<Desc/Clms Page number 1>
Rotationskolbenmaschine, insbesondere-Verbrennungsmotor
Gegenstand der Erfindung ist eine Rotationskolbenmaschine, insbesondere ein Rotationskolben-Verbrennungsmotor, mit einem feststehenden oder rotierenden Umschliessungskörper, der einen von Seitenscheiben und einem im Querschnitt mehrbogigen Mantel begrenzten Hohlraum besitzt, in welchem auf einem Exzenter ein Läufer rotiert, der mehrere zahnartige Vorsprünge aufweist, mit denen er ständig an der mehrbogigen inneren Mantelfläche des Umschliessungskörpers entlanggleitet, wodurch mehrere volumen-veränderliche Arbeitsräume gebildet werden, und wobei ein Getriebe, das aus einem am Läufer befestigten innenverzahntenRad und einem am Umschliessungskörper befestigten aussenverzahnten Rad besteht,
bei einem rotierenden Umschliessungskörper ein bestimmtes Drehzahlverhältnis zwischen Läufer und Umschliessungskörper und bei feststehendem Umschliessungskörper ein bestimmtes Drehzahlverhältnis zwischen dem Läufer und einer zentrisch im Umschliessungskörper gelagerten, den Läufer tragenden Exzenterwelle erzwingt.
Es ist das Ziel der Erfindung, bei derartigen Maschinen die den Läufer tragende Welle sowie die Lager dieser Welle möglichst weitgehend von dem Gasdruck, der, insbesondere bei Brennkraftmaschinen, auf den Läufer und dessen Welle ausgeübt wird, zu entlasten. Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass der den Läufer tragende Exzenter, sich auf konzentrisch zur Längsmittelachse des Umschliessungskörpers verlaufenden und von einer oder beiden Seitenscheiben des Umschliessungskörpers nach innen zu sich erstreckenden Lagerzapfen abstützt.
Diese Ausbildung hat zur Folge, dass der in den Arbeitsräumen aufgebaute Gasdruck, der sich sowohl in radialer Richtung nach aussen auf den Umschliessungskörper als auch in radialer Richtung nach innen auf den Läufer auswirkt, in bezug auf den Teil, welcher eine Biegung des den Läufer tragenden Exzenters hervorrufen würde, weitgehend aufgehoben wird, denn die Lagerung des Läufers auf dem Exzenter und die Lagerung des Exzenters auf von den Seitenscheiben des Umschlie- ssungskörpersnach innen zu sich erstreckenden Lagerzapfen liegen etwa übereinander, so dass sich die einerseits vom Läufer und anderseits vom Umschliessungskörper auf den Exzenter übertragenden Teilkräf- te weitgehend aufheben.
Dadurch kann die Exzenterwelle, die bei Maschinen mit rotierendem Umschlie- ssungskörper feststeht und bei Maschinen mit feststehendem Umschliessungskörper umläuft, schwächer ausgebildet werden, und ihre Lager sind wesentlich geringer beansprucht und können daher ebenfalls schwächer gehalten werden.
Die den Exzenter stützenden Lagerzapfen sind nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung an den Seitenscheiben des Umschliessungskörpers angeflanscht, wodurch sich der konstruktive Aufbau der Maschine vereinfacht. Einer dieser Lagerzapfen kann dabei gleichzeitig mit einer Aussenverzahnung versehen werden, welche einen Teil des Getriebes zwischen Läufer und Umschliessungskörper bildet. Diese Verzahnung stützt sich zweckmässigerweise an der angrenzenden Seitenscheibe des Umschliessungskörpers ab, um die Biegebeanspruchung des Flanschteiles dieses Zapfens möglichst klein zu halten. Wenn die Seitenscheiben aus Leichtmetall hergestellt sind, wird zwischen die Verzahnung und die Seitenscheibe zweckmässigerweise eine Stahlbüchse eingesetzt.
Die auf einem der. Lagerzapfen angeordnete Verzahnung bestimmt den Aussendurchmesser dieses La-
<Desc/Clms Page number 2>
gerzapfens und somit auch dessen Widerstandsmoment, während der Aussendurchmesser des andern Lagerzapfens wesentlich grösser gehalten werden kann. Da die Lagerzapfen naturgemäss so stark wie möglich ausgeführt werden sollen, ergibt sich, dass der Lagerzapfen auf der Getriebeseite stets ein kleineres Widerstandsmoment hat als der andere Lagerzapfen, wodurch er bei gleichem Abstand des Angriffspunktes der Kraft von der Einspannstelle und gleicher Grösse der Kraft eine grössere Durchbiegung erfahren wiir- de als der andere Lagerzapfen.
Um die Durchbiegung der Lagerzapfen auf Grund des Gasdruckes möglichst klein zu halten und gegebenenfalls eine gleich grosse Schrägstellung der auf den beiden Lagerzapfen angeordneten Lager bei Durchbiegung der Lagerzapfen zu erreichen, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, die Abstände der Mitten der zwischen dem Exzenter und den Lagerzapfen angeordneten Lager von der in derLäufermittelebene liegenden Angriffslinie der resultierenden Kraft entsprechend den unterschiedlichen Widerstandsmomenten der Lagerzapfen verschieden zu wählen. Dadurch erhält der schwächere Lagerzapfen eine geringere Belastung und es kann durch entsprechende Wahl der genannten Abstände erreicht werden, dass die Durchbiegung der Lagerzapfen in zulässigen Grenzen bleibt.
Bei einer Maschine, bei welcher der Umschliessungskörper umläuft und der den Läufer tragende Exzenter feststeht, wird die Abtriebswelle nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung mit dem Umschlie- ssungskörper verbunden und hohl ausgeführt und dient zur Führung des Kraftstoff-Luftgemisches, wobei in einer der Seitenscheiben des Umschliessungskörpers mindestens ein Kanal vorgesehen ist, der vom Inneren der Abtriebswelle zu den Arbeitskammern führt und diese nacheinander mit Kraftstoff-Luftgemisch versorgt. In dieser hohlen Abtriebswelle kann gleichzeitig die Kraftstoff-Vergasungseinrichtung vorgesehen werden, welcher der Kraftstoff durch einen Kanal zentrisch zum Umschliessungskörper zugeführt wird. Dadurch kommt die Dichtung in Fortfall, die sonst beim Anschluss des Vergasers an die drehende Welle vorgesehen werden muss.
Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung wird auch die Betätigungseinrichtung für die Luftregelung des Vergasers zentrisch zur Drehachse des Umschliessungskörpsrs geführt. Sowohl Kraftstoffleitung als auch Betätigungseinrichtung werden vorzugsweise durch den feststehenden Exzenter geführt.
Bei einer Maschine, bei welcher der Umschliessungskörper umläuft und der den Läufer tragende Exzenter feststeht, ergibt sich eine gewisse Schwierigkeit hinsichtlich der Kühlung dieses Läufers, da sich keine mit ihm fest verbundenen Teile nach aussen erstrecken, die zur Zuführung und Rückführung von Kühlflüssigkeit verwendet werden könnten. Es besteht daher nur die Möglichkeit, Kühlflüssigkeit durch den feststehenden Exzenter oder den Umschliessungskörper hindurch Hohlräumen im Läufer zuzuführen und von dort wieder abzuleiten. Um nun bei einer derartigen Anordnung eine Flüssigkeitspumpe für die
EMI2.1
Exzenters im Hohlraum des Laufers mündet.
Wenn das radial äussere Ende dieses Kanals in die im Hohlraum befindliche Flüssigkeit, die infolge der Zentrifugalwirkung einen Flüssigkeitsring bildet, eintaucht, so wird die Kühlflüssigkeit durch den Kanal auf Grund des zentrifugale Druckes nach innen zu abgeführt.
Dieser Kanal wirkt also praktisch als eine Art Pumpe und erzeugt so eine Zirkulation der Kühlflüssigkeit. Dieser Kanal mündet nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung im Hohlraum des Läufers an einer Stelle, die radial ausserhalb der Läuferlagerung auf dem Exzenter und ausserhalb des Getriebes zwischen Läufer und Umschliessungskörper liegt. Dadurch wird vermieden, dass das Läuferlager, welches vorzugweise als Wälzlager ausgebildet ist, im Ölbad läuft, und es werden Quetschverluste im Getriebe vermieden. Zur Begünstigung der Kühlflüssigkeitsabfuhr durch den genannten Kanal ist dieser spiralförmig ausgebildet.
Vorzugsweise werden mehrere Kanäle im Exzenter vorgesehen.
EMI2.2
Fig. 2 einenQuerschnitt gemäss Linie 2 - 2 in Fig. 1, Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Brennraum, Fig. 4 einen Längsschnitt gemäss Linie 4 - 4 in Fig. 5 durch einen Rotationskolben-Verbrennungsmotor mit feststehendem Umschliessungskörper, Fig. 5 einen Querschnitt gemäss Linie 5 - 5 in Fig. 4, Fig. 6 einen Längsschnitt durch eine Rotationskolbenmaschine gemäss Fig. 4 mit ungleicher Belastung der Exzenterlager, Fig. 7 einen Längsschnitt durch eine Rotationskolbenmaschine gemäss Fig. l mit Kühlfltlssigkeitsrückfüh- rung aus dem Läufer und Fig.
8 einen Querschnitt gemäss Linie 8 - 8 in Fig. 7.
Es sei zunächst auf Fig. 1-3 Bezug genommen. Mit 1 ist das Gehäuse bezeichnet, mit welchem ein Zapfen 2 starr verbunden ist, eIer in einem scheibenförmigen Ansatz 3a endet, an welchem ein feststehender Exzenter 3 angeschraubt ist. In dem Gehäuse 1 ist drehbar ein allgemein mit 4 bezeichneter Um- schliessungskorper angeordnet, der aus Seitenscheiben 5,6 und einem Mantel 7 besteht. Die Seitenscheiben 5,6 sind mit Lagerzapfen 8,9 versehen, die konzentrisch zur Längsmittelachse des Umschliessung-
<Desc/Clms Page number 3>
körpers 4 verlaufen und sich nach innen zu erstrecken. Der Umschliessungskörper 4 ist durch ein Gleitlager 10 auf dem Exzenterzapfen 2 und durch ein Kugellager 11 im Gehäuse 1 gelagert.
Auf dem Exzenter 3 des Zapfens 2 ist der Läufer 12 bei 33 und 34 drehbar gelagert. Der Exzenter 3 besteht, wie ersichtlich, aus einem rohrförmigen Körper und stützt sich seinerseits bei 35 und 36 auf den Lagerzapfen 8, 9 der Seitenscheiben 5, 6 ab. Mit dem Läufer 12 ist ein innenverzahnter Ring 14 fest verbunden, der mit seiner auf dem Lagerzapfen 8 angeordneten Aussenverzahnung 15 in Eingriff steht. Durch dieses Getriebe wird die für die Funktion der Maschine erforderliche Relativbewegung zwischen Läufer 12 und Umschliessungskörper 4 erzielt. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat die Innenkontur des Mantels 7 des Umschliessungskörpers 4 die Form einer zweibogigen Epitrochoide es.
Fig. 2), während der Läufer 12 etwa die Form eines Bogendreiecks aufweist und mit drei Anlagekanten ständig an der zweibogigen Innenkontur des Mantels 7 entlanggleitet, wodurch drei volumen-veränderliche Arbeitsräume 21 gebildet werden.
Das Drehzahlverhältnis zwischen dem Umschliessungskörper 4 und dem Läufer 12 beträgt in diesem Falle 3 : 2.
Die Abtriebswelle 16, die mit der Seitenscheibe 6 des Umschliessungskörpers 4 fest verbunden ist, ist mit einer Bohrung 17 ausgestattet, die durch eine Öffnung 18 mit einem beispielsweise für die Aufnahme eines Luftfilters dienenden Hohlraum 19 in Verbindung steht, und in die ein in der Seitenscheibe 6 vorgesehener Ansaugkanal 20 mündet, der zu einem der Arbeitsräume 21 führt. Durch den Hohlraum 19 und die Bohrung 17 kann Luft einströmen. Dieser Luft wird Brennstoff durch ein durch den Exzenterzapfen 2 geführtes Rohr 22 zugeführt, das an seinem Ende einen Düsenstock 23 trägt. Auf dem Rohr 22 ist ein Drosselschieber 24 angeordnet. Durch Verschieben des Rohres 22 wird die Gemischzufuhr geregelt. Mit 25 ist die Zündkerze bezeichnet.
Die Seitenscheiben 5, 6 des Umschliessungskörpers 4 und der Mantel 7 sind mit Kühlrippen 26, 27 versehen, die bei der Rotation als Gebläseschaufeln wirken und einen Luftstrom von den Öffnungen 28 des Gehäuses 1 zu dem Auslass 29 bewirken. Dieser Luftstrom kühlt den Umschliessungskörper.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist im Mantel 7 des Umschliessungskörpers 4 ein etwa radial nach aussen gerichteter Kanal 30 zum Auslass der Verbrennungsgase vorgesehen. Dieser Kanal mündet in den zwischen Umschliessungskörper 4 und Gehäuse 1 sich ergebenden Ringraum 31, der von der Kühlluft durchströmt wird, wobei die Kühlluftströmung das Austreten der Verbrennungsgase unterstützt und durch Mischung der Kühlluft mit den Verbrennungsgasen eine thermische Entlastung der nicht dargestelltenAuspuff-Dämpfungs- anlage erreicht wird.
Für die Kräfte und Momente, die beim Auftreten eines Gasdruckes in den Arbeitsräumen 21 erzeugt werden, ist in Fig. 3 eine resultierende Wirkung auf die Mantelfläche 7 des Umschliessungskörpers 4 bei P dargestellt. Die gleich grosse entgegengerichtete Reaktionskraft auf den Läufer 12 ist mit R bezeichnet.
Diese Kraft R, die zunächst auf die Wand 32 (Fig. l) des Läufers 12 wirkt, verteilt sich auf die beiden Lagerstellen 33, 34, über die der Läufer 12 auf dem ruhenden Exzenter 3 abgestützt ist. Die hier auftretenden Teilkräfte Rl und R2 wirken in radialer Richtung nach innen auf den Exzenter 3.
Die auf. den Aussenläufermantel wirkende Kraft P pflanzt sich über die Seitenscheiben 5, 6 und die Lagerzapfen 8, 9 fort und wirkt über die Lagerstellen 35, 36 ebenfalls auf den feststehenden Exzenter 3.
Die Teilkräfte Pl und P2 wirken den Reaktions-TeilkräftenR1 und R2 entgegen, so dass nur sehr geringe Biegemomente auftreten können.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 4 und 5 handelt es sich um eine Maschine, die gegenüber der Maschine gemäss Fig. 1-3 nach dem Prinzip der kinematischen Umkehrung arbeitet und bei welcher der allgemein mit 4 bezeichnete Umschliessungskörper feststeht. Er besteht wie beim vorgehenden Beispiel aus den beiden Seitenscheiben 5', 6' und aus einem Mantel 7'. Der Exzenterzapfen 2'und der auf diesem angeordnete Exzenter 3'sind in diesem Falle drehbar im Umschliessungskörper gelagert, u. zw. mittels der Wälzlager 37 und 38. Auf dem Exzenter 3'ist, wie beim vorhergehenden Beispiel, der LÅau- fer 12 über Lager 33'und 34'gelagert.
Der Exzenter 3'hat wiederum rohrförmige Gestalt und stützt sich über die Wälzlager 35'und 36'auf den von den Seitenscheiben 5', 6'nach innen zu sich erstreckenden Lagerzapfen 8 und 9 ab. Das Getriebe 14, 15 erzwingt ein Drehzahlverhältnis von 3 : 1 zwischen der Exzenterwelle 2'und dem Läufer 12.
Der Läufer 12, der bei seiner Drehung auf dem sich ebenfalls drehenden Exzenter 3'eine planetenartig kreisende Bewegung gegenüber dem Umschliessungskörper 4'durchführt, bleibt mit seinen achsparallelen Scheitelkanten in ständiger Anlage an der Innenkontur des Mantels 7'des Umschliessungskörpers.
Es bilden sich wiederum drei volumen-veränderliche Arbeitsräume 21, in welche ein Einlasskanal 20'für Frischgas und ein Auslasskanal 30'für die verbrannten Gase einmünden. Die Zündkerze ist wiederum mit 25 bezeichnet.
<Desc/Clms Page number 4>
Wie im vorhergehenden Beispiel ist die resultierende Kraft, die sich aus dem bei der Explosion entstehenden Gasdruck ergibt und auf den Mantel 7'des Umschliessungskörpers 4 wirkt mit P bezeichnet. Die gleich grosse entgegengerichtete Reaktionskraft R wirkt auf den Läufer 12 und verteilt sich auf die beiden Lagerstellen 33'und 34'dieses Läufers. Die beiden dadurch entstehenden Teilkräfte wirken radial nach innen auf den Exzenter 3'und werden durch die nach aussen über die Lagerzapfen 8,9 auf den Exzenter 3'wirkenden Teilkräfte der Kraft P aufgehoben. Dadurch ist die Exzenterwelle 2'praktisch vollständig gegenüber den von dem Gasdruck herrührenden Biegebeanspruchungen entlastet, so dass sie und auch ihre Lager 37,38 leichter ausgeführt werden können.
In Fig. 6 ist dieselbe Maschine wie in Fig. 4 dargestellt, jedoch diesesmal mit unterschiedlicher Belastung der Lagerzapfen 8,9. Der Aussendurchmesser des Lagerzapfens 8 ist durch die funktionsbedingte Grösse der auf diesem Zapfen angeordneten Verzahnung 15 begrenzt. Dies ist nicht der Fall bei dem Lagerzapfen 9, der demzufolge in seinem Aussendurchmesser wesentlich grösser gehalten werden kann. Dies hat zur Folge, dass das Widerstandsmoment des Lagerzapfens 8 nicht so gross sein kann wie dasjenige des Lagerzapfens 9.
Um nun die Durchbiegung des Lagerzapfens möglichst klein zu halten und eine bei gleicher Lagerbelastung auftretende verschiedene Schrägstellung der auf den Lagerzapfen 8,9 angeordneten Lager 35', 36' zu vermeiden, wird der Abstand a der Mitte des Lagers 35'von der Angriffslinie der resultierenden Kraft R grösser gewählt als der Abstand b der Mitte des Lagers 36'von dieser Angriffslinie.
Dies hat zur Folge, dass die von dem Lagerzapfen 9 aufgenommene Kraft grösser ist als die von dem Lagerzapfen 8 aufgenommene. Durch entsprechende Wahl dieser Abstände a und b lässt sich unter Berücksichtigung der verschiedenen Widerstandsmomente der Zapfen 8 und 9 für beide Zapfen eine Durchbiegung erreichen, bei welcher der Winkel der Tangente an die elastische Linie im Angriffspunkt der Kraft, d. h. in der Lagermitte, in beiden Fällen gleich wird. Somit ist auch die Schrägstellung der Lager 35', 36'und entsprechend die Kantenpressung bei Durchbiegung der Lagerzapfen 8 und 9 auf Grund des Gasdruckes gleich.
Da der auf den Lagerzapfen 8 wirkende Kraftanteil geringer ist als derjenige, der auf den Lagerzapfen 9 wirkt, kann das Lager 35'auf dem Zapfen 8 schwächer ausgeführt werden als das Lager 36'auf dem Zapfen 9.
Um die Biegebeanspruchung des Flanschteiles 8'des Zapfens 8 möglichst klein zu halten, stützt sich die auf diesem Zapfen angeordnete Verzahnung 15 auf der Seitenscheibe 5'ab. Da diese Seitenscheibe normalerweise aus Leichtmetall hergestellt ist, ist eine Stahlbüchse 39 zwischen der Verzahnung 15 und der Seitenscheibe 5'eingesetzt.
Die vorstehend im Zusammenhang mit Fig. 6 angestellten Überlegungen haben, selbstverständlich auch für Maschinen gemäss Fig. 1 - 3 Geltung, d. h. also für Maschinen, bei denen der Umschliessungskörper umläuft, der Exzenter dagegen feststeht.
Fig. 7 und 8 zeigen eine Rotationskolbenmaschine, die in ihrem Aufbau derjenigen gemäss Fig. 1 - 3 vollkommen entspricht. Gleiche Bezugszeichen wurden daher für gleiche Teile verwendet. Bei dieser Maschine Ist ein Flüssigkeitskreislauf zur Kühlung des Läufers 12 und des Umschliessungskörpers 4 vorgesehen. Die Kühlflüssigkeit tritt bei 40 ein, gelangt durch einen Ringraum 41 in Hohlräume 42,43 und 44 der Seitenscheiben 5,6 und des Mantels 7 des Umschliessungskörpers 4 und tritt bei 45 aus der Maschine aus. Ein Teilstrom kann durch die Bohrung 46 in der Seitenscheibe 5 in den Hohlraum 47 des Läufers 12 eintreten.
Um nun bei dieser Ausführung eine Zirkulation der Kühlflüssigkeit ohne Pumpen od. dgl. zu erreichen, sind in der feststehenden Exzenterscheibe 3a, welche den Exzenter 3 trägt, im wesentlichen radial gerichtete Kanäle 48 vorgesehen, durch welche die Rückführung der Kühlflüssigkeit aus dem Hohlraum 47 auf Grund des zentrifugalen Druckes, der bei der Drehung des Läufers auftritt, erfolgt. Dieser Kanal 48 setzt sich in axial verlaufenden Kanälen 49, die in dem Exzenterzapfen 2 angeordnet sind, fort.
Die Mündungen der Kanäle 48 im Hohlraum 47 liegen, wie ersichtlich, an einer Stelle, die radial ausserhalb der Läuferlager 33", 34" und der Verzahnung 15 angeordnet ist. Wenn die Flüssigkeit, die auf Grund der Zentrifugalwirkung einen Flüssigkeitsring bildet, in dem Hohlraum 47 nach innen zu so weit angestiegen ist, dass die Mündungen der Kanäle 48 in den Flüssigkeitsring eintauchen, wird die Flüssigkeit durch den zentrifugalen Druck nach innen durch die Kanäle 48 gedrückt, so dass der Flüssigkeitsstand im Hohlraum 47 immer konstant bleibt. Die Läuferlager 33"und 34"und auch das Getriebe 14, 15 können daher nicht im Ölbad laufen, so dass Ölwirbsiverluste in diesen Lagern und Quetschverluste im Getriebe, die sich durch Erwärmung bemerkbar machen wurden, vermieden werden.
Die Kanäle 48 sind, wie aus Fig. 8 ersichtlich, radial angeordnet. Es ist jedoch zur Begünstigung der Kill11f1üssigkeitsabfuhr aus dem Läufer unter Umständen zweckmässig, diese Kanäle spiralförmig anzuordnen, derart, dass sie mit ihren Mündungsöffnungen der Drehrichtung des Läufers und damit der Rotationsbewegung des Kühlflüssigkeitsringesentgogongerichtet sind. In diesem Falle müsste naturgemäss die Ex-
<Desc/Clms Page number 5>
zenterscheibe 3a, um diese Spiralkanäle vorsehen zu können, aus zwei Teilen bestehen, die miteinander beispielsweise durch Schrauben verbunden werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Rotationskolbenmaschine, insbesondere-Verbrennungsmotor, mit einem feststehendenoderrotie- renden Umschliessungskörper, der einen von Seitenscheiben und einem im Querschnitt mehrbogigen Mantel begrenzten Hohlraum besitzt, in welchem auf einem Exzenter ein Läufer rotiert, der mehrere zahnartige Vorsprünge aufweist, mit denen er während des Umlaufs ständig an der mehrbogigen inneren Mantelfläche des Umschliessungskörpers entlanggleitet, wodurch mehrere Volumen-veränderliche Arbeitsräume gebildet werden und wobei ein Getriebe vorgesehen ist, welches aus einem am Läufer befestigten innenverzahnten Rad und einem am Umschliessungskörper befestigten aussenverzahnten Rad besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenter (3)
sich auf konzentrisch zur Längsmittelachse des Umschliessungskör- pers (4) verlaufenden und von einer oder beiden Seitenscheiben (5,6 bzw. 5', 6') des Umschliessungskörpers nach innen zu sich erstreckenden Lagerzapfen (8,9) abstützt.