DE3203228C2 - - Google Patents
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- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
- F01C1/00—Rotary-piston machines or engines
- F01C1/08—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing
- F01C1/082—Details specially related to intermeshing engagement type machines or engines
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- Rotary Pumps (AREA)
- Applications Or Details Of Rotary Compressors (AREA)
- Rotary-Type Compressors (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft eine Schraubenrotormaschine mit einem
Gehäuse, einem von mindestens zwei einander schneidenden parallelen
Bohrungen im Gehäuse gebildeten und durch eine Niederdrucköffnung
mit einem Niederdruckkanal und durch eine
Hochdrucköffnung mit einem Hochdruckkanal verbundenen Arbeitsraum
sowie einer Anzahl mit Schraubenrippen und dazwischenliegenden
Schraubennuten versehener und paarweise im
Kämmeingriff innerhalb der Gehäusebohrungen angeordneten Rotoren,
deren durch den Kämmeingriff paarweise zusammenwirkende
Schraubennuten V-förmige Arbeitskammern bilden, die mit
ihrer Basis in einer an die Hochdrucköffnung angrenzenden
Querebene zu den Rotorachsen enden, wobei
- a) je ein Rotor eines jeden Rotorpaares als weiblicher Rotor mit wenigstens hauptsächlich innerhalb seines Teilkreises liegenden Schraubenrippen und -nuten und der andere Rotor als männlicher Rotor mit wenigstens hauptsächlich außerhalb seines Teilkreises liegenden Schraubenrippen und -nuten ausgebildet sind, und die Schraubenrippen des einen Rotors den von den Schraubennuten des anderen Rotors bei der Drehung im Kämmeingriff entwickelten Einhüllenden zur Bildung einer fortlaufenden Dichtlinie zwischen den Rotoren folgen,
- b) jede Rotornut eine primäre Flanke, welche, in Umfangsrichtung betrachtet, die Außenwand des von der Schraubennut des weiblichen Rotors gebildeten Schenkels und die Innenwand des von der Schraubennut des männlichen Rotors gebildeten Schenkels der V-förmigen Kammer darstellt, und eine sekundäre Flanke, welche die jeweils andere Wand des betreffenden Schenkels der V-förmigen Kammer darstellt, aufweist,
- c) in einer beliebigen von der Rotorachse durchsetzten Querebene die Tangente an das Profil der primären Flanke eines jeden Rotors im Schnittpunkt mit dem zugehörigen Teilkreis einen spitzen Winkel mit einem vom Achszentrum des Rotors durch diesen Schnittpunkt verlaufenden Radialstrahl einschließt und
- d) das Profil der primären Flanke des männlichen Rotors zwei in einem gemeinsamen Punkt aneinander anschließende, konvex gekrümmte Flankenabschnitte aufweist, wobei der radial äußere Abschnitt einer hauptsächlich epitrochoidförmigen Kurve folgt.
Ein Rotorprofil dieser Art ist aus der DE-OS 27 35 670 bekannt.
In einer Ebene lotrecht zu der Motorachse besteht die
primäre Flanke einer jeden männlichen Rotornut aus einer Anzahl
von erzeugten Abschnitten, die mit einem kurzen Abschnitt
in Evolventengestalt im Anschluß an den Teilkreis
kombiniert sind. Der Druckwinkel der Evolvente beträgt etwa
10°. Die sekundäre Flanke ist ferner mit einem ähnlichen
Evolventenabschnitt im Anschluß an den Teilkreis versehen.
Der Winkel zwischen der Tangente an die primäre Flanke in einem
beliebigen Punkt derselben und einen durch diesen Punkt
verlaufenden Rotorradius verändert sich von Punkt zu Punkt.
Die Unterschiede zwischen diesem Winkel und dem entsprechenden
Winkel am Teilkreis folgt als eine Funktion des radialen
Abstandes zwischen dem jeweiligen Punkt und dem Teilkreis in
Gestalt einer Kurve von im wesentlichen hyperbolischer Form,
die sich zu einem Rotorradius von etwa 98,5% des Teilkreisradius
erstreckt. Dies bedeutet, daß die Funktion praktisch
über den äußeren Abschnitt der Flanke konstant ist, jedoch
innerhalb ihres Bereichs im Anschluß an den Teilkreis sehr
schnell ansteigt. Aus diesem Grunde wird auch ein Fräser zum
Fräsen des Rotors eine schnelle Änderung des Winkels an seinem
äußeren Ende erfahren, d. h., einen kurzen Krümmungsradius,
und demzufolge werden die Schneidwinkel in dem wichtigsten
Bereich der Rotorflanken mit der Notwendigkeit verhältnismäßig
weiter Toleranzen innerhalb dieses Bereichs ungünstig
werden. Ferner bringt die tatsächliche Gestalt des Fräsers
einen hohen Verschleiß mit sich, und es muß deshalb ein beträchtlicher
Betrag an Werkzeugmaterial während eines jeden
Abrichtvorgangs weggeschnitten werden. Demzufolge ist die erforderliche
Anzahl von Abrichtvorgängen hoch, und die Werkzeugkosten
schlagen, da die Anzahl der möglichen Abrichtvorgänge
begrenzt ist, beträchtlich zu Buche, was bei den endgültigen
Kosten der Rotorherstellung nicht vernachlässigt
werden kann. Noch ein weiterer Nachteil besteht darin, daß
der Krümmungsradius der Flanke am Teilkreis auf Null absinkt.
Eine solche Krümmung ist sehr schwierig herzustellen, was zu
einer geringwertigen und rauhen Oberfläche führt. Der geringe
Krümmungsradius bedeutet jedoch selbst dann, wenn eine glatte
Oberfläche fehlerfrei hergestellt wird, daß die Oberfläche
sehr hohen Oberflächenbeanspruchungen ausgesetzt wird.
In der DE-PS 15 76 923, Fig. 5, ist ein anderes Rotorprofil
gezeigt und beschrieben, bei dem ein primärer Flankenabschnitt
im Anschluß an den Teilkreis und außerhalb desselben
einer wahren Epizykloide folgt, die eine radiale Tangente und
einen Krümmungsradius von Null in ihrem Schnittpunkt mit dem
Teilkreis aufweist. Die Änderung des Tangentenwinkels als
eine Funktion des Abstandes vom Teilkreis ist auch für dieses
Profil von hyperbolischer Art mit einer Asymptote an einem
Radius gleich dem Teilkreisradius. Die Sekundärflanke des
Profils hat ebenso eine radiale Tangente in ihrem Schnittpunkt
mit dem Teilkreis. Dies bedeutet, daß der Winkel zwischen
den beiden Flanken einer Rotornut so klein ist, daß er
praktisch nicht durch Abwälzfräsen hergestellt werden kann.
Die DE-OS 24 13 708 zeigt und beschreibt ein Rotorprofil, das
eine Abänderung des in der DE-PS 15 76 923 gezeigten Profils ist,
wobei der einzige Unterschied darin besteht, daß der Tangentenwinkel
der Sekundärflanke in ihrem Schnittpunkt mit dem
Teilkreis etwa 20° beträgt, was eine Herstellung durch Abwälzfräsen
erleichtert. Jedoch ist die Primärflanke ungeändert
und hat folglich dieselben Nachteile im Hinblick auf
ihre Herstellung.
Die US-PS 40 53 263 zeigt und beschreibt ein Rotorprofil ähnlich
dem, wie es in der DE-OS 27 35 670 dargestellt ist und
das mit Flankenabschnitten der Evolventenart versehen ist.
Der Hauptunterschied zwischen den beiden Profilen liegt
darin, daß der Fräswinkel auf 20° vergrößert ist, was jedoch
immer noch in einer hyperbolischen Änderung des Teilkreiswinkels
im Verhältnis zu dem Abstand vom Teilkreis resultiert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, die
Rotorprofile einer Schraubenrotormaschine der gattungsgemäßen
Bauart dahingehend auszubilden, daß die Flankenwinkel und die
Krümmungsradien wenigstens der primären Profilflanken am
Teilkreis so groß sind, daß die Rotoren bei geringem Werkzeugverschleiß
genauer herstellbar sind, und der Wirkungsgrad
der Maschine verbessert ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein
erster der beiden konvex gekrümmten Flankenabschnitte am
männlichen Rotor, dessen radiale Extremwerte innerhalb eines
Bereichs vom 0.9-1.15fachen des Teilkreisradius (r M )
liegen, eine solche Gestalt hat, daß das Verhältnis zwischen
dem Wert, um welchen der Winkel, der zwischen der Tangente an
den ersten Flankenabschnitt in einem beliebigen Punkt darauf
und einem Radialstrahl vom Achszentrum durch diesen Punkt
eingeschlossen ist, von dem genannten spitzen Winkel (ε₁) im
Schnittpunkt mit dem Teilkreis abweicht, und dem radialen Abstand
von dem genannten beliebigen Punkt zum Teilkreis im wesentlichen
konstant und etwa gleich einem Durchschnittswert
des genannten Verhältnisses in Punkten des radial außerhalb
des ersten Flankenabschnitts gelegenen Flankenabschnitts ist.
Auf diese Weise wird die Herstellung des Rotors unabhängig
vom Herstellungsverfahren vereinfacht. Besondere Vorteile
werden bei Anwendung von Fräs- oder Schleifvorgängen erhalten,
da der Winkel zwischen den Achsen des Werkzeugs und des
Werkstückes zur Schaffung optimaler Bearbeitungsverhältnisse
frei gewählt werden kann. In Verbindung mit dem vergrößerten
Krümmungsradius des tatsächlichen Flankenabschnitts führt
dies zu engeren Toleranzen, einer glatteren Flankenoberfläche,
geringerem Werkzeugverschleiß, einer größeren Produktionszahl
von Rotoren zwischen zwei Abrichtvorgängen für das
Werkzeug und der Möglichkeit einer höheren Fräsgeschwindigkeit.
Das Werkzeug wird ferner eine Gestalt erhalten, bei
welcher zwei Flanken davon stets einen beträchtlichen Winkel
zwischen den Flanken bilden, was bedeutet, daß sich das Werkstück
einfacher herstellen läßt, und besonders, daß die bei
jedem Nachrichten wegzunehmende Materialmenge auf ein Minimum
verkleinert wird, so daß die Anzahl von Nachrichtvorgängen an
jedem Werkzeug einen Höchstwert erreicht. Mit anderen Worten,
die Qualität der Rotoren wird verbessert, während gleichzeitig
die Herstellungskosten vermindert werden. Außerdem werden
aufgrund des vergrößerten Krümmungsradius der Flanke in der
Nähe des Teilkreises die Oberflächenbeanspruchungen der
Flanke beträchtlich vermindert. In Verbindung mit der Tatsache,
daß das neue Flankenprofil zu einer geringeren relativen
Gleitgeschwindigkeit zwischen den Rotorflanken innerhalb des
wirksamen Bereichs derselben führt, wird die Abnützung der
Rotoren während des Betriebes verringert, was eine noch höhere
mechanische Zuverlässigkeit ebenso wie geringere Reibungsverluste
mit sich bringt. In Verbindung mit einem engeren Spiel
aufgrund der verbesserten Qualität der Rotoren bedeutet dies
auch eine beträchtliche Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades
der Maschine.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachstehend in ihren Einzelheiten in Verbindung
mit dem Ausführungsbeispiel eines Verdichters näher
erläutert, der in den beigefügten Zeichnungen dargestellt
ist.
Es zeigt
Fig. 1: einen senkrechten Schnitt durch einen Schraubenrotorverdichter
nach Linie 1-1 in Fig. 2,
Fig. 2: einen Querschnitt durch den Verdichter nach
Linie 2-2 in Fig. 1,
Fig. 3: eine Einzelheit aus Fig. 2 in größerem Maßstab,
Fig. 4: das Profil eines Fräsermessers,
Fig. 5: einen Ausschnitt aus Fig. 3 mit dem Profil des
männlichen Rotors und
Fig. 6: in einem Diagramm den Verlauf der Flanken des
männlichen Rotors in Abhängigkeit vom Rotorradius.
Der in den Fig. 1-3 gezeigte Schraubenrotorverdichter hat
ein Gehäuse 10, das einen Arbeitsraum 12 von im wesentlichen
der Form zweier einander schneidender zylindrischer Bohrungen
mit parallelen Achsen umschließt. Das Gehäuse 10 enthält ferner
einen Niederdruckkanal 14 und einen Hochdruckkanal 16 für
das Arbeitsmittel, welche mit dem Arbeitsraum 12 über eine
Niederdrucköffnung 18 bzw. eine Hochdrucköffnung 20 in Verbindung
stehen. In dem gezeigten Verdichter befindet sich die
Niederdrucköffnung 18 in ihrer Gesamtheit in der Niederdruckendwand
22 des Arbeitsraumes 12 und erstreckt sich in
der Hauptsache auf einer Seite einer die Bohrungsachsen enthaltenden
Ebene. Die Hochdrucköffnung 20 des gezeigten Verdichters
befindet sich teilweise in deren Mantelwand 26 und
ist in ihrer Gesamtheit auf der der Niederdrucköffnung 18
entgegengesetzten Seite der die Bohrungsachsen enthaltenden
Ebene angeordnet.
Der Arbeitsraum 12 enthält zwei zusammenwirkende Rotoren,
nämlich einen männlichen Rotor 28 und einen weiblichen Rotor
30, deren Achsen mit den Bohrungsachsen zusammenfallen. Die
Rotoren 28, 30 sind im Gehäuse 10 in Zylinderrollenlagern 32
innerhalb der Niederdruckendwand 22 und den Paaren von
Schrägkugellagern 34 innerhalb der Hochdruckendwand 24 gelagert.
Der weibliche Rotor 30 trägt ferner eine aus dem Gehäuse
10 herausragende Stummelwelle 36.
Der männliche Rotor 28 trägt vier Schraubenrippen 38 mit dazwischenliegenden
Schraubennuten 40, die einen Umschlingungswinkel
von etwa 300° haben. Der weibliche Rotor 30 weist
sechs Schraubenrippen 42 mit dazwischenliegenden Schraubennuten
44 auf, die einen Umschlingungswinkel von etwa 200° haben.
Die Schraubenrippen 42 des weiblichen Rotors 30 sind mit
radial außerhalb seines Teilkreises 46 gelegenen Ansätzen 30
versehen, und die Schraubennuten 40 des männlichen Rotors
enthalten entsprechende Aussparungen 52 radial innerhalb des
Teilkreises 50 des männlichen Rotors 28.
In der Mantelwand 26 des Arbeitsraumes 12 befinden sich eine
Vielzahl von Öleinspritzkanälen 54, die an der Verschneidungslinie
56 zwischen den beiden den Arbeitsraum 12 bildenden
Bohrungen liegen. Diese Kanäle 54 bilden Verbindungen
zwischen einer Ölversorgungskammer 58 und dem Arbeitsraum 12.
Der Ölversorgungskammer 58 wird Öl von einer (nicht gezeigten)
Druckölquelle über eine Zuführöffnung 60 unter einem
Druck zugeführt, der höher als der im Arbeitsraum 12 an den
Mündungen der Kanäle 54 herrschende Druck ist.
Wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, weist jede
Schraubennut 40 des männlichen Rotors 28 eine primäre Flanke
62, welche bei Anordnung in einem Verdichter die voreilende
Nutflanke und bei Anordnung in einem Expander die nacheilende
Nutflanke ist, sowie eine sekundäre Flanke 64 auf, welche
dann entsprechend die nacheilende bzw. voreilende Flanke bildet.
Eine jede der Flanken 62, 64 erstreckt sich von einem
radial innersten Teil der Schraubennut 40 nach auswärts zu
einem Scheitelteil 68 der angrenzenden Rippe 38.
Die primäre Flanke 62 des männlichen Rotors setzt sich aus
drei aufeinanderfolgenden Abschnitten zusammen. Der erste Abschnitt
70-72 der Flanke 62 folgt einem Kreisbogen mit einem
Radius r₁, dessen Mittelpunkt 74 in einem Abstand b₁ vom
Achszentrum 76 des Rotors 28 gelegen ist und sich von einem
Punkt 70 innerhalb des Teilkreises 50, der in einem Abstand
von etwa 95% des Teilkreisradius r M des Rotors von dessen
Achszentrum 76 gelegen ist, zu einem Punkt 72 außerhalb des
Teilkreises 50, der in einem Abstand von etwa 110% des Teilkreisradius
r M vom Achszentrum 76 des Rotors 28 entfernt ist,
erstreckt. Der Abschnitt 70-72 schneidet den Teilkreis 50 in
einem Punkt 78 und hat in diesem Punkt eine Tangente, die
einen Winkel ε₁ mit einem Radialstrahl 76-78 einschließt. Der
Winkel ε₁ beträgt 20° oder etwa 0,3 rad. Die Länge des Radius
r₁ ist etwa das 1,6fache des Produktes aus dem Teilkreisradius
r M und dem Cosinus-Wert von ε₁. Der zweite Abschnitt
72-80 der Flanke 62 folgt schlechthin einer Epitrochoide, die
von einem Abschnitt 82-84 der damit zusammenwirkenden primären
Flanke 100 der Schraubennut 44 des weiblichen Rotors erzeugt
ist, und erstreckt sich von dem Punkt 72, in welchem er
eine gemeinsame Tangente mit dem ersten Flankenabschnitt 70-72
hat, zu einem Punkt 80 nahe dem Scheitelbereich 68 der
Rippe 38.
Der Flankenabschnitt 82-84 des weiblichen Rotors folgt einem
Kreisbogen mit einem Radius r S , dessen Mittelpunkt 86 in einem
Abstand b S vom Achszentrum 88 des weiblichen Rotors 30
gelegen ist. Die Länge des Radius r S beträgt etwa 5% des Abstandes
zwischen den Achszentren 76, 88 der Rotoren. Der Abstand
b S ist etwa gleich dem Produkt aus dem Teilkreisradius
r F des weiblichen Rotors 30 und der Quadratwurzel aus dem
Cosinus-Wert von ε₁. Der Krümmungsradius der im wesentlichen
einer Epitrochoide folgenden Kurve, welche den Verlauf des
zweiten Flankenabschnitts 72-80 am männlichen Rotor bestimmt,
nimmt fortgesetzt von dem äußersten Punkt 80 zu dem innersten
Punkt 72 ab, wo er ein funktionelles Minimum gleich dem Radius
r₁ hat. Der dritte Abschnitt 80-68 der Flanke 62 folgt
einem Kreisbogen mit dem Radius r₃, dessen Mittelpunkt 90 in
einem Abstand b₃ vom Achszentrum 76 des Rotors 28 entfernt
ist, und erstreckt sich von dem Punkt 80, in welchem er eine
gemeinsame Tangente mit dem zweiten Flankenabschnitt 72-80
hat, zu dem Scheitelbereich 68. Die Länge des Radius r₃ beträgt
etwa 5% des Abstandes zwischen den Achszentren 76, 88
der Rotoren. Der Abstand b₃ ist etwa gleich der Differenz
zwischen dem Kopfkreisradius des Rotors 28 und dem Radius r₃.
Die sekundäre Flanke 64 des männlichen Rotors 28 folgt einem
Kreisbogen mit einem Radius r₂, dessen Mittelpunkt 92 in einem
Abstand b₂ vom Achszentrum 76 des Rotors liegt und erstreckt
sich von einem Punkt 94 innerhalb des Teilkreises 50,
der in einem Abstand von etwa 95% des Teilkreisradius r M des
Rotors 28 von dessen Achszentrum 76 gelegen ist, zu dem
Scheitelbereich 68. Die sekundäre Flanke 64 schneidet den
Teilkreis 54 in einem Punkt 96 und hat in diesem Punkt eine
Tangente, die mit einem Radialstrahl 76-96 einen Winkel ε₂
einschließt. Der Winkel ε₂ beträgt 30° oder etwa 0,5 rad. Die
Länge des Radius r₂ ist etwa das Vierfache des Produktes des
Teilkreisradius r M und des Sinus-Wertes von ε₂. Der Abstand
b₂ ist etwas größer als das Produkt des Teilkreisradius r M
und des Cosinus-Wertes von ε₂.
Der achsnahe Bereich 66 setzt sich aus einem größeren konvexen
Abschnitt, der konzentrisch zum Achszentrum 76 des Rotors
verläuft, und zwei kleineren konkaven Abschnitten zur
Herstellung eines weichen Überganges zu den primären und sekundären
Flanken des Rotors 28 in den Punkten 70 bzw. 94 zusammen.
Der Scheitelbereich 68 folgt einem mit seinem Mittelpunkt 98
auf dem Teilkreis 50 liegenden konvexen Kreisbogen zur Herstellung
eines weichen Überganges zu der primären und der sekundären
Flanke des Rotors 28.
Eine jede Schraubennut 44 des weiblichen Rotors 30 hat eine
erste Flanke 100, die bei Anordnung in einem Verdichter die
nacheilende und bei Anordnung in einem Expander die voreilende
Flanke ist, sowie eine sekundäre Flanke 102, welche
dann entsprechend die voreilende bzw. nacheilende Flanke bildet.
Eine jede der Flanken 100, 102 erstreckt sich von einem
radial innersten achsnahen Bereich 104 der Nut 44 nach auswärts
zu dem Scheitelbereich 106 der angrenzenden Rippe 42.
Die primäre Flanke 100 des weiblichen Rotors 30 besteht aus
drei aufeinanderfolgenden Abschnitten. Der erste, sich vom
Scheitelbereich 106 zum Punkt 82 erstreckende Abschnitt folgt
einer von dem ersten Flankenabschnitt 70-72 der zusammenwirkenden
primären Flanke 62 des männlichen Rotors 28 erzeugten
Kurve. Der zweite Bereich ist der Flankenabschnitt 82-84, der
oben in Verbindung mit dem zweiten Abschnitt 72-80 der primären
Flanke 62 des männlichen Rotors 28 beschrieben wurde. Es
verdient Beachtung, daß dieser Abschnitt 82-84 bis auf die
Länge Null verkleinert werden kann, wodurch dieser Abschnitt
jedoch durch eine stumpfwinklige Ecke ersetzt würde. Der
dritte Abschnitt, der sich vom Punkt 84 zum achsnahen Bereich
104 erstreckt, folgt einer von dem dritten Abschnitt 80-68
der zusammenwirkenden primären Flanke 62 des männlichen
Rotors 28 erzeugten Kurve.
Die sekundäre Flanke 102 der Schraubennut 44 des weiblichen
Rotors 30 folgt einer konvex-konkaven Kurve mit einem Wendepunkt,
der von der zusammenwirkenden sekundären Flanke 64 des
männlichen Rotors 28 erzeugt ist.
Der Scheitelbereich 106 des weiblichen Rotors 30 setzt sich
aus einem größeren konvexen Abschnitt, welcher konzentrisch
zum Achszentrum 88 des Rotors verläuft, und zwei kleineren
konvexen Abschnitten zur Herstellung eines weichen Überganges
mit der primären und der sekundären Flanke des Roboters zusammen.
Der achsnahe Bereich 104 des weiblichen Rotors 30 folgt einem
mit seinem Mittelpunkt 108 auf dem Teilkreis 46 liegenden
konkaven Kreisbogen zur Herstellung eines sanften Übergangs
mit der primären und der sekundären Flanke des Rotors 30.
Fig. 5 veranschaulicht den mit "ε+µ" bezeichneten Winkel
zwischen der Tangente an eine Flanke des männlichen Rotors
und einem vom Achszentrum des Rotors durch den jeweiligen
Tangentialpunkt gezogenen Radialstrahl, wobei der Abstand
dieses Punktes vom Achszentrum 76 mit "r", der Radialabstand
von diesem Punkt zum Teilkreis 50 des Rotors mit "e" und der
Teilkreisradius des Rotors mit "r M " bezeichnet sind.
Fig. 6 zeigt in einem Diagramm die Änderung des Verhältnisses
µ/e gemäß obiger Erläuterung anhand der Fig. 5 als Funktion
des Verhältnisses "r/r M ), d. h., des Abstandes vom Achszentrum
76 des Rotors zu dem jeweiligen Tangentialpunkt im Verhältnis
zum Teilkreisradius des weiblichen Rotors 30. Die Kurve "a"
bezieht sich auf die sekundäre Flanke 64 in Fig. 3, die Kurve
"b" auf die primäre Flanke 62 in Fig. 3, die Kurve "c" auf
die entsprechende primäre Flanke "116" des Rotorprofils nach
Fig. 5 der DE-PS 15 76 923, und die Kurve "d" zeigt im Vergleich
einen Flankenverlauf ähnlich dem zu Kurve "c" gehörenden,
wobei der an den Teilkreis angrenzende Flankenabschnitt
durch einen Flankenabschnitt in Evolventenform mit einem Eingriffswinkel
von 20° ersetzt ist.
Wie aus diesem Diagramm deutlich hervorgeht, folgt das Verhältnis
"µ/e" für die bisher verwendete Ausführung der primären
Flanke, nämlich die Kurve "c" einer Funktion von im wesentlichen
der Gestalt einer Hyperbel mit einer Asymptote an
den Teilkreis. Mit anderen Worten, die Winkelabweichung des
Winkels der Tangente ändert sich sehr schnell mit der radialen
Lage des Tangentenpunktes innerhalb des an den Teilkreis
angrenzenden Bereiches. Dies bedeutet, daß ein Fräser zur Herstellung
eines solchen Profils eine Gestalt haben wird, bei
welcher seine Schneidkante eine sehr schnelle Änderung ihrer
Richtung und ihres Krümmungsradius aufweist, was wiederum in
sehr hohen Anforderungen an die Genauigkeit des Fräsers zur
Herstellung eines Rotors mit vernünftigen Toleranzen gipfelt.
Durch den Ersatz des Fußabschnitts der Flanke durch einen
evolventenförmigen Flankenabschnitt wird eine gewisse Verbesserung
erzielt. Wie aus dem Diagramm, Kurve "d" hervorgeht,
folgt das Verhältnis "µ/e" einer Funktion desselben allgemeinen
Verlaufs, auch wenn der kritischste Bereich vom Teilkreis
zum Grundkreis der Evolvente hin verschoben ist.
Die primäre Flanke 62 des in Fig. 3 gezeigten Profils führt
jedoch zu einer völlig anderen Funktion für das Verhältnis
"µ/e". Wie aus dem Diagramm, Kurve "b" hervorgeht, nähert
sich die Funktion einer Geraden, insbesondere innerhalb des
Bereichs zu beiden Seiten des Teilkreises. Darüber hinaus beträgt
der Wert der Funktion innerhalb dieses Bereichs etwa
1,6, ist im wesentlichen konstant und etwa gleich dem Durchschnittswert
des Verhältnisses in den Tangentenpunkten, die
in einem größeren Abstand von dem Achszentrum des Rotors liegen.
Gemäß der Erfindung kann dieser Wert des Verhältnisses
"µ/e" nach der Formel
gewählt werden, wobei "c" eine Konstante mit einem Maximalwert
von etwa 0,4, einen Minimalwert von 0,1 und einem bevorzugten
Wert von 0,2-0,3 ist.
Die sekundäre Flanke 64 des in Fig. 3 gezeigten Profils führt
zu einer ähnlichen Funktion für das Verhältnis "µ/e". Wie in
dem Diagramm, Kurve "a" gezeigt, folgt die Funktion über den
Hauptteil der Flanke sowohl innerhalb als außerhalb des Teilkreises
einer im wesentlichen geraden Linie und hat einen
praktisch konstanten Wert von etwa 1,1, der auch in den Bereich
der oben angegebenen Formel fällt.
Durch Gestaltung der Flanken einer jeden Nut des männlichen
Rotors gemäß der Erfindung ändert sich die Winkelabweichung
des Tangentenwinkels proportional zu der radialen Lage des
Tangentenpunktes, insbesondere innerhalb des Bereichs der
Flanke in der Nähe des Teilkreises und zu beiden Seiten desselben.
Dies bedeutet, daß ein Fräser zur Herstellung eines
solchen Profils eine Gestalt haben wird, bei welcher seine
Schneidkante einer fortlaufenden Kurve ohne jeglichen schnellen
Wechsel seiner Richtung oder seines Krümmungsradius
folgt, was wiederum zu sehr engen Toleranzen des dadurch hergestellten
Rotors im Vergleich zu einem Rotor der alten Ausführung
nach Fig. 5 der DE-PS 15 76 923 mit denselben Toleranzen
des Fräsers führt. Mit anderen Worten, die Qualität
der Rotoren und dadurch der Wirkungsgrad der Schraubenrotormaschine,
in die sie eingebaut sind, wird ohne Anwachsen der
Herstellungskosten beträchtlich gesteigert, und diese Kosten
werden in der Tat sogar gesenkt, da das neue Fräserprofil
leichter und dadurch billiger herzustellen ist.
Diese Tatsache ist weiterhin in Fig. 4 veranschaulicht, wo
das Schneidprofil eines Messers für einen V-Fräser nach der
Erfindung durch eine durchgezogene Linie zusammen mit dem
entsprechenden Schneidprofil für das oben abgehandelte alte
Profil gezeigt ist, welches gestrichelt eingezeichnet ist.
Wie darin klar zu erkennen ist, ist der Winkel zwischen den
beiden Flanken des Fräsmessers für eines nach der Erfindung
viel größer als für eines gemäß dem alten Rotorprofil. Diese
Tatsache ist besonders an dem äußeren Ende des Fräsermessers
ausgeprägt, wo der Winkel zwischen den Flanken seinen
Kleinstwert hat. Der minimale Winkel des neuen Fräsermessers
beträgt somit etwa 48°, was etwa das Vierfache des Winkels
des alten Fräsermessers ist, der nur etwa 12° beträgt. Demzufolge
ist die Anzahl der möglichen Abrichtvorgänge für das
neue Fräsermesser, bevor es auf seine kleinstmögliche Größe
abgeschliffen ist, um ein Vielfaches größer als bei dem alten
Fräsermesser, da die bei jedem Abrichtvorgang wegzuschleifende
Materialmenge drastisch vermindert ist. Die Werkzeugkosten
können dadurch drastisch gesenkt werden, was eine noch
wirtschaftlichere Herstellung der Schraubenrotormaschinen bedeutet.
Claims (7)
1. Schraubenrotormaschine mit einem Gehäuse, einem von mindestens
zwei einander schneidenden parallelen Bohrungen im
Gehäuse gebildeten und durch eine Niederdrucköffnung mit
einem Niederdruckkanal und durch eine Hochdrucköffnung mit
einem Hochdruckkanal verbundenen Arbeitsraum sowie einer
Anzahl mit Schraubenrippen und dazwischenliegenden Schraubennuten
versehener und paarweise im Kämmeingriff innerhalb
der Gehäusebohrungen angeordneter Rotoren, deren
durch den Kämmeingriff paarweise zusammenwirkende Schraubennuten
V-förmige Arbeitskammern bilden, die mit ihrer
Basis in einer an die Hochdrucköffnung angrenzenden
Querebene zu den Rotorachsen enden, wobei
- a) je ein Rotor eines jeden Rotorpaares als weiblicher Rotor mit wenigstens hauptsächlich innerhalb seines Teilkreises liegenden Schraubenrippen und -nuten und der andere Rotor als männlicher Rotor mit wenigstens hauptsächlich außerhalb seines Teilkreises liegenden Schraubenrippen und -nuten ausgebildet sind, und die Schraubenrippen des einen Rotors den von den Schraubennuten des anderen Rotors bei der Drehung im Kämmeingriff entwickelten Einhüllenden zur Bildung einer fortlaufenden Dichtlinie zwischen den Rotoren folgen,
- b) jede Rotornut eine primäre Flanke, welche, in Umfangsrichtung betrachtet, die Außenwand des von der Schraubennut des weiblichen Rotors gebildeten Schenkels und die Innenwand des von der Schraubennut des männlichen Rotors gebildeten Schenkels der V-förmigen Kammer darstellt, und eine sekundäre Flanke, welche die jeweils andere Wand des betreffenden Schenkels der V-förmigen Kammer darstellt, aufweist,
- c) in einer beliebigen von der Rotorachse durchsetzten Querebene die Tangente an das Profil der primären Flanke eines jeden Rotors im Schnittpunkt mit dem zugehörigen Teilkreis einen spitzen Winkel mit einem vom Achszentrum des Rotors durch diesen Schnittpunkt verlaufenden Radialstrahl einschließt und
- d) das Profil der primären Flanke des männlichen Rotors zwei in einem gemeinsamen Punkt aneinander anschließende, konvex gekrümmte Flankenabschnitte aufweist, wobei der radial äußere Abschnitt einer hauptsächlich epitrochoidförmigen Kurve folgt,
dadurch gekennzeichnet, daß ein erster der beiden konvex
gekrümmten Flankenabschnitte (70-72) am männlichen Rotor
(28), dessen radiale Extremwerte innerhalb eines Bereichs
vom 0.9- bis 1.15fachen des Teilkreisradius (r M ) liegen,
eine solche Gestalt hat, daß das Verhältnis zwischen dem
Wert, um welchen der Winkel, der zwischen der Tangente an
den ersten Flankenabschnitt (70-72) in einem beliebigen
Punkt darauf und einem Radialstrahl vom Achszentrum (76)
durch diesen Punkt eingeschlossen ist, von dem genannten
spitzen Winkel (ε₁) im Schnittpunkt (78) mit dem Teilkreis
(50) abweicht, und dem radialen Abstand von dem genannten
beliebigen Punkt zum Teilkreis (50) im wesentlichen
konstant und etwa gleich einem Durchschnittswert des
genannten Verhältnisses in Punkten des radial außerhalb
des ersten Flankenabschnitts (70-72) gelegenen Flankenabschnitts
(72-80) ist.
2. Schraubenrotormaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das genannte Verhältnis sich gemäß der
Formel
ändert, worin die einzelnen Größen folgende Bedeutungen
haben:
µ die Winkelabweichung in rad,
e der radiale Abstand von dem beliebigen Punkt zum Teilkreis (50) im Verhältnis zum Teilkreisradius (r M ),
ε der genannte spitze Winkel (ε₁) im Schnittpunkt (78) mit dem Teilkreis (50) und
C eine Konstante mit einem Maximalwert von etwa 0,4, einem Minimalwert von etwa 0,1 und einem bevorzugten Wert von 0,2-0,3.
µ die Winkelabweichung in rad,
e der radiale Abstand von dem beliebigen Punkt zum Teilkreis (50) im Verhältnis zum Teilkreisradius (r M ),
ε der genannte spitze Winkel (ε₁) im Schnittpunkt (78) mit dem Teilkreis (50) und
C eine Konstante mit einem Maximalwert von etwa 0,4, einem Minimalwert von etwa 0,1 und einem bevorzugten Wert von 0,2-0,3.
3. Schraubenrotormaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der genannte erste Flankenabschnitt
(70-72) einen wenigstens angenähert konstanten
Krümmungsradius aufweist.
4. Schraubenrotormaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Krümmungsradius das 1,1- bis 1,7fache,
vorzugsweise das 1,5fache des Produktes aus dem
Teilkreisradius (r M ) und dem Sinus-Wert (sin ε₁) des Winkels
(ε₁) im Schnittpunkt (78) mit dem Teilkreis (50) ist
und daß das Krümmungszentrum in einem Abstand vom Achszentrum
(76) des Rotors (28) liegt, dergestalt, daß das
Verhältnis zwischen diesem Abstand und dem Teilkreisradius
(r M ) zwischen dem Cosinus-Wert (cos ε₁) des
genannten Winkels (ε₁) im Schnittpunkt (78) mit dem Teilkreis
(50) und der Quadratwurzel dieses Wertes fällt.
5. Schraubenrotormaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (ε₁) im Schnittpunkt
(78) mit dem Teilkreis (50) im Bereich von 0,25 bis
0,75 rad liegt und vorzugsweise etwa 0,3 rad beträgt.
6. Schraubenrotormaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die primäre Flanke
(62) des männlichen Rotors (28) einen zweiten Flankenabschnitt
(72-80) im Anschluß an den ersten Flankenabschnitt
(72-80) und sich von diesen radial nach auswärts
erstreckend aufweist, dessen Krümmungsradius in dem gemeinsamen
Punkt (72) der beiden Flankenabschnitte mindestens
dieselbe Länge wie der Krümmungsradius (r₁) des ersten
Flankenabschnitts (70-72) in diesem Punkt aufweist.
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