DE2315503C2 - Außenachsige Rotationskolben-Verdichtungs-oder Expansionsmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine außenachsige Rotationskolben-Verdichtungs- oder Expansionsmaschine, bei der innerhalb eines feststehenden Gehäuses mit Einlaß- und Auslaßöffnungen ein spiralverzahnter Leistungsrotor mit mindestens einem Absperrotor im Kämmeingriff steht, wobei beide Rotorachsen quer zueinander angeordnet sind.

Maschinen dieser Gattung sind insbesondere aus der DE-OS 19 64 387 und den FR-PS 12 87 593, 13 31 998, 15 86 832 und 16 01 531 bekannt Beispielsweise ist in der erstgenannten Schrift eine Maschine beschrieben, die hier in F i g. 1 schematisch dargestellt ist und einen Leistungsrotor 1 umfaßt der aus einer Globoidschraube besteht welche um eine Achse 3 drehbar ist sowie eine mehrgängige Spiralverzahnung 3 trägt Die Scheitel der Spiralverzahnung 3 liegen auf einer zur Achse 2 symmetrischen Zylinderfläche und wirken mit einem nicht dargestellten Gehäuse zusammen. Die Spiralverzahnung 3 kämmt mit den Zähnen 6 eines Absperrotors 4, der auf einer Achse 5 drehbar gelagert ist die bei diesem Beispiel etwa rechtwinklig zur Achse 2 des Leistungsrotors verläuft.

Die Zähne 6 des Absperrotors begrenzen zusammen mit den Gewindegängen der Spiralverzahnung 3 des Leistungsrotors Verdichtungs- oder Expansionskammern, die nacheinander mit einer Öffnung für das unter hohem Druck stehende Fluid in Verbindung gebracht werden, die in dem Gehäuse in dem in der Nähe des Absperrotors liegenden und mit dem Bezugszeichen 40 bezeichneten Bereich des Gehäuses angeordnet ist. Mit dem Bezugszeichen 20 ist diejenige Stirnfläche der Zähne 6 bezeichnet die dem unter hohem Druck stehenden Fluid ausgesetzt ist und im folgenden der Einfachheit halber als hochdruckseitige Stirnfläche bezeichnet wird.

Im Verlauf der Drehung des Absperrotors kommt ein bestimmter, auf einer Flanke eines der Zähne 6 liegender Punkt wie etwa M nacheinander mit den Punkten eines Gewindeganges 3 in Berührung, in welchen dieser Gewindegang in bezug auf die Drehebene des Absperrotors unterschiedliche Steigungen besitzt. In dem in F i g. 1 veranschaulichten Fall ist diese Steigung A etwa durch die Gleichung

gegeben, in welcher n\ die Gewindegangzahl des Leistungsrotors, m die Zahl der Zähne des Absperrotors und η bzw. r₂ die Abstände des Punktes M von der Achse 2 des Leistungsrotors bzw. der Achse 5 des Absperrotors bezeichnen.
Für einen bestimmten Punkt M eines Zahnes 6, der

einem bestimmten Wert von r₂ entspricht, ist folglich der Winkel A am kleinsten, wenn M sich in Berührung mit einem Punkt in der Nähe des Scheitels des Gewindeganges befindet, und am größten, wenn M sich in der dem Gewindegrund am nächsten liegendem Stellung befindet

Diese Kleinst- und Größtwerte hängen von dem Wert von Γ2 ab, d. h. von der Lage des Punktes M auf der Zahnflanke, wie dies in dem Diagramm der Fig.3 dargestellt ist In dieser Figur ist ri in Prozent des Durchmessers des Leistungsrotors ausgedrückt

Bei einer Maschine der in F i g. 1 dargestellten Art, deren Leistungsrotor und dessen Absperrotor einen Durchmesser D haben, besitzt der Leistungsrotor sechs Gewindegänge und der Absperrotor elf Zähne, bei is einem Abstand zwischen der Achse 2 und der Achse 5 von 0,8 D; aus F i g. 3 ist zu ersehen, daß sich dabei der Winkel A etwa zwischen 28° und 42° für einen am Ende eines Zahnes (/2=50) gelegenen Punkt Af ändert Wenn der Punkt M sich dem Zahnfluß nähert, nähern sich auch die Maximalwerte (Kurve 10) und die Minimalwerte (Kurve It) von A einander an, bis sie bei einem Wert von etwa 17° zusammenfallen, wenn der Punkt Msich in einer Entfernung von 0,3 D von der Achse des Absperrotors befindet. In dieser letzteren Lage kommt der Punkt Mnur noch mit den in der Nähe des Scheitels des Gewindes liegenden Punkten in Berührung.

Wenn der Außenumriß des Leistungsrotors nicht zylindrisch ist oder die Anordnung der Zähne des Absperrotors von der in F i g. 1 dargestellten Anordnung abweicht, folgt das Änderungsgesetz für den Winkel A weder der vorstehend angegebeneil Gleichung noch den Kurven 10 und 11 in F i g. 3; der Winkel A liegt jedoch stets zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert, die durch Kurven analog zu den Kurven 10 und 11 veranschaulicht werden können.

Diese Änderungen des Winkels A bedingen Beschränkungen in der Profilgebung der Zahnflanken der Zähne 6 des Absperrotors, die in abdichtende Berührung mit den Gewindegängen 3 der Spiralverzahnung des Leistungsrotors treten sollen.

Bei bekannten Maschinen besitzen die Zahnflanken des Absperrrotors zwei Flächen, die sich in einer Kante schneiden. In F i g. 2 der Zeichnung ist ein Schnitt durch einen Zahn 6a längs der Linie X-X'\n F i g. 1 dargestellt, welcher Zahn 6a sich in Berührung mit den Gewindegängen 3a und 36 befindet. Wie ersichtlich, besitzen die Zahnflanken zwei Zonen 8a und 9a einerseits und 8£> und 9£> andererseits, die sich unter Bildung der Kanten 7a und 76 schneiden. Die Zonen 8a und 9b bilden mit der Achse 5 des Absperrotors einen dem Minimalwert des Winkels A entsprechenden Winkel für den dem betrachteten Schnitt durch den Zahn entsprechenden Wert n, während die Zonen 8b und 9a mit der Achse 5 einen Winkel gleich dem Maximalwert von 4 bilden.

Diese bekannte Technik hat mehrere Nachteile. Einerseits sind die Berührungskanten schmal und werden infolge von Reibung beschädigt, was zu Spiel zwischen den Zahnflanken und den Gewindegängen und demzufolge zu Leckverlusten des zu verdichtenden &> oder zu expandierenden Fluids und zu einem Abfall des Wirkungsgrades der Maschine führt.

Andererseits kann die Bearbeitung des Gewindes des Leistungsrotors nach der britischen Patentschrift 6 49 412 nur mittels eines Werkzeugs vorgenommen werden, das sich nicht um sich selbst dreht, wodurch eine schleifende Bearbeitung und die Verwendung sehr harter Werkstoffe unmöglich ist. Die Bearbeitungsgenauigkeit und die Oberflächengüte der Gewindegänge sind folglich denjenigen unterlegen, die man durch Schleifen erhält

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei einer Rotationskolbenmaschine der eingangs geannten Art die Flanken des Absperr- und Leistungsrotors verschleißmindernd mit hoher Oberflächengenauigkeit auszubilden, wobei die Leckverluste klein bleiben sollen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgeipäß dadurch gelöst, daß die an die hochdruckseitige Stirnfläche jedes Zahnes des Absperrotors angrenzenden Zonen der Zahnflanken, die in Berührung mit der Spiralverzahnung des Leistungsrotors stehen, in jedem Querschnitt längs des Zahnes Drehflächen sind.

Hieraus ergibt sich der Vorteil, daß die Berührung zwischen der Spiralverzahnung des Leistungsrotors und den Zahnflanken des Absperrotors tangential zu einer Drehfläche statt längs einer Kante erfolgt Die Verschleißgeschwindigkeit und demzufolge die Leckverluste werden hierdurch erheblich, vermindert Gleichzeitig ergibt sich aus dieser Ausbildung der Maschine der beachtliche Vorteil, daß die Spiralverzahnung des Leistungsrotors mittels sich um sich selbst drehender Werkzeuge bearbeitet werden kann, daß also Schleifwerkzeuge verwendet werden können.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Maschine nach der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Hervorzuheben ist daß die genannten Drehflächen Zylinderflächen sein können und daß deren Achsen in bezug auf eine zur Achse des Absperrotors senkrechte Ebene geneigt sein können.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform können die an die hochdruckseitige Stirnfläche der Zähne angrenzenden Zonen der Zahnflanken Teile von Kegelflächen sein. Dabei können die Achsen von zwei Flanken ein und desselben Zahnes angehörenden Kegelflächen etwa senkrecht zur Achse des Absperrotors verlaufen und diese Drehachse in zwei verschiedenen Punkten schneiden, wobei die Richtungen der Achsen dieser zwei Kegelflächen gegeneinander geneigt sind.

Neben den bereits vorstehend im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschriebenen F i g. 1 bis 3 sind in der Zeichnung beispielsweise gewählte Ausführungsformen der Maschine nach der Erfindung in schematischer Vereinfachung dargestellt. Es zeigt

Fig.4 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines Zahnes eines Absperrotors nach der Erfindung,

F i g. 5 eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zur Bearbeitung eines Leistungsrotors nach der Erfindung,

F i g. 6 einen Schnitt durch den in F i g. 4 dargestellten Zahn, hier jedoch in Höhe des Rotorumfanges,

F i g. 7 eine perspektivische Darstellung des Eingriffs zwischen einem Gewindegang des Leistungsrotors und dem Zahn nach F i g. 4,

F i g. 8 eine perspektifische Darstellung des in F i g. 4 wiedergegebenen Zahnes,

Fig.9 eine perspektivische Darstellung eines Bearbeitungswerkzeuges für einen Leistungsrotor nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 10 eine Teildarstellung einer zweiten Ausführungsform eines Absperrotors,

Fig. 11 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 12 eine perspektivische Darstellung einer dritten

• Ausführungsform eines Zahnes eines Absperrotors,

F i g. 13 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung einer vierten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 14 eine Schnittdarstellung einer vierten Ausführungsform eines Absperrotors,

Fig. 15 eine perspektivische Darstellung des Zahnes nach Fig. 14,

Fi g. 16 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung einer fünften Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 17 einen Schnitt durch das Werkzeug der Vorrichtung nach F i g. 16,

Fig. 18 eine im Schnitt gehaltene Teildarstellung einer fünften Ausführungsform eines Leistungsrotors, geseher, in. Richtung des Pfeils 39 in F i g. 16,

Fig. 19 eine Schnittdarstellung einer Durchmesserebene des Leistungsrotors in Fig. 16 in vergrößertem Maßstab,

F i g. 20 eine perspektivische Darstellung einer fünften Ausführungsform eines Zahnes des Absperrotors.

In Fig.4 ist im Schnitt ein Zahn 66 eines Absperrotors wie etwa des Absperrotors 4 in der bereits beschriebenen F i g. 1 wiedergegeben.

Die Flankenteile oder Zonen 12a und 126 des Zahnes, die an die Stirnfläche 20 des Zahnes angrenzen, welche dem unter hohem Druck befindlichen Fluid ausgesetzt ist, bestehen aus Teilen von Drehflächen mit den Achsen 14a und 146.

In jedem Querschnitt des Zahnes haben die Flankenprofile folglich Abschnitte, die aus Kreisbögen wie etwa 13a und 136 bestehen und Parallelen zu den genannten Drehflächen sind. Die Radien der Kreise 13a und 136, die durch die Endpunkte der Kreisbögen verlaufen, bilden mit einer Senkrechten auf die Achse 5 des Absperrotors Winkel, von denen der eine höchstens gleich dem Minimalwert des vorstehend definierten Neigungswinkels A der Gewindegänge und der andere wenigstens gleich dem Maximalwert dieses Winkels A ist.

Bei dem einleitend unter Bezugnahme auf F i g. 3 beschriebenen Beispiel würde folglich der eine Winkel höchstens gleich 17° und der andere Winkel mindestens gleich 42° sein.

Jede der Flanken setzt sich über den Drehflächenteil hinaus in Bereichen 61a und 61 b fort, die beispielsweise Teile von Tangentialebenen an die Flächen 12a und 126 sind und deren Steigungen folglich größer als die größten Steigungen bzw. kleiner als die kleinsten Steigungen, wie sie im Zusammenhang mit Fig.3 definiert wurden, sind. Diese V£rlän^<Tsrun^(Ten befinden sich auf der niederdruckseitigen Stirnfläche des Zahnes. F i g. 5 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Bearbeitung des Gewindes des Leistungsrotors wie etwa der Globoidschraube nach Fig. 1, um die Verzahnung passend zu dem Profi! des in Fig.4 wiedergegebenen Zahnes auszubilden.

Der Leistungsrotor 1 ist auf seiner Achse 2a drehbar gelagert. Ein Elektromotor 16 ist andererseits drehbar um eine Achse 5a angeordnet, die in bezug auf den Leistungsrotor 1 dieselbe Stellung wie die Achse 5 des Absperrotors einnimmt Auf die Welle 17 dieses Motors ist ein Werkzeug 18 montiert Das Rohgewinde des Leistungsrotors kann durch Gießen hergestellt sein; die Achsen 2a und 5a sind in ihrer Drehzahl durch passende Einrichtungen derart synchronisiert, daß diese Drehzahlen im selben Verhältnis zueinander stehen wie die Arbeitsdrehzahlen des Leistungsrotors und des Absperrrotors d. h. 11 :6 im erwähnten Beispiel.

Das Werkzeug selbst besteht entweder aus einem Fräser oder einem Doppelmesser oder einem einzigen Messer, dessen Außendurchmesser gleich dem Durchmesser der Kreise 13a und 136 ist.

Bei einem ersten Durchlauf fällt die Achse 17 des

Motors mit der Achse 14a zusammen (Fig.4). Hierbei wird eine Flanke des Gewindes wie etwa die Flanke 3a erzeugt (Fig.4). Ein auf der Achse 2a angeordneter Teiler gestattet es, bei aus dem Leistungsrotor herausgefahrenem Werkzeug, den Leistungsrotor in eine zweite definierte Stellung zu bringen und die Flanke 3a eines zweiten Gewindeganges zu bearbeiten und sofort.

Wenn dieselbe Flanke sämtlicher Gewindegänge a

bearbeitet ist, wird die Achse 17 verschoben, bis sie mit der Achse 146 (F i g. 4) zusammenfällt Nun werden in der gleichen Weise die Flanken 36 bearbeitet.

Selbstverständlich ist es möglich, gleichzeitig mehrere Werkzeuge arbeiten zu lassen, von denen das eine beispielsweise die Bearbeitung der Flanken 3a und das andere die der Flanken 36 vornimmt, wobei dann mehrere gleichzeitig arbeitende Bearbeitungsvorrichtungen 5a, 17,18 vorzusehen sind.

In Fig.8 ist eine Teilansicht eines Absperrotors

perspektivisch wiedergegeben, wobei insbesondere ein Zahn 6 zu erkennen ist, dessen Flanken entsprechend dem Schnitt nach Fig.4 in einem Teilbereich einer zylindrischen Drehfläche wie etwa 136 folgen.

Auf den Flanken 12a und 126 sind Linien 30a, 306,31a und 316 eingezeichnet, die den Verlauf der Grenze der Berührung zwischen den Flanken des Zahnes und den Gewindegängen veranschaulichen. Diese Berührung kann nur über Punkte erfolgen, die zwischen den Linien 30a und 31a bzw. zwischen den Linien 306 und 316 liegen. Diese Linien entsprechen den Extremwerten der Steigungen, wie sie im Zusammenhang mit Fig.3 beschrieben wurden, wobei die Linien 30a und 306 den Steigungen der Kurve 10 in Fig.3 und die Linien 31a und316den Steigungen der Kurve 11 in derselben Figur entsprechen.

Die die Großflächen des Absperrotors enthaltenen Ebenen schneiden aus den Zylindern wie beispielsweise 136 hinreichend breite Sektoren heraus, urn die genannten Linien derart vollständig zu überdecken, daß die Berührung zwischen Gewindegängen und Zahnflanken eine Berührung von zwei Flächen und nicht von einer Fläche mit einer Kante ist. Schließlich ist vor allem so darauf hinzuweisen, daß die zwischen den Linien 30a und 31a bzw. 306 und 316 liegenden Berührungsbereiche sich in unmittelbarer Nähe der hochdruckseitigen Stirnfläche 20 des Zahnes befinden.

Der Ersatz einer Berührung zwischen Gewindegang und Zahn längs einer Kante wie etwa 7a und 76 in F i g. 2 durch die im Zusammenhang in Fig.4 beschriebene Berührung führt jedoch zu einer Quelle von Leckverlusten, deren Ursprung anhand von Fig.6 leicht verständlich ist, die einen Schnitt parallel zur Achse des Absperrotors in Höhe des Umfangs des Leistungsrotors und folglich des diesen umgebenden Gehäuses darstellt Dieses Gehäuse besitzt einen Durchlaß für den Absperrotor, der im Falle eines ebenen Absperrotors ein Schlitz ist, dessen Ränder in der F i g. mit 19 und 60 bezeichnet sind. Der Rand 19, der sich auf derjenigen Seite des Absperrotors befindet, wo auf dieses der hohe Druck wirkt, steht mit der entsprechenden Stirnfläche 20 in abdichtender Berührung, so daß die Leckverluste

zwischen den Ebenen 19 und 20 begrenzt werden. Es besteht jedoch zwischen dem Gewindegang 36, der Flanke 126 des Zahnes und dem Rand 19 ein schraffierter Bereich 22 und ebenso zwischen dem Gewindegang 3a, der Flanke 12a und dem Rand 19 ein schraffierter Bereich 21, über welche das unter Druck stehende Fluid gemäß dem Pfeil 23 in F i g. 7 auf die Niederdruckseite entweichen kann. In dieser F i g. 7 sind ein mit einer Flanke mit dem Gewindegang 36 zusammenwirkender Zahn 6b, ein zweiter Zahn 6c und gestrichelt der Rand 19 und der Bereich 22 perspektivisch dargestellt.

Es existiert zwischen den Zähnen 6b und 6c ein nicht durch den Gewindegang 3b ausgefülltes Volumen 24, das um so größer ist, je geringer die Höhe des Gewindeganges 3b ist. welcher Fall bei Annäherung an das Ende der Schraube eintritt, und zwar insbesondere an das hochdruckseitige Ende, d. h. den Bereich 40 gemäß F ig. 1.

Diese Erscheinung gewinnt um so mehr Bedeutung, als für das Außenprofil des Leistungsrotors Drehflächen verwendet werden, deren Erzeugende eine Gerade ist, um im Fall von Gasverdichtern oder Gasexpansionsmaschinen das Verdichtungsverhältnis zu erhöhen, wie dies in der französischen Patentschrift 13 31 998 beschrieben ist. Unter diesen Umständen ist das Volumen 24 ein Maximum, wenn der Zahn sich nur noch mit seinem äußersten Ende im Eingriff mit der Spiralverzahnung befindet und der Druck in der durch die Spiralverzahnung begrenzten Kammer in dieser Stellung sein Maximum erreicht.

Nun kommuniziert aber dieses Volumen 24 frei mit dem zwischen dem Zahn und dem Rand 60 (Fig.6) liegenden Volumen, das seinerseits mit sämtlichen Niederdruckbereichen der Maschine in Verbindung steht

Es ergibt sich hieraus, daß diese Maschinen nur dann arbeiten können, wenn die Leckbereiche 21 und 22 gleich Null sind oder vernachlässigbare Fläche besitzen, da im gegenteiligen Fall erhebliche Leckverluste zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite eintreten würden.

Bei Anordnungen nach dem Stand der Technik, also etwa nach Fig.2, war es möglich, den Querschnitt dieser Durchgänge durch Verlegung der Berührungskanten 7a und Tb in Richtung auf die hochdruckseitige Stirnfläche 20 zu vermindern und im Grenzfall diese Querschnitte zu Null zu machen.

Bei der Maschine nach der Erfindung ist es nicht möglich, diese Querschnitte zum Verschwinden zu so bringen, da die Berührungslinie keine feste Kante mehr ist sondern sich in einem gegebenen Bereich verschiebt. Dennoch ist es möglich, die Querschnitte 21 und 22 hinreichend klein zu machen, daß die Leckverluste für die häufig in der Industrie verwendeten Drücke in der Größenordnung 7 bis 15 Bar vernachlässigbar werden. Während diejenigen Zahnflankenteile, die auf Drehflächen liegen, hierzu einen maximalen Durchmesser, der in der Gegend der Breite zwischen zwei benachbarten Gewindegängen liegt, erhalten, müssen die Berührungsbereiche zwischen jeder Zahnflanke und den Gewindegängen in die Nähe der hochdruckseitigen Stirnfläche 20 der Zähne gebracht werden. Dies ist nicht möglich, wenn die beiden Flanken ein und desselben Zahnes auf derselben Drehfläche liegen.

Bei dem vorstehend angeführten Beispiels eines Leistungsrotors mit sechs Gewindegängen und dem Durchmesser D, der mit einem Absperrotor mit elf Zähnen und dem Durchmesser D zusammenarbeitet wobei der Achsabstand zwischen der Achse des Leistungsrotors und derjenigen des Absperrotors gleich 0,8 D ist und die Zahnbreiten 0,18 D nicht überschreiten, können diejenigen Zahnflankenteile, die auf Drehflächen liegen, einen Durchmesser in der Größenordnung von 0,12 D erhalten. Bei dieser Bemessung haben die Leckbereiche 21 und 22 für jeden Zahn eine Gesamtfläche, deren Maximalwert jedoch nicht über 0,4 · 10-⁴D&geht.

Für die Herstellung des Gewindes kann an Stelle eines zylindrischen Werkzeuges auch ein Werkzeug verwendet werden, das an seinem Ende einen kleineren Durchmesser als an seiner Basis hat und den Zähnen des Absperrotors die in F i g. 10 veranschaulichte Form gibt. Ein derartiges Werkzeug 18 ist in F i g. 9 dargestellt. Es ermöglicht, den Zonen 12a und 126 der Zahnflanken (Fig.4 und 6) im Bereich der Zahnscheitel einen geringeren Durchmesser zu geben und demzufolge die Fläche der Leckbereiche 21 und 22 in der. Nähe dieser Scheitel zu verringern. Nun entstehen aber die größten Leckverluste am hochdruckseitigen Ende des Leistungsrotors, wenn der Zahn teilweise aus dem Eingriff mit der Spiralverzahnung kommt und mit dieser nur noch mit seinem Scheitel zusammenwirkt. Die Verminderung der Leckbereiche in Richtung auf die Zahnscheitel wirkt sich daher in beachtlichem Umfang aus.

In Fig. 12 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Figur veranschaulicht einen Zahn 66 des Absperrotors, dessen hochdruckseitige Stirnfläche wiederum mit der Bezugszahl 20 bezeichnet ist. Eine der Flanke des Zahnes 66 hat eine Zone 126, die auf einer Zylinderdrehfläche 136 liegt, deren Achse 63 mit der Stirnfläche 20 einen kleinen Winkel B bildet. Ebenso hat die andere Zahnflanke eine in einer zylindrischen Drehfläche liegende Zone 12a, wobei die (nicht dargestellte) Drehachse der Zylinderfläche mit der Stirnfläche 20 einen Winkel B' bildet Die Schnitte der Stirnfläche 20 des Zahnes mit den Zylinderflächen 12a und 126 sind folglich Ellipsenbögen 32a und 326.

Infolge der Neigung der Stirnfläche 20 in bezug auf die Achsen der Drehflächen 13a und 136 fallen die äußersten Berührungslinien 306 und 31a zwischen den Zahnflanken und den Gewindegängen des Leistungsrotors praktisch zusammen mit den elliptischen Zahnkanten 32a und 326.

F i g. 11 zeigt eine Stellung des für die Herstellung der Spiralverzahnung des Leistungsrotors verwendeten Werkzeuges, wobei die Gewindegänge mit den Zähnen der in Fig. 12 dargestellten Ausbildung zusammenwirken. Dieses Werkzeug 18 wird wie bei der im Zusammenhang mit F i g. 15 beschriebenen Vorrichtung durch einen Motor in Drehung versetzt der seinerseits drehbar in bezug auf eine Achse 5a montiert ist die mit der Achse des Absperrotors zusammenfällt

Das Werkzeug 18, das etwa zylindrische Form besitzt ist in derjenigen Stellung in ausgezogenen Linien dargestellt in der es diejenige Flanke der Spiralverzahnung bearbeitet die mit der Zone 126 des Zahnes dort zusammenwirken soll, wo diese Gewindegangflanke in bezug auf den Absperrotor einen Maximalwinkel A besitzt Die Achse 176 des Werkzeuges verläuft folglich etwa rechtwinklig zur Achse 2 des Leistungsrotors und bildet mit einer Senkrechten auf die Achse 5a einen Winkel Ä Man stellt fest, daß dann die äußerste Berührungslinie 306 zwischen der Zahnflanke 126 und dem Gewindegang etwa in einer zur Achse 5a rechtwinkeligen Ebene liegt d. h. parallel zur Stirnfläche

g Is·'

20 der Zähne des Absperrotors.

Wenn das Werkzeug 18 sich in der gestrichelten Stellung zur Herstellung derjenigen Gewindeflanke befindet, die mit der Zone 12a des Zahnes 66 zusammenwirken soll, ist die Werkzeugachse 17a gegenüber einer Senkrechten auf die Achse 5a um einen Winkel B' geneigt. In diesem Fall liegt die äußerste Berührungslinie 31a zwischen der Zone 12a und dem Gewindegang, die den relativ geringsten Gewindesteigungen entspricht (Kurve 11 in F i g. 3) etwa in einer zur Achse 5a senkrechten Ebene und folglich parallel zur Stirnfläche 20 des Zahnes 66. Man richtet die Stellung des Werkzeugs in der Achse 5a so aus, daß diese Ebene etwa mit derjenigen zusammenfällt, die die Linie 30 enthält. Außerdem wird der Schlitz des Gehäuses, durch den der Absperrotor hindurchtritt, derart angeordnet, daß der Rand 19, der mit der hochdruckseitigen Stirnfläche 20 des Zahnes (F i g. 6) zusammenwirkt, ein wenig jenseits der Ebene liegt, die die Linien 31a und 306 enthält, und zwar auf der Seite, auf der der Fluiddruck wirksam werden soll. Diese Anordnung ist besonders hervorzuheben, da sie die Querschnitte der Leckbereiche 21 und 22 gemäß Fig.6 erheblich verringert.

Nachdem nun der Leckbereich 21 verringert ist, kann man weiter feststellen, daß die entsprechenden Verluste vollständig vermieden werden könnten, wenn man die Linien 31a und 32a durch Verschiebung der Stirnfläche 20 zusammenfallen lassen könnte.

Auch der Leckbereich 22 ist sehr erheblich vermindert. Solange der Zahn maximal in den Leistungsrotor eindringt, ist dieser Querschnitt ein Maximum; im Fall der Fig.8 findet die Berührung zwischen dem Gewindegang und der Zahnflanke an dem Umfang des Leistungsrotors in einer maximalen Entfernung von der Stirnfläche 20 statt, während sie im Fall der F i g. 12 Null sein kann.

Für das bereits angegebene Zahlenbeispiel zeigt die Rechnung, daß der aus der Summe der Leckbereiche 21 und 22 im Verlauf der Drehung gebildete Mittelwert etwa um den Faktor 7 vermindert wird und daß die Leckverluste folglich vollständig vernachlässigbar werden.

Festzuhalten ist, daß die Linien 31a und 306 statt in einer Ebene (wie im Fall der F i g. 11 erläutert) auch auf einen Kegel oder schließlich auch auf einen Zylinder gelegt werden können, und zwar durch passende Änderung des Winkels B und entsprechend des Winkels B'. Diese Anordnung kann auf die in der französischen Patentschrift J5 86 832 beschriebenen Maschine angewendet werden.

Ebenso ist es möglich, nichtzylindrische Zahnflankenfürmen zu verwenden unter gleichzeitiger progressiver Verminderung des Durchmessers in Richtung auf das Ende des Zahnes mit den in F i g. 11 dargestellten Steigungen.

Außerdem besteht die Möglichkeit, diese Formgebungen bei anderen als zylindrischen Leistungsrotoren zu verwenden, beispielsweise bei konischen oder ebenen Rotoren, wie sie in den französischen Patent-Schriften 13 31 998 und 15 86 832 beschrieben sind.

Weiterhin können diese Formgebungen bei Leistungsrotoren Anwendung finden, die nur ein eingängiges oder zweigängiges Gewinde besitzen und mit mehreren um den Leistungsrotor herumgeführten Gewindegängen arbeiten, wie sie bereits aus dem Stand der Technik, insbesondere der US-Patentschrift 2716861 bekannt sind. In diesem Fall sind die Änderungen des Steigungswinkels wesentlich geringer als diejenigen bei dem für die vorliegende Beschreibung gewählten Beispiel, und es ist möglich, ohne Schwierigkeit Pumpen oder Hydraulikmotoren mit geschliffenem Leistungsrotor herzustellen, die wesentlich geringere Toleranzen besitzen, als dies eine Bearbeitung mit einem Werkzeug gestattet, so daß die Pumpen oder Hydraulikmotoren geringeres Spiel aufweisen, was es ermöglicht, ohne wesentliche Leckverluste höhere Drücke zu liefern oder mit höheren Drücken zu arbeiten.

In Fig. 13, 14 und 15 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt.

In Fig. 13 sind der Leistungsrotor 1 und der sich um seine Achse 5 drehende Absperrotor 4 dargestellt. Die Achse 5 verläuft nicht mehr rechtwinklig zur Drehachse 2 des Leistungsrotors, sondern ist in bezug auf letztere derart geneigt, daß sie mit einer senkrecht zur Achse 2 verlaufenden Ebene 50 einen Winkel u bildet. Der Winkel u ist so gewählt, daß sein Wert etwa das Mittel der Werte A der Gewindesteigungen beträgt. Es ist folglich möglich, die beiden Flanken ein und desselben Zahnes 6b (F i g. 15) auf derselben Drehfläche 13c liegen zu lassen und gleichzeitig sicher zu stellen, daß die zwischen den Linien 30a und 31a bzw. 30b und 316 liegenden Berührungsflächen zwischen den Zahnflanken und den Gewindegängen in unmittelbarer Nachbarschaft zu der hochdruckseitigen Stirnfläche liegen.

Bei Einhaltung dieser Bedingungen ist die Bearbeitung erheblich vereinfacht, da die beiden Flanken von zwei aneinandergrenzenden Gewindegängen gleichzeitig mit demselben Werkzeug bearbeitet werden können, ohne daß zwei aufeinanderfolgende Arbeitsgänge oder Werkzeugverschiebungen durchgeführt werden müssen, wie sie im Zusammenhang mit der Beschreibung der F i g. 5 angegeben wurden.

Aus Fig. 14 ist ersichtlich, daß der Gehäuserand 19, der sich in dichter Berührung mit der hochdruckseitigen Stirnfläche 20 des Absperrotors befindet, nicht mehr parallel zur Achse 2 verläuft, sondern in bezug auf diese Achse um den Winkel u geneigt ist.

Fig.20 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Zahnes 6a eines Absperrotors nach der Erfindung. Die Zahnflankenzonen 12a und 126, die an die hochdruckseitige Stirnfläche 20 angrenzen, sind Teile von Kegelstumpfflächen, deren große Grundflächen mit 38a und 386 und deren kleine Grundflächen mit 37a und 376 bezeichnet sind und deren Achsen die nicht dargestellte Drehachse des Absperrotors schneiden und gegeneinander geneigt sind.

Die Flankenzonen 12a und 126 sind durch ebene Teile 61a und 616 verlängert, die sich längs der Linien 62a und 626 an die kegeistumpfförmigen Zonen i2a und 126 anschließen. Die Neigung der Ebene 61 a in bezug auf die Normale 45 auf die Stirnfläche 20 ist mindestens gleich der maximalen Neigung, die das Gewinde in bezug auf den Absperrotor im Verlauf dessen Drehung aufweist, während die Neigung der Ebene 616 in bezug auf diese Normale 45 höchstens gleich der minimalen Neigung des Gewindes ist

Die Tangenten 43 und 47 an die Kreise 386 und 376 in deren Schnittpunkt mit der Fläche 20 bilden mit der Normalen 45 auf diese Fläche Winkel 44 und 46, wobei der Winkel 44 kleiner als der Winkel 46 ist Es ergibt sich hieraus, daß die äußersten Berührungslinien zwischen den Zahnflanken und den Gewindegängen, die in F i g. 8 mit den Bezugszeichen 306 und 316 bezeichnet sind, im Verhältnis zu der Ausführungsform nach F i g. 8 näher

an der Stirnfläche 20 des Zahnes liegen. Der Leckbereich 22 ist demzufolge hier geringer.

Man erhält folglich praktisch das gleiche Ergebnis wie mit der Ausführungsform nach Fig. 12, wobei jedoch die Bearbeitung der Gewindegänge des Leistungsrotors vereinfacht ist, wie nachfolgend gezeigt wird.

Fig. 16 zeigt schematisch die zur Herstellung der Spiralverzahnung des Leistungsrotors verwendete Vorrichtung. Wie bei den bereits beschriebenen Vorrichtungen wird der Leistungsrotor 1 um seine Achse 2 gedreht, und ein Werkzeug 18 wird um seine Achse durch einen nicht dargestellten Motor in Drehung versetzt, der selbst um eine Achse 5a drehbar ist, die mit der Achse des Absperrotors zusammenfällt.

Die Achse des Werkzeugs 18 verläuft längs der Linien 17a oder 176, je nachdem, ob die Flanken 3a oder 36 der Gewindegänge bearbeitet werden. Die Achsen 17a und i7b schneiden die Achsen 5a bei 34 bzw. bei 33 und verlaufen beide rechtwinklig zu dieser Achse 5a. Die Achse 5a bildet mit einer Parallelen zur Achse i7b einen Winkel 36. Die beiden Arbeitsstellungen des Werkzeuges 18 sind insbesondere aus F i g. 19 ersichtlich.

Das Werkzeug 18 hat gemäß F i g. 17 die Form eines Kegelstumpfes. Die Stirnfläche 37 kann unterschiedliche Formen besitzen und beispielsweise plan sein, besteht jedoch vorzugsweise aus einer Kugelkalotte, wobei der Durchmesser der Kugel, aus der diese Kalotte abgeschnitten ist, etwa gleich dem Durchmesser des Absperrotors ist, so daß in der Arbeitsstellung der Mittelpunkt der Kugelkalotte 37 etwa auf der Achse 5a liegt

Aus Fig. 18 sind die durch die Werkzeugstirnfläche 37 in dessen beiden Stellungen beschriebenen Kreise 37a und 37b zu erkennen, wobei die Achsen 17a und 176 etwa senkrecht zur Achse 2 angenommen sind, was denjenigen Stellungen entspricht, in denen das Werkzeug am weitesten in den Leistungsrotor eindringt. Die Kreise 38a und 3Sb werden auf dem Werkzeug durch die Berührungspunkte zwischen dem Werkzeug und der Außenfläche des Leistungsrotors beschrieben. Die Lage dieser Kreise ist in F i g. 17 bei 38 angedeutet.

ίο In Fig. 18 sind die Kanten oder Scheitel der Gewindegänge 3a und 3b, die auf dem Umfang des Leistungsrotors liegen, bei 42a und 426 dargestellt und die Ränder des Gewindegrundes, d.h. die inneren Ränder am Boden der zwischen den Gewindegängen

gebildeten Nut, sind mit 41 a und 416 bezeichnet.

Im Verhältnis zu der in F i g. 11 dargestellten Vorrichtung ist das Bearbeitungsverfahren des Leistungsrotors vereinfacht. Die beiden Achsen 17a und 176 verlaufen senkrecht zur Achse 5a und der Übergang

von einer Werkzeugstellung in die andere erfolgt durch eine Verschiebung längs der Achse 5a, gefolgt von einer Drehung um diese Achse, und es ist nicht notwendig, das Werkzeug 18 in bezug auf die Achse 17 seines Antriebsmotors in eine Winkelstellung zu bringen.

Außerdem ist der Schnitt der Nut am Gewindegrund mit einer durch den Mittelpunkt des Absperrotors verlaufenden Durchmesserebene des Leistungsrotors ein zu dem Absperrotor konzentrischer Kreisbogen. Die Scheitel der Zähne des Absperrotors können daher ein Kreisbogenprofil erhalten, das im Betrieb in abdichtender Berührung mit dem Boden der zwischen den Gewindegängen gebildeten Nut bleibt.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Außenachsige Rotationskolben-Verdichtungs- oder Expansionsmaschine, bei der innerhalb eines feststehenden Gehäuses mit Einlaß- und Auslaßöffnungen ein spiralverzahnter Leistungsrotor mit mindestens einem Absperrotor im Kämmeingriff steht, wobei beide Rotorachsen quer zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die an die hochdurchseitige Stirnfläche (20) jedes Zahns (6b) des Absperrotors (4) angrenzenden Zonen (12a, 12b) der Zahnflanken, die in Berührung mit der Spiralverzahnung (3) des Leistungsrotors (1) stehen, in jedem Querschnitt längs des Zahns (6b) DrehRächen (13a, 13tysind (F i g. 1,4).

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an die hochdurckseitige Stirnfläche (20) jedes Zahnes (6b) angrenzenden Zonen (12a, nieder Zahnflanken Teile von Zylinderflächen (13a, 13Ä)sind.

3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Zylinderflächen (13a, 13b) erzeugenden Durchmesser einen Wert in der Nähe des Abstandes zwischen zwei Gewindegängen haben.

4. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen (z. B. 63) der Zylinderflächen in bezug auf eine zur Achse (5) des Absperrotors (4) senkrechte Ebene geneigt sind.

5. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen von zwei entgegengesetzten Flanken ein und desselben Zahnes (6b) angehörigen Zylinderflächen um einen unterschiedlichen Winkel in bezug auf eine zur Drehachse (5) des Absperrotors (4) senkrechte Ebene geneigt sind.

6. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen von zwei an die hochdruckseitige Stirnfläche (20) ein und desselben Zahnes (6b) angrenzenden Zahnflanken auf derselben Drehfläehe (13c,) liegen und daß die Achse (5) des Absperrotors (4) in bezug auf eine zur Achse (2) des Leistungsrotors senkrechte Ebene um einen Winkel (u) geneigt ist, der etwa gleich dem Mittelwert der Steigerungen der Spiralverzahnung (3) in bezug auf diese Achse (2) ist (F i g. 13).

7. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an die hochdruckseitige Stirnfläche (20) jedes Zahnes (6b) angrenzenden Zonen (12a, i2b) der Zahnflanken Teile von Kegelflächen sind (F ig. 20).

8. Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen von zwei Flanken ein und desselben Zahnes (6b) angehörenden Kegelflächen etwa senkrecht zur Achse (5) des Absperrotors (4) verlaufen und diese Achse in zwei verschiedenen Punkten (33, 34) schneiden, wobei die Richtungen der Achsen dieser zwei Kegelflächen gegeneinander geneigt sind.

9. Verfahren zur Herstellung des Leistungsrotors einer Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsrotor (1) um seine Achse (2) gedreht wird und daß ein eine Symmetrieachse besitzendes Werkzeug (18) auf einem Support angeordnet wird, der in bezug auf eine mit dem Verlauf der Achse (5) des Absperrotors (4) zusammenfallende Achse in Drehung versetzt wird, wobei das Verhältnis zwischen der Leistungsrotordrehzahl und der Supportdrehzahl gleich dem Verhältnis zwischen der Zahl der Gewindegänge (3) des Leistungsrotors (1) und die Zahl der Zähne (6) des Absperrotors (4) ist, und das Werkzeug (18) in Drehung um seine eigene Symmetrieachse (17) versetzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Werkzeug (18) eine etwa kegelförmige Umfangsfläche gegeben wird und daß seine Endfläche (37) auf der Räche einer Kugel liegt, deren Durchmesser etwa gleich dem Durchmesser des Absperrotors (4) ist