DE2059965A1

DE2059965A1 - Rotationskolbenmaschine der Trochoidenbauart

Info

Publication number: DE2059965A1
Application number: DE19702059965
Authority: DE
Inventors: Franz Prof Dipl-Ing Huf
Original assignee: Dornier System GmbH
Current assignee: Dornier System GmbH
Priority date: 1970-12-05
Filing date: 1970-12-05
Publication date: 1972-06-15
Also published as: CH534805A; US3764239A; DE2059965B2

Description

Prof. Dipl.-Ing. Franz Huf
7750 Konstanz

Rotationskolbenmaschine der Trochoidenbauart

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine, insbesondere eine Rotationskolbenbrennkraftraaschine der Trochoidenbauart. Bei diesen Maschinen bildet eine Trochoide, und zwar entweder eine Epitrochoide oder eine Hypotrochoide, die Entwurfsgrundlage. Man kann diese Art von Rotationskolbenmaschinen in zwei Gruppen einteilen, wobei in der einen Gruppe zur Trochoide die innere Hüllkurve und in der anderen Gruppe die äußere Hüllkurve bzw. die Hüllkurvenäste genommen werden, um die Maschinenbauteile Gehäuse und Kolbenläufer zu bilden. Dabei ist es unerheblich für die hier vorliegenden Untersuchungen, welcher Teil der Maschine feststehend und welcher drehend ist, das Gehäuse oder der Kolben, oder ob evtl. beide Maschinenteile gegenüber einem raumfesten Bezugssystem in Rotation sind.

Aus konstruktiven Gründen muß zwischen Kolbenläufer und Gehäuse ein Spalt vorhanden sein. Es können also für die beiden Bauteile nicht die geometrisch exakten Kurven, d.h. Trochoiden bzw. Hüllkurvenäste, verwendet werden. Bisher wurde in der Praxis üblicherweise von der exakten Kurvenform ausgehend, das eine Bauteil, z. B. das Gehäuse, nach außen etwas ausgeweitet und das andere Bauteil, z. B. der Kolbenläufer, nach innen zu etwas verkleinert. Die auf diese Weise entstandenen Begrenzungen der Bauteile verliefen äquidistant zur geometrisch exakten Kurve, d.h. zur Trochoide bzw. deren Hüllkurve. Xquidistanter Kurveaverlauf bedeutet, daß Parallelkurven geschaffen werden, die überall den gleichen Abstand normal zur Trochoide aufweisen. Im oben genannten Beispiel, bei dem die Parallelkurve gegenüber der exakten Kurve

209825/0368

2 U b y 9 6 5

ausgeweitet ist, liegen die Begrenzungslinien außerhalb des exakten Kurvenzuges und die Begrenzungslinie selbst stellt einen längeren Kurvenzug dar als die exakte Ausgangskurve (Trochoide). In entsprechender Yieise können auch Parallelkurven innerhalb der geometrisch exakten Kurve verlaufen. Der Einfachheit halber sollen nachfolgend die außerhalb verlaufenden, längeren Parallelkurvenzüge als "Plus-Äquidistanten" und die innerhalb verlaufenden kürzeren ParallelkurvenzUge als "Minus-Äquidistanten" bezeichnet werden. Bei diesen Überlegungen ist es unerheblich, ob den Parallelkurvenzügen die Trochoideoder deren innere bzw. äußere Hüllkurve oder Hüllkurvenast zugrunde gelegt wird.

Naturgemäß ist bei einer Maschine ein Spalt zwischen Bauteilen schädlich und hier wirft der Spalt zwischen Gehäuse und Kolbenläufer Probleme hinsichtlich der Verdichtung und der Gasabdichtung auf. Um eine hohe Verdichtung zu erreichen, sollte der Spalt möglichst gering gehalten werden. Andererseits ergeben sich aber bei einem geringen Spalt Schwierigkeiten an den Radialdichtleisten. Radialdichtleisten sind bei Rotationskolbenmaschinen zwischen zwei aneinander grenzenden Arbeitsräumen angeordnet, um die Gasabdichtung zwischen den Arbeitsräumen zu schaffen. Im Betrieb ergeben sich dabei Nachteile und Schwierigkeiten, weil die Dichtleisten mit ihrem Rand auf einem Bauteil der Maschine gleiten müssen und dabei in ständigem Wechsel mit unterschiedlichem Winkel gegenüber der Gleitfläche während des Uralaufens geneigt werden. Eine ungleichmäßige Abnutzung ist die Folge und es kann bald zu einem Verkanten der Dichtleiste in ihrem Dichtleistenbett und infolgedessen zur Zerstörung der Dichtleiste kommen. Gegebenenfalls könnte eine gewisse Abhilfe durch messerscharfe Dichtleisten geschaffen werden, sie scheitert aber an Schwierigkeiten, weil sie praktisch kaum zu verwirklichen ist.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine hochverdichtende Rotationskolbenmaschine der Trochoidenbauart zu schaffen und doch die aufgezeigten Schwierigkeiten der Gasabdichtung zu vermeiden. Die Erfindung geht dabei davon aus, daß aus Paarungsgründen bei

209825/0368

den oben genannten Trochoidenmaschinen außer der Trochoide auch noch die ihr zugeordneten inneren oder äußeren Hüllkurvenäste der Ausbildung von Gehäuse und Kolbenläufer zugrunde gelegt werden. Das Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß Gehäuse- und Kolbenläuferbegrenzung aus einem Paar von auf der gleichen, von der Radialdichtleiste abgewandten Seite der geometrisch exakten Kurve (Trochoide bzw. Hüllkurve) äquidistant dazu verlaufender Parallelkurven bestehen. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Abstand der zur Trochoide äquidistant verlaufenden Parallelkurve größer als der Abstand der zur Hüllkurve äquidistant verlaufenden Parallelkurve.

Gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung sind die Radialdichtleisten auf ihrer an der zugeordneten Gleitfläche anliegenden Seite halbzylindrisch abgerundet, wobei der Mittelpunkt der Rundung auf der geometrisch exakten Trochoide liegt und der Radius der Rundung dem größeren der beiden äquidistanten Abstände des Parallelkurvenpaares entspricht. Der wesentliche Gedanke der Erfindung liegt also darin, daß bei einem solchen Paarungssystem die sog. Siaultanpunkte der Trochoide im Mittelpunkt der Radialdichtleisten-Rundung liegen. Die beiden Maschinenbauteile - Gehäuse und Kolbenläufer - sind Parallelkurven zur geometrisch exakten Kurve und liegen beide auf der gleichen Seite der exakten Kurve. Auf welcher Seite der Kurve bzw. Trochoide die beiden Parallelkurven verlaufen, hängt nur davon ab, in welcher Richtung die Radialdichtleisten von der Trochoide aus gesehen angeordnet sind, nämlich innerhalb oder außerhalb der Trochoide. Infolgedessen bilden bei Paarungen mit Trochoide und innerer Hüllkurve ein Paar außerhalb der exakten Kurve verlaufender Parallelkurven die Gehäuse- und Kolbenläuferbegrenzung, denn bei dieser Paarung mit innerer Hüllkurve sind die Radialdichtleisten innerhalb der Trochoide ungeordnet. Bei Paarungen mit äußerer Hüllkürve dagegen liegen die Radia!dichtleisten außerhalb der Tröcnöide und das Pair der Parallei&ürveii verläuft innerhalb des jgebnietriseh exakten Kürvenzuges. Die beiden Vorstehend genannten Fälle haben Gültigkeit unabhängig davon, ob EpitrochbiÜen oder Hypbtröfchöi-Uen betrachtet werden. Parällelkürvenzugej die außerhalb der geö-

metrisch exakten Kurve verlaufen, seien nachstehend als "Plus» Äquidistanten" bezeichnet, Parallelkurvenzüge innerhalb der geometrisch exakten Kurve als "Minus-Äquidistanten".

Die Erfindung bietet den Vorteil, daß der Spalt zwischen Gehäuse und Kolbenläufer sehr klein gehalten, also eine hohe Verdichtung erreicht werden kann, daß dabei aber die Radialdichtleiste mit ausreichender Stärke und exakter Rundung ausgeführt werden kann. Die Dichtleistenabnutzung ist daher völlig gleichmäßig und die oben erwähnten Nachteile, nämlich Beschädigen und Zerstören der Dichtleiste, werden vermieden. Die erfinderische Idee läßt sich konstruktiv leicht durchführen und hält einer mathematischen Nachprüfung stand, da sich die Arbeitsräume bzw. Brennräume und der schädliche Raum des Spaltes genau berechnen lassen.

Der Erfindungsgedanke ist ohne weiteres bei allen Trochoidenformen, d.h. Epitrochoiden und Hypotrochoiden jeder Ordnung, und ebenso bei jedem Paarungssystem, d.h. sowohl bei Trochoiden mit äußerer Hüllkurve als auch bei Trochoiden mit innerer Hüllkurve, anwendbar. Das Abdichtsystem wird in keiner Weise gestört. Kin weiterer Vorteil besteht darin, daß die einander zugeordneten Bauteile - Gehäuse und Kolbenläufer - mit ihren unterschiedlichen, aber mit gleichen Vorzeichen versehenen Äquidistanten auf der gleichen Schleifmaschine herstellbar sind. Als Anwendungsbeispiele für derartige Rotationskolbenmaschinen können Brennkraftmaschinen, Pumpen oder Dampfmaschinen jeder Größe genannt werden.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung seien an Hand der Zeichnungen erläutert:

Figur 1 zeigt eine Epitroehoide 1:1 mit äußerer Hüllkurve Figur la zeigt vergrößert einen Ausschnitt aus Figur 1 Figur 2 zeigt eine Epitrochoide 2:1 mit innerer Hüllkurve Figur 2a zeigt vergrößert einen Ausschnitt aus Figur 2 Figur 3 zeigt eine Ilypotrochoide 6:1 mit innerer Hüllkurve Figur 3a zeigt vergrößert einen Ausschnitt aus Figur 3

- 5 209825/0368

Die Figuren 1 und la zeigen ein Beispiel für die Paarung Trochoide mit äußerer Hüllkurve. Es ist hier die einfachste Trochoide, nämlich die Epitrochoide 1:1 (Herzkurve) gewählt. Die Figuren dienen lediglich zur Erläuterung der Zusammenhänge - sie sollen die wirklichen Größenverhältnisse weder hinsichtlich der absoluten Spaltbreite noch hinsichtlich der Größe der einzelnen Äquidistanten-Abstände festlegen.

Die Epitrochoide 1:1 ist in der Figur 1 strichpunktiert eingezeichnet und mit T- bezeichnet. Zu dieser geometrisch exakten Trochoide ist die zugehörige äußere Hüllkurve H ebenfalls strichpunktiert dargestellt. Die äußere Hüllkurve besteht aus zwei Hüllkurvenästen, von denen bei der hier dargestellten Epitrochoide 1:1 der rechte Hüllkurvenast mit der eigentlichen Trochoide zusammenfällt. Aus diesem Grunde ist im rechten Teil der Figur 1 die Bezeichnung der äußeren Hüllkurve in Klammern hinter die Bezeichnung T₁ der Trochoide gesetzt. Wie schon erwähnt, sind

Trochoide T₁ und äußere Hüllkurve H geometrisch exakte Kurvenzül a

ge. Bei der hier gewählten Paarung liegen die Radialdichtleisten D außerhalb der Trochoide. Aus diesem Grunde werden auf der gegenüber liegenden Seite, d.h. Innerhalb der Trochoide, Parallelkurven für die Begrenzungen von Gehäuse und Kolbenläufer konstruiert. Die Parallelkurve für das Gehäuse ist als ausgezogene Linie eingezeichnet und mit G gekennzeichnet. Sie verläuft in demAbstand -ä-, von der Hüllkurve H bzw. Trochoide T₁. Die zweite Pa-O a l

rallelkurve stellt die Begrenzungslinie für den Kolbenläufer dar. Sie ist gestrichelt eingezeichnet und mit K bezeichnet. Sie verlauf t im Abstand -ä_v von der Trochoide T₁ . Die Bezeichnung -ä«. und -ä_G sollen durch ihr Vorzeichen zum Ausdruck bringen, daß es sich in diesem Falle um die oben schon genannten "Mlnus-Äquidistanten" handelt.

Aus der vergrößerten Darstellung der Figur la ist ersichtlich, daß die Radialdichtleiste D an ihrem Ende halbzylindrisch abgerundet ist. Die Zylinderachse verläuft durch den Simultanpunkt S und liegt somit auf der exakten Trochoide. Der Radius der Dichtleisten-Rundung entspricht genau der größeren Xquidistanten des Parallelkurvenpaares, In diesem Fall der Kolbenläufer-Äquldistanten "ii_v. Als effektiver Spalt A verbleibt somit nur noch die Differenz zwischen den beiden Äquidistanten ä„ und H_n. Dieser Spalt

·- ■■■ - ''"^: U ν. u ' - ^ü

20982570368

2U53965

kann somit sehr klein gehalten werden, dabei aber trotzdem die Rundung der Radialdichtleiste D mit ausreichend großem Radius ausgeführt werden.

Die Figur 2 zeigt das Beispiel einer Paarung Trochoide mit innerer Hüllkurve für den Fall einer Epitrochoide 2:1 (Nierenkurve). Die Trochoide ist hier wiederum strichpunktiert dargestellt und mit T₂ bezeichnet. Die geometrisch exakte zugehörige innere Hüllkurve ist der Übersichtlichkeit halber in der Figur 2 nicht dargestellt, sondern nur in der Figur 2a eingezeichnet. Sie ist ebenfalls als strichpunktierte Kurve dargestellt und hier mit H. bezeichnet. Die Trochoide T„ und die innere Hüllkurve HL verlaufen beide durch den Simultanpunkt S, der hier in analoger Weise zum Beispiel der Figur la die Achse der halbzylindrischen Abrundung der Dichtleiste D bildet. Bei dieser Paarung ist die Dichtleiste innerhalb der Trochoide angeordnet, so daß die Parallelkurven für die Gehäuse- und Kolbenlnuferbegrenzung auf der anderen Seite, d.h. außerhalb der mathematisch exakten Kurve gewählt werden müssen. Die Parallelkurven verlaufen hier v/ieder mit den Abständen +ii„ (zwischen Trochoide T_n und Gehäuse G) und +ä„ (zwischen innerer Hüllkurve H. und Kolbenläufer K) von den geometrisch exakten Kurven. Das Vorzeichen bedeutet hier, daß es sich um die oben genannten "Plus-Aquidistanten" handelt.

Wesentlich für die Erfindung ist auch hier wieder, daß beide Parallelkurvenzüge auf der gleichen Seite der geometrisch exakten Kurve liegen, d.h., daß zwei "Plus-Aquidistanten" vorliegen müssen.

In der Figur 3 ist als weiteres Ausführungsbeispiel eine Hypotrochoide 6:1 mit innerer Hüllkurve gezeigt. Diese Paarung entspricht dem Maschinenentwurf von Sensaud de Lavaud. Auch hier ist ein Teil vergrößert in der Figur 3a herausgezeichnet. Die Hypotrochoide ist hier wiederum als mathematisch exakte Kurve strichpunktiert dargestellt. Sie ist mit T„ bezeichnet. Ebenso ist die mathematisch exakte zugehörige innere Hüllkurve H. strichpunktiert eingezeichnet. Sowohl TrochoLde als auch Hüllkurve verlaufen wiederum durch die Simultanpunkte S. Auch hier ist die Anordnung so getroffen, daß durch S dLe Achse der halbzylindrischen Dichtleiste D verlauft. ALs Parallelkurve zur geometrisch exakten Hypotrochoide T^ ver-?

209825/0368'

läuft die Gehäusewand G Im Abstand von +ä_r; als Parallelkurve zur inneren Hüllkurve II. verläuft die gestrichelt eingezeichnete Kolbenläuferbegrenzung K im Abstand +ä_w. Beide Parallelkurvenzüge liegen auf der gleichen Seite der Hypotrochoide, und zwar außerhalb der geometrisch exakten Kurve. Es handelt sich daher, wie auch durch das Vorzeichen an den Äquidistanten zum Audruck gebracht ist, um die oben genannten "Plus-Äquidistan— ten". Als effektiver Spalt zwischen Gehäuse und Kolbenläufer verbleibt die Differenz ö„ - ä„

2$ ,%t AVte- 20 9875/0 36 β

Bau/gs

Claims

Pa tentansprüche

!./Rotationskolbenmaschine, insbesondere Rotationskolbenbrenn-. .,· kraftmaschine, der Trochoidenbauart, wobei der Ausbildung von Gehäuse und Kolbenläufer aus Paarungsgründen außer der Trochoide auch noch die ihr zugeordneten inneren oder äußeren Hüllkurvenaste zugrunde liegen und die Gasabdichtung zwischen zwei aufeinander folgenden Arbeitsräumen durch Radialdichtleisten erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß Gehäuse- und Kolbenläuferbegrenzung aus einem Paar von auf der gleichen, von der Radialdichtleiste (D) abgewandten Seite der geometrisch exakten Kurve (Trochoide T₁bzw. T„ in Figur 1 bzw. 2; Hüllkurve H bzw. H. in Figur 1 bzw. Figur 2) äquidistant dazu verlaufenden Parallelkurven (G bzw. K) bestehen.

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der zur Trochoide äquidistant verlaufenden Parallelkurve größer ist als der Abstand der zur Ilüllkurve äquidistant verlaufenden Parallelkurve.

3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Paarungen mit innerer Hüllkurve ein Paar außerhalb der geometrisch exakten Kurven (T₂, H. in Figur 2) verlaufender Parallelkurven (+ä^, +ä_v Plus-Äquidistanten; Figur 2) die Gehäuse- und Kolbenläuferbegrenzung bildet.

4. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Paarungen mit äußerer Hüllkurve ein Paar innerhalb der geometrisch exakten Kurven (T₁, H_& in Figur 1) verlaufender Parnllelkurven (-ä_G, -ä_K Minus-Äquidlstanten, rigur 1) die Gehäuse- und Kolbenläuferbegrenzung bildet.

209875/0368
- 2 -

Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Radialdichtleisten (D) auf ihrer an der zugeordneten Gleitfläche anliegenden Seite halbzylindrisch abgerundet sind, wobei die Achse (S) der Rundung auf der geometrisch exakten Trochoide (T- bzw. T„) liegt und der Rndius der Rundung der größeren Xquidistanten der jeweiligen Paarung entspricht.

25.11.1970
Bau/gs

209825/0368

Leerseite