DE1242043B

DE1242043B - Kolbenlager fuer Rotationskolbenmaschinen

Info

Publication number: DE1242043B
Application number: DESCH34097A
Authority: DE
Inventors: Alfred Buske
Original assignee: Karl Schmidt GmbH
Current assignee: Karl Schmidt GmbH
Priority date: 1963-11-02
Filing date: 1963-11-02
Publication date: 1967-06-08
Also published as: US3276676A; GB1077298A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSI^GESCHRIFT

Int. CL:

F02b

Deutsche Kl: 46 a5 -10

Nummer: 1242 043

Aktenzeichen: Sch 340971 a/46 a5

Anmeldetag: 2. November 1963

Auslegetag: 8. Juni 1967

Die Erfindung bezieht sich auf Kolbenlager für Rotationskolbenmaschinen, insbesondere -brennkraftmaschinen mit einem Gehäuse, bestehend aus einem feststehenden Mantel und Seitenteilen, welches von einer Exzenterwelle durchsetzt ist, die in Wellenlagern gelagert ist und auf deren Exzenter ein Kolben mittels des Kolbenlagers drehbar gelagert ist, wobei mehrere Arbeitskammern gebildet werden und der Kolben mehrere Arbeitsflächen aufweist, die von unterschiedlichen Arbeitsmitteldrücken beaufschlagt werden.

Bei Rotationskolbenmaschinen der bisherigen Bauart, wie sie z. B. als Pumpen oder Motoren Verwendung finden, ergeben sich Mängel durch die ungenügend präzise Führung der Triebwerksteile infolge der Lagerspiele. Die hierdurch bedingten Bewegungen des Kolbens führen zu Störungen der Abdichtung an der inneren Mantelfläche des Gehäuses. Weiterhin ergeben sich durch die unkontrollierten Kolbenbewegungen Schäden, wie die ungenügende Haltbarkeit der Abdichtelemente, untragbar hoher Verschleiß, Rattermarken an den Dichtflächen und das Ausschlagen der Dichtungsschlitze im Kolben. Bei Rotationskolbenmaschinen, deren Kolben durch ein Getriebe mit entsprechendem Übersetzungsverhältnis zusätzlich angetrieben wird, stellen sich durch die Summierung der einzelnen Lagerspiele erhebliche Schwierigkeiten ein. Hinzu kommen Ungenauigkeiten beim Eingriff der Zahnräder, verbunden mit stoßweisem Arbeiten, ebenfalls hohem Verschleiß und belästigenden Geräuschen.

Es wurde schon versucht, die Lagerspiele einzuschränken. Hierbei ergaben sich jedoch Störungen durch Fressen, da die Lager zum betriebssicheren Lauf entsprechend ihren Drehzahlen ein Mindestspiel zur Sicherung einer optimalen Schmierkeilsteigung benötigen und auch Wälzlager nicht ohne Lagerspiel auskommen.

Weiterhin ist es nicht mehr neu, eine Welle in einem Gleitlager dadurch eng zu führen, daß die Lagerfläche mehrere Engstellen aufweist, in denen sie mit der Welle in Berührung steht. Diese Lager werden hauptsächlich bei Werkzeugmaschinen angewendet, um eine genaue Spindelfuhrung zu erzielen. Es steht damit auch einer Anwendung solcher Lager bei Rotationskolbenmaschinen nichts im Weg.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebenen Nachteile zu vermeiden. Bei der Lösung dieser Aufgabe geht sie von dem zuletzt genannten Lagertyp aus. Sie besteht darin, daß das Kolbenlager in an sich bekannter Weise eine von der Kreisform abweichende Querschnittsforrn mit Kolbenlager für Rotationskolbenmaschinen

Anmelder:

Karl Schmidt G. m. b. H.,

Neckarsulm (Württ), Christian-Schmidt-Str. 10

Als Erfinder benannt:

Alfred Buske, Neckarsulm (Württ.)

achsnahen und achsfernen Zonen aufweist und daß der der Arbeitsfläche mit dem höchsten Druck nächstliegende Teil des Kolbenlagers eine achsnahe Zone aufweist. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die achsnahe Zone der von Arbeitsmitteldrücken beaufschlagten Kolbenflanken, in Drehrichtung der Exzenterwelle gesehen, gegenüber der Kolbenflankenmitte voreilend ausgebildet ist. Zur Vermeidung nachteiliger Einflüsse durch die Wellenlagerung empfiehlt es sich, die Mittelachse der Wellenlager gegenüber der Mantelachse um ein Maß, das der Summe der Lagerspiele des Kolbenlagers und eines Wellenlagers entspricht, in Richtung der Arbeitskammer mit dem höchsten Arbeitsmitteldruck zu versetzen.

Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß die Mittelpunkte für die Radien der Gleitfläche der Kolbenlagerung von dem Lagermittelpunkt einen bestimmten Abstand haben, der etwa dem 0,4- bis l,8fachen Teil der Differenz aus Gleitflächenradius und Exzenterradius entspricht, wobei der Gleitflächenradius etwa um O,3°/oo bis 0,5% größer ist als der Exzenterradius. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die achsnahen Zonen der Lagerung in Drehrichtung des Exzenters um einen bestimmten Winkel aus der Mitte der betreffenden Gleitfläche herausgedreht sind, wobei der Winkel zweckmäßig Va bis V20, vorzugsweise Ve bis V15 des gesamten Segmentwinkels der einzelnen Gleitfläche beträgt.

Lagertechnisch kann es im Rahmen der Erfindung weiterhin von Vorteil sein, wenn in den Lagerflächen Schmiertaschen vorgesehen sind, deren Begrenzungs-

709 589/101

linie, über die der Schmierstoff in die Gleitfläche eintritt, zu einer oder beiden Lagerkanten hin in einem spitzen Winkel zur Längsachse des Lagers geneigt verläuft. Hierdurch gelingt es, die im Schmiermittel befindlichen Fremdkörper aus dem Lager herauszuführen, bevor sie in die Hauptbelastungszone des Lagers eintreten. Diese schmutzabweisenden Schmiertaschen betragen zweckmäßig 45 bis 85%, vorzugsweise 65 bis 80% der Lagerbreite, während ihre Länge V24 bis Ve, vorzugsweise ¹As bis Ve der Segmentlänge ausmacht. Um schließlich zu bewirken, daß sich der jeweils erweiternde Spalt der Kolbenlagerung wieder mit Schmierstoffen füllen wird, sind in dieser Gegend Schmiernuten vorgesehen, die mit der Drehrichtung des Exzenters parallel verlaufen. Die Breite dieser Nuten liegt etwa bei 5 bis 30%>, vorzugsweise bei 10 bis 20% der Lagerbreite. Ihre Länge erstreckt sich über Vs bis V15, vorzugsweise Ve bis Vio der Länge der einzelnen Lagersegmente.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung zeichnerisch erläutert.

F i g. 1 zeigt den Querschnitt durch eine Rotationskolbenmaschine nach Art des sogenannten Wankelmotors. Hierin bedeutet 1 die Exzenterwelle mit dem Exzenter 2. Auf diesem Exzenter 2 läuft der Kolben 3. Hierbei wird der Kolben 3 über das Kolbenlager 4 auf dem Exzenter 2 geführt. Der Kolben 3 wird zusätzlich zu der Exzenterbewegung durch das feststehende Ritzel 24 angetrieben, auf dem sich das innenverzahnte, am Kolben 3 fest angebrachte Hohlrad 25 mit einem festliegenden Übersetzungsverhältnis abwälzt.

Wie in der F i g. 2 als Schnitt A-B der F i g. 1 dargestellt, ist das Kolbenlager 4 in drei Gleitflächen entsprechend den drei Arbeitsflächen des Kolbens 3 unterteilt. Der Kolben 3 arbeitet in der trochoidenförmigen inneren Mantelfläche 5 des Gehäuses 6. Der Kolben 3 ist in der Darstellung gemäß F i g. 2 in der Stellung gezeichnet, die dem Ende des Kompressionshubes entspricht. Durch den Kompressionsdruck auf die obere Arbeitsfläche 7 wird der Kolben entgegen der Richtung des Exzenterhubes gegen den Exzenter 2 gedrückt. Da sich diese Stellung für die Arbeitsflächen 8 und 9 sinngemäß wiederholt, wenn sich die Exzenterwelle 1 in der angegebenen Drehrichtung des Pfeiles 10 bewegt, ist die Aufteilung der Kolbenlagerung 4 auf dem Exzenter in dieselbe Anzahl Gleitflächen notwendig, wie der Kolben äußere Arbeitsflächen besitzt, um einen ruhigen Lauf des Kolbens auf dem Exzenter zu erhalten.

In den F i g. 3 und 4 ist der Arbeitsteil einer Rotationskolbenmaschine mit jeweils einem Kolben 11 bzw. 12 mit zwei Arbeitsflächen 13 und 14 bzw. 15 und 16 dargestellt, die in den inneren Mantelflächen 17 bzw. 18 laufen. Bei dieser Ausführung von Kolben mit zwei Arbeitsflächen, die auf dem Exzenter 22 bzw. 23 geführt sind, ist die Aufteilung des Kolbenlagers 19 bzw. der Kolbenlagerschalen 20 und 21 in zwei Gleitflächen, wie sie die dargestellten Beispiele der F i g. 3 und 4 zeigen, für das einwandfreie Betriebsverhalten der Maschine notwendig.

In den F i g. 5, 6 und 7 sind besondere Ausführungen der Lagerung von Rotationskolben auf ihren Exzentern dargestellt. Um deren Besonderheiten zu verdeutlichen, sind hier die zwischen den Exzentern und den Kolbenlagern notwendigen keilförmigen Schmierspalte stark übertrieben dargestellt. Übereinstimmend in den drei Figuren ist der Exzenterradius mit r₂ bezeichnet, während die Radien der einzelnen Gleitflächen des Kolbenlagers mit R_L angegeben sind. Um einen Schmierkeil sicherzustellen, ist es notwendig, daß der Radius R_L der Gleitflächen stets größer ist als der Exzenterradius r_z. Bei dieser Ausführung einer Rotationskolbenlagerung auf dem Exzenter hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn der Radius R_L etwa um;^93«?oo?|)is

0,5% größer ist als der Radius r_z. Hiepuri|4siles möglich, das Lagerspiel gegenüber eineÜa Üönnä^en zylindrischen Gleitlager stark zu verklelö^|if*ünd sogar bis auf das Spiel 0 (Null) herabzusetzen. Darüber hinaus kann auch mit Pressung des Exzenters in der in mehrere Gleitflächen unterteilten Kolbenlagerung gearbeitet werden. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Abstand e der Mittelachsen M_L für die Radien R₁ der Kolbenlagergleitflächen von der Mittelachse M der Lagerbohrung den

ao Betrag

e = 0,4 (R_L-r_z) bis 1,8 {R_L-r_z)

aufweist.

Für Rotationskolbenmaschinen mit nur einer Drehrichtung des Exzenters ist es weiterhin von besonderem Vorteil, wenn die Mittelachsen M_L für die Radien der einzelnen Gleitflächen eines Kolbenlagers in Drehrichtung des in diesem Lager geführten Exzenters versetzt neben der verlängerten Mittellinie liegen, die die Mitte der Umfangslänge dieser einzelnen Gleitflächen mit der Lagermittelachse M verbinden. In der F i g. 6 ist ein solches Kolbenlager mit einer Aufteilung in drei Gleitflächen und in F i g. 7 ein entsprechendes Lager mit der Aufteilung in zwei Gleitflächen dargestellt. So liegt z.B. in der Fig. 6 die Mittelachse M_L für den Radius R_L der Gleitfläche der Lagerschale 29 in Richtung der Drehung des Exzenters Z entsprechend dem Pfeil 26 versetzt von der Verlängerung der Mittellinie 28, die die Mitte der Umfangslänge der Schale 29 mit der Mittelachse M des Lagers verbindet. Die Versetzung der Mittelachse M₁ aus der Verlängerung der Mittellinie 28 heraus ist durch den Winkel β gekennzeichnet, den die Verbindungslinie M_L—M mit der Verlängerung der Mittellinie 28 bildet (vgl. auch Fig. 7). Der Winkel β beträgt zweckmäßig Va bis V20, vorzugsweise Ve bis ¹As des ganzen Segmentwinkels der einzelnen Gleitfläche.

In der F i g. 7 ist z. B. die oberhalb der Mittelachse M gelegene Achse M_L für den Radius R_L der unteren Lagerschale 30 versetzt angeordnet. Auch hier ist die Versetzung der Mittelachse M_L in Drehrichtung des Exzenters Z entsprechend dem Pfeil 27 von der Verlängerung 32 der Mittellinie 31, die die Mitte der Umfangsfläche der Lagerschale 30 mit der Mittelachse M des Lagers verbindet, vorgenommen.

Bei der Herstellung solcher Kolbenlager mit mehreren Gleitflächen hat es sich als besonders wirtschaftlich erwiesen, diese Lager aus mehreren Lagerschalen entsprechend der Anzahl der Gleitflächen herzustellen. Diese Lagerschalen werden in einem solchen Fall einzeln angefertigt und auf die genaue Wanddicke und Umfangslänge ihres Segmentabschnittes mit engen Toleranzen hergestellt. Hiernach können diese Lagerschalen gemeinsam, zu einem vollen Kolbenlager zusammengestellt, in die innere

Mantelfläche des Gehäuses, Kolbens od. dgl. eingepreßt werden. Lager solcher Art sind in den F i g. 6 und 7 dargestellt.

Die erfindungsgemäße Führung des Kolbens auf dem Exzenter reicht in den meisten Fällen für betriebssichere Verhältnisse und eine hohe Lebensdauer der Dichtelemente sowie der Antriebszahnräder aus. Eine weitere Verbesserung für den Betrieb der Rotationskolbenmaschine und ein ruhiger Lauf läßt sich erzielen, wenn die Mittelachse Me der Wellenlager für die Exzenterwelle gegenüber der Mantelachse um ein Maß, das der Summe der Lagerspiele des Kolbenlagers und eines Wellenlagers entspricht, in Richtung der Arbeitskammer mit dem höchsten Arbeitsmitteldruck versetzt ist.

Um weiterhin Fremdkörper, die sich im Schmierölkreislauf nie vollständig vermeiden lassen, aus der höchstbelasteten Zone des Lagers herauszuführen, haben sich Schmiertaschen als notwendig erwiesen, bei denen die Begrenzungslinie der Tasche, über die ao das Schmieröl in die Gleitfläche eintritt, nicht in Richtung der Lagerachse, sondern zu einer oder beiden Lägerkanten hin in einem spitzen Winkel zur Mantellinie der Lagerfläche geneigt verläuft.

In der F i g. 8 sind solche Schmiertaschen als Beispiel in die abgewickelte Lagerfläche eingetragen. In diesem Beispiel sind mehrere Lagerschalen, die zu einem ganzen Lager gehören, in ihrer Abwicklung hintereinanderliegend dargestellt. Mit 45 ist die mittlere Lagerschale bezeichnet. Der in diesem Lager geführte Exzenter bewegt sich in Richtung des Pfeiles 46 über die Lagerfläche hinweg. 47 und 48 stellen die benachbarten Lagerschalen der Schale 45 dar. Bei der Schmiertasche 49 verläuft die Begrenzungskante 50 in einem spitzen Winkel geneigt zu den Mantellinien des Lagers. Hierdurch werden Fremdkörper, die z. B. durch das Schmiermittelzuführungsloch 51 in das Lager eintreten, zur Lagerkante 52 hin abgewiesen und treten aus der Lagerfläche aus, bevor sie in den haupttragenden Bereich der Lagerfläche gelangen. Wie aus der F i g. 8 weiterhin hervorgeht, können in diesem Zusammenhang besondere Schmutzabführungskanäle in Form von Nuten 64 oder Bohrungen 65 vorgesehen sein. Bei der Schmiertasche 53 der Schale 48 verläuft die öleintrittskante nach beiden Enden 52 und 54 des Lagers hin zu den Mantellinien in einem spitzen Winkel geneigt. Hier werden die im Schmierkreislauf anfallenden Schmutzteilchen durch diese Schmiertaschenform nach beiden Lagerkanten hin abgewiesen, so daß die Lagerfläche durch die Schmutzteile nicht verschlissen wird. Im Zusammenwirken mit diesen schmutzabweisenden Schmiertaschen haben sich auch noch Schmiernuten 55 bewährt, die in der Exzenterdrehrichtung vor den Schmiertaschen 49 und 53, möglichst im Unterdruckbereich, in dem sich wieder erweiternden Schmierspalt liegen. Durch den hier auftretenden Unterdruck wird Schmieröl aus den Schmiertaschen, die zweckmäßigerweise in der Mitte des Lagers liegen, angesaugt und über die Lagerfläche verteilt, so daß der Lufteinbruch, der sonst von den Lagerkanten her im Unterdruckbereich des Lagers auftritt, vermindert bzw. vollständig vermieden wird.

Bei den erfindungsgemäßen Kolbenlagern befinden sich die schmutzabweisenden Schmiertaschen 49 oder 53 also stets am Anfang der jeweiligen Gleitfläche, während die ölnuten 55 im Unterdruckbereich angeordnet sind, d. h. am Gleitflächenende in Drehrichtung des in diesem Lager geführten Exzenters gesehen.

Die Fig. 9 ist der Schnitt G-H, die Fig. 10 der SchnittI-K, beides bezogen auf die Fig. 8.

Claims

Patentansprüche:

1. Kolbenlager für Rotationskolbenmaschinen, insbesondere -brennkraftmaschinen mit einem Gehäuse, bestehend aus einem feststehenden Mantel und Seitenteilen, welches von einer Exzenterwelle durchsetzt ist, die in Wellenlagern gelagert ist und auf deren Exzenter ein Kolben mittels des Kolbenlagers drehbar gelagert ist, wobei mehrere Arbeitskammern gebildet werden und der Kolben mehrere Arbeitsflächen aufweist, die von unterschiedlichen Arbeitsmitteldrücken beaufschlagt werden, dadurchgekennzeichnet, daß das Kolbenlager (4, 19, 20, 21, 29, 30, 45, 47, 48) in an sich bekannter Weise eine von der Kreisform abweichende Querschnittsform mit achsnahen und achsfernen Zonen aufweist und daß der der Arbeitsfläche (7, 8, 9, 13, 14, 15, 16) mit dem höchsten Druck nächstliegende Teil des Kolbenlagers eine achsnahe Zone aufweist.

2. Kolbenlager nach Anspruch 1, wobei der Kolben Flanken aufweist, die von Arbeitsmitteldrücken beaufschlagt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die achsnahe Zone, in Drehrichtung der Exzenterwelle gesehen, gegenüber der Kolbenflankenmitte voreilend ausgebildet ist.

3. Kolbenlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelachse der Wellenlager gegenüber der Mantelachse um ein Maß, das der Summe der Lagerspiele des Kolbenlagers und eines Wellenlagers entspricht, in Richtung der Arbeitskammer mit dem höchsten Arbeitsmitteldruck versetzt ist.

4. Kolbenlager nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (e) der Mittelachsen (M_L) für die Radien (R _L) der Gleitflächen des Kolbenlagers von der Mittelachse (M) der inneren Mantelfläche den Betrag A(R_L — r₂) aufweist, wobei der Radius (R_L) etwa um 0,3°/oo bis 0,5 °/o größer ist als der Exzenterradius (r_z) und A gleich 0,4 bis 1,8 zu setzen ist.

5. Kolbenlager nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelachse (Mι) aus der Verlängerung der Mittellinie (28) heraus entsprechend dem Pfeil (26) um den Winkel (ß) versetzt ist, wobei der Winkel (ß) zweckmäßig Vs bis V20, vorzugsweise Ve bis ¹As des ganzen Segmentwinkels der Gleitfläche (29-30) beträgt.

6. Kolbenlager nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Lagerflächen Schmiertaschen (49, 53) vorgesehen sind, bei denen die Begrenzungslinie (50) der Tasche (49), über die das Schmieröl in die Gleitfläche eintritt, zu einer oder beiden Lagerkanten hin in einem spitzen Winkel zur Mantellinie der Lagerfläche geneigt verläuft, und daß gegebenenfalls in den Schmiertaschenecken, in denen sich die im Schmiermittel befindlichen Fremdkörper nach Entlanggleiten an der Schmiertaschenkante (50) sammeln, Schmutzabführungskanäle in Form von Nuten (64) oder Bohrungen (65) vorgesehen sind, wobei die Breite der schmutzabweisenden

Schmiertasche zweckmäßig 45 bis 85%, vorzugsweise 65 bis 80% der Lagerbreite und die Länge V24 bis Ve, vorzugsweise ¹Ae bis Vs der Segmentränge beträgt.

7. Kolbenlager nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmiernuten (55) im Bereich des sich wieder erweiternden Schmierspaltes liegen, so daß sich der erweiternde

Spalt wieder mit Schmiermitteln füllen kann, wobei die Breite der Nut 5 bis 30%, vorzugsweise 10 bis 20% der Lagerbreite beträgt und die Längen der Nut Vs bis V15, vorzugsweise Ve bis Vio der Länge des einzelnen Lagersegmentes ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 762 941.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen