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Als Pumpe, Motor oder Übertragungsorgan o. dgl. verwendbare Vorrichtung
Die Erfindung betrifft eine als Pumpe, Motor, f;bertragungsorgan o. dgl. verwendbare
Vorrichtung, -bei der zwei schraubenförmige Elemente ineinanderliegen und das äußere
Element einen Schraubengang oder -zahn mehr als das innere Element hat und die Steigungen
der Schraubenwindungen der beiden Elemente sich wie die Gang- oder Zahnzahlen verhalten,
dabei aber konstant, zunehmend oder abnehmend sein können.
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Gemäß der Erfindung sind bei dieser Vorrichtung wenigstens drei zusammenwirkende
schneckenförmige Elemente vorgesehen, von denen das mittlere einen Zahn mehr als
das innere und einen Zahn weniger als das äußere aufweist.
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Durch die Verwendung von mindestens drei zusammenwirkenden Elementen
wird, namentlich bei gleichem Raumbedarf, die Fördermenge erhöht; ferner wird die
Bauart vereinfacht und der Massenausgleich verbessert.
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Die Erfindung ist in beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsbeispielen
erläutert.
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Fig. i ist ein Längsschnitt einer einfachen Vorrichtung gemäß der
Erfindung nach der Linie i-i der Fig. 2.
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Fig.2 ist ein Querschnitt nach 2-2 der Fig. i. Fig.3 und ¢ zeigen
in größerem Maßstab geometrische Schemata, die verschiedene Stellungen angeben,
die von den drei Schneckenelementen eingenommen werden, wenn das mittlere Element
in Drehung versetzt wird.
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Fig. 5 zeigt erfindungsgemäß einander entsprechende Zahnradprofile.
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Fig.6 stellt einen anderen Satz von Profilen dar, die auf andere Weise
einander zugeordnet sind und ebenfalls die erfindungsgemäßen Bedingungen erfüllen.
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Fig. i zeigt im Längsschnitt eine abweichende Ausführungsform des
Mechanismus der Fig. i. .
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Fig.8 zeigt eine Anordnung zur Führung der Elemente: der Vorrichtung
der Fig. i. Fig. 9 stellt die Grundkreise der Führ ungsstirnräder dar.
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Fig. io und i i zeigen weitere Abweichungen in der Ausführung von
Mechanismen gemäß der Erfindung.
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Bei dem einfachen Ausführungsbeispiel gemäß Fig. i und 2 enthält die
Vorrichtung drei ineinanderliegende Schneckenradelemente 1,2,3. Das äußere Element
3 besitzt drei Zähne oder Windungen, das mittlere Element 2 enthält zwei Zähne oder
Windungen, während das innere Element i nur einen einzigen Zahn bzw. eine einzige
Windung aufweist. Die Steigungen der Gewinde sind
konstant, und
stehen zueinander im Verhältnis 3 : 2 : i. Die äußere Schnecke 3 erstreckt sich
wenigstens über eine Umdrehung, was zur Abdichtung der Gruppe 2, 3 erforderlich
ist. Die innere Schraube i sitzt auf einer Welle 5, die ihrerseits an ihren Enden
-in Lagern 6 ruht, wobei aber das eine dieser Lager fortgelassen werden kann. Das
mittlere Element 2 ist vollkommen frei beweglich und wird beispielsweise an jedem
Ende von Scheiben 7, ä gehalten, die Widerlager bilden und auf dem inneren Teil
i -sitzen. Das äußere Element 3 steht fest. Es ist in das Gehäuse g eingesetzt oder
bildet mit diesem ein einziges Stück; dieses Gehäuse besitzt Anschlüsse io und i
z für den Ein- und Austritt der treibenden oder geförderten tropfbaren oder gasförmigen
Flüssigkeit. (Im folgenden wird der Einfachheit halber nur von Flüssigkeit die Rede
sein.) " Die schraubenförmigen Teile i, 2, 3 können aus einem beliebigen Baustoff
hergestellt- werden.
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Einer oder mehrere dieser Teile können aus elastischen Stoffen (z.
B. Gummi) hergestellt werden, um eine bessere Abdichtung und eine bessere Schmierung,
beispielsweise im Falle von Wasser, zu gewährleisten.
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Das mittlere Element 2 z. B., das sehr dünn sein kann, kann beispiclsweisc
durch Kümpeln oder durch galvanisches Niederschlagen auf einer Form von geeigneter
Gestalt hergestellt werden.
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Betrachtet man nun die Fig.3 und q., auf denen die Schneckenelemente
schematisch durch ihre an einem beliebigen Punkt ihrer Länge ausgeführten (auf die
Grundkurven reduzierten) Querschnitte dargestellt sind, so sieht man sofort, daß
bei Drehung des Schnitts des inneren Elements i um die Achse 0l dieses Elements
z. B. in Richtung des Pfeils f 1 (Fig. 3) der Mittelpunkt 02 des Querschnitts des
mittleren Elements 2 sich um den Mittelpunkt01 in umgekehrter Richtung (Pfeil/2)
dreht, während dieser Querschnitt selbst des Teils 2 sich um seinen eigenen Mittelpunkt
O= im selben Sinne (Pfeil ß) dreht. Bei einem Vergleich der Fig.3 und q. sieht man,
daß, wenn das Element beispielsweise nach einer Drehungx von go° in Richtung des
Pfeils il in die Stellung i' gelangt, das Element 2 in die Lage 2' kommt, während
sein Mittelpunkt durch eine Drehung y um 01 in Richtung des Pfeils/'2 nach
02' gelangt und dieser Schnitt des Elements 2 selbst sich um z in Richtung/3 um
02' gedreht hat.
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Zusammenfassend ist also ersichtlich, daß die Drehung des Elements
i eine Drehung des Elements 2 hervorruft, das dabei gleichzeitig eine Winkelverschiebung
in bezug auf das äußere feststehende Element 3 erfährt. Was aber für einen Querschnitt
zutrifft, gilt auch- für alle übrigen Querschnitte.
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Schließlich bildet jede Gruppe von zwei Elementen i, 2 und 2, 3 ein
Räderwerk, das geschlossene Hohlräume bildet, die ohne die geringste Längsverschiebung
der Elemente sich während des Umlaufs axial verschieben und dabei ihren Inhalt vom
einen Ende des Räderwerks zum anderen Ende befördern, so daß dieses Schneckenradgetriebe
als Pumpe, Kompressor, Motor oder auch nur als einfaches Getriebe benutzt werden
kann. Die Fördermengen der durch die beiden erwähnten Rädergruppen gehenden Flüssigkeit
addieren sich.
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Es ist ferner ersichtlich, daß die Leistung bei einem annähernd gleichen
Platzbedarf größer ist, als wenn nur ein einziges Schnekkenradgetriebe mit zwei
Elementen vorhanden wäre; daß außerdem keinerlei Verbindung durch elastische Mittel,
Kardangelenke o. dgl. erforderlich ist; daß die bei der exzentrischen Drehung der
Achse des Elements 2 auftretenden Massenkräfte gering sind, weil dieser Teile hohl
ist und leicht sein kann und die Umlaufgeschwindigkeit seines Schwerpunkts vermindert
ist (bei dem beschriebenen Beispiel die Hälfte der Umlaufgesch-,vindigkeit des Elements
i).
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Die Fig. 5 und 6 stellen Beispiele von Profilen dar, die für die Herstellung
der Schnckkenräder Verwendung finden können. In Fig. 5 ist ein Querschnitt einer
Rädergruppe dargestellt, deren Teile i, 2, 3 zwei, drei und vier Zähne oder, genauer
ausgedrückt, zwei, drei oder vier Schraubenwindungen besitzen. Die Durchmesser der
Grundkreise Cl, C2, C3 dieser Elemente stehen zueinander im Verhältnis 2:3:4; die
Grundprofile Pi, P2, P3 dieser Profile sind Epizykloidenel, e2, e3, die sich an
Hypozykloiden hl, lt2, 1t3 anschließen; die Kreise ci, c2, c3, die diese Hypozykloiden
entwickeln, rollen auf den Kreisen Cl, C2, C3, und ihr Durchmesser ist gleich den
Exzentrizitäten 0i, O=, 03 zwischen diesen Kreisen.
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Das Element i kann voll ausgebildet sein.
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Um eine Dicke für das Element 2 zu erhalten, kann man als sein äußeres
Profil die Umhüllungskurve eines kleinen Kreises r2 wählen, der auf dem Grundprofil
P2 dieses Elements 2 rollt.
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Die Stärke des- äußeren Elements 3 liegt zwischen den Umhüllungskurven
zweier Kreise R3 und rs, die auf dem Grundprofil P3 rollen, oder, was auf dasselbe
hinauskommt, wie leicht gezeigt werden kann, zwischen der Umhüllungskurve des auf
dem Grundprofil P3 rollenden Kreises r3 und der Umhüllungskurve eines Kreises rß',
der auf jener Umhüllungskurve des Kreises r3 rollt.
In Fig.6 ist
ein Querschnitt einer Rädergruppe dargestellt, deren Schraubenelemente 1, 2, 3,
¢ mit einem, zwei, drei und vier Zähnen (oder genauer ausgedrückt, mit einer, zwei,
drei oder vier Schraubenwindungen) versehen sind. Die Grundkreise Cl, C2, C3, C4
der Elemente 1, 2, 3, 4. haben Durchmesser, die im Verhältnis 1 : 2 : 3 : q. stehen.
Eine Besonderheit dieser Anordnung liegt darin, daß die Mittelpunkte 01 und
03 der Grundkreise Cl, C' der Elemente i und 3 mit ungerader Zahn- oder Windungszahl
zusammenfallen, und daß es sich ebenso mit den Mittelpunkten 02 und 011 der
Grundkreise C2, C4 der Elemente 2 und q mit gerader Zahnzahl verhält.
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Die Grundkurven werden von Hypozykloiden /at (auf den Punkt 0l reduziert),
h= (eine Gerade), k3, !a4 gebildet; die - nicht dargestellten -- Kreise, die diese
Hypozykloiden erzeugen, rollen in den Grundkreisen Cl, C2, C3, Cl und haben einen
Radius, der gleich der Exzentrizität jener Grundkreise ist.
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Das Element i ist voll und wird dadurch gel)ildet, daß man um den
Ausgangspunkt (O1 in Fig.6) einen kleinen Kreis laufen läßt.
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Die Stärken der Elemente 2, 3, q. werden wie bei dem vorigen Beispiel
dadurch erhalten, daß man auf den Zykloiden 1a2, h3, h4 folgende Kreise oder Dollen
laufen lä.ßt: Für das Element 2 Kreise oder Rollen r2 und R2 (auf der Hypozykloide
h2), wobei der Radius des Kreises r2 gleich dem des kleinen Kreises ist, der zur
Bestimmung des Elements i gedient hat, für das Element 3 Kreise oder Rollen r3 und
R'; für das Element 4 Kreise oder Rollend und R4 (oder r4 und rl').
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Fig.7 zeigt eine Vorrichtung, die ähnlich wie die der Fig. i, aber
kegelförmig ausgebildet ist.
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Bekanntlich sind die Charakteristiken der Schneckenradgetriebe gemäß
der Erfindung die Ganghöhen p, die Exzentrizitäten e der Grundkreise und die Durchmesser
d der kleinen Kreiseri, r2, r3 (vgl. Fig. 5), deren Umhüllungskurven die Profile
P1, P2, P3 ... bestimmen.
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Bei dem Beispiel der Fig.7 werden die Kegel durch Änderung eines Durchmessers
d jedes Elements 1, 2, 3 in Längsrichtung, d. h. von einem Querschnitt zum folgenden,
erhalten. Es ist bekannt, daß bei einer derartigen Vorrichtung die Achsen der Schneckenräder
parallel sind.
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Man könnte auch an eine Änderung der Exzentrizität e der Grundkreise
in Längsrichtung denken; aber in diesem Falle wären, wie bekannt, die Achsen nicht
mehr parallel. Diese beiden Vorrichtungen (mit veränderlichen d oder e in der Längsrichtung
der Vorrichtung) gestatten, wie man weiß, eine Änderung der Querschnitte der zwischen
den Elementen des Räder«erks befindlichen geschlossenen Hohlräume, wodurch wiederum
für den Fall einer zusammcndrückbarcn Flüssigkeit je nach der Bewegungsrichtung
ein Verdichten oder Entspannen des Inhalts der Hohlräume ermöglicht wird.
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Bekanntlich könnte man auch die obenerwähnten Querschnitte durch eine
Änderung der Ganghöhe p oder durch eine gleichzeitige Änderung von p und
e, p und d, e und d oder auch von p, e, d ändern. Diese Änderungen
können in Längsrichtung einem beliebigen Gesetz folgen.
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Fig.8 zeigt, daß Gruppen von drei Elementen 1, 2, 3 (oder mehr) durch
Zahnräder mit einer beliebigen Anzahl von kleinen Zähnen von üblichem Profil, die
die gleichen Grundkreise haben, geführt werden können. Das dargestellte Führungsbeispiel
läßt sich auf die in den Fig. i und 5 dargestellten Vorrichtungen anwenden. Das
Element i trägt am Ende ein Ritzcl 12, das in einem Zahnkranz 13 läuft, der ebenso
wie ein Ritzel 1;1 von gleichem Grundkreis mit dem Element 2 fest verbunden ist.
Dieses letztere Ritzel kämmt mit einem mit dem feststehenden Element 3 fest verbundenen
Zahnkranz 15 mit Innenverzahnung.
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Um die Fig. 8 bis i i deutlicher zu gestalten, sind in ihnen die Elemente
1, 2, 3 durch Zylinder dargestellt, deren Durchmesser gleich den Durchmessern der
Grundkreise dieser Elemente sind.
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In Fig. io ist eine Vorrichtung mit drei Elementen 1, 2, 3 mit ein,
zwei oder drei Zähnen gezeigt. Das Element 3 steht fest, das Element 2 sitzt lose
auf einer Kurbelwelle 16. und das Element i wird durch seine Achse 5 angetrieben.
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Man kann den Elementen i und 2 beliebige Geschwindigkeiten von gleicher
oder ungleicher Richtung erteilen; die Leistungen der Gruppen 1, 2 und 2, 3 können
sich addieren oder voneinander abziehen. Es ist leicht einzusehen, daß eine derartige
Vorrichtung nach Belieben als Pumpe, Kompressor, Motor oder als einfaches trlbertragüngsgetriebe
sowie auch .gleichzeitig für mehrere dieser Verwendungen dienen kann.
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In Fig. i i ist schließlich eine Vorrichtung mit vier Elementen 1,
2, 3, q. dargestellt, die die schematisch in Fig.6 gezeigte An-
ordnung .
aufweist. Diese Vorrichtung setzt sich aus konzentrischen Elementen i und 3 mit
einem und drei Zähnen sowie aus ebenfalls konzentrischen Elementen 2 und ¢ mit zwei
und vier Zähnen zusammen. Auf jedes
Element ist eine Antriebsscheibe
17, 18, 19, 20 aufgesetzt.
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Die Leistungen dieser als Pumpe, Kompressör oder Motor benutzten Vorrichtung
addieren sich, und die Geschwindigkeiten der Antriebsscheiben entsprechen den Zahlenverhältnissen
q., 3,@ 2, 1, so daß eine Verwendung als Geschwindigkeitswechselgetriebe möglich
ist. Es ist klar, daß Vorrichtungen der in den Fig. ro und i i dargestellten Art
auch eine beliebige Anzahl schraubenförmiger Elemente mit 11, 11 + 1, 11
+ 2.... Zähnen oder Windungen enthalten könnten, wobei sie aber immer komplizierter
würden.
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Alle diese Gruppierungen von wenigstens drei ineinanderliegenden schraubenförmigen
Elementen weisen sämtliche Eigenschaften der gleichartigen Vorrichtungen mit zwei
Zahnrädern auf, als Pumpen, Kompressoren, Motoren oder einfache Übertragungsorgane
oder auch als Vorrichtungen für mehrere dieser Anwendungen gleichzeitig.
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Es können ferner mehrere dieser Vorrichtungen längs sich aneinanderreihend,
parallel, sternförmig usw. gruppiert werden.