DE10001962A1 - Rotationskolbenmaschine - Google Patents
RotationskolbenmaschineInfo
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- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
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Abstract
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorrichtung (10) zur intrakorporalen, minimal-invasiven Behandlung eines Patienten, mit einem Arbeitsinstrument (24), das zur Durchführung eines Behandlungsschrittes in einen Körperhohlraum (12) des Patienten einführbar ist. Ein distales Ende (38) des eingeführten Arbeitsinstruments (24) definiert dabei einen intrakorporalen Arbeitsbereich (36). Des weiteren beinhaltet die Vorrichtung (10) eine Bildaufnahmeeinheit (20) zum Aufnehmen eines Abbildes des intrakorporalen Arbeitsbereichs (36) sowie Positioniermittel (22) zum automatischen Ausrichten einer optischen Achse (30) der Bildaufnahmeeinheit (20) in Abhängigkeit von einer räumlichen Lage des intrakorporalen Arbeitsbereichs (36). Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniermittel einen Führungsschaft (14) beinhalten, in dem das Arbeitsinstrument (24) geführt ist, und daß die Bildaufnahmeeinheit (20) verschwenkbar an einem intrakorporalen Abschnitt (23) des Führungsschafts (14) befestigt ist (Fig. 1).
Description
Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine, mit einem
Gehäuse, in dem eine Mehrzahl an Kolben umfänglich um eine Ge
häusemittelachse verteilt angeordnet sind, wobei die Kolben ge
meinsam um die Gehäusemittelachse umlaufen, wobei jedem Kolben
eine separate Arbeitskammer zwischen einem Kolbenboden und
einer Gehäuseinnenwand zugeordnet ist, deren Volumen sich beim
Umlaufen der Kolben periodisch ändert.
Eine derartige Rotationskolbenmaschine ist aus der WO 98/13583
bekannt.
Rotationskolbenmaschinen sind eine Art von Brennkraftmaschinen,
bei denen die einzelnen Arbeitstakte des Einlassens, Verdich
tens, Zündens, Expandierens und Ausstoßens des Verbrennungs
gemisches durch einen oder mehrere in dem Gehäuse umlaufende
Kolben vermittelt werden. Ein Beispiel für eine Rotations
kolbenmaschine ist der Wankelmotor.
Bei der aus der zuvor genannten WO 98/13583 bekannten Rotati
onskolbenmaschine handelt es sich um eine spezielle Art einer
Rotationskolbenmaschine, die als Schwenkkolbenmaschine bzw. Ro
tationsschwenkkolbenmaschine bezeichnet wird.
Bei dieser bekannten Schwenkkolbenmaschine führen die Kolben in
dem Gehäuse bei ihrer Umlaufbewegung zusätzlich wippenartig
hin- und hergehende Schwenkbewegungen aus. Der Rotationsbewe
gung der einzelnen Kolben ist demnach eine Schwenkbewegung der
einzelnen Kolben überlagert. Die Überlagerung aus der Rotati
onsbewegung und der Schwenkbewegung ändert dabei periodisch das
Volumen der jedem einzelnen Kolben zugeordneten Arbeitskammer
zwischen dem jeweiligen Kolbenboden des Kolbens und der Innen
wand des Gehäuses, um so die zuvor genannten einzelnen Arbeits
takte auszuführen.
Zur Steuerung der Schwenkbewegungen der einzelnen Kolben beim
Umlaufen in dem Gehäuse ist etwa gehäusemittig ein ortsfestes
Kurvenstück vorgesehen, dessen Außenkontur eine Steuerkurve
bildet, entlang der die einzelnen Kolben mit an ihren der Ge
häusemittelachse zugewandten Seiten vorgesehenen Laufflächen
geführt sind. Die Steuerkurve weist dazu entsprechende konkave
und konvexe Bereiche auf. Des weiteren stehen jeweils benach
barte der Kolben an ihren beidseitigen Stirnflanken paarweise
miteinander in Wälzeingriff, wobei der Wälzeingriff im Zusam
menwirken mit der Führung der Kolben entlang der Steuerkurve
des Kurvenstücks die hin- und hergehende Schwenkbewegung der
einzelnen Kolben steuert.
Diese bekannte Rotationsschwenkkolbenmaschine ist hinsichtlich
ihrer Funktion, Konstruktion und ihres Leistungsverhaltens
vielversprechend, insbesondere ist die zylindersymmetrische
Ausgestaltung des Gehäuseinnenraums, in dem die Kolben umlau
fen, hinsichtlich der Konstruktion und der Laufeigenschaften
dieser Maschine vorteilhaft.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Art einer
Rotationskolbenmaschine anzugeben, bei der die einzelnen Ar
beitstakte bzw. die Änderung der Volumina der Arbeitskammern
auf eine andere Art und Weise erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich der eingangs
genannten Rotationskolbenmaschine dadurch gelöst, daß die Kol
ben als Hubkolben ausgebildet sind, daß die Kolben radial be
weglich gelagert sind, und daß ein Steuermechanismus vorgesehen
ist, der die hin- und hergehende Hubbewegung der Kolben aus der
Umlaufbewegung der Kolben ableitet.
Die erfindungsgemäße Rotationskolbenmaschine stellt eine neue
Art einer Rotationskolbenmaschine dar, bei der die in dem Ge
häuse umlaufenden Kolben als Hubkolben ausgebildet sind, wobei
die Hubbewegung der einzelnen Kolben bei ihrem Umlauf in dem
Gehäuse in radialer Richtung erfolgt. Die erfindungsgemäße
Rotationskolbenmaschine kann demnach als Rotationshubkolben
maschine bezeichnet werden. Ausgehend von herkömmlichen bekann
ten Hubkolbenmotoren besteht die Erfindung anders herum gesehen
darin, die Hubkolben anstatt in einer Reihe anzuordnen, nun ro
tationssymmetrisch in einem Gehäuse anzuordnen und zusätzlich
in dem Gehäuse umlaufen zu lassen. Die Änderung der Volumina
der einzelnen Arbeitskammern und damit der Arbeitstakte des An
saugens, Verdichtens, Expandierens und Ausstoßens wird bei der
Rotationskolbenmaschine durch die radialen hin- und hergehenden
Hubbewegungen der einzelnen Kolben realisiert. Gegenüber her
kömmlichen Hubkolbenmotoren besteht der Vorteil der erfindungs
gemäßen Rotationskolbenmaschine mit Hubkolben darin, daß die
Kraftausleitung aus der Maschine auf eine Abtriebswelle aus der
Rotationsbewegung der Hubkolben erfolgen kann, während klassi
sche Hubkolbenmotoren entsprechende Mechanismen zur Umformung
der Hubbewegung in die Rotationsbewegung der Abtriebswelle er
fordern.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Steuermechanismus
ein etwa gehäusemittig angeordnetes ortsfestes Kurvenstück auf,
das zumindest eine konkave und konvexe Bereiche aufweisende
Steuerkurve aufweist, und weisen die Kolben auf ihrer der Ge
häusemittelachse zugewandten Seite jeweils zumindest eine Lauf
fläche auf, die an der Steuerkurve anliegend geführt ist.
Diese Art eines Steuermechanismus, der an sich aus der bereits
genannten WO 98/13583 bekannt ist, und der sich gegenüber
Nockensteuerungen mit sich bewegenden Nocken bewährt hat,
stellt eine auch bei der erfindungsgemäßen Rotationskolben
maschine mit Hubkolben vorteilhaft einfache und funktionssiche
re Art eines Steuermechanismus dar, um die Hubbewegungen der
einzelnen Kolben zu steuern. Während bei der bekannten Schwenk
kolbenmaschine die Kolben als zweiarmige Hebel ausgebildet
sind, die Schwenkbewegungen ausführen, so daß die Laufflächen
bei diesen Kolben außermittig angeordnet sind, kann bei den
Hubkolben der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine die zu
mindest eine Lauffläche kolbenmittig angeordnet sein, mit dem
Vorteil, daß jeder Kolben für sich eine symmetrische Massen
verteilung besitzt. Die Steuerung der Hubbewegungen der einzel
nen Kolben mittels eines etwa gehäusemittigen ortsfesten Kur
venstückes führt zu einer ausgeprägten Laufruhe der Rotations
kolbenmaschine.
Dabei kann es bevorzugt sein, die zumindest eine Steuerkurve
als Außenkontur an dem Kurvenstück auszubilden, an der die zu
mindest eine Lauffläche der Kolben zentripetal abgestützt ge
führt ist, oder als Innenkontur, an der die zumindest eine
Lauffläche der Kolben zentrifugal abgestützt geführt ist.
Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn das Kurvenstück zwei
Steuerkurven aufweist, von denen die eine als die Innenkontur
und die andere als die Außenkontur ausgebildet ist.
Diese Ausgestaltung des Kurvenstücks mit zwei Steuerkurven, von
denen die eine als Innenkontur und die andere als Außenkontur
ausgebildet ist, bietet den weiteren Vorteil, daß es möglich
ist, die Hubbewegung jedes einzelnen Kolbens ohne eine Bewe
gungskopplung, wie einem Wälzeingriff bei der bekannten
Schwenkkolbenmaschine, unabhängig von den übrigen Kolben exakt
zu steuern. Es wird auf diese Weise eine schienenartige Führung
der einzelnen Kolben erreicht.
Dabei ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Innenkontur und die
Außenkontur radial voneinander beabstandet kurvenparallel ver
laufen.
Diese Maßnahme führt zu einer vorteilhaft einfachen Bauweise
und zu einer vorteilhaft einfachen Ausgestaltung des Steuer
mechanismus, weil prinzipiell an jedem Kolben eine Lauffläche
ausreicht, die sowohl entlang der Außenkontur als auch an der
Innenkontur geführt wird. Die Innenkontur ist dabei an dem Kur
venstück die radial außen liegende Steuerkurve, während die
Außenkontur die radial innen liegende Steuerkurve bildet.
An dieser Stelle sei erwähnt, daß die Laufflächen der Kolben
sowohl als Gleitflächen als auch als Oberflächen von Laufrollen
ausgebildet sein können, wobei im letzteren Fall die Reibung
reduziert wird. Im Fall der Ausgestaltung der Laufflächen als
Oberflächen von Laufrollen ist allerdings pro Kolben zumindest
je eine Laufrolle erforderlich, von denen die eine an der In
nenkontur und die andere an der Außenkontur entlang geführt
ist.
Auch versteht es sich, daß sich die Außenkontur und/oder die
Innenkontur nicht über den vollen Umfang und die volle axiale
Länge des Kurvenstücks erstrecken muß, sondern auf Umfangs-
oder axiale Teilbereiche begrenzt sein kann. Die Innenkontur
kann beispielsweise an solchen Bereichen des Kurvenstücks feh
len, an denen bei der Umlaufbewegung in Überlagerung mit der
Hubbewegung keine Fliehkräfte auftreten.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Steuer
mechanismus derart ausgebildet, daß jeweils benachbarte Kolben
eine gegensinnige Hubbewegung ausführen.
Im Fall, daß die Rotationskolbenmaschine vier Kolben aufweist,
führt dies dazu, daß sich jeweils die beiden gegenüberliegenden
Kolben gleichsinnig bewegen, was wiederum den Vorteil einer na
hezu symmetrischen Massenverteilung beim Umlauf der Kolben in
dem Gehäuse mitbringt. Auf diese Weise können Unwuchten wei
testgehend ausgeschlossen werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Steuer
mechanismus derart ausgebildet, daß jeder Kolben bei einem vol
len Umlauf in dem Gehäuse zwei volle Hübe ausführt.
Bei dieser Ausgestaltung des Steuermechanismus führt die erfin
dungsgemäße Rotationskolbenmaschine im Falle, daß sie vier Hub
kolben aufweist, über einen vollen Umlauf von 360° gesehen,
vier volle Arbeitszyklen aus, oder, mit anderen Worten, bei
einem Umlauf der Kolben über 90° findet ein voller Arbeits
zyklus statt. Dies ermöglicht es, daß der Hub der Hubkolben im
Vergleich zu einem herkömmlichen Hubkolbenmotor wesentlich ge
ringer sein kann, um die gleiche Arbeit zu verrichten.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weisen die Kolben
an ihren in Umlaufrichtung der Kolben vorauslaufenden und nach
laufenden Stirnflanken jeweils eine Verzahnung auf, und zwi
schen den Stirnflanken jeweils benachbarter Kolben ist jeweils
eine mit einer Verzahnung versehene mitumlaufende Welle ange
ordnet, die mit der Verzahnung der beiden benachbarten Stirn
flanken der Kolben kämmend in Eingriff steht.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß über die zuvor genannten
Wellen eine Synchronisierung der mitunter auch entgegengesetzt
gerichteten Hubbewegungen der einzelnen Kolben erreicht werden
kann. Bei dieser Ausgestaltung entsteht eine Bewegungskopplung
zumindest zwischen jeweils benachbarten Kolben. Der weitere
Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, daß die über die mit der
Verzahnung versehene Welle miteinander in Wälzeingriff stehen
den Kolben radial geführt werden und somit nicht verkippen kön
nen, insbesondere wenn jeder Kolben nur eine Lauffläche auf
weist, mit der er entlang des Kurvenstücks geführt ist. Eine
Tendenz zum Verkippen der Kolben kann nämlich durch die radia
len und asymmetrisch auf die Längsachse der Kolben wirkenden
Roll- oder Reibungskräfte zwischen den Laufflächen der Kolben
und dem Kurvenstück hervorgerufen werden.
Dabei ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Verzahnung an den
Stirnflanken der Kolben und die damit kämmende Verzahnung der
Welle axial begrenzt sind, und wenn in den verbleibenden axia
len Bereichen die Welle und die Stirnflanke aneinander anlie
gende glatte Wälzflächen aufweisen, die zwischen der Fußhöhe
und der Kopfhöhe der Verzahnung liegen.
Hierbei ist von Vorteil, daß die einzelnen miteinander kämmen
den Verzahnungen der Kolben und der die Synchronisation bewir
kenden Wellen durch die aneinander anliegenden glatten Wälz
flächen entlastet werden.
Dabei ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Wellen an einem
ihrer axialen Enden über Verbindungswellen paarweise miteinan
der drehgekoppelt sind.
Hierbei wird eine Bewegungskopplung der Hubbewegungen der Kol
ben nicht nur zwischen jeweils benachbarten Kolben erreicht,
sondern zwischen allen in dem Gehäuse umlaufenden Hubkolben,
wodurch eine gleichmäßige Aufteilung der Kräfte an den Hub
kolben erzielt wird. Der nun vollkommen synchronisierte Wälz
eingriff zwischen allen Kolben verhindert wirksam ein uner
wünschtes Verkippen der Kolben und bewirkt eine besonders
gleichmäßige Kräfteverteilung an allen Teilen der Maschine beim
Umlaufen in dem Gehäuse.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist jedem Kolben
zumindest eine Gewichtsmasse zugeordnet, die bei einer radial
nach innen gerichteten Hubbewegung des Kolbens radial nach
außen verfahrbar ist und umgekehrt.
Diese Maßnahme ist insbesondere bei einer Ausführung der Rota
tionskolbenmaschine mit vier Kolben von Vorteil, wenn sich die
jeweils beiden gegenüberliegenden Kolben gleichsinnig zu einan
der und gegensinnig zu den beiden anderen Kolben bewegen. Dabei
erfahren die beiden Kolben, die sich gerade in der radial aus
gefahrenen Stellung befinden, höhere Fliehkräfte als die beiden
radial eingefahrenen Hubkolben. Die vorgesehenen Gewichtsmassen
wirken als Massenausgleich zwischen den eingefahrenen und den
ausgefahrenen Kolben, der sich entlastend auf die gesamte Me
chanik der Rotationskolbenmaschine auswirkt.
Dabei ist es bevorzugt, wenn die Gewichtsmassen an den Verbin
dungswellen angebracht sind und durch die Drehbewegung der Ver
bindungswellen verfahren werden.
Durch diese Maßnahme wird die hin- und hergehende Drehbewegung
der Verbindungswellen vorteilhaft dazu ausgenutzt, die zuvor
genannten Gewichtsmassen radial nach innen bzw. radial nach
außen im Gegensinn zu der Hubbewegung des jeweiligen Kolbens zu
verfahren.
Der Ringkörper bildet demnach mit den darin vorgesehenen Öff
nungen vorteilhafterweise einen einzigen Kolbenzylinder für die
vorhandenen Hubkolben, wobei der Ringkörper vorteilhafterweise
mit einer Abtriebswelle gekoppelt sein kann, um die Dreh
bewegung des Ringkörpers auf die Abtriebswelle abzuleiten.
Dabei ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Öffnungen und die
Kolben im Querschnitt rund sind.
Die Ausgestaltung der Kolben als im Querschnitt runde oder mit
anderen Worten als zylindrische Kolben eröffnet die Möglich
keit, jeden Kolben und damit jede Arbeitskammer auf einfache
Weise gegen die Gehäuseinnenwand abzudichten, und zwar, wie in
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen ist, indem
in die Außenumfangsseite des Ringkörpers im Bereich des Randes
der Öffnungen jeweils zumindest ein Dichtring eingelassen ist.
Diese in die Außenumfangsseite des Ringkörpers im Bereich des
Randes der Öffnung eingelassene Dichtung kann sich nämlich dann
entsprechend einer im Querschnitt bevorzugt runden Ausgestal
tung der Gehäuseinnenwand durch die bei der Rotation des Ring
körpers auftretenden Zentrifugalkräfte selbsttätig abdichtend
gegen die Gehäuseinnenwand andrücken.
Es kann jedoch ebenso bevorzugt sein, die Öffnungen und die
Kolben im Querschnitt rechteckig auszugestalten.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschrei
bung und der beigefügten Zeichnung.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach
stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen
oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der
vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird mit Bezug auf diese hiernach näher be
schrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Rotationskolbenmaschine im Querschnitt;
Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Rotationskolbenmaschine
entlang der Linie II-II in Fig. 3;
Fig. 2a) einen Endabschnitt der Rotationskolbenmaschine in
einem Längsschnitt mit einer gegenüber Fig. 2 um 45°
veränderten Drehstellung der Kolben;
Fig. 3 einen Schnitt durch die Rotationskolbenmaschine ent
lang der Linie III-III in Fig. 2, allerdings mit um
gegenüber Fig. 1 45° verdrehter Drehstellung der
Kolben;
Fig. 4 einen Schnitt durch die Rotationskolbenmaschine ent
lang der Linie IV-IV in Fig. 2;
Fig. 5 einen Schnitt durch die Rotationskolbenmaschine ent
lang der Linie V-V in Fig. 2;
Fig. 6 einen Schnitt durch die Rotationskolbenmaschine ent
lang der Linie VI-VI in Fig. 2;
Fig. 7 einen Schnitt entlang der Linie VII-VII in Fig. 1;
und
Fig. 8 einen Fig. 7 vergleichbaren Schnitt durch eine Rota
tionskolbenmaschine, bei der die Kolben im Quer
schnitt rechteckig ausgebildet sind.
In Fig. 1 bis 7 ist eine mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10
versehene Rotationskolbenmaschine dargestellt.
Die Rotationskolbenmaschine 10 ist eine Brennkraftmaschine, die
mit einem Verbrennungsgemisch aus Luft und einem Brennstoff,
wie Benzin oder Diesel oder auch Gas, betrieben werden kann.
Die Rotationskolbenmaschine 10 weist ein Gehäuse 12 auf, das
ein zylindrisches Mittelsegment 14 sowie zwei endseitige Stirn
segmente 16 und 18 aufweist.
Die Stirnsegmente 16 und 18 sind mittels Schrauben 17 bzw. 19
mit dem Mittelsegment 14 dicht verschraubt.
In dem Gehäuse 12 ist eine Mehrzahl von Kolben 20, 22, 24, 26
angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind demnach vier
Kolben vorgesehen.
Die Kolben 20 bis 26 sind um eine Gehäusemittelachse 29 umfäng
lich verteilt angeordnet. Die Rotationskolbenmaschine 10 ist
insgesamt zylindersymmetrisch ausgestaltet.
Zwischen einer Gehäuseinnenwand 28 des Gehäuses 12, die ent
sprechend der Zylindersymmetrie des Gehäuses 12 im Querschnitt
rund ist, und einem jeweiligen Kolbenboden 30 jedes Kolbens 20
bis 26 ist eine jeweilige Arbeitskammer 32 definiert, deren Vo
lumen sich beim Umlaufen der Kolben 20 bis 26 periodisch än
dert, wie hiernach noch näher beschrieben wird. Aus Gründen der
Übersichtlichkeit wurde in Fig. 1 nur eine mit 32 bezeichnete
Arbeitskammer für den Kolben 26 näher bezeichnet, es versteht
sich jedoch, daß die Rotationskolbenmaschine 10 entsprechend
der Anzahl der Kolben 20 bis 26 vier derartige Arbeitskammern
32 aufweist.
Die Kolben 20 bis 26 sind bei der Rotationskolbenmaschine 10
als Hubkolben ausgebildet, d. h. jeder Kolben 20 bis 26 führt
bei seinem Umlauf in dem Gehäuse 12 hin- und hergehende Hub
bewegungen aus, wie dies bei Hubkolbenmotoren an sich der Fall
ist. Im Unterschied zu einem herkömmlichen Hubkolbenmotor ist
die Hubbewegung der Kolben 20 bis 26 jedoch in jeder Umlauf
stellung radial gerichtet. Die Kolben 20 bis 26 sind in dem Ge
häuse 12 entsprechend radial beweglich gelagert. Die Aufnahme
der Kolben 20-26 in dem Gehäuse 12 wird später noch näher be
schrieben.
Fig. 1 und 3 zeigen die Kolben 20 bis 26 im gleichen Schnitt,
jedoch haben sich die Kolben 20 bis 26 in Fig. 3 gegenüber
Fig. 1 um 45° in der Umlaufrichtung 27 weiter gedreht. Die Kol
ben 22 und 26 haben sich dabei aus ihrer in Fig. 1 gezeigten
maximal radial eingefahrenen Stellung bei ihrer Drehung um 45°
um die Gehäusemittelachse 29 radial etwas nach außen bewegt,
während sich die Kolben 20 und 24 aus ihrer in Fig. 1 darge
stellten radial maximal ausgefahrenen Stellung bei der Drehung
um 45° in Fig. 3 etwas radial nach innen bewegt haben.
Die Hubbewegung der einzelnen Kolben 20 bis 26 wird dabei mit
tels eines Steuermechanismus aus der Umlaufbewegung der Kolben
20 bis 26 abgeleitet.
Der Steuermechanismus weist dazu etwa gehäusemittig ein orts
festes Kurvenstück 34 auf, das mit dem Gehäuse 12 fest verbun
den ist. Das Kurvenstück 34 weist dazu einen Fortsatz 35 auf,
der in dem Stirnsegment 18 des Gehäuses 12 gelagert ist. Unter
ortsfest ist zu verstehen, daß das Kurvenstück 34 nicht an der
Umlaufbewegung der Kolben 20 bis 26 in dem Gehäuse teilnimmt.
Es kann jedoch vorgesehen sein, die Winkellage des Kurvenstücks
34 veränderbar zu gestalten, um beispielsweise den Zündzeit
punkt durch Verstellen des Kurvenstücks 34 zu verändern.
Das Kurvenstück 34 erstreckt sich in dem Gehäuse 12 axial über
im wesentlichen die gesamte Länge des Gehäuses 12.
Das Kurvenstück 34 weist eine Außenkontur 36 und eine Innen
kontur 38 auf (vgl. insbesondere Fig. 2 und 4). Die Außenkontur
36 liegt dabei radial innerhalb der Innenkontur 38. Die Innen
kontur 38 ist in Endbereichen des Kurvenstücks 34 auf der
Innenseite von L-förmigen Taschen oder Flanschen 39 des Kurven
stücks 34 ausgebildet.
Während hier eine einstückige Ausgestaltung des Kurvenstücks 34
mit der Außenkontur 36 und der Innenkontur 38 dargestellt ist,
kann jedoch auch eine zweiteilige Ausgestaltung des Kurven
stücks in Betracht gezogen werden.
Die Außenkontur 36 und die Innenkontur 38 verlaufen kurven
parallel zueinander, wie aus Fig. 4 hervorgeht.
Die Außenkontur 36 und die Innenkontur 38 bilden jeweils eine
Steuerkurve für die Kolben 20 bis 26. Die Kolben 20 bis 26
weisen dazu jeweils auf ihrer der Gehäusemittelachse 29
zugewandten Seite zumindest eine Lauffläche 40 auf, die entlang
der Steuerkurve bzw. Steuerkurven an diesen anliegend geführt
sind.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist jeder Kolben 20 bis
26 insgesamt vier derartiger Laufflächen 40, 40', 40" und
40''' auf, wobei die Laufflächen 40 und 40' entlang der die
eine Steuerkurve bildenden Außenkontur 36 und die Laufflächen
40" und 40''' entlang der die zweite Steuerkurve bildenden In
nenkontur 38 geführt sind. Die Laufflächen 40, 40', 40" und
40''' sind als Oberflächen von Laufrollen 42, 42', 42" und
42''' ausgebildet.
Die Laufflächen 40 bzw. die Laufrollen 42 sind an den Kolben 20
bis 26 jeweils kolbenmittig angeordnet, so daß die Kolben 20
bis 26 eine symmetrische Massenverteilung bezüglich ihrer Achse
in Längsrichtung des Gehäuses 12 besitzen.
An der Außenkontur 36 sind die Kolben 20 bis 26 zentripetal ab
gestützt, während die Kolben 20 bis 26 an der Innenkontur 38
zentrifugal abgestützt sind. Die Innenkontur 38 erstreckt sich,
wie aus Fig. 2 hervorgeht, axial lediglich über Teilbereiche
des Kurvenstücks 34.
Die die Steuerkurven bildende Außenkontur 36 und Innenkontur 38
sind hinsichtlich ihres Kurvenverlaufs derart ausgebildet, daß
die sich jeweils gegenüberliegenden Kolben 20 und 24 bzw. 22
und 26 sich gleichsinnig bewegen, d. h. die Kolben 20 und 24 be
wegen sich entweder gemeinsam radial nach innen oder radial
nach außen, und ebenso die Kolben 22 und 26. Jeweils benachbar
te Kolben führen dagegen eine gegensinnige Bewegung aus, d. h.
die Kolben 20 und 24 beispielsweise bewegen sich radial nach
außen, wenn sich die Kolben 26 und 22 radial nach innen bewe
gen, wie sich aus einem Vergleich der Fig. 1 mit der Fig. 3 er
gibt.
Die durch die Außenkontur 36 und die Innenkontur 38 gebildeten
Steuerkurven weisen abwechselnd konkave und konvexe Bereiche
auf, wobei in Fig. 3 mit dem Bezugszeichen 44 ein konvexer Be
reich und mit dem Bezugszeichen 46 ein konkaver Bereich be
zeichnet ist.
Aufgrund des in den Figuren dargestellten Kurvenverlaufs der
Außenkontur 36 und der Innenkontur 38 führen die Kolben 20 bis
26 bei einem vollen Umlauf über 360° in dem Gehäuse 12 zwei
vollständige Hübe aus.
Die Kolben 20 bis 26 sind in einem in dem Gehäuse 12 mit den
Kolben 20 bis 26 umlaufenden Kolbenkäfig aufgenommen, der einen
mittleren Ringkörper 48 (vgl. Fig. 7) aufweist, in dem entspre
chend der Anzahl an Kolben 20 bis 26 vier jeweils in einem Win
kelabstand von 90° umfänglich verteilte Öffnungen 50 mit im
Querschnitt runder Form ausgespart sind. In den Öffnungen 50
sitzen die ebenfalls im Querschnitt rund ausgebildeten Kolben
20 bis 26.
Die runde Form der Kolben 20 bis 26 ermöglicht es, die Öffnun
gen 50 und damit die Kolben 20 bis 26 und damit wiederum die
Arbeitskammern 32 gegen die Gehäuseinnenwand 28 mittels Dicht
ringen 52 abzudichten, die in eine entsprechende Nut in den
mittleren Ringkörper 48 eingesetzt sind, und die beim Umlaufen
der Kolben 20 bis 26 aufgrund von Fliehkräften gegen die Ge
häuseinnenwand 28 gedrückt werden.
Die Dichtung ist insgesamt als Doppeldichtung ausgeführt, indem
ein weiterer Dichtring 54 um den Rand der jeweiligen Öffnungen
angeordnet ist.
Der mittlere Ringkörper 48 bildet, wie bereits erwähnt, einen
Teil eines insgesamt zylindrischen Kolbenkäfigs, der gemäß
Fig. 2 einen weiteren, mit dem mittleren Ringkörper 48 drehfest
verbundenen Ringkörper 56 und einen mit diesem weiterhin dreh
fest verbundenen stirnseitigen Ringkörper 58 aufweist, an des
sen äußerem stirnseitigen Ende mittig eine Abtriebswelle 60
ausgebildet ist. Auf diese Weise wird die Rotationsbewegung der
Kolben 20 bis 26 über die Ringkörper 48, 56 und 58 unmittelbar
in eine Rotation der Abtriebswelle 60 übertragen.
Am der Abtriebswelle 60 gegenüberliegenden Ende weist der Kol
benkäfig einen weiteren Ringkörper 62 auf, der an dem Stirn
segment 18 über ein Lager 64 gelagert ist. Der gegenüberliegen
de Ringkörper 58 ist entsprechend über ein Lager 66 an dem Kur
venstück 34 und über ein weiteres Lager 68 an dem Stirnsegment
16 des Gehäuses 12 drehbar gelagert.
In Längsrichtung des Kolbenkäfigs erstrecken sich in diesem
vier Achsstäbe 70, 72, 74 und 76, die mit den Ringkörpern 48,
56 und 58 fest verbunden sind.
Die Achsstäbe 70 bis 76 sind jeweils zwischen den Kolben 20 bis
26 angeordnet.
In jedem der Achsstäbe 70 bis 76 ist jeweils eine Welle 78 ge
lagert, d. h. es sind vier derartiger Wellen 78 vorgesehen. Jede
der Wellen 78 erstreckt sich in Längsrichtung des Gehäuses 12
und läuft zusammen mit den Kolben 20 bis 76 in dem Gehäuse 12
in der Umlaufrichtung 27 mit um.
Jede der Wellen 78 weist eine Verzahnung 80 auf.
Diese Verzahnung 80 kämmt mit Verzahnungen 82 und 84 (vgl.
Fig. 3), die an jedem Kolben 20 bis 26 an deren in der Umlauf
richtung. 27 vorauslaufenden Stirnflanken und nachlaufenden
Stirnflanken ausgebildet sind. Im Bereich dieser Stirnflanken
sind die Kolben 20 bis 26 in Umfangsrichtung gesehen gering
fügig eingezogen, so daß zwischen jeweils zwei Stirnflanken der
Kolben 20 bis 26 eine der Wellen 78 Platz findet.
Die Verzahnungen 80 der Wellen 78 und die Verzahnungen 82 bzw.
84 der Kolben 20 bis 26 erstrecken sich jedoch nicht über die
gesamte axiale Länge der Kolben 20 bis 26 und der Wellen 78,
sondern sind axial auf Teilbereiche begrenzt.
In den axialen Teilbereichen außerhalb der Verzahnungen 80 bzw.
82 und 84 weisen die Wellen 78 jeweils eine glatte, im Quer
schnitt runde Wälzfläche 86 und die Stirnflanken der Kolben 20
bis 26 glatte Wälzflächen 87 auf. Die Wälzflächen 86 der Wellen
78 und die Wälzflächen 87 der Kolben 20 bis 26 wälzen bei der
Hubbewegung der Kolben 20 bis 26 aneinander ab, ebenso wie die
Verzahnungen 80 an den Verzahnungen 82 und 84.
Wie aus Fig. 6 hervorgeht, sind die Wälzflächen 86 bzw. 87 so
ausgebildet, daß sie zwischen der Fußhöhe und der Kopfhöhe der
Verzahnungen 80 und 82 bzw. 84 liegen.
An ihrem dem Stirnsegment 18 des Gehäuses 12 zugewandten Ende
steht jede der Wellen 78 über eine Kegelradverbindung mit zwei
Verbindungswellen 88 und 90 drehgekoppelt in Verbindung. Es
sind insgesamt vier derartiger Verbindungswellen 88, 90 vorge
sehen, wobei es auch in Betracht gezogen werden kann, nur drei
derartiger Verbindungswellen 88, 90 vorzusehen.
Über die Wellen 78 und die Verbindungswellen 88, 90 sind alle
Kolben 20 bis 26 in ihrer Bewegung miteinander synchronisiert.
Die Synchronisation der Hubbewegungen der Kolben 20 bis 26 über
die Wellen 78 und die Verbindungswellen 88, 90 dient dazu, ein
Verkippen der Kolben 20 bis 26 um ihre in Längsrichtung des Ge
häuses 12 verlaufenden Achsen zu vermeiden.
Gemäß Fig. 5 und 2a) ist jedem Kolben 20 bis 26 des weiteren
eine Gewichtsmasse 92 zugeordnet. Die Gewichtsmassen 92 sind
jeweils an den Verbindungswellen 88 bzw. 90 befestigt und damit
aufgrund der hin- und hergehenden Drehbewegung der Verbindungs
wellen 88 und 90 relativ zu den Kolben 20 bis 26 beweglich.
Durch die hin- und hergehende Drehbewegung der Verbindungswel
len 88 bzw. 90 werden die Gewichtsmassen 92 zwischen einer ra
dial ausgefahrenen und einer radial eingefahrenen Stellung hin-
und herverfahren. Die jeweilige Bewegungsrichtung ist dabei
derart, daß, wenn der entsprechende Kolben 20 bis 26 sich radi
al nach innen bewegt, die diesem Kolben zugeordnete Gewichts
masse 92 radial nach außen verfahren wird, und umgekehrt.
Auf diese Weise wird beim Umlaufen der Kolben 20 bis 26 in den
Drehstellungen, in denen sich zwei der Kolben 20 bis 26 in
ihrer radial maximal eingefahren Stellung und die beiden ande
ren der Kolben 20 bis 26 in ihrer radial maximal ausgefahrenen
Stellung befinden, durch die entsprechend gegensinnig verfahre
nen Gewichtsmassen 92 eine dennoch symmetrische Massen
verteilung bewirkt, wodurch eine Unwucht der Rotationskolben
maschine 10 vermieden wird.
Die Rotationskolbenmaschine 10 weist neben den bereits erwähn
ten Dichtringen 52 und 54 folgende weitere Dichtungen auf.
Die Kolben 20 bis 26 sind jeweils über sich axial erstreckende
Dichtungen 94 und 96 an ihren Stirnflanken gegen die Achsstäbe
70 bis 76 abgedichtet (vgl. Fig. 6). Die Achsstäbe 70 bis 76
selbst sind mittels sich axial erstreckender Dichtungen 98 und
100 gegen die Gehäuseinnenwand 28 abgedichtet. Die Dichtungen
98 und 100 werden beim Umlaufen der Achsstäbe 70 bis 76 auf
grund der auftretenden Fliehkräfte gegen die Innenwand 28 des
Gehäuses 12 gedrückt.
Der Ringkörper 56 des Kolbenkäfigs ist über eine Dichtung 102
und der Ringkörper 62 über eine Dichtung 104 gegen das Kurven
stück 34 abgedichtet. Die Dichtungen 102 und 104 sind Öldich
tungen.
Die Kolben 20 bis 26 sind ferner über einem der jeweiligen Ar
beitskammer 32 benachbarten Ende über einen Dichtring 106, der
in den Kolben 20 bis 26 eingelassen ist, gegen die Ringkörper
56 bzw. 62 abgedichtet.
Im folgenden wird nun die Funktionsweise der Rotationskolben
maschine 10 näher beschrieben.
Betrachtet man den Kolben 24 in Fig. 3, der sich bezüglich sei
ner Drehstellung in der Umlaufstellung 27 einem Einlaßkanal 108
in Gegenüberstellung befindet, so wird in die zugehörige Ar
beitskammer 32 des Kolbens 24 durch den Einlaßkanal 108 gerade
ein Verbrennungsgemisch angesaugt. Beim Vorbeilaufen des Kol
bens 24 vergrößert sich das Volumen der Arbeitskammer 32 bis zu
ihrem maximalen Volumen, das dann erreicht ist, wenn der Kolben
24 gerade vollständig den Einlaßkanal 108 passiert hat. Beim
Vorbeilaufen des Kolbens 24 an dem Einlaßkanal 108 führt der
Kolben 24 demnach eine radial nach innen gerichtete Hubbewegung
aus, was dadurch erreicht wird, daß der Kolben 24 mit seiner
Lauffläche 40 in den konkaven Bereich 46 der Steuerkurven des
Kurvenstücks 34 fährt.
Von dieser Stellung aus kehrt sich die Hubbewegung des Kolbens
24 um, d. h. der Kolben 24 beginnt nun, sich radial nach außen
zu bewegen, wodurch das in der Arbeitskammer 32 vorhandene Ver
brennungsgemisch verdichtet wird. Die radial nach außen gerich
tete Hubbewegung des Kolbens 24 wird dadurch erzielt, daß die
Lauffläche 40 des Kolbens 24 auf den konvexen Bereich des Kur
venstücks 34 läuft. Sobald der Kolben 24 die Zwölfuhr-Stellung
(unterhalb einer Zündkerze 110 in Fig. 3) erreicht hat, wird
das maximal verdichtete Verbrennungsgemisch gezündet. Bei sei
nem weiteren Umlauf in der Umlaufrichtung 27 kehrt sich die
Hubbewegung des Kolbens 24 wieder um, d. h. der Kolben 24 führt
nach dem Zünden des Verbrennungsgemisches eine radial nach in
nen gerichtete Hubbewegung aus. Sobald der Kolben 24
eine Drehstellung erreicht hat, in der er sich auf Höhe eines
Auslaßkanals 112 befindet, wird das verbrannte und expandierte
Verbrennungsgemisch durch den Auslaßkanal 112 ausgestoßen.
Da insgesamt vier Kolben in einer Versatzstellung von 90° vor
gesehen sind, führt die Rotationskolbenmaschine 10 bei einem
vollen Umlauf über 360° insgesamt vier vollständige Arbeits
zyklen aus. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Hubkolbenmotor
ist der Hub der einzelnen Kolben 20 bis 26 der Rotationskolben
maschine 10 klein im Verhältnis zur Fläche der Kolbenböden 30.
Die Kolbenböden 30 weisen die Kontur eines Kugeloberflächen
abschnitts auf, wobei in den Kolbenböden 30 etwa mittig eine
Mulde 114 ausgebildet ist, in der der Kolbenboden 30 der Kolben
20 bis 26 abgeflacht ist.
Beim Ausführen der hin- und hergehenden Hubbewegungen der Kol
ben 20 bis 26 sorgen die Wellen 78 in Verbindung mit den Ver
bindungswellen 88, 90 für eine Synchronisation der Bewegung der
einzelnen Kolben 20 bis 26, die für eine gleichmäßige Kräfte
verteilung an den Kolben 20 bis 26 sorgt. Eine Steuerfunktion
besitzen die Wellen 78 bzw. die Verbindungswellen 88, 90 jedoch
nicht, vielmehr werden die Hubbewegungen der Kolben 20 bis 26
beim Umlaufen in dem Gehäuse 12 durch das Kurvenstück 34 allein
vermittelt. Die Synchronisierung der Bewegungen der Kolben 20
bis 26 durch die Wellen 78 bzw. die Verbindungswellen 88, 90
dient lediglich dazu, ein Verkippen der Kolben 20 bis 26 zu
vermeiden.
In Fig. 8 ist in einem geringfügig abgewandelten Ausführungs
beispiel eine Rotationskolbenmaschine 120 dargestellt, bei der
im Unterschied zur Rotationskolbenmaschine 10 die Kolben 122 im
Querschnitt rechteckig ausgebildet sind. Anstelle der Dicht
ringe 52 und 54 der Rotationskolbenmaschine 10 ist es hier er
forderlich, andere Dichtungen zu verwenden, die sich in Um
fangsrichtung und in axialer Richtung erstrecken. Im übrigen
entspricht die Rotationskolbenmaschine 120 der Rotationskolben
maschine 10.
Es kann auch in Betracht gezogen werden, die Rotationskolben
maschine dahingehend weiterzugestalten, daß in dem Gehäuse 12
bei entsprechender Vergrößerung in axialer Richtung eine weite
re Anordnung von Kolben vorgesehen ist, so daß die Maschine
insgesamt acht Kolben bzw. acht Zylinder aufweist. In einem
solchen Fall würden die beiden Anordnungen zu je vier Kolben
hinsichtlich ihrer Drehstellung um 45° zueinander versetzt an
geordnet werden.
Claims (17)
1. Rotationskolbenmaschine, mit einem Gehäuse (12), in dem
eine Mehrzahl an Kolben (20-26) umfänglich um eine Gehäus
emittelachse (29) verteilt angeordnet sind, wobei die Kol
ben (20-26) gemeinsam um die Gehäusemittelachse (29) um
laufen, wobei jedem Kolben (20-26) eine separate Arbeits
kammer (32) zwischen einem Kolbenboden (30) und einer Ge
häuseinnenwand (28) zugeordnet ist, deren Volumen sich
beim Umlaufen der Kolben (20-26) periodisch ändert, da
durch gekennzeichnet, daß die Kolben (20-26) als Hubkolben
ausgebildet sind, daß die Kolben (20-26) radial beweglich
gelagert sind, und daß ein Steuermechanismus vorgesehen
ist, der die hin- und hergehende Hubbewegung der Kolben
(20-26) aus der Umlaufbewegung der Kolben (20-26) ablei
tet.
2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Steuermechanismus ein etwa gehäusemittig
angeordnetes ortsfestes Kurvenstück (34) aufweist, das zu
mindest eine konkave und konvexe Bereiche (44, 46) aufwei
sende Steuerkurve aufweist, und daß die Kolben (20-26) auf
ihrer der Gehäusemittelachse (29) zugewandten Seite je
weils zumindest eine Lauffläche (40) aufweisen, mit der
die Kolben (20-26) an der Steuerkurve anliegend geführt
sind.
3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die zumindest eine Steuerkurve als Außenkon
tur (36) an dem Kurvenstück (34) ausgebildet ist, an der
die zumindest eine Lauffläche (40) der Kolben (20-26) zen
tripetal abgestützt geführt ist.
4. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die zumindest eine Steuerkurve als In
nenkontur (38) an dem Kurvenstück (34) ausgebildet ist, an
der die zumindest eine Lauffläche (40) der Kolben (20-26)
zentrifugal abgestützt geführt ist.
5. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 3 und 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Kurvenstück (34) zwei Steuerkurven
aufweist, von denen die eine als die Innenkontur (38) und
die andere als die Außenkontur (36) ausgebildet ist.
6. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Innenkontur (38) und die Außenkontur
(36) radial voneinander beabstandet kurvenparallel verlau
fen.
7. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Steuermechanismus derart
ausgebildet ist, daß jeweils benachbarte Kolben (20-26)
eine gegensinnige Hubbewegung ausführen.
8. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß der Steuermechanismus derart
ausgebildet ist, daß jeder Kolben (20-26) bei einem vollen
Umlauf über 360° in dem Gehäuse (12) zwei volle Hübe aus
führt.
9. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (20-26) an ihren in
Umlaufrichtung der Kolben (20-26) vorauslaufenden und
nachlaufenden Stirnflanken jeweils eine Verzahnung (82,
84) aufweisen, und daß zwischen den Stirnflanken jeweils
benachbarter Kolben (20-26) jeweils eine mit einer Verzah
nung (80) versehene mitumlaufende Welle (78) angeordnet
ist, die mit den Verzahnungen (82, 84) der beiden benach
barten Stirnflanken der Kolben (20-26) kämmend in Eingriff
steht.
10. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Verzahnungen (82, 84) an den Stirnflan
ken der Kolben (20-26) und die damit kämmendem Verzahnun
gen (80) der Wellen (78) axial begrenzt sind, und daß in
den verbleibenden axialen Bereichen die Wellen (78) und
die Stirnflanken aneinander anliegende glatte Wälzflächen
(86, 87) aufweisen, die zwischen der Fußhöhe und der Kopf
höhe der Verzahnungen (80, 82, 84) liegen.
11. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Wellen (78) an einem ihrer axialen Enden
über Verbindungswellen (88, 90) paarweise miteinander
drehgekoppelt sind.
12. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß jedem Kolben (20-26) zumindest
eine Gewichtsmasse (92) zugeordnet ist, die bei einer
radial nach innen gerichteten Hubbewegung des Kolbens (20-
26) radial nach außen verfahrbar ist und umgekehrt.
13. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 11 und 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gewichtsmassen (92) an den Verbin
dungswellen (88, 90) angebracht sind und durch die Dreh
bewegung der Verbindungswellen (88, 90) verfahren werden.
14. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (20-26) in Öffnun
gen (50) eines in dem Gehäuse (12) um die Gehäusemittel
achse (29) umlaufenden Ringkörpers (48) angeordnet sind.
15. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Öffnungen (50) und die Kolben (20-26) im
Querschnitt rund sind.
16. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekenn
zeichnet, daß in die Außenumfangsseite des Ringkörpers
(62) im Bereich des Randes der Öffnungen (50) jeweils zu
mindest ein Dichtring (52, 54) eingelassen ist.
17. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Öffnungen (50) und die Kolben (20-26) im
Querschnitt rechteckig sind.
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