-
Expansions-Zahnradkraftmaschine mit ineinanderliegenden Rädern Die
Erfindung betrifft eine Zahnradkraftmaschine, d&N mit einem sich entspannenden
Mittel betrieben wird, wobei das Treibmittel beim ,Umlauf der Räder in den von den
Zähnen gebildeten Zellen sich ausdehnt.
-
Es sind als Pumpen und Verdichter arbeitende Zahnradkraftmaschinen
bekannt, und man hat auch vorgeschlagen, diese Maschinen mit einem Druckmittel als
Kraftmaschinen zu betreiben, wozu Zahnräder mit den verschiedensten bekannten Verzahnungen
angegeben wurden.
-
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die während der Ausdehnung
des Treibmittels in Arbeit umgewandelte Wärme in einer Zahnradkraftmaschine nur
dann wirtschaftlich nutzbar gemacht werden kann, wenn in der Totpunktlage der tote
Raum möglichst gering ist und wenn die miteinander zusammenarbeitenden Zähne der
beiden Räder während ihres Umlaufes jeweils so lange geschlossene Zellen bilden,
daß in diesen die Ausdehnung in einem entsprechenden Maß stattfinden kann.
-
Die Verzahnungen der bekannten Zahnradmaschinen entsprechen diesen
Bedingungen, die z. B. bei Zahnradpumpen oder Verdichter gar nicht vorliegen, nicht.
Die im allgemeinen angewandte Evolventenverzahnung ist für Expansions-Zahnradkraftmaschinen
wegen der Kürze der Eingriffslinie der Zähne völlig ungeeignet, da sich die Zähne
beim Abwälzen voneinander viel zu rasch trennen und die Entspannung der Füllung
wegen zu frühen öffnens der Zellen nicht nutzbar gemacht werden kann. Man hat auch
Zahnradpumpen mit einer Verzahnung mit einem Triebstock als Außenverzahnung vorgeschlagen,
wobei die Zahnköpfe des Innenrades ebenfalls abgerundet sind. Für den Betrieb als
Kraftmaschine mit sich entspannendem Mittel ist jedoch auch diese Vorrichtung ungeeignet,
denn zufolge des Kreiszylinderprofils (Triebstock) der einen Verzahnung entstehen
mangels eines Zahnfußes des Triebstocks überhaupt keine geschlossenen Zellen, so
daß ein Entspannungsvorgang nicht stattfinden kann.
-
Im Sinne der Erfindung wird eine wirtschaftlich arbeitende Expansions-Zahnradkraftmaschine
dadurch geschaffen, da13 man die Verzahnung als eine solche mit gegehenem Profil
des einen Rades, also z. B. als eine Triebstockverzahnung, ausbildet, bei welcher
an das gegebene Profil, also z. B. an den Triebstock, sich ein Zahnfuß anschließt,
dessen Profil in der Nähe des Totpunktes am Zahnkopf des gegenüberliegenden Zahnrades
fast ohne Bildung eines schädlichen toten-Raumes aufliegt. Dadurch wird erreicht,
daß in der Totpunktlage praktisch gar kein toter Raum vorhanden ist. Andererseits
liegen aber
die Zahnflanken der beiden Räder zufolge der langen
Eingriffslinie dieser Art von Verzahnung bis zum Trennen der Kopfkreise aneinander,
so daß die Zellen genügend lange Zeit. geschlossen bleiben, um während ihrer Raumvergrößerung
eine genügend große Entspannung des Treibmittels. zu ermöglichen: In bekannter Weise
liegt auch bei der Zahnradmaschine gemäß der Erfindung auf der Auslaßseite von zwei
aufeinanderfolgenden Berührungspunkten der Zähne des Innen-und Außenfades der in
der Drehrichtung jeweils vorn befindliche Berührungspunkt vom Mittelpunkt des inneren
Rades weiter entfernt als der nachfolgende Berührungspunkt. Das sich entspannende
Treibmittel, z. B. Dampf, wird in die Zahnlücken der miteinander zusammenarbeitenden
Räder in der Nähe des Totpunktes eingeführt und setzt die beiden Zahnräder in Umlauf,
wobei die geleistete Arbeit der Welle des äußeren Zahnrades entnommen wird.
-
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung erläutert, in welcher die
Fig. i eine Ausführungsform der Verzahnung, Fig. 2 die Bildung der Zähne, Fig. 3
einen Längsschnitt durch eine Zahnr adkrafimasehine zeigt.
-
In der Fig. i- bezeichnet ii ein Rad mit Innenverzahnung und 12 ein
Rad reit Außenverzahnung. Das Zahnprofil -a der Innenverzahnung wird frei gewählt
und kann z. B. kreis-, eliipsen- oder parabolenförmig sein. Die Flanken b der Außenverzahnung
entstehen durch Abwälzung der Köpfe a an den Flanken b der Außenverzahnung. Die
Flanken c der Innenverzahnung entstehen hingegen durch Abwälzung der Teile b an
letzteren während der Drehung der Räder i i und 12. Es liegen die gemeinsamen Berührungspunkte
g zweier, miteinander zusammenarbeitender Zähne auf der Entspannungsseite vor dem
vollkommenen Trennen der Zähne, in der Drehrichtung gesehen, an der vorderen Seite
der außen verzahnten Scheibe, wie dies aus der Fig. i bei dem eben noch ineinandergreifenden
Zahnpaar ersichtlich ist. Dadurch ist es erreicht, daß bei sonst ausreichender Seitendichtung
der Raum der Zahnlücke zwischen den Punkten g und f - vollkommen geschlossen ist
und Verluste durch Undichtigkeit nicht auftreten.
-
Werden die Projektionen der unter Druck stehenden Flächen der Verzahnung
des Innenrades in den geschlossenen Zellen auf dem zugehörigen Halbmesser oder wird
der Unterschied zwischen den untereinander entgegengesetzten Drücken stehenden Flächenprojektionen
am zugehörigen Halbmesser gebildet, so. ergeben bei .der beschriebenen Ausbildeng
der Zähne die besagten Flächen des Rades i i in beiden Richtungen praktisch gleich
große Projektionen, während in bezug auf das Rad i2 nur die Drücke an den Flächen
f-s und m-s, ferner l=r und t-g ausgeglichen sind. Hingegen wirkt auf die Fläche
l-m ein nicht ausgeglichener Druck, welcher das Aufliegen an den Punkten f und g
und dadurch die nötige Abdichtung auch beim Verschleiß der Zahnflanken sichert und
das innere Rad 12 nach vorwärts treibt. Dieses nimmt das Außenrad ii mit sich.
-
Für eine mit Entspannung arbeitende Zahnkraftmaschine eignet sich
also jene Verzahnung am besten, bei welcher die unter dem vorwärts treibenden Druck
stehende Fläched-m an den Zähnen des Innenrades möglichst groß ist.
-
An Hand der Fig. 2 wird die Herstellung einer solchen Verzahnung erklärt.
Als Beispiel wird der Zahnkopf des Außenrades mit Kreiszylinderprofil angenommen.
Die Herstellung der Zahnprofile entspricht im wesentlichen der Herstellung der an
sich bekannten Triebstockverzahnung.
-
01 ist der Mittelpunkt des außen verzahnten Rades und 0Q der
Mittelpunkt des innen verzahnten Rades, K1 der "Peilkreis zu 01 und K@ der Teilkreis
zu 02. Angenommen, daß sich die beiden Teilkreise im Punkt D berühren, wird von
diesem Punkt ausgehend die Epizykloide E hergestellt unter'ftr Annahme, daß man.
den Teilkreis K2 am Teilkreis K1 abrollt. So entsteht die Kurve E. Der Kreis H ist
hierbei ein Hilfskreis, dessen Halbmesser gleich ist dem Abstand 01 70, Falls
man den Rollkreis mit dem Halbmesser r einer gewöhnlichen Epizykloide mit einem
Rollkreis mit dem Halbmesser r-Rersetzt, erhält man bekanntlich dieselbe Zykloide,
vorausgesetzt, daß die Anfangspunkte zusammenfallen, was hier zutrifft. Sodann wird
der Viertelkreis P mit dem Mittelpunkt 0 eingezeichnet, welcher das halbe Profil
des Zahnkopfes der innen verzahnten Scheibe darstellt und gleichzeitig auch den
Zahnfuß der Außenverzahnung bildet. Aus dem Punkte ausgegangen, wo dieser Viertelkreis
P den Teilkreis schneidet, wird eine zur Epizykloide E im gleichen Abstande verlaufende
Linie A eingezeichnet, welche das Profil eines Zahnes der Außenverzahnung bildet.
Sie ist dadurch bestimmt, daß der Abstand zwischen den beiden Zykloiden, an jeder
gemeinsamen Normalen gemessen, gleich ist dem Halbmesser des angenommenen Kopfprofils
P, d. i. dem Halbmesser des Triebstockes.
-
Die Zahnflanke 1 der Innenverzahnung braucht nicht besonders gebildet
zu. werden, da sie beim Drehen der ineinandergreifenden Räder mit den Zähnen des
inneren Rades
nicht in terührung kommt (siehe Fig. i). Sie wird
nur unter Beachtung der Voraussetzung eingezeichnet, wonach der Raum um je einen
Zahn der Außenverzahnung so auszufüllen ist, daß in der Totpunktlage ein möglichst
geringer Spalt zwischen den Zähnen der beiden Räder übrigbleibt. Dies zeigt die
Fig. i in klarer Weise. Dieser Spalt bildet dann den schädlichen Raum, den man möglichst
klein hält, um eine möglichst geringe Verdichtung zu haben. Das Ergebnis ist ein
Zahnprofil, welches dem Profil der Zähne des Innenrades fast genau gleicht. Demzufolge
liegen in der Totpunktlage die Zähne der beiden Räder fast genau ineinander, und
der schädliche Raum ist so klein, daß er fast gar keinen Einfluß auf den Dampfverbrauch
hat.
-
Fig. 3 zeigt im Längsschnitt eine Maschine mit einer Verzahnung nach
der Erfindung. Das innen verzahnte Rad i i steht in Eingriff mit dem außen verzahnten
Rad 12. i ¢ ist die Welle des außen verzahnten Rades i i. Die beiden Räder i i und
12 laufen in einem glockenartigen Gehäuse 15, dessen offene Seite durch ein Gußstück
16 abgesperrt ist. Im letzteren sind ein Einlaßkanal 17-und ein Auslaßkanal 18 ausgebildet.
In einem Ansatz 21 sind die Lager i9 und 2o der Welle 14 ausgebildet. Das äußere
Ende des Ansatzes 21 ist durch eine Scheibe 22 dichtend abgeschlossen.
-
Zur Dichtung der Welle 13 des innen verzahnten Rades i i dient eine
an sich bekannte Stopfbüchse 23; sie liegt in einer Stellmuffe 24., welche mit Schraubengewinde
im Gehäuse 15 angreift. In eine entsprechende Ausnehmung der Muffe 2¢ greift ein
Bund 25 der Welle 13, so daß durch Drehen der Muffe 24 gleichzeitig das Rad i i
in axialer Richtung verschoben wird. Der Bund 25 hält das Rad i i in beiden Richtungen
fest. Dadurch ist es möglich, das Rad i i gegenüber der Innenwand des Gußstückes
16 beliebig einzustellen und dadurch die Zahnlücken abzudichten. Die Stellmuffe
24. sichert das Aufliegen der Zähne in ihrer ganzen Breite, so daß damit auch für
die gleichmäßige Abnutzung der Zähne gesorgt ist.
-
Im Inneren der beiden Zahnräder i i und 12 verbleibt zufolge ihrer
außermittigen Anordnung ein sichelförmiger freier Raum. Dieser Räum kann in an sich
bekannter Weise durch eine entsprechend geformte sichelförmige Einlage ausgefüllt
werden.
-
Die Maschine kann auch so ausgebildet werden, daß man das Zahnrad
12 nur an einem Zapfen lagert. Die Kraft wird von der Welle des Außenrades 12 abgeleitet.
-
Auch kann die beschriebene Maschine mit einem innen verzahnten Rad
und mit mehreren mit diesem zusammenarbeitenden Rädern mit Außenverzahnung versehen
werden.