DE19852743A1

DE19852743A1 - Epi- und hypozykloidische Drehkolbenmaschine mit dünnwandigen Dichtmodulen für gleichbleibende Abdichtkräfte durch elastische Verformung

Info

Publication number: DE19852743A1
Application number: DE1998152743
Authority: DE
Inventors: Ernst Juraschka
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-03-21
Filing date: 1998-11-16
Publication date: 2000-05-25

Abstract

Drehkolbenmaschinen, kurz DKM genannt, dessen Drehkolben-Außenformen von gestreckten Epi- oder Hypozykloiden mit einer beliebigen Zykloidenstrahllänge a abgeleitet und um einen bestimmten Radius b verkleinert sind, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle von bekannten dünnwandigen Dichtrollen DR, siehe Zeichnung Bl. 1, Abb. 1.1 u. 1.2, neue Dichtmodule DM verwendet werden, die mit Hohlräumen ausgebildet und so im Kreissektor pi, der den maximal möglichen Berührungsbereich mit dem Drehkolben kennzeichnet, dünnwandig mit der Wanddicke s ausgeführt sind und mit einem, vom Werkstoff, von den zu verarbeitenden Drücken und von der Wanddicke s abhängigen Übermaß u, das durch das Abstimmen der Dicke h einer Zwischenplatte erzeugt wird, oder mittels Einstellschrauben von außen genau ein- oder bei Abnutzung nachgestellt werden kann, fest im Gehäuse montiert sind. Durch dieses Übermaß werden die Dichtmodule in den Berührungslinien elastisch verformt und somit Andrückkräfte erzeugt, die für eine gleichbleibende und ausreichende Abdichtung bei allen Drehzahlen sorgt, siehe Abb. 2.3 auf Zeichnung Bl. 2. DOLLAR A Das gleiche Prinzip wird auch für Dichtmodule angewendet, die im rotierenden Drehkolben angeordnet sind, wobei dieses jedoch nur bei Drehkolbenmaschinen notwendig ist, dessen Drehkolbenform von gestreckten Hypozykloiden abgeleitet sind. Die Außenformen der Dichtmodule DM sind dabei gleich denen des Drehkolbens im Krümmungsbereich, siehe hierzu Abb. 1.3 u. 1.4 auf Zeichnung Bl. 1 und das ...

Description

1.0 Allgemeines, Ziel der Erfindung

Die vorliegende Patentbeschreibung befaßt sich mit neuen Dichtmodulen (Dichtleisten) für Dreh kolben-Maschinen die vorzugsweise im Drehkolben untergebracht sind. Die bekannten Dichtleisten mit spitzen oder auch runden Dichtformen sind beweglich in Nuten angeordnet und werden bei gerin gen Drehzahlen durch Federn und mit zunehmenden Drehzahlen durch die eigenen Massenkräfte, auch Fliehkräfte genannt, immer stärker an die Gehäusewand angedrückt, was enorme Reibverluste bewirkt. Ein weiterer Nachteil ist, daß die Gehäusewand durch Ein- und Auslaßschlitze, oder auch durch Bohrungen für Ein- und Auslaßventilen unterbrochen ist, wodurch sich die Dichtleisten in die sen Bereichen sehr schnell einarbeiten. Zwar hat man versucht, diese Öffnungen in die Seitenwände zu verlegen, was aber mit großen Strömungsverlusten und mit Schwierigkeiten bei den seitlichen Abdichtungen verbunden ist. Die neuen Dichtmodule haben die Aufgabe, die vorher genannten Nach teile weitgehendst zu beseitigen.

2.0 Patentbeschreibung

In der folgenden Dokumentation wird immer wieder auf die Patentanmeldung, kurz PA-1 genannt, mit dem Aktenzeichen 198 12 853.3-15 der Klasse F01C zurückgegriffen, in der alle nur denkbaren Dreh kolben-Maschinen mit von Epi- oder Hypozykloiden abgeleiteten Drehkolben genaustens beschrieben sind. Auch werden hier die gleichen Begriffe, Bezeichnungen und Buchstaben verwendet.

2.1 Dichtmodule mit dünnwandigen Dichtrollen für Drehkolben-Maschinen

Auf Zeichng. Bl. 1 ist in den Abb. 1.1 (Schnitt A-A) u. 1.2 (Schnitt B-B) die einfachste Drehkolben- Maschine DKM-HZ2 mit einem Drehkolben DK dargestellt, der von einer zweibogigen Hypozykloide HZ2, in der Fachliteratur auch als Ellipse bezeichnet, abgeleitet ist und von einer Exzenterwelle EW so geführt und gesteuert wird, daß ihre Drehgeschwindigkeit γ doppelt so groß ist wie die des Dreh kolbens δ und die Drehrichtungen gleich sind, z. B. rechts im Uhrzeigersinn. Der Drehkolben rollt sich dabei an einer dünnwandigen Dichtrolle DR ab, die zwischen den beiden Führungsrollen FR1 u. FR2 so gelagert ist, daß sie sich leicht elastisch verformt und dadurch die erforderlichen Anpreßkräfte für eine ausreichende und gleichbleibende Abdichtung im Berührungspunkt B2 sorgt. Wird eine Führ ungswelle z. B. WF1, auf der die Führungsrolle FR1 gleitend oder rollend gelagert ist, in zwei Exzen terbuchsen EB1 u. EB2 geführt, so können diese Anpreßkräfte von außen genau eingestellt bzw. bei Abnutzung nachgestellt werden. Die Schrauben SH1 dienen dabei zur festen Justierung der einge stellten Exzenterbuchsen. Siehe hierzu auch die genaue Beschreibung in Abs. 1.1 der PA-1.

2.2 Dichtmodule (Dichtleisten) für Drehkolben mit hypozykliodischer Außenform

Die im vorhergehendem Abschnitt beschriebene elastische Verformung von dünnwandigen Dichtrollen zur Erzielung von Abdichtkräften soll auch für Dichtleisten ausgenutzt werden, die im drehenden Kol ben angeordnet sind. Dazu ist es notwendig die Dichtleisten in einem bestimmten Bereich mit Hohl räumen zu versehen, um eine elastische Verformung zu erzielen.

In Abb. 1.2 ist so ein Drehkolben DK-HZ2 mit zwei Dichtmodulen DM1 und DM2 in senkrechter Lage (Ausgangslage) und ein zweiter Drehkolben DK', siehe Strich-Punkt-Linie, dargestellt, wobei sich die ser um 90° und die Exzenterwelle um 180° gedreht haben. Die Berührungspunkte B1 u. B2 sind dabei nach B1' u. B2' gewandert. In Abb. 1.3 ist der Drehkolben in der Einzelheit Z vergrößert dargestellt und der maximale Sektor, auf dem der Berührungspunkt B1 zwischen den beiden Endpunkten B1' u. B1'' wandern kann, mit dem Winkel π bezeichnet. Da der Krümmungsradius bei der HZ2 sehr groß ist, müssen auch die beiden Dichtleisten entsprechend breit ausgeführt werden, was sie bei hohen Dreh zahlen durch die entstehenden großen Fliehkräfte sofort zum Verkannten bringt. Durch die neuen Dichtmodule soll erfindungsgemäß dieses Verkannten verhindert und gleichzeitig bei allen Dreh zahlen eine konstante Abdichtkraft zwischen Drehkolben und Gehäusewand erzeugt werden.

Dazu ist es notwendig, die Dichtmodule mit einem Hohlraum HR auszubilden und im Sektor π dünn wandig mit der Wanddicke s herzustellen. Um eine elastische Verformung im eingebauten Zustand zu erzielen, müssen die Dichtmodule vorher mit einem Übermaß u im Bereich B1' bis B1'' hergestellt werden, wobei die Größe des Übermaßes von dem verwendetem Werkstoff, der Wanddicke s und den zu verarbeitenden Drücken abhängig ist. Nach dem 3. Bildungsgesetz (3.BG), siehe PA-1 wird die Außenform des Drehkolbens der HZ2 dadurch erzeugt, wenn der Mittelpunkt M eines Fräsers oder Schleifstiftes mit dem Durchmesser d = 2b auf den einen Endpunkt P einer Geraden P-E mit der Zyklo idenstrahllänge a und mit seinem zweiten Endpunkt E auf einen Exzenterkreis mit dem Radius r = e so geführt wird, daß die Drehgeschwindigkeit dieser Geraden und die des Exzenterpunktes E gleich und die Drehrichtungen entgegengesetzt sind, β = -α, siehe hierzu die genaue Beschreibung in Abs. 6.1 der PA-1. Für die erhöhten Dichtmodule muß die Länge a des Zykloidenstrahls um das Übermaß u auf die Gesamtlänge a1 = a + u vergrößert werden. Hieraus ergeben sich für die Herstellung der Dichtfläche des Dichtmoduls auf einer modernen CNC-Maschine die Koordinaten Y = sin α a1 - sin β e und X = cos α a1 + cos β e. Die Übergänge von den beiden Punkten B1' u. B1'' bis zu den Ecken müssen an geflacht werden, damit hier keine Übermaße entstehen.

Die Dichtmodule werden mittels Schrauben SH2 über eine Zwischenplatte ZP1 direkt mit dem Dreh kolben fest verbunden, wodurch bei hohen Drehzahlen keine Fliehkräfte mehr von den Dichtmodulen auf die Gehäusewand erzeugt werden. Durch Abstimmen der Zwischenplattendicke h kann bei Bedarf auch das Übermaß u beeinflußt werden. Ferner kann die Gehäusewand in den Bereichen, wo sich die Ein- und Auslaßschlitze ES u. AS befinden, zurückgesetzt werden, damit hier keine Berührung mehr mit den Dichtmodulen und somit auch keine Abnutzung stattfindet.

In Abb. 1.4 ist ein Dichtmodul DM1 eines Drehkolbens DK dargestellt, der von einer dreibogigen Hy pozykloide HZ3 abgeleitet ist und bei der die Drehgeschwindigkeit des Exzenterpunktes E doppelt so groß ist wie die des Zykloidenstrahls P-E, β = -2α. Hieraus ergibt sich einen kleineren Krümmungsra dius und somit auch ein viel schmäleres Dichtmodul, welches hier über eine Zwischenplatte ZP1 von innen mittels Schrauben SH2 mit dem Drehkolben fest verbunden ist. Für die Herstellung des Über maßes u ergeben sich die gleichen Bedingungen wie bei der vorher beschriebenen HZ2 unter Be rücksichtigung der Drehgeschwindigkeiten β = -2α.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß diese neuen Dichtmodule mit elastischer Verformung und fester Verbindung mit dem Drehkolben gegenüber den bisher bekannten Dichtleisten große Vor teile bieten. So kann die Drehzahl enorm gesteigert werden ohne daß große Fliehkräfte entstehen und es können viel höhere Drücke verarbeitet werden, so haben bei Versuchen Drücke von über 1000 bar keine Schwierigkeiten gemacht.

In einem weiteren Abschnitt soll auch das Prinzip der elastischen Verformung für Dichtleisten be schrieben werden, die im stehenden Gehäuse untergebracht sind.

2.3 Dichtmodule mit elastischer Verformung für Drehkolben-Maschinen mit epizyklodischem Drehkolben DKM-EZ

Auf Zeichng. Bl. 2 ist in den Abb. 2.1 (Schnitt A-A) und 2.2 (Schnitt B-B) die einfachste Drehkolben- Maschine DKM-EZ1 mit einem Drehkolben DK dargestellt, der von einer einbogigen Epizykloide EZ1 abgeleitet ist und von einer Exzenterwelle EW so geführt und gesteuert wird, daß die beiden Drehge schwindigkeiten γ der Exzenterwelle und δ des Drehkolbens gleich und die Drehrichtungen entge gengesetzt sind. Der Drehkolben wälzt sich dabei auf einen bestimmten Kreissegment der beiden Dichtmodule (Dichtleisten) DM1 u. DM2 ab. In Abb. 2.3 ist in der Einzeilh. Z das Dichtmodul DM1 ver größert dargestellt und der maximale Kreissektor, auf dem der Berührungspunkt B1 zwischen den bei den Endpunkten B1' und B1'' wandern kann, mit dem Winkel π bezeichnet. Wird das Dichtmodul in diesem Bereich dünnwandig mit der Wandstärke s ausgeführt, und die Dicke h der Zwischenplatte ZP1 mit einem bestimmten Übermaß u versehen, so wird ständig durch die elastische Verformung des Dichtmoduls eine Anpreßkraft erzeugt, die für eine gleichbleibende Abdichtung mit dem Drehkolben sorgt. Das Dichtmodul kann hierbei, wie in der unteren Hälfte der Abb. 2.2 gezeichnet, mittels zweier Schrauben SH1 fest mit dem Gehäuse verbunden werden. Eine andere Lösung zeigt die obere Hälfte der Abb. 2.2, wo die Anpreßkräfte des Dichtmoduls über die beiden Schrauben SH2 von außen ge nau eingestellt bzw. bei Abnutzung nachgestellt werden können.

Die in den Dichtleisten entstehenden Hohlräume können für Schmiermittel-Vorräte genutzt werden, die über einen Schmiernippel OE in der Seitenwand zugeführt werden, siehe Abb. 2.2.

Auch diese Dichtmodule haben gegenüber den bekannten Dichtleisten große Vorteile, da hier die ständig aufzubringenden Hydraulikkräfte für das Andrücken der Dichtleisten an den Drehkolben entfallen.

Die vorher beschriebene DKM-EZ1 ist hier als Pumpe oder Verdichter mit je zwei selbstöffnenden Einlaß- und je zwei selbstschließenden Auslaß- Ventilen (EV1-EV4 u. AV1-AV4) pro Arbeitskammer dargestellt, siehe auch Beschreibung in Abs. 5.1 der PA-1.

Claims

1. Drehkolbenmaschinen, kurz DKM genannt, dessen Drehkolben-Außenform von gestreckten Epi- oder Hypozykloiden mit einer beliebigen Zykloidenstrahllänge a abgeleitet und um einen bestimmten Ra dius b verkleinert sind, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle von bekannten dünnwandigen Dichtrol len neue Dichtmodule DM verwendet werden, die mit Hohlräumen ausgebildet sind und so im Kreis sektor π, der den maximal möglichen Berührungsbereich mit dem Drehkolben kennzeichnet, dünn wandig mit der Wanddicke s ausgeführt sind und mit einem, vom Werkstoff, von der Wanddicke und von den zu verarbeitenden Drücken, abhängigen Übermaß u, das durch das Abstimmen der Höhe h einer Zwischenplatte, oder mittels Einstellschrauben von außen genau ein- oder bei Abnutzung nach gestellt werden kann, fest in Nuten des Gehäuses montiert sind. Durch dieses Übermaß werden die Dichtmodule in den Berührungslinien elastisch verformt und erzeugen somit Andrückkräfte, die für eine gleichbleibende und ausreichende Abdichtung bei allen Drehzahlen sorgen.

2. Drehkolben-Maschinen mit Drehkolben-Außenformen, die von gestreckten Hypozykloiden HZ mit ei ner beliebigen Zykloidenstrahllänge a abgeleitet und um einen bestimmten Radius b verkleinert sind, dadurch gekennzeichnet, daß im rotierenden Drehkolben neuartige Dichtmodule DM angebracht sind, die mit Hohlräumen ausgebildet und so im Sektor des Krümmungsradius π, der den maximalen Be rührungsbereich zwischen dem Drehkolben und der Gehäusewand kennzeichnet, dünnwandig mit der Wanddicke s und mit einem bestimmten Übermaß u, das vom verwendeten Werkstoff, von den zu verarbeitenden Drücken und von der Wanddicke abhängig ist, durch das Vergrößern der Länge a des Zykloidenstrahls um das Übermaß u, hergestellt und mittels Schrauben über eine Zwischenplatte mit der Höhe h, die zum genauen Abstimmen dient, fest mit dem Drehkolben verbunden sind. Durch die feste Verbindung mit dem Drehkolben werden die Massenkräfte (Fliehkräfte) der Dichtmodule fast vollständig beseitigt und ferner werden durch das Übermaß u die Dichtmodule im Bereich der Berühr ungslinien mit der Gehäusewand elastisch verformt und somit Andrückkräfte erzeugt, die bei allen Drehzahlen eine ausreichende und konstante Abdichtung garantieren.

3. Drehkolben-Maschinen mit Dichtmodulen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ge häusewände im Bereich der Ein- und Auslaßschlitze, bzw. der Ein- und Auslaßventile um mindestens das Übermaßes u zurückgesetzt werden können, damit in diesen Zonen keine Berührung mehr mit dem Drehkolben und somit auch keine Abnutzung stattfindet.

4. Dichtmodule nach Anspruch 1 u. 2, dadurch gekennzeichnet, daß die entstehenden Hohlräume für eine Langzeit-Schmierung genutzt werden, wobei für die im feststehenden Gehäuse unterge brachten Dichtmodule auch eine Nachschmierung über die in den Seitenwänden montierten Schmier nippel ermöglichen.