DE3432915C2

DE3432915C2 - Innenachsige Drehkolbenmaschine

Info

Publication number: DE3432915C2
Application number: DE3432915A
Authority: DE
Inventors: Felix Dr.H.C. 8990 Lindau Wankel
Original assignee: Individual
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1984-06-12
Filing date: 1984-09-07
Publication date: 1987-01-02
Also published as: US4801255A; US4714417A; DE3576839D1; EP0167846A1; JPS614802A; ATE51432T1; EP0167846B1; DE3432915A1; CH664423A5; JPH0612045B2

Abstract

Der Innenläufer (1) der Drehkolbenmaschine hat jeweils paarweise vorhandene äußere Eckbereiche (22, 23; 24, 25), die innere Seitenflächen (30, 31) von Aussparungen (8, 9, 10) des Außenläufers erzeugen, während innere Eckbereiche (26, 27, 28) des Außenläufers (2) Umfangsflächen (32, 33) des Innenläufers erzeugen. Außerdem ist eine zahnflankenartige Berührung zwischen den inneren Seitenflächen (30, 31) des Außenläufers und den Seitenflächen (34, 35) des Innenläufers vorhanden, so daß beide Läufer gegeneinander abgedichtet sind. Die Aussparungen (8, 9, 10) des Außenläufers sind mit unveränderter Breite in radialer Richtung offen, und ihre Öffnungen bewegen sich an den Zu- und Abströmkanälen (4, 5) des Maschinengehäuses (3) vorbei, so daß diese abgesteuert werden. Für die Veränderung der Zuströmmenge und/oder der inneren Kompression ist zwischen dem Außenumfang des Außenläufers und der Gehäuseinnenwand ein Wandstück (43) vorhanden, das in Umfangsrichtung von außen verstellbar ist. Die Maschine hat aufgrund der Querschnittsform ihrer Läufer ein besonders großes Durchsatzvolumen im Verhältnis zu ihrer Baugröße sowie eine hohe Drehzahlbelastbarkeit ihrer Läufer.

Description

Die Erfindung betrifft eine innenachsige Drehkolbenmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Maschinen dieser Art sind beispielsweise bekannt durch die DE-OS 24 56 252, die DE-AS 12 64 866 und die US-PS 17 53 476. Dadurch, daß ihre Läufer sich um feststehende Achsen drehen, können sie hohe Drehgeschwindigkeiten aufweisen und der Außenläufer kann die Zu- und Abströmkanäle der Maschine selbst absteuern, so daß eine innere Kompression ohne zusätzliche Mittel möglich ist. Die erstgenannten Maschinen haben kurvenerzeugende Eckbereiche nur am Außenläufer, während die kinematische Kurvenerzeugung einer Maschine gemäß der US-PS 17 53 476 durch sich zeitweise berührende und sich verzahnungsartig abwälzende Flächen erfolgt. Aufgrund ihrer kinematisch gegebenen Form verdrängen die Eingriffsteile des Innenläufers bei ihrer Bewegung in die Ausnehmungen des Außenläufers hinein nur einen begrenzten Teil des Inhalts dieser Ausnehmungen, so daß über die somit vorhandenen schädlichen Räume bei Ausführung der Maschine als Kompressor bereits komprimiertes Gas zurück zur Saugseite der Maschine gefördert wird. Bei den erstgenannten Maschinen würde eine Verkleinerung dieser schädlichen Räume zu einer mechanischen Schwächung des Außenläufers führen, so daß er nicht durch hohe Drehgeschwindigkeiten belastbar wäre. Bei der Maschine gemäß der US-PS 17 53 476 ist die Größe der schädlichen Räume durch die Differenz zwischen dem Krümmungsradius der Eingriffsteile des Innenläufers und dem Außenradius des Außenläufers festgelegt. Die geometrische Form ihrer Läufer erfordert zwischen diesen ein verhältnismäßig großes Spiel, da die Form kinematisch ungenau ist. Eine solche Maschine ist folglich nur für Flüssigkeiten, bzw. Medien mit verhältnismäßig hoher Viskosität geeignet, um die Dichtverluste in akzeptierbaren Grenzen zu halten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehkolbenmaschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, die ein großes Durchsatzvolumen und kleine schädliche Räume aufweist. Diese und weitere Vorteile werden erfindungsgemäß durch eine Maschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 ermöglicht.
Auf Grund der Erfindung ergibt sich eine Querschnittsform der Läufer, die hohe Drehgeschwindigkeiten ermöglicht, obwohl für die Erzielung sehr kleiner schädlicher Räume der Innenläufer sich bis an den Außenumfang des Außenläufers oder sogar darüber hinaus bewegen kann. Außerdem weist die erfindungsgemäße Maschine überraschend große Arbeitsräume im Verhältnis zu den Gesamtabmessungen der Maschine auf.
Die inneren Arbeitsräume begrenzenden Seitenflächen des Außenläufers sind vorzugsweise eben ausgebildet, wobei einander gegenüberliegende innere Seitenflächen vorteilhaft parallel zueinander verlaufen können, so daß sich große Querschnitte der Arbeitsräume und große Steueröffnungen am Außenläufer ergeben.
Die äußeren Eckbereiche des Innenläufers und die inneren Eckbereiche des Außenläufers sind vorteilhaft mit konstanter oder veränderlicher Querschnittskrümmung abgerundet.
Die aufgrund der Erfindung sehr kleinen schädlichen Räume können weiter verkleinert werden, indem der Innenläufer bis über den Umfang des Außenläufers in dessen Ausnehmungen eindringt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen entnehmbar. Es zeigen
Fig. 1 und 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Drehkolbenmaschine im Radialquer -schnitt mit verschiedenen Drehpositionen ihrer Läufer und verschiedenen Stellpositionen eines Wandstückes zur Veränderung der inneren Kompression,
Fig. 3a-1 eine Maschine entsprechend Fig. 1 und 2 ohne veränderliche innere Kompression mit mehreren aufeinanderfolgenden Drehpositionen ihrer Läufer,
Fig. 4 eine Ausführungsform der Maschine mit gleicher Ausbildung ihrer Läufer wie nach Fig. 1-3, jedoch mit einer anderen Ausführungsform von Mitteln zur Veränderung der Fördermenge und/oder der inneren Kompression,
Fig. 5 einen Radialquerschnitt durch das Läuferpaar einer Maschine mit einem Drehzahlverhältnis von 4 : 3 und
Fig. 6 und 7 eine Maschine ohne innere Kompression im Axialquerschnitt entlang der Linie VI-VI und einem Radialquerschnitt.
Das Grundsätzliche einer erfindungsgemäßen Maschine, das für alle ihre Ausführungsformen zutrifft, wird im folgenden anhand der Fig. 1 beschrieben.
Die Querschnittsdarstellung läßt drei Hauptteile der Maschine erkennen, d. h. einen Innenläufer 1, einen Außenläufer 2, mit drei starr miteinander verbundenen Läuferteilen 2 a, 2 b und 2 c und das beide Läufer umschließende Gehäuse 3. Wie auf der Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispieles nach Fig. 6 entnehmbar ist, verlaufen die in der Darstellung nach Fig. 1 im Querschnitt sichtbaren Begrenzungsflächen dieser Teile parallel zu den Drehachsen der Läufer, während ihre nicht sichtbaren endseitigen Begrenzungsflächen senkrecht zu diesen Achsen verlaufen. Die Wand des Gehäuses 3 geht in einen Zuström- und Abströmkanal 4, 5 über, wobei es von der Verwendung der Maschine abhängt, ob der Zuströmkanal 4 ein Ansaugkanal ist oder ein Zuströmkanal für ein Treibmittel.
Beide Läufer 1, 2 drehen sich um feststehende Achsen 6, 7, die einen Abstand voneinander aufweisen. Das Drehzahlverhältnis ist 3 : 2 entsprechend dem Verhältnis zwischen der Anzahl der Arbeitsräume bildenden Ausnehmungen 8, 9, 10des Außenläufers zu der Anzahl von sich von der Achse 6 wegerstreckenden Eingriffsteilen 11, 12 des Innenläufers.
Im Beispiel nach Fig. 5 beträgt dieses Verhältnis 4 : 3, entsprechend vier Ausnehmungen 14, 15, 16, 17 und drei sich in die Ausnehmungen hinein und aus ihnen wieder herausbewegenden Eingriffsteilen 18, 19, 20 des Innenläufers.
Der Bewegungsablauf beider Läufer 1, 2 relativ zu einander und relativ zum Maschinengehäuse 3, ist den Darstellungen der Fig. 3 zu entnehmen. Die ununterbrochene Abdichtung zwischen dem Innen- und Außenläufer ergibt sich dadurch, daß beide Läufer bei ihrer Bewegung relativ zueinander ihre Form gegenseitig erzeugen. Dabei werden die vier äußeren Eckbereiche 22-25 des Innenläufers nach Fig. 1 und die drei inneren Eckbereiche 26, 27, 28 des Außenläufers zur Kurvenerzeugung verwendet. Beim vorgegebenen Drehzahlverhältnis zwischen beiden Läufern bewegen sich die Eckbereiche des Innenläufers entlang den inneren Seitenflächen 30, 31 des Außenläufers bzw. erzeugen diese, und die inneren Eckbereiche 26, 27, 28 des Außenläufers bewegen sich an den äußeren Umfangsflächen 32, 33 des Innenläufers entlang bzw. erzeugen diese. Dies ist durch die in Fig. 3 gezeigten Bewegungspositionen veranschaulicht.
Die Abdichtung zwischen den inneren Seitenflächen 30, 31 des Außenläufers und den Seitenflächen 34, 35 des Innenläufers ergibt sich durch eine zahnflankenartige Berührung zwischen beiden. Die Eckbereiche 22-28 beider Läufer sind vorzugsweise abgerundet statt scharfkantig, so daß die Abrundung am anderen Läufer eine Äquidistante zum Krümmungsmittelpunkt der Abrundung erzeugt.
Wie der in Fig. 1 dargestellten Drehposition zu entnehmen ist, befindet sich der innere Eckbereich 28 des Außenläufers 2 verhältnismäßig nahe zur Achse des Innenläufers. Daraus ergibt sich der in Fig. 1 sichtbare außerordentlich große Querschnitt des Raumes zwischen den inneren Seitenflächen 30, 31 des Außenläufers 2 , der Seitenflächen 34 des Innenläufers 1 und der inneren Gehäusefläche 37, so daß das Durchsatzvolumen der Maschine im Verhältnis zu ihrer Baugröße besonders groß ist. Bei einer Baugröße von beispielsweise 1,35 dm³ be -trägt das Durchsatzvolumen beispielsweise 1 dm³.
Die inneren Seitenflächen 30, 31 des Außenläufers 2 verlaufen im Beispiel nach Fig. 1 parallel zueinander, so daß die Öffnung der Ausnehmungen 8, 9, 10 des Außenläufers, die sich jeweils mit sehr hoher Geschwindigkeit an den Gehäuseöffnungen vorbeibewegt, entsprechend vorteilhaft groß ist. Auch bei den übrigen Ausführungsbeispielen ist dieser Öffnungsquerschnitt der Ausnehmungen des Außenläufers vorteilhaft groß. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 zeigt innere Seitenflächen des Außenläufers 2, die radial nach außen leicht aufeinander zulaufen.
Trotz dieser besonders großen äußeren Öffnungsquerschnitte der Ausnehmungen 8, 9, 10 des Außenläufers wird das genannte besonders große Arbeitsvolumen zwischen den inneren Seitenflächen des Außenläufers bei der Bewegung des Innenläufers in diesen Ausnehmungen 8, 9, 10 hinein nahezu vollständig verdrängt, wie die Drehposition entsprechend Fig. 3a zeigt. Auf diese Weise ist nahezu kein schädliches Volumen vorhanden, das bei der Ausführungsform der Maschine als Kompressor von dem Druckkanal 5 zurück zu dem Saugkanal 4 gefördert wird. Dieses schädliche Volumen ist in Fig. 3a mit den Ziffern 40, 41 bezeichnet. Die negative Auswirkung dieses schädlichen Volumens ist jedoch vernachlässigbar, nicht nur weil es besonders klein ist, sondern weil das darin komprimierte Medium Arbeitsleistung erbringt, da es auf die Läufer in Drehrichtung wirkt, wie Fig. 3a veranschaulicht.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel bewegen sich die äußeren Umfangsflächen 32, 33 des Innenläufers bis an den äußeren Umfang des Außenläufers heran, so daß sich der schädliche Raum auf Grund der unterschiedlichen Krümmung der Umfangsfläche des Innenläufers und der Umfangsfläche des Außenläufers ergibt. Da die äußeren Umfangsflächen 32, 33 des Innenläufers beim Passieren des dichtenden Bereiches 42 zwischen beiden Kanälen 4, 5 des Gehäuses auch allein die Abdichtung übernehmen können, ist es möglich, daß diese Umfangsflächen 32, 33 sich auch über den Umfang des Außenläufers hinausbewegen.
Die Abdichtung zwischen dem Außenläufer 2 und der Gehäuseinnenwand auf der dem Dichtbereich 42 zwischen den Kanälen 4, 5 diametral gegenüberliegenden Seite des Gehäuses erfolgt mittels eines in Umfangsrichtung verstellbaren Wandstückes 43, so daß die innere Kompression der Maschine ausgehend von Null veränderbar ist. Die Fig. 1 zeigt eine Position des Wandstückes 43, durch die sich keine innere Kompression ergibt, während in der Position nach Fig. 2 die innere Kompression bis zur dargestellten Drehposition erfolgt, bis sich der Arbeitsraum 8 öffnet, indem die nachlaufende Kante 44 des Außenläufers sich von dem Wandstück 43 entfernt. Für die Verstellung des Wandstückes 43 in Umfangsrichtung ist ein nicht dargestelltes Betätigungsorgan vorhanden, das sich durch einen Schlitz in der Gehäusewand nach außen erstreckt. Durch Verstellen des Wandstückes 42, ausgehend von der Position nach Fig. 1 in Richtung zu dem Zuströmkanal 4, läßt sich außerdem die Durchsatzmenge ändern, da auf diese Weise der Winkelbereich der Umdrehung des Außenläufers verkleinert wird, innerhalb dessen Medium in den sich zunehmend vergrößernden Arbeitsraum 8 zwischen beiden Läufern einströmen kann.
Die Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel für die Ausgestaltung von Mitteln für die Veränderung des Durchsatzvolumens und/oder der inneren Kompression der Maschine. Diese Mittel bestehen aus mehreren in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten kreisbogenförmigen Radialschiebern 46, 47 auf der Zuström- und Abströmseite der Maschine bei Drehrichtung der Läufer in Richtung des Pfeiles 48. Die zuströmseitigen Radialschieber verändern die Größe des sich an den Zuströmkanal 4&min; anschließenden Bogenbereichs, über den eine Zuströmung in den von beiden Läufern eingeschlossenen Arbeitsraum 8&min; in Richtung des Pfeiles 49 erfolgt. Die Fig. 4 zeigt zwei zuströmseitige Radialschieber 46 in radial äußerer Position, während die in Drehrichtung sich anschließenden Radialschieber ihre radial innerste Position haben, so daß beim Betrieb der Maschine als Kompressor eine maximale innere Kompression erreicht wird. Die Stärke der inneren Kompression läßt sich bei diesem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 stufenweise verändern, entsprechend der Anzahl der aus der dargestellten Position radial nach außen zurückgezogenen Radialschieber 47.
Es versteht sich, daß dieses Mittel 43, 46, 47 zur Veränderung der Fördermenge und/oder der inneren Kompression an jeder Maschine anwendbar ist, bei der ein sich um eine feststehende Achse drehender Außenläufer vorhanden ist, dessen radial nach außen offene Arbeitsräume bildende Aussparungen sich an Gehäuseöffnungen vorbeibewegen.
Die Fig. 6 zeigt, wie eine erfindungsgemäße Maschine gemäß Fig. 7 im Axialquerschnitt aussehen kann. Die bereits anhand der Fig. 1 beschriebenen Teile der Maschine nach Fig. 6 und 7 haben die gleichen Bezugsziffern.
Die Teile 2 a, 2 b, 2 c des Außenläufers sind an den beiden axialen Enden des Läufers durch Seitenplatten 50, 51 starr miteinander verbunden. Von diesen Seitenplatten steht axial nach außen eine Nabe 52 bzw 53 ab, über die der Außenläufer mittels eines Kugellagers 54 bzw. 55 von großem Durchmesser an den Gehäuseseitenplatten 56, 57 gelagert ist.
Auf der An- bzw. Abtriebsseite der Maschine hat die Nabe 53 des Außenläufers eine Innenverzahnung 58, die mit einem auf dem Wellenzapfen 59 des Innenläufers 1 befestigten Zahnrad 60 kämmt. Diese somit vorhandene Antriebsverbindung empfiehlt sich für einen exakten Lauf beider Läufer zueinander, so daß eine optimale Spaltdichtung zwischen beiden Läufern stets vorhanden ist, obwohl die zahnflankenartige Berührung zwischen den Seitenflächen beider Läufer die zusätzliche Zahnradverbindung 58, 60 überflüssig machen könnte.
Die Seitenplatten 50, 51 des Außenläufers umschließen kreisförmige seitliche Dichtplatten 62, 63, die an den Gehäuseseiten 56, 57 angeschraubt sind und mit dichtendem Spaltabstand an die Endflächen 64, 65 des Innenläufers angrenzen. Diese Dichtplatten umschließen außerdem die beiden Wellenzapfen 59, 66 des Innenläufers. Entsprechend umschließt auch das äußere Lager 44 des Außenläufers jeweils das die Wellenzapfen 59, 66 lagernde Wälzlager 67, 68.
Das auf dem Wellenzapfen 59 des Innenläufers befestigte, seitlich über die Gehäuseplatte 70 herausragende Zahnrad 69 dient entweder dem Antrieb der Maschine, wenn diese als Gebläse oder Kompressor verwendet wird oder als Antriebszahnrad, wenn die Maschine als Motor bzw. Treiber durch ein zuströmendes Medium, wie z. B. das Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, angetrieben wird.

Claims

1. Innenachsige Drehkolbenmaschine mit Kämmeingriff zwischen einem von einem Gehäuse (3) umschlossenen Außenläufer (2) mit zwischen Eingriffsteilen (2 a, 2 b, 2 c) angeordneten n+1 Ausnehmungen (8, 9, 10) und einem Innenläufer (1) mit n Eingriffsteilen (11, 12), die sich bei zahnflankenartiger Berührung zwischen inneren Seitenflächen (30, 31) des Außenläufers (2) und Seitenflächen (34, 35) des Innenläufers (1) mit einem Drehzahlverhältnis von n+1 : n gleichförmig drehen, wobei in den Ausnehmungen des Außenläufers Arbeitsräume gebildet werden, die sich an Ein- und Auslaßöffnungen (4, 5) des Gehäuses vorbei -bewegen, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Seitenflächen (30, 31) der Eingriffsteile (2 a, 2 b, 2 c) des Außenläufers (2) paarweise im Querschnitt radial innenliegende Eckbereiche (26-28) bilden, welche Kurvenerzeugende für äußere Umfangsflächen (32, 33) des Innenläufers (1) sind, und daß diese Umfangsflächen (32, 33) mit der jeweils angrenzenden Seitenfläche (34, 35) der Eingriffsteile des Innenläufers (1) im Querschnitt radial außenliegende Eckbereiche (22-25) bilden, welche Kurvenerzeugende der inneren Seitenflächen (30, 31) des Außenläufers (2) sind.

2. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Seitenflächen (30, 31) des Außenläufers (2) eben sind.

3. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberliegenden inneren Seitenflächen (30, 31) des Außenläufers (2) parallel zueinander verlaufen.

4. Drehkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugenden Eckbereiche der Läufer (1, 2) mit konstanter oder veränderlicher Krümmung abgerundet sind.

5. Drehkolbenmaschine mach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenläufer (1) bis über den Umfang des Außenläufers (2) hinaus in dessen Ausnehmungen (8-10) eindringt.