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Drehkolbenmaschine der Trochoidenbauart, insbesondere Brennkraftmaschine
Gegenstand der Erfindung ist eine treibende oder angetriebene Drehkolbenmaschine mit einem
Gehäuse und einem darin eine Drehbewegung ausführenden Kolben, welcher an einem exzentrischen
Element der Hauptwelle drehbar angeordnet ist, und der mit der Hauptwelle der Maschine mittels eines
Getriebes verbunden ist, das ein innenverzahntes und ein zylindrisches Zahnrad und ausserdem ein Umkehrgetriebe aufweist.
Es sind zahlreiche Vorschläge von Verbrennungskraftmaschinen mit Drehkolben bekannt Der Kolben dreht sich dabei um seine eigene Achse und führt ausserdem eine Bewegung entlang einer Kreisbahn aus. Solche Maschinen sind als Drehkolbenmaschinen der Trochoidenbauweise bekannt. Diese Maschinen haben viele Vorteile, wie z. B. eine auf ihre Dimensionen bezogene hohe Leistung und keine hin-und herbewegten Teile, deren dynamische Auswuchtung schwierig ist. Dennoch besitzen sie auch Nachteile, und der grösste liegt darin, dass der Dimensionierung der Hauptwelle Grenzen gesetzt sind, so dass eine volle Ausnutzung der verfügbaren Leistung nicht möglich ist, was vor allem die Verwendbarkeit als Dieselmaschine einschränkt. Diese Begrenzung in der möglichen Dimensionierung der Hauptwelle ist eine Folge ihrer Kinematik.
Bei den meisten dieser Maschinen besitzt der Kolben im Querschnitt die Form eines gleichseitigen Dreiecks mit konvexen Seiten, und er ist mit Hilfe einer Kurbel oder eines ähnlichen exzentrischen Elementes auf der Hauptwelle befestigt und vollführt zugleich eine Umlaufbewegung in einem Arbeitsraum, der die Form eines Trochoids hat, derart, dass seine Kanten immer in Berührung mit der Wand des Arbeitsraumes sind. Diese Bewegungen werden einerseits durch die Drehbewegung der den Kolben tragenden Exzentrizität, anderseits durch ein Zahnradpaar bewirkt, von dem das grössere mit einer Innenverzahnung versehen und mit dem Kolben verbunden ist, wogegen das zweite, ein Aussenzahnrad, im Maschinengehäuse fest gelagert ist. Das Durchmesserverhältnis beider Zahnräder ist streng abhängig vom Radius besagter Exzentrizität (Kurbel).
Für eine bestimmte Grösse der Maschine ist das Ausmass der Exzentrizität begrenzt, denn es wurde festgestellt, dass eine Steigerung besagten Durchmesserverhältnisses zu veränderlichen Beschleunigungen des Kolbens führt, die-unter anderem-zu starken Vibrationen der Dichtungen am Kolben und damit zu einer Verringerung der Lebensdauer der Maschine führen. Da also ein kleines, die Hauptwelle umgebendes Zahnrad erwünscht ist, ist es klar, dass demnach der Bemessung der Hauptwelle Grenzen gesetzt sind, die wie gesagt ihre Festigkeit unvorteilhaft schmälern.
Diese Nachteile können erfindungsgemäss durch ein zusätzliches Umkehrgetriebe beseitigt werden.
Solche Getriebe werden zwar bei einigen bekannten Drehkolbenmaschinen bereits verwendet, jedoch nur bei solchen, bei denen sowohl der Kolben als auch der Zylinder beide Drehbewegungenumzweiorts-
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feste Achsen ausführen, wobei das Umkehrgetriebe den umlaufenden Zylinder mit der parallel dazu gelagerten Hauptwelle verbindet, die eine Einheit mit dem Kolben bildet.
Zum Unterschied gegenüber diesen Maschinen ist die erfindungsgemässe mit einem stationären Zylinder versehen, in dem ein Kolben um eine zur Hauptwelle exzentrische Achse umläuft, und sie besitzt ein Umkehrgetriebe, aber zum Unterschied gegenüber der bekannten Konstruktion verbindet es den an der Exzentrizität der Hauptwelle drehbar gelagerten Kolben mit der Hauptwelle selbst. Bei dieser Anordnung ist es möglich - eine entsprechende Wahl der Übersetzung der verschiedenen Getriebe vorausgesetzt-den Durchmesser der Hauptwelle wesentlich zu vergrössern, und so die übertragbare Leistung zu steigern, so dass die Maschine auch mit Kompressionszündung betrieben werden kann.
Ausserdem er-
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Arbeitsmaschine(welches gewöhnlich als Trochoidenparajneter bezeichnet wird), wobei Rdie Entfernung des Symmetriezentrums des Kolbens von seinen Eckkanten und e die Exzentrizität der Hauptwelle ist.
Wie die Forschung und theoretische Prüfung zeigt, wird durch die Vergrösserung des Verhältnisses
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= l ! bis zum Wert --9-- und(wie das bei der Wankel-Kraftmaschine der Fall ist), das Verhältnis von Drehzahl des Kolbens und der der Hauptwelle 1 : 3 beträgt und der Umriss des Zylinderquerschnittes die Form eines Zwei-Bogen-Epitrochoids hat, die Elimination der der Richtung nach veränderlichen Beschleunigungen gesichert.
Da die
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- woschwankt-hervortretenden Beschleunigungen auf die im Kolben angebrachten Abdichtungselemente
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=-zustandkinematischen Bedingungen der Kraftmaschine zwingen dann für das im Gehäuse der Maschine stationär angeordnete Zahnrad Dimensionen von so geringer Grösse auf, auf die dieses Rad durchsetzende Hauptwelle der Maschine keinesfalls den auf sie wirkenden Belastungen gewachsen wäre.
Selbstverständlich kann die Erfindung auch bei Maschinen miteinem andern kinematischen Schema als beispielsweise angegeben, angewendet werden, wie z. B. bei einem Kolben mit Dreiecksform und konvexen Seiten, der in einem Zylinder mit quadratischem Grundquerschnitt umläuft.
Die Erfindung wird nun an Hand der schematischen Zeichnungen beispielsweise näher beschrieben.
Es zeigen Fig. 1 einen durch die Hauptwelle geführten Querschnitt durch eine Drehkolbenmaschine und Fig. 2 einen dazu senkrecht verlaufenden Querschnitt.
Auf dem exzentrischen Element --1-- der Hauptwelle --25-- ist mitteJs der Lager --2-- der Drehkolben --3-- drehbar gelagert. Dieser Kolben --3--, dessen Querschnitt die Form eines gleichseitigen Dreiecks mit konvexen Seiten besitzt, ist mit periphärischen Dichtungselementen --4-- versehen, die in den Eckpunkten des Dreieckquerschnittes angeordnet sind und sich im Innern des Zylinders-5drehend bewegen. Der Querschnitt des Zylinders ist ein Trochoid. Der Zylinder --5-- formt zusammen
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ben miteinander verbunden sind-das Gehäuse der Maschine.
Die Drehbewegung des Kolbens --3-- im Gehäuse ist einerseits durch die Drehbewegung der Hauptwelle --25"' : -, zufolge der Drehbewegung des exzentrischen Elementes, anderseits zufolge des bereits erwähnten Getriebes --9, 10-- bestimmt, welches Getriebe ein innenverzahntes stationäres Zahnrad und ein im Innerndesselben laufendes zylindrisches Zahnrad umfasst, sowie das Jmkehrgetriebe-11 bis 14--, welche zwei Getriebe die Hauptwelle --25-- mit dem Kolben--3-- verbinden.
Das innenverzahnte Zahnrad --9-- ist am Kolben --3-- befestigt und kämmt mit dem zylindrischen Zahnrad --10--, das auf der Hülse --15-- befestigt ist, auf der auch das Zahnrad --11-- sitzt. Die
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Hülse --15-- mit den Rändern-10 und 11-- ist von der Hauptwelle mittels Lager-16, 17-- getragen und ausserdem in der Seitenplatte --7-- des Maschinengehäuses gelagert. Das eine Komponente des Umkehrgetriebes bildende Zahnrad --15-- kämmt mit dem mit dem weiteren Zahnrad--13-- eine Einheit bildenden Zahnrad --12--. Diese Zahnradeinheit ist mittels Lager --18, 19-- in den Platten --7 und 8-- gelagert.
Das Zahnrad --13-- kämmt mit einem Zahnrad --14--, das auf der Hauptwelle - aufgekeilt ist.
Diese Bewegungsübertragung sichert bei entsprechender Wahl der Übersetzungsverhältnisse der einzelnen Zahnräder die geforderten Winkelgeschwindigkeiten von Hauptwelle und Kolben, der auf letzterer exzentrisch gelagert ist. Im beschriebenen Beispiel beträgt das Gesamtübersetzungsverhältnis des Getriebes 3 : 1.
Der im Zylinder --5-- sich drehende Kolben --3-- bildet Arbeitskammern veränderlichen Volumens, die sich zur Herbeiführung eines thermodynamischen Zyklus einer Verbrennungskraftmaschine verwenden lissen. Zu diesem Zwecke ist die Maschine mit zwei Kanälen ausgestattet, dem Ein- und
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element. An Stelle dessen kann auch ein bekannter Einspritzinjektor vorgesehen sein. Die Kammern --23-- im Maschinengehäuse dienen zur Führung von Kühlmedium, während das Lager --24-- zum
Tragen der Hauptwelle --25-- in der Seitenplatte --6-- des Gehäuses dient.
Bei Voraussetzung bestimmter Parameter der Maschine, wie des Durchmesserverhältnisses zwischen Kolben --3-- und dem exzentrischen Element-l-auf der Hauptwelle der Anzahl der Ecken des Querschnittes des Kolbens sowie des Übersetzungsverhältnisses zwischen Kolben --3-- und Hauptwelle --1--, das mit den erstgenannten Parametern in Beziehung steht-ist es möglich, einen Wert für die Zahnkreisdurchmesser der Zahnräder --9, 12,13 und 14-- in der Weise zu wählen, dass die resultierenden Durchmesser der Ränder-10 und 11-- grösser sind als der gewählte Durchmesser der Hülse --15--, wobei der gewählte Gesamtwert der Übersetzung zwischen dem Kolben und der Hauptwelle unverändert bleibt.
Auf diese Weise kann die Hülse so ausgelegt werden, dass in ihrem Inneren die Hauptwelle mit dem notwendigen Durchmesser untergebracht werden kann.