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Drehkolbenmaschine Die Erfindung betrifft Drehkolbenmaschinen mit
parallelachsigen Drehkolben besonderer Form. Diese Maschinen können z. B. für Saug-
und Druckwirkung wie auch sinngemäß als :Motor verwendet werden. Sie sind besonders
als Gebläse für hohe Drehza'h'len geeignet. Ferner betrifft die Erfindung die Anwendung
und weitere Ausbildung eines Verfahrens für die genaue und billige Herstellung der
dazugehörigen Drehkolben.
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Als schnell laufendes Gebläse wurde bisher weitgehend das Rootsgebläse
verwendet. Hierbei ist die Herstellung der Drehkolben schwierig, und es läßt sich
nur eine begrenzte Genauigkeit erzielen, so daß beträchtliche Spaltverluste auftreten.
Der Drehzahl ist, insbesondere bei zweiflügeligen Drehkolben, durch die Fliehkraftbeanspruchung
an der E.inschnürung eine Grenze gesetzt. Eine andere Art von Drehkol:benmaschinen
mit Exzenterkolben und am Gehäuse gelagertem, hin und her schwingendem Schieber
ermöglicht zwar eine einfache und genaue Herstellung des Drehkolbens, doch bringt
die Bewegung des Schiebers Reibung und Abnutzung mit sich.
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Nach der Erfindung werden in einem Gehäuse auf zwei: Wellen, von denen
die eine bei entgegengesetzter Drehrichtung mit der me'hrfac'hen Dre'hza'hl der
anderen umläuft, zwei ungleiche Drehkolben angebracht, von denen der auf der schnelleren
Welle als Exzenter, der Gegendrehkolben als sein Abwicklungskörper gemäß dem Drehzahlverhältnis
ausgebildet ist, so daß die Drehkolben in allen Stellungen untereinander abdichten.
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Als sehr wesentlicher Vorteil ergibt sich bei dieser Form die Möglichkeit
einfacher und dabei sehr genauer Herstellung der Drehkolben gemäß den weiter unten
erläuterten Verfahren.
Der Vorschlag, bei Drehkolbenmaschinen zwei
gleiche, durch Exzenter mit gleicher Winkelgeschwindigkeit angetriebene Wälzkolben
zu verwenden, ist schon gemacht worden.
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In Frage kommen nach der Erfindung hauptsächlich die Drehzahlverhältnisse
i : 3 und 1 :2, wobei der Gegendrehkolben drei- bzw. zweiflügelige Form aufweist.
Von .den Kanälen für den Ein- und Auslaß mündet der eine auf der einen Seite in
den Gehäuseteil des Mehrzahnkolbens, der andere auf der gegenüberliegenden Seite
in denselben Gehäuseteil oder den des Exzenterkolbens oder auch in beide. Durch
Wahl der Größe und Lage des Eih-und Aus:laß.kanals kann die D.rehkolbenmaschine
den verschiedensten Verwendungszwecken angepaßt werden. Bei der Gehäuseform aus
zwei sich überschneidenden Zylindern ergibt sich ein Winkelbereich, in dem der Exzenterkolben
mit seinem Scheitel gegenüber dem Gehäuse nicht dichtet. Die vollkommenste Abdichtung
wird erzielt, wenn Eih-und Auslaßkanal bei Verwendung eines Dreizahnkolbens in dessen
Gehäuse so münden, daß in dem angegebenen Winkelbereich :die um den Exzenterkolben
herumführende Verbindung zwischen Ein- und Auslaß'kanal jeweils durch mindestens
einen der beiden dem Exzenterkolben benachbarten Zähne des Mehrzahnkolbens unterbrochen
wird, während der dritte Zahn den unmittelbaren Weg von Kanal zu Kanal ständig absperrt.
Die Kanäle können zur Steuerung durch die Drehkolben auch ganz oder teilweise in
die Stirnflächen des Gehäuses verlegt werden.
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Wählt man für gewisse Anwendungen der Maschine eine sehr geringe Exzentrizität,
so kann der Gegendrehkolben - sehr klein gehalten werden. Dann ergibt der Exzenterkolben
auch in dem oben angegebenen Winkelbereich eine fast vollkommene Abdichtung gegenüber
den Schnittkanten der beiden Gehäuseteile, woraus sich für die Steuerung Erleichterungen
bzw. Verbesserungen ergeben. In diesem Falle können auch beide Kanäle in das Gehäuse
des Exzenterkolbens münden.
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Gegenstand derErfindung ist auch die Bemessung des ExzenteTdurchmessers
D nach der Formel
die nach Wahl von Achsabstand A, Exzentrizität E sowie Zähnezahl n des Mehrzahnkolbens
den Exzenterdurchmesser für maximales Fördervolumen ergibt.
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Durch die unterschiedliche Drehzahl, beider Wellen besteht :gute Anpassungsmöglichkeit
an verfügbare Antriebsmaschinen, beispielsweise auch an solche mit-höchsten Drehzahlen
(Turbinen). Auf den Mehrzahnkolben wirken trotz seiner erheblichen Beteiligung an
der . Förderung überraschenderweise keine nennenswerten Momente. Beim Antrieb der
Maschine über die Exzenterwel'le fließt über das dieDrzhkolben verbindende Zahnräderpaar
also nur -ein sehr geringer Teil der Antriebsleistung, woraus sich ein günstiger
Wirkungsgrad, eine schwache Zahnradbemessung sowie die Möglichkeit der Wahl für
die Geräuschminderung geeigneter Baustoffe ergeben.
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Abb. i zeigt im Querschnitt eine Ausführung der Maschine mit einer
Zahnradübersetzung 1 :3. Im Gehäuse 1, 2 sind im Abstand A die Wellen 3 und 4 gelagert.,
die über außerhalb angeordnete Zahnräder mit den Teilkreisen 5 bzw. 6 gekuppelt
sind.
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Auf der Welle 3 ist mit der Exzentrizität E der Exzenterkolben 7 befestigt,
der in dem zylindrischen Gehäuseteil i abdichtend umläuft, während der Dreizahnkolben
8 in dem Gehäuseteil 2, gleichfalls abdichtend, sieh gegensinnig dreht. In dem Ge'häusetei12
münden der Einlaßkanal9 mit den Steuerkanten i i und 12 und der Auslaßkanal 13 mit
den Steuerkanten 14 und 15. Die Steuerkanten erstrecken sich in Achsrichtung des
Gehäuses 2. In der gezeichneten Ausführung sind in bezug auf die Achse des Dreizahnkolbens
8 die oberen Steuerkanten 12 und 15 wie auch die unteren i i und 14 unter dem gleichen
Winkel (i2o°) angeordnet wie die Zähne des Drehkolbens B. So ergibt sich beim Umlauf
die erforderliche Steuerung bei günstigen Kanalquerschnitten. Bei jeder Stellung
des Drehkolbens 8 dichtet mindestens einer seiner Zähne gegen die Gehäusewand zwischen
12 und 15 und sperrt so Kanal 9 gegen 13 ab. Im übrigen verlaufen Förderung und
Steuerung, von der Stellung nach Abb. i ausgehend und durch die Abb. 2 bis 4 verdeutlicht,
wie folgt: Der Zahn 16 des Drehkolbens 8 öffnet nach geringer Drehung bei Kante
i i vorübergehend den Einlaßkanal 9 zum Sichelraum 17, der am anderen Ende noch
durch den Zahn 18 abgeschlossen ist. Von der Stellung.nach Abb. 2 an dichtet der
Scheitel des Exzenterkolbens 7 gegen die Gehäusewand i bei der Kante i9 ab, während
gleichzeitig auf der anderen Seite der Zahn 18 bei der Kante 2 1 den Sichelraum
17 zum Auslaßkanal 13 öffnet. Beim Weiterdrehen verdrängt der Exzenterkolben den
Inhalt .des Sichelraumes 17 und :des zwischen Zahn 18 und 22 liegenden Raumes 23,
während vom Einlaßkanal 9 her der auf der Rückseite des Exzenters sich neu bildende
Sichelraum gefüllt wird. Wenn die Stellung nach Abb.3 erreicht ist, trennt der weiterbewegte
Zahn 18 bei Kante i9 den neuen Sichelraum vom Ein;laßkanal ab, während zugleich
der Scheitel .des Exzenterkolbens die Gehäusewand i bei der Kante i9 verläßt und
somit den neuen S.ichelraum kurzzeitig und bei engem Querschnitt mit dem Au:slaßkanal
verbindet, bis eine Abb. i entsprechende Stellung erreicht ist. Dann lösen sich
Zahn 18 und 22 an .den Kanten i9 bzw. 21 bei der Aufgabe- ab, die um den Exzenterkolben
herumführende Verbindung -zwischen Ein- und Auslaßkanal- zu unterbrechen. Von hier
an wiederholt sich das Arbeitsspiel. Eine besondere Stellung ist noch in Abb. 4
gezeigt. Der obere Förderraum des Dr:eizahnkolbens ist eben .gegen den Einströmkanal
an der Kante 12 abgeschlossen, und zugleich öffnet sich dieser Raum gegenüber der
Auslaßleitung an der Kante 15.
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Bei hoher Drehzahl können die Steuerkanten nach Maßgabe der Strömungsvorgänge
weitgehend verlegt werden, z. B. kann auf den Abschluß zwischen
den
Kanten i i und i9 verzichtet werden, wobei die Einströmung wie beim Rootsgebläse
in beide Gehäuseteile unmittelbar erfolgt.
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Die Abb. 5 und 6 zeigen im Längs- und Querschnitt als weiteres Ausführungsbeispiel
ein Spül-, Lade- und gegebenenfalls Nachladegebläse eines Zweitaktmotors. Es ist
i das als Gebläsezylinder ausgebildete Schwungradgehäuse, an das sich das Steuergehäuse
2 anschließt. Im Gehäuse i läuft, auf der Welle 3 befestigt, das als Hauptdrehkolben
dienende Schwungrad 7 des gleichfalls mit Spaltdichtung arbeitenden Gebläses um.
Während der Hauptdrehkolben 7 als Exzenter ausgebildet ist, hat der durch äußere
Zahnräder (Teilkreise 6 und io) mit ihm im Achsabstand A gekuppelte Nebendrehkolben
8 zwei Zähne, die beim Umlauf mit halber Drehzahl sich auf dem Exzenter so abwälzen,
daß sie in jeder Stellung eine Trennung der Saug- und Druckräume herbeiführen. Die
Exzentrizität des Hauptdrehkolbens 7, sein Durchmesser D sowie der Achsabstand Ader
Drehkolben sind so gewählt, daß die Kanten 19 und 21 so nahe beieinander liegen,
daß sich zwischen den benachbarten Gehäuserändern und dem Drelhkolben 7 bei der
gezeigten Stellung schmale Spalte mit genügender Abdichtung ergeben.
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Links am Gehäuse 1,;2 liegt bei der gewählten Drehrichtung der Einlaßkanal
9, rechts das Auslaßgehäuse 25, in denn mit Spiel .abdichtend ein zylindrischer
Steuerschieber 26 mit zwei gegenüberliegenden :Öffnungen 27 mit der Drehzahl des
l@Tebendrehkoylbens umläuft, wie durch Zahnradteilkreise angedeutet. Das Gehäuse
25 mündet in den nicht dargestellten Motorzylinder. Der Kanal 13 liegt unter der
waagerechten Mittellinie des Nebendrehkolbens.
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Der Steuerschieber 26 ist, sofern man sich mit der Arbeitsweise des
Rootsgebläses begnügt, entbehrlich, da die beschriebenen Teile .die Steuerung wie
nach Abb. i bewirken. Bei Verwendung des entsprechend eingestellten Steuerschiebers
26 kann das Zurückströmen aus der Druckleitung in an sich bekannter Weise verhindert
werden. Damit wird aus dem Fördergebläse ein Verdichter. Der Drehkolben 7 ist .durch
außermittige Anordnung des zylindrischen Hdhlraumes 28 ausgewuchtet.
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Abb. 7 zeigt schematisch im Schnitt eine Vakuumpumpe nach der Erfindung
mit ölabdichtüng der umlaufenden Teile.. Es ist wieder i das Gehäuse des Hauptdrehkolbens
7 und 2 das _ des Nebendrehkolbens B. Der Hauptdre!hkolben 7 ist auf dem Exzenter
29 der beiderseits gelagerten Antriebswelle 3 als Wälzkolben drehbar. Der Saugkanal
9 mündet unter der Kante i9 in das Gehäuse i. In gewissen Fällen kann es zweckmäßig
sein, ihn in das Gehäuse :2 zu führen, entsprechend dem Kanal 13 (Abb. i). Das gleiche
gilt für-den Auslaßkanal 13, der über das Auslaßventi.l 31 in den Raum 32 führt.
Dieser Raum ist in bekannter Weise mit einem Ölvorrat versehen, der das Ventil abdichtend
bedeckt und .die Schmierung sowie Abdichtung der umlaufenden Teile bewirkt.
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Auf Grund der verbesserten Steuerung und der Verwendung eines Wälzkolbens
kann-die Drehzahl gegenüber bekannten Vakuumpumpen wesentlich erhöht werden, besonders
wenn dfer Exzenterkolben ausgewuchtet wird. Zu diesem Zweck wird vorteilhaft der
Wälzkolben hohl ausgebildet, wobei er das zeit der Welle umlaufende-Gegengewicht
umschließt. Der ringförmige Kolben kann dabei U- oder T-förm.igen Querschnitt aufweisen.
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Abb. 8 zeigt im Querschnitt eine in Sonderfällen als zusätzliches
Steuermittel verwendete Abdichtleiste 35, die in einer Längsnut 34 des Gehäuses
i federnd und mit Anschlag 33 so gelagert ist, daß sie den Wälzkolben nur während
eines begrenzten Winkelbereichs der Wellendrehung berührt und somit nur geringfügig
bewegt wird.
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Zwischen dem Wälzkolben und den Gehäusedeckeln können in Achsrichtung
gefederte Dichtungsringe vorgesehen werden.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des Gegendrehkolbens.
Dieses besteht im wesentlichen darin, daß entweder das beim Bearbeitungsvorgang
umlaufende Werkzeug selbst nach Art eines Exzenters ausgebildet ist oder der schneidende
Teil des Werkzeugs in der Mantelfläche des Exzenters arbeitet, auf dem das ebenfalls
umlaufende Werkstück sich abwälzt, wobei die Drehzahl des Werkzeugumlaufs ein ganzzahliges
Vielfaches der Drehzahl des Werkstückes ist nach Maßgabe der für den Gegendrehk
olben gewählten Zähnezahl. .
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Besonders einfach kann das Verfahren in Anlehnung an das bekannte
Fellow-Zahnradstoßverfahren ausgeführt werden, indem ein kreisrundes Stoßmesser
mit der gegebenen Exzentrizität mit dem drehbaren Stößel der Maschine verbunden
wird, während das zu stoßende Werkstück auf dem Drehtisch eingespannt ist, wobei
Stößel und Tisch durch Zahnräder gekuppelt sind und gemeinsam schrittweise zwischen
den Arbeitshüben den drehenden Vorschub erhalten.
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Um an Stelle des kreisförmigen eingewöhnliches Stoßmesser verwenden
zu können, wird das Verfahren folgendermaßen abgewandelt: Das am Ende kreisförmig
angeschliffene Messer wird - längs einstellbar auf einem Stahlhalter befestigt -
durch einen Exzenterzapfen des Arbeitstisches in Richtung auf das Werkstück- hin
und her bewegt, während durch eine gleitende oder gelenkige Führung die Schneide
im Bereich der Bearbeitungsstelle festgehalten wird, so daß eine pleuelartige Bewegung
.des Messers entsteht.
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Es kann in manchen Fällen zweckmäßiger sein, daß Stoßverfahren in
der Weise umzukehren, daß das Werkstück auf dem Stößel, das Werkzeug auf dem Drehtisch
aufgespannt wird.
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Das Verfahren kann unter Verwendung der verschiedensten Werkzeugarten
ausgeführt werden, beispielsweise auch mit einer Schleifscheibe. Diese wird zweckmäßig
etwas kleiner als der Exzenter gewählt und mittels einer sogenannten Planetenschleifspindel
in zusätzlich kreisende oder schwingende Bewegung versetzt, so daß der einem Werkzeug
von voller Größe entsprechende Arbeitsbereich bestrichen wird. Dabei wird die Exzentrizität
der
Planetenbewegung gleich dem Untermaß der Schleifscheibe gegenüber
dem Exzenterradius eingestellt.
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Nach dem Verfahren können auch sogenannte Meisterkurven hergestellt
und in gewöhnlicher Weise nachgeformt werden.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die nur als Ausführungsbeispiele
gewählten Ausführungen. So können z. B. die Drehkolben bei gleichem Profil schraubenförmig
ausgeführt werden.