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Schneckenpumpe, -kraftmaschine oder -verdichter
Den Gegenstand der
Erfindung bildet eine Verbesserung an Schneckenmaschinen (Pumpen, Kraftmaschinen
oder Verdichtern) mit zwei ineinandergreifenden schraubenförmigen Körpern, von denen
der äußere einen Gang mehr besitzt als der innere, dessen Gänge in jeder Querebene
beständig mit dem äußeren Körper in Berührung stehen, wobei die konstanten oder
nicht konstanten Steigungen in jeder rechtwinklig verlaufenden Querebene in einem
bestimmten Verhältnis zu der Zahl der Gänge stehen.
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Bekanntlich bestehen diese Maschinen im allgemeinen aus einem fest
mit dem Gehäuse zusammenhängenden Ständer und einem durch eine biegsame Welle oder
eine Gelenkanordnung angetriebenen Läufer, wobei die Anordnung derart getroffen
ist, daß der Läufer sich im Ständer abwälzen kann und daß die parallel zueinander
verlaufenden Achsen des Läufers und des Ständers im Raume eine konstante Richtung
einnehmen.
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Erfindungsgemäß sind der Ständer und der Läufer jeweils nur an einer
Stelle angelenkt, die sich auf der entsprechenden Achse des Ständers oder des Läufers
befindet, wobei die beiden Gelenkpunkte derart voneinander getrennt sind, daß die
Achsen des Ständers und des Läufers Kegelbewegungen von gleicher Winkelöffnung ausführen.
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Daraus ergibt sich eine einfachere Bauart sowie die Möglichkeit eines
besseren Ausgleiches und einer besseren. Anordnung.
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Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung an Hand der nur als Beispiel dienenden Zeichnung.
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Abb.j ist ein Längsschnitt durch eine erfindungs-
gemäße
Pumpe, bei welcher die Gelenke des Läufers und des Ständers jeweils an den entgegengesetzten
Enden vorgesehen sind; Abb. 2 ist eine schematische Darstellung, die zur theoretischen
Erklärung der Erfindung dient; Abb. 3 ist ein Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße
Pumpe, bei welcher das Gelenk des Läufers außerhalb der Pumpe angeordnet ist; Abb.
4 zeigt im Längsschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 1 besteht die sehr einfach gebaute
Maschine aus einem durch einen Deckel 2 geschlossenen Gehäuse I mit Rohranschlüssen
3 und 4, von denen entsprechend dem Drehsinn der eine zum Einlaß des zu fördernden
oder zu verdichtenden Mittels oder des Kraftmittels, und der andere zum Auslaß des
verdrängten oder entspannten Mittels dient. In diesem Gehäuse ist ein Ständer 5
aus Gummi oder einem ähnlichen Werkstoff befestigt. Dessen Befestigung geschieht
an einem Ende durch einen Flansch 6, der durch Stiftschrauben 7 und Gewindemuttern
8 zwischen dem Gehäuse I und dem Deckel 2 festgespannt ist. Die Innenfläche des
Ständers 5 ist in an sich bekannter Weise als Schneckenfläche ausgebildet.
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In diese Innenschnecke greift ein Läufer g ein. Dieser bildet einen
zweiten Schraubenkörper, der sich im Ständer abwälzt. In bekannter Weise besitzt
der Ständer 5 einen Gang mehr als der Läufer 9, dessen Gänge jeweils und in jeder
Querebene beständig mit dem Ständer 5 in Berührung stehen. Die konstanten oder nicht
konstanten Steigungen stehen in jeder rechtwinklig zur Drehachse verlaufenden Querebene
im Verhältnis zur Zahl der Gänge. Bei dem in Abb. I dargestellten Beispiel besitzt
der Ständer 5 zwei Gänge und der Läufer g nur einen Gang.
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Der Läufer 9, der von der dem Flansch 6 entgegengesetzten Seite in
den Ständer 5 eingebaut ist, ist selbst an dem außerhalb des Ständers 5 befindlichen
Ende durch eine anvulkanisierte Scheibe 10 aus Gummi oder einem ähnlichen federnden
Material mit einer Welle II verbunden. Diese Welle II ist bei einer Pumpe oder einem
Verdichter die treibende Welle, bei einer Kraftmaschine jedoch die getriebene Welle.
Die Welle II tritt aus dem Gehäuse I in der üblichen Weise durch eine Stopfbuchse
12 aus und ist in beliebiger Weise bei 13 mit einer Antriebswelle I4, z. B. eines
Elektromotors 15 oder einer Abtriebswelle, verbunden, wenn die Maschine alsKraftmaschine
arbeitet.
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Die Maschine arbeitet in der üblichen Weise. Wenn sie z. B. als Pumpe
benutzt wird, wälzt sich der durch die Welle II angetriebene Läufer 9 im Ständer
5 ab, mit dem er gleichzeitig kämmt. Je nach dem Drehsinn ergibt sich daraus ein
Ansaugen des Fördermittels durch den Anschluß 3 oder 4 und dessen Verdrängung unter
Druck durch den anderen dieser Anschlüsse.
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Während der Drehbewegung des Läufers g im Ständer 5 kann dieser um
die Mitte A des Flansches 6 schwingen, während der Läufer g um die Mitte B der Scheibe
10 schwingt. Beim dargestellten Beispiel liegen diese beiden Mittelpunkte A und
B jeweils an den entgegengesetzten Enden des Ständers 5 und des Läufers 9. Diese
gegenseitige Bewegung zwischen dem Ständer 5 und dem Laufer g kann deshalb stattfinden,
weil dort, wo der Läufer 9 im Raume festliegt, der Ständer 5 frei ausschlagen kann,
und weil umgekehrt der Läufer 9 dort frei ausschlagen kann, wo der Ständer 5 im
Raume festliegt.
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Zur besseren Erklärung dient die schematische und theoretische, in
vergrößertem Maßstab gezeichnete Darstellung der Abb. 2, in welche die beiden Schwingungspunkte
A und B eingetragen sind. Besteht die Maschine z. B. aus einem schraubenförmigen
Körper mit einem Gang (Läufer 9), der in einem hohlen schraubenförmigen Körper mit
zwei Gängen (Ständer 5) eingreift, so kann der durck A gehende Querschnitt der Gesamtanordnung
durch die beiden Teilkreise C und D mit den Mittelpunkten A und E dargestellt werden,
wobei die Durchmesser der beiden Kreise zueinander im Verhältnis von 2: 1 stehen
und der Abstand AE gleich ist der gegenseitigen Versetzung.
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Es ist ersichtlich, daß, wenn der Kreis D sich im Kreis C ohne Gleiten
abwälzt, die Achse BE um die Achse AB einen Kegel mit der Spitze B beschreibt.
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Betrachtet man in gleicher Weise einen anderen Querschnitt des Ständers,
so ergeben sich daraus die Teilkreise C' und D' mit den Mittelpunkten A' und E'.
Man sieht, daß die Achse AA' des Ständers um die Achse AB einen Kegel mit der Spitze
A beschreibt. Die beiden Kegel haben den gleichen halben Oftnungswinkd z. Man kann
auch weitere Querschnitte der einen oder der anderen Seite des Ständers betrachten,
z. B. die Querschnitte C>' und D". Man erkennt dabei stets die Gleichrichtung
der Querschnitte im Verlauf der Kegelbewegungen.
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Die beschriebene Anordnung gestattet somit ein richtiges Abwälzen
des Läufers im Ständer, trotz des nur an einem Ende des Ständers und des Läufers
vorgesehenen Gelenkes und gerade infolge der getrennten Anordnung der beiden Gelenkpunkte.
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Abb. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Maschine, bei welcher der Schwingungspunkt B des Läufers sich außerhalb der Pumpe
befindet und aus einem gewöhnlichen Kardangelenk 16 besteht, das die den Läufer
g unmittelbar verlängernde Welle I7 mit der Antriebswelle oder der angetriebenen
Welle 14 verbindet. Die Welle I7 ist mit einem gewissen Spielraum I8 durch ein Rohr
19 geführt, mit dem sie in der Nähe des Gelenkes I6 in der Drehrichtung durch eine
kleine Muffe 20 aus Gummi oder einem ähnlichen Werkstoff verbunden ist. Das Rohr
19 dreht sich in Wälzlagern 21 und 22, die in einem durch einen Fuß 24 mit einem
Ende des Gehäuses I verbundenen Lagerkopf 23 angeordnet sind. Die Abdichtung des
Gehäuses wird um das Rohr 19 herum durch eine übliche Stopfbuchse 25 gesichert,
in der sich dieses Rohr konzentrisch dreht.
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Die Muffe 20 sichert die Abdichtung zwischen der Welle I7 und dem
Rohr Ig und widersteht gegebenenfalls auch einem axialen Druck, der durch das Rohr
19 und die Wälzlager 2I, 22 auf den Lagerkopf 23 und das Gehäuse I übertragen wird.
Die Muffe 20 läßt ferner die geringen seitlichen Bewegungen der Welle I7 zu, die
sich aus der Kegelbewegung um den Punkt B ergeben.
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Zur theoretischen Erklärung dieser Maschine wird wieder auf Abb.
2 zurückgegriffen. Die bei 1 und I' dargestellten Querschnitte stellen schematisch
die
entsprechenden, darunter befindlichen Querschnitte der Pumpe
dar.
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Nachfolgend wird nachgewiesen, daß durch geeignete Auswahl der Merkmale
der Maschine diese in dynamischer Hinsicht vollkommen ausgeglichen werden kann.
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Die auf den Läufer g mit der Masse m wirkenden Fliehkräfte Fr, die
in einem Punkt a mit dem Abstand x von der Achse AB angreifen, können durch die
folgende Gleichung dargestellt werden: Fr = mw2 x, in welcher w die Winkelgeschwindigkeit
der Kegelachse bedeutet.
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Desgleichen werden für den Ständer 5 die bei b mit dem Abstand y
von der Achse AB angreifenden Fliehkräfte für eine Masse M des Ständers sich aus
der folgenden Gleichung ergeben: Fs = Mw2 y.
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Die Fliehkräfte Fs und Fr wirken stets in der gleichen Ebene, und
zwar der Ebene der beiden Achsen EE' und AA', und sind einander entgegengesetzt.
Zum Ausgleich der Maschine ist es erforderlich und genügt es, daß die beiden Fliehkräfte
entgegengesetzt gerichtet sind und daß m2 x AIw2 y oder mx = My ist. mx My Die Winkelgeschwindigkeit
w hat keinen Einfluß.
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Durch die Rechnung ist somit nachgewiesen, und es wird übrigens auch
durch die Erfahrung bekräftigt, daß die Maschine gemäß Abb. 3 mit einem Ständer
aus Gummi und einem Läufer aus plastischem Werkstoff oder Hartgummi unter der einzigen
Voraussetzung vollkommen ausgeglichen ist, daß das vorgenannte Verhältnis mx = My
eingehalten wird.
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Abb. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Maschine, bei welchem sich der Schwingungspunkt B des Läufers g außerhalb der Maschine
und in der Mitte eines Pendellagers 26 befindet, das ebenfalls den axialen Druck
aufnimmt. Bei diesem Beispiel besteht das Pendellager 26 aus einem gewöhnlichen
Kugellager mit kugeliger Lauffläche. Es könnte jedoch auch in jeder anderen Weise
ausgebildet sein.
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Die Hohlwelle des vorhergehenden Beispieles ist weggelassen und die
Welle I7 des Läufers g läuft unmittelbar in einer Stopfbuchse 27. Diese kann den
kleinen Kegelbewegungen der Welle folgen, denn sie ist mit dem Gehäuse I durch einen
federnden Schlauch 28 verbunden, der beispielsweise aus Gummi bestehen kann. Dies
gestattet die Ausführung einer Stopfbuchse 27, die sich durch ihren sehr kleinen
Durchmesser kennzeichnet.
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Gemäß Abb. 4 ist die Maschine beispielsweise mit einem Metallständer
5 versehen, der mit dem Gehäuse I durch einen federnden Flansch 6 gelenkig verbunden
ist, welcher aus Gummi oder einem ähnlichen Werkstoff besteht. Dieser Flansch ist
am Ständer durch Bolzen 29 und Gewindem uttern 30 befestigt und zwischen dem Gehäuse
I und dem Deckel 2 durch Stiftschrauben 7 und Gewindemuttern 8 festgespannt.
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Die Ausgleichbedingungen sind die gleichen wie beim Beispiel gemäß
Abb. 3. Durch die Rechnung kann nachgewiesen werden,. daß ein Ständer aus Stahl
und ein Läufer aus Stahl die Erzielung eines vollkommenen Ausgleiches gestatten.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die an Hand der Zeichnung
beschriebenen Ausführungen beschränkt, die nur als Beispiele angegeben sind.
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Insbesondere kann die Zahl der Gänge und die Steigung beliebig gewählt
werden.