DE2746693A1

DE2746693A1 - Kolbenpaar fuer rotationskolbenpumpen

Info

Publication number: DE2746693A1
Application number: DE19772746693
Authority: DE
Inventors: Sven Evald Eriksson
Original assignee: Atlas Copco AB
Current assignee: Atlas Copco AB
Priority date: 1976-10-19
Filing date: 1977-10-18
Publication date: 1978-04-20
Also published as: CA1086277A; FR2368622B1; JPS5354304A; DE2746693C2; US4227869A; SE7611579L; IT1090189B; GB1547116A; SE414814B; BE859693A; FR2368622A1

Description

Andrejewski, Honice, Gesthuysen & Masch Patentanwälte

3 Diplom-Physiker

Dr. Walter Andrejewski Diplom-Ingenieur Dr.-Ing. Manfred Honice Diplom-Ingenieur Hans Dieter Gesthuysen

Diplom-Physiker Dr. KaH Gerhard Masch Anwaltsaid·: 43 Esmh 1 ,Ttwvtefplati 3, Fottf. 789

50 829/Ti-th 17. Oktober 1977

Patentanmeldung

Atlas Copco Aktiebolag

Nacka, Schweden

Kolbenpaar für Rotationskolbenpumpen.

Die Erfindung betrifft ein Kolbenpaar für Rotationskolbenpumpen mit zwei um parallele Achsen verdrehbaren und dabei miteinander in Eingriff stehenden Kolben, deren jeder wenigstens zwei parallel zur Drehachse verlaufende Zähne mit einer Flanke aufweist, in welcher ein Abschnitt die Form einer mit einem entsprechenden Abschnitt an einer Zahnflanke des anderen Kolbens zusammenwirkenden Evolvente besitzt.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einem derartigen Kolbenpaar eine derartige Form zu geben, daß ein hoher Wirkungsgrad bei recht hohen Drehzahlen erzielbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung im wesentlichen vor, daß die Zahnflanke im Anschluß an den Evolventenabschnitt einerseits einen zum Grund einer anstoßenden Zahnlücke verlaufenden, im wesentlichen kreisbogenförmigen Abschnitt sowie andererseits einen zur Zahnspitze verlaufenden Abschnitt mit einem unmittelbar an den Evolventenabsehnitt anschließenden, im wesentlichen ebenen Teilstück aufweist und daß der Evolventenabschnitt eine derartige Ausdehnung besitzt, daß ein Zusammenwirken mit dem anderen Kolben bis zu den Zeitpunkt erzielbar ist, in welchem die andere Zahnflanke mit dem anderen Kolben zusammenwirkt.

Durch diese ebene Ausbildung des vom Evolventenabschnitt zur Zahnspitze verlaufenden Flankenabschnittes wird erreicht, daß die Zahnflanke den Grund einer Zahnlücke im anderen Kolben mit einem Spiel durchläuft, welches wesentlich größer ist als das Spiel zwischen den Evolventenabschnitten.

Da die gegenseitige Abdichtung zwischen den beiden Kolben nur längs eines Teiles der Flankenhöhe bzw. der Zahnhöhe erfolgt, erreicht man, daß das Drehmoment, welches durch die Gaskräfte auf jeden Kolben ausgeübt wird, vergleichsweise wenig schwankt. Dabei hat dieses Drehmoment stets die gleiche Richtung. Dadurch ergibt sich ein gleichmäßiger Lauf der Maschine. Da die Zähne außerhalb der Evolventenabschnitte derart geformt sind, daß sie

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die Zahnlücken im anderen Kolben mit beträchtlichem Spiel durchlaufen, wird eine Über-Kompression zwischen den Kolben verhindert, ohne daß zwischen Auslaß und Einlaß der Maschine ein Gaseinschluß entsteht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß nur ein Teil einer jeden Zahnflanke sehr genau bearbeitet werden muß. Da die Abdichtung zwischen beiden Kolben und zwischen jedem Kolben und dem Maschinengehäuse durch verschiedene Teile der Zahnflanke erfolgt, können diese Teile unabhängig voneinander zwecks optimaler Punktion ausgebildet werden. Abdichtung bedeutet in diesem Zusammenhang, daß das Spiel zwischen zusammenwirkenden Teilen gering ist. Das Spiel zwischen den Evolventenahschnitten der Kolben beträgt beispielsweise 0,j5 mm, wenn der Kolbenradius etwa 100 mm beträgt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten bevorzugten AusfUhrungsbeispiels im einzelnen erläutert; es zeigt

Fig.l einen Schnitt durch eine Rotationskolbenpumpe; und

Fig.2 bis 5 Teilschnitte durch die Kolben bei verschiedenen Winkelstellungen derselben.

Die in Fig.l dargestellte Rotationskolbenpumpe besitzt ein Maschinengehäuse 1, in welchem zwei um parallele Drehachsen 12 bzw. 13 verdrehbare Kolben 4 und 5 gelagert sind. Wenn diese Kolben sich in der durch die Pfeile in Fig.l dargestellten Richtung drehen, wird Gas vom Einlaß 2 zum Auslaß j> geführt. Diese

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Kolben werden durch einen nicht dargestellten Antriebsmotor direkt oder über ein Getriebe in an sich durchaus bekannter Weise in Drehung versetzt. Die Maschine besitzt außerdem ein nicht dargestellte Synchronisiergetriebe, um die Drehzahlen beider Kolben zu synchronisieren.

Jeder dieser beiden Kolben 4 und 5 besitzt drei Zähne 6, welche parallel zu den Drehachsen 12 bzw. 13 verlaufen. Zwischen den Zähnen weisen die Rotore Längsnuten oder Zahnlücken auf, in denen die Zähne des Gegenkolbens kämmen können. Da jeder Zahn in Bezug auf eine Radiallinie 10 durch die Spitze des Zahnes symmetrisch ausgebildet ist, braucht lediglich eine Zahnflanke im einzelnen beschrieben zu werden.

Die Planke des Zahnes wurde in Bezug auf ein theoretisches Profil 14 ausgebildet. Wenn beide Kolben dieses theoretische Profil aufweisen würden, würden sie ohne Spiel zusammenwirken. Die Kurve 14 besitzt ein kreisbogenförmiges Teil mit dem Punkt 20 als Mittelpunkt auf dem Teilkreis 8, welches von der Radiallinie 11 durch den Grund 19 der Zahnlücke und den Punkt 20 zum Fußkreis 7 verläuft. Die Kurve 14 weist außerdem einen Evolventenabschnitt auf, welcher vom Fußkreis 7 zum Kopfkreis 9 verläuft. Außerhalb dieses Kopfkreises 9 besitzt die Kurve 14 einen kreisbogenförmigen Abschnitt mit dem Punkt 22 als Mittelpunkt, bei dem es sich um den Schnittpunkt zwischen dem Teilkreis 8 und der Radiallinie 10 durch die Spitze 21 des Zahnes 6 handelt. Diese beiden Radiallinien 23 und 24 sind gestrichelt in der Figur angegeben, um den kreisbogenförmigen Charakter der Kreisbogenabschnitte zu markieren.

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Um ein derartiges Spiel zwischen den beiden Kolben 4 und 5 zu erhalten, wie es erforderlich ist, um eine einwandfreie Funktion während des Betriebes zu gewährleisten, d.h. wenn die Temperatur schwankt, wurde die Flanke des Zahnes gegenüber der theoretischen Kurve 14 in der in Fig.l dargestellten Weise abgewandelt. Die dadurch entstandene Kurve 15, 16, 17 und 18 hat einen im wesentlichen kreisbogenförmigen Abschnitt 15, welcher vom Punkt 19 zum Fußkreis 7 verlauft. Zwischen dem Fußkreis 7 und dem Kopfkreis 9 weist die Flanke einen Evolventenabschnitt 16 auf. Außerhalb des Kopfkreises 9 weist die Flanke des Zahnes ein im wesentlichen ebenes oder geradliniges Teilstück I7 und ein gekrümmtes Teilstück 18 auf. Der Abstand zwischen der Flanke 15, 16, 17, 18 und der theoretischen Kurve 14 wurde lediglich aus Gründen der besseren Erläuterung in Fig.l übergroß dargestellt. Der Abstand zwischen diesen Kurven ändert sich praktisch vom Punkt 19 zum Kopfkreis 9 nicht. Außerhalb des Kopfkreises 9 nimmt der Abstand allerdings beträchtlich zu. Der Abstand ist an der Spitze 21 des Zahnes etwa acht bis neun mal so groß wie am Evolventenabschnitt 16. Infolgedessen kann der Abschnitt außerhalb des Kopfkreises 9 eine Hohlkehle oder eine Zahnlücke im anderen Kolben mit einem Spiel durchlaufen, welches wesentlich größer ist, als das Spiel zwischen den zusammenwirkenden Evolventenabschnitten. Infolgedessen läßt sich die Kopffläche des Zahnes vollkommen im Hinblick auf ihr Zusammenwirken mit der Wandung des Pumpengehäuses 1 ausbilden.

Die Figuren 2 bis 5 zeigen im Detail, wie ein Zahn 6 eine Zahnlücke im anderen Kolben durchläuft. In all¹ diesen Figuren wirken die Evolventenabschnitte im Unterteil der jeweiligen Figur

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abdichtend zusammen. Bei der in Figur 2 dargestellten Winkellage der Kolben tritt ein Zahn 6 gerade in eine Zahnlücke des Gegenkolbens 5 ein. Infolgedessen kann Gas ohne weiteres oder ungehindert aus der Kammer 25 austreten. In Fig.5 ist der Zahn bereits tiefer in die Zahnlücke eingedrungen. Da der Zahn 6 ein im wesentlichen geradliniges oder ebenes Teilstück 17 aufweist, ist der Spalt 22 zwischen den Kolben in dieser Lage ebenso wie in der in Fig.4 dargestellten Lage so weit, daß Gas ungehindert aus der Kammer 25 austreten kann, selbst wenn beide Kolben sich mit vergleichsweise hoher Drehzahl drehen. Dieses Teilstück 17 der Zahnflanke braucht allerdings nicht unbedingt genau eben zu sein, sondern kann auch etwas gekrümmt ausgebildet werden. Der Ausdruck "im wesentlichen ebene" oder "im wesentlichen geradlinig", der in Bezug auf dieses Teilstück 17 hier verwendet wird, bedeutet, daß dieses Teilstück 17 von der Geraden, wie sie in den Figuren dargestellt ist, um einen Maximalwert von 1,5 % des Kolbendurchmessers abweichen kann. Eine Maschine mit einer Abweichung von 1,15 % wurde mit guten Resultaten getestet. Allerdings darf angenommen werden, daß die optimale Abweichung sich entsprechend der Abmessung der Maschine etwas ändert. Der Abstand zwischen der Geraden 17 in Fig.l und der theoretischen Kurve 14 beträgt etwa 2,4 % des Kolbendurchmessers. Was bei der Konstruktion oder beim Entwurf des Teilstückes 17 in Betracht gezogen werden muß, ist die Tatsache, daß der Spalt 26 so weit sein muß, daß bei hohen Drehzahlen ein hoher Wirkungsgrad erzielbar ist. Fig.5 zeigt die beiden Kolben in einer gegenseitigen Winkellage, welche sie einnehmen, kurz bevor der Evolventenabschnitt 16 mit dem entsprechenden Abschnitt des Gegenkolbens in gegenseitige Dichtwirkung gelangt. Ein besonderes

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Merkmal der Erfindung besteht darin, daß diese Abdichtung zwischen den beiden Evolventenabschnitten im unteren Teil der Figur so lange aufrecht erhalten wird, bis eine Abdichtung zwischen den Evolventenabschnitten im oberen Teil der Figur erzielt ist. Auf diese Weise wird die Entstehung eines Gaseinschlusses zwischen dem Auslaß und dem Einlaß der Maschine verhindert. Da die Zahnflanken im wesentlichen ebene oder geradlinige Teilstücke 17 aufweisen, ergibt sich eine geringe Zunahme des zum Einlaß der Maschine zurückgeleiteten Gasvolumens. Dieser Nachteil ist jedoch in der Praxis bedeutungslos, da die Druckzunahme in einem Gebläse bescheiden ist. Da beide Flanken der Zähne im wesentlichen ebene oder geradlinige Teilstücke 17 aufweisen, treten nur geringe Strömungsversluste auf, selbst wenn der Zahn 6 sich aus der Nut oder Zahnlücke im Gegenkolben entfernt. Auf diese Weise entsteht während der Saugphase nur ein geringfügiger Druckabfall in der Kammer 25.

Wenn auch vorstehend die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels im einzelnen beschrieben wurde, bei welchem die beiden ineinandergreifenden Kolben drei Zähne aufweisen, so ist es doch ohne weiteres klar, daß die Kolben auch zwei oder mehr als drei Zähne mit derartigen Zahnflanken aufweisen können.

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Claims

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Patentansprüche:

l.i Kolbenpaar für Rotationskolbenpumpen mit zwei um parallele Achsen verdrehbaren und dabei miteinander in Eingriff stehenden Kolben, deren jeder wenigstens zwei parallel zur Drehachse verlaufende Zähne mit einer Planke aufweist, in welcher ein Abschnitt die Form einer mit einem entsprechenden Abschnitt an einer Zahnflanke des anderen Kolbens zusammenwirkenden Evolvente besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnflanke im Anschluß an den Evolventenabschnitt (16) einerseits einen zum Grund (19) einer anstoßenden Zahnlücke verlaufenden, im wesentlichen kreisbogenförmigen Abschnitt (15) sowie andererseits einen zur Zahnspitze (21) verlaufenden Abschnitt (17* 18) mit einem unmittelbar an den Evolventenabschnitt anschließenden, im wesentlichen ebenen Teilstück (17) aufweist und daß der Evolventenabschnitt eine derartige Ausdehnung besitzt, daß ein Zusammenwirken mit dem anderen Kolben bis zu dem Zeitpunkt erzielbar ist, in welchem die andere Zahnflanke mit dem anderen Kolben zusammenwirkt.
2. Kolbenpaar nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kolben (4 bzw. 5) drei Zähne (6) mit zwei zu einer durch die Zahnspitze (21) hindurchgehenden Radiallinie (10) symmetrischen Planken aufweist.

3· Kolbenpaar nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Evolventenabschnitt (16) der Zahnflanke zur Zahnspitze (21)

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verlaufende Abschnitt (17* 18) im Anschluß an das im wesentlichen ebene Teilstück (17) ein zwecks Abdichtung am einem das Kolbenpaar umgebenden Pumpengehäuse (1) ein gekrümmtes Teilstück (18) aufweist.

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