DE2542301C3

DE2542301C3 - Gehäusemantel einer Kreiskolbenmaschine

Info

Publication number: DE2542301C3
Application number: DE2542301A
Authority: DE
Inventors: Robert K. Catterson; Robert K. Mitchell
Original assignee: Briggs and Stratton Corp
Current assignee: Briggs and Stratton Corp
Priority date: 1974-12-23
Filing date: 1975-09-23
Publication date: 1978-06-08
Also published as: JPS531411B2; DE2542301B2; CA1035702A; GB1466484A; US3958906A; IT1032983B; DE2542301A1; SE7513829L; JPS5175812A

Description

Die Erfindung betrifft den Gehäusemantel einer Kreiskolbenmaschine mit Schlupfeingriff zwischen einem dreieckigen, an seinen Ecken Dichtleisten aufweisenden Kolben und dem Gehäusemantel mit einer in bestimmten Bereichen von der Äquidistanten zur Epitrochoide radial nach außen abweichenden Kontur. Solche Gehäusemäntel sind beispielsweise bekanntgeworden durch die US-PS 3139072.

Die Beseitigung von sogenannten Rattermarken ist das Problem beider bekannten Maschine. Dieses Problem soll dadurch gelöst werden, daß man den Gehäusemantel mit einer in bestimmten Bereichen von der Äquidistanten zur Epitrochoide radial nach außen abweichenden Kontur versieht. Die radial nach außen gerichtete Abweichung der Kontur wird bei der bekannten Maschine jedoch schon wieder zurückgenommen, bevor zwischen Scheiteldichtung des KoI be ns und Gehäusemantel der maximale Anlagedruek erreicht ist. l.ino solche konturicrung hat keinerlei positiven KintliiB auf die Beseitigung des Fressens: denn dieses ist am stärksten an einer Stelle, an lieni die Druckdifferenz /^ iselien beiden Seilen del Schei

teldichtung des Kolbens am größten ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, den Gehäusemantel einer Kreiskolbenmaschine der einleitend genannten Art so auszubilden, daß seine Lebensdauer durch eine erhebliche Verminderung des Fressens ganz erheblich vergrößert wird, ohne daß es für diese Lebensdauerverlängening kostspieliger Gehäusemantelauskleidungen bedarf.

Zur Lösung dieser Aufgabe bietet die vorliegende Erfindung drei verschiedene Lösungen an, die im Grunde auf den gleichen Lösungsprinzipien beruhen.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist der Gehäusemantel dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung der Kontur des Gehäusemantels '5 an der großen Achse im kalten Bogen beginnt und stetig bis zu einem Maximum zunimmt, das zwischen dem Bereich des maximalen Differenzdruckes benachbarter Arbeitskammern im kalten Bogen und der benachbarten kurzen Achse liegt, und anschließend stetig abnimmt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Gehäusemantel dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung der Kontur des Gehäusemanteis an der großen Achse im kalten Bogen beginnt und ^a5 über etwa 150° stetig zunimmt und anschließend bis zur großen Achse im kalten Bogen abnimmt. Hierdurch können zwei Differenzdruckspitzen berücksichtigt werden.

Bei einer etwas einfacheren und preiswerteren Lösung, welche mit einem geringen Herstellungsaufwand realisierbar ist, ist der Gehäusemantel dadurch gekennzeichnet, daß das abweichende Profil eine ähnlich vergrößerte Äquidistante zur Epitrochoide ist, wobei sich die großen Achsen decken und sie den achsfernen Punkt im kalten Bogen gemeinsamen haben.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise veranschaulicht sind. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Scheiteldichtung des Rotors einer Kreiskolbenmaschine mit Angabe der an der Dichtleiste bei deren Auswärtshub angreifenden Kräfte,

Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung mit Angabe der Kräfte, die an der Dichtung beim Einwärtshub angreifen,

Fig. 3 das den epitrochoidförmigen Gehäusemantel einer Kreiskolbenmaschine mit einer in gestrichelten Linien stark vergrößert gezeigten Konturabweichung von der echten Epitrochoidenform, durch die eine Auswärtsbewegung der Scheiteldichtungen in dem Gehäusemantelbereich, in dem die größte Druckdifferenz in den den Dichtleisten benachbarten Kammern auftreten, erzwungen wird,

1- ig. 4 eine der Fig. 3 ähnliche Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform des Gehäusemantels, bei der eine zusätzliche auswärts gerichtete Bewegung der Scheiteldichtungen auch noch in einem weiteren Bereich auftritt,

Fig. 5 ein weiteres Profil eines Gehäusemanteis,

wobei in gestrichelten Linien angedeutet ist, wie der nach außen gerichtete Hub der Dichtungen mit Hilfe einer vergrößeren verschobenen Epitrochoide erzielt wc: dt η kann.

l'ie. " ein Diagramm der theoieliseh /.wischen Dichtung und Gchäuscmantel auftretenden Audi lirkki ' 1 !Kleiner bekannten Kreiskolbenmaschine.

Fig. 7 ein Diagramm der unter Berücksichtigung von Druck- und thermischen Verformungen des Gehäuses errechneten, zwischen Dichtung und Gehäusemantel auftretenden Andrückkraft bei einer bekannten Kreiskolbenmaschine,

Fig. 8 ein Diagramm der Andrückkraft zwischen Dichtung und Gehäusemantel bei einer nahezu gleichen Maschine, bei der jedoch das Profil des Gehäu-Femantels gemäß Fig. 4 abgewandelt wurde,

Fig. 9 ein der Fig. 8 ähnliches Diagramm der zwischen Dichtung und Gehäusemantel auftretenden Andrückkraft bei einer Maschine, bei der Gehäuse und Kolben aus der normalen zentralen Relativiage gegeneinander gemäß Fig. 5 verschoben sind, und

Fig. iO ein Diagramm der tatsächlichen radialen Abweichungen dej Gehäusemantels, die in Fig. 4 vergrößert dargestellt wurden und dazu führen, daß sich die Andrückkraft zwischen Dichtung und Gehäusemantel auf die Werte vermindert, die das Diagramm der Fig. 8 angibt.

Das Profil des Gehäusemantels 15 der Kreiskolbenmaschine in Fig. 3 bis 5 ist eine zweiblättrige Epitrochoide mit einer Hauptachse A- B und einer kleineren Nebenachse C-D. Der Kolben 14 hat drei Scheitelstellen, welche jeweils mit einem sich in Querrichtung erstreckenden parallelwandigen Schlitz 16 versehen sind (Fig. ^! und 2), der von Seitenwänden und einer Bodenflaehc 18 begrenzt wird. In ödem der Schlitze 16 befindet sich eine Scheiteldichtung 19 mit einander gegenüberliegenden Seitenwänden, einer Bodenfläche 21 und einer konvex gekrümmten Kuppe 22. Im Betrieb ragen die Kuppen der Seheiteidichtungen geringfügig über die eigentlichen Kolbenscheitel hinaus und bewegen sich auf einer Äquidistanten zur vorerwähnten Epitrochoide. Dabei ändert sich die Andrückkraft zwischen den Scheiteldichtungen in Form von Dichtleisten 16 und dem Gehäusemantel 15 in sehr starkem Malle wegen des wechselnden Gasdruckes und wegen der sich ändernden Trägheits- und P.eibungskräfte an den Dichtungen.

Wenn der Kolben in Uhrzeigerrichtung umläuft, durchlaufen die einzelnen Arbeitskammern nachfolgende Positionen:

1. eine Ansaugphase, welche beginnt, wenn die voreilende Scheiteldichtung einer Kammer den Einlaßanschluß E (Fig. 3) überläuft,

2. eine Kompressionsphase, welche beginnt, wenn die nacheilende Scheiteldichtung dieser Kammer den Einlaßanschluß E überquert hat und dann endet, wenn die Kolbenflanke dieser Kammer im oberen Totpunkt C liegt,

3. eine Arbeitsphase, die durch die Zündung des in dieser Kammer komprimierten Brennstoff-Luft-Gemisches eingeleitet wird, und

4. eine Auslaßphase, welche beginnt, wenn die voreilende Scheiteldichtung dieser Kammer den Auslaß AU freimacht.

Bei einer Volumenänderurig in den Arbeitskammern ändert sich die Gasdruck-Differenz an gegenüberliegenden Seiten der Scheiteldichtungen. Diese Druckdifferenz ist am größten, wenn in der Kammer der maximale Verbrennungsdiuck erreicht wird. Dieser Maximaldruck entsteht, wenn die nacheilende Scheiteldichtung einen Punkt durchläuft, der etwa 60° hinter der großen Gehäusemaillei-Achse A-B im kalten Bogen liegt. Dieser Punkt ist in Fig. 3 bis 5 mit den Bezugszeichen MF gekennzeichnet. Auf Grund dieses erheblichen DiifcienzcYiickes ist die Andrückkraft zwischen der betreffenden Scheiteldichtung und der Gehäusewand extrem groß.

Die Größe der Andrückkraft zwischen der Scheiteldichtung und dem Gehäusemantel 15 ist im Diagramm der Fig. 6 als Kurve aufgetragen. Dieses Diagramm betrifft eine bekannte Kreiskolbenmaschine, bei der das Profil des Gehäusemantels eine Äquidistante zur Epitrochoide ist, welch erstere um den Kuppenradius der Scheiteldichtung größer als die

ίο Epitrochoide ist. Es ist erkennbar, daß die Andrückkraft P_A ihr Maximum an der Stelle des Gehäusemantelprofils hat, die etwa U = OO^ hinter dem Schnittpunkt des Gehäusemantelprofils mit der großen Achse A- B der Epitrochoide liegt. Hier steigt die Andruckkraft bis auf 314 N an. Es sei noch erwähnt, daß bei der errechneten Kurve der Fig. 6 von einer Kreiskolbenmaschine ausgegangen wurde, die mit 3600 U/min bei maximaler Belastung umläuft und ein Volumen von 160 cm' verdrängt.

Das Diagramm der Fig. 6 zeigt ferner, daß an einer Stelle etwa 88° hinter der 314 N-Spitze ein zweites hohes Andrückkraftmaximum liegt. Dieses Maximum erreicht jedoch nur einen Wert von etwas unterhalb von 216 N. Das Hervorstechende am Diagramm der Fig. 6 ist die ganz besonders große Schwankung der Andrückkraft.

Das Diagramm der Fig. 7 zeigt die errechnete Andrückkraft P₄ zwischen Dichtung und Gehäusemantel unter den gleichen Bedingungen wie in der Fig. 6.

nur daß hier berücksichtigt worden ist, daß die F.pitrochoide durch Wärme- und Druckeinfluß verformt wird. Es wird davon ausgegangen, daß diese Kurve repräsentativer ist und der Praxis wesentlich nähe; kommt als die Kurve der Fig. 6. Man ersieht, daß der Scheitelwert der Andrückkraft einen Wert von 569N erreicht hat. Die Steigerung der Andrückkraft ist vor allem bedingt durch die unter einer großen Druckdifferenz erfolgende Eimvärtsbewegung der Scheiteldichtung in den Rotorschlitz hinein.

Die außergewöhnlich hohe Andrückkraft. die durch die erste Spitze in der Kurve der Fig. 7 dargestellt wird, und der besonders steile Anstieg auf diesen Wert macht verständlich, warum der Gehäusemantel 15 am stärksten in dem Bereich angefressen wird. Es kann daher kein Zweifel darüber bestehen, daß der hohe Scheitelwert der Andrückkraft zwischen Dichtung und Gehäuse in diesem Bereich in starkem Maße für das Fressen und den Verschleiß an der Oberfläche des Gehäuses verantwortlich ist.

Nachdem jetzt einmal die Ursache des zerstörenden Verschleißes bekannt war. lag es nahe, den Vet schleiß zu bekämpfen durch eine Verminderung der Andrückkraft. Diese jetzt präzisierte Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man das Epitrochoidenprofil des Gehäusemantels so modifiziert, daß die Scheiteldichtungen sich nach außen bewegen müssen, wenn sie Abschnitte ihrer Umlaufbahn durchlaufen, an denen die Andrückkraft am größten ist. Durch diesen nach außen gerichteten Hub wird den bereits an den Dichtungen angreifenden Kräften eine Entlastungskraft zugeführt auf Grund der Reibung zwischen den sich berührenden Seitenflächen von Scheitekiichtungen und zugehörigen Schlitzen. Der Bremseffekt dieser Reibung modifiziert die nach außen gerichteten an den Dichtungen angreifenden Kräfte und führt zu einci merkliehen Verminderung der letztlich erzielten Andrückkraft.

Fig. 1 erläutert schematisch, wie die Seitenieibung

K_s /wischen den Scheiteldichtungen und ihren Schlitzen der Druckkraft l'_h unter den Dichtungen entgegenwirken und somit die Andrückkraft I'_A vermindern kann. Die Auswärtsbewegimg ist mit R bezeichnet. Fig. 2 erläutert, wie die Seitenreibung /?_s die Andrückkraft P_A vergrößert, wenn sich die Scheiteldichtungen einwärts bewegen. Der Scitendruck ist in beiden Figuren mit /^J _s bezeichnet.

Das erfindungsgemäß modifizierte Profil der Fig. 3 bewirkt, daß die Dichtungen sieh in einem bestimmten Bereich nach außen bewegen. Diese Bewegung beginnt im kalten Bogen an dem Punkt, an dem die Hauptachse der Epitrochoide E das Profil schneidet, und erfolgt auch noch über einen Punkt hinweg, an dem die Gasdruckdifferenz in den Kammern beidsei tig einer .Scheiteldichtung am größten ist. Hinter diesem Profilabschnitt mündet das Profil ME der Gehäusemantel-Innenfläche stetig wieder in die Äquidistante zur Epitrochoide E ein.

Fig. 4 zeigt eine weitere Modifikation ME des Gehäusemantels, bei der die Scheiteldichtungen einen zweiten Auswärtshub ausführen müssen. Dieser zweite Auswärtshub findet im rechten Epitrochoidenblatt statt und berücksichtigt somit den zweiten etwas geringeren Scheitelwert der Andrückkraft. den die Kurve der Fig. 7 zeigt.

Die Verminderung der Andriiukkratt durch die Auswärtsbewegung der Scheitt'dichtungen beim Durchlaufen eines Gehäuseprofilabschnittes mit größter Druckdifferenz in den benachbarten Kammern erkennt man durch einen Vergleich der Kurven der Fig. 7 und 8. Die Kenndaten der Maschinen, die man zur Herstellung der Diagramme verwendete, waren gleich. Der einzige Unterschied lag darin, daß bei der Kurve der Fig. 8 das Profil der Gehäusemantel-Innenfläche gegenüber der Äquidistanten zur Epitrochoide zu der Form gemäß Fig. 6 modifiziert war. Ein Vergleich der beiden Kurven zeigt, daß die Andrückkraft in den zwei Maschinen gleicher Größe bei gleichen Betriebsbedingungen erheblich geringer ist. wenn man das Profil des Gehäusemantels so modifiziert, daß ein Auswärtshub der Dichtunger· erfolgt, wenn die Druckdifferenz in den benachbarten Kammern am größten ist. Es ist zu beachten, daß der Scheitelwert der Andrückkraft in Fig. 8 weniger als die Hälfte von dem der Fig. 6 beträgt und weniger als ein Viertel des im Diagramm der Fig. 7 erkennbaren Scheitelwertes.

Zur Erprobung der Erfindung wurden Versuchsreihen gefahren und Maschinen mit unbeschieliteten Aluminiumgehäusen verwendet, die einerseits echte Epitrochoidenprofile und andererseits modifizierte Epitrochoidenprofile gemäß Fig. 3 und 4 hatten. Die Gehäuse mit echtem Epitrochoidenprofil versagten auf < iiuiui übermäßiger Freßcrscheinungeii in den nuiMiiial belasteten Bereichen in weniger als 9 Stunden. Demgegenüber zeigten Gehäuse mit modifizieruni Epiimchoidprofil bis /u 30 Stunden keinerlei Fi'cßerscheinungen.

Die Verwendung einer ähnlich vergrößerten und gegenüber der Exzenterwelle verschobenen Äquidistanten zur Epitrochoide für das Gehäuse (Fig. 5) führt ebi iifalls zu einer nach außen gerichteten Hubbewegung der Dichtungen und bringt im wesentlichen die gleiche Verminderung der Andrückkraft. Dies Ergebnis isl aus den Kurven der Hg. 7 und 9 abzulesen, von denen die Fig. 9 die Andrückkraftkurve einer Maschine mit vcigrößertem verschobenen Gehäuse-

'5 profil nach Fig. 5 wiedergibt.

Die ähnlich viiuiößerle Äquidislantc zur l-'.pilmchoidc kann man dadurch erhalten, daß man zu einer Äquidistanten, wie sie die Kolbenschcitel definieren, eine parallele Gehäusekurve konstruiert, bei einem Abstand, der größer ist als der Scheitcldichtungskuppenradius. Der Mittelpunkt der vergrößerten Äquidistanten läßt sich dann so verschieben, daß die letztere an dem Punkt, an dem der Auswärtshub der Scheiteldichtung zu beginnen hat, tangential zu einer parallelen Äquidistanten verläuft. Diese Konstruktion hat den Vorteil, daß man sie mit konventionellen Epitrochoiden erzeugenden Werkzeugmaschinen herstellen kann.

Uni zu erläutern, eine wie kleine Abweichung I) der Äquidistanten zur Epitrochoide ausreichend ist, um eine Verminderung der Andrückkraft von 569 N auf weniger als 147 N zu erreichen, wurde die errechnete Kurve derFig. lObeigefügt. Diese Kurve spricht für sich selbst, doch sollte noch darauf hingewiesen werden, daß auch diese Kurve genau wie bei der Pro-1 !!modifizierung gemäß Fig. 4 zu einer zweifachen Auswärtsbewegung der Dichtung führt.

Da. wie Fig. 2 zeigt, der nach innen gerichtete Hub K der Scheiteldichtungen die Andrückkraft vergrößen, kann man im Bereich von Profilabschnitten, an denen die äußeren, an den Dichtungen angreifenden Kräfte nicht ausreichend sind, durch Verändern des inneren Gehäusemantelprofils im Sinne der Erzeugung eines Einwärtshubes die gewünschte Abdichtung zwischen den Dichtungen und der Gehäusewand en eichen; hierin liegt ein weiterer Vorteil.

Immer wenn die Andrückkraft zwischen Scheiteldichtung und Gehäusemantel vermindert ist, vermindert sich der Verschleiß nicht nur am Gehäusemantel, sondern auch an der Schciicldichtung. Hieraus ergibt sich als Nutzen der Erfindung auch die mögliche Verwendung von preiswerterem Material für die Scheiteldichtungen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gehäusemantel einer Kreiskolbenmaschine mit Schlupfeingriff zwischen einem dreieckigen, an seinen Ecken Dichtleisten aufweisenden Kolben und dem Gehäusemantel mit einer in bestimmten Bereichen von der Äquidistanten zur Epitrochoide radial nach außen abweichenden Kontur, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung der Kontur des Gehäusemantels (15) an der großen Achse (A-B) im kalten Bogen (0°) beginnt und stetig bis zu einem Maximum zunimmt, das zwischen dem Bereich des maximalen Differenzdruckes (MF) benachbarter Arbeitskammern im kalten Bogen und der benachbarten kurzen Achse ( C- D) liegt, und anschließend stetig abnimmt (Fig. 3).

2. Gehäusemantel einer Kreiskolbenmaschine mit Schlupfeingriff zwischen einem dreieckigen, an seinen Ecken Dichtfeisten aufweisenden Kolben und dem Gehäusemantel mit einer in bestimmten Bereichen von der Äquidistanten zur Epitrochoide radial nach außen abweichenden Kontur, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung der Kontur des Gehäusemantels (15) an der großen Achse (A-B) im kalten Bogen (0°) beginnt und über etwa 150° stetig zunimmt und anschließend bis zur großen Achse (A-B) im kalten Bogen (0°) abnimmt (Fig. 4).

3. Gehäusemantel einer Kreiskolbenmaschine mit Schlupfeingriff zwischen einem dreieckigen, an seinen Ecken Dichtleisten aufweisenden Kolben und dem Gehäusemantel mit einer in bestimmten Bereichen von der Äquidistanten zur Epitrochoide radial nach außen abweichenden Kontur, dadurch gekennzeichnet, daß das abweichende Profil eine ähnlich vergrößerte Äquidistante zur Epitrochoide ist, wobei sich die großen Achsen (A-B) decken und sie den achsfernen Punkt (0°) im kalten Bogen gemeinsam (Fig. 5).