DE2601374A1

DE2601374A1 - Scheiteldichtung fuer drehkolbenmaschinen

Info

Publication number: DE2601374A1
Application number: DE19762601374
Authority: DE
Inventors: Alexander Goloff; Chris Robert Straesser
Original assignee: Caterpillar Tractor Co
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1975-01-17
Filing date: 1976-01-15
Publication date: 1976-07-22
Also published as: US4100664A; GB1453181A; JPS5196914A

Description

CATERPILLARTRACTORCO., Peoria, Illinois 61629, U.S.A.

Scheiteldichtung für Drehkolbenmaschinen

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Drehkolbenmaschinen und insbesondere auf eine Scheiteldichtung für solche Maschinen, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Scheiteldichtung.

Hinsichtlich des Standes der Technik sei auf die US-Patente 3 113 526, 3 197 125, 3 300 124, 3 658 451, 3 672 798, 3 785 745 und 3. 830 601 sowie auf die DT-AS 1 159 224 verwiesen.

Obwohl die Arbeitsweise und der Grundaufbau von Drehkolbenmaschinen, wie beispielsweise den sogenannten Wankelmaschinen, seit vielen Jahren bekannt sind, haben sich diese jedoch nicht in einem beträchtlichen Ausmaß in der Praxis durchgesetzt, und zwar hauptsächlich wegen der Schwierigkeiten bei der Lösung von Dichtungsproblemen. Es besteht daher ein dringendes Bedürfnis, zuverlässigere Dichtungen, wie beispielsweise Scheiteldichtungen, für Drehkolbenmaschinen vorzusehen. Eine besondere Schwierigkeit bei Scheiteldichtungen beruht auf deren Ten-

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denz, sich bei Belastung konkav (vom Rotor radial nach außen gesehen) zu verbiegen. Infolgedessen bilden sich an den Kanten der Dichtung Leckräume. Es wurden bereits verschiedene Vorschläge gemacht, diese Schwierigkeit zu beseitigen; beispielsweise schlägt US-Patent 3 113 526 die Verwendung von Seite an Seite angeordneten Abdichtelementen vor, die mit Nuten versehen sind. Eine solche Konstruktion neigt jedoch zum Anhaften, was einen Dichtungsausfall zur Folge hat und/oder die Verbiegung zum Abschließen von Lecköffnungen um die Dichtungen herum unmöglich macht.

Ganz allgemein sieht die vorliegende Erfindung eine Dichtung vor, welche die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist, und wobei die Biegetendenz der Dichtung bei Belastung minimiert wird. Die Erfindung bezweckt ferner, eine Dichtung vorzusehen, deren radial außen gelegene Kante bezüglich des Rotors aus einem Material mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht, während die entgegengesetzt liegende Kante, die typischerweise in einer Rotornut aufgenommen ist, aus einem Material mit einem zweiten, und zwar höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht. Wenn sich daher die Dichtung beim Erreichen der normalen Motorbetriebsbedingungen erhitzt, dehnt sich die untere Kante der Dichtung mit einer Rate oder Geschwindigkeit aus, die größer ist als die Ausdehnungsrate oder Ausdehnungsgeschwindigkeit der oberen Kante, so daß die Ausdehnung an jeder Kante die gleiche ist, um so die Biegetendenz zu kompensieren. Infolgedessen bleibt die Dichtung bei normalen Betriebstemperaturen geradlinig.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Dichtung aus verschiedenen derart zusammengesinterten Materialien bestehen, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient einen Gradienten aufweist, der über die Dichtung von der einen Kante zur anderen Kante verläuft.

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Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine etwas schematische übertriebene Ansicht einer Dichtung gemäß dem Stand der Technik bei normalen Betriebstemperaturen;

Fig. 2 eine schematische geschnittene Teilansicht einer Drehkolbenmaschine mit einem weiteren Ausführungsbeispiel einer Dichtung;

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Dichtung.

Bevor die Erfindung im einzelnen beschrieben wird, sei zunächst unter Bezugnahme auf Fig. 1 eine bekannte Dichtung beschrieben. Dabei ist in Fig. 1 von einer Drehkolbenmaschine ein Gehäuse mit einer Endwand 12 gezeigt, die in der Form einer Trochoide oder irgendeiner anderen Form ausgebildet sein kann, wie sie üblicherweise für Drehkolbenmaschinen verwendet wird; ferner sind zwei Seitenwände 14 des Gehäuses zu sehen. Ein nicht gezeigter Rotor trägt eine Dichtung 16, die für eine Dichtungsberührung mit der Wand 12 vorgesehen ist. Im normalen Betrieb erhitzt sich jedoch die Dichtung 16 bis zu den normalen Betriebstemperaturen hin und hat dabei das Bestreben, eine konvex gebogene Form anzunehmen, wie dies in übertriebener Weise in Fig. 1 dargestellt ist. Infolgedessen bilden sich an entgegengesetzten Enden der Dichtung 16 Leckräume 18, die den Wirkungsgrad der Maschine verringern. Die Ursachen für eine derartige Deformation sind bekannt.

Fig. 2 zeigt eine Drehkolbenmaschine mit einem Gehäuse 20, welche eine der Innenwand 12 entsprechende Innenwand 22 besitzt.

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Ein Rotor 24 ist innerhalb des Gehäuses angeordnet und in üblicher Weise mit einer Welle verbunden. Der Rotor 24 besitzt eine Vielzahl von Scheiteln 26 (von denen nur einer dargestellt ist), wobei jeder Scheitel 26 mit einer eine Dichtung aufnehmenden Nut 28 ausgestattet ist. In der Nut 28 sitzt eine Vorspannfeder 30, um eine Dichtung 32 nach außen in Abdichtungsberührung mit der Wand 22 vorzuspannen.

Erfindungsgemäß steht die Dichtung 32 mit ihrer Kante 34 in Dichtungsberührung mit der Wand 22 und ist aus einem Material mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgebildet. Die entgegengesetzt liegende Kante 36 besteht aus einem unterschiedlichen Material, welches einen zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, der größer ist als der erste thermische Ausdehnungskoeffizient.

Bekanntermaßen liegt die Kante 34 normalerweise auf einer höheren Betriebstemperatur als die Kante 36, und zwar deshalb, weil die Kante 36 etwas durch den Rotor 24 gekühlt wird und nicht direkt den heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt ist. Wegen ihres höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist jedoch die Ausdehnung der Kante trotz ihrer geringeren Temperatur gleich der Ausdehnung der Kante 34, so daß die Dichtung 32 eben verbleibt und in gutem Abdichteingriff mit der Wand 22 sich stets befindet.

Die speziellen verwendeten thermischen Ausdehnungskoeffizienten ändern sich natürlich abhängig von der beabsichtigten normalen Betriebstemperatur des Motors, der Betriebstemperatur also, der die Dichtung 32 ausgesetzt ist. Alternativ kann die Dichtungsgeometrie bei Betriebstemperatur dadurch gesteuert werden, daß man in geeigneter Weise die Anordnung und die Mengen der verwendeten Materialien steuert.

In Fig. 2 wird die Kante 34 durch ein erstes Glied definiert,

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während die Kante 36 durch ein zweites Glied definiert ist, wobei die beiden Glieder miteinander bei 38 durch geeignete Mittel verbunden sind. Beispielsweise kann die Kante 34 aus einem Eisenglied bestehen, welches auf die Kante 36 hartgelötet, silbergelötet oder reibungsgeschweißt ist, und wobei die Kante 36 aus hohe Ausdehnungsgrade aufweisendem Ni-Resist-Eisen oder austenitischem rostfreien Stahl besteht. Vorzugsweise ist das die Kante 34 bildende Glied aus Eisenhartguß hergestellt.

Alternativ kann die Kante 34 aus härtbarem an rostfreiem Stahl befestigten Eisen bestehen.

Fig. 3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer allgemein mit 32' bezeichneten erfindungsgemäßen Dichtung. Die mit der Wand in Eingriff stehende Kante ist mit 34" bezeichnet, während die innerhalb der Rotornut angeordnete Kante mit 36' bezeichnet ist. Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 wird ein entweder konstanter oder variabler Gradient des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von der Kante 34' zur Kante 36' erzeugt, und zwar durch Änderung der Zusammensetzung der Dichtung von der einen Kante zur anderen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Dichtung vorzugsweise aus gesinterten Materialien ausgebildet. Dabei schlägt die Erfindung vor, daß Keramikstoffe verwendet werden, um hauptsächlich die Kante 34' zu bilden, während Metallkomponenten die Kante 36' definieren. Die Keramikstoffe und die Metallkomponenten sind miteinander vermischt, aber in sich ändernden Proportionen von einer Kante zur anderen. Demgemäß würde die Kante 34' hauptsächlich aus Keramik mit sehr wenig Metall bestehen, während die Kante 36" die entgegengesetzte Zusammensetzung aufwiese. Zwischen den Kanten würden sich die Proportionen oder Anteile ändern.

Eine Dichtung der in Fig. 3 gezeigten Art kann dadurch ausgebildet werden, daß man die Formen der Zentrifugalkraft unterwirft

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(Schleuderguß), wobei sich das Material in der Form kleiner Teilchen befindet, die Strömungseigenschaften ähnlich von Flüssigkeiten aufweisen. Wenn das Keramikmaterial dichter ist als das verwendete Metall, so würde die Form von solcher Art sein, daß die Kante 34 an einer radial außen gelegenen Stelle in der Form gebildet wird. Wenn die Dichten umgekehrt würden, so würde natürlich die Form entgegengesetzt geformt sein, wie dies gerade erwähnt wurde.

Die verwendete Form hat einen Querschnitt, der annähernd demjenigen der Dichtung 32' gleicht, sowie eine Länge, die etwas größer ist als die gewünschte Länge der fertigen Dichtung. Im allgemeinen werden die Abmessungen der Form etwas größer sein als diejenigen der fertigen in die Maschine einbaubereiten Dichtung, so daß eine gewisse Bearbeitung für die Fertigstellung der Dichtung vorgesehen sein kann.

Eine oder mehrere derartige Formen werden in geeigneter Weise auf einer Zentrifuge angeordnet, die dann angetrieben wird. Wenn die Formen auf der Zentrifuge in Drehungen versetzt werden, so werden die Teilchen eingeführt.

Nach Vollendung der Teilcheneinführung kann die Zentrifuge abgeschaltet und die Form entfernt werden. Sodann wird das Material in der Form kompakt gemacht und gesintert. Nach dem Sintern kann die Dichtung auf ihre gewünschte Form fertig bearbeitet werden.

Ein alternatives Verfahren zur Ausbildung der Dichtung 32 besteht darin, daß diese aus verschiedenen Schichten aufgebaut wird, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient einer jeden Schicht unterschiedlich ist. Jede Schicht wird gesondert in eine Form der oben beschriebenen Art eingeführt und nach dem Einführen einer jeden Schicht wird ein Streifen aus Papier mit niedrigem Aschengehalt in die Form eingegeben. Sodann wird die nächste Schicht eingeführt, worauf dann ein weiterer Streifen aus Papier mit

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niedrigem Aschengehalt folgt. Der Vorgang wird solange wiederholt, bis die gewünschte Anzahl von Schichten in die Form eingebracht ist.

Zu diesem Zeitpunkt wird dann das Material in der Form kompakt gemacht,gesintert und zur Bildung der Dichtung fertig bearbeitet. Es sei darauf hingewiesen, daß während des Sinterverfahrens die Papierstreifen ausgebrannt werden. Wegen des geringen Aschengehalts des Papiers reicht die vom Papier nach dem Sinterverfahren übrigbleibende Asche nicht aus, um die Integrität und Wirkungsweise der Dichtung zu stören.

Die gemäß der Erfindung ausgebildete Dichtung vermeidet das eingangs erwähnte Biegeproblem und demzufolge auch Leckstellen bei Drehkolbenmaschinen.

Es sei noch besonders darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße Dichtung bei Betriebstemperatur geradlinig verläuft, dagegen in kaltem Zustand in einem gewissen Umfang bogenförmig ist. Zwar tritt dann in kaltem Zustand ein kleines Leck auf, aber im heissen Zustand erfolgt volle Dichtung. Dies liegt an dem geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten an der äusseren oder reibenden Kante der Scheiteldichtung, da diese Kante im Betrieb heisserwird als die innerhalb des Rotors liegende Kante der Dichtung. U.S. Patent 3 830 601 sieht eine Dichtung vor, die voraussetzt, daß die gleiche Temperatur an der oberen und unteren Kante herrscht. Dagegen sieht DT-AS 1 159 124 ebenfalls eine, thermisch nicht symmetrische Dichtung vor, wobei an der Verbindungsstelle der unterschiedlichen Materialien thermische Beanspruchungen auftreten können.

Bei den erfindungsgemäß durch Pulvermetallurgie hergestellten Dichtungen ändert sich die Zusammensetzung graduell und die infolge Ausdehnung auftretenden Beanspruchungen sind klein. Bei dem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren unter Verwendung von Trennelementen aus Papier mit niedrigem Aschegehalt ist die Verwendung von mehr als 2 Materialien kein Problem. Das Beanspruchungsmuster ist somit noch immer verhältnismäßig

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sicher, obwohl es nicht so günstig verläuft, wie bei einer gemäß dem ersten Verfahren hergestellten Dichtung. Wenn man eine unbegrenzte Anzahl von Papierlagen verwendet, so wurden die beiden erfindungsgemäßen Verfahren theoretisch äquivalente Produkte liefern.

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Claims

Patentansprüche :

1.. Verfahren zur Ausbildung einer Dichtung für Drehkolbenmaschinen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten an entgegengesetzt liegenden Kanten, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Vorsehen einer Form mit einer annähernd der gewünschten Gestalt der auszubildenden Dichtung entsprechenden Gestalt; b) Einführen der teilchenförmigen,sinterbaren Materialien mit mindestens zwei unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten in die Form; c) Schleudern der Form; d) Verdichten der Materialien in der Form; e) Sintern der Materialien; und f) Bearbeitung der sich ergebenden Dichtungen auf eine gewünschte Endgestalt.

2. Verfahren zur Ausbildung einer Dichtung für Drehkolbenmaschinen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten an entgegengesetzt liegenden Kanten, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Vorsehen einer Form mit einer annähernd der gewünschten Gestalt der auszubildenden Dichtung entsprechenden Gestalt; b) Einführen einer Schicht aus sinterbarem Material in die Form mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten; c) darauffolgendes Einführen in die Form von' einem Streifen aus Papier mit niedrigem Aschengehalt; d) Wiederholung der Schritte b) und c) der Reihe nach, unter Verwendung von Materialien, deren jedes unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzt, und zwar solange, bis die gewünschte Anzahl von Schichten vorhanden ist, und wobei jede dieser Schichten durch einen Streifen aus Papier mit niedrigem Aschengehalt in der Form getrennt ist; e) Verdichten der Materialien in der Form; f) Sintern der Materialien; und g) darauffolgende Fertigbearbeitung der Dichtung auf die gewünschte endgültige Form.

3. Dichtung mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten an entgegengesetzt liegenden Kanten (wobei die

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Dichtung zur Verwendung in Drehkolbenmaschinen geeignet ist), dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung aus gesinterten Materialien ausgebildet ist, und daß Keramikstoffe verwendet werden, um hauptsächlich die Kante (32') zu bilden, während Metallkomponenten die Kante (36') bilden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material in der Form von kleinen Teilchen vorliegt, die die Tendenz besitzen, Strömungseigenschaften ähnlich denjenigen von Flüssigkeiten aufzuweisen.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dort, wo der Keramikstoff dichter ist als das verwendete Metall die Form von solcher Art ist, daß sie die Kante (34') an einer radial außen gelegenen Stelle bildet, während dann, wenn die Dichten umgekehrt sind, die Form gerade entgegengesetzt zu der eben erwähnten ausgebildet wäre.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen in die Formen eingeführt werden, wenn diese auf der Zentrifuge in Drehungen versetzt sind.

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