DE1964387A1 - Kugelschraubenmaschine zur AEnderung des Drucks eines Stroemungsmittels - Google Patents

Description

P^· Egon Prinz - _8Ooo MQn.h.n βο. ■ .. Dr. Gertrud Hauser _E,„.b.,_e.r.tra„.v» 22, Dipl.-Ing. Gottfried Leiser Patentanwälte ■ Telegramme ι Labyrinth MOnchen A Q C λ Q Q 7 Telefon. 83 15 10 I O U H O U f Poihchtckkonto, MOnchen 117078

unser Zeichen: Z 434·

Bernard ZIMMERN, 27 rue Delator de* re NEUILLY-sur-SEINE (Hauts de Seine Frankreich

Kugelschraubenmaschine zur Änderung des Drucks eines Strömungsmittel

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kugelschraubenmaschine zur Änderung des Drucks eines Strömungsmittels, insbesondere einem Kompressor oder Entspanner· -

Bekanntlich enthalten Maschinen dieser Art eine Kugelschraube, die um ihre Achse drehbar gelagert ist und mit wenigstens einem verzahnten Querritzel zusammenwirkt, wobei die Zähne des Ritzels mit den anliegenden Gewinden der Schrauben Kompressions- oder Entspannungskammern bilden.

Der Grad der Druckänderung (Kompressionsgrad bzw. Entspannungsgrad) hängt von der Zahl der Gewinde der Schraube ab, die gleichzeitig im Eingriff mit den Zähnen des Ritzels stehen. Je grosser nämlich diese Zahl ist, umso kleiner ist das Restvolumen der Kompressionskammern in dem Augenblick, in dem diese in Verbindung mit der Hochdrucköffnung gebracht werden, und umso grosser ist demzufolge, der Grad der Druckänderung··

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Es sind Maschinen bekannt, bei denen die Zahl der gleichzeitig in Eingriff genommenen Gewinde gross ist. Bei diesen Maschinen kann aber der Zusammenbau von Schraube und Ritzel nur dadurch erfolgen, dass entweder die Schraube oder das Ritzel in mehrere Teile zerlegt wird. Da sich solche Maschinen aber mit grosser Drehzahl drehen, müssen die Abmessungen der Schraube und des Ritzels sehr genau eingehalten werden. Wie gross auch die Präzision sein mag, mit der die verschiedenen die Schraube oder das Ritzel bildenden Teile einzeln hergestellt werden, so werden doch bei ihrem Zusammenbau unvermeidlich gewisse "Teilungsfehler" in der Kämmung hervorgerufen. Da ferner die Maschine beträchtlichen Erwärmungen ausgesetzt ist, können sich Ausdehnungen ergeben, die sich in den verschiedenen Teilen eines zusammengesetzten Werkstücks nicht homogen verteilen, wodurch die Teilungsfehler im Betrieb noch verstärkt werden. Daraus kann sich eine schnelle Abnutzung ergeben, welche die Maschine sehr bald unbrauchbar macht.

Es sind auch Maschinen bekannt, bei denen die Zahl der gleichzeitig in Eingriff genommenen Gewinde gross ist, und bei denen es möglich ist, die Schraube und das Ritzel zusammenzubauen, ohne dass eines dieser Teile unterteilt werden muss. Zur Erzielung dieses Ergebnisses werden aber den Gewinden der Schraube Profile erteilt, bei denen das Volumen zwischen nebeneinanderliegenden Gewinden sehr klein ist, wie in der französischen Patentschrift 1 331 beschrieben ist. Deshalb sind die Förderkapazität und die Massenleistung sehr klein. _ ^!

In der gleichen französischen Patentschrift 1 331 998 : sind Kompressoren beschrieben, deren Schrauben ein zylindri-, sches Aussenprofil aufweisen, und die die Erzielung ziemlich hoher Kompressionsgrade ermöglichen, ohne dass die Schraube oder das Ritzel unterteilt werden müssen. Die Zahl der

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gleichseitig im Eingriff befindliehen Zähne kenn jedocn hierbei tem Wert 3 nicht übersehreiten , und "bei bestimmten tflnkelstellungfcn der Seh\raube ist nur ein einziger Zahn mit seinen beiden Flanken in SeiMJtoung mit den Gewinden der Schraube. Der Eoj^es#^^

in der JSr^ssenordnung; "won 6 tieg^enzt, wod^rcJi BpuQkluft mit dem no3?malisierten Drxtelc WnMf Bar erhalten herden kann. Die sei? ![ompressionegr^d igt aber iüi? gewiisse fälle , Ijeiepielsweise für die lompye#spx?en iroit gerät en, niehtf auereicjfci#njä.

In der bereits erwähnten Bat entschritt aiind ßmoh Eompressoren beschrieben, deren Schrajibe ein konisches oder ebenes Aussen·* profil aufweist. Diese Kompressoren ermöglichen die Erzielung eines Eompressionsgrades von mehr^aIs 6 init der gleichen Zahl von im Eingriff befindlichen-Zähnen wie die zuvor erwähnten Kompressoren mit zylindrischen^ Schrauben. Man kann sie daher zusammenbauen, ohne dass Schraube oder Ritzel unterteilt werden müssen. Diese Kompressoren verursachen aber beträchtliche axiale Schubkräfte, und zur Unterdrückung dieser Schubkräfte ist man dazu gezwungen, zwei entgegengesetzt wirkende Kompressoren zusammenzubauen, insbesondere im Fall von ebene» Schrauben. Ferner muss der Sektor des Eingriffs zwischen Eitzel und Sehraube begrenzt werden^ und in zahlreichen Fällen muss die Schraube auf der iiiede#drucjkseitee a^g^ctaittsnwerden, wodurch die

wird.

Zlet dieiEERfindÄjag; Is* die lipmeidung M*m

sie: es e^rmöflieht, Kompressor en odeir lintepajaner mit gjTOSsem F^r4ervj3giiigjB®^
EjitflfSnjiJii^jpaad «ju gßhftfiüt,,, 4ile ^i^#mmea^e*Ä kö1nnen> ohne -4»ββ·. tie Schreite ^iAT 4a«~l&1igi&

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Ea wurde nämlich festgesteILt , dass es bei Erfüllung gewisser, geometrischer Bedingungen möglich ist, ohne Unterteilung der Schraube oder des Ritzels Kttgelsehrau-^ beumaschiuen zusammenzubauen^ bei denen wenigstens drei Zähne des Ritzels gleichzeitig in'Elngriff- sind und Zahl der Zähne, die mit ihrem beiden J'lariken Im mit den Gewinden stehen, unabhängig von der der Schraube niemals kleiner als zwei ist, '"■'"

Unter diesen Bedingungen ist es möglich, die Schraube und das Ritzel dadurch zusammenzubauen, dass dem Ritzel eine zusammengesetzte Bewegung erteilt wird, die edlen aus eimer Translation und einer Drehung um eine Achse zusammensetzt, die nachstehend "Einführungsachse'¹ genannt wird.

Gemäss der Erfindung ist eine Kugelschraubenmaschine zur Änderung des Drucks eines Strömungsmittels, insbesondere Kompressor oder Entspanner, mit einer Kugelschraube mit mehreren Gewinden, die um ihre Achse drehbar gelagert ist und mit wenigstens einem verzahnten Querritzel kämmt und mit einem feststehenden Gehäuse, das ausser am Ort des Ritzels dicht an wenigstens einem Teil der Aussenfläehe der Schraube anliegt und Öffnungen für den JSinlass und den Austritt des Strömungsmittels aufweist, dadurch. gekennzeichnet, dass die Abmessungen und die gegenseitige Iiage. der Scnraube und des Ritzels so gewählt sind,· dass Bei wenlgsiienB -einer Winkelstellung der Schraube und für wenigstens eine Gerade, die in der die Berührungslinien awlssimeii Ritzel und Schraube enthaltenden Ebene liegt» ädi® !folgernd© Beziehung wenigstens für einen Teil des in Belehrung den Scnraubengewinden stehenden Äsennitts der JJihae isti ; ■ ; ■■■'.■ - ■ ■

worin sind:

- d^ der algebraische Abstand zwischen der Geraden und

einem Berührungspunkt M₁ zwischen einer Planke eines Zahns und einem Gewinde, wobei dieser Abstand vom Punkt M^ aus entlang der !Tangente in diesem Punkt an die Zahnflanke gemessen wird und die betreffende Planke der Geraden in Bezug aif den Zahn entgegengesetzt ist;

- hj, der algebraische Abstand dieses Punktes EL von der vom Mittelpunkt des Ritzels auf diese Tangente gezogenen Senkrechten,.wobei dieser Abstand vom Punkt M. aus gemessen

wird; „-:■ ·-■·..

- X^ der Absolutwert des Abstands des Punktes M. von der Projektion der Schraubenachse auf die Berührungsebene zwischen Schraube und Ritzel;

- d-, hj, r, die analogen Grossen bezüglich eines Berührungspunktes Mj zwischen einmGewinde und einer Zahnflanke, die in Bezug auf den Zahn auf der gleichen Seite wie die Gerade liegt.

Jede Gerade, für welche diese Bedingung erfüllt ist, stellt eine Einführungsachse entsprechend der obigen Definition dar. Die optimalen Bedingungen sind erreicht, wenn nur eine einzige Achse vorhanden ist, für weiche die vorstehende Beziehung erfüllt ist. Man kann somit die Druckänderungsgrade und die maximalen Pörderkapazitäten erreichen, die mit der Verwendung von einstückigen Schrauben und Ritzeln vereinbar sind.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform'der Erfindung sind die gegenseitigen Winkelstellungen der Schraube und des Ritzels , für welche eine Einführungsaehse besteht, entweder auf kurze Zonen von einigen Grad begrenzt, deren Zahl gleich

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der Zahl der Gewinde der Schraube ist, wobei diese Zonen durch geeignetes 'Abschneiden der Schraube auf der Niederdruckseite erhalten werden, oder auf eine einzige Zone durch Abschneiden eines einzigen Gewindes auf der Niederdruckseite.

Man erhält dadurch maximale Druckgrade und Förderkapazitäten, jedoch kann der Zusammenbau der Schraube und des Ritzels nur in bestimmten Winkelstellungen der Schraube oder gar nur in einer einzigen Winkelstellung erfolgen.

Weitere Besonderheiten; der Erfindung ergeben sich aus der mchfolgenden Beschreibung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigen:

Fig.1 eine zum Teil geschnittene und abgebrochene Vorderansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die eine Schraube mit konischer Aussenflache enthält,

Fig.2 eine zum Teil geschnittene Vorderansicht einer erfindungsgemässen Schraube mit zylindrischer Aussenflache und des mit dieser Schraube zusammenwirkenden Ritzels vor dem Zusammenbau mit der Schraube,

Flg.3 und 4 Ansichten von der Anfangsphase bzw. der Endphase des Zusammenbaus eines Ritzels und einer Schraube mit. zylindrischer Aussenflache,

Fig.5 einen Aufriss zur Darstellung der geometrischen Beziehunge

zwischen einer Schraube und einem Kitzel nach der Erfindung,

Fig.6 einen Aufriss zur Darstellung einer besonderen Anwendung der Erfindung,

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Fig»7 eine scfiimätisciie Seiini ttansieht * die eine besondere Ausführungsförm eines-Ritzels nach dei? Erfindung zeigt,;

Fig.8 einen schelmischen "Selini^t ^ ^ ^s

Ausführungsform einer Schraube nach der-Erfindung zeigt und

9 el&fcpersjiektivisehä Ansicht einer bevorzugten Ausführungs form einerSchraube nach der Erfindung, ·

In Fig. 1 ist ein Kompressor oder Ent spanner nach der Erfindung dargestellt. i>iese Maschine enthält eine Xiigelschraühe 1, deren Gewindescheitel durch eine konische 3?liäehe begrenzt · sind. Die Schraube 1 ist in ihrer Achse 2 drehbar gelagert, und wird von Kugellagern 3 in einem« Gehäuse 4 gehalten. Zwei gezahnte Ritzel 5» die symmetriseh zueinander angeordnet sind, sind um Ihre Achse 6 drehbar gelagert und kämmen mit der Schraube 1. Durch das Gehäuse. 4 ist. eine Reihe ^roti öffnungen -7 geführt, die um den Umfang verteilt sind unddie Niederdrucköffnüngea darstellen, d.h* die Einlassöffnung für das Strömungsmittel im Jail eines Compressors oder die Auslassöffnung für daa^Strömungsmittel im iall ©ines Entspanners* Auf der Hochdruckseite weist das Gehäuse 4 zwei Öffnungen von dreieckigfem Querschnitt für dien Austritt des verdichteten Strömungsmittels bzw« für den Einlass des zu entspannenden Strömungsmittels auf »Eine dieser Öffnungen ist ^strichpunktiert bei 8 in Jig«1 angedeutet, doch liegt diese öffnung in Wirklichkeit vor der Schnittebene. χ .^.

Die Abdichtung der^a%mpreBS3iönS-* oäerrEn^pannungskammern, welche durch izweii ^benachiblarte iGeMinde der Schraube 1 * den mit diesen Gewinden zusammenwirkenden Zahn der Ritzel 5. und die Innenfläche des Gehäuses 4 begrenzt sind, ist in an sieh bekannter Jfieis«; dairck ^ü&sigkeitsdlchtujjgen, gewähr-v leistet. Eine Abdichtungeflüssigkeit wird in^4i«>^|aQchine von

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der Seite des Einlasses des zu komprimierenden oder zu entspannenden Strömungsmittels her in der Nahe der Ritzel 5 eingespritzt. Einspritzdüsen 9 sind auf der Hlederdruckseite für den Einlass dieser Abdichtungsflüssigkeit in dem Fall vorgesehen, dass die Maschine als Kompressor arbeitet. Palis die Maschine als Entspanner verwendet wird, liegen diese Einspritzdüsen in der Einlassöffnung 8 für das Strömungsmittel,

Die Schraube 1 dreht sich in der Richtung des Pfeils f, wenn die Maschine als Kompressor arbeitet, und im entgegengesetzten Sinn, wenn die Maschine ein Entspanner ist.

Die konische Schraube 1 kann durch eine Schraube mit zylindrischer Fläche ersetzt werden, beispielsweise die in Fig.2 dargestellte Schraube 11.Es ist zu bemerken, dass sowohl bei der konischen Schraube 1 als auch bei der zylindrischen Schraube 11 in allen Winkelstellungen der Schraube wenigstens zwei Zähne des Ritzels 5 gleichzeitig mit ihren beiden Flanken in Berührung mit den Gewinden der Schraube stehen. Es ist daher unmöglich, das Ritzel durch eine einfache Verschiebung in die Schraube einzustecken, wenn man nicht, wie zuvor erwähnt wurde, den Zähnen oder den Gewinden verjüngte Formen geben will, durch welche die Förderkapazität und die Masseleistung der Maschine beträchtlich verringert werden. In Fig.2 ist zu erkennen, dass derZahn e am Gewinde b und der Zahn c am Gewinde g anstossen.

Bei den bekannten Maschinen dieser Art wird das Problem des Zusammenbaus der Schraube und des Ritzels dadurch gelöst, dass entweder die Schraube oder das Ritzel in mehrere Teile unterteilt werden. Wie bereits erwähnt wurde, ergeben sich aber dadurch im Betrieb anisotrope Verformungen, durch welche die Maschine schnell unbrauchbar wird.

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Erfindungsgemäss werden einstückige Schrauben und Ritzel vorgesehen, bei denen in jeder Winkelstellung der Schraube wenigstens zwei Zähne des Ritzels gleichzeitig mit ihren beiden Planken in Eingriff mit den Gewinden der Schraube stehen. Es wurde nämlich festgestellt, dass bei Erfüllung gewisser geometrischer Bedingungen, die später erläutert werden, wenigstens eine Winkelstellung der Schraube besteht, bei der es möglich ist, derartige Schrauben und Ritzel zusammenzubauen, ohne dass diese unterteilt werden müssen.

Die Art des durch die Erfindung vorgesehenen Zusammenbaus ist in Pig.3 und 4 für eine zylMrische Schraube 12 und ein Ritzel 13 dargestellt. Das Ritzel 13 (Pig.3) wird derart geneigt, dass seine Ebene einen Winkel a mit der Achse der Schraube 12 bildet, und die Enden 14 und 15 der Zähne 16 und 17, die mit ihren beiden Planken im Eingriff mit den Gewinden 18, 19 und 21 der Schraube stehen müssen, werden in Berührung mit den beiden äusseren Gewinden 18 bzw. 21 gebracht. Dann wird das Ritzel 13 entlang einer späte¹ noch zu definierenden Achse 22 eingeschoben, wobei man gleichzeitig dem Ritzel eine Drehbewegung um diese Achse 22 erteilt, so dass der Neigungswinkel a allmählich verringert wird, bis sich das Ritzel 13 an Ort und Stelle befindet (Pig.4). In der Polge soll eine Achse nach Art der Achse 22 ^rtEinfütarungsachse" genannt werden.

Unter Bezugnahme auf Pig.5 sollen nun die geometrischen Bedingungen erläutert werden, welche die Schraube 23 und äBB Ritzel 24 erfüllen müssen, damit wenigstens eine Einführungsachse 22 besteht.

Die Zeichenebene von Pig.5 ist die Ebene, welche die Berührungslinien zwischen dem Ritzel 24 undjder Schraube enthält, wenn sich das Ritzel in seiner Arbeitsstellung befindet. Diese Ebene enthält nicht notwendigerweise die

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Achse der Schraube 23. Es sei jedoch angenommen, dass der Abstand dieser Achse von derZeichenebene etwa 20$ des Aussendurchmessers d der Schraube 23 in der Mitte des Eingriffssektors zwischen Schraube und Ritzel nicht überschreitet, und dass der Winkel zwischen der Schraubenachse und der Zeichenebene etwa 20° nicht überschreitet. Bei 25 ist die Projektion der Achse der Schraube 23 auf die Zeichenebene dargestellt.

Man zeichnet in dieser Ebene eine Achse 22 , und es sollen nun die Bedingungen definiert werden, die zu erfüllen sind, damit diese Achse tatsächlich eine Einführungsachse im oben definierten Sinne ist.

In Bezug auf diese Achse 22 hat jeder Zahn 26 eine Flanke 27» die in Bezug auf den Zahn von der Achse 22 abgewandt liegt, und eine Planke 28, die in Bezug auf diesen Zahn auf der gleichen Seite wie die Achse 22 liegt. Zur Vereinfachung der Beschreibung sollen die Planken nach Art der Planke "abgewandte Planken" und die Planken nach Art der Planke "zugewandte Planken" genannt werden.

Von einem Punkt M^ einer abgewandten Planke 27 aus ist die Tangente 29 an die Planke 27 gezeichnet, wobei der Punkt M. ein Berührungspunkt zwischen dem Zahn 26 und einem Gewinde 31 der Schraube ist. Diese Tangente schneidet die Achse 22 in einem Punkt A,. Man fällt andrerseits die Senkrechte OH^ vom Mittelpunkt 0 des Ritzels 24 aus auf die Tangente 29« Mit d, bzw. h, sollen die Abstände J^A. bzw. MjIL bezeichnet werden, die auf der Tangente 29 vom Punkt Mj aus algebraisch gemessen werden. Der Absolutwert des Abstands des Punktes M* von der Projektion 25 der Schrauben achse soll r^ genannt werden.

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Ferner wird ein Berührungspunkt M^ zwischen einem weiteren Zahn 32 und einem weiteren Gewinde 33 der Schraube betrachtet, wobei der Punkt M^ auf einerFlanke liegt, welche der Achse in Bezug auf den Zahn 32 zugewandt ist. Mit d., h., und r, sollen die sich auf den Funkt M, beziehenden Grossen bezeichnet werden, die den zuvor für den Funkt M^ definierten Grossen d^_t hj und r, entsprechen.

Sie Achse 22 ist eine Einführungsachse im zuvor definierten Sinn, wenn die folgende Bedingung für jedes Punktepaar, wie die Funkte M₁ und M, erfüllt ist:

In dem Sonderfall, dass die Zähne des Ritzels 24 parallele Planken haben, genügt es, dass die obige Bedingung (1) für zwei Punktepaare erfüllt ist, welche zu den beiden äusseren Gewinden 34, 35 (Pig.6) der Schraube gehören, die in Kontakt mit den Zähnen des Kitzels stehen.

So ist in Pig.6 ein Ritzel dargestellt, dessen Zähne mit parallelen Planken mit einer Schraube mit konischer Aussenfläche kämmen. Bei wenigstens einer Winkelstellung der Schraube stehen 4 Zähne 36, 37. ^ »md ^Q * η Berührung mit drei Gewinden 34, 41 und 35 der Schraube. Die Zwischenzähne 7 und 38 stehen mit ihren beiden Flanken gleichzeitig in Berührung mit Gewinden, während die äusseren Zähne 36 und 39 nur mit einer einzigen ihrer Planken in Berührung mit Gewinden stehen.

In diesem Pail muss die Bedingung (1) für die beiden folgenden Punk epaare erfüllt sein:

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Das erste Punktepaar ist durch zwei Punkte 42 und 43 des äusseren Gewindes 34 gebildet, wobei der Punkt auf der der Achse 22 abgewandten Planke des Zahns 37 am Umfang der Schraube liegt und der Funkt 43 auf der zugewandten Flanke des Zahns 36 am Umfang des Ritzels.

Das zweite Paar ist durch die Punkte 44 und 45 gebildet, die den Punkten 42 bzw. 43 entsprechen und auf dem anderen Aussengewinde 35 liegen.

Wenn die Schraube eine zylindrische Aussenfläche hat und die Schnittlinie dieser Fläche mit der Ebene des Ritzels symmetrisch in Bezug auf die vom Mittelpunkt des Ritzels auf die Projektion der Schraubenachse auf diese Ebene gezogene Senkrechte ist, müssen die möglichen Einführungsächsen, falls sie vorhanden sind, diese Senkrechte enthalten, die eine Symmetrieachse darstellt.

Durch die zuvor angegebene Bedingung(1) werden bestimmte Grenzen hinsichtlich der Abmessungen der Schraube und des Ritzels sowie ihrer gegenseitigen Lage vorgeschrieben.

So zeigt Fig.6, wie man mit Hilfe der Bedingung (1) den maximalen Durchmesser des Ritzels bestimmen kann, für den wenigstens eine Einführungsachse besteht.

Bei diesem Beispiel ist angenommen, dass die Erzeugende der konischen Fläche der Schraube eine Neigung von 45 zur Schraubenachse aufweist. Das Ritzel hat 11 Zähne, deren Breite 16mm beträgt. Der Abstand des Mittelpunkts des Ritzels von der Schraubenachse beträgt 80mm , und der Abstand zwischen diesem Mittelpunkt und der Erzeugenden des Kegels beträgt 30 mm. Der maximale Durchmesser des

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Ritzels, für den wenigstens eine Einführungsachse besteht, kann nach einem Näherungsverfahren graphisch in folgender Weise bestimmt werden:

Man nimmt einen Anfangsdurchmesser des Ritzels an, für den &s Profil des Ritzels dem Kreis 46 mit dem Durchmesser 0 entspricht. Man zeichnet eine erste Achse 22, für welche die Bedingung d.h../r.= d.h./r.

¹¹¹ JJ J

für das auf dem äusseren Gewinde 34 liegende Punktepaar 42, 43 erfüllt ist. Hierfür gibt es unendlich viele Möglichkeiten, weil in der vorstehenden Gleichung nur die Grossen h^r^ h.r. vorgeschrieben sind.

Dann wird die Lage der Achse 22 so geändert, dass die vorstehende Gleichung erfüllt bleibt und die sich auf das zweite zuvor definierte Punktepaar 44, 45 beziehende Grosse dh/r einen Wert hat, der grosser bzw. kleiner als der sich auf die P_unkte 42 und 43 beziehende gemeinsame Wert ist.

Wenn man eine Lage der Achse 22 finden kann, welche diese Bedingung erfüllt, bedeutet dies, dass mehrere mögliche Einführungsachsen bestehen, und dass der für den Durchmesser des Ritzels angenommene Wert kleiner als der Maximalwert ist.

Dann wird die Zeichnung für einen grösseren Wert des Ritzeldurchmessers wiederholt, bis man einen Durchmesser entsprechend einem Ritzelprofil 47 findet, für den eine solche Lage 22a der Achse 22 besteht, dass die Grosse dh/r den gleichen Wert für die vier Punkte 42 bis 45 hat. Diese Lage 22a stellt dann die einzig mögliche Einführungsachse dar, und das Profil 47 entspricht dem maximalen Durchmesser des Ritaeis. Mit den zuvor angegebenen Zahlenwerten findet man, dass dieser maximale Durchmesser in der Grössenordnung von

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91 mm liegt. Bei einem grösseren Durchmesser können Schraube und Ritzel nicht zusammengebaut werden, ohne dass eines dieser beiden Teile unterteilt wird.

Die Suche nach dem maximalen Durchmesser kann natürlich auch in andrer Weise erfolgen. Man kann insbesondere ein elektronisches Rechengerät verwenden.

In gleicher Weise findet man(Pig.2) , dass für einezylindrische Schraube, die symmetrisch in Bezug auf die vom Mittelpunkt des Ritzels auf die Schraubenachse gezogene Senkrechte ist und die folgenden Werte hat:

Schraubendurchmesser: 100 mm

Zähnezahl des Ritzels : 11

Achsabstand Schraube-Ritzel: 80 mm

Breite der Zähne: 16 mm

der maximale Durchmesser des Ritzels in der Grössenordnung von 94 mm liegt- Die einzige Einführungsachse ist dann die Symmetrieachse, d.h. die vom Mittelpunkt des Ritzels auf die Schraubenachse gezogene Senkrechte.

Bei diesem Beispiel und bei den nachfolgenden Beispielen können natürlich alleAbmessungenjmit dem gleichen Paktor multipliziert werden, ohne dass die Bedingungen für das Vorhandensein der Einführungsachse davon berührt werden.

In analoger Weise findet man, dass bei einer zylindrischen Schraube für die folgenden Bedingungen keine Einführungsachse vorhanden ist:

Schraubendurchmesser: 100 mm

Ritzeldurchmesser: 100 mm

Zähnezahl: 15

Zahnbreite: 11 mm

Achsabstand Schraube-Ritzel: 80 mm Zähne mit parallelen Flanken.

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Unter diesen Bedingungen kann man die Schraube und das Ritzel nicht zusammenbauen, ohne dass eines dieser Teile unterteilt wird. Damit eine Einführungsachse vorhanden ist, muss der Durchmesser des Ritzels auf einen Wert von 84 mm verringert werden. In diesem Fall tot das Ritzel fünf Zähne, die im Eingriff mit der Schraube stehen, wovon in der Einführungsstellung drei Zähne mit ihren beiden Flanken in Berührung mit Gewinden der Schraube stehen.

Die zuvor angegebene geometrische Beziehung (1) ist für ideale Bedingungen aufgestellt worden, d.h. für Zahne, die sich genau an die Gewinde der Schraube anpassen. In der Praxis ist 'es notwendig, ein gewisses Spiel zwischen den Flanken der Zähne und den Planken der Gewinde vorzusehen. Die Erfahrung zeigt, dass man ein Gesamtspiel (d.h. die Summe der Spiele zu beiden Seiten eines Zinns) zulassen kann, das von ein bis zwei Prozent der Zahnbreite beträgt, ohne dass ein merklicher Verlust an Förderkapazität hervorgerufen wird.

Dieses Spiel erleichtert den Zusammenbau der Schraube und des Ritzels und ermöglicht die Überschreitung der durch die Bedingung (1) vorgeschriebenen theoretiscnen Grenzen.

In der Praxis genügt es, dass diese Bedingung (1) für wenigstens 70$ der nutzbaren Höhe des Zahns in Fall von Zähnen cit parallelen Planken erfüllt ist. üie nutzbare Höhe eines Zahns ist definiert als die ^^:inge der Flanke des Zahns, die in der Stellung maximaler üindringtiefe des Ritzels in Berührung mit den Gewinden der Schraube steht.

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Es seien beispielsweise zylindrische Schrauben mit'6 oder 8 Gewinden in Betracht gezogen, die einen Durchmesser von 100 mm haben und mit Ritzeln zusammenwirken, die 11 bzw. 15 Zähne mit parallelen Planken haben.Es wurde gefunden, dass man bei einem Achsabstand von 80 mm die nutzbare Höhe der Zähne in der Grössenordnung von 45$ gegenüber der theoretischen Grenze vergrössern konnte, wenn man ein Gesamtspiel von 2$ der Zahnbreite zuliess.

Man kann diese nutzbare Höhe der Zähne noch weiter vergrössern, wenn man die Parallelität der Zahnflanken nicht über die ganze Höhe des Zahns beibehält.

So ist in Fig.7 eine zylindrische Schraube 48 mit einem Durchmesser von 100 mm dargestellt, die mit einem Ritzel 49 mit 15 Zähnen zusammenwirkt. Die Breite der Zähne beträgt 11 mm und der Achsabstand zwischen Schraube und Ritzel beträgt 80 mm. Zuvor war zu erkennen, dass bei diesen Kenngrössen keine Einführungsachse für einen Durchmesser des Ritzels von mehr als 84 mm vorhanden ist, wenn die Zähne parallele Flanken haben. Bei der Ausführungsform von Fig.7 sind die !Flanken der Zahne über eine Höhe von 15 mm vom Zahnfuss aus zueinander parallel, und sie weisen dann einen konvergierenden Abschnitt 51 auf, der einen Winkel in der Grössenordnung von 30° mit der Achse des Zahns bildet. Man kann unter diesen Bedingungen den Durchmesser des Ritzels bis auf einen 'Wert von 100 mm bringen. Es besteht dann eine Einführungsachse 22, welche die Symmetrieachse ist.

Wenn man mit diesem Ritzeldurchmesser von 100 mm die Flanken der Zähne über ihre ganze Höhe parallel hielte, erhielte man gegenüber der Ausführungsform von Fig.7 eine sehr geringfügige Zunahme der Förderkapazität, die einige

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Prozent nicht überschreiten würde. Dieser sehr geringfügige Vorteil würde sehr weitgehend durch die bereits erwähnten Nachteile aufgehoben, die sich aus einer Unterteilung der Schraube oder des Ritzels ergäben.

Es ist sehr wichtig, zu bemerken, dass es keineswegs notwendig ist, dass der Zusammenbau der Schraube und des Ritzels in der zuvor beschriebenen Weise bei jeder Winkelstellung der Schraube möglich ist. Vielmehr ist es erfindungsgemäss vorgesehen, der Schraube und dem Ritzel solche Profile und Abmessungen zu geben, dass dieser Zusammenbau· nur bei einer begrenzten Zahl von Winkelstellungen der Schraube oder sogar nur bei einer einzigen dieser Winkelstellungen möglich ist.

So ist in Fig.8 eine zylindrische Schraube 52 zu" erkennen, die einen Aussendurchmesser von 100 mm hat und mit einem Ritzel 53 mit 13 Zähnen mit parallelen Planken zusammenwirkt. Der Achsabstand zwischen Schraube und Ritzel beträgt 80 mm, und die nutzbare Höhe der Jahne beträgt 20 mm.

Wenn die Schraube 52 über ihre ganze Höhe zylindrisch ist, stehen 3 Zähne des Ritzels 53 gleichzeitig mit ihren beiden Flanken mit den Gewinden der Schraube im Eingriff, unabhängig von der Winkelstellung dieser Schraube. Man findet dann, dass bei dieser nutzbaren Höhe der Zähne keine Einführungsachse besteht, welche die Bedingung (1) erfüllt. Man ist dann gezwungen, entweder die Höhe der Zähne zu verringern oder die Schraube oder das Ritzel zu unterteilen.

Es ist jedoch möglich, die Schraube 52 so zu'profilieren, dass wenigstens eine Einführungsachse bei einer beschränkten Zahl von Winkelstellungen der Schraube vorhanden ist.

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Beispielsweise kann man, wie in Fig.8 gezeigt ist, die Schraube 52 auf der Niederdruckseite durch eine koaxial zur Schraube liegende Kreiskegelfläche 54 abschneiden. Es ist zu erkennen, dass bei einer bestimmten Anzahl von Stellungen der Schraube, beispielsweise der in Fig.8 gezeigten Stellung, bei welcherßas Ende 55 des auf der Hochdruckseite in Berührung mit der Schraube stehenden Zahns 56 mit dem zylindrischen Umfang der Schraube'abschneidet, die Planke 57 des auf der Niederdruckseite in Berührung mit der Schraube stehenden Zahns 58 infolge der Aftschneidurg freiliegt. In dieser Stellung sind nur zwei Zähne 59 und-61 mit ihren beiden Flanken in Berührung mit Gewinden der Schraube, und der Zusammenbau der Schraube und des Ritzels ist ohne Unterteilung möglich. Es ist zu bemerken, dass sich die Länge des Eingriffs zwischen Schraube und Ritzel, am Umfang des Ritzels gemessen, im wesentlichen über eine ganze Zahl von Zähnen erstreckt. Bei dieser Losung ist die Zahl der Winkelstellungen der Schraube, bei denen der Zusammenbau von Schraube und Ritzel möglich ist, gleich der Zahl der Gewinde der Schraube.

Anstatt alle Gewinde der Schraube abzuschneiden,wie dies in Fig.8 gezeigt ist, kann man nur ein einziges Gewinde abschneiden, wie Fjg.9 zeigt. Bei dieser Ausführungsform ist nur das Gewinde 62 auf der Niederdruckseite bei 63 abgeschnitten. Es besteht dann nur eine einzige Winkelstellung der Schraube, bei welcher der Zusammenbau der Schraube und des Ritzels möglich ist, wobei das R-itzel in dieser Stellung nur zwei Zähne aufweist, die mit ihren beiden Flanken mit Gewinden der Schraube im Eingriff stehen.

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BAD ORIGINAL

Die Lösungen, wie sie in Fig.8 und 9 dargestellt sind, ermöglichen es, gleichzeitig einen hohen Kompressions- oder Entspannungagraä und eine maximale Förderkapazität zu erzielen. Man kann insbesondere Maschinen realisieren, deren Ritzel nur zwei Zähne hat, die in wenigstens einer Winkelstellung der Schraube mit ihren beiden Flanken im Eingriff stehen, sowie höchstens vier Zwirne, die in allen Winkelstellungen der Schraube im Eingriff mit den Gewinden stehen. Man kann auch Maschinen konstruieren, deren Ritzel in wenigstens einer Winkelstellung der Schraube nur 3 Zuhne hat, die mit ihren beiden Flanken im Eingriff mit den Gewinden der Schraube stehen, wobei die Zahl der im Eingriff befindlichen Zähne in allen Winkelstellungen der Schraube höchstens 5 beträgt.

Έ.Β ist zu bemerken, dass die zuvor angegebene Bedingung ( 1) unabhängig von der Zahl der Gewinde der Schraube ist. Man kann also diese Zahl so wählen, dass sich jedes Gewinde in an sich bekannter Weise über einen Winkelsektor der Schraube erstreckt, der im wesentlicnen gleich dem Winkelabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ritzeln ist. Bekanntlich ermöglicht diese letzte Bedingung die optimale Ausnutzung des zwischen zwei nebeneinanderliegenden Gewinden enthaltenen Volumens. Der genaue Winkelbereich jedes Gewindes kann unter "Berücksichtigung allgemein bekannter Überlegungen bestimmt werden, beispielsweise der Tatsache, das3 es vorteilhaft ist, wenn die Zahl der Gewinde der Schraube und die Zahl der Z'ihne dea Ritzels keinen gemeinsamen Teiler haben.

Die erfinaungsgecäsaen Maschinen ermöglichen die Erzielung hoher Förderkapazitäten und Kcmpressionsgrade unter Verwendung von einstückigen Schrauben und Ritzeln, die sich im Betrieb nicht verformen und eine lange Lebensdauer gewähr»-: iscaa»

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So sind bei einer zylindrischen oder konischen Schraube mit sechs Gewinden , die mit einem Ritzel mit 11 Zähnen zusammenwirkt, die Förderkapazität und der Kompressions- oder Entspannungsgrad um mehr als 10$ gegenüber bekannten Maschinen gleicherAbmessungen erhöht.

Insbesondere ermöglicht aber die erf indungs,gemässe Lösung die Realisierung von Maschinen mit zylindrischen Schrauben, die einen Kompressions- oderEntspannungsgrad von mehr, als 10 ergeben. Man kann beispielsweise eine Schraube mit 8 Gewinden und ein Ritzel mit 15 Zähnen verwenden, wovon 5.Zähne gleichzeitig im Eingriff mit den Gewinden der Schraube stehen, und drei dieser Zähne mit ihren beiden Planken in der Einbaustellung im Eingriff sind. Nach dem Stand der Technik konnten so hohe Kompressionsgrade nur mit konischen Schrauben erhalten werden, die, wie erwähnt wurde, den Nachteil ergeben, dass beträchtliche axiale Schubkräfte erzeugt werden, oder mit Schrauben oder Ritzeln, die aus mehreren Teilen gebildet sind und sich schnell abnutzen. Diese hohen K_ompressionsgrade können insbesondere in der Kälteindustrie erwünscht sein.

Patentansprüche

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Claims (8)

1. Patentansprüche

   Kugelschraubenmaschine zur Änderung des Druckes eines Strömungsmittels, insbesondere Kompressor oder Entspanner, mit einer Kugelschraube mit mehreren Gewinden, die um ihre Achse drehbar gelagert ist und mit wenigstens einem verzahnten Querritzel kämmt, und mit einem feststehenden Gehäuse, das ausser am Ort des Ritzels dicht an wenigstens einem Teil der Aussenfläche der Schraube anliegt und Öffnungen für den Einlass und den Austritt des Strömungsmittels aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen und die gegenseitige Lage der Schraube und des Ritzels so gewählt 3ind, dass bei wenigstens einer Winkelstellung der Schraube und für wenigstens eine Gerade, die in der die Berührungslinien zwischen Ritzel und Schraube enthaltenden Ebene liegt, die folgende Beziehung wenigstens für einen Teil des in Berührung mit den Schraubengewinden stehenden Abschnitts der Zähne erfüllt ist:

   hh,

   ^ri

   worin sind:

   ~ d der algebraische Abstand zwischen der Geraden und einem Berührungspunkt M. zwischen einer Flanke eines Zahns und einem Gewinde, wobei dieser Abstand vom Punkt M. aus entlang der Tangente in diesem Punkt an die Zahnflanke gemessen wird und die betreffende Planke der Geraden in Bezug auf den Zahn entgegengesetzt ist;

   - h^ der algebraische Abstand dieses Punktes M^ von der vom Mittelpunkt des Ritzels auf diese Tangente gezogenen Senkrechten, wobei dieser Abstand vom Punkt M^ aus gemessen wird; ' .

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   - r, der Absolutwert des Abstandes desPunktes M. von der Projektion der Schraubenachse auf die Berührungs— ebene zwischen Schraube und Ritzel;

   - d.., h., r. die analogen Grossen bezüglich einea Berührungspunktes M. zwischen einem Gewinde und reiner Zahnflanke, die in Bezug auf den Zahn auf der gleichen Seite wie dieGerade liegt.
2. 2. Maschine nach Anspruch 1, bei welcher die Zähne des Ritzels parallele Flanken haben·, dadurch gekennzeichnet, dass die angegebene Bedingung über wenigstens 7G$ des in Berührung mit den Gewinden stehenden Abschnitts der Zähne erfüllt ist.
3. 3. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einer Winkelstellung der Schraube nur zwei Zähne des Ritzels mit ihren beiden Planken in Berührung mit den Gewinden der Schraube stehen, und dass das Ritzel in allen Stellungen der Schraube höchstens vierZähne im Eingriff mit den Gewinden der Schraube hat.
4. 4. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einer Winkelstellung der Schraube nur drei Zähne des Ritzels mit ihren beiden Flanken in Berührung mit den Gewinden der Schraube stehen, und dass das Ritzel in allen Stellungen der Schraube höchstens fünf Zähne im Eingriff mit den Gewinden der Schraube hat.
5. 5. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die* beiden flanken jedes Zahns über einen !Dell ihrer Länge zueinander parallel sind und zum Ende hin konvergieren.

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6. 6_# Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die länge des Eingriffs zwischen Schraube und Ritzel, am Umfang des Ritzels gemessen, sich im wesentlichen über eine ganze Zahl von Zähnen erstreckt.
7. 7. Haschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube auf der Niederdruckseite entlang einer koaxial zur Schraube liegenden Kreiskegelfläche abgeschnitten ist.
8. 8. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende eines einzigen Schraubengewindes auf der Niederdruckseite abgeschnitten ist.

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