EP1749145A1 - Spaltverluststromsteuerung einer drehkolben- zahnradmaschine - Google Patents

Spaltverluststromsteuerung einer drehkolben- zahnradmaschine

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EP1749145A1
EP1749145A1 EP05756080A EP05756080A EP1749145A1 EP 1749145 A1 EP1749145 A1 EP 1749145A1 EP 05756080 A EP05756080 A EP 05756080A EP 05756080 A EP05756080 A EP 05756080A EP 1749145 A1 EP1749145 A1 EP 1749145A1
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rotor
rotors
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rotary piston
piston machine
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Felix Arnold
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Robert Bosch GmbH
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Cor Pumps and Compressors AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C3/00—Rotary-piston machines or engines with non-parallel axes of movement of co-operating members
    • F01C3/06—Rotary-piston machines or engines with non-parallel axes of movement of co-operating members the axes being arranged otherwise than at an angle of 90 degrees
    • F01C3/08—Rotary-piston machines or engines with non-parallel axes of movement of co-operating members the axes being arranged otherwise than at an angle of 90 degrees of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • 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
    • F04C2230/00—Manufacture
    • F04C2230/60—Assembly methods
    • F04C2230/601—Adjustment
    • 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
    • F04C2240/00—Components
    • F04C2240/50—Bearings

Definitions

  • the invention relates to a rotary lobe machine, which can work as a pump, compressor or motor, according to the preamble of the main claim.
  • a known rotary lobe machine of the generic type (DE PS 42 41 320, EP PS 1 005 604)
  • a high level of tightness between the working spaces is aimed at in order to minimize leakage currents from one working space to the adjacent working space over the flanks with line contact between drive rotor to output rotor and vice versa.
  • the tooth combs of one rotor run linearly on the flanks of the other rotor, which has a cycloidal development of the tread.
  • Power output corresponds to the same.
  • a loss of gap of such a machine which can never be completely avoided, has become a quantity control or loss quantity control given by specifically changing the gap width.
  • An additional advantage is that foaming is largely prevented, for example when pumping fuels or oil, which can occur, for example, when controlling a return flow channel.
  • At least the axially displaceable rotor is guided axially and radially in a correspondingly cylindrical control chamber of the machine housing.
  • the displaceable rotor is arranged coaxially with the cylindrical control chamber.
  • the actuating force can be controlled arbitrarily and works with hydraulic, gaseous and / or electrical means. It is essential that the pressures in the work areas counteract forces on the rear of the rotor in order to control the desired axial adjustment of the rotor and thus the leakage current between the work areas.
  • the space delimited by the rear of the rotor is closed in a pressure-tight manner in order to generate the actuating force by means of a liquid or gaseous medium.
  • the medium to be conveyed is used to generate the actuating force.
  • the delivery pressure of the machine can be used directly to control the actuating force.
  • one of the rotors (shaft rotor) is spherical on its side facing away from the working spaces and is mounted in a corresponding spherical recess in the housing.
  • the radial bearing of the rotor can cut into this spherical sphere in order to fix its axial axis of rotation.
  • a central spherical surface on a rotor is provided on the rotors in the central end region, which is mounted on a corresponding spherical recess on the other rotor and limits the working spaces radially inwards.
  • the exemplary embodiment is a fuel feed pump shown in longitudinal section.
  • an inlay 2 is arranged secured against rotation, in which a counter-rotor 3 is arranged, which can be rotated and guided radially and axially displaceably, and which interacts with a shaft rotor 4 driven from outside the pump.
  • Shaft rotor 4 and counter rotor 3 have interlocking teeth on the facing end face, through which working spaces are separated from each other in a known manner and via which the counter rotor 3 is driven by the shaft rotor 4.
  • One of the two spur gears has a cycloid cross section, in order to thereby form a linear connection between the tooth combs of the other part and this cycloid surface.
  • suction kidney suction kidney
  • pressure kidney pressure kidney
  • the counter rotor 3 is rotatably arranged in a slide bearing bush 5, with a slide bearing shaft between the slide bearing bush 5 and the counter rotor 3. 6 is arranged in the Slide bearing bush 5 is mounted radially and axially and including the counter rotor 3 is axially displaceable within the slide bearing bush 5.
  • the shaft rotor 4 is also mounted radially and axially in a sliding bearing 7, the hat-shaped end of a drive shaft 8 protruding between the shaft rotor 4 and the sliding bearing bushing 7, the shaft rotor 4 being immersed in this hat-shaped configuration with a corresponding cylindrical section.
  • a spring 10 is arranged, which on the one hand serves to take the shaft rotor 4 with the rotary movement of the shaft 8 and on the other hand loads the shaft rotor 4 in the direction of the counter rotor 3.
  • the housing 1 is closed on the side facing away from the shaft 8 by covers 11 and 12, the inner cover 11 being supported on the one hand on the slide bearing bush 5 and on the other hand on the outer cover 12, which serves as the actual closure part of the housing 1 of the pump and to the outside is secured in its axial position by a locking ring 9.
  • the counter-rotor 3 is axially displaceable in the direction of its axis of rotation.
  • This displacement can take place according to the invention by appropriate means, the pressure developing in the work spaces forming a corresponding adjusting force acting on the counter rotor 3.
  • This adjusting force counteracts the exemplary embodiment shown, a restoring force formed by liquid, which faces away from the working spaces and which plunges into the sliding bearing bushing 5 Section of the counter-rotor acted upon.
  • a connection not shown, is present between these rooms, the forces, in particular due to the surfaces being acted upon, having to be coordinated with one another.
  • an insert 13 is sealingly arranged in the inlay 2, which serves to hold the slide bearings 7 axially and also to accommodate a mechanical seal 17 in which the shaft 8 is rotatably arranged.
  • the shaft 8 is also mounted in this inlay insert 13 via a ball bearing 18, wherein between the inlay insert 13 and the inlay 2 and between the inlay 2 and the housing 1 round cord rings 16 ensure the required sealing.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine mit Antriebsrotor (4) und Abtriebsrotor (3), deren Drehachsen einen bestimmten axialen Winkel einschließen und deren Zähne ineinander kämmen, wobei eine der Rotoren im Gehäuse (1, 2) axial verstellbar ist und durch eine Stellkraft belastet ist, die der durch den Arbeitsdruck bewirkten Kraft entgegenwirkt und wobei durch entsprechendes Verschieben des Rotors ein Kurzschlussspalt zwischen den Zähnen der Rotoren entsteht.

Description

SPALTVERLUSTSTROMSTEUERUNG EINER ZAHNRADMASCHINE
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Drehkolbenmaschine, die als Pumpe, Verdichter oder Motor arbeiten kann, nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einer bekannten Drehkolbenmaschine der gattungsgemäßen Art (DE PS 42 41 320, EP PS 1 005 604) ist, auch durch die Gestaltung der Zähne, eine hohe Dichtigkeit zwischen den Arbeitsräumen angestrebt, um möglichst geringe Verlustströme von einem Arbeitsraum zum danebenliegenden Arbeitsraum über die Flanken mit Linienberührung zwischen Antriebsrotor zu Abtriebsrotor und umgekehrt zu erhalten. Hierbei laufen die Zahnkämme des einen Rotors linienförmig an den Flanken des eine zykloidische Abwicklung der Lauffläche aufweisenden anderen Rotors ab.
Je nach Einsatz solcher Drehkolbenmaschinen ändert sich die geforderte Leistung während des Betriebs, wofür unterschiedliche Steuer- oder Regelungsverfahren bekannt sind. Die einfachste Methode ist Druckseite und Saugseite der Maschine zu verbinden, was jedoch bezüglich der von der Maschine aufgenommenen hohen Energie kaum einen Unterschied bedeutet. In vielen Fällen, insbesondere beim Einsatz als Schmierpumpe in der Kfz-Branche, aber auch als Vorförderpumpe für Dieseleinspritzeinlagen, ist angestrebt, die Energieaufnahme der Maschine so gering wie möglich zu halten und der tatsächlichen Leistungsabgabe derselben anzupassen (siehe DE OS 100 25 723). Die Erfindung und ihre Vorteile
Die erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die Energieaufnahme der Drehkolbenmaschine unmittelbar der tatsächlichen
Leistungsabgabe derselben entspricht. Aus einem nie ganz vermeidbaren Spaltverlust einer solchen Maschine ist eine durch gezielte Änderung der Spaltbreite gegebene Mengensteuerung, bzw. Verlustmengensteuerung geworden. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass, beispielsweise bei Förderung von Kraftstoffen oder Öl, ein Aufschäumen weitgehend unterbunden wird, was beispielsweise bei der Steuerung eines Rückstromkanals entstehen kann.
Es ist zwar bei Förderpumpen bekannt, durch unmittelbares Verbinden von Saug- und Druckseite eine entsprechende Verringerung der Energieaufnahme zu erzielen (DE 100 25 723), nur handelt es sich hierbei nicht um auf den Stirnseiten der Rotoren gelegene Arbeitsräume, sondern um Zahnradpumpen mit radial angeordneten Zähnen oder Zahnringen mit einer von vornherein völlig anderen Arbeitsweise (Verdrängung in Axialrichtung), so dass derartige vielfältig bekannte Lösungen nicht bei der Erfindung Anwendung finden können. So ist es bei einer ebenfalls mit Zahnrad und Zahnring arbeitenden Ölpumpe bekannt (US PS 5,085, 187), die Pumpenarbeitsräume seitlich durch einen Deckel zu verschließen, der bei ausreichendem Förderdruck verschoben und eine Verbindung zwischen dem Saugraum und Druckraum der Ölpumpe herstellt. Zur Anpassung der Energieaufnahme an die tatsächliche Leistungsabgabe ist es bekannt, bei Drehkolbenmaschinen mit stirnseitiger Verzahnung (US PS 2,049,775) den Abtriebsrotor innerhalb seiner kugeligen Lagerung zu ver schwenken, um dadurch den axialen Winkel zwischen den Drehachsen zu verändern, was entsprechend zu einer Fördermengenänderung bis hin zu Null- Förderung führen kann. Der Nachteil einer solchen Konstruktion besteht nicht nur in dem erheblichen höheren konstruktiven Aufwand und der stärker begrenzten Leistungsfähigkeit, sondern vor allem in der Abdichtung der Arbeitsräume zu der VerStelleinrichtung hin.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens der axial verschiebbare Rotor in einem entsprechend zylindrischen Steuerraum des Maschinengehäuses axial und radial geführt. Der verschiebbare Rotor ist dabei achsgleich mit dem zylindrischen Steuerraum angeordnet.
Nach einer diesbezüglichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Stellkraft willkürlich steuerbar und arbeitet mit hydraulischen, gasförmigen und/ oder elektrischen Mitteln. Maßgebend ist, dass den Drücken in den Arbeitsräumen Kräfte auf der Rückseite des Rotors entgegenwirken, um die gewünschte axiale Verstellung des Rotors und damit den Verluststrom zwischen den Arbeitsräumen zu steuern.
Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung der Erfindung ist der von der Rückseite des Rotors begrenzte Raum druckdicht geschlossen, um mittels eines flüssigen oder gasförmigen Mediums die Stellkraft zu erzeugen. Nach einer diesbezüglichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dient zur Erzeugung der Stellkraft das zu fördernde Medium. Hierdurch kann der Förderdruck der Maschine unmittelbar zur Regelung der Stellkraft verwendet werden. Entsprechend besteht nach einer Ausgestaltung der Erfindung eine Verbindung für das zu fördernde Medium zwischen den Arbeitsräumen und dem Steuerraum.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist einen der Rotoren (Wellenrotor) auf seiner den Arbeitsräumen abgewandten Seite kugelsphärisch ausgebildet und in einer entsprechend kugeligen Ausnehmung im Gehäuse gelagert. In diese Kugelsphäre kann die radiale Lagerung des Rotors einschneiden um dessen axiale Drehachse festzulegen.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist an den Rotoren im mittleren Stirnseitenbereich zentral eine Kugelfläche an einem Rotor vorhanden, die auf einer entsprechenden sphärischen Ausnehmung am anderen Rotor gelagert ist und die Arbeitsräume radial nach innen begrenzt. Bei der axialen Verschiebung des einen Rotors wird über diesen Bereich zusätzlich eine Verbindung für den Verluststrom zwischen den Arbeitsräumen hergestellt.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar. Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im Folgenden näher beschrieben. Beim Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine im Längsschnitt dargestellte Kraftstoffförderpumpe.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In einem Gehäuse 1 ist ein Inlay 2 verdrehgesichert angeordnet, in welchem verdrehbar und radial geführt und axial verschiebbar ein Gegenrotor 3 angeordnet ist, der mit einem von außerhalb der Pumpe angetriebenen Wellenrotor 4 zusammenwirkt. Wellenrotor 4 und Gegenrotor 3 weisen auf der einander zugewandten Stirnseite eines ineinandergreifende Verzahnung auf, durch die in bekannter Weise Arbeitsräume voneinander getrennt werden und über die der Gegenrotor 3 durch den Wellenrotor 4 angetrieben wird. Eine von den beiden Stirnverzahnungen weist einen zykloidischen Querschnitt auf, um dadurch eine linienförmige Verbindung zwischen den Zahnkämmen des anderen Teils und dieser zykloidischen Oberfläche zu bilden. Die hier im Einzelnen nicht dargestellten Arbeitsräume, die sich auf Grund des zwischen den Drehachsen der Rotoren 3 und 4 eingeschlossenen Winkels während des Betriebs in ihrem Volumen laufend ändern, sind entsprechend der Förderaufgabe mit einem Saugkanal (Saugniere) und einem Druckkanal (Druckniere) verbunden.
Der Gegenrotor 3 ist in einer Gleitlagerbuchse 5 verdrehbar angeordnet, wobei zwischen der Gleitlagerbuchse 5 und dem Gegenrotor 3 eine Gleitlagerwelle . 6 angeordnet ist, die in der Gleitlagerbuchse 5 radial und axial gelagert ist und einschließlich dem Gegenrotor 3 innerhalb der Gleitlagerbuchse 5 axial verschiebbar ist.
Auch der Wellenrotor 4 ist in einem Gleitlager 7 radial und axial gelagert, wobei zwischen dem Wellenrotor 4 und der Gleitlagerbuchse 7 das hutförmig ausgebildete Ende einer Antriebswelle 8 ragt, wobei der Wellenrotor 4 mit einem entsprechenden zylindrischen Abschnitt in diese hutförmige Ausbildung eintaucht. Zwischen dem Boden des hutförmigen Abschnitts der Antriebswelle 8 und dem eintauchenden Abschnitt des Wellenrotors 4 ist eine Feder 10 angeordnet, die einerseits zur Mitnahme des Wellenrotors 4 bei der Drehbewegung der Welle 8 dient und andererseits den Wellenrotor 4 in Richtung Gegenrotor 3 belastet.
Das Gehäuse 1 ist auf der der Welle 8 abgewandten Seite durch Deckel 11 und 12 verschlossen, wobei der innengelegene Deckel 11 sich einerseits an der Gleitlagerbuchse 5 und andererseits am außenliegenden Deckel 12 abstützt, der als eigentliches Verschlussteil des Gehäuses 1 der Pumpe dient und nach außen durch einen Sicherungsring 9 in seiner axialen Lage gesichert ist.
Erfindungsgemäß ist der Gegenrotor 3 axial in Richtung seiner Drehachse verschiebbar. Diese Verschiebung kann erfindungsgemäß durch entsprechende Mittel erfolgen, wobei der sich in den Arbeitsräumen entwickelnde Druck eine entsprechende am Gegenrotor 3 angreifende Verstellkraft bildet. Dieser Verstellkraft wirkt dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine durch Flüssigkeit gebildete Rückstellkraft entgegen, die den in die Gleitlagerbuchse 5 tauchenden, den Arbeitsräumen abgewandten Abschnitt des Gegenrotors beaufschlagt. Zur Steuerung dieser Gegenkraft ist eine nicht dargestellte Verbindung zwischen diesen Räumen vorhanden, wobei die Kräfte, insbesondere auf Grund der beaufschlagten Flächen, aufeinander abgestimmt sein müssen.
Im Bereich der Welle 8 ist im Inlay 2 ein Einsatz 13 dichtend angeordnet, der zur axialen Halterung der Gleitlager 7 dient und außerdem zur Aufnahme einer Gleitringdichtung 17, in welcher die Welle 8 drehbar angeordnet ist. Die Welle 8 ist außerdem in diesem Inlayeinsatz 13 über ein Kugellager 18 gelagert, wobei zwischen Inlayeinsatz 13 und Inlay 2 sowie zwischen Inlay 2 und Gehäuse 1 Rundschnurringe 16 für die erforderliche Abdichtung sorgen.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims

Ansprüche
1. Drehkolbenmaschine, die als Pumpe, Verdichter und/ oder Motor arbeitet, - mit mindestens zwei aus Antriebsrotor (Wellenrotor 4) und Abtriebsrotor (Gegenrotor 3) zusammenwirkenden beweglichen Drehkolben, deren Drehachsen einen bestimmten axialen Winkel zueinander aufweisen, - mit ineinander kämmenden Zähnen auf den einander zugewandten Stirnseiten der Rotoren (3, 4), - mit einem Maschinengehäuse (1, 2), in welchem die Rotoren (3, 4) radial und axial gelagert sind und welches mit deren axialen Stirnseiten Arbeitsräume begrenzt und - mit einem Saugkanal und einem Druckkanal im Maschinengehäuse (1, 2), welche beim Laufen der Rotoren (3, 4) intermittierend mit den Arbeitsräumen verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, - dass die Lagerung mindestens eines der Rotoren im Maschinengehäuse (1, 2) eine axiale Verstellbarkeit in Richtung der Drehachse des Rotors (3) aufweist, - dass an diesem Rotor (3) eine axiale Stellkraft angreift, die der im Arbeitsraum durch den Arbeitsdruck bewirkten und am Rotor (3) angreifenden Kraft entgegenwirkt und - dass die Größe dieser Stellkraft änderbar ist, um durch axiales Verschieben des Rotors (3) in Achsrichtung einen Kurzschlussspalt zwischen den durch die Zähne der Rotoren voneinander getrennten Arbeitsräume miteinander zu erzielen.
2. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der axial verschiebbare Rotor (3) in einem entsprechend zylindrischen Steuerraum des Maschinengehäuses (2) axial und radial geführt ist.
3. Drehkolbenmasehine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch, gekennzeichnet, dass die Stellkraft willkürlich steuerbar ist und mit hydraulischen, gasförmigen und/ oder elektrischen Mitteln arbeitet.
4. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Steuerraum druckdicht schließbar ist.
5. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Stellkraft das zu fördernde Medium dient.
6. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindung für das zu fördernde Medium zwischen den Arbeitsräumen und dem Steuerraum besteht.
7. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Rotoren (4) auf seiner den Arbeitsräumen abgewandten Seite kugelsphärisch ausgebildet in einer entsprechend kugeligen Ausnehmung im Gehäuse (2) gelagert ist.
8. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Rotoren (3, 4) im mittleren Stirnseitenbereich eine Kugelfläche an einem Rotor vorhanden ist, die auf einer entsprechenden sphärischen Ausnehmung am anderen Rotor gelagert ist und die Arbeitsräume radial zum Zentrum hin begrenzt.
EP05756080.7A 2004-05-25 2005-05-19 Spaltverluststromsteuerung einer drehkolben- zahnradmaschine Active EP1749145B1 (de)

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