EP0661456B1 - Parallel- und aussenachsige Rotationskolbenmaschine - Google Patents

Parallel- und aussenachsige Rotationskolbenmaschine Download PDF

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Publication number
EP0661456B1
EP0661456B1 EP94250290A EP94250290A EP0661456B1 EP 0661456 B1 EP0661456 B1 EP 0661456B1 EP 94250290 A EP94250290 A EP 94250290A EP 94250290 A EP94250290 A EP 94250290A EP 0661456 B1 EP0661456 B1 EP 0661456B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
rotary piston
piston machine
machine according
pitch
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP94250290A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0661456A1 (de
Inventor
Gerhard Herbert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vodafone GmbH
Original Assignee
Mannesmann AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mannesmann AG filed Critical Mannesmann AG
Publication of EP0661456A1 publication Critical patent/EP0661456A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0661456B1 publication Critical patent/EP0661456B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C18/00—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C18/08—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C18/082—Details specially related to intermeshing engagement type pumps
    • F04C18/084—Toothed wheels

Definitions

  • the invention relates to a dry-running parallel and outer-axis rotary piston machine preferably for compressing a compressible working medium according to the preamble of the main claim.
  • Dry-running screw compressors and screw vacuum pumps are usually equipped with a coupling gear, also known as a synchronous or synchronizing gear (see Dubbel, paperback for mechanical engineering, 16th edition, P 45).
  • the torque required for the secondary rotor is generally transmitted from the main rotor via the synchronized gearbox. Metallic contact with the rotor profile flanks and the associated wear and tear must be prevented, otherwise the rotor will seize and be destroyed. In order to reduce the friction and thus the wear between the runners, it is known to treat the rotor surfaces (see DE-OS 41 11 110). With the help of the coupling gear, the required profile gap of the main and secondary rotor is set and kept constant, so that the two rotors do not touch in any profile position.
  • a sliding movement normally occurs on the rotor profile flanks.
  • a measure of the sliding movement is the sliding speed, which is a parameter for friction, heating and seizure stress.
  • the sliding speed increases with increasing distance of the profile engagement point on the pitch circle.
  • a parallel and outer-axis rotary piston machine in which a certain profile construction is defined for the slot rotor for the drive by the slot rotor.
  • the aim is to effectively increase the radial extent of the force-transmitting flanks with a view to reducing the surface pressure and reducing the sliding speed.
  • the machine can be operated either as an oil-injected rotary piston machine or as a dry-running machine in conjunction with a synchronous gear. For technical reasons in the sense
  • gaps or gaps are provided for reliable machine operation so that the rotors do not touch each other within certain flank parts.
  • the profile of the slot rotor is slightly modified so that it deviates from the theoretical shape.
  • the extent of the deviations is determined as a function of the operating conditions, these deviations numerically ranging from zero to 0.1 mm. For the area near the pitch circle, the extent of the deviation should have a minimum value, a value of zero being included.
  • the proposed design is intended to ensure that a slip occurs in a certain direction, the driving flank having a higher sliding speed than the driven flank.
  • the object of the invention is to provide a dry-running parallel and outer-axis rotary piston machine, preferably for compressing a compressible medium, the rotors of which mesh with one another with as little wear as possible, without a synchronous gear.
  • This condition can be realized, for example, in such a way that in the head part of the grooved rotor and / or in the foot region of the fin rotor, a cam-like increase in the leading as well as in the trailing flank is provided, which extends over the entire rotor bale and allows touching the rotor flank only in the vicinity of the pitch circle.
  • the head relief In contrast to the cam-like elevation, the head relief must be present on both the grooved and the rib rotor, since otherwise a wear-free contact cannot be guaranteed. This is inevitably linked to the condition that the head relief must be arranged on both the leading and the trailing edge.
  • Ion implantation with preferably titanium and chromium as the ion implant and laser hardening have proven to be particularly favorable for the aforementioned surface treatment of the special areas of the runners.
  • Both methods are also well suited to harden very small selected areas without influencing the adjacent areas.
  • the advantage of the rotary piston machine according to the invention can be seen in the fact that the otherwise usual wear rate in the contact area of the two runners is minimized and thus a dry-running machine can also be realized without a synchronous gear.
  • the somewhat greater manufacturing effort for the manufacture of such a pair of runners is more than compensated for by the improvement in efficiency and the longer service life of the machine.
  • a dry-running rotary piston machine according to the prior art is shown in a longitudinal section.
  • two parallel screw rotors 2, 3 are arranged, one of which is called a main rotor 2 or also a rib rotor, and the other is a secondary rotor 3 or also a slot rotor.
  • the main rotor 2 is driven via a shaft 4, for example by a flanged electric motor or diesel engine.
  • the journal of the shaft 4 is supported on the radial ball bearing 5 in the housing 1.
  • the pin is supported in a similar manner in the rotor shaft 6 of the secondary rotor 3.
  • an axial bearing 8 is also arranged on the right-hand side in order to absorb the axial thrust that occurs during operation. This axial thrust is caused by the pressure difference between the suction and pressure side.
  • both end areas are provided with seals 9, 10.
  • the compressible working medium for example air, enters the suction-side working space 11 via the suction nozzle (not shown here), is compressed along the conveying line of the two screw rotors 2, 3 and exits again in the flanged outlet housing 12.
  • a synchronous gear consisting of two gear wheels 14, 15 is arranged in the cavity of a flanged cover 13.
  • These gears 14, 15 have a high level of manufacturing accuracy and, by synchronization, prevent metallic contact between the main 2 and the secondary rotor 3 Details are not dealt with here, since they are of no importance for the understanding of the following explanations.
  • FIG. 2 shows a conventional pair of runners with a large backlash in an end section.
  • the main rotor 2 has five combs 20.1-20.5, while the secondary rotor 3 has six teeth 21.1-21.6.
  • This pairing 5/6 which is not atypical in itself, is not essential to the invention.
  • the pairing is arbitrary and could just as well be 3/4, 4/4 or 5/7, for example.
  • the respective design profile 24, 25 is indicated by the dashed line and the respective production profile is indicated by the solid line 26, 27.
  • the addition of the difference 28 of the main rotor 2 to the difference 29 of the secondary rotor 3 is referred to as a flank or profile game. Usually, this backlash is divided equally between the main and secondary runners.
  • the differences 28, 29 are exaggerated for the sake of illustration and are in total in the order of magnitude of preferably 100 ⁇ m.
  • FIG. 3 a partial section of an end section of a pair of runners 2, 3 according to the invention with cam-like elevations is shown on an enlarged scale.
  • a tooth 21.3 of the secondary rotor 3 meshes with the comb 20.5 of the main rotor 3.
  • the flanks 30, 32 and 33 of the main rotor 2 which are designated here in detail, correspond to the flanks designated by 26 in FIG of the main runner.
  • the leading flank 30 of the head part 20.5 of the main rotor 2 has a cam-like elevation 31 in the rolling region. This is followed by the gap flank 32 of the main rotor 2, which then merges into the trailing flank 33.
  • a further cam-like elevation 34 is provided in the region of this trailing flank 33.
  • a comparable embodiment is also provided for the tooth 21.3 of the secondary rotor 3 shown here.
  • the flank of the secondary rotor 3, designated 27 in FIG. 2 corresponds to the flanks 35, 37 and 40 of the secondary rotor 3 detailed here.
  • the leading flank 35 has a flattening 37 before the transition to the head part 36, which then merges into one previously with the main rotor 2 mentioned cam-like increase 38. It is now essential to the invention that the two mentioned increases 31, 38 of the main rotor 2 and the secondary rotor 3 touch exactly in the pitch circle point 39 of both pitch circles 22, 23. It is advantageous that in this area the sliding movement leading to abrasion and wear is very small, ideally almost zero.
  • the respective elevation 31, 38 continues along the bale of the runner, the degree of screw pitch ensuring that the point of contact lies on the pitch circle point at every point of the runner.
  • the trailing flank 40 of the tooth 21.3 of the secondary rotor 3 also has a cam-like elevation 41, which then meshes with the opposite elevation 34 of the main rotor 2.
  • the size of the elevations 42, 43 is shown here exaggerated in the drawing and for both runners 2, 3 is actually in a range between 5 to 45 micrometers.
  • FIG. 4 a variant of the pair of runners according to the invention is shown with head relief.
  • the intermeshing rotor pair 50, 51 of FIG. 4 has the same gear pair 5/6; the contour (flank) 54 of the main rotor 50 or the contour (flank) 53 of the secondary rotor 51 would, however, lie in the middle in FIG. 2 between the contours 24, 26 of the main rotor 2 and the contours 25, 27 of the secondary rotor 3.
  • the flank or profile play is significantly less and is of the order of 50 ⁇ m. This flank or profile game is not shown separately here.
  • the head relief 72 of the main rotor 50 and the head relief 71 of the secondary rotor 51 can be seen.
  • FIG. 5 The detailed view in FIG. 5 begins as in FIG. 3 for the main rotor 50.
  • the leading flank 58 is withdrawn in the head region, so that in the region of Pitch circle 59 a quasi-increase 61 arises. This then merges continuously into the gap flank 62.
  • the trailing flank 63 also has a head relief, so that a further quasi-increase 64 is formed.
  • the flattening 67 head relief 71
  • the two protruding regions 70, 64 mesh precisely at the pitch point 65.
  • the head relief 71, 72 is also exaggerated in the drawing and is of the order of 5 to 45 micrometers.
  • FIG. 6 shows in the partial images ad different types of surface hardening, the partial images a, b corresponding to the profile formation according to FIG. 3 and the partial images c and d corresponding to the profile formation according to FIG. 5.
  • Part a shows the coating with ceramic as one of the possibilities for local surface hardening. It can be seen that only the areas 31, 38, 41, 34 affected by this have such a coating. The details of the application of the ceramics are not dealt with here, since they are described in the corresponding specialist literature (e.g. technical notice, issue 3, 85th year, October 1992, ceramics as construction material) can be read.
  • Part b shows a very simple hardening, by means of the classic thermal hardening.
  • FIG. d Another variant shows drawing d.
  • a combination of different hardening processes has been chosen here.
  • the head part 68 of the tooth 57.4 of the secondary rotor 51 is optionally coated with ceramic or PVD.
  • the gap flank 73 of the main rotor 50, including the special areas 61, 64, is treated by means of ion implantation. Titanium and chromium ions are preferably used for this.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Applications Or Details Of Rotary Compressors (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine trockenlaufende parallel- und außenachsige Rotationskolbenmaschine vorzugsweise zum Verdichten eines kompressiblen Arbeitsmediums gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruches.
  • Trockenlaufende Schraubenverdichter sowie Schraubenvakuumpumpen sind normalerweise mit einem Koppelgetriebe auch Gleichlauf- bzw. Synchronisiergetriebe genannt, versehen (siehe Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 16. Auflage, P 45). Über das Gleichlaufgetriebe wird im allgemeinen vom Hauptläufer das für den Nebenläufer erforderliche Drehmoment übertragen.Eine metallische Berührung der Läuferprofilflanken und die damit verbundenen Verschleiß-Beanspruchungen müssen verhindert werden, da es sonst zum Fressen und zur Zerstörung der Läufer kommt. Um die Reibung und damit den Verschleiß zwischen den Läufern zu verringern, ist es bekannt, die Läuferoberflächen zu behandeln (siehe DE-OS 41 11 110). Mit Hilfe des Koppelgetriebes wird der erforderliche Profilspalt von Haupt- und Nebenläufer eingestellt und konstant gehalten, so daß sich die beiden Läufer in keiner Profilstellung berühren.
  • Aus technischer und wirtschaftlicher Sicht soll der zuvor erwähnte Profilspalt so gering wie möglich sein. Dies bedeutet auf der anderen Seite eine sehr hohe Fertigungsgüte der Koppelgetriebe-Zahnräder.
  • Bei der Rotation der Läufer ohne ein Gleichlaufgetriebe tritt an den Läuferprofilflanken normalerweise eine Gleitbewegung auf. Ein Maß für die Gleitbewegung ist die Gleitgeschwindigkeit, die als Kenngröße für Reibung, Erwärmung und Freßbeanspruchung, . Die Gleitgeschwindigkeit steigt mit zunehmendem Abstand des Profileingriffpunktes am Wälzkreis.
  • Aus der DE-OS 25 08 435 ist eine parallel- und außenachsige Rotationskolbenmaschine bekannt, bei der für den Antrieb durch den Nutenrotor eine bestimmte Profilkonstruktion für den Nutenrotor festgelegt ist. Damit soll die radiale Erstreckung der kraftübertragenden Flanken im Hinblick auf eine Verringerung der Flächenpressung und Verminderung der Gleitgeschwindigkeit wirksam vergrößert werden. Die Maschine kann wahlweise als öleingespritzte Rotationskolbenmaschine oder als trockenlaufende Maschine in Verbindung mit einem Gleichlaufgetriebe betrieben werden. Aus fertigungstechnischen Gründen im Sinne
  • für einen zuverlässigen Betrieb der Maschine sind Spalte oder Zwischenräume vorgesehen, damit die Rotoren innerhalb bestimmter Flankenteile sich nicht unmittelbar berühren. Zur Erzeugung derartiger Spalte wird das Profil des Nutenrotors geringfügig modifiziert, so daß es von der theoretischen Gestalt abweicht. Das Ausmaß der Abweichungen wird in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen festgelegt, wobei zahlenmäßig diese Abweichungen in der Bandbreite von Null bis 0,1 mm liegen. Für den Bereich in der Nähe des Teilkreises soll das Ausmaß der Abweichung einen Kleinstwert besitzen, wobei ein Wert Null mit eingeschlossen ist. Durch die vorgeschlagene Konstruktion soll erreicht werden, daß ein Schlupf in eine bestimmte Richtung sich einstellt, wobei die treibende Flanke eine höhere Gleitgeschwindigkeit als die getriebene Flanke besitzt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine trockenlaufende parallel- und außenachsige Rotationskolbenmaschine vorzugsweise zum Verdichten eines kompressiblen Mediums anzugeben, deren Rotoren unter Verzicht eines Gleichlaufgetriebes möglichst verschleißarm miteinander kämmen.
  • Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen. Kern der Erfindung ist die Überlegung, daß im Umkehrschluß mit abnehmendem Abstand des Profileingriffpunktes vom Wälzkreis die Gleitgeschwindigkeit geringer wird und im Bereich des Wälzpunktes sehr klein bzw. nahezu Null ist. Wenn nun, wie vorgeschlagen, im Stirnschnitt
    die Profilflanke der beiden Läufer im Bereich des Wälzkreises so ausgebildet ist, daß der Kontakt, d.h. der Berührpunkt der Läufer untereinander nur im Wälzpunkt erfolgt, dann muß die Verschleiß-Beanspruchung geringer werden. Diese Bedingung kann man bspw. in der Weise realisieren, daß im Kopfteil des Nutenrotors und/oder im Fußbereich des Rippenrotors sowohl in der vorlaufenden wie auch in der nachlaufenden Flanke je eine nockenartige Erhöhung vorgesehen ist, die sich über den gesamten Läuferballen erstreckt und eine Berührung der Rotorflanke ausschließlich in der Nähe des Wälzkreises erlaubt.
    Alternativ wird dazu vorgeschlagen, dies durch Zurücknahme des Kopfteiles zu erreichen. Im Unterschied zur nockenartigen Erhöhung muß die Kopfzurücknahme sowohl am Nuten- als auch am Rippenrotor vorhanden sein, da ansonsten eine verschleißfreie Berührung nicht gewährleistet ist. Zwangsläufig ist damit auch die Bedingung verknüpft, daß die Kopfzurücknahme sowohl an der vorlaufenden wie auch an der nachlaufenden Flanke angeordnet werden muß.
  • Die vorgenannten Erhöhungen bzw. Zurücknahmen liegen wertemäßig in einem Bereich zwischen 5 bis 25 Mikrometer und sind visuell am jeweiligen Läufer gut zu erkennen. Bedingt durch die Fertigungstoleranzen wird in den wenigsten Fällen der Idealzustand erreicht, daß eine Berührung nur und ausschließlich im Wälzkreispunkt stattfindet. Auch in den unmittelbar angrenzenden Nachbarbereichen kommt es zu metallischen Berührungen. In diesem Bereich nimmt die Gleitgeschwindigkeit und damit der Verschleiß wieder zu. Um den Abrieb auch für diese Bereiche zu minimieren, wird weiterbildend vorgeschlagen, die Bereiche der Erhöhung bzw. Zurücknahme speziell oberflächenzubehandeln.
  • Als Verfahren dafür bieten sich an
    • thermisches Verfahren
    • thermomechanisches Verfahren
    • thermochemisches Verfahren
    • Gasphasenabscheidung
    • elektrochemische und chemisches Verfahren
    • Ionenimplantation
    • Laserhärten
    • Laserauftragsschweißen mit metallischen Beschichtungsstoffen
  • Besonders günstig für die zuvor erwähnte Oberflächenbehandlung der speziellen Bereiche der Läufer hat sich zum einen das Ionenimplantieren mit vorzugsweise Titan und Chrom als Ionenimplantat und das Laserhärten herausgestellt.
  • Beide Verfahren sind darüber hinaus gut geeignet sehr kleine ausgewählte Bereiche zu härten, ohne die angrenzenden Bereiche mit zu beeinflussen.
  • Der Vorteil der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine ist darin zu sehen, daß die ansonsten übliche Verschleißrate im Berührungsbereich beider Läufer minimiert wird und damit auch eine trockenlaufende Maschine ohne Gleichlaufgetriebe realisiert werden kann. Der etwas größere Fertigungsaufwand für die Herstellung eines solchen Läuferpaares wird mehr als wettgemacht durch die Wirkungsgradverbesserung und die längeren Standzeiten der Maschine.
  • In der Zeichnung wird anhand zweier Ausführungsbeispiele die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Läufer näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    einen Längsschnitt durch einen Trockenläufer nach dem Stand der Technik
    Figur 2
    einen Stirnschnitt durch ein herkömmliches Läuferpaar mit großem Flankenspiel
    Figur 3
    im vergrößerten Maßstab einen Teilausschnitt eines Stirnschnittes eines erfindungsgemäßen Läuferpaares mit nockenartiger Erhöhung
    Figur 4
    einen Stirnschnitt durch ein erfindungsgemäßes Läuferpaar mit Kopfzurücknahme
    Figur 5
    im vergrößerten Maßstab einen Teilausschnitt des Stirnschnittes nach Fig. 4
    Fig.6a-b
    Beispiele für unterschiedliche Oberflächenbehandlungen
  • In Figur 1 ist in einem Längsschnitt eine trockenlaufende Rotationskolbenmaschine nach dem Stand der Technik dargestellt. In einem Gehäuse 1 sind zwei parallelliegende Schraubenrotoren 2,3 angeordnet, wovon der eine als Hauptläufer 2 oder auch Rippenrotor genannt, und der andere als Nebenläufer 3 oder auch Nutenrotor genannt, ausgebildet ist. Der Hauptläufer 2 wird über eine Welle 4 angetrieben, beispielsweise durch einen angeflanschten E-Motor oder Dieselmotor. Der Zapfen der Welle 4 stützt sich über ein Radialkugellager 5 im Gehäuse 1 ab. In ähnlicher Weise stützt sich auch der Zapfen in der Rotorwelle 6 des Nebenläufers 3 ab. Auf der rechten Seite ist zusätzlich zum Radiallager 7 noch ein Axiallager 8 angeordnet, um den beim Betrieb auftretenden Axialschub aufzufangen. Dieser Axialschub entsteht durch den Druckunterschied zwischen der Saug- und Druckseite. Um die Leckageverluste gering zu halten und zur physikalischen Abtrennung von Arbeitsraum und ölgeschmierten Lager- bzw. Getrieberaum, sind beide stirnseitigen Bereiche mit Abdichtungen 9,10 versehen. Das kompressible Arbeitsmedium, beispielsweise Luft, tritt über den hier nicht dargestellten Saugstutzen in den saugseitigen Arbeitsraum 11 ein, wird entlang der Förderlinie der beiden Schraubenrotoren 2,3 verdichtet und tritt im angeflanschten Austrittgehäuse 12 wieder aus. Um bei diesem hier gezeigten Trockenläufer eine metallische Berührung der beiden Rotoren 2,3 zu vermeiden, ist im Hohlraum eines angeflanschten Deckels 13 ein aus zwei Zahnrädern 14,15 bestehendes Gleichlaufgetriebe angeordnet. Diese Zahnräder 14,15 weisen eine hohe Fertigungsgenauigkeit auf und verhindern durch Synchronisierung eine metallische Berührung zwischen Haupt-2 und Nebenläufer 3. Auf weitere konstruktive Einzelheiten wird hier nicht eingegangen, da sie für das Verständnis der nachfolgenden Ausführungen ohne Bedeutung sind.
  • Figur 2 zeigt in einem Stirnschnitt ein herkömmliches Läuferpaar mit großem Flankenspiel. In diesem Beispiel weist der Hauptläufer 2 fünf Kämme 20.1 - 20.5 auf, während der Nebenläufer 3 mit sechs Zähnen 21.1 - 21.6 versehen ist. Diese an sich nicht untypische Paarung 5/6 ist aber nicht erfindungswesentlich. Die Paarung ist beliebig und könnte ebensogut auch beispielsweise 3/4, 4/4 oder 5/7 lauten. Wesentlich ist, daß die Wälzkreise 22,23 des Hauptläufers 2 bzw. des Nebenläufers 3 im Bereich der Kopfelemente 20.1-20.5 bzw. der Kopfelemente 21.1-21.6 liegen. Dies bedeutet, daß die Durchmesser der Wälzkreise 22,23 kleiner/gleich dem Kopfdurchmesser bzw. größer/gleich dem Fußkreisdurchmesser des Hauptläufers 2 bzw. des Nebenläufers 3 sein müssen. Mit der gestrichelten Linie ist das jeweilige Auslegungsprofil 24,25 und mit der durchgezogenen Linie 26,27 das jeweilige Fertigungsprofil angedeutet. Die Addition der Differenz 28 des Hauptläufers 2 zur Differenz 29 des Nebenläufers 3 wird als Flanken- bzw. Profilspiel bezeichnet. Üblicherweise wird dieses Flankenspiel gleichmäßig auf den Haupt- und Nebenläufer aufgeteilt. Die Differenzen 28,29 sind aus Gründen der Veranschaulichung übertrieben groß dargestellt und liegen in Summe in der Größenordnung von vorzugsweise 100 µm.
  • In der nachfolgenden Figur 3 ist in einem vergrößerten Maßstab ein Teilausschnitt eines Stirnschnittes eines erfindungsgemäßen Läuferpaares 2,3 mit nockenartigen Erhöhungen dargestellt. Die gleichen Bezugszeichen von Fig. 2 verwendend kämmt ein Zahn 21.3 des Nebenläufers 3 mit dem Kamm 20.5 des Hauptläufers 3. Zuerst wird das Profil des Hauptläufers 2 betrachtet. Die hier detalliert bezeichneten Flanken 30,32 und 33 des Hauptläufers 2 entsprechen der in Figur 2 mit 26 bezeichneten Flanken des Hauptläufers. Die vorlaufende Flanke 30 des Kopfteiles 20.5 des Hauptläufers 2 weist im Wälzbereich eine nockenartige Erhöhung 31 auf. Danach folgt die Lückenflanke 32 des Hauptläufers 2, die dann übergeht in die nachlaufende Flanke 33. Im Bereich dieser nachlaufenden Flanke 33 ist eine weitere nockenartige Erhöhung 34 vorgesehen. Eine vergleichbare Ausgestaltung ist auch für den hier gezeigten Zahn 21.3 des Nebenläufers 3 vorgesehen. Die in Figur 2 mit 27 bezeichnete Flanke des Nebenläufers 3 entspricht den hier detailliert aufgeführten Flanken 35,37 und 40 des Nebenläufers 3. Die vorlaufende Flanke 35 weist vor dem Übergang in den Kopfteil 36 eine Abflachung 37 auf, die dann übergeht in eine schon zuvor beim Hauptläufer 2 erwähnte nockenartige Erhöhung 38. Erfindungswesentlich ist nun, daß die beiden genannten Erhöhungen 31,38 des Hauptläufers 2 und des Nebenläufers 3 sich genau im Wälzkreispunkt 39 beider Wälzkreise 22,23 berühren. Dabei ist vorteilhaft, daß in diesem Bereich die zu Abrieb und Verschleiß führende Gleitbewegung sehr klein, im Idealfall nahezu Null ist. Der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle noch darauf hingewiesen, daß die jeweilige Erhöhung 31,38 sich entlang des Läuferballens fortsetzt, wobei durch den Grad der Schraubensteigung sichergestellt ist, daß an jeder Stelle des Läuferballens der Berührpunkt auf dem Wälzkreispunkt liegt. Auch die nachlaufende Flanke 40 des Zahnes 21.3 des Nebenläufers 3 weist eine nockenartige Erhöhung 41 auf, die dann mit der gegenüberliegenden Erhöhung 34 des Hauptläufers 2 kämmt. Die Größe der Erhöhungen 42,43 ist hier zeichnerisch stark übertrieben dargestellt und liegt für beide Läufer 2,3 in Wirklichkeit in einem Bereich zwischen 5 bis 45 Mikrometer.
  • In den weiteren Figuren 4 und 5 ist eine Variante des erfindungsgemäßen Läuferpaares mit Kopfzurücknahme dargestellt. Im Unterschied zu Figur 2 weist das miteinander kämmende Läuferpaar 50,51 der Figur 4 zwar die gleiche Zahnradpaarung 5/6 auf; die Kontur (Flanke) 54 des Hauptläufers 50 bzw. die Kontur (Flanke) 53 des Nebenläufers 51 würden aber in Figur 2 mittig zwischen den Konturen 24,26 des Hauptläufers 2 bzw. den Konturen 25,27 des Nebenläufers 3 liegen. Dadurch ist das Flanken- bzw. Profilspiel wesentlich geringer und liegt in der Größenordnung von 50 µm. Dieses Flanken- bzw. Profilspiel ist hier nicht gesondert dargestellt. Erkennbar ist die Kopfzurücknahme 72 des Hauptläufers 50 und die Kopfzurücknahme 71 des Nebenläufers 51. Die Detailbetrachtung in Figur 5 beginnt wie bei Fig. 3 beim Hauptläufer 50. Wie zu erkennen ist, ist die vorlaufende Flanke 58 im Kopfbereich zurückgenommen, so daß im Bereich des Wälzkreises 59 eine Quasi-Erhöhung 61 entsteht. Diese geht dann kontinuierlich über in die Lückenflanke 62. Die nachlaufende Flanke 63 weist ebenfalls eine Kopfzurücknahme auf, so daß eine weitere Quasi-Erhöhung 64 gebildet wird. Ähnliches gilt für den Zahn 57.4 des Nebenläufers 51. In der vorlaufenden Flanke 66 setzt die Abflachung 67 (Kopfzurücknahme 71) ebenfalls im Bereich des Wälzkreises 60 ein und endet in der nachlaufenden Flanke 69 im Bereich des Wälzkreises 60. Über den Kopfteil 68 ist die Kopfzurücknahme 71 konstant. Wie auch in Figur 3 kämmen die beiden hervorstehenden Bereiche 70,64 genau im Wälzpunkt 65. Die Kopfzurücknahme 71,72 ist ebenfalls zeichnerisch übertrieben dargestellt und liegt in der Größenordnung von 5 bis 45 Mikrometer.
  • Figur 6 zeigt in den Teilbildern a-d verschiedene Arten einer Oberflächenaufhärtung, wobei die Teilbilder a, b der Profilausbildung gemäß Fig. 3 und die Teilbilder c und d der Profilausbildung gemäß Fig. 5 entsprechen. Im Teilbild a ist als eine der Möglichkeiten der lokalen Oberflächenaufhärtung die Beschichtung mit Keramik dargestellt. Man kann erkennen, daß nur die davon betroffenen Bereiche 31,38,41,34 eine solche Beschichtung aufweisen. Auf die Einzelheiten des Aufbringens der Keramik wird hier nicht eingegangen, da sie in der entsprechenden Fachliteratur (z. B. Technische Mitteilung, Heft 3 85. Jahrgang, Oktober 1992, Keramik als Konstruktionswerkstoff) nachzulesen ist. Im Teilbild b ist eine sehr einfache Aufhärtung dargestellt, und zwar mittels des klassischen thermischen Härtens. Im Unterschied zum Teilbild a kann man erkennen, daß die Einflußzonen sehr viel größer sind und man fertigungstechnisch gezwungen ist, den Hauptläufer 2 nicht nur im Bereich der nockenartigen Erhöhung 39,34, sondern auch die Lückenflanke 32 mitzubehandeln. Im Teilbild c ist eine andere Art der Beschichtung dargestellt. Superharte Werkstoffe wie Platinaluminid werden im Hochvakuum mit Plasmaunterstützung aufgedampft. Dieses Verfahren ist auch unter der Abkürzung PVD (Physical-Vapour-Deposition) bekannt. Die Schichten sind sehr dünn und können an bestimmten ausgesuchten Stellen lokalisiert aufgetragen werden.
  • Eine weitere Variante zeigt Teilbild d. Hier ist eine Kombination verschiedener Aufhärtungsverfahren gewählt worden. Der Kopfteil 68 des Zahnes 57.4 des Nebenläufers 51 wird wahlweise mittels Keramik oder PVD beschichtet. Die Lückenflanke 73 des Hauptläufers 50 wird einschließlich der speziellen Bereiche 61,64 mittels Ionenimplantieren behandelt. Vorzugsweise werden Titan- und Chromionen dafür verwendet.

Claims (7)

  1. Trockenlaufende parallel- und außenachsige Rotationskolbenmaschine vorzugsweise zum Verdichten eines kompressiblen Arbeitsmediums mit zwei miteinander kämmenden Schraubenrotoren, von denen der eine als Rippenrotor (Hauptläufer), dessen Rippen außerhalb des Wälzkreises liegen und der andere als Nutenrotor (Nebenläufer), dessen Kopfteil im wesentlichen innerhalb des Wälzkreises liegt, ausgebildet ist und die Schraubensteigung in Abhängigkeit von der Zähnepaarung so gewählt wird, daß sich mindestens ein Zahn im Eingriff befindet,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß im Stirnschnitt die Profilflanke (26,27,53,54) im Bereich des Wälzkreises (22,23,59,60) so ausgebildet ist, daß der Kontakt der Läufer (2,3,50,51) untereinander nur am Wälzkreispunkt (39,65) erfolgt, und zwar so, daß die Flanken im Eingriffspunkt am Wälzkreis (22,23,59,60) ohne Schlupf aufeinander abwälzen und im Kopfteil des Nutenrotors (3) und/oder im Nutenbereich des Rippenrotors (2) sowohl in der vorlaufenden (30,35) wie auch in der nachlaufenden (33,40) Flanke eine nockenartige Erhöhung (31,34,38,41) vorgesehen sind, die sich über den gesamten Läuferballen erstrecken und am Wälzkreispunkt (39) zur Berührung kommen.
  2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Kopfteil des Nutenrotors (51) und des Rippenrotors (50) zurückgenommen (67, 71, 72) sind und die sich dadurch bildenden etwas hervorstehenden Bereiche (61, 64) am Wälzkreispunkt (65) zur Berührung kommen.
  3. Rotationskolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Erhöhung bzw. Rücknahme im Bereich zwischen 5 bis 45 Mikrometer liegen.
  4. Rotationskolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Bereiche der Berührung oberflächengehärtet sind.
  5. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Flankenbereich zwischen zwei Berührpunkten zusätzlich oberflächengehärtet ist.
  6. Rotationskolbenmaschine nach den Ansprüchen 4 und 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß für die Oberflächenhärtung die an sich bekannte Ionenimplantation verwendet wird, wobei als Implantat vorzugsweise Titan- und Chromionen eingesetzt werden.
  7. Rotationskolbenmaschine nach den Ansprüchen 4 und 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß für die Oberflächenhärtung das an sich bekannte Laserhärten eingesetzt wird.
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