DE3015628A1

DE3015628A1 - Drucklager/kopplungseinrichtung und damit ausgeruestete schneckenmaschine

Info

Publication number: DE3015628A1
Application number: DE19803015628
Authority: DE
Inventors: William Post Hidden; John Engstrom Mccullough
Original assignee: Arthur D Little Inc
Current assignee: Arthur D Little Inc
Priority date: 1979-04-23
Filing date: 1980-04-23
Publication date: 1980-11-06
Also published as: CA1139812A; GB2054044B; JPS55155916A; FR2455196A1; GB2054044A; FR2455196B1; US4259043A

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Drucklager/Kopplungseinrichtung und eine damit ausgerüstete Schneckenmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Schneckenmaschine mit einem kombinierten Bauteil, das als Drucklager und als Kopplungseinrichtung wirkt, wodurch die Maschine sich besonders gut eignet für sehr kleine Hochleistungskompressoren, Vakuumpumpen und Flüssigkeitspumpen, z.B. zum Einbau in Automobile.

Der steigende Bedarf an leichteren, leistungsfähigeren Aggregaten für Kraftfahrzeuge hat in jüngster Zeit zur Verwendung von Schneckenmaschinen für Hilfsaggregate wie Kühlmittelkompressoren für Klimaanlagen, Vakuumpumpen und Eintauch-Kraftstoffpumpen bei Kraftfahrzeugen geführt.

Schneckenmaschinen weisen spezielle Vorteile gegenüber den derzeit verbreiteten Aggregaten für vergleichbare Aufgaben auf. Zu diesen Vorteilen zählen ihre Leistungsfähigkeit, die Erzeugung von geringen oder praktisch verschwindenden Vibrationen, ein im wesentlichen gleichmäßiger Drehmomentbedarf an der Antriebseinrichtung zum Antreiben des umlaufenden Schnekkenteils und die Flexibilität hinsichtlich Konstruktion und Gestalt sowie der Materialwahl zur Herstellung der Schneckenmaschinen. Um diese Vorteile bei der Herstellung von Automobil-Hilfsaggregaten voll auszunutzen, wäre es vorteilhaft, die Leistungsfähigkeit weiter zu steigern, Größe und Gewicht zu reduzieren, den Zusammenbau zu vereinfachen und die Herstellungskosten zu reduzieren. Dies wird durch die erfindungsgemäße Drucklager/Kopplungseinrichtung erreicht.

In der Technik sind Vorrichtungen bekannt, die allgemein als "Schnecken"-Pumpen, -Kompressoren und -Expansionsmaschinen bezeichnet werden, bei denen zwei ineinander passende spiralförmige oder evolventenförmige Spiralteile gleicher Steigung

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an getrennten Abschlußplatten befestigt sind und ein feststehendes sowie ein umlaufendes Schneckenteil bilden. Diese Spiralteile sind winkelmäßig und radial derart versetzt, daß sie einander entlang wenigstens zwei Kontaktlinien berühren, z.B. zwischen spiralförmig gekrümmten Oberflächen. Zwei Kontaktlinien liegen angenähert auf einem Radius, der von der Mitte der Schnecken nach außen gezogen ist, um eine oder mehrere Fluidkammern oder Volumina zu bilden. Die Winkellage dieser Kammern verändert sich durch den Relativumlauf der Spiralmittelpunkte. Alle Kammern behalten dieselbe relative Winkellage bei. Während sich die Kontaktlinien über die Schneckenoberflächen verschieben, erfahren die so gebildeten Kammern eine Volumenveränderung. Bei Kompressoren und Expansionsmaschxnen werden somit Zonen niedrigsten bzw. höchsten Druckes geschaffen, die mit Fluidöffnungen verbunden sind. Bei Vakuumpumpen und Flüssigkeitspumpen bleibt das Volumenverhältnis immer gleich 1. Die äußerste und die innerste Kammer sind mit Flüssigkeitsöffnungen verbunden, und der Flüssigkeitsstrom kann entweder von der innersten Kammer nach außen oder von der äußersten Kammer nach innen erfolgen. Zur Vereinfachung kann gesagt werden, daß die Strömung in beiden Fällen radial erfolgt, obwohl sie spiralförmig verläuft.

Die US-PS 801 182 beschreibt allgemein eine Schneckenmaschine. In der Patentliteratur ist bereits eine Anzahl von Schneckenmaschinen beschrieben, die wechselweise als Kompressoren, Expansionsmaschxnen und Pumpen verwendbar sind. All diesen Schneckenmaschinen ist das Erfordernis gemeinsam, daß eine Einrichtung zur geeigneten Radialdichtung der sich bewegenden Fluidkammern und zur Kopplung der Schneckenteile in einer festen Winkelbeziehung miteinander erforderlich ist. Das Problem der Radialdichtung ergibt sich aus dem Erfordernis, jegliches wesentliche Abströmen des Fluids aus den Kammern mit höherem Druck zu den angrenzenden Kammern mit niedrigerem Druck zu verhindern; es muß eine wirksame Fluiddichtung zwischen

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den Berührungsenden der Evolventen-Spiralteile und den komplementären bzw. Berührungsoberflächen der Abschlußplatten vorgesehen sein. Die einfachste und direkteste Lösung für dieses Problem ist die Verwendung von Drucklagern als Axiallast-Aufnahmeeinrichtung, die so ausgelegt und angeordnet sind/ daß sie eine wirkungsvolle Abdichtung schaffen, ohne übermäßigen Verschleiß der Berührungsoberflächen zu bewirken. Diese Drucklager können verwendet werden, um eine vorbestimmte expansive Belastung aufzunehmen und die Kontaktoberflächen zusammenzudrücken, wenn Kompressoren und Expansionsmaschinen vorliegen, bei denen wenigstens die inneren Fluidkammern auf Drücken gehalten werden, die größer sind als der Druck im Schneckengehäuse; sie können dazu verwendet werden, eine vorbestimmte kompressive Last aufzunehmen, um übermäßigen Kontaktoberflächenverschleiß zu verhindern, wenn Vakuumpumpen und Flüssigkeitspumpen vorliegen, die auf einen Gegendruck arbeiten und bei denen die Fluidkammern auf niedrigeren Drücken sind als der Druck in dem Schneckengehäuse.

In der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung 807 414 ist eine eintauchbare Schnecken-Flüssigkeitspumpe beschrieben, die besonders geeignet ist als Kraftstoffpumpe für Kraftfahrzeuge. Die dort beschriebene Flüssigkeitspumpe enthält eine Schneckenpumpe in einem Gehäuse, das eine Kammer bildet und mit einem Flüssigkeitseinlaß an einem Ende und einem Flüssigkeitsauslaß am anderen Ende versehen ist. Die Schneckenvorrichtung in dem Gehäuse enthält ein feststehendes und ein umlaufendes Schneckenteil, jeweils mit einer feststehenden bzw. umlaufenden Abschlußplatte, die einander zugewandte Oberflächen aufweisen, wobei jedes Schneckenteil mit einer öffnungsanordnung versehen ist, die so angeordnet ist, daß das Entstehen merk-barer Druckschwankungen während des Pumpens verhindert wird, und ferner innerhalb der Gehäusekammer so angeordnet sind, daß sie Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitseinlaß empfangen. Ferner ist eine Kopplungseinrichtung vorgesehen, um das fest-

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stehende und das umlaufende Schneckenteil in einer vorbestimmten Winkelbeziehung zu halten; eine Antriebseinrichtung mit einem Motor ist zum Antreiben des umlaufenden Schneckenteils vorgesehen und in der Kammer zwischen den Schneckenteilen und öem Außenende des Gehäuses angeordnet. Im Betrieb wird die Flüssigkeit von den Schneckenteilen radial nach auswärts durch die Pumpe gepumpt und strömt um die Antriebseinrichtung herum, wobei sie einen vorbestimmten Hydraulikdruck innerhalb der Kammer aufrechterhält, um die Axialbelastung der Schneckenteile zu bewirken. Bei solchen Ausführungsformen von Pumpen/ die Flüssigkeit unter niedrigen bis hohen Drücken liefern sollen, ist ferner eine Einrichtung zur Aufnahme der axialen kompressiven Last vorgesehen. Bei einigen Ausführungsformen können die Funktionen der Kopplungseinrichtung und der Lastaufnahmeeinrichtung auch in einem einzigen Bauteil vereinigt sein.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Schneckenmaschine, die zusätzlich zu den typischen Vorteilen einer solchen Maschine Vorzüge aufweist, die sie besonders geeignet machen zur Verwendung als Nebenaggregat in Kraftfahrzeugen. Dabei sollen die Abmessungen und das Gewicht reduziert werden-^.-während die Leistungsfähigkeit gesteigert werden soll. Es soll die Schaffung von Kraftfahrzeug-Hilfsaggregaten für Kühlmittelkompressoren, Vakuumpumpen u.dgl. ermöglicht werden, die mit minimalen Vibrationen und gleichmäßigem Drehmomentbedarf arbeiten, wodurch die schädlichen Einflüsse auf die zugeordnete Hauptantriebseinrichtung auf ein Minimum reduziert werden. Ferner sollen der Zusammenbau und die Ausrichtung der Bauteile der Maschine vereinfacht werden, und die Herstellungskosten sollen reduziert werden.

Es wurde gefunden, daß es möglich ist, die Kopplungseinrichtung und die Lastaufnahmeeinrichtung bei Kompressoren, Expansionsmaschine η und Vakuumpumpen ebenso wie bei Flüssigkeits-

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pumpen verschiedener Konstruktionsart zu kombinieren. Durch diese Kombination von zwei unterschiedlichen Funktionen in einem einzigen Maschinenbauteil wird es ermöglicht, die erwähnten zusätzlichen Vorteile zu erreichen, die besonders jedoch nicht ausschließlich - wertvoll für die Anwendung als Kraftfahrzeug-Hilfsaggregate sind, nämlich erhöhtes Leistungsvermögen, geringere Größe und geringeres Gewicht, vereinfachter Zusammenbau und niedrigere Kosten.

Durch die Erfindung wird eine Drucklager/Kopplungseinrichtung geschaffen, die imstande ist, gleichzeitig ein umlaufendes Schneckenteil mit einem vorbestimmten Umlaufradius an ein feststehendes Schneckenteil in vorbestimmter Winkelbeziehung zu koppeln, während das umlaufende Schneckenteil in bezug auf das feststehende Schneckenteil· umiäuft, und Axiallasten aufzunehmen, die auf die Schneckenteile ausgeübt werden; diese Einrichtung enthält in Kombination: eine Mehrzahl von ersten kreisförmigen beabständeten Ausnehmungen, die in eine Oberfläche des umlaufenden Schneckenteils eingeschnitten sind; eine Mehrzahl· von zweiten kreisförmigen beabstandeten Ausnehmungen derseiben Querschnittsgestart wie die ersten Ausnehmungen, die in eine in bezug auf das umiaufende Schneckenteil· feststehende überwache eingeschnitten sind und den ersten Ausnehmungen gegenüberMegen, wobei die Mitten sämtiicher Ausnehmungen auf Kreisen desseiben Radius iiegen; und eine Axial·- l·ast-Aufnahme-Rol·lkugel, die in jewels einem Paar von einander gegenüberMegenden Ausnehmungen bewegbar ist, wobei die Durchmesser von Kugein und Ausnehmungen rel·ativ zueinander so bemessen sind, daß eine Anpassung an den UnuLaufradius erreicht ist, während die vorbestimmte WinkeibeZiehung zwischen den Schneckenteiien erhaben bl·eibt.

Gemäß einer besonderen Ausfuhrungsform der Erfindung ist ein Ringteil· mit einer Mehrzahl· von gl·eichmäßig beabstandeten Lagerstützen vorgesehen, die einander gegenüber angeordnete

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Oberflächen aufweisen, in jede von welchen eine Ausnehmung eingeschnitten ist, so daß eine Mehrzahl von ersten bzw. zweiten, einander gegenüber angeordneten Ausnehmungen gebildet wird; eine Mehrzahl von dritten Ausnehmungen ist in eine Oberfläche des umlaufenden Schneckenteils eingeschnitten, und zwar entsprechend der Stelle der ersten Ausnehmungen, wobei sie mit diesen eine erste Mehrzahl von Bahnen für die darin festgehaltenen Lastaufnahme-Rollelemente bilden; eine Mehrzahl von vierten Ausnehmungen ist in eine Oberfläche eingeschnitten, die in bezug auf das umlaufendes Schneckenteil festgehalten wird, und zwar entsprechend der Lage der zweiten Ausnehmungen, so daß mit diesen eine Mehrzahl von zweiten Bahnen für die darin festgehaltenen Lastaufnahme-Rollemente gebildet wird; die ersten und zweiten Bahnen haben eine Größe und Gestalt, die es ermöglichen, daß die Lastaufnahme-Rollelemente eine Schwingbewegung über einen Abstand ausführen, der gleich dem Umlaufradius des umlaufenden Schneckenteils ist, wobei die langen Achsen der ersten Bahnen senkrecht zu denen der zweiten Bahnen sind.

Durch die Erfindung wird ferner eine Maschine oder Vorrichtung zur direkten Verdrängung eines Fluids geschaffen, die geeignet ist als Fluidkompressor, -expansionsmaschine oder -pumpe und folgende Kombination enthält: ein feststehendes Schneckenteil mit einer feststehenden Abschlußplatte und einer feststehenden Evolveηteηwindung; ein umlaufendes Schneckenteil mit einer umlaufenden Abschlußplatte und einer umlaufenden Evolventenwindung; eine Einrichtung, welche das umlaufende Schneckenteil mit einem vorbestimmten Radius in bezug auf das feststehende Schneckenteil in Umlauf bringt, wobei die Evolventenwindungen bewegte Berührungslinien herstellen, um bewegte Kammern veränderlichen Volumens einschließlich einer mittleren Kammer, abzudichten, ein das feststehende und das umlaufendes Schneckenteil umschließendes Gehäuse, das um diese herum eine Umfangsfluidzone begrenzt; und eine Druck-

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lager/Kopplungseinrichtung der vorstehend näher erläuterten Art.

Die Drucklager/Kopplungseinrichtungen können als einander entgegenwirkende und entgegengerichtete Paare verwendet werden, um eine präzisere Beherrschung der kompressiven und/oder axialen Lasten zu erreichen, die auf die Schneckenteile ausgeübt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die grundlegende Arbeitsweise von Schneckenmaschinen ist bereits in früheren Patenten beschrieben (siehe z.B. US-PS 3 884 599). Eine detaillierte Beschreibung der Arbeitsweise solcher Maschinen kann daher entfallen. Es wird lediglich angemerkt, daß eine Schneckenmaschien eine abgedichtete Fluidkammer aus einem Bereich zu einem anderen bewegt,in dem ein anderer Druck herrschen kann. Wenn das Fluid bei der Bewegung von einem Bereich niedrigeren zu einem Bereich höheren Drucks komprimiert wird, dient die Maschine als Kompressor; wenn das Fluid während der Bewegung von einem Gebiet höheren Drucks zu einem Gebiet niedrigeren Drucks, entspannt wird, dient die Maschine als Expansionsmaschine. Wenn das Fluidvolumen im wesentlichen konstant bleibt, unabhängig von dem Druck, so arbeitet die Maschine als Flussigkeits- oder Vakuumpumpe.

Die abgeschlossenen Fluidkammern in der Schneckenmaschine sind durch zwei parallele Ebenen begrenzt, die durch Abschlußplatten festgelegt sind, sowie durch zwei zylindrische Oberflächen, die durch die Evolventen eines Kreises oder einer anderen, geeignet gekrümmten Gestalt gebildet sind. Die Schneckenteile haben parallele Achsen, da nur auf diese Weise ein fortdauernder Dichtungskontatk zwischen den ebenen Oberflächen der Schneckenteile erreicht werden kann. Eine abgeschlossene Kammer

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wandert zwischen diesen parallelen Ebenen, während sich die zwei Kontaktlinien zwischen den zylindrischen Oberflächen bewegen. Die Kontaktlinien bewegen sich, weil eines der zylindrischen Elemente, z.B. ein Schneckenteil, innerhalb des anderen umläuft. Dies wird z.B. dadurch erreicht, daß ein Schneckenteil ortsfest gehalten wird und das andere Schneckenteil umläuft.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt einer Schneckenmaschine mit Kugeln, die als Axiallast-Aufnahmeeinrichtungen eine kontinuierliche Drehbewegung ausführen;

Fig. 2 einen Querschnitt der in Fig. 1 gezeigten Maschine längs Ebene 2-2 in Fig. 1; wobei die Anordnung der Drucklager/-Kopplungseinrichtung dargestellt ist;

Fig. 3 Einzelheiten schematisch in Draufsicht und Querschnitt, die bei der Verwendung der Drucklager/Kopplungseinrichtungen nach den Fig. 1 und 2 zu beachten sind;

Fig. 4 einen Teilschnitt einer anderen Ausgestaltung von kreisförmigen Ausnehmungen in zwei Teilen der Maschine, zwischen denen sich die Drucklager/Kopplungseinrichtung befindet;

Fig. 5 eine Draufsicht einer anderen Ausführungsform der kreisförmigen Ausnehmung nach Fig. 4;

Fig. 6 eine Draufsicht eines umlaufenden Schneckenteils, das zur Anwendung in einem Kompressor oder einer Expansionsmaschine geeignet ist;

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Fig. 7 einen Teilschnitt einer Schneckenmaschine mit dem in Fig. 6 gezeigten umlaufenden Schneckenteil;

Fig. 8 und 9 im Querschnitt zwei verschiedene Formen von axialen nachgiebigen Dichteinrichtungen, die in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Drucklager/Kopplungseinrichtung verwendet werden können;

Fig. 10 einen Längsschnitt durch eine Schneckenmaschine, die als Vakuumpumpe oder Flüssigkeitspumpe arbeiten kann, wobei ein Gegendruck kompressiv auf- die Schneckenteile einwirkt;

Fig. 11 einen Querschnitt der in Fig. 10 gezeigten Vorrichtung längs Ebene 11-11 in Fig. 10, wobei die Anordnung der Drucklager/Kopplungseinrichtung und der Evolventenwindung sowie die Öffnungen der Flüssigkeitspumpe geze igt s ind;

Fig. 12 einen Längsschnitt durch einen Schneckenkompressor, eine Schneckenexpansionsmaschine oder Schneckenpumpe gemäß einer anderen Ausführungsform, die mit einander entgegenwirkenden, komplementären Drucklager/Kopplungseinrichtungen versehen ist;

Fig. 13 einen Längsschnitt durch einen Schneckenkompressor, eine Expansionsmaschine oder Pumpe, in einer Abwandlung gegenüber der Ausfuhrungsform nach Fig. 12;

Fig. 14 eine Ausführungsform der Drucklager/Kopplungseinrichtung, bei der Rollelemente vorgesehen sind, die eine Schwingbewegung innerhalb von zwischen Lagerstützen und Schneckenteilen und/oder Gehäuse festgelegten Bahnen ausführen können und über die Lagerstützen Axiallasten aufnehmen können;

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Fig. 15 und 16 eine Draufsicht bzw. einen Querschnitt der in Fig. 14 gezeigten Drucklager/Kopplungseinrichtung;

Fig. 17 einen vergrößerten Querschnitt einer Bahn für ein Lastaufnahmeteil, wie es bei den Ausführungsformen nach den Fig„ 14 und 16 zur Anwendung gelangt, wobei die relative Länge der Bahn und die Größe des Lastaufnahmeteils gezeigt sind;

Fig. 18, 19 und 20 Teilschnitte der Anwendung der Drucklager/-Kopplungseinrichtung nach Fig. 14 auf eine Schneckenmaschine, die vergleichbar ist mit derjenigen nach den Fig. 1, 12 und 13;

Fig. 21 eine Abwandlung der in Fig. 14 gezeigten Drucklager/-Kopplungseinrichtung, wobei Rollen anstelle von Kugeln eine Schwingbewegung ausführen und die doppelte Funktion der Lastaufnähme und Kopplung erfüllen; und

Fig. 22 und 23 eine Draufsicht bzw. einen Querschnitt der in Fig. 21 gezeigten Drucklager/Kopplungseinrichtung.

Fig. 1 zeigt im Längsschnitt eine mit einer Schnecke arbeitende Vorrichtung nach der Erfindung, die als Kompressor, Expansionsmaschine oder Vakuumpumpe arbeiten kann. Die Vorrichtung besteht aus einem feststehenden Schneckenteil 10 mit einer Abschlußplatte 11, die eine zugewandte Kontaktoberfläche 12 und eine feststehende Evolventenwindung 13 mit einer Evolventen-Berührungs- und -Abdichtungsoberfläche 14 aufweist, sowie aus einem umlaufenden Schneckenteil 15 mit einer Abschlußplatte 16, die eine zugewandte Kontaktoberfläche 17 und eine umlaufende Evolventenwindung 18 mit einer Evolventen-Berührungs- und -Abdichtungsoberfläche 19 aufweist. Das umlaufende Schneckenteil 15 wird von einer geeigneten Antriebseinrichtung angetrieben, z.B. dem Antriebsaggregat eines Fahrzeugs, und zwar über eine Welle 25, die an dem umlaufenden Schneckenteil 15 über ein

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Lager 26 befestigt ist, das in ein Lagergehäuse 27 eingesetzt ist, welches zweckmäßig einteilig mit der umlaufenden Abschlußplatte 16 ausgebildet ist. Die Achse 28 der Welle 25 ist parallel zu der Maschinenachse 29, jedoch von dieser in einem Abstand angeordnet, der gleich dem Umlaufradius der Vorrichtung ist (Fig. 2). Die Hauptantriebswelle des Antriebsaggregats kann mit der Welle 25 über eine nachgiebige mechanische Verbindungseinrichtung verbunden sein, wie sie z.B. in der US-PS 3 924 977 beschrieben ist.

Die Schneckenteile 10 und 15 befinden sich innerhalb eines Gehäuses 30, an dessen einem Ende das feststehende Schneckenteil befestigt ist bzw. einteilig damit ausgebildet ist. Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausfuhrungsform enthält das Gehäuse 30 ein mittleres zylindrisches Teil 31, einen kürzeren, flanschartig nach innen gerichteten Abschnitt 32, der einen Sitz für die feststehende Abschlußplatte 11 bildet, und einen längeren, flanschartig nach innen gerichteten Abschnitt 33, der einen ringförmigen Fluidkanal 34 gemeinsam mit dem Lagergehäuse 27 begrenzt.

Ein Fluidkanal 40, der über geeignete Einrichtungen mit einer (nicht gezeigten) Fluidleitung verbunden werden kann, steht in Verbindung mit dem mittleren Fluidraum 41. Der ringförmige Fluidkanal 34 stellt die Verbindung zwischen der Umfangsfluidkammer 42 und der Atmosphäre (oder einem Fluidbehälter) her. Zwischen der Umfangskammer 42, in der der niedrigste Druck herrscht, und der mittleren Fluidkammer 41, in welcher der höchste Druck herrscht, befindet sich eine Reihe von Fluidkammern 43, 44, 45 und 46, deren Druck nach innen zunimmt. Bei Kompressions- und Expansionsmaschinen besteht jede Evolventenwindung 13, 18 im allgemeinen aus zwei oder mehr Windungen. Bei Vakuum- und Flüssigkeitspumpen müssen die Evolventenwindungen wenigstens eineinhalb Windungen aufweisen, jedoch nicht mehr als 1 5/8 Windungen. Wenn die Vorrichtung als Kompressor arbeitet, tritt das Fluid durch den ringförmigen Kanal 34 ein, und das komprimierte Fluid wird durch den Kanal 40 ausgestoßen. Wenn die

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Vorrichtung als Vakuum- oder Flüssigkeitspumpe arbeitet, kann das Fluid entweder radial einwärts oder auswärts gerichtet sein. Wenn die Vorrichtung als Expansionsmaschine arbeitet, tritt das komprimierte Fluid über den Kanal 40 ein, und das entspannte Fluid wird über den ringförmigen Kanal 34 abgegeben.

Der Umlauf des Schneckenteils 15 in bezug auf das feststehende Schneckenteil 10 macht es erforderlich, daß die beiden Schneckenteile so gekoppelt sind, daß sie eine feste, vorbestimmte WinkelbeZiehung untereinander beibehalten. Dies gilt unabhängig davon, ob die Welle 25 von einem Motor angetrieben wird oder ob sie Energie an eine angetriebene Vorrichtung abgibt. Die Kopplung erfolgt gewöhnlich über ein getrenntes Kopplungselement (vgl. z.B. US-PSen 3 924 977 und 4 121 438), wodurch getrennte Probleme hinsichtlich Abnutzung, Ausrichtung und Zusammenbau entstehen.

Es liegt in der Natur von Schneckenmaschinen, nämlich wegen der radialen und axialen Druckgradienten, daß irgendwelche Mittel vorgesehen sein müssen, um einen Dichtungskontakt zwischen der feststehenden Abschlußplattenoberfläche und der umlaufenden Evolventenoberfläche 19 einerseits und zwischen der umlaufenden Abschlußplattenoberfläche 17 und der feststehenden Evolventenoberfläche 14 andererseits durch Andrücken zu schaffen. Wie später anhand der Fig. 8 und 9 erläutert werden wird, kann dieser Dichtungskontakt durch eine axial nachgiebige Dichteinrichtung hergestellt werden. Auf jeden Fall ist es aber erforderlich, irgendeine Axialbelastung vorzusehen, und gleichzeitig irgendeine Form einer die axiale Drucklast aufnehmende Einrichtung, die imstande ist, den Verschleiß der Kontaktoberflächen unter Kontrolle zu halten. Die Beherrschung der Verschleißprobleme ist besonders wichtig bei der Anwendung auf Nebenaggregate von Kraftfahrzeugen, bei denen ein einwandfreier Betrieb über sehr lange Zeitspannen

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ohne Wartung gefordert wird. Wie aus der folgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele der Schneckenmaschine, auf welche die Axiallager/Koppeleinrichtung Anwendung finden kann, hervorgeht, kann die hauptsächliche Axialbelastung auf die Schneckenwindungen durch die Einrichtung erzeugt werden, welche die Radialdichtung bewirkt, oder durch das Fluid selbst, während dieses die Vorrichtung durchströmt.

Gemäß der Erfindung wird ein einziges Bauteil verwendet, das die Funktionen der die Expansions- oder Kompressionslast aufnehmenden Einrichtung und der Kopplungseinrichtung kombiniert, wobei dieses Bauteil als Drucklager/Kopplungseinrichtung bezeichnet wird. Bei der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform eines Kompressors oder einer Expansionsmaschine ist die allgemein mit 50 bezeichnete Drucklager/Kopplungseinrichtung so ausgelegt, daß sie den Expansionsdruck aufnimmt, der von dem Hochdruckfluid innerhalb der Schneckenkammern erzeugt wird. Diese Drucklager/Kopplungseinrichtung nach den Fig. 1 bis 3 enthält eine Mehrzahl Kugeln 51, die jeweils eine kontinuierliche Drehbewegung in einander zugewandten kreisförmigen Ausnehmungen 52, 53 in der umlaufenden Schneckenabschlußplattenoberflache 54 bzw. in der Innenoberfläche 55 des längeren Flanschabschnittes des feststehenden Gehäuses ausführen. Die Kugeln 51 sind vorzugsweise Lagerkugeln, die radial und umfangsmäßig durch einen Halterungsring 56 mit durchgebohrten Löchern 57 in Ausrichtung gehalten werden. Fig. 2 zeigt etwas schematisch für drei Lagerkugeln die relative Anordnung der Ausnehmungen 52, 53 für das Schneckenelement für eine Stelle des Umlaufzyklus. Diese Figur zeigt, daß die Mittelpunkte der Ausnehmungen 52, 53 des feststehenden bzw. umlaufenden Schnekkenteils auf Kreisen liegen, die denselben Radius aufweisen. Die Größe der Ausnehmungen 52, 53 in bezug auf den Durchmesser D einer Kugel und den Umlaufradius R des umlaufenden Schnekkenteils ist in Fig. 3 schematisch gezeigt. Bei ihrer Bewegung

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während eines Umlaufzyklus muß eine Kugel 51 imstande sein, einen Weg zurückzulegen, der gleich der Hälfte eines Umlaufradius ist, d.h. R /2, und zwar in allen Richtungen ausgehend von ihrer Mittellage, wie in den Fig. 3A und 3B gezeigt ist. Wenn also die Tiefe einer Ausnehmung 52 oder 53 gleich dem Kugelradius R gemacht wird, muß der Durchmesser D. der Ausnehmung gleich D + R sein. Da aber die Tiefe der Ausnehmung 52 geringer ist als R , folgt, daß D. etwas kleiner als D + R

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sein soll.

Fig. 3C zeigt einen vergrößerten Querschnitt der Ausnehmungen und des Halterungsrings, wobei dargestellt ist, wie die umlaufende Schneckenteilabschlußplatte 16 (und die daran befestigte Evolventenwindung 18) frei innerhalb des feststehenden Schneckenteils umlaufen können, während sie in bezug auf das feststehende Schneckenteil in der gewünschten WinkelbeZiehung gehalten werden. Die Durchmesser der Kugeln 51 und die Tiefe der Ausnehmungen 52, 53 werden vorzugsweise so bemessen, daß ein geringes Laufspiel (z.B. 0,025 mm) im Betrieb zwischen den Oberflächen 12 und 19 und zwischen den Oberflächen 14 und 17 aufrechterhalten bleibt, um den Oberflächenverschleiß minimal zu halten, wobei gleichzeitig die Radialdichtung optimiert wird. Es ist also ersichtlich, daß die Kugeln 51 durch ihre kontinuierliche Drehbewegung dazu dienen, den Expansionsdruck bzw. die Lasten aufzunehmen, die bestrebt sind, die Schneckenteile voneinander zu trennen bzw. miteinander zu verkoppeln.

Die in Fig. 3A gezeigte Querschnittsform der kreisförmigen Ausnehmungen 52, 53 ist eine Idealform, die unter Umständen schwierig in die Oberflächen der Schnecken- und Gehäuseteile einzuarbeiten sind. Die Ausnehmungen können auch mit abgeschrägten Wandungen ausgeschnitten werden, wie im Zusammenhang mit den Fig. 4 und 5 beschrieben wird, oder auch mit geraden Wandungen, wie sie in den Fig. 6 und 7 gezeigt sind.

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Bei der Ausfuhrungsform nach den Fig. 4 und 5 sind Ausnehmungen 58, 59 mit geraden Seiten 60 und geschrägten Rändern 61 sowie mit konturierten Bodenkanälen 62 gezeigt, wobei die Gestalt der Ränder 61 und der Kanäle 62 in Kombination miteinander der Kugelform der Kugeln 51 entsprechen. Die in den Fig. 4 und 5 gezeigte Ausführungsform der Ausnehmungen läßt sich leicht bearbeiten und ist daher besonders für niedrige Herstellungskosten vorgesehen.

Die Fig. 6 und 7 zeigen die Anwendung von Ausnehmungen mit geraden Seiten, wobei die Schneckenteile Evolventen mit mehreren Windungen aufweisen und wobei ferner der Halterungsring für die Lagerkugeln fortgelassen ist. Die in Fig. 6 gezeigte umlaufende Schneckenabschlußplatte 63 weist eine Mehrzahl von eingeschnittenen Ausnehmungen 64 auf, die gleiche Abstände voneinander haben und deren Mitten auf einem Kreis 65 liegen. Der Gehäuseabschnitt 33 ist in gleicher Weise mit einer Mehrzahl von in gleichem Abstand angeordneten Ausnehmungen 66 versehen, die in die Oberfläche 55 eingeschnitten sind. Eine Kugel 51 führt eine kontinuierliche kreisförmige Bewegung in den einander zugewandten Ausnehmungen 64 und 66 aus, die jeweils so tief ausgeschnitten sind, daß die miteinander kombinierten Tiefen einen etwas geringeren Wert haben als der Durchmesser der Kugeln 51, um eine Berührung zwischen den Oberflächen 54 und 55 zu verhindern, während gleichzeitig gewährleistet wird, daß die Kugeln 51 stets innerhalb der durch die einander zugewandten Ausnehmungen gebildeten Grenzen verbleiben. Bei dieser Anordnung kann also der in Fig. 1 gezeigte Halterungsring 56 entfallen.

Die Fig. 6 und 7 zeigen eine umlaufende Schneckenwindung 67 und eine feststehende Windung 68, die an einer feststehenden Abschlußplatte 69 befestigt ist. Jede Windung enthält eine Mehrzahl von Gängen, z.B. mehr als 1 1/2 Gänge, die für eine Pumpe erforderlich sind. Die in den Fig. 6 und 7 gezeigte Aus-

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führungsform ist also besonders geeignet als Kompressor oder Expansionsmaschine.

Es ist offensichtlich, daß die gesamte Drucklager/Kopplungseinrichtung nach der Erfindung nur die Einarbeitung der kreisförmigen Ausnehmungen und die Bearbeitung des Halterungsringes 5 6 mit in gleichem Abstand angeordneten Löchern 57 - falls ein solcher Ring verwendet wird - erfordert. Es können im Handel erhältliche Lagerkugeln als Druckaufnahmekugeln verwendet werden, und die gesamte Einheit ist einfach und unkompliziert aufgebaut, wobei praktisch keinerlei Ausricht-, Einstell- oder Zusammenbauprobleme auftreten.

Es kann eine axial nachgiebige Dichtungsexnrichtung verwendet werden, wie sie in der US-PS 3 994 636 und in der US-Patentanmeldung 94 7 4 60 beschrieben ist, und zwar in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Drucklager/Kopplungseinrichtung. Eine solche Dichteinrichtung ist in den Fig. 8 und 9 im Querschnitt gezeigt, wobei dieselben Bezugs zeichen verwendet werden, um die bereits in Fig. 1 gezeigten Teile der Vorrichtung zu bezeichnen. Bei der Ausführungsform nach Fig. 8 sind in beide Evolventenwindungen, von denen nur die feststehende Windung 13 gezeigt ist, Kanäle 70 in die Oberfläche eingeschnitten, z.B. in die Oberfläche 14, welche der Evolventengestalt der Windungen folgen und sich im wesentlichen über ihre gesamte Länge erstrecken. Wie in Fig. 8 gezeigt ist, ist in dem Kanal 70 ein evolventenförmiges Dichtungselement 71 eingesetzt, das einen etwas kleineren Querschnitt hat als der Kanal 70, so daß es eine geringe seitliche und axiale Bewegung innerhalb des Kanals ausführen kann. Ein Elastomerteil 72 ist zwischen der Grundoberfläche 73 des Kanals und der Oberfläche 74 des Dichtungselements 71 angeordnet, um eine Axialkraft zu erzeugen, welche das Element 71 andrückt, so daß es einen Dichtungskontakt mit der Oberfläche 17 der Abschlußplatte bildet.

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Eine andere Ausführungsform der nachgiebigen Axialdichtung ist in Fig. 9 gezeigt, in der die Anwendung auf eine feststehende Windung 13 und eine umlaufende Abschlußρlatte 16 dargestellt ist. Die gleiche Anordnung wird auch für die umlaufende Windung und die feststehende Abschlußplatte verwendet. Wie bei der Dichtungseinrichtung nach Fig. 8 ist auch diejenige nach Fig. 9 im wesentlichen über die gesamte Länge der Windung durchgehend ausgebildet, und der Dichtungskontakt erfolgt zwischen der Oberfläche 75 des Dichtungselements 76 und der Abschlußplattenoberfläche 17. Das Dichtungselement 76 ist in einen zweiseitigen Kanal 77 eingesetzt, der in die Abschlußoberfläche 14 der Windung 13 eingeschnitten ist. Der Kanal hat somit eine Rückseite 78, die senkrecht zur Oberfläche 17 der Abschlußplatte 16 ist, und eine Sitzoberfläche 79> die vorzugsweise parallel zu der Oberfläche 17 ist. Der Kanal 17 mündet einwärts zur Mittellinie des Schneckenteils und ist stets der Zone höheren Drucks zugewandt. Um eine durchgehende Abdichtung über die gesamte Länge der Evolventenwindung zu gewährleisten, während gleichzeitig der Reibungsverschleiß minimal gehalten wird, ist eine allgemein mit 80 bezeichnete Dichtungsfeder vorgesehen, um in nachgiebiger Weise eine Axialkraft auf das Dichtungselement 75 auszuüben, wobei das Dichtungselement so konstruiert ist und die Dichtungsfeder so bemessen ist, daß sich das Dichtungselement stets etwas über die Windungsoberfläche 13 hinaus erstreckt.

Die Dichtungsfeder 80 ist vorzugsweise als einzelnes durchgehendes Teil ausgebildet, z.B. als Teil mit gerader Rückseite und einer Mehrzahl von bogenförmigen Federelementen, die durch Halsstücke in der Mitte damit verbunden sind. Durch Biegen der bogenförmigen Federteile auf das Rückenteil 81 zu, derart, daß ein Winkel von 90° gebildet wird, werden die Schenkel der bogenförmigen Teile entlang vorbestimmten Faltlinien nach oben gebogen, um einen mittleren

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flachen Federsitz 82 zu belassen, der auf der Sitzoberfläche 79 des Kanals 77 ruht. Die erforderliche Axialkraft wird durch die Federschenkel 83 des Dichtungselements 80 ausgeübt. Einzelheiten der Konstruktion der Dichtungsfeder 80 und Abwandlungen derselben finden sich in der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung 947 4 60, die in die verliegende Offenbarung einbezogen wird.

Die Fig. 10 und 11 zeigen die Anwendung der Drucklager/Kopplungseinrichtung nach der Erfindung auf eine Flüssigkeitspumpe, in der ein so hoher Flüssigkeitsdruck in dem Pumpengehäuse aufgebaut wird, daß eine Einrichtung erforderlich ist, die innerhalb der Schneckenmaschine eine kompressive Axiallast aufnehmen kann. Die grundlegende Auslegung der Schnecke ist ähnlich wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1, mit Ausnahme eines Öffnungssystems, das so ausgelegt ist, daß eine Flüssigkeit in der Pumpe ohne die Erzeugung von Druckstößen gepumpt werden kann. Dieses Öffnungssystem ist in der US-PS 4 129 405 beschrieben, und eine Ausführungsform derselben ist in den Fig. 10 und 11 dargestellt; ein mittig angeordneter, als Ausnehmung ausgebildeter Überführungskanal 90 und ein umlaufender, als Ausnehmung ausgebildeter Überführungskanal 91 sind in die feststehende bzw. die umlaufende Schneckenabschlußplatte eingeschnitten, wie in Fig. 11 für die umlaufende Abschlußplatte 16 gezeigt ist.

Die in den Fig. 10 und 11 gezeigte Schneckenpumpe ist in einem flüssigkeitsdichten Gehäuse 94 angeordnet, durch das sich die Welle 25 hindurch erstreckt, wobei die Ausrichtung durch ein geeignetes Wellenlager 95 erhalten bleibt. Die zu pumpende Flüssigkeit wird durch eine mittige Öffnung eingeleitet, die durch die feststehende Abschlußplatte 11 hindurch geschnitten ist, und wird durch eine Öffnung 97 ausgestoßen, die ein geeignetes Druckventil (nicht dargestellt) aufweist. Die Flüssigkeit strömt aus der Schnecken-

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pumpe heraus in das Umfansvoluitien 98 und dann in die Hauptkammer 99. Durch Regelung des FlussigkeitsStroms durch die Ausstoßöffnung 97 kann ein vorbestimmter Gegendruck auf den Schneckenteilen aufgebaut und aufrechterhalten werden. Wenn dieser Gegendruck einen Wert erreicht, durch den übermäßige kompressive Axiallasten auf die Schneckenteile ausgeübt werden, muß ein Drucklager verwendet werden, das imstande ist, derartige kompressive Lasten aufzunehmen und übermäßigen Verschleiß der miteinander in Berührung stehenden Verbindungen 12 und 19 sowie 14 und 17 zu verhindern. Hierzu ist die Drucklager/Kopplungseinrichtung 100 nach der Erfindung geeignet.

Bei der in den Fig. 10 und 11 gezeigten Flüssigkeitspumpe sind kreisförmige Ausnehmungen 101, 102 geeigneter Gestalt in die einander zugewandten Oberflächen 12, 17 des feststehenden und des umlaufenden Schneckenteils eingeschnitten. Eine Mehrzahl von Lagerkugeln 51 in den Öffnungen 57 eines Halterungsringes entsprechend den Fig. 1 bis 3 erfüllt die Funktion des Drucklagers und die Koppe!funktion, die zum Betrieb der Schneckenpumpe erforderlich sind. Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, die Ausführungsform der Ausnehmungen nach den Fig. 4 und 7 vorzusehen und einen Halterungsring 56 fortzulassen.

Die in Fig. 12 dargestellte Schneckenvorrichtung ist im wesentlichen eine Kombination der Ausführungsformen nach Fig. 1 und Fig. 10, soweit die Drucklager/Kopplungseinrichtung betroffen ist. Wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen sind die einander zugewandten Ausnehmungen 52, 53, die einen Teil des Bauteils 50 bilden, und die Ausnehmungen 101, 102, die einen Teil des Bauteils 100 bilden, in das umlaufende Schneckenteil und in eine Oberfläche eingeschnitten, die in bezug auf das feststehende Schneckenteil festgehalten wird, wobei diese feststehenden Oberflächen eine

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Kombination des Gehäuses und des feststehenden Schneckenteils sind. Bei der Ausführungsform nach Fig. 12 wirken die beiden Drucklager/Kopplungseinrichtungen 50, 100 einander insofern entgegen, als sie sowohl die Axialkräfte auf die Schneckenteile aufnehmen als auch die Momente, die von den Schnecken herrühren. Es ist somit möglich, eine präzisere Beherrschung der auf die Schneckenteile ausgeübten Axiallasten zu erreichen.

Dasselbe Ergebnis wird durch die Ausführungsform nach Fig. 13 erreicht, bei der das Hauptgehäuse und das Schneckenlagergehäuse verändert sind, um eine geeignete Aufnahme für die Drucklager/Kopplungseinrichtung zu schaffen. Der mittlere Abschnitt 31 des Hauptgehäuses ist mit einem Innenflansch 105 versehen, dessen Oberfläche 106 der Oberfläche 154 der umlaufenden Abschlußplatte 16 und einer gegenüberliegenden Oberfläche 107 zugewandt ist. Das Lagergehäuse 27 endet in einem nach auswärts gerichteten Flansch 108 mit einer Oberfläche 109, die der Oberfläche 107 des Gehäuseflansches 105 zugewandt ist. Zur Ausbildung der Drucklager/Kopplungseinrichtung 115 werden kreisförmige Ausnehmungen 116, 117 in die Abschlußplattenoberfläche 54 des umlaufenden Schneckenteils und die Oberfläche 106 des Gehäuseflansches 105 eingeschnitten, und zur Ausbildung der Drucklager/Kopplungseinrichtung 118 werden kreisförmige Ausnehmungen 119, 120 in die Oberfläche 107 des Flansches 105 und die Oberfläche 109 des Flansches 109 eingeschnitten. Dies bedeutet, daß beide feststehenden Oberflächen, in welche die Ausnehmungen für die Drucklager/Kopplungseinrichtung eingeschnitten sind, durch das Gehäuse gebildet sind.

Eine der Drucklager/Kopplungseinrichtungen 50, 100 nach Fig.12 bzw. 115 und 118 nach Fig. 13 oder beide können ohne Halterungsring aufgebaut sein, wie in Fig. 7 gezeigt ist, und mit kreisförmigen Ausnehmungen irgendeiner geeigneten Querschnittsgestalt.

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Bei den Ausfuhrungsformen der DruckiagerZKopp^ngseinrichtung nach den Fig. 14 bis 23 führen die Lastaufnahmeteiie, die Kugein oder Ro^en sein können, eine Schwingbewegung innerha^ von Bahnen aus, die auf beiden Seiten einer Mehrzahl· von Lagerstützen und auf einer Seite des umiaufenden Schnekkenteiis sowie auf der anderen Seite der feststehenden Ober-Oäche gebiidet sind. Bei diesen Ausführungsformen wird also die Axia^ast durch oxziMierende Teiie über die Lagerstützen aufgenommen.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 14 bis 16 enthäit die DruckiagerZKopp^ngseinrichtung einen Ring 125 mit einer Mehrzahl· von gl·eichmäßig beabstandeten Lagerstützen 126, zwischen denen Fiuidkanäie 127 gebiidet sind. Eine Ausnehmung 128 ist in die Oberfiäche 129 jeder Lagerstütze 126 eingeschnitten, weiche der Ober^äche 17 der umlaufenden Abscl^ufipl·atte 16 zugewandt ist. Ausnehmungen 130 sind in die Überwache 17 der unuLaufenden Abschl·ußpl·atte eingeschnitten, um hinsichtiich Ausbiidung und Achsenorientierung den Kanäien 128 in den Lagerstützen zu entsprechen, so daß jeweils ein Paar von einander zugewandten Ausnehmungen eine Bahn biidet, in der eine Lastaufnahmekugel· 131 eine Schwingbewegung ausführt, während das Schneckenteil· 15 in bezug auf das feststehende Schneckenteil· 10 umiäuft. Der Wert der miteinander kombinierten Tiefen der einander zugewandten Ausnehmungen, z.B. der Ausnehmungen 128 und 130, ist etwas kieiner ais der Durchmesser der Kugein 131, was bedeutet, daß die Länge L von Rand zu Rand (17) gieich oder kieiner als D + R ist, worin D der Kugeldurchmesser und R_Q der Umlaufradius sind. Der von einer Kugel innerhalb ihrer Bahn zurückgeiegte Weg ist also gleich R , wie in Fig. 17 gezeigt ist.

In gleicher Weise sind Ausnehmungen 134, 135 (Fig. 15 und 16) in die Oberfläche 136 der Lagerstützen 126 bzw. in die gegenüberiiegende Oberfiäche 12 der Abschl·ußpl·atte 11 des fest-

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stehenden Schneckenteils eingeschnitten, und die Kugeln 137 sind so angeordnet, daß sie eine Schwingbewegung innerhalb der Bahnen ausführen, die durch die einander zugewandten Ausnehmungen begrenzt sind. Die langen Achsen der Ausnehmungen 134, 135 sind senkrecht zu den langen Achsen der Ausnehmungen 128, 130. Die Kugeln 131 und 137 nehmen somit die kompressive Axiallast auf die Schneckenteile über die Lagerstützen 126 auf. Bei ihrer eingeschränkten Bewegung längs der Achsen der Bahnen, auf denen sie festgehalten sind, halten diese Kugeln die erforderliche Winkelbeziehung zwischen dem umlaufenden unddem feststehenden Schneckenteil aufrecht.

Im Rahmen der Erfindung ist auch eine Kombination aus Kugellager und Ring mit Lagerstützen nach den Fig. 14 bis 16 vorgesehen, und zwar in Abwandlungen, die vergleichbar mit denen nach Fig. 1, 12 und 13 sind; dies ist anhand der Teilschnitte in den Fig. 18 bis 20 dargestellt, wo dieselben Bezugszeichen verwendet sind, um die gleichen Teile der Vorrichtung zu bezeichnen. Die in die Oberfläche 55 des Gehäuses eingeschnittenen Ausnehmungen 138 liegen in der erforderlichen Weise in einer feststehenden Oberfläche und den Ausnehmungen 128 in der Oberfläche der Lagerstützen gegenüber, und Ausnehmungen 139 sind in die Oberfläche 54 der umlaufenden Abschlußplatte so eingeschnitten, daß sie den Ausnehmungen 134 der Lagerstützen gegenüberliegen. Wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist die in Fig. 18 gezeigte Drucklager/Kopplungseinrichtung besonders geeignet für einen Schneckenkompressor, eine Expansionsmaschine oder eine Vakuumpumpe.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 19 sind wie bei derjenigen nach Fig. 13 einander entgegenwirkende Drucklager/Kopplungseinrichtungen auf beiden Seiten des umlaufenden Schneckenteils 15 angeordnet, und die feststehenden Oberflächen, in welche die Ausnehmungen eingeschnitten sind, sind die Oberfläche 12 der feststehenden Abschlußplatte 11 und die Oberfläche 55 des

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Gehäuseabschnitts 33. Bei der Ausfuhrungsform nach Fig. 20 sind wie bei derjenigen nach Fig. 14 einander entgegenwirkende Drucklager/Kopplungseinrichtungen auf beiden Seiten 106, eines einwärts gerichteten Gehäuseflansches 105 angeordnet, der beide feststenden Oberflächen für die Ausnehmungen 139 und 140 bildet. Die einander gegenüberliegenden, unter 90° orientierten Bahnen für die Kugeln 131 und 137 sind in den Oberflächen der zugeordneten Lagerstützen 126 und der Abschlußplatte 16 und den Oberflächen der zugeordneten Lagerstützen 126 und des Flansches 108 des Schneckenlagergehäuses 27 gebildet.

Die in den Fig. 21 bis 23 gezeigte Ausführungsform der Drucklager/Kopplungseinrichtung ist eine Abwandlung gegenüber der Ausführungsform nach den Fig. 14 bis 16, und zwar insofern als die Kugeln durch Rollen als Lastaufnähmeteile ersetzt sind. Der Ring 141 hat dieselbe allgemeine Gestalt wie in den Fig. bis 16, mit Lagerstützen 142 und 143, die gleichmäßig beabstandet sind, und mit Fluidkanälen 144. Die Oberflächen der vier Lagerstützen 142, die um 90° gegeneinander versetzt sind, weisen Ausnehmungen auf, die Laufbahnen für die Rollenteile bilden. Die verbleibenden Lagerstützen 143 dienen nur zur axialen Lastaufnahme ohne irgendwelche zugeordneten Lastaufnahme-Rollenelemente. Die Oberflächen 145 der Lagerstützen 142, die der Oberfläche 17 der umlaufenden Abschlußplatte 16 zugewandt sind, sind mit eingeschnittenen Ausnehmungen 146 versehen. In gleicher Weise ist die Oberfläche 17 mit vier entsprechenden Ausnehmungen 147 versehen, die in sie eingeschnitten sind, wobei die zwei Ausnehmungen eine im wesentlichen geschlossene Bahn bilden, in der eine Rolle 148 sich wie in Fig. 21 gezeigt bewegen kann. Der Wert der miteinander kombinierten Tiefen der Ausnehmungen 146 und 147 ist etwas kleiner als der Durchmesser der Rolle 148, und in gleicher Weise wie die Kugeln bei der Ausführungsform nach den Fig. 14 bis 20 ist der Rollweg gleich dem Umlaufradius R . Die Lagerstützen sind ebenfalls mit Einschnitten 149 versehen, die in die

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Oberfläche 150 eingeschnitten sind und der Oberfläche 12 der Abschlußplatte 11 des feststehenden Schneckenteils gegenüberliegen. In gleicher Weise ist die Oberfläche 12 mit vier Ausnehmungen 151 (Fig. 23) versehen, die den Ausnehmungen 149 entsprechen. Wie in den Fig. 21 und 23 gezeigt ist, sind die Ausnehmungen 149 und 151 derart bezüglich der Ausnehmungen 146 und 147 orientiert, daß die in den Ausnehmungen 149 und 151 laufenden Rollen 152 mit ihren langen Achsen um 90° gegen die langen Achsen der Rollen 148 versetzt sind. Wie bei den Kugeln 131, 137 nach den Fig. 14 bis 20 erfüllen die Rollen und der Ring mit seinen Lagerstützen bei der Ausführungsform nach den Fig. 21 bis 23 sowohl die Funkton der axialen Lastaufnahme als auch die Kopplungsfunktion. Im Rahmen der Erfindung können bei der Ausführungsform nach den Fig. 18 bis 20 auch Rollen anstelle von Kugeln als Lastaufnahmeelemente verwendet werden.

Aus der vorstehenden detaillierten Beschreibung der Drucklager/-Kopplungseinrichtung und der damit ausgerüsteten Schneckenmaschine ist ersichtlich, daß Schneckenkompressoren, Schneckenexpansionsmaschinen und Schneckenpumpen (sowohl Flüssigkeitsais Vakuumpumpen) geschaffen, die relativ leicht herstellbar sind, leicht zusammengebaut und ausgerichtet werden können und die ein zuverlässiges Aggregat mit hoher Lebensdauer und guten Betriebswerten schaffen. Die verschiedenen Einzelteile dieser Schneckenmaschinen, d.h. die Schneckenteile und die Gehäuseteile, können aus geeignetem Plastikmaterial gebildet sein, z.B. aus Polyamiden o.dgl., oder aus Metall, je nach der Funktion der Vorrichtung.Z.B. können Pumpenteile aus Plastik gebildet werden, während Kompressoren und Expansions-maschinen normalerweise aus Metall, z.B. rostfreiem Stahl, hergestellt werden. Die zum Einschneiden der Ausnehmungen erforderlichen Bearbeitungsvorgänge sind einfach, und im Handel erhältliche Lagerkugeln sind als Lastaufnahmeteile geeignet.

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Die erfindungsgemäßen Kompressoren, Expansionsmaschinen und Pumpen weisen eine Anzahl bestimmter Vorteile als Nebenaggregate in Kraftfahrzeugsystemen auf. Sie sind kostengünstig herstellbar, haben ein geringes Gewicht und einen hohen Wirkungsgrad; wegen ihrer besonderen Arbeitsweise üben sie keine schädlichen Drehmomente auf das Antreibsaggregat aus, von dem sie angetrieben werden.

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Claims

MÜLLER-BORIS · DEUI¹EL · SCHÖN · SERTEL

DR. WOLFGANG MÜLLER-BORE (PATENTANWALT VON 1927- 1975) DR. PAUL DEUFEL, DIPL-CHEM. DR. ALFRED SCHÖN, D1PL.-CHEM. WERNER HERTEL, DIPL.-PHYS.

ZUGELASSENE VERTRETER BEIM EUROPAISCHEN PATENTAMT REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE MANDATAIRES AGREES PRES U¹OFFICE EUROPEEN DES BREVETS

L 1210

Arthur D. Little, Inc. Cambridge, Mass., V.St.A.

Drucklager/Kopplungseinrichtung und damit ausgerüstete

Schneckenmaschine

PATENTANSPRÜCHE :

Drucklager/Kopplungseinrichtung, die in der Lage ist, gleichzeitig ein umlaufendes Schneckenteil mit einem vorbestimmten Umlaufradius und ein feststehendes Schneckenteil in vorbestimmter Winkelbeziehung miteinander zu koppeln, während das umlaufende Schneckenteil bezüglich des feststehenden Schneckenteils umläuft, und auf die Schneckenteile ausgeübte Axiallasten aufzunehmen, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

a) eine Mehrzahl erster, kreisförmiger, voneinander beabstandeter Ausnehmungen (52), die in einer Oberfläche (54) des umlaufenden Schneckenteils (15) eingeschnitten sind;

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MÜNCHEN 86, SIEBERTSTR. 4 · POB 860720 · KABEL: MUEBOPAT · TEL. (O89) 474005 · TELECOPIER XEROX 400 ■ TELEX 5-2428B

b) eine Mehrzahl »reiter, kreisförmiger, voneinander beabstandeter Ausnehmungen (53) derselben Querschnittsgestalt wie die ersten Ausnehmungen (52), die in eine in bezug auf das umlaufende Schneckenteil (15) ortsfest gehaltene Oberfläche (55) eingeschnitten sind und den ersten Ausnehmungen gegenüberliegen, wobei die Mitten sämtlicher Ausnehmungen auf Kreisen desselben Radius liegen; und

c) eine Axiallast-Aufnahme-Rollkugel (51), die innerhalb jeweils eines Paares der Ausnehmungen (52, 53) bewegbar ist, wobei der Durchmesser der Kugeln und der Ausnehmungen relativ zueinander so gewählt ist, daß er an den Umlaufradius angepaßt ist, während die vorbestimmte Winkelbeziehung zwischen den Schneckenteilen aufrechterhalten bleibt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehende Oberfläche (55) durch eine Gehäuseeinrichtung (30) gebildet ist, welche die Schneckenteile (10, 15) einschließt, wodurch die Einrichtung expansive Axiallasten aufnimmt, die bestrebt sind, die Schneckenteile voneinander zu entfernen.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehende Oberfläche durch das feststehende Schnekkenteil gebildet ist, wodurch die Einrichtung kompressive Lasten aufnimmt, die bestrebt sind, die Schneckenteile gegeneinander zu drücken.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmigen Ausnehmungen so bemessen sind, daß sie den Kugeln gestatten, sich um einen Abstand zu bewegen, der gleich der Hälfte des Umlaufradius des umlaufenden Schneckenteils ist, und zwar in allen Richtungen von ihren Mittelstellungen ausgehend.

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5. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsgestalt der kreisförmigen Ausnehmungen wenigstens einen abgeschrägten Abschnitt (61) enthält.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsgestalt der kreisförmigen Ausnehmungen rechtwinkelig ist.
7. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Kugelhalterungsring (56) , der zwischen den einander zugewandten Oberflächen angeordnet ist und in den voneinander beabstandete Löcher (57) eingeschnitten sind, deren Durchmesser etwas größer ist als derjenige der Kugeln (51).
8. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch:

e) eine dritte Mehrzahl von kreisförmigen Ausnehmungen, die in eine andere Oberfläche des umlaufenden Schneckenteils eingeschnitten sind;

f) eine vierte Mehrzahl von kreisförmigen Ausnehmungen, die in eine andere, in bezug auf das umlaufende Schnekkenteil ortsfeste Oberfläche eingeschnitten sind und den dritten Ausnehmungen gegenüberliegen, wobei die dritten und vierten Ausnehmungen gleiche Querschnittsgestalt und Mitten aufweisen, die auf Kreisen desselben Radius liegen; und

g) eine Axiallast-Aufnahme-Rollkugel, die in jeweils einem Paar der einander gegenüber angeordneten dritten bzw. vierten Ausnehmungen angeordnet ist, wobei der Durchmesser der Kugeln und der dritten und vierten Ausnehmungen relativ zueinander derart gewählt ist, daß die vorbestimmte Winkelbeziehung zwischen den Schneckenteilen aufrechterhalten bleibt.

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9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehenden Oberflächen an dem feststehenden Schneckenteil und an der Gehäuseeinrichtung, die die Schneckenteile einschließt,' gebildet sind.
10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

daß beide feststehenden Oberflächen von einer die Schnekkenteile umschließenden Gehäuseeinrichtung gebildet sind.
11. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten und vierten kreisförmigen Ausnehmungen so bemessen sind, daß die Kugeln in allen Richtungen ausgehend von ihren Mittelstellungen einen Bewegungsweg ausführen können, der gleich dem halben Umlaufradius des umlaufenden Schneckenteils ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

daß die Querschnittsgestalt der dritten und vierten kreisförmigen Ausnehmungen wenigstens einen abgeschrägten Abschnitt aufweist.
13. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

daß die Querschnittsgestalt der dritten und vierten kreisförmigen Ausnehmungen rechtwinkelig ist.
14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln in den Paaren von einander gegenüberliegenden dritten und vierten Ausnehmungen einen Durchmesser aufweisen, der verschieden von demjenigen der Kugeln in den Paaren von einander gegenüberliegenden ersten und zweiten Ausnehmungen ist.
15. Drucklager/Kopplungseinrichtung, die imstande ist, gleichzeitig ein umlaufendes Schneckenteil mit einem feststehenden Schneckenteil in vorbestimmter Winkelbeziehung zu

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koppeln, während das umlaufende Schneckenteil in bezug auf das feststehende Schneckenteil umläuft, und die auf die Schnecktenteile ausgeübten Axiallasten aufzunehmen, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Elemente:

a) Lastaufnahme-Rollelemente;

b) ein Ringelement (125), das mit einer Mehrzahl von gleichmäßig beabstandeten Lagerstützen (126) versehen ist, die mit ersten und zweiten, einander gegenüber angeordneten Oberflächen versehen sind, in welche jeweils eine Ausnehmung eingeschnitten ist, so daß eine Mehrzahl von ersten und zweiten, einander gegenüber angeordneten Ausnehmungen gebildet ist;

c) eine Mehrzahl von dritten Ausnehmungen, die in eine Oberfläche des umlaufenden Schneckenteils entsprechend der Lage der ersten Ausnehmungen eingeschnitten sind und mit diesen eine erste Mehrzahl von Bahnen für die Lastaufnahme-Rollelemente bilden, die darin festgehalten sind; und

d) eine Mehrzahl von vierten Ausnehmungen, die in eine

in bezug auf das umlaufende Schneckenteil feststehende Oberfläche entsprechend der Lage der zweiten Ausnehmungen eingeschnitten sind und mit diesen eine zweite Mehrzahl von Bahnen für die darin festgehaltenen Lastaufnahme-Rollelemente bilden, wobei die ersten und zweiten Bahnen jeweils eine Größe und Gestalt aufweisen, die es ermöglichen, daß die Lastaufnahme-Rollelemente eine Schwingbewegung über einen Abstand ausführen, der gleich dem dem umlaufenden Schneckenteil zugeordneten Umlaufradius ist, und wobei die langen Achsen der ersten Bahnen senkrecht zu denen der zweiten Bahnen sind.
16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastaufnahme-Rollelemente Kugeln sind.

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17. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastaufnahme-Rollelemente Rollen sind.
18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, gekennzeichnet durch

e) ein zweites Ringteil mit einer Mehrzahl von gleichmäßig beabstandeten Lagerstützen, die erste und zweite, einander gegenüber angeordnete Oberflächen aufweisen, in jede von welchen eine Ausnehmung eingeschnitten ist, so daß eine Mehrzah 1 <von dritten und vierten, einander gegenüber angeordneten Ausnehmungen gebildet wird;

f) eine Mehrzahl von fünften Ausnehmungen, die in eine andere Oberfläche des umlaufenden Schneckenteils ent sprechend der Lage der dritten Ausnehmungen eingeschnitten sind und mit diesen eine dritte Mehrzahl von Bahnen für die darin festgehaltenen Lastaufnahme-Rollelemente bilden;

g) eine Mehrzahl von sechsten Ausnehmungen, die in eine in bezug auf das umlaufende Schneckenteil ortsfest gehaltene Oberfläche entsprechend der Lage der vierten Ausnehmungen eingeschnitten sind und mit diesen eine vierte Mehrzahl von Bahnen für die darin festgehaltenen Lastaufnahme-Rollelemente bilden, wobei die dritten und vierten Bahnen jeweils eine solche Größe und Gestalt haben, daß die Lastaufnahme-Rollelemente eine Schwingbewegung über einen Abstand ausführen können, der gleich dem dem umlaufenden Schneckenteil zugeordneten umlaufenden Radius ist, und wobei ferner die langen Achsen der dritten Bahnen rechtwinkelig zu denen der vierten Bahnen sind.
19. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die ortsfesten Oberflächen durch das feststehende Schneckenteil und durch ein die Schneckenteile umschließendes Gehäuse gebildet sind.

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20. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß beide feststehenden Oberflächen durch ein die Schneckenteile umschließendes Gehäuse gebildet sind.
21. Vorrichtung zur direkten FIuidVerdrängung, die geeignet ist als Fluidkompressor, Expansionsmaschine oder Pumpe, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Elemente :

a) ein feststehendes Schneckenteil (10) mit einer feststehenden Abschlußplatte und einer feststehenden Evolventenwindung (13);

b) ein umlaufendes Schneckenteil (15) mit einer umlaufenden Abschlußplatte und einer umlaufenden Evolventenwindung (18);

c) eine Einrichtung (25) , die das umlaufende Schneckenteil mit einem vorbestimmten Umlaufradius in Umlauf in bezug auf das feststehende Schneckenteil bringt, wodurch die Evolventenwindungen einen Kontakt längs bewegten Linien herstellen, um bewegte Kammern veränderlichen Volumens einschließlich einer mittleren Kammer abzudichten und zu begrenzen;

d) ein Gehäuse (30), welches das feststehende und das umlaufende Schneckenteil einschließt und um diese herum eine Umfangs-Fluidzone begrenzt; und

e) eine Drucklager/Kopplungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehende und die umlaufende Evolventenwindung jeweils im wesentlichen eineinhalb Gänge bzw. Windungen aufweisen und daß die Vorrichtung eine Pumpe ist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehende und die umlaufende Evolventenwindung jeweils eine Mehrzahl von Gängen bzw. Windungen aufweisen und daß die Vorrichtung ein Kompresser oder eine Expansionsmaschine ist.

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