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Zahnraddr ehkolbenmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine Zahnraddrehkolbenmaschine
mit einem exzentrisch auf der Antriebswelle gelagerten, außenverzahnten Rotor, der,
durch die Wellenumdrehung mitgenommen, an der Innenverzahnung eines die feststehende
Gehäuseumfangswand dieser Maschine bildenden Zahnkranzes abrollt, wobei der Rotor
einen Zahn weniger aufweist als dieser äußere Zahnkranz und das Fördermedium bzw.
das Arbeitsmedium vom Ein- und Auslaß der Maschine durch Ringkanäle in den Gehäuseseitenplatten
über mit der Welle mitrotierenden, entsprechend gestalteten Verteilerscheiben den
zwischen den Verzahnungen des Rotors und des Zahnkranzes entstehenden Kammern mit
veränderlichem Volumen zu- oder abgeleitet wird.
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Bei einer bekannten als Verdichter oder Expansionsmotor gedachten
Maschine dieser Art sind die Ringkanäle als verhältnismäßig weite Räume .ausgebildet,
in denen die Verteilerscheiben rotieren und dabei die zwischen dem Zahnkranz und
dem außenverzahnten Rotor entstehenden volumenveränderlichen Förder- oder Arbeitskammern
stirnseitig abschließen, indem sie jeweils auf der dem Rotor zugewandten Seite mit
einer Planfläche versehen sind und damit in dichtender Gleitberührung mit der Stirnseite
des Rotors und der des Zahnkranzes stehen. Die Ringkammer auf der einen Seite des
Rotors dient als Einlaßkammer, diejenige auf der anderen Seite als Auslaßkammer.
Durch irgendwelche Schlitze oder Löcher in den Verteilerscheiben wird das Förder-oder
Arbeitsmedium den Förder- oder Arbeitskammern zu- und abgeleitet.
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Bei einer anderen ähnlichen Drehkolbenmaschine, bei der der außenverzahnte
Rotor viel weniger Zähne aufweist als der feststehende innenverzahnte Zahnkranz,
bei der somit nicht ständig jeder Zahn des Rotors die Innenverzahnung des Kranzes
berührt (bzw. fast berührt), sondern immer nur wenige Zähne des Rotors im Zahneingriffsbereich
mit den Gegenzähnen des Kranzes in Berührung kommen, und bei der gegenüber der Eingriffsstelle
eine Sichelwand zwischen Rotor und Zahnkranz mit umläuft, ist eine Verteilerscheibe
vorgesehen, die mehrere schlitzartige Öffnungen im Bereich des Zahneingriffs trägt,
die während des Umlaufs kurzzeitig mit Bohrungen in einer feststehenden Gehäusewand
zur LUberdeckung kommen. Diese Maschine ist hauptsächlich als Schmiermittelpumpe
gedacht, wobei die erwähnten Bohrungen als Anschlüsse für verschiedene Schmiermittelleitungen
dienen.
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Im übrigen sind Zahnraddrehkolbenmaschinen mit Verzahnungen im Inneneingriff
meist so ausgebildet, daß das die Außenverzahnung tragende Innenrad und der innenverzahnte
Kranz rotieren. Bei einer bekannten Maschine solcher Art, die überdies durch
Veränderung der wirksamen Zahnbreite regelbar ist, dient eine einzige auf der einen
Stirnseite des Zahnkranzes angeordnete, mit mehreren Löchern versehene, rotierende
Verteilerscheibe zusammen mit einem in zwei halbkreisbogenförmige Rinnen unterteilten
Ringkanal in der entsprechenden Gehäusewand für die Zu- und Ableitung des Förder-
oder Arbeitsmediums. Sonst ist es meistens üblich, bei Drehkolbenmaschinen mit zwei
rotierenden Zahnrädern im Inneneingriff die Ein- und Auslaßöffnungen zu den Verdrängerzellen
in feststehenden Gehäusestirnwänden anzubringen.
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Die bekannten Ausführungsformen von Zahnraddrehkolbenmaschinen mit
exzentrisch auf der Antriebswelle gelagertem außenverzahntem Rotor, feststehendem
Zahnkranz und umlaufenden Verteilerscheiben können jeweils lediglich als Pumpen
für flüssige Medien oder als Flüssigkeitsmotor oder als Kompressor oder als Preßluftmotor
verwendet werden, es kann also nicht ein und dieselbe Maschine nach Austausch von
Hilfselementen wahlweise als Pumpe oder Motor für flüssige oder kompressible Medien
eingesetzt werden.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Zahnraddrehkolbenmaschine
mit einem exzentrisch
auf der Antriebswelle gelagerten außenverzahnten
Rotor so auszubilden, daß sie wahlweise, wenn auch nach Austausch von Hilfselementen,
als Pumpe für flüssige Medien, als Flüssigkeitsmotor, als Kompressor oder Preßluftmotor
verwendbar ist und dabei die Durchtrittsöffnungen für das Förder- oder Arbeitsmedium
in den Verteilerscheiben zweckmäßig gestaltet und leicht herstellbar sind.
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Dazu wird bei einer Maschine der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß
vorgeschlagen, daß die Verteilerscheiben in seitlichen zylindrischen Aussparungen
gleich großen Durchmessers des die Gehäuseumfangswand bildenden feststehenden Zahnkranzes
dichtend rotieren, wobei Verteileröffnungen durch diese zylindrischen Gehäuseaussparungen
einerseits und durch örtliche Ausnehmungen am Außenrand der rotierendenVerteilerscheiben
andererseits gebildet werden, und daß diese Verteileröffnungen die Kammern mit veränderlichen
Volumen mit dem Einlaß und dem Auslaß während mindestens eines Bruchteiles ihrer
Vergrößerungs- und Verkleinerungsphase verbinden und dabei ferner die Klammern in
der Vergrößerungsphase bzw. in der Verkleinerungsphase untereinander verbinden,
wobei die Ausnehmungen am Außenrand der Verteilerscheiben in ihrer Bogenlänge so
gewählt werden können, daß die Maschine als Pumpe für flüssige Medien, als Flüssigkeitsmotor,
als Kompressor oder Preßluftmotor verwendbar ist.
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Für den Fall, daß die erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine als Pumpe
oder Motor für nicht komprimierbare Medien ausgebildet ist, schlägt die Erfindung
vor, zwei Verteilerscheiben vorzusehen, und zwar eine für den Einlaß (saugseitig),
die andere für den Auslaß (druckseitig), die beiderseits des Zahnkranzes und des
Rotors sitzen, wobei die bogenförmigen Ausnehmungen am Außenrand dieser Scheiben
fast halbkreisbogenförmig sind und symmetrisch zueinander stehen bezüglich der Exzentrizitätsebene,
d. h. der entlang den parallelen Drehachsen der Rotors und des Zahnkranzes gelegten
Ebene, und ferner diese Ausnehmungen an ihren Enden das gleiche Profil aufweisen
wie die Zähne des Zahnkranzes, so daß die Kammern mit veränderlichem Volumen dauernd
mit dem Ein- bzw. Auslaß verbunden sind.
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Für den Fall, daß die erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine als Kompressor
ausgebildet ist, schlägt die Erfindung vor, zwei Verteilerscheiben vorzusehen, die
beiderseits des Zahnkranzes und des Rotors sitzen und deren eine für den Einlaß
mit ihrer hauptsächlich halbkreisbogenförmigen Randausnehmung von der Kammer des
größten Volumens bis zur Kammer des kleinsten Volumens im Drehsinn des Rotors reicht,
während die .andere für den Auslaß mit ihrer Randausnehmung, die sich über einen
wesentlich kleineren Winkel erstreckt, im Drehsinne des Rotors von der Kammer des
kleinsten Volumens aus eine Verbindung mit mehreren dieser Kammern während des Endabschnittes
ihrer Verkleinerungsphase herstellt, wobei diese Ausnehmungen an ihrem Ende das
gleiche Profil wie die Zähne des Zahnkranzes haben.
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Wenn die erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine als Motor für komprimierbare
Medien dienen soll und nur an der einen Seite des Zahnkranzes und des Rotors eine
rotierende Verteilerscheibe aufweist, empfiehlt es sich, die Verteilerscheibe mit
einer Randausnehmung für den Einlaß zu versehen, die sich nur über einen kurzen
Bogenbereich im dem Drehsinn des Rotors entgegengesetzten Sinne von der Kammer kleinsten
Volumens her erstreckt und mit mehreren der Kammern veränderlichen Volumens während
eines Anfangsabschnittes ihrer Vergrößerungsphase in Verbindung steht, wobei die
Ausnehmung an ihren Enden das gleiche Profil aufweist wie die Zähne des Zahnkranzes,
und daß die andere Seite des Rotors mit einer feststehenden Seitenplatte in Berührung
steht, die ebenso viele Öffnungen besitzt wie der Zahnkranz Zähne, um die Kammern
veränderlichen Volumens in der Nähe der Stellung ihrer größten Ausdehnung und während
eines Bruchteils der Periode, während der das Volumen jeder Kammer praktisch konstant
ist, mit dem Auslaß zu verbinden, während diese Öffnungen in jeder anderen Stellung
durch die Zähne des Rotors in Berührung mit dieser Seitenplatte verschlossen sind.
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Die Erfindung wird an Hand der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiele
erläutert. Es zeigen Fig. 1 und 2 Schnitte einer erfindungsgemäßen Flüssigkeitsmaschine
längs der Linien 1-I bzw. 11-II der Fig. 1 bzw. 2, Fig. 3 eine auseinandergezogene
Ansicht gewisser Teile der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Maschine, Fig.4 und
5 Schnitte eines erfindungsgemäßen Kompressors längs der Linien IV-IV bzw. V-V der
Fig. 4 bzw. 5, Fig. 6 eine auseinandergezogene Ansicht gewisser Teile des in den
Fig. 4 und 5 dargestellten Kompressors, Fig. 7 und 8 Schnitte eines erfindungsgemäßen
Preßluftmotors längs der Linie VII-VIIbzw. VIII-VIII der Fig. 7 bzw. 8, Fig. 9 eine
auseinandergezogene Ansicht gewisser Teile des in Fig. 7 und 8 dargestellten Motors,
Fig. 10 einen Axialschnitt eines erfindungsgemäßen Kompressors mit regelbarem Verteiler,
Fig. 11 einen Schnitt längs der Linie XIII-XIII in Fig. 10 und Fig.12 eine auseinandergezogene
Ansicht der beiden Verteilerscheiben des Kompressors nach Fig. 10.
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Bei den in den Fig. 1 bis 12 dargestellten Ausführungsformen ist die
Welle 1, die sich im Sinne des Pfeiles F dreht, mit einem Exzenter 2 versehen, auf
dem ein sich mit der Welle 1 drehendes Zahnrad 3 gelagert ist, das mit sieben Zähnen
versehen ist und den eigentlichen Förder- oder Arbeitsrotor der Maschine bildet.
Dieses Zahnrad bzw. dieser Rotor 3 wälzt sich auf der Innenverzahnung eines Zahnkranzes
4 ab, der als feststehender Stator ausgebildet und mit einer Innenverzahnung in
Form von acht Zähnen versehen ist, deren Profile mit denjenigen des Rotors 3 eine
konjugierte Verzahnung ergeben. Die Welle 1 ist konzentrisch zum Zahnkranz 4 angeordnet.
Die aus den beschriebenen Teilen bestehende Vorrichtung ist zwischen zwei nicht
vollständig dargestellten Seitenschilden 5, 6 eingeschlossen. Die Arbeitsweise der
Maschine ist bekannt und braucht nicht näher beschrieben zu werden.
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Die in Fig. 1 bis 3 dargestellte mit einem unzusammendrückbaren Strömungsmittel
arbeitende Maschine, z. B. eine Pumpe oder ein Motor, enthält zwischen den Seitenschilden5
und 6 und dem Rotor3 zwei Verteilerscheiben? und 8, welche auf der Welle 1 befestigt
sind und als Eimaß- bzw. Auslaßverteiler arbeiten. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist,
weist der
Zahnkranz 4 neben dem Verzahnungsteil zwei zylindrische
Aussparungen 4 a, 4 b auf, die im Durchmesser den Verteilerscheiben 7, 8 angepaßt
sind, welche in diesen Aussparungen - in dem Randbereich, wo sie dichten sollen,
dichtend - rotieren.
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Die Einlaßverteilerscheibe 7 weist an ihrem Umfang eine Ausnehmung
9 .auf, deren Breite von der Kammer 10 mit dem größten Volumen zu der Kammer 11
mit dem kleinsten Volumen abnimmt, wobei diese Ausnehmung in Teile ausläuft, welche
mit dem Profil der entsprechenden Zähne des Stators zusamenfallen.
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In entsprechender Weise ist die Auslaßverteilerscheibe 8 am Umfang
mit einer Ausnehmung 12 versehen, deren Breite von der Kammer kleinsten Volumens
11 zu der Kammer größten Volumens 10 zunimmt, wobei die Enden dieser Ausnehmung
mit dem Profil der entsprechenden Zähne des Stators zusammenfallen. Die Ausnehmungen
9 und 12 bilden zusammen mit den entsprechenden Bereichen der Umfangswände der Aussparungen
4a, 4b die Verteileröffnungen, welche je nach momentaner Stellung der Verteilerscheiben
die Verbindung der zwischen den Verzahnungen entstehenden volumenveränderlichen
Kammern, z. B. 10, 11, mit dem Einlaß bzw. dem Auslaß und/oder untereinander herstellen.
Die Ausnehmungen 9 und 12 können verhältnismäßig einfach an den Verteilerscheiben
7 und 8 angebracht werden. Die Seitenschilde 5 und 6 sind mit Ringnuten
13 und 14 versehen, welche durch Kanäle 15 bzw. 16 mit dem Einlaß bzw. mit
dem Auslaß verbunden sind, d. h., die Ringnuten 13, 14 und die Kanäle 15. 16 sind
schon Teile des Einlasses bzw. des Auslasses. Die Förder- bzw. Arbeitsflüssigkeit
in den zwischen dem Rotor 3 und dem Zahnkranz 4 gebildeten Kammern steht daher dauernd
während der Ausdehnungspause der Kammern mit dem Einlaß und während der Zusammenziehungspause
dieser Kammern mit dem Auslaß in Verbindung. Infolge der Unzus.ammendrückbarkeit
des benutzten Strömungsmittels ist der Einfluß der toten Räume praktisch vernachlässigbar.
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Bei dem in Fig. 4 bis 6 dargestellten Verdichter sind zwischen den
Seitenschilden 5 und 6 und dem Rotor 3 zwei Verteilerscheiben 17a und
17 auf der Welle 1 befestigt, welche ebenfalls in zylindrischen Aussparungen
4a und 4b des Zahnkranzes 4 rotieren und als Einlaß- bzw. Auslaßverteiler
arbeiten. Die Einlaßverteilerscheibe 17a entspricht der Einlaßverteilerscheibe 7
des in Fig. 1 bis 3 dargestellten mit einem unzusammendrückbaren Strömungsmittel
arbeitenden Motors. Die Auslaßverteilerscheibe 17 ist am Umfang mit einer Ausnehmung
18 versehen, deren Länge etwa gleich dem Bogen des Fußes eines Statorzahnes
ist und deren Enden mit dem Profil dieses Zahns zusammenfallen. Die Seitenschilde
5 und 6 sind wie bei Fig. 1 bis 3 mit Ringnuten 13 und 14 versehen, welche durch
Kanäle 15 bzw. 16 mit dem Einlaß bzw. Auslaß verbunden sind. Die Kammern veränderlichen
Volumens stehen so mit dem Einlaß während der ganzen Ausdehnungsdauer des Volumens
dieser Kammer in Verbindung, wodurch Verluste vermieden werden. Dagegen stehen diese
Kammern veränderlichen Volumens mit dem Auslaß nur während des letzten Teils der
Verdichtungsphase in Verbindung, welcher in Abhängigkeit von dem zu erhaltenden
Höchstdruck bestimmt wird.
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Bei einem Verdichter für kompressibles Medium muß auf die Vermeidung
eines toten Raumes geachtet werden, damit nicht durch die Entspannung des verdichteten
Fördermediums in dem toten Raum Verluste entstehen können. Aber bei Verdichtern
mit im Inneneingriff zusammenarbeitenden Verzahnungen und der in Fig. 4 bis 6 dargestellten
Ausführungsform können Toträume fast vollständig zum Verschwinden gebracht werden.
Bei einer Vakuumpumpe, deren Ausbildung weitgehend der eines Verdichters entspricht,
muß der tote Raum unbedingt zum Verschwinden gebracht werden.
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Der in Fig. 7 bis 9 dargestellte mit einem zusammendrückbaren Strömungsmittel
arbeitende Expansionsmotor weist nur noch eine Verteilerscheibe 19, und zwar für
den Einlaß auf. DieseScheibe, die wiederum in einer zylindrischen Aussparung 4a
des Zahnkranzes 4' rotiert, entspricht der Auslaßverteilerscheibe 17 des in Fig.
4 bis 6 dargestellten Verdichters und weist am Umfang einen Ausschnitt 20 auf, welcher
über einen Bruchteil der Ausdehnungsphase der Kammern veränderlichen Volumens reicht.
Diese Verteileröffnung ist mit der Ringnut ? 3 in dem Seitenschild 5 und durch den
in diese Nut einmündenden Kanal 15 mit dem Druck-Einlaß verbunden. Der (Niederdruck)-Auslaß
erfolgt über öffnungen21 in dem Seitenschild6. Diese Öffnungen sind so bemessen
und angeordnet, daß sie nur in den Augenblicken größter Ausdehnung der Kammern veränderlichen
Volumens, also im Bereich gegenüber der Stelle tiefsten Eingriffs der beiden Verzahnungen,
von den Zähnen des Rotors 3 immer kurzzeitig voll freigegeben werden, während sie
im Bereich des tiefsten Eingriffs der beiden Verzahnungen vom Rotor 3 völlig verdeckt
werden. Die öffnungen 21 weisen vorzugsweise einen Querschnitt in Form eines Dreiecks
auf, dessen Seiten durch (Kreis)-Bögen 22, 23 und 24 gebildet werden, welche mit
dem Profil des Zahngrundes bzw. mit den benachbarten Profilen des Zahngrundes der
Zähne des Rotors zusammenfallen.
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Bei der in Fig. 10 bis 12 dargestellten, z. B. als Preßluftmotor verwendbaren
Expansionsmaschine besteht der Verteiler aus einer ersten auf der Welle 1 befestigten
Teilscheibe 27 und einer zweiten Teilscheibe 28, welche mit der Teilscheibe 27 in
enger Berührung steht und mit einer Randleiste 29 zur Zentrierung .an der Teilscheibe
27 versehen ist. Die Teilscheiben 27 und 28 tragen am Umfang Ausschnitte 30 und
31 der in Fig. 1 und 4 für die Ausschnitte 9 und 18 dargestellten Art. Die Scheibe
28 ist ferner mit einer Nabe 32 versehen, welche auf der Welle 1 gleiten kann und
zwei Stifte 33 aufweist, welche einander diametral gegenüberliegen. Diese Stifte
33 greifen jeweils in eine schraubenförmige Nut 34 ein, welche in einer Muffe 35
angebracht ist. Die Muffe 35 ist auf einem mit Keilnuten 36 versehenen Teil 38 der
Welle 1 verschiebbar angeordnet und wird dadurch in der Drehbewegung mitgenommen.
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Die Stellung der Muffe 35 längs der Welle 1 wird durch eine Gabel
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beiden Teilscheiben 27 und 28 festlegt. Die wirkliche Öffnung des durch diese Scheiben
27 und 28 gebildeten Einlaßverteilers wird daher durch den am Umfang zwischen den
Ausschnitten 30 und 31 bestehenden Abstand gebildet, nämlich den Abstand e nach
Fig. 11. Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 liegt der regelbare Verteiler auf
der (Druck)-Einlaßseite und steht durch die Ringnut 13 und den Kanal 15 im Seiten-
Schild
5 mit dem Einlaß in Verbindung. Auf der Auslaßseite bzw. Auspuffseite ist der Seitenschild
6 mit Öffnungen 21 a versehen, welche denen der Ausführungsform nach Fig. 7 bis
9 entsprechen.