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BESCHREIBUNG:
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Stirnflächendichtung Mit Rotoren
der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bezeichneten Art.
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Stirnflächendichtungen von Rotoren unterliegen häufiq beträchtlichen
Druckdifferenzen, so daß deren Abdichtung schwierig wird.Zw@r ;as@@@ sich durch
Erhöhung der Reibungskoeffi@ienten zwischen de@ abzud@@@tender Flächen bei entsprechender
Flächenpressung Dichtungswirkungen schaf -fen, doch müssen dann entsprechend hohe
Reibiinqskräft-' aberwunden werden, die unter beträchtlicher Wärmeentwicklung zum
Verschleiß führen. Deshalb werden in der Regel Dichtungselemente verwendet.
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Beispielsweise sind die Stirnflächen von nach den Wankel-Pinzip arbeitenden
Verbrennungskraftmaschinen filigranartige Leisten in Nähe der Kanten bei den Stirnseiten
des Rotors vorgesehen, bei welchen zunehmender Verschleiß die Abdichtungsn:öglicllkeiten
gerabsetzt.
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Noch nachteiliger als bei Drehkolben mit nicht @reisförmiger Drebewegung
sind reine Gleitflächendichtungen bei Rotoren Ilit kreisförmiger Drehbewegung, beispielsweise
bei Drehkolben von nittelachsigen Verbrennungskraftmaschinen oder bei Doppeldrehkolben
mit Lemniskaten-Profil, weil sich hierbei Beschadigungen der ane@nande gleitenden
Flächen wegen der sich ständig wiederholenden Kreisbahn verstärkt ausbilden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stirnflächendichtung
für Rotoren zu schaffen, die wirksamer als reine Gleitflächendichtungen ist und
eine Einsparung dec beträchtlicher Autwandes für
Dichtungsleisten
zuläßt, ohne dabei merklich zu versch@@@@@@ Diese Aufgabenstellung wird durch die
Ausbildung der @@@@tungselemente nach dem Vorschlag des Kennzeichnungste@ls des
Patentanspruchs 1 gelöst. Nach den Vorschlägen der Unteransp@@@@ne bis 8 wird die
Erfindung noch in vorteilhafter Weise weiterentw@ keit.
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Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag kommt es bei den me@s@ unter
nur sehr geringem achsialen Druck stehenden, sich relativ zuei@ der bewegenden Flächen
schon bei überraschend niedrigen Relativgeschwindigkeiten zur Ausbildung eines Druckpolsters
zw@schen den einander angrenzenden Flächen, welches ir achsialer @ Richtung t.
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und eine selbst fur hochbelastete Verbrennungskraftmasch@@en seh@
wirkungsvolle Dichtung sshafft. Uas Schiiiierinittel, we@che@ t@ussig oder auch
gasförmig sein kann, preßt sich zwischen die ge@@@@@te Flächen und verhindert somit
deren mechanischen Verschle@ß. Auf diese Weise bleiben die einmal erzeugten Abmessungen
der hd 1 iLO praktisch unbegrenzt erhalten. Die Ballenhöhe ist naturgema@ bei sehr
hochbelasteten Dichtungen nur gering und liegt zwischen 1/100@ bis zu wenigen 1/100
mm. Dies ist für die Rauhigkeit der Gleitfl@ch sowie ihrer Gegenflächen zwar zu
beachten, im übrigen allem ohne Eir -fluß auf die sich zuverlässig ausbildende Flächendichtung.
bei ger geren Belastungen kommt na zu Bdllenhijhen zwischen @/10@ ii 1/10 @@, wobei
der Ballendurchmesser gleichfalls mit zunehmende@ @allenh@he zunimmt. Grenzen sind
indes durch die Bedingung gesetzt, daß in Richtung des Druckgefälles wenigstens
drei einander benachbarter Ballen vorhanden sein müssen.
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Die bereits erwähnte Notwendigkeit, die Rauhigkeitsmalie so zu wahl
daß sie die Auswirkungen der vorgesehenen Ballenhöhe nicht tbeeirlträchtigen,
sind
im wesentlichen dann e@f@llt, w@@@ die Rauh@@ keit bei etwa 1/10 der Ballenhöhe
liegt. Bei seh@ @@@e@ Ballenhöhe bedar@ dieser Wert noch der Herabsetzung.
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Das für die Dimensionierung vergleichsweise herange@o@ene Rad@allager
sollte mit einem relativen Lagerspiel im Bere@ch des Vorschlages des Anspruches
2 gewählt sein. In diesem Bereich wird die Ballenhöhe zweckmäßig proportional der
Grenzschichtd@@ke des vorhandenen Schmiermittels gewählt, wobei die kennzei@hnende
Lunge gleich dem Kalottenradius und die kennzeichnende Ceschwindigle@t gleich der
Relativgeschwindigkeit zwischen Rotor und St@@@w@@d des Maschinengehäuses an der
Stelle des Ballens ist. bie @@@n@-schichtdic@e berucksichtigt das Verhaltnis aus
dem @@odult v@n Zähigkeit des Sch@@ermittels mit der Weglange du@@h die @@@@hwindigkeit
als Wurzelwert nach der Beziehung
| Z)t{l'lt)kt'i We 1 |
| Grenzschichtdicke Konstante t (esQh0 Ii 111) lt |
Die Konfiguration der Ballen muß der Bedingung Rechnung j @ragen, wie sie nach dem
Vorschlag des Patentanspruchs 1 im Hinblic@ auf die Richtung des Druckgefälles zu
berücksichriqen ist. Es @@ daher nach dem Vorschlag des Anspruchs 5 zweckmäßig,
jeden Ballenmittel punkt unter einem Winkel von 60° in Bezug auf zwe@ angrenzende,
einander benachbarte Ballenmittelpunkte zu wahlen. @amit wird im übrigen auch die
dichteste Besetzung mit einzelnen Ballen g@@chaffen Die Ballen können auf unterschiedlichem
Wege hergestellt werden, so zum Beispie@ durch örtlich begrenztes Schleifen oder
vor al@em durch Kaltverformung, die den Vorteil hat, die Oberfläche zugleich zu
verfestigen. Vor allem lassen sich die Ballen auch bei einer Sche@be vorsehen, die
dann auf die Stirnseite entweder des Rotor tier
des Maschinengehäuses
aufgebracht wird. Diese Scheibe Darin ein Zuschnitt eines Stahlbandes sein, der
beispielsweise durch Prägung bearbeitet wurde. Vor allem haben diejenigen Bearbeitungsverfahren
den Vorzug, bei welchen die Bearbeitungsenergie schlagartig aufgebracht werden kann,
so daß die Deformation zur Erzeugung der Ballen wirksam erhalten bleibt. Mit Vorteil
läßt sich eine aus Stahl oder dergl. bestehende Scheibe auf einer nachgiebigeren
Unterlage an den für die Ballen vorgesehenen Stellen mittels einen genau dosierbaren
Schlageinrichtung bearbeiten, so daß sich an den einzelnen Schlagstellen die Ballen
entsprechend durchwölben Wenngleich die sich relativ zueinander bewegenden Flächen
wegen der' Eigenart der erzielten Dichtwirkung einander überwiegend urrberührt lassen,
so ist es dennoch zweckmäßig, sie im Hinblick auf die jeweilige Einlaufphase aus
Werkstoffen zu gestalten, die relativ zueinander Notlaufeigenschaften aufweisen.
Derartige Werkstoifpdarungen sind dem Fachmann geläufig.
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Zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung sei auf die sich auf
grundsätzliche Gestaltungsanweisungen sowie Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen
Bezug genommen. Darin zeigen: Figur 1 einen Querschnitt durch einen Ballen sowie
durch das zu Bemessungszwecken herangezogene Radiallager, Figur 2 den Kreisausschnitt
ii aus Figur 1 in vergrC'ilt'tem Maßstab, Figur 3 die Veranschaulichung der Ermittlung
der Ballen krümmung, Figur 4 eine Anzahl von Ballen der erfindungsgemäßen Art in
dichtester Anordnung,
Figur 5 die Anwendung der Erfindung bei einem
schematisch dargestellten Drehkolben einer mittelachsigen Ver'ttr'einungskraftmaschine
u n d Figur 6 die Anordnung der Erfindung bei einem schettatisch dargestellten Drehkolben
einer Wankelinaschine.
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Der Ballen 1 ist in Figur 1 durch Schraffur dargistellt. Seine Höhe
h' ist mit 2 bezeichnet und gleich dem im Patentanspruch 1 bezeichneten radialen
Lagerspiel s'. Das Radiallager sieht einen Lagerzapfen 3 sowie eine mit dem Spiel
s' bemessene Lagerschale vor, deren umfang mit 4 bezeichnet ist. Bei dem Radiallager
besteht ein relatives Lagerspiel von s/D von 0,02. Der Durchmesser D der Lagerschale
4 ist mit dem Durchmesser des Ballens 1 insofern verknüpft, als letzterer 3/4 des
Wertes von D beträgt. Der Lagerzapfen 3 berührt die Lagerschale 4 am Auflagerpunkt
5, der als oberer Scheitelpunkt zeichnungsgemäß erkennbar ist. Wenn man eine Strecke
einer Länge 3 D/4 vom Punkt 5 ausgehend horizontal nach unten verschiebt, so berühren
ihre Enden schließlich den Lagerschalenumfang 4 an den Stellen 6, von denen eine
bezeichnet ist.
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Zur Veranschaulichung ist der Bereich in Nähe der Stelle 6 auf der
gegenüberliegenden Seite gemäß Figur 2 vergrößert dargestellt. Darin ist R gleich
dem Halbmesser der Lagerschale, während r gleich dem Halbmesser des Zapfens ist.
Von der Stelle des Schnittpunktes 6 an bis zum Anfang des Lagerzapfens steht das
Lagerspiel s', welches gleich der Höhe h' des Ballens ist. Der s' gegenüberliegende
Winkel α ist definiert durch cosα gleich 3/4. Unter Berücksichtigung
dieser Beziehungen läßt sich durch eine hier nicht näher dargestellte Berechnung
der Wert für s' angeben mit
Mit dem Ballendurchmesser gleich 3/4 D und der @allen@ @e h' s'
ist der Ballen geometr@sch bereits vollst@@dig del@@@@ @@ Der @r@@-mungsradius kann
damit als ein Kalottenhalbmesser konstr@iert werde@ Indes läßt er sich auch berechnen,
zu welchem Zweck er in Figur 3 geometrisch veranschaulicht ist. Rechnerisch ergiht
sich @iera@@ @@ den Krümmungshalbmesser R' des Ballens 1 R' = (0,56 R3 + s' ) /
( s').
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Wesentlich ist nun vor allem bei beengten Platzverhalt@@ssen, da@
genügend Ballen gewählt werden, um eine Abdichtung zu gewah@le@ste@ Figur 4 veranschaulicht
eine besonders wirkungsvolle @ont@gu@ation der einzelnen Ballen 1. Das Druckgefälle
@ ist in Ri@ntung eines Pfeiles dargestellt. Dieser Pfeil schneldet die @@ll@n 1',
1'' und 1''', die mithin der Bedingung des Vorschlages nach dem @ennzeichnungsteil
des Patentanspruchs 1 genugen. Wie sich le@cht erkennen läßt, liegen die Mittelpunkte
8 der einzelnen B@llen 1 auf Scharen von untereinander parallelen Geraden, wobei
sich die scha@en jewe@l, unter einem Winkel von 60° schneiden. Bei einer mit den
genannten Ballen zu versehenen Flache kann es aus Platzgrunden ertorderlich sein,
Ballen mit unterschiedlichen Druchmessern vorzusehen, wobei jedoch die Scheitelpunkte
aller Ballen in einer Ebene @@egen mussen Es kann auch angebracht sein, bei einer
mit den Ballen zu versehene@ Fläche bereichweise Ballenhöhe und Ballendur@hme@s@@
@b@@nde@@@, @@ beispielsweise den örtlich unterschiedlichen Geschwindigkeiten oder
örtlich abweichenden Schmierverhältnissen Rechnung zu tragen.
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Hierfür ist, wie bereits dargestellt wurde, eine ne Beziehung z@@
Grenzschichtdicke maßgeblich.
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Eine praktische Anwendung veranschaulicht Figur 5. @s handelt sich
hierbei um einen Drehkolben eines Drehkolbenpaares. @er zugehorige
andere
Drehkolben läßt sich mit ensprechend größerer Bu@hse aufstecken. Beide Drehkolben
sind auf einer Scheibe lil angeordnet, die dem jeweils anderen Drehkolben eine Lauffläche
9 hietet An dieser Lauffläche 9 muß die Stirnseite des zeichnerisch nicht dargestellter
Drehkolbens in gleicher Weise dichtend geführt sein wie die Stirnfläche 11 des dargestellten
Drehkolbens an der lauffläche des nicht dargestellten. Somit werden zwischen den
beiden Ilr'ehkolben katimern gebildet, die gegeneinander abgedichtet sein nüssen.
Weiterhin @uß eine Abdichtung gegenüber der zeichnerisch nicht wiedergegebenen,
die Kolben zentral durchsetzenden Antriebswelle gegeben seil. m die Abdichtung zu
bewirken, sind nun die Stirnseiten 11 der l)rehkolben in der erfindungsgemäßen Weise
mit kalottenartigen Ballen versehen. Dies ist bei einem Ausschnitt der zeichnerisch
ddrgestellten Stirnseite 11 veranschaulicht. Man erkennt eine Vielzahl von einzelnen
Ballen 12, deren Anordnung und Anzahl der Bedingung des Patentanspruchs 1 entspricht.
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Ein weiteres Beispiel zeigt Figur 6. Der Drehkolben 13 einer Wankelmaschine
ist im Bereich seiner Ecken mit üblichen Dichtleisten 14 versehen. Die Sitrnseite
15 ist demgegenüber ohne Dichtleisten ausgeführt. Stattdessen besitzt sie, wie ein
Ausschnitt zeigt, die in der erfindungsgemäßen Weise gestalteten Ballen 16, die
in /rltl rind Anordnung wiederum der Bedingung des Patentanspruchs 1 genugen.
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Somit kommt eine Abdichtung der einzelnen Kammern gegenein@nder sowie
gleichfalls eine Abdichtung zwischen den Kammern und tILIn Innenraum 17 des Drehkolbens
13 zustande.
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In den Figuren 4 bis 6 sind Ballen mit jeweils kreisförmigen Crundrissen
dargestellt worden. Diese Bedingung ist jedoch nicht unbedingte Voraussetzung, sondern
es können auch kissenartige Ballen sein. Die Bedingung "kalottenartig" besagt im
Sinne der Erfindung, d.vß die Ballen einen Scheitelpunkt oder Scheitelbereich derart
besitzen. daI3 aus jeder Richtung die Ballenfläche gekrümmt ansteigt.
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