Rotationskolhenmaschine Gegenstand der Erfindung ist eine Rotations- kolbenmaschine mit einem feststehenden oder rotie renden Umschliessungskörper, der einen von Seiten scheiben und einem im Querschnitt mehrbogigen Mantel begrenzten Hohlraum besitzt, in welchem exzentrisch ein Läufer rotiert, der mehrere zahn artige Vorsprünge aufweist, mit denen er ständig an der mehrbogigen inneren Mantelfläche des Um schliessungskörpers entlanggleitet, wodurch mehrere volumenveränderliche Arbeitsräume gebildet werden, und wobei ein Getriebe ,vorgesehen ist,
das aus einem am Läufer befestigten innenverzahnten Räd und einem am Umschliessungskörper befestigten aussenverzahnten Rad besteht. Auf diese Weise wird bei einem rotierenden Umschliessungskörper ein bestimmtes Drehzahlverhältnis zwischen Läufer und Umschliessungskörper und bei feststehendem Um schliessungskörper ein bestimmtes Drehzahlverhältnis zwischen dem Läufer und einer zentrisch im Um schliessungskörper gelagerten, den Läufer tragenden Exzenterwelle erzwungen.
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 Brennkraftmaschi- nen, auf den Läufer und dessen Welle ausgeübt wird, zu entlasten. Dies wird erfindungsgemäss dadurch er reicht, dass der Läufer drehbar auf einem Exzenter gelagert ist, der sich auf mindestens einen koaxial zur Längsmittelachse des Umschliessungskörpers ver laufenden und von einer Seitenscheibe des Umschlie- ssungskörpers nach innen zu sich erstreckenden La gerzapfen 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, weit gehend aufgehoben wird, denn die Lagerung des Läufers auf dem Exzenter und die Lagerung des Exzenters auf von den Seitenscheiben des Umschlie- ssungskörpers nach innen zu sich erstreckenden Lager zapfen liegen etwa übereinander, so dass sich die einerseits vom Läufer und anderseits vom Umschl;
ie- ssungskörper auf den Exzenter übertragenden Teil kräfte weitgehend aufheben. Dadurch kann die Ex zenterwelle, die bei Maschinen mit rotierendem Umschliessungskörper 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 kön nen an den Seitenscheiben des Umschliessungskör- pers angeflanscht werden, wodurch sich der konstruk tive Aufbau der Maschine vereinfacht. Einer dieser Lagerzapfen kann dabei gleichzeitig mit einer Aussen verzahnung versehen werden, welche einen Teil des Getriebes zwischen Läufer und Umschliessungskör- per bildet. Diese Verzahnung stützt sich zweckmässi- gerweise an der angrenzenden Seitenscheibe des Um schliessungskörpers 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 Ver zahnung bestimmt den Aussendurchmesser dieses Lagerzapfens und soweit auch dessen Widerstands moment, während der Aussendurchmesser des ande- ren 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 klei neres Widerstandsmoment hat als der andere Lager zapfen, wodurch er bei gleichem Abstand des An griffspunktes der Kraft von der Einspannstelle und gleicher Grösse der Kraft eine grössere Durchbiegung erfahren würde als der andere Lagerzapfen.
Um die Durchbiegung der Lagerzapfen auf Grund des Gas druckes möglichst klein zu halten und gegebenen falls eine gleich grosse Schrägstellung der auf den beiden Lagerzapfen angeordneten Lager bei Durch biegung der Lagerzapfen zu erreichen, werden zweck mässig die Abstände der Mitten der zwischen dem Exzenter und den Lagerzapfen angeordneten Lager von der in der Läufermittelebene liegenden Angriffs linie der resultierenden Kraft entsprechend den un terschiedlichen Widerstandsmomenten der Lager zapfen verschieden gewählt.
Dadurch erhält der schwächere Lagerzapfen eine geringere Belastung und es kann durch entsprechende Wahl der genann ten Abstände erreicht werden, dass die Durchbiegung der Lagerzapfen in zulässigen Grenzen bleibt.
Bei einer Maschine, bei welcher der Umschlie- ssungskörper umläuft und der den Läufer tragende Exzenter feststeht, wird die Abtriebswelle bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung mit dem Umschliessungskörper verbunden und hohl ausgeführt und dient zur Führung des Kraftstoff-Luftgemisches, wobei in einer der Seitenscheiben des Umschlie- ssungskörpers mindestens ein Kanal vorgesehen ist, der vom Inneren der Abtriebswelle zu den Arbeits kammern führt und diese nacheinander mit Kraft stoffluftgemisch versorgt.
In dieser hohlen Abtriebs welle kann gleichzeitig die Kraftstoffvergasungsein- richtung vorgesehen werden, welcher der Kraftstoff durch einen Kanal zentrisch zum Umschliessungskör- per zugeführt wird. Dadurch kommt die Dichtung in Fortfall, die sonst beim Anschluss des Vergasers an die drehende Welle vorgesehen werden muss. Nach einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung wird auch die Betätigungseinrichtung für die Luftregelung des Vergasers zentrisch zur Dreh achse des Umschliessungskörpers geführt. Sowohl Kraftstoffleitung als auch Betätigungseinrichtung wer den vorzugsweise durch den feststehenden Exzenter geführt.
Bei einer Maschine, bei welcher der Umschlie- ssungskörper umläuft und der den Läufer tragende Exzenter feststeht, ergibt sich eine gewisse Schwie rigkeit hinsichtlich der Kühlung dieses Läufers, da sich keine mit ihm fest verbundenen Teile nach aussen erstrecken, die zur Zuführung und Rückfüh rung von Kühlflüssigkeit verwendet werden könnten. Es besteht daher nur die Möglichkeit, Kühlflüssig- keit durch den feststehenden Exzenter oder den Um schliessungskörper hindurch Hohlräumen im Läufer zuzuführen und von dort wieder abzuleiten.
Um nun bei einer derartigen Anordnung eine Flüssigkeits- pumpe für die Zirkulation des Kühlmittels zu ver meiden, kann im feststehenden Exzenter mindestens ein Kühlflüssigkeitsrückführkanal vorgesehen sein, welcher vorzugsweise am Umfang des Exzenters im Hohlraum des Läufers mündet. Wenn das radial äussere Ende dieses Kanals in die im Hohlraum be findliche Flüssigkeit, die infolge der Zentrifugalwir- kung einen Flüssigkeitsring bildet, eintaucht, so wird die Kühlflüssigkeit durch den Kanal auf Grund des zentrifugalen Druckes nach innen zu abgeführt.
Die ser Kanal wirkt also praktisch als eine Art Pumpe und erzeugt so eine Zirkulation der Kühlflüssigkeit. Dieser Kanal mündet nach einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung im Hohlraum des Läufers an einer Stelle, die radial ausserhalb der Läu ferlagerung auf dem Exzenter und ausserhalb des Getriebes zwischen Läufer und Umschliessungskör- per liegt. Dadurch wird vermieden, dass das Läufer lager, welches vorzugsweise als Wälzlager ausgebildet ist, im Ölbad läuft, und es werden Quetschverluste im Getriebe vermieden. Zur Begünstigung der Kühl flüssigkeitsabfuhr durch den genannten Kanal kann dieser spiralförmig ausgebildet sein.
Vorzugsweise werden mehrere Kanäle im Exzenter vorgesehen.
In den Zeichnungen sind einige Ausführungsbei spiele der Erfindung im Prinzip dargestellt: Es zeigen: Fig.1 einen Rotationskolben-Verbrennungsmotor mit umlaufendem Umschliessungskörper im Längs schnitt, Fig.2 einen Querschnitt 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-Verbrennungs- motor mit feststehendem Umschliessungskörper,
Fig.5 einen Querschnitt gemäss Linie 5-5 in Fig. 4, Fig.6 einen Längsschnitt durch eine Rotations- kolbenmaschine gemäss Fig.4 mit ungleicher Bela stung der Exzenterlager, Fig.7 einen Längsschnitt durch eine Rotations- kolbenmaschine gemäss Fig. 1 mit Kühlflüssigkeits- rückführung 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, der in einem scheiben förmigen Ansatz 3a endet, an welchem ein festste hender Exzenter 3 angeschraubt ist. In dem Gehäuse 1 ist drehbar ein allgemein mit 4 bezeichneter Um schliessungskörper angeordnet, der aus Seitenscheiben 5, 6 und einem Mantel 7 besteht. Die Seitenschei ben 5, 6 sind mit Lagerzapfen 8, 9 versehen, die konzentrisch zur Längsmittelachse des Umschlie- ssungskörpers 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 einer auf dem Lagerzapfen 8 angeordneten Aussenverzahnung 15 in Eingriff steht. Durch dieses Getriebe wird die für die Funk tion der Maschine erforderliche Relativbewegung zwischen Läufer 12 und Umschliessungskörper 4 erzielt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel hat die Innen kontur des Mantels 7 des Umschliessungskörpers 4 die Form einer zweibogigen Epitrochoide (siehe 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 volumenveränderliche Arbeitsräume 21 gebildet werden. Das Drehzahlver hältnis zwischen dem Umschliessungskörper 4 und dem Läufer 12 beträgt in diesem Falle<B>3:2.</B>
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 Verbin dung 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 Exzenter zapfen 2 geführtes Rohr 22 zugeführt, das an sei nem Ende einen Düsenstock 23 trägt. Auf dem Rohr 22 ist ein Drosselschieber 24 angeordnet. Durch Ver schieben des Rohres 22 wird die Gemischzufuhr geregelt. Mit 25 ist die Zündkerze bezeichnet.
Die Seitenscheiben 5, 6 des Umschliessungskör- pers 4 und der Mantel 7 sind mit Kühlrippen 26, 27 versehen, die bei der Rotation als Gebläseschau- feln wirken und einen Luftstrom von den Öffnungen 28 des Gehäuses 1 zu dem Auslass 29 bewirken. Die ser 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 Verbrennungs gase vorgesehen. Dieser Kanal mündet in den zwi schen 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 Verbrennungs gasen eine thermische Entlastung der nicht darge stellten Auspuffdämpfungsanlage erreicht wird.
Für die Kräfte und Momente, die beim Auftre ten eines Gasdruckes in den Arbeitsräumen 21 er zeugt werden, ist in Fig.3 eine resultierende Wir kung auf die Mantelfläche 7 des Umschliessungskör- pers 4 bei P dargestellt. Die gleich grosse entgegen gerichtete Reaktionskraft auf den Läufer 12 ist mit R bezeichnet. Diese Kraft R, die zunächst auf die Wand 34 (Fig.1) 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 R1 und R2 wir ken in radialer Richtung nach innen auf den Exzen ter 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 Lager stellen 35, 36 ebenfalls auf den feststehenden Exzen ter 3. Die Teilkräfte P1 und P2 wirken den Reak- tionsteilkräften R 1 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 bis 3 nach dem Prin zip der kinematischen Umkehrung arbeitet und bei welcher der allgemein mit 4 bezeichnete Umschlie- ssungskörper feststeht. Er besteht wie beim vorher gehenden 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 ge lagert, und zwar mittels der Wälzlager 37 und 38.
Auf dem Exzenter 3' ist wie beim vorhergehenden Beispiel der Läufer 12 über Lager 33' und 34' ge lagert. 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 3:2 zwischen der Exzenterwelle 2' und dem Läu fer 12.
Der Läufer 12, der bei seiner Drehung auf dem sich ebenfalls drehenden Exzenter 3' eine planeten artig kreisende Bewegung gegenüber dem Umschlie- ssungskörper 4' durchführt, bleibt mit seinen achs- parallelen Scheitelkanten in ständiger Anlage an der Innenkontur des Mantels 7' des Umschliessungskör- pers. Es bilden sich wiederum drei volumenverän derliche Arbeitsräume 21, in welche ein Einlass- kanal 20' für Frischgas und ein Auslasskanal 30' für die verbrannten Gase einmünden.
Die Zünd kerze ist wiederum mit 25 bezeichnet.
Wie im vorhergehenden Beispiel ist die resultie rende 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 auf gehoben.
Dadurch ist die Exzenterwelle 2' praktisch vollständig von 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 dieses Mal mit unterschiedlicher Belastung der Lagerzapfen 8, 9. Der Aussendurch messer des Lagerzapfens 8 ist durch die funktions bedingte Grösse der auf diesem Zapfen angeordne ten Verzahnung 15 begrenzt. Dies ist nicht der Fall bei dem Lagerzapfen 9, der demzufolge 2n seinem Aussendurchmesser wesentlich grösser gehalten wer den kann.
Dies hat zur Folge, dass das Widerstands moment 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 auftre tende verschiedene Schrägstellung der auf den Lager zapfen 8, 9 angeordneten Lager 35', 36' zu ver meiden, 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 La gers 36' von dieser Angriffslinie. Dies hat zur Folge, dass die von dem Lagerzapfen 9 aufgenommene Kraft grösser ist als die von dem Lagerzapfen 8 aufge nommene.
Durch entsprechende Wahl dieser Ab stände<I>a</I> und<I>b</I> 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, das heisst in der Lagermitte, in beiden Fällen gleich wird. Somit ist auch die Schrägstellung der Lager 35', 36' und ent sprechend die Kantenpressung bei Durchbiegung der Lagerzapfen 8 und 9 auf Grund des Gasdruckes gleich. Da der auf den Lagerzapfen 8 wirkende Kraft anteil geringer ist als derjenige, der auf den Lager zapfen 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 mitgeteilten Überlegungen haben selbstverständlich auch für Maschinen gemäss Fig. 1 bis 3 Geltung, das heisst also für Maschinen, bei denen der Um schliessungskörper umläuft, der Exzenter dagegen feststeht.
Fi. 7 und 8 zeigen eine Rotationskolbenmaschine, die in- ihrem Aufbau derjenigen gemäss Fig. 1 bis 3 vollkommen entspricht. Gleiche Bezugszeichen wur den daher für gleiche Teile verwendet. Bei dieser Maschine ist ein Flüssigkeitskreislauf zur Kühlung des Läufers 12 und des Umschliessungskörpers 4 vor gesehen. 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 Boh- rung 46 in der Seitenscheibe 5 in den Hohlraum 47 des Läufers 12 eintreten. Um nun bei dieser Aus führung eine Zirkulation der Kühlflüssigkeit ohne Pumpen oder dergleichen zu erreichen, sind in der feststehenden Exzenterscheibe 3a, welche den Exzen ter 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 Exzen- terzapfen 2 angeordnet sind, fort.
Die Mündungen der Kanäle 48 im Hohlraum 47 liegen, wie ersicht lich, an einer Stelle, die radial ausserhalb der Läufer lager 33", 34" und der Verzahnung 15 angeordnet ist. Wenn die Flüssigkeit, die auf Grund der Zentri- fugalwirkung einen Flüssigkeitsring bildet, in dem Hohlraum 47 nach innen zu so weit angestiegen ist, dass die Mündungen der Kanäle 48 in den Flüssig keitsring eintauchen, wird die Flüssigkeit durch den zentrifugalen Druck nach innen durch die Kanäle 48 gedrückt, so dass der Flüssigkeitsstand im Hohl raum 47 immer konstant bleibt.
Die Läuferlager 33" und 34" und auch das Getriebe 14, 15 können da her nicht im Ölbad laufen, so dass ölwirbelverluste in diesen Lagern und Quetschverluste in Getriebe, die sich durch Erwärmung bemerkbar machen wür den, vermieden werden.
Die Kanäle 48 sind, wie aus Fig.8 ersichtlich, radial angeordnet. Es ist jedoch zur Begünstigung der Kühlflüssigkeitsabfuhr aus dem Läufer unter Um ständen zweckmässig, diese Kanäle spiralförmig an zuordnen, derart, dass sie mit ihren Mündungsöff nungen der Drehrichtung des Läufers und damit der Rotationsbewegung des Kühlflüssigkeitsringes entge- gengerichtet sind. In diesem Falle müsste naturgemäss die Exzenterscheibe 3a, um diese Spiralkanäle vor sehen zu können, aus zwei Teilen bestehen, die mit einander beispielsweise durch Schrauben verbunden werden.