AT510278B1

AT510278B1 - ROCKING PISTON ENGINE

Info

Publication number: AT510278B1
Application number: AT6822011A
Authority: AT
Original assignee: Freller Walter
Priority date: 2011-05-13
Filing date: 2011-05-13
Publication date: 2012-03-15
Also published as: WO2012155166A2; AT510278A4; WO2012155166A3

Description

österreichisches Patentamt AT510 278B1 2012-03-15Austrian Patent Office AT510 278B1 2012-03-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwingkolbenmotor mit wenigstens einem Zylinder, mit einem im Zylinder koaxial gelagerten, gegensinnig über je einen Arbeitsraum beaufschlagbaren Schwingkolben, der die beiden Arbeitsräume von einem Kurbelraum mit zwei zur Zylinderachse parallelen Kurbelwellen trennt, die zu einer axialen Mittelebene des Zylinders symmetrisch angeordnet und über ein Umkehrgetriebe antriebsverbunden sind sowie Kurbelzapfen aufweisen, die mit bezüglich einer axialen Mittelebene des Schwingkolbens symmetrischen Nockenbahnen abwechselnd Zusammenwirken.The invention relates to an oscillating piston engine with at least one cylinder, with a coaxially mounted in the cylinder, in opposite directions acted upon by a respective working chamber oscillating piston which separates the two working spaces of a crank chamber with two parallel to the cylinder axis crankshafts, leading to an axial Center plane of the cylinder are arranged symmetrically and are drivingly connected via a reversing gear and crankpins, which interact alternately with respect to an axial center plane of the oscillating piston cam lobes.

[0002] Um bei einem Schwingkolbenmotor vorteilhafte Konstruktionsbedingungen zur Nutzung der auf den Schwingkolben abwechselnd einwirkenden, gegensinnigen Drehmomente zu schaffen, ist es bekannt (EP 0953098 B1), zwei bezüglich einer axialen Mittelebene symmetrisch angeordnete Kurbelwellen vorzusehen, deren Kurbelzapfen in Abhängigkeit von der Drehrichtung des Schwingkolbens abwechselnd mit symmetrisch bezüglich einer axialen Mittelachse des Schwingkolbens angeordneten Nockenbahnen Zusammenwirken, sodass die eine Kurbelwelle über die zugehörige Nockenbahn in der einen Drehrichtung und die andere Kurbelwelle über die ihr zugehörige Nockenbahn in der gegensinnigen Drehrichtung des Schwingkolbens jeweils um 180° angetrieben werden. Nach einer Antriebsverbindung der beiden Kurbelwellen über ein Umkehrgetriebe kann somit ein über 360° wirksamer Antrieb erhalten werden. Die Nockenbahnen werden jedoch durch Anlauframpen für die mit Rollen versehenen Kurbelzapfen gebildet, was eine über den Kurbelwinkel der Kurbelzapfen ungünstige Verteilung der Drehmomentbeaufschlagung der Kurbelwellen mit sich bringt.In order to create an oscillating piston engine advantageous design conditions for the use of alternately acting on the oscillating piston, opposing torques, it is known (EP 0953098 B1) to provide two with respect to an axial center plane symmetrically arranged crankshafts, the crank pin as a function of the direction of rotation Oscillating piston alternately with symmetrically arranged with respect to an axial center axis of the oscillating piston cam tracks interaction, so that the one crankshaft via the associated cam in one direction of rotation and the other crankshaft via its associated cam in the opposite direction of rotation of the oscillating piston are each driven by 180 °. After a drive connection of the two crankshafts via a reversing gear, a drive that is effective over 360 ° can thus be obtained. However, the cam tracks are formed by start-up ramps for the roller-equipped crankpins, which entails an unfavorable distribution over the crank angle of the crankpins of the torque loading of the crankshafts.

[0003] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Schwingkolbenmotor der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, dass die Drehmomentbeaufschlagung des Schwingkolbens vorteilhaft für die Drehmomentbeaufschlagung der beiden Kurbelwellen genützt werden kann.The invention is therefore the object of an oscillating piston engine of the type described in such a way that the application of torque of the oscillating piston can be advantageously used for the application of torque of the two crankshafts.

[0004] Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die Nockenbahnen im Angriffsbereich der Kurbelzapfen zumindest angenähert in Richtung der Exzentrizität der Kurbelzapfen verlaufen.The invention solves this problem in that the cam tracks extend in the attack region of the crank pin at least approximately in the direction of the eccentricity of the crank pin.

[0005] Aufgrund dieser Ausrichtung der Nockenbahnen gegenüber der Exzentrizität der Kurbelzapfen kann jeweils über einen halben Umlauf der Kurbelwelle im Wesentlichen die Länge des Kurbelarms für die Drehmomentübertragung auf die Kurbelwelle genützt werden, weil die auf die Kurbelzapfen übertragene Radialkraft quer zur Exzentrizität der Kurbelzapfen verläuft. Damit wird eine wesentliche Voraussetzung für die Übertragung der Kräfte vom Schwingkolben über die beiden Nockenbahnen auf die beiden Kurbelwellen unter günstigen, vom jeweiligen Drehwinkel der Kurbelwelle unabhängigen Hebelverhältnissen sichergestellt. Der Verlauf der Nockenbahnen hängt unter Berücksichtigung der Forderung, dass die Nockenbahnen im Angriffsbereich der Kurbelzapfen in Richtung der Exzentrizität der Kurbelzapfen verlaufen sollen, zusätzlich von der Lage der Kurbelwellen in Bezug auf die Drehachse des Schwingkolbens, der Exzentrizität der Kurbelzapfen und von der Schwingweite des Schwingkolbens ab, weil ja während der Drehbewegung des Schwingkolbens in einer Richtung die jeweilige Kurbelwelle durch die Beaufschlagung ihres Kurbelzapfens um 180° gedreht werden muss. Mit diesen Parametern ist der Verlauf der Nockenbahnen konstruktiv bestimmt.Due to this orientation of the cam tracks relative to the eccentricity of the crank pin can be used in each case over half a revolution of the crankshaft substantially the length of the crank arm for the torque transmission to the crankshaft, because the radial force transmitted to the crank pin extends transversely to the eccentricity of the crank pin. Thus, an essential condition for the transmission of forces from the oscillating piston on the two cam tracks on the two crankshafts under favorable, independent of the respective angle of rotation of the crankshaft leverages ensured. The course of the cam tracks depends on the requirement that the cam tracks in the attack area of the crank pins in the direction of eccentricity of the crank pin to extend, in addition to the position of the crankshaft with respect to the axis of rotation of the oscillating piston, the eccentricity of the crank pin and the amplitude of the oscillating piston because yes, during the rotational movement of the oscillating piston in one direction, the respective crankshaft must be rotated by the application of its crank pin by 180 °. With these parameters, the course of the cam tracks is determined constructively.

[0006] Besonders vorteilhafte Konstruktionsverhältnisse ergeben sich, wenn die Nockenbahnen eine die Nockenfläche bildende Blattfeder aufweisen, weil durch diese Blattfeder Ungleichförmigkeiten bei der Drehmomentübertragung teilweise ausgeglichen werden können. Die bei höheren Kolbenkräften gespeicherte Federenergie kann bei einer Beaufschlagung mit geringeren Kräften zur Vergleichmäßigung des Drehmomentverlaufs über einen Kurbelwellenumlauf genützt werden. In ähnlicher Weise kann die Bewegungsumkehr des Schwingkolbens in den beiden Endlagen durch federnde Anschläge unterstützt werden, die die Bewegung des Schwingkolbens in den Endlagen dämpfen und die dabei gespeicherte Federenergie an den Schwingkolben zu seiner Beschleunigung in die entgegengesetzte Drehrichtung abgeben. In 1 /4 österreichisches Patentamt AT510 278B1 2012-03-15 diesem Zusammenhang ist außerdem zu bedenken, dass aufgrund des gegensinnig beaufschlagbaren Schwingkolbens mit der Druckbeaufschlagung des einen Arbeitsraums eine Verdichtung im anderen Arbeitsraum einhergehen kann, sodass jeweils der im Verdichtungssinn wirksame Arbeitsraum eine die Bewegungsumkehr des Schwingkolbens unterstützende Gasfeder darstellt.Particularly advantageous construction conditions arise when the cam tracks have a cam surface forming the leaf spring, because nonuniformities in the torque transmission can be partially compensated by this leaf spring. The stored at higher piston forces spring energy can be used when subjected to lower forces to equalize the torque curve over a crankshaft revolution. Similarly, the movement reversal of the oscillating piston in the two end positions can be supported by resilient stops that damp the movement of the oscillating piston in the end positions and deliver the stored spring energy to the oscillating piston to its acceleration in the opposite direction of rotation. In this context, it should also be borne in mind that, due to the oscillating piston acted upon in the opposite direction, the compression of one working space can be accompanied by a compression in the other working space, so that in each case the work space effective in the compression sense reverses the motion represents the oscillating piston supporting gas spring.

[0007] Wird der Kurbelraum durch eine zylinderfeste Trennwand in zwei vom Schwingkolben umschlossene Druckräume unterteilt, die mit dem jeweils entfernteren der beiden Arbeitsräume in Strömungsverbindung stehen, so kann in einfacher Weise die Beaufschlagungsfläche für den Schwingkolben vergrößert werden, weil ja der Beaufschlagungsdruck im jeweiligen Arbeitsraum auch im zugehörigen Druckraum wirksam wird, der von der zylinderfesten Trennwand und dem Schwingkolben begrenzt wird.If the crankcase divided by a cylinder-fixed partition in two enclosed by the oscillating piston pressure chambers, which are in communication with the more distant of the two working spaces, then the loading surface for the oscillating piston can be increased in a simple manner, because yes the Beaufschlagungsdruck in the respective working space is also effective in the associated pressure chamber, which is bounded by the cylinder-fixed partition and the oscillating piston.

[0008] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt, und zwar wird ein erfindungsgemäßer Schwingkolbenmotor in einem schematischen Schnitt senkrecht zur Zylinderachse gezeigt.In the drawing, the subject invention is illustrated, for example, and that an oscillating piston engine according to the invention is shown in a schematic section perpendicular to the cylinder axis.

[0009] Der dargestellte Schwingkolbenmotor weist einen kreiszylindrischen Rohrkörper mit beidseitigen Stirnwänden als Zylinder 1 auf, der einerseits durch einen Einsatz 2 und anderseits durch einen Schwingkolben 3 begrenzte Arbeitsräume 4 und 5 sowie zwischen diesen Arbeitsräumen 4 und 5 einen vom Schwingkolben 3 umschlossenen Kurbelraum 6 bildet. Dieser Kurbelraum 6 wird durch eine feste Trennwand 7 in zwei Druckräume 8 und 9 unterteilt, die jeweils mit dem entfernteren der beiden Arbeitsräume 4, 5 in Strömungsverbindung steht. Die Strömungskanäle 10 sind strichpunktiert angedeutet.The oscillating piston engine shown has a circular cylindrical tubular body with double-sided end walls as a cylinder 1, on the one hand by an insert 2 and on the other hand by a swinging piston 3 limited working spaces 4 and 5 and between these working spaces 4 and 5 an oscillating piston 3 enclosed crankcase 6 forms , This crank chamber 6 is divided by a fixed partition 7 into two pressure chambers 8 and 9, which is in each case in communication with the remoter of the two working chambers 4, 5. The flow channels 10 are indicated by dash-dotted lines.

[0010] Innerhalb der beiden Druckkammern 8 und 9 sind zwei zur Zylinderachse symmetrisch angeordnete, parallele Kurbelwellen 11 und 12 angeordnet, die über ein nicht dargestelltes Umkehrgetriebe, vorzugsweise ein Zahnradpaar, miteinander antriebsverbunden sind. Die Kurbelzapfen 13 dieser Kurbelwellen 11, 12 wirken abwechselnd mit bezüglich einer axialen Mittelebene des Schwingkolbens 3 symmetrischen Nockenbahn 14 zusammen. Wird einer der beiden Arbeitsräume mit Druck eines Arbeitsmittels beaufschlagt, beispielsweise über Versorgungskanäle 15 im Einsatz 2, so wird der Schwingkolben 3 von der einen in die andere Anschlagstellung um seine Drehachse 16 verschwenkt. Die Druckbeaufschlagung der Arbeitsräume 4 und 5 kann aber selbstverständlich auch durch eine Verbrennung eines Brennstoff-Luftgemisches erfolgen, wie dies bei Verbrennungsmotoren üblich ist. Der erfindungsgemäße Schwingkolbenmotor kann ja als Verdrängungsmotor verschiedenster Bauarten eingesetzt werden.Within the two pressure chambers 8 and 9 two symmetrically arranged to the cylinder axis, parallel crankshafts 11 and 12 are arranged, which are drivingly connected to each other via an unillustrated reverse gear, preferably a gear pair. The crankpins 13 of these crankshafts 11, 12 interact alternately with respect to an axial center plane of the oscillating piston 3 symmetrical cam track 14 together. If one of the two working spaces is pressurized with a working fluid, for example via supply channels 15 in the insert 2, the oscillating piston 3 is pivoted from one to the other stop position about its axis of rotation 16. Of course, the pressurization of the working spaces 4 and 5 can also be effected by combustion of a fuel-air mixture, as is customary in internal combustion engines. The oscillating piston engine according to the invention can indeed be used as a displacement motor of various designs.

[0011] Da der sich beispielsweise im Arbeitsraum 4 aufbauende Beaufschlagungsdruck über den zugehörigen Strömungskanal 10 auch auf den Druckraum 8 erstreckt, ergibt sich für den Schwingkolben 3 eine entsprechend vergrößerte Beaufschlagungsfläche und damit ein höheres Drehmoment. Die Kolbenbeaufschlagung bedingt, dass eine seiner Nockenbahnen 14 den Kurbelzapfen 13 einer der beiden Kurbelwellen 11, 12 beaufschlagt, die somit abwechselnd mit einem gegensinnigen Drehmoment angetrieben werden. Aufgrund des die beiden Kurbelwellen 11, 12 verbindenden Umkehrgetriebes kann folglich ein nur in einer Drehrichtung wirksames Drehmoment von einer der beiden Kurbelwellen 11, 12 abgenommen werden. Das Antriebsmoment der Kurbelwellen 11, 12 hängt einerseits von der Exzentrizität e des Kurbelzapfens 13 und anderseits von der Größe der von der Nockenbahn 14 auf den Kurbelzapfen 13 ausgeübten Kraft sowie vom Verlauf der Wirkungslinie I dieser Kraft ab. Da der Verlauf der Nockenbahn 14 so gewählt ist, dass der Kurbelzapfen 13 zumindest quer zur Exzentrizität e des Kurbelzapfens 13 verläuft, dass sich also ein Verlauf der Nockenbahn 14 im Angriffsbereich des Kurbelzapfens 13 zumindest angenähert in Richtung der Exzentrizität e ergibt, können hinsichtlich des Kraftangriffs vorteilhafte Übersetzungsverhältnisse gewährleistet werden. Während der Beaufschlagung des Schwingkolbens 3 über den Arbeitsraum 4 bleibt der Kurbelzapfens 13 der Kurbelwelle 11 unbelastet und kommt erst bei der gegensinnigen Schwingbewegung des Schwingkolbens 3 zum Einsatz.Since extending for example in the working space 4 Beaufschlagungsdruck on the associated flow channel 10 and the pressure chamber 8, resulting in the oscillating piston 3, a correspondingly larger Beaufschlagungsfläche and thus a higher torque. The Kolbenbeaufschlagung requires that one of its cam tracks 14, the crank pin 13 of one of the two crankshafts 11, 12 applied, which are thus driven alternately with an opposite torque. As a result of the reversing gear unit connecting the two crankshafts 11, 12, a torque which is effective only in one direction of rotation can therefore be removed from one of the two crankshafts 11, 12. The drive torque of the crankshafts 11, 12 depends on the one hand on the eccentricity e of the crank pin 13 and on the other hand on the size of the force exerted by the cam track 14 on the crank pin 13 force and on the course of the line of action I of this force. Since the course of the cam track 14 is selected so that the crank pin 13 extends at least transversely to the eccentricity e of the crank pin 13, so that a curve of the cam track 14 in the attack region of the crank pin 13 at least approximately results in the direction of the eccentricity e, with respect to the force application advantageous transmission ratios are ensured. During the application of the oscillating piston 3 via the working chamber 4 of the crank pin 13 of the crankshaft 11 remains unloaded and comes only in the opposite direction oscillating movement of the oscillating piston 3 is used.

[0012] Wie der Zeichnung entnommen werden kann, können die Nockenbahnen 14 mit einer 2/4As the drawing can be seen, the cam tracks 14 with a 2/4

Claims

Austrian Patent Office AT510 278 B1 2012-03-15 be provided, which can compensate for nonuniformities in the torque transmission in part, because at higher piston forces stored spring energy can be delivered to the respective crank pin 13 upon application of lower forces again , The illustrated oscillating piston engine is intended to illustrate only the operation of such a piston engine. For this reason, construction measures that are obvious to the person skilled in the art are not taken into consideration, for example, that the crank pins 13 are designed as rollers for reducing wear or the control of the working and pressure chambers must be controlled via appropriate control valves. In addition, the problem of mass balance by the arrangement of at least one other counteracting cylinder-piston unit is not discussed. 1. oscillating piston engine with at least one cylinder (1), with a cylinder (1) coaxially mounted, in opposite directions via each a working space (4, 5) acted upon oscillating piston (3) of the two working spaces (4, 5) of a crank chamber (6) with two parallel to the cylinder axis crankshafts (11, 12) separates, which are arranged symmetrically to an axial center plane of the cylinder (1) and drive-connected via a reverse gear and crankpins (13) with respect to an axial center plane of the oscillating piston ( 3) symmetrical cam tracks (14) alternately cooperating, characterized in that the cam tracks (14) extend in the attack region of the crank pin (13) at least approximately in the direction of eccentricity (e) of the crank pin (13).

2. oscillating piston engine according to claim 1, characterized in that the cam tracks (14) have a cam surface forming the leaf spring (17).

3. oscillating piston engine according to claim 1 or 2, characterized in that the two end positions of the oscillating piston (3) are limited by resilient stops.

4. oscillating piston engine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the crank chamber (6) by a cylinder-fixed partition (7) in two of the oscillating piston (3) enclosed pressure chambers (8, 9) is divided, with the more distant of the two working spaces (4, 5) are in fluid communication. 1 sheet of drawings 3/4