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Die Erfindung bezieht sich auf eine Hubkolbenmaschine, insbesondere Brennkraftmaschine, mit einem feststehenden Zylindergehäuse, einer konzentrisch zu Kolben und Zylinder gelagerten Welle und einer am Kolben vorgesehenen, gegen Stützrollen anliegenden Axialnockenbahn zur Koppelung der Hubbewegung des Kolbens mit der Drehbewegung der Welle.
Die Erfindung geht damit von einer Hubkolbenmaschine aus, wie sie beispielsweise aus der österr. Patentschrift Nr. 91838 und der USA-Patentschrift Nr. 3, 388, 603 bekannt sind. Der Vorteil derartiger
Hubkolbenmaschinen liegt theoretisch vor allem in der gedrängten trommelartigen Bauform und der vereinfachten billigen Herstellung im Vergleich zu Hubkolbenmaschinen mit Kurbelwelle. Bei
Gegenkolbenanordnung, gemäss der österr. Patentschrift Nr. 91838, ergibt sich ausserdem ein vollkommener
Massenausgleich.
Bei der aus der österr. Patentschrift Nr. 91838 bekannten Ausführungsform ist die Nockenbahn fest mit der
Welle verbunden, und die Stützrollen sind am Kolben gelagert, der seinerseits im Zylindergehäuse gegen
Verdrehung gesichert ist. Diese Ausführungsform hat den Nachteil, dass die Nockenbahn den
Zylinderdurchmesser wegen der in dessen Bereich vorgesehenen Drehsicherung für den Kolben weit überragt, so dass die rotierende Nockenbahn eine grosse Trägheit gegen Drehzahländerungen aufweist und einen übermässig grossen Gehäuseraum benötigt. Damit werden wichtige Vorteile der gegenständlichen Bauart wieder aufgegeben.
Da die Nockenbahn als Innennut einer Buchse ausgeführt ist, bereitet der Zusammenbau mit den Stützrollen grosse Schwierigkeiten.
Bei der aus der USA-Patentschrift Nr. 3, 388, 603 bekannten Bauform laufen die Stützrollen mit der Welle um und die mit dem Kolben verbundene Nockenbahn ist gegen Verdrehung gesichert. Hier treten entweder bei am Kolbenumfang ausgebildeter Nockenbahn die gleichen Nachteile wie bei der Konstruktion nach der österr. Patentschrift Nr. 91838 auf, indem ein mit der Welle fest verbundener Stützrollenträger im Durchmesser ausladet, oder die als Nut im Kolbeninneren vorgesehene Nockenbahn lässt sich nur unter grossen Schwierigkeiten herstellen bzw. mit den Stützrollen zusammenbauen.
Ziel der Erfindung ist es, die Schwierigkeiten der bekannten Bauformen zu vermeiden und die eingangs genannten Vorteile der gegenständlichen Bauart, nämlich geringes Bauvolumen, billige Herstellung, dazu noch einfache Montage und geringe Massenträgheit, voll zur Geltung zu bringen. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass der Kolben drehfest und axial verschiebbar auf der Welle geführt ist und die Stützrollen innerhalb des die Wellenlagerung tragenden Endes des Zylindergehäuses angeordnet sind.
Durch die Drehsicherung des Kolbens gegenüber der Welle können die Stützrollen und die Nockenbahn auf den Durchmesserbereich zwischen Wellenumfang und Zylinderwand beschränkt werden, so dass sich bei geringem Bauvolumen auch ein geringes Massenträgheitsmoment ergibt. Die im feststehenden Zylindergehäuse gelagerten Stützrollen können unabhängig von der Nockenbahn montiert werden und erleiden keine Fliehbeschleunigung, so dass sie nur durch die Nockenbahn, radial zu ihren Achsen belastet werden. Durch Führung des Kolbens an der Welle, statt wie üblich, an der Zylinderwand, kann die Kolbenreibung an letzterer praktisch beseitigt werden.
Die Beschränkung des Maschinendurchmessers auf den Zylindermanteldurchmesser wird besonders dadurch erreicht, dass die mit der Axialnockenbahn des im Zylinder beweglichen Kolbens zusammenwirkenden Stützrollen in dem die Welle lagernden Ende des Zylindergehäuses angeordnet sind, wo sie folglich eben ganz innerhalb des Zylinderdurchmessers liegen müssen. Anderseits erübrigt die drehfeste Axialführung des Kolbens an der Welle jeden weiteren Führungs-oder Sicherungseingriff zwischen Kolben und Zylindermantel, und das Zylindergehäuse kann auch zwischen seinen Enden auf den Zylindermanteldurchmesser beschränkt werden, abgesehen von Kühlrippen und Anschlussstutzen. Diesen augenfälligen Vorzug kann keine der bekannten Konstruktionen
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Die spezielle Art der drehsicheren Führung zwischen Welle und Kolben ist nicht Gegenstand der Erfindung und kann irgendeine im Maschinenbau bewährte Art sein, z. B. mit Nut und Feder, Keilwelle od. dgl.
Ein überraschender Vorteil der erfindungsgemässen Anordnung besteht darin, dass der mit der Welle gegenüber dem feststehenden Zylinder rotierende Hubkolben auch Steuerzwecken dienen kann, beispielsweise dadurch, dass der Kolben in seiner Bodenkante wenigstens eine Ausnehmung zur Steuerung von im Zylinder angeordneten Aus- und Einlasskanälen aufweist.
Da bei der Erfindung der Kolben zwei verschiedene Funktionen ausübt, nämlich die übliche Dichtfunktion und dazu eine wesentliche Triebwerks-oder Führungsfunktion, ist weiters zweckmässig, vorgesehen, dass der Kolben aus einem gegen die Zylinderwand und den Wellenumfang abgedichteten Dichtteil und einem die Nockenbahn sowie die Axialführung und Drehsicherung gegenüber der Welle aufweisenden Führungsteil zusammengesetzt ist. Diese Teilung des Kolbens ermöglicht eine vorteilhafte thermische Trennung der verschiedenen Kolbenfunktionen.
Bei Einkolbenanordnung besteht die bevorzugte Konstruktionsvariante der Erfindung darin, dass der Kolben durch eine in einer Hohlbohrung der Welle gelagerte Zugfeder mit seiner Nockenbahn gegen die Stützrollen gehalten ist. Diese Zugfeder sichert auch bei geringem Kolbendruck die Anlage der Nockenbahn an den Stützrollen.
Bei Gegenkolbenanordnung besteht die bevorzugte Konstruktionsvariante der Erfindung darin, dass die
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Stützrollen in jedem der gegenüberliegenden Enden des Zylindergehäuses im Bereich der Wellenlager angeordnet und die beiden Kolben durch eine in einer Hohlbohrung der Welle gelagerte Druckfeder auseinander sowie mit ihren Nockenbahnen gegen die Stützrollen gedrückt sind. Bei dieser voll ausgewuchteten Anordnung sichert die Druckfeder das ständige Anliegen der Kolben mit ihren Nockenbahnen an den Stützrollen. Bisher waren für den nämlichen Zweck parallel gegenüberstehende Nockenbahnen (Nuten) vorgesehen, die zu den erwähnten Montageschwierigkeiten führten.
In den Zeichnungen sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Fig. 1 ist ein axialer Schnitt durch einen erfindungsgemässen Hubkolben-Motor mit gegenläufigen Kolben ; Fig. 2 ist ein axialer Schnitt durch einen erfindungsgemässen Hubkolben-Motor mit einem Kolben ; Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der abgewickelten Innenfläche des Zylinders für einen Viertakt-Arbeitszyklus, wobei die einzelnen Phasen des Arbeitszyklus angedeutet sind ; Fig. 4 veranschaulicht einen Querschnitt durch den Motor mit einem Kolben ; und Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch den Motor mit gegenläufigen Kolben.
In einem feststehenden Zylindergehäuse --4 bis 6--ist mittels eines oder mehrerer Lager--2, 3-- eine Hauptwelle--l--gelagert. Die Achse --17-- der Hauptwelle --1-- ist mit der Achse des Arbeitszylinders--6--identisch, den die Hauptwelle--l--durchsetzt. Auf der Hauptwelle--l--ist verschiebbar, jedoch nicht drehbar, wenigstens ein Arbeitskolben--7 bzw. 8--gelagert, der im Arbeitszylinder - drehbar um die Achse--17--und gleichzeitig parallel zu der Achse--17--verschiebbar angeordnet ist. Der Kolben--7 bzw. 8--ist mit seiner Nockenbahn-14 bzw. 15--gegen die im Gehäuseendteil--4 bzw. 5-- gelagerten Stützrollen --9-- abgestützt.
Es können entweder zwei gleichachsige Arbeitskolben-7, 8--verwendet werden, die im Arbeitszylinder --6-- gegenläufig beweglich sind (Fig. 1 und 5), wobei diese Ausführung auf diese Weise ideal ausgewuchtet ist oder es kann nur ein im Arbeitszylinder --6-- beweglicher Arbeitskolben --7-- verwendet werden (Fig. 2, 4).
Wenn es sich um einen Motor handelt, ist in der Wand des Arbeitszylinders--6--zumindest ein Saugkanal --20-- und zumindest ein Auspuffkanal-16-ausgeführt. Im Arbeitskolben-7, 8-ist dann mindestens ein Steuerkanal in Form einer Ausnehmung --19-- vorgesehen. Vorzugswelse kann der Arbeitskolben-7, 8-aus einem Dichtungsteil --28-- und einem Führungsteil-27-bestehen, die durch ein Verbindungsstück --29--, z.B. eine Schraube, miteinander verbunden sind.
Der Hub der Arbeitskolben--7, 8--, gemeinsam mit der Innenfläche des Arbeitszylinders--6--und der Aussenfläche der Hauptwelle--l-- (insofern die Hauptwelle durch den Arbeitskolben--7, 8--hindurchtritt, wie dies bei der ersten alternativen Ausführung der Fall ist) bestimmen das aktive Volumen (Hubvolumen) des Arbeitsraumes
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-18--.Dichtung--11--des Arbeitskolbens--7, 8--, die die Aussenoberfläche der Hauptwelle--l--berührt (insofern dieselbe durch die Arbeitskolben--7, 8--hindurchtritt). Zweckmässig können beide Dichtungen - -11, 12-- zwischen dem Dichtungsteil--28--und dem Führungsteil --27-- des Arbeitskolbens --7, 8--angebracht sein.
Eine Zündkerze--24--, bzw. eine Einspritzdüse, kann in der Wand des Arbeitszylinders--6--oder in einem abgedichteten Deckel--25--, falls es sich um eine Ausführung mit einem Kolben handelt, angeordnet werden. An den Arbeitskolben--7, 8--ist mittels eines als Drehsicherung wirkenden Mitnehmers--13-- (Fig. l) oder eines Gehäuses --26-- (Fig. 2) eine Feder --10-- angeschlossen, die mit ihrem andern Ende entweder in dem gegenüberliegenden Kolben --8, 7-- (Fig. 1) oder in der Hauptwelle --1-- (Fig. 2) verankert
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an.
Die Kühlung des erfindungsgemässen Motors kann entweder durch eine Flüssigkeit oder Luft erfolgen.
Vorzugsweise kann dann das Schaufelrad --30-- eines Kühlungsventilators oder einer Kühlflüssigkeitspumpe unmittelbar an der Hauptwelle--l--angebracht werden und die Aussenfläche des Arbeitszylinders--6-bzw. auch der Motorrahmen--4, 5--wird dann mit Kühlrippen --31-- versehen. Es ist selbstverständlich, dass zur Überwindung der unwirksamen Kolbenhübe auf der Hauptwelle--l--ein nicht dargestelltes Schwungrad vorgesehen werden kann.
Das Prinzip des drehbaren und verschiebbaren Kolbens--7, 8--gemäss der Erfindung kann gleichfalls für einen pneumatischen oder hydraulischen Motor bzw. Kompressor, eine Flüssigkeits- oder Saugluftpumpe verwendet werden, wobei die unmittelbare Umwandlung der Drehbewegung in eine geradlinige Hin- und Herbewegung oder umgekehrt, stets vorteilhaft ist. Die beschriebenen und dargestellten Steuer-Kanäle --16,19,20-- für Aus- und Einlass können dabei auch in vollem Umfang oder teilweise verwendet werden und in einer alternativen Ausführung können sie jedoch durch Saug- oder Druckventile ersetzt werden (nicht dargestellt).
Wenn die erfindungsgemässe Einrichtung als Brennkraftmaschine ausgeführt ist, arbeitet sie folgendermassen :
In der Stellung-21- (Fig. 3) des Arbeitskolbens-7, 8-bzw. seines Steuerkanals-19-beginnt die Auspuffphase des Arbeitszyklus. Die Kante des Steuerkanals--19--legt die Kante des Aufpuffkanals
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- frei und das verbrannte Gemisch strömt aus dem Arbeitsraum --18-- durch den Steuerkanal --19-- in den Auspuffkanal--16--und auf diesem Wege nach aussen.
Durch Drehung und Verschiebung des Arbeitskolbens--7, 8--bei seiner Bewegung entlang der Nockenbahnen-14, 15- gelangt der Kolben in eine Lage, in welcher sich sein Steuerkanal --19-- an der Stelle --22-- befindet. Hier hat er bereits die
Kante des Auspuffkanals --16-- überschritten, so dass dieser Kanal geschlossen und der Auspuff beendet ist.
Zugleich beginnt jedoch infolge der Freilegung der Kante des Saugkanals --20-- der Saugtakt, in dem das neue Gemisch bzw. Luft durch den Saugkanal--20--und den Steuerkanal --19-- im Arbeitszylinder --7, 8--in den Arbeitsraum --18-- gelangt. Eine eventuelle kurzzeitige Überdeckung des Saugkanals - und des Auspuffkanals--16--kann zwecks besserer Füllung des Arbeitsraumes mit frischem
Gemisch gleichfalls Anwendung finden. Nach dem Zusteuern der Kante des Saugkanals --20-- kommt es in der Stellung --23- zur Kompression, an deren Ende mit einem bestimmten Vorlauf die Zündung des Gemisches durch die Zündkerze --24-- oder das Einspritzen des Brennstoffes durch die Spritzdüse folgt.
In der weiteren Phase erfolgt dann der Auspuff, wie bereits beschrieben und der Arbeitszyklus wird auf diese Weise stets widerholt.
Bei der Verschiebung und Drehung der Arbeitskolben--7, 8-die auch eine Drehung der Hauptwelle --l-- zur Folge haben und somit den Antrieb vermitteln, sichert die Feder--10--eine ständige Berührung der Nockenbahnen-14, 15-- mit den Stützrollen-9-. Die eigentliche Drehung und Verschiebung der Arbeitskolben--7, 8--erfolgt durch den Expansionsdruck und den folgenden Nachlauf der Kolben - -7, 8--. Bei einer Maschine mit zwei gegenläufigen Kolben wird, vorausgesetzt dass beide Kolben-7, 8- dieselbe Masse aufweisen, eine ideal ausgewuchtete Bewegung erzielt ; bei einer Ausführung mit einem Kolben kann die Auswuchtung durch zusätzliche Massen erreicht werden, deren Bewegung von der Hauptwelle--l-- abgeleitet wird.
Wenn das erfindungsgemässe Prinzip für einen hydraulischen oder pneumatischen Motor verwendet wird, kommt es natürlich nicht zur Ansaugung von Luft oder Gemisch oder zu dessen Zündung. In den Arbeitszylinder --6-- wird eine Druckflüssigkeit oder Druckluft eingeführt und die Umwandlung der geradlinigen Hin- und Herbewegung in eine Roationsbewegung erfolgt in gleicher Weise wie oben beschrieben.
Wenn das erfindungsgemässe Prinzip für einen Kompressor, eine Flüssigkeits- oder Saugluftpumpe verwendet wird, wird die Hauptwelle--l--zur Treibwelle und die Umwandlung der Bewegung erfolgt in umgekehrter Richtung, d. h. Umwandlung der Drehbewegung in eine geradlinige Hin- und Herbewegung und durch die Wirkung der Arbeitskolben--7, 8--unter eventueller Mitwirkung eines geläufigen zusätzlichen Systems von Saug- oder Druckventilen erfolgt dann die Arbeitsleistung der Hubkolbenmaschine.
PATENTANSPRüCHE
1. Hubkolbenmaschine, insbesondere Brennkraftmaschine, mit einem feststehenden Zylindergehäuse, einer konzentrisch zu Kolben und Zylinder gelagerten Welle und einer am Kolben vorgesehenen, gegen Stützrollen
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geführt ist und die Stützrollen (9) innerhalb des die Wellenlagerung (2) tragenden Endes (4,5) des Zylindergehäuses (4 bis 6) angeordnet sind.
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