DE3143206C2

DE3143206C2 -

Info

Publication number: DE3143206C2
Application number: DE3143206A
Authority: DE
Inventors: Eiichi Shimizu Jp Hazaki; Masaya Ibaraki Jp Imai; Kenji Tojo; Masao Shimizu Jp Shiibayashi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1980-10-31
Filing date: 1981-10-30
Publication date: 1987-11-12
Also published as: KR880001895B1; US4462772A; US4555224A; JPS5776201A; KR830008009A; DE3143206A1; JPS6119803B2; USRE33473E

Description

Die Erfindung betrifft eine Lagerschmiervorrichtung für eine Rotationskolbenmaschine mit einem feststehenden und einem ohne Eigenrotation umlaufenden Spiralelement der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Aus der US-PS 40 65 279 ist eine gattungsgleiche Schmier vorrichtung für eine Rotationskolbenmaschine mit einem feststehenden und einem ohne Eigenrotation umlaufenden Spiralelement bekannt, bei welcher die über einen exzen trischen Zapfen mit einer Kurbel verbundene Antriebswelle in ihrem oberen Endbereich in zwei Gleitlagern gelagert ist, die durch eine einteilige Lagerbuchse gebildet und durch eine mittlere ringförmige Ausnehmung voneinander getrennt sind. Im Bereich des oberen und unteren Gleit lagers sind in der Welle Längskanäle diametral gegenüber liegend ausgebildet, die mit der ringförmigen Ausnehmung in der Lagerbüchse in Strömungsverbindung stehen. Zumindest zwei diametral gegenüberliegende Längskanäle bzw. Schmier nuten sind in der durch die Mittellinie des Exzenterzapfens und die Achse der Antriebswelle definierten Ebene ange ordnet. Beide Gleitlager werden über einen in der Antriebs welle parallel zu deren Achse verlaufenden Ölzufuhrkanal und eine Radialbohrung mit Schmieröl versorgt, das über die Schmiernut im oberen Gleitlager in die ringförmige Ausnehmung und aus dieser anschließend in das untere Gleit lager fließt. Aufgrund des höheren Temperaturniveaus des bei seinem Durchfluß erwärmten Öls wird das untere Gleit lager nur unzureichend gekühlt, so daß sich ein den auf die Antriebswelle wirkenden Kippmomenten entgegenwirkender Öldruck nicht aufbauen kann. Das dem oberen Gleitlager über den achsparallel in der Antriebswelle verlaufenden Zufuhrkanal und die Radialbohrung zugeführte Öl kann zu mindest teilweise in eine Gehäusekammer ausfließen, in welcher u. a. die Kurbel der Antriebswelle angeordnet ist. Zusätzlich ist in der Antriebswelle ein weiterer Ölzufuhrkanal exzentrisch zur Wellenachse vorgesehen, der an der Oberseite der Antriebswelle ausmündet und der drehbaren Zapfenverbindung zwischen der Kurbel und dem umlaufenden Spiralsegment Schmieröl zuführt. Nachteilig bei dieser bekannten Schmierölversorgung ist die relativ hohe Erwärmung des Schmieröls in den Gleitlagern und die dadurch verringerte Druckfestigkeit des Ölfilms. Insbe sondere bei den im Abschalt-Betrieb auftretenden niedrigeren Drehzahlen ergibt sich eine unzureichende Schmierölförderung zu den verschiedenen Gleitflächen aufgrund der entsprechend verringerten Fliehkräfte.

Im übrigen gehört es bereits seit langem zum Fachwissen eines Durchschnittsfachmanns (vgl. Niemann: "Maschinen elemente I", 1958, S. 241 u. 249) daß in Wellenlagern der tragende Schmierdruck hydrodynamisch in den keilförmigen Spalt zwischen den Gleitflächen entsteht, weil das Schmieröl aufgrund seiner Adhäsion und Zähigkeit durch die Gleit bewegung mitgerissen und in den sich verengenden Spalt gepreßt wird, so daß ein entsprechender Druck auf die Welle ausgeübt wird. Das Maximum des Schmierdrucks liegt in Umlaufrichtung kurz vor der engsten Stelle des Spalts und kann hinter dieser Stelle in einen Unterdruck übergehen. Zur Ausnutzung dieses Effektes erfolgt die Schmierölzu- und -abführung zweckmäßig in unbelasteten Zonen, die etwa um 90° zur Kraftrichtung versetzt sind.

In der - nachveröffentlichten - DE-OS 31 09 301 wird eine Lageanordnung für die Kurbelwelle einer Rotationskolben maschine vorgeschlagen, bei der die axiale Mitte des dem umlaufenden Spiralelement am nächsten gelegenen Lagers in einer Ebene liegt, die normal zur Kurbelwellenachse durch den Angriffspunkt der vom Spiralelement erzeugten Radialkraft verläuft. Eine von einem Gehäuseteil und dem umlaufenden Spiralelement begrenzte Kammer steht mit den Gleitlagern des Kurbelzapfens in Strömungsverbindung und wird durch Drosselbohrungen im umlaufenden Spiralelement mit einem Zwischendruck beaufschlagt. Da auf das im Sumpf gesammelte Schmieröl der anliegende Maximaldruck einwirkt, wird durch die bestehende Druckdifferenz zwischen diesem Maximaldruck und dem Zwischendruck in der oberen Kammer eine Förderwirkung im exzentrisch in der Kurbelwelle ver laufenden Zufuhrkanal erzeugt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lagerschmiervorrichtung für eine Rotationskolbenmaschine der angegebenen Gattung zu schaffen, die eine bessere Schmierölversorgung und damit eine intensivere Kühlung der Lager des Wellenschaftes und des Kurbelzapfens sicherstellt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die angestrebt bessere Schmierölversorgung der Kurbelwellen lager wird einmal durch eine gesonderte Ölzuführung zu den einzelnen Gleitlagern und zum anderen durch den Diffe renzdruck zwischen dem auf den Ölsumpf einwirkenden Maximal druck und dem Zwischendruck in der oberen Kammer erreicht, welcher eine zusätzliche Förderwirkung auf das im Ölsumpf befindliche Schmieröl ausübt.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des Anspruchs 2.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die wesentlichen Teile einer Rotations kolbenmaschine mit der Ölzufuhrvorrichtung im Vertikalschnitt,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Kurbelwelle mit Ölkanälen,

Fig. 3 einen Vertikalschnitt der Kurbelwelle mit den Lagerbelastungen bei ihrer Drehung im Gegenuhrzeigersinn um 90°,

Fig. 4 bis 6 die Beziehung zwischen der Belastungsrichtung jedes Lagers der Öldruckverteilung in den Ebenen V-V, VI-VI und VII-VII in Fig. 3,

Fig. 7 und 8 zwei weitere Ölzufuhrvorrichtungen im Vertikalschnitt.

In einem Gehäuse sind ein ortsfestes Spiralelement 2 und ein umlaufendes Spiralelement 3 angeordnet. Beide Spiral elemente 2 und 3 weisen Endplatten auf und werden in gegen seitiger Druckanlage gehalten. An der Unterseite des um laufenden Spiralelements 3 ist ein Gleitlager 8 befestigt, in dem ein Kurbelzapfen 9 b einer Kurbelwelle 9 gelagert ist. Der Wellenschaft 9 a der Kurbelwelle 9 ist über ein oberes und ein unteres Gleitlager 11, 12 in einem Gehäuse teil 10 gelagert. Die Kurbelwelle 9 wird von einem Elekto motor angetrieben. Durch Rotation der Kurbelwelle 9 be schreibt das umlaufende Spiralelement 3 eine Kreisbewegung und wird durch eine Oldham-Kupplung 14, 15 an einer Eigen rotation gehindert. Zu verdichtendes Fluid wird in die zwischen den beiden Spiralelementen 2 und 3 gebildeten Räume angesaugt, durch die Umlaufbewegung des Spiralelements 3 verdichtet, und durch einen Auslaß 17 in eine Kammer im Gehäuse gepreßt, aus der es über eine Förderleitung abgeführt wird. Bei der Verdichtung übt der Fluiddruck seitliche Kräfte auf das umlaufende Spiralelement 3 aus. Diese Kräfte beaufschlagen den Kurbelzapfen 9 b über das Gleitlager 8 und werden auf den Wellenabschnitt 9 a über tragen, so daß die Gleitlager 8, 11 und 12 radialen Be lastungen ausgesetzt sind. In der Kurbelwelle 9 ist ein axialer Zufuhrkanal 19 mit nach oben zunehmender Exzen trizität ausgebildet, über den Schmieröl aus dem Ölsumpf in der Kammer den Lagern 11 und 12 zugeführt wird. Ferner wird Schmieröl durch die Fliehkraft-Pumpwirkung des exzen trischen Zufuhrkanals 19 in einen oberen Ölraum 20 gefördert, der von der Stirnfläche des Kurbelzapfens 9 b, dem Gleitlager 8 und dem umlaufenden Spiralelement 3 begrenzt ist. Aus dem Ölraum 20 fließt das Schmieröl zu einer axial als Abflachung in der Mantelfläche des Kurbelzapfens 9 b gebildeten Schmiernut 21 und schmiert dabei das Gleitlager 8. Das Schmieröl gelangt über eine Ringnut 23 am Fuß des Kurbel zapfens 9 b in eine Zwischenkammer 25, die vom Gehäuseteil 10 und dem umlaufenden Spiralelement 3 begrenzt wird. Die Ringnut 23 befindet sich in der Verbindung zwischen dem Kurbelzapfen 9 b und einem Ausgleichsgewicht der Kurbel welle 9 und das durchfließende Öl schmiert ein am unteren Teil des Gleitlagers 8 einstückig ausgebildetes Axial drucklager 24.

Die Ölzufuhr zum oberen Gleitlager 11 erfolgt über eine vom Zufuhrkanal 19 abzweigende Radialbohrung 26 und eine als Abflachung 27 am Wellenschaft 9 a ausgebildete Schmier nut. Das Öl strömt nach dem Schmieren des oberen Gleit lagers 11 durch eine zwischen dem Wellenschaft 9 a und dem Ausgleichsgewicht angeordnete Ringnut 28 und zu einem oben am Gleitlager 11 einstückig ausgebildeten Axialdruck lager 29, welches geschmiert wird bevor das Öl in die Zwischenkammer 25 austritt. Ein Teil des in das obere Gleitlager 11 geführten Schmieröl fließt in einen Ring raum 30 zwischen dem Wellenschaft 9 a, dem Gehäuseteil 10 und den Gleitlagern 11 und 12 und aus diesen durch eine Auslaßbohrung 31 im Gehäuseteil 10 in die Kammer 1.

Aus der Zwischenkammer 25 wird Schmieröl durch schmale Bohrungen 32 im umlaufenden Spiralelement 3 den miteinander in Eingriff stehenden Teilen der beiden Spiralelemente 2 und 3 zugeführt. Somit herrscht in der Zwischenkammer 25 ein Zwischendruck zwischen dem Förder- und dem Saugdruck. Durch die Druckdifferenz zwischen dem Förder- und dem Zwischendruck und durch die Fliehkraft-Pumpwirkung des exzentrischen Zufuhrkanals 19 wird das Öl zu dem oberen Gleitlager 11 und dem Gleitlager 8 des umlaufenden Spiral elements 3 gefördert.

Die Ölzufuhr zum unteren Gleitlager 12 des Wellenschafts 9 a erfolgt durch eine vom exzentrischen Ölzufuhrkanal 19 abzweigende Radialbohrung 33 und durch eine als axiale Abflachung 34 am Wellenschaft 9 a ausgebildete Schmiernut. Das Öl tritt nach Schmieren des unteren Gleitlagers 12 nach oben in die Ringkammer 30 und nach unten in die Kammer 1 aus.

Eine Besonderheit der Ölzuführung besteht darin, daß die axialen Schmiernuten 21, 27 und 34 an der Mantelfläche der Kurbelwelle als vertiefte Abschnitte bzw. Abflachungen gebildet sind, und die Radialbohrungen 26 und 33 zu den Mantelflächen der Kurbelwelle führen. Die Innenflächen der Gleitlager weisen keine Axialnuten auf. Die Abflachungen 21, 27, 34 an der Kurbelwelle können jedoch auch durch Axialnuten ersetzt werden.

Eine weitere Besonderheit besteht darin, daß die Ölzufuhr zu den Gleitlagern an Stellen erfolgt, die von den Wirkungs linien der seitlichen Lagerbelastungen beabstandet sind. Die axialen Abflachungen 21, 27 und 34 sowie die Radial bohrungen 26 und 33 sind so angeordnet, daß ihre Mittel linien auf der Verbindungslinie X der Wellenachse S mit der Achse C des Kurbelzapfens 9 b liegen. Die vom verdichte ten Fluid auf das umlaufende Spiralelement 3 ausgeübte seitliche Kraft P, die auf den Kurbelzapfen 9 b der Kurbel welle 9 übertragen wird, ist ständig annähernd senkrecht zur Verbindungslinie X (vgl. Fig. 2) gerichtet und bewegt sich synchron mit der Kurbelwelle 9. Ihre Komponente P _x in Richtung der Verbindungslinie X und ihre Komponente P ₁ senkrecht zu dieser Linie X haben ein Größenverhältnis P _x : P ₁ von ca. 1 : 8. Die Kraft P ist demnach etwa gleich der Kraft komponente P ₁ hinsichtlich Größe und Richtung.

Da die Schmiernuten 21, 27 und 34 auf der Linie X liegen, ist die Schmiernut 21 in bezug auf die Wirkrichtung der Kraft P um 90° in Rotationsrichtung der Kurbelwelle 9 versetzt. Die Schmiernut 27 ist um 180° zu den Schmiernuten 21 und 34 versetzt. Somit sind alle Schmiernuten 21, 27 und 34 in Rotationsrichtung der Kurbelwelle 9 um 90° zur Wirkungslinie der seitlichen Belastung der Kurbelwelle versetzt, so daß eine wirksame Schmieröl-Gegenkraft erzeugt wird. Diese Anordnung der Schmiernuten 21, 27 und 34 be günstigt auch die Herstellung der Radialbohrungen 26 und 33, die mit der exzentrischen Ölzufuhrleitung 19, die auf der Linie X liegt (von oben gesehen), verbunden sind.

Bei Rotation der Kurbelwelle 9 in Richtung eines Pfeils A in Fig. 3 beschreibt das umlaufende Spiralelement 3 eine Kreisbewegung um das feststehende Spiralelement 2, wodurch angesaugtes Gas zwischen den beiden Spiralelementen 2 und 3 verdichtet und abgefördert wird. Während dieses Verdichtungszyklus beaufschlagt der Gasdruck in den durch die beiden Spiralelemente 2 und 3 gebildeten hermetisch dichten Räumen den Kurbelzapfen 9 b der Kurbelwelle 9 über das umlaufende Spiralelement 3 und das Gleitlager 8 mit einer Kraft P ₁. Dadurch wird die Kurbelwelle 9 zwi schen dem oberen Gleitlager 11 und dem unteren Gleitlager 12 schräggestellt. Infolgedessen wird das obere Gleitlager 11 mit einer Kraft P ₂ und das untere Gleitlager 12 mit einer Kraft P ₃beaufschlagt. Die Fig. 4-6 zeigen die Be ziehung zwischen den Positionen der Schmiernuten 21, 27 und 34 und den Kraftrichtungen bzw. deren Kraftkomponente P ₁. Die Schmiernuten 21, 27 und 34 sind im Uhrzeigersinn um jeweils 90° gegenüber den Wirklinien der Lasten P ₁ bzw. P ₂ bzw. P ₃ versetzt und die Kräfte P ₁, P ₂ und P ₃ bewegen sich synchron mit der Rotation der Kurbelwelle 9. Damit erzeugt das über die Schmiernuten 21, 27 und 34 in die Gleitlager 8, 11 und 12 geführte Öl Gegenkräfte F ₁, F ₂ und F ₃ zu den Lasten P ₁, P ₂ und P ₃ (vgl. Fig. 4-6). Diese Lagebeziehungen zwischen den Wirklinien der Lasten P ₁, P ₂ und P ₃ und den Schmiernuten 21, 27 und 34 der je weiligen Gleitlager bleiben gleich, so daß auch der in jedem Lager erzeugte Ölfilmdruck gleichartig ist.

Der Mittelpunkt C ₁ des Kurbelzapfens 9 b wird durch die Last aus dem Mittelpunkt B ₁ des Gleitlagers 8 verschoben, wobei der Mindestspalt Za ₁ und ein Maximalspalt Za ₂ auf der die Mittelpunkte C ₁ und B ₁ verbindenden Linie Y ₁ liegen. Das aus der Schmiernut 21 eingeführte Öl wird in den Lager spalt durch die Rotation des Kurbelzapfens 9 b sowie durch den Zufuhrdruck eingezogen und in Drehrichtung in den sich verengenden Lagerspalt gedrückt. Aufgrund der auftre tenden Keilwirkung steigt der Ölfilmdruck vom Maximalspalt Za ₂ auf einen Höchstwert F ₁ vor dem Mindestspalt Za ₁. Danach fällt der Ölfilmdruck auf einen Zwischendruck im Mindestspalt Za ₁. Im Bereich vom Mindestspalt Za ₁ in Drehrichtung des Kurbelzapfens 9 b fällt der Ölfilmdruck unter den Zwischendruck und steigt danach wieder bis auf den Zufuhrdruck an der Schmiernut 21. Da sich der Lager spalt zwischen der Schmiernut 21 und dem Maximalspalt Za ₂ in Drehrichtung des Kurbelzapfens 9 b erweitert, fällt der Ölfilmdruck.

Wie vorstehend erläutert, können optimierte Ölfilmdrücke F ₁-F ₃ kontinuierlich in den Lagern 8, 11 und 12 erzeugt werden, um die Kräfte P ₁-P ₃ an den Lagergleitflächen auf zunehmen. Die Ölfilmdrücke F ₁-F ₃ wirken der Neigung der Kurbelwelle 9 durch die Kräfte P ₁-P ₃ entgegen und verhindern Kontakte zwischen der Kurbelwelle 9 und den Gleitlagern 8, 11 und 12. Da die Schmiernuten 21 und 27 in die Zwischen kammer 25 und die Schmiernut 34 in die Kammer 1 münden, wird eine Beeinflussung der Ölzufuhr durch Ausgasen des Schmieröls in den Ölzufuhrleitungen vermieden. Da die Schmiernuten 21, 27 und 34 mit der Kurbelwelle 9 umlaufen, wird den Lagern jederzeit frisches Öl zugeführt, wodurch sie intensiv gekühlt werden.

Bei den in Fig. 7, 8 dargestellten Ausführungsbeispielen sind zur Verbesserung der Ölfilmdrücke und der Kühlung der Lager im Wellenschaft 9 a Ringnuten 35 und 36 vorge sehen, in die Radialbohrungen 26 und 33 ausmünden. Dadurch wird das jeweilige Ölvolumen im Lager und der Ölfilmdruck erhöht und die Lagerkühlung verbessert.

Die Schmiernuten 21, 27 und 34 müssen nicht genau in den beschriebenen Positionen angeordnet werden, sondern können auch andere von den Wirklinien der Kräfte P ₁-P ₃ beabstandete Positionen einnehmen, solange die durch Keilwirkung erzeug ten Ölfilmdrücke F ₁, F ₂ und F ₃ entsprechend den Kräften P ₁, P ₂ und P ₃ nicht wesentlich beeinflußt werden. Bei der Lagebestimmung der Schmiernuten kann auch die auf das umlaufende Spiralelement 3 wirkende Fliehkraft mitberück sichtigt werden, die entgegengesetzt zur Richtung der Kraftkomponente P _x von Fig. 2 wirkt.

Claims

1. Lagerschmiervorrichtung für eine Rotationskolbenmaschine
mit einem feststehenden und einem ohne Eigenrotation umlau fenden Spiralelement, deren Kurbelwelle durch zwei Gleitlager in einem Gehäuse gelagert ist und über einen mit einem Gleitlager versehenen Kurbeltrieb mit dem umlaufenden Spiralelement in Verbindung steht,
mit an der Außenfläche der Kurbelwelle im Bereich der beiden Gleitlager längsverlaufend und in der Ebene der die Kurbelwellenachse (S) und die Kurbelzapfenachse (C) verbindenden Linie (X) diametral gegenüberliegend angeordneten Schmiernuten, von denen die obere über eine Radialbohrung mit einem exzentrisch in der Kurbel welle verlaufenden axialen Zuführkanal verbunden ist, der durch Eintauchen der Kurbelwelle in einen Schmier ölsumpf mit Schmieröl versorgt wird,
mit einer an der Außenfläche des Kurbelzapfens axial verlaufenden Schmiernut, die über einen vom Kurbelzapfen stirnseitig begrenzten Verteilerraum mit dem axialen Züführkanal in der Kurbelwelle in Verbindung steht, und
mit einer vom Gehäuse und vom umlaufenden Spiralelement begrenzten Kammer, die mit den Schmiernuten in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet,
daß die im Kurbelzapfen (9 b) ausgebildete Schmiernut (21) ebenfalls in der Ebene der die Kurbelwellenachse (S) und die Kurbelzapfenachse (C) verbindenden Linie (X) angeordnet ist,
daß die Schmiernut (34) des unteren Gleitlagers (12) der Kurbelwelle (9 a) über eine eigene Radialbohrung (33) mit dem Zuführkanal (19) verbunden ist,
daß auf den Schmierölsumpf Arbeitsmittel mit Hochdruck einwirkt und
daß die Kammer (25) über eine im umlaufenden Spiral element (3) angeordnete Bohrung (32) mit einem Zwischen druckraum verbunden ist.

2. Lagerschmiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kurbelwelle im Bereich der beiden Gleit lager (11, 12) Ringnuten (35, 36) ausgebildet sind, in welche die Radialbohrungen (26, 33) ausmünden.