakt mit dem Gehäuse sind, der Rotor selbst jedoch nicht. Es bietet sich dabei an, ist aber nicht notwendig, den Rotor aus mehreren gleichen Segmenten auszuführen.
Da es für die Funktion der Dichtelemente auch wichtig ist, dass ihre Kontaktflächen am Rotor sehr gleichmäßig und glatt sind, kann eine mehrteilige Ausführung des Rotors dennoch zu Undichtigkeiten führen. Für diesen Fall ist erfindungsgemäß vorgesehen, den Rotor mit Einsätzen auszustatten, die die Kontaktflächen zu den Dichtelementen bilden. Die Einsätze können dabei erfindungsgemäß zusätzlich dazu genutzt werden, die Segmente des Rotors zu fixieren. Auch kann das Ritzel des Rotors in einen Einsatz integriert werden.
Im Folgenden werden in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.
Es zeigen:

1a einen konventionellen Rotationskolbenmotor nach Stand der Technik in Seitenansicht zur Erläuterung der Komponenten.
1b einen konventionellen Rotationskolbenmotor in entlang der Schnittlinie A-A aus 1a geschnittener Ansicht.
2a einen erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotor in Seitenansicht.
2b einen erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotor in entlang der Schnittlinie A-A aus 2a geschnittener Ansicht.
3a-c Radialdichtleisten eines erfindungsgemäßen Motors in verschiedenen Ansichten.
4 eine Trochoide und einen geschwenkten Rotor eines erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors in isometrischer Ansicht.
5a-b mehrteilige Rotoren eines erfindungsgemäßen Motors in isometrischer Explosionsansicht.
6a-d Werkzeuge zur Beschreibung von Bearbeitungsverfahren eines erfindungsgemäßen Motors.

In allen Figuren werden für gleiche bzw. gleichartige Bauteile übereinstimmende Bezugszeichen verwendet. Es ist verständlich, dass die dargestellten Bauteile und Konturen lediglich beispielhaft sind und gemäß der Beschreibung beliebig variiert werden können. Ebenfalls ist verständlich, dass sämtliche anwendbaren Optimierungen für Motoren nach Stand der Technik auf einen erfindungsgemäßen Motor applizierbar sind. Da Rotationskolbenmotoren modular mit mehreren entlang der Mittelachse angeordneten Arbeitsräumen aufgebaut werden können, ist außerdem verständlich, dass zwar ein Rotationskolbenmotor mit nur einen Arbeitsraum beschrieben ist, aber ein erfindungsgemäßer Rotationskolbenmotor auch mehrere Arbeitsräume aufweisen kann.
1a dient lediglich der Übersicht und zeigt schematisch einen konventionellen Rotationskolbenmotor in Trochoidenbauart (KM) in seitlicher Ansicht auf die Kontaktfläche zu einem nicht dargestellten Seitenteil. Dargestellt ist die Trochoide (K1) mit zweibogig trochoidenförmigen Innenkontur, der Rotor (K2), die Exzenterwelle (3) und die Lauffläche eines Seitenteils (4). Weiterhin dargestellt sind die Radialdichtleisten (K5) auf den radialen Kanten des Rotors (K2), Eckbolzen (6) seitlich in den Eckbereichen des Rotors (K2) und Seitendichtleisten (7) entlang der seitlichen Kanten des Rotors (K2). Nicht dargestellt, da für die Erfindung nicht relevant, sind jeweils zumindest ein Einlass- und Auslasskanal, sowie weitere für den Betrieb eines Rotationskolbenmotors regelmäßig benötigte Komponenten wie Zündung, Zündkerze, Lager, Dichtringe, Schrauben, Sicherungsringe, usw.
1b zeigt den konventionellen Rotationskolbenmotor (KM) aus 1a in entlang der Schnittlinie A-A aus 1a geschnittener Ansicht. Die dargestellten Komponenten sind somit zunächst analog zu 1a. Es sind nun auch das zuvor nicht dargestellte Seitenteil (9), sowie das Ritzel (10) des Rotors (K2) und das entsprechende feststehende Ritzel (11) im Seitenteil (4) zu sehen. Unterhalb der Exzenterwelle (3) ist die gerade Flanke des Rotors (K2) mit der vertieft liegenden Brennraummulde zu sehen.
Die ebenfalls gerade Radialdichtleiste (K5) liegt an der Trochoide (K1) an. Sie wird wie bei konventionellen Rotationskolbenmotoren in der Praxis zusätzlich durch eine hier nicht dargestellte Feder zwischen Radialdichtleiste (K5) und Rotor (K2) an die Trochoide (K1) angedrückt.
2a zeigt einen erfindungsgemäßen Motor (EM) analog zu 1a in seitlicher Ansicht auf die Kontaktfläche zu einem nicht dargestellten Seitenteil. Dargestellt ist die Trochoide (E1) mit zweibogig trochoidenförmigen Innenkontur, der Rotor (E2), die Exzenterwelle (3) und die Lauffläche eines Seitenteils (4). Weiterhin dargestellt sind die Radialdichtleisten (E5) auf den radialen Kanten des Rotors (E2), Eckbolzen (6) seitlich in den Eckbereichen des Rotors (E2) und Seitendichtleisten (7) entlang der seitlichen Kanten des Rotors (E2). Nicht dargestellt, da für die Erfindung nicht relevant, sind wie zuvor jeweils zumindest ein Einlass- und Auslasskanal, sowie weitere für den Betrieb eines Rotationskolbenmotors regelmäßig benötigte Komponenten wie Zündung, Zündkerze, Lager, Dichtringe, Schrauben, Sicherungsringe, usw.
Um den Unterschied zu einem konventionellen Motor zu verdeutlichen, sind verdeckte Konturen von Trochoide (E1), Rotor (E2) und Radialdichtleisten (E5) dargestellt. Dabei sind insbesondere die Kuppen (E8) des Rotors (E2) zu sehen, die in die Trochoide (E1) hineinragen. Auch sind die nun aus dem Rotor (E2) herausragenden und entsprechend kompakten Brennraummulden in den Kuppen (E8) zu sehen. Ebenfalls ist sichtbar, dass alle drei Radialdichtleisten (E5) sowohl an der Vorderkante, als auch in der Mitte der Trochoide (E1) anliegen. Dies ist nur bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung oder mit flexiblen, in der Praxis kaum realisierbaren Radialdichtleisten gemäß einiger der vorgenannten Alternativen möglich.
2b zeigt den erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotor (EM) aus 2a in entlang der Schnittlinie A-A aus 2a geschnittener Ansicht. Die dargestellten Komponenten sind somit zunächst analog zu 2a. Auch hier ist nun zusätzlich das zuvor nicht dargestellte Seitenteil (9), sowie das Ritzel (10) des Rotors (E2) und das entsprechende feststehende Ritzel (11) im Seitenteil (4) zu sehen. Unterhalb der Exzenterwelle (3) ist die konvexe, in diesem Fall kreisbogenförmige Kuppe (E8) des Rotors (E2) zu sehen, die wie bei vielen Rotationskolbenmotoren üblich ein geringes Spiel (sp) zur Trochoide (E1) aufweist, um Kollisionen zwischen Rotor (E2) und Trochoide (E1) im Betrieb zu vermeiden. Die Radialdichtleiste (E5) liegt an der Trochoide (E1) an. Sie wird wie bei konventionellen Rotationskolbenmotoren in der Praxis zusätzlich durch eine hier nicht dargestellte Feder zwischen Radialdichtleiste (E5) und Rotor (E2) an die Trochoide (E1) angedrückt.
Weiterhin ist mit gestrichelten Linien eine Tangente der Kuppe (E8) des Rotors (E2) im Übergang der Kuppe (E8) zur Seitenfläche bzw. zum Seitenteil (4) und eine Parallele zur Seitenfläche des Rotors (E2), bzw. zum Seitenteil (4) dargestellt. Der Winkel (α) zwischen den beiden Linien beträgt im gezeigten Beispiel ca. 45°. Mit kleiner werdendem Winkel (α) werden die Kanten der Trochoide (E1) im Übergang zu den Seitenteilen (4, 9) zunehmend schärfer, und der Spalt zwischen Rotor (E2) und Seitenteilen (4, 9) wird entsprechend enger. Entsprechend ist ein Winkel (α) <20° weder technisch sinnvoll, noch mit akzeptablem Aufwand herstellbar.
3a zeigt nochmals detailliert eine Radialdichtleiste (E5) eines erfindungsgemäßen Motors (EM). Es ist anhand der Schnittdarstellungen A-A und B-B zu sehen, dass die Kuppe der Radialdichtleiste (E5) in jeder Schnittansicht senkrecht zur Mittelachse des Motors (EM) einen Radius a aufweist. So wird erreicht, dass die Radialdichtleiste (E5) in allen auftretenden Winkellagen des Rotors (E2) an der Trochoide (E1) anliegt und somit eine vollständige Dichtigkeit erreicht wird.
3b zeigt alternativ zur Radialdichtleiste (E5) eine weitere Radialdichtleiste (E12). Diese ist rotationssymmetrisch ausgeführt, sodass sie in jeder Schnittansicht durch ihre Mittelachse den gleichen Radius aufweist. Dies vereinfacht die Herstellung, erfordert aber wie zuvor erläutert Korrekturen an der Trochoide (E1) und dem Rotor (E2), um eine vollständige Dichtigkeit zu erreichen.
3c zeigt analog zur Radialdichtleiste (E5) aus 3a eine an den Enden geteilte Radialdichtleiste (E17). Analog zu herkömmlichen Rotationskolbenmotoren können dadurch Längenunterschiede ausgeglichen werden. Die Radialdichtleiste (E17) ist außerdem an ihrer Unterseite gerade, was hinsichtlich Steifigkeit und Führung im Rotor (E2) vorteilhaft sein kann.
4 zeigt eine mögliche Montage des Rotors (E2) in die Trochoide (E1). Bei entsprechend ausgewählter Geometrie kann der Rotor (E2) zunächst mit zwei Kanten in die Trochoide (E1) eingedreht werden. Danach kann dann die verbleibende Kante des Rotors (E2) in die Trochoide (E1) eingeschwenkt werden. Diese Lösung erleichtert die Montage, ist jedoch in der Auswahl der Geometrie begrenzt.
5a zeigt als Alternative hierzu einen mehrteiligen Rotor. Dieser ist zur besseren Übersicht in isometrischer Explosionsansicht mit Dichtelementen (E5, 6, 7) und Ritzel (10) dargestellt, und es wurde auf die die Darstellung der Bezugszeichen der Dichtelemente (E5, 6, 7) verzichtet. Der Rotor besteht aus gleichen, nach Stand der Technik zusammenfügbaren und zu einander gasdicht abgedichteten Segmenten (E13). Die Segmente (E13) können einzeln in eine Trochoide (E1) eingesetzt und dann verbunden werden. Dadurch sind die Freiheiten bei der erfindungsgemäßen Gestaltung von Trochoide (E1) und Rotor (E2) wesentlich größer.
Um eventuelle Undichtigkeiten der Dichtelemente (E5, 6, 7) bei einem Rotor aus Segmenten (E13) zu vermeiden, zeigt 5b analog zu 5a einen Rotor aus gleichen, nach Stand der Technik zusammenfügbaren und zu einander gasdicht abgedichteten Segmenten (E14). Die Eckbolzen (6) und Seitendichtleisten (7) sind in diesem Beispiel jedoch nicht direkt mit den Segmenten (E14) in Kontakt, sondern mit zusätzlichen, nach Stand der Technik mit den Segmenten (E14) zusammenfügbaren und zu den Segmenten (E14) gasdicht abgedichteten Einsätzen (E15, E16), die für die Eckbolzen (6) und Seitendichtleisten (7) eine durchgehende Kontaktfläche bieten. Die Einsätze (E15, E16) können dabei auch zum Zusammenfügen der Segmente (E14) genutzt werden. Auch ist die Integration weiterer Funktionen möglich. So ist in einen Einsatz (E16) das Ritzel des Rotors (10) integriert.
6a zeigt ein Werkzeug (EW1) zur Bearbeitung einer Trochoide (E1). Das Werkzeug (EW1) besteht aus einem Grundkörper (W1) und einem darin geführten, zustellbaren Schneidwerkzeug (W2). Das Werkzeug (EW1) kann auf eine Bearbeitungsmaschine, beispielsweise einer CNC-Fräsmaschine, montiert werden, die das Schneidwerkzeug (W2) auf der Bahn einer Radialdichtleiste (E5, E12, E17) führt. In diesem Fall muss das Schneidwerkzeug (W2) nicht zustellbar sein, da ein Zustellen auch durch die Maschine erfolgen kann. Alternativ kann der Grundkörper (W1) mit einer Innenverzahnung (W3) analog zum Ritzel (10) eines Rotors (E2) versehen und auf einer Welle mit einem Exzenter (W4) analog zu einer Exzenterwelle (3) gelagert werden. Die Welle mit Exzenter (W4) kann dann in einer hier der Übersicht halber nicht dargestellten Platte gelagert werden, in die ein Ritzel (W5) analog zum feststehenden Ritzel (11) eingesetzt ist. Auf die Platte wird dann die Trochoide (E1) zur Bearbeitung montiert. Die Platte kann dabei auch der seitlichen Führung des Werkzeugs (EW1) relativ zur Trochoide (E1) dienen. Zur Bearbeitung kann sich die Trochoide (E1) mit der Platte um das Werkzeug (EW1) drehen, oder das Werkzeug (EW1) kann sich auf der Platte bzw. innerhalb der Trochoide (E1) drehen.
Die Kontur des Schneidwerkzeugs (W2) entspricht der einer Radialdichtleiste (E5, E12, E17). Es ist verständlich, dass das Schneidwerkzeug (W2) austauschbar ist, sodass zunächst eine grobe und danach eine feine Bearbeitung bis hin zu Schleifen und Politur möglich ist.
6b zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Werkzeug (EW2) zur Bearbeitung der Trochoide, das insbesondere zum Erreichen einer hohen Oberflächengüte und eines Kreuzschliffs dient. Basis ist wie zuvor ein Grundkörper (W6). In den Grundkörper (W6) ist ein geführter, zustellbarer Schieber (W7) eingesetzt. Der Grundkörper (W6) ist außerdem mit einer Nut versehen, in der ein Schleifband (W8) seitlich geführt wird. Der Schieber (W7) drückt das Schleifband (W8) gegen die Laufbahn der Trochoide (E1). Durch die Bewegung des Schleifbands (W8) und des Werkzeugs (EW2) relativ zur Trochoide (E1) entsteht ein schräger Schliff in der Trochoide (E1). Mit regelmäßiger Umkehr der Laufrichtung des Schleifbands (W8) entsteht folglich ein Kreuzschliff in der Trochoide (E1). Die Außenkontur des Schleifbands (W8) wird durch den Schieber (W7) vorgegeben und entspricht der einer Radialdichtleiste (E5, E12, E17). Wird der Grundkörper (W6) maschinell geführt, beispielsweise in einer CNC-Fräsmaschine, kann auf den Schieber (W7) verzichtet werden, da dann ein Zustellen durch die Maschine erfolgen kann. In diesem Fall muss dann jedoch der Grundkörper (W6) die Kontur des Schleifbands (W8) so vorgeben, dass sie der einer Radialdichtleiste (E5, E12, E17) entspricht.
Es ist verständlich, dass auch dieses Werkzeug (EW2) wie das zuvor beschriebene, d.h. mit Innenverzahnung (W3), Welle mit einem Exzenter (W4), Montageplatte und Ritzel (W5), usw. ausgeführt werden kann. Auch ist verständlich, dass das Schleifband (W8) austauschbar ist.
6c zeigt ein erfindungsgemäßes Werkzeug (EW3) zur Bearbeitung einer Trochoide (E1), die mit einer rotationssymmetrischen Radialdichtleiste (E12) kombiniert wird. Es besteht aus einem Grundkörper (W9) und einem rotierenden Schneidwerkzeug (W10), dessen Außenkontur der einer Radialdichtleiste (E12) gleicht.
Das Werkzeug (EW3) ist in diesem Beispiel als einfaches, an eine (CNC-)Maschine montierbares Werkzeug ausgeführt. Es ist jedoch verständlich, dass dieses Werkzeug (EW3) ebenfalls mit Innenverzahnung (W3), Welle mit einem Exzenter (W4), Montageplatte und Ritzel (W5), usw. ausgeführt werden kann, und dass Schneidwerkzeug (W10) austauschbar ist, sodass zunächst eine grobe und danach eine feine Bearbeitung bis hin zu Schleifen und Politur möglich ist. Auch ist eine Richtungsumkehr des Schneidwerkzeugs (W10) möglich, um einen Kreuzschliff zu erreichen.
6d zeigt ein erfindungsgemäßes Werkzeug (EW4) zur Bearbeitung von Radialdichtleisten (E5, E17) oder Rotoren (E2). Seine Innenkontur entspricht der einer erfindungsgemäßen Trochoide (E1). Da die Trochoidenkontur sich wiederholt, ist es im Sinne einer besseren Zugänglichkeit sinnvoll, das Werkzeug (EW4) beispielsweise wie dargestellt in Form einer halben Trochoide auszuführen. Die Bewegung des Werkzeugs (EW4) relativ zu Radialdichtleisten (E5, E17) oder Rotor (E2) kann wie zuvor CNC-gesteuert oder mechanisch mittels Zahnrädern (W3, W5) und Welle mit Exzenter (W4) erfolgen. Dabei ist bei einem Werkzeug (EW4) zur Bearbeitung des Rotors (E2) ein Aufmaß zum Ausgleich des Spiels zwischen Trochoide (E1) und Rotor (E2) zu berücksichtigen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4308002 A [0006]
EP 0310549 A1 [0006]
DE 19708602 A1 [0006]
DE 3447518 A1 [0006]
US 3083699 A [0006]

Claims

Rotationskolbenmotor mit zumindest einem Rotor, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (E2) in jeder Schnittansicht durch die Mittelachse des Motors (EM) eine konvexe Form hat, deren Tangente jeweils im Übergang zur Seitenfläche des Rotors (E2) einen Winkel von mindestens 20° zur Seitenfläche des Rotors (E2) aufweist.
Rotationskolbenmotor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (E1, 4, 9) in jeder Schnittansicht orthogonal zur Mittelachse des Motors dieselben geometrischen Parameter (z.B. Grundkreis R, Äquidistante a) aufweist wie der Rotor (E2) in der jeweiligen Schnittansicht.
Rotationskolbenmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrischen Parameter (z.B. Grundkreis R, Äquidistante a) von Trochoide (E1) und Rotor (E2) entlang der Mittelachse des Motors (EM) variieren.
Rotationskolbenmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (E1, 4, 9) für einen Arbeitsraum dreiteilig ausgeführt ist.
Rotationskolbenmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kuppen der Radialdichtleisten (E5, E17) in jeder Schnittansicht senkrecht zur Mittelachse des Motors den gleichen Radius a aufweisen wie die Äquidistante a der Trochoide in der jeweils selben Schnittansicht.
Rotationskolbenmotor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius a der Radialdichtleisten (E5, E17) bzw. die Äquidistante a der Trochoide (E1) entlang der Mittelachse variiert wird.
Rotationskolbenmotor nach zumindest einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialdichtleisten (E12) rotationssymmetrisch ausgeführt sind.
Rotationskolbenmotor nach zumindest einem der Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialdichtleisten (E17) mehrteilig ausgeführt sind.
Rotationskolbenmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das der Rotor (E2) aus mehreren Segmenten (E13, E14) besteht.
Rotationskolbenmotor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (E14) mit Einsätzen (E15, E16) versehen sind, die für zumindest ein Teil der Dichtelemente (E5, 6, 7) als durchgehende Kontaktfläche dienen.
Rotationskolbenmotor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsätze (E15, E16) als Verbindungselemente für die Segmente (E14) dienen.
Verfahren zur Bearbeitung der Innenkontur von Trochoiden (E1) eines Rotationskolbenmotors nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Werkzeug (EW1) mit einem Schneidwerkzeug (W2) ausgestattet ist, dessen Außenkontur der einer Radialdichtleiste (E5, E12, E17) entspricht, und dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidwerkzeug (W2) auf der Bahn einer Radialdichtleiste (E5, E12, E17) relativ zu den Trochoiden (E1) bewegt wird.
Verfahren zur Bearbeitung der Innenkontur von Trochoiden (E1) eines Rotationskolbenmotors nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Werkzeug (EW2) mit einem in seiner Laufrichtung veränderbaren und im Grundkörper (W6) des Werkzeugs (EW2) geführten Schleifband (W8) ausgestattet ist, dessen Außenkontur im Kontakt mit einem darunterliegenden Schieber (W7) und/oder dem Grundkörper (W6) der einer Radialdichtleiste (E5, E12, E17) entspricht, und dadurch gekennzeichnet, dass das Schleifband (W8) auf der Bahn einer Radialdichtleiste (E5, E12, E17) relativ zu den Trochoiden (E1) bewegt wird.
Verfahren zur Bearbeitung der Innenkontur von Trochoiden (E1) eines Rotationskolbenmotors nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Werkzeug (EW3) mit einem rotierenden Schneidwerkzeug (W10) ausgestattet ist, dessen Außenkontur der einer Radialdichtleiste (E12) entspricht, und dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidwerkzeug (W10) auf der Bahn einer Radialdichtleiste (E12) relativ zu den Trochoiden (E1) bewegt wird.
Verfahren zur Bearbeitung der Außenkontur von Radialdichtleisten (E5, E17) und/oder Rotoren (E2) eines Rotationskolbenmotors nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass das die Innenkontur des verwendeten Werkzeugs (EW4) zumindest einem Teil einer erfindungsgemäßen Trochoide (1) entspricht, und dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (EW4) dergestalt relativ zu Radialdichtleisten (E5, E17) bzw. Rotoren (E2) bewegt wird, wie Radialdichtleisten (E5, E17) bzw. Rotoren (E2) sich relativ zu einer erfindungsgemäßen Trochoide (1) bewegen.
Verfahren zur Herstellung von Komponenten eines Rotationskolbenmotors nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass das die Komponenten in einem sogenannten additiven Verfahren hergestellt werden, wobei alle Komponenten einzeln oder auch mehrere gemeinsam erstellt werden können.
Verfahren zur Herstellung von Komponenten nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Produktionsprozess zur Montage von Bauteilen unterbrochen und danach fortgesetzt werden kann.
Verfahren zur Herstellung von Komponenten eines Rotationskolbenmotors nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 16-17, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mit zumindest einem der Verfahren nach den Ansprüchen 12-15 kombiniert wird.