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Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine,
mit einem Gehäuse,
in dem in einem umlaufenden Rotor eine Mehrzahl an Kolben umfänglich um
eine Gehäusemittelachse
verteilt angeordnet sind, wobei jedem Kolben eine separate Arbeitskammer
zwischen einem Kolbenboden und einer Gehäuseinnenwand zugeordnet ist,
deren Volumen sich beim Umlaufen der Kolben periodisch ändert, wobei die
Kolben als Hubkolben ausgebildet und radial beweglich gelagert sind,
und wobei ein Steuermechanismus vorgesehen ist, der die hin- und
hergehende Hubbewegung der Kolben aus der Umlaufbewegung der Kolben
ableitet.
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Eine derartige Rotationskolbenmaschine
ist aus der
DE 26 16
370 C2 bekannt. Eine solche Rotationskolbenmaschine wird
speziell als Rotationshubkolbenmaschine bezeichnet, da die Kolben
in einem umlaufenden Rotor eine radiale Hubbewegung ausführen.
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Ausgehend von herkömmlichen
bekannten Hubkolbenmotoren sind die Hubkolben anstatt in einer Reihe
nun rotationssymmetrisch in einem Gehäuse angeordnet und laufen in
einem Rotor zusätzlich
in dem Gehäuse
um. Die Änderung
der Volumina der einzelnen Arbeitskammern und damit der Arbeitstakte
des Ansaugens, Verdichtens, Expandierens und Ausstoßens wird
bei einer solchen Rotationskolbenmaschine durch die radialen hin-
und hergehenden Hubbewegungen der einzelnen Kolben realisiert. Gegenüber herkömmlichen
Hubkolbenmotoren besteht der Vorteil einer solchen Rotationskolbenmaschine
mit Hubkolben darin, daß die
Kraftausleitung aus der Maschine auf eine Abtriebswelle aus der
Rotationsbewegung der Hubkolben erfolgen kann, während klassische Hubkolbenmotoren
entsprechende Mechanismen zur Umformung der Hubbewegung in die Rotationsbewegung
der Abtriebswelle erfordern.
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Aus der eingangs genannten
DE 26 16 370 C2 ist
eine Rotationshubkolbenmaschine mit einer geraden Anzahl von in
einem innerhalb eines stationären
bzw. sich drehenden Gehäuses
befindlichen Rotor bzw. stationären
Bauteil sternförmig
angeordneten Kolben-Zylinder-Einheiten bekannt, deren jeweils diametral
gegenüberliegende
Kolben über Stangen
mit Gleitzapfen, die in gleichartige Führungsnuten von zwei Steuerplatten
eingreifen, die beidseitig des mit einer Abtriebswelle verbundenen Rotors
bzw. stationären
Bauteils an dem Gehäuse befestigt
sind, zu Kolbenpaaren verbunden sind. Dabei sind jeweils zwei unmittelbar
benachbarte Kolbenpaare jeweils einer anderen Führungsnut zugeordnet, so daß sie nicht
dieselben, sondern gegeneinander winkelversetzte, aus Oszillation
und Rotation zusammengesetzte Bewegungsbahnen durchlaufen. Diese
Art des Steuermechanismus der einzelnen Rotationshubkolben ist vergleichsweise
aufwendig.
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Eine weitere Rotationshubkolbenmaschine ist
aus der
DE 2 406 855
A bekannt. Diese bekannte Maschine weist zumindest einen
Hubkolben und einen Zylinderblock auf, wobei der zumindest eine Hubkolben
und der Zylinderblock gemeinsam bezüglich eines Stators drehbar
sind. Des weiteren weist diese Maschine eine Nockenvorrichtung auf,
die die hin- und hergehende Bewegung des zumindest einen Kolbens
oder Zylinderblocks in eine Drehbewegung der Kolben-Zylinderblock-Anordnung
umwandelt, wobei der Kolben oder Zylinderblock auf oder in einer
Führung
geführt
ist, die die seitlichen Belastungen des hin- und hergehenden Kolbens
oder Zylinderblocks aufnimmt. Jedem Kolben ist demnach eine Führung in
einer Zylinderbohrung zugeordnet. Dadurch, daß jeder Kolben in einer eigenen
Führung läuft, kann
der innerhalb des Gehäuses
für die
einzelnen Kolben vorgesehene Raum nicht optimal genutzt werden,
da die einzelnen Führungen,
in denen die Kolben aufgenommen sind und laufen, einen entsprechenden
Platz benötigen.
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Bei einer aus der WO 98/13583 A1
bekannten Rotationskolbenmaschine handelt es sich um eine Art einer
Rotationskolbenmaschine, die als Schwenkkolbenmaschine bzw. Rotationsschwenkkolbenmaschine
bezeichnet wird.
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Bei dieser bekannten Schwenkkolbenmaschine
führen
die Kolben in dem Gehäuse
bei ihrer Umlaufbewegung zusätzlich
wippenartig hin- und hergehende Schwenkbewegungen aus. Der Rotationsbewegung
der einzelnen Kolben ist demnach eine Schwenkbewegung der einzelnen
Kolben überlagert.
Die Überlagerung
aus der Rotationsbewegung 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 Arbeitstakte auszuführen.
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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 Gehäusemittelachse
zugewandten Seiten vorgesehenen Laufflächen geführt sind. Die Steuerkurve weist
dazu entsprechende konkave und konvexe Bereiche auf. Des weiteren
stehen jeweils benachbarte der Kolben an ihren beidseitigen Stirnflanken
paarweise miteinander in Wälzeingriff,
wobei der Wälzeingriff
im Zusammenwirken mit der Führung
der Kolben entlang der Steuerkurve des Kurvenstücks die hin- und hergehende
Schwenkbewegung der einzelnen Kolben steuert.
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Diese bekannte Rotationsschwenkkolbenmaschine
ist hinsichtlich ihrer Funktion, Konstruktion und ihres Leistungsverhaltens
vielversprechend, insbesondere ist die zylindersymmetrische Ausgestaltung
des Gehäuseinnenraums,
in dem die Kolben umlaufen, hinsichtlich der Konstruktion und der
Laufeigenschaften dieser Maschine vorteilhaft.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Rotationskolbenmaschine der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden,
daß eine verbesserte
Art der Führung
der einzelnen Hubkolben erreicht wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich
der eingangs genannten Rotationskolbenmaschine dadurch gelöst, daß die Kolben
an ihren in Umlaufrichtung der Kolben vorauslaufenden und nachlaufenden
Stirnflanken jeweils eine Verzahnung aufweisen, und daß zwischen
den Stirnflanken jeweils benachbarter Kolben jeweils eine mit einer
Verzahnung versehene mit umlaufende Welle angeordnet ist, die mit
den Verzahnungen der beiden benachbarten Stirnflanken der Kolben
kämmend
in Eingriff steht.
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Bei der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine
wird über
die zuvor genannten Wellen eine Synchronisierung der mitunter auch
entgegengesetzt gerichteten Hubbewegungen der einzelnen Kolben erreicht.
Bei dieser Ausgestaltung entsteht eine Bewegungskopplung zumindest
zwischen jeweils benachbarten Kolben. Der Vorteil dieser Maßnahme besteht
darin, daß die über die
mit der Verzahnung versehene Welle miteinander in Wälzeingriff stehenden
Kolben radial geführt
werden und somit nicht verkippen können, insbesondere wenn jeder Kolben
nur eine Lauffläche
aufweist, mit der er entlang des Kurvenstücks geführt ist. Eine Tendenz zum Verkippen
der Kolben kann nämlich
durch die radialen und asymmetrisch auf die Längsachse der Kolben wirkenden
Roll- oder Reibungskräfte
zwischen den Laufflächen
der Kolben und dem Kurvenstück hervorgerufen
werden. Die Kopplung der einzelnen Hubkolben über die zwischengeordneten
Wellen gewährleistet
eine exakte radiale Führung
der einzelnen Kolben.
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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 Gehäusemittelachse
zugewandten Seite jeweils zumindest eine Lauffläche auf, die an der Steuerkurve
anliegend geführt
ist.
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Diese Art eines Steuermechanismus,
der an sich aus der bereits genannten WO 98/13583 A1 bekannt ist,
und der sich gegenüber
Nockensteuerungen mit sich bewegenden Nocken bewährt hat, stellt eine auch bei
der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine
mit Hubkolben vorteilhaft einfache und funktionssichere Art eines
Steuermechanismus dar, um die Hubbewegungen der einzelnen Kolben
zu steuern. Während
bei der bekannten Schwenkkolbenmaschine 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 zumindest eine Lauffläche
kolbenmittig angeordnet sein, mit dem Vorteil, daß jeder
Kolben für
sich eine symmetrische Massenverteilung besitzt. Die Steuerung der
Hubbewegungen der einzelnen Kolben mittels eines etwa gehäusemittigen
ortsfesten Kurvenstückes
führt zu
einer ausgeprägten
Laufruhe der Rotationskolbenmaschine.
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Dabei kann es bevorzugt sein, die
zumindest eine Steuerkurve als Außenkontur an dem Kurvenstück auszubilden,
an der die zumindest eine Lauffläche
der Kolben zentripetal abgestützt
geführt
ist, oder als Innenkontur, an der die zumindest eine Lauffläche der
Kolben zentrifugal abgestützt
geführt
ist.
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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.
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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 Bewegungskopplung, 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.
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Dabei ist es weiterhin bevorzugt,
wenn die Innenkontur und die Außenkontur
radial voneinander beabstandet kurvenparallel verlaufen.
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Diese Maßnahme führt zu einer vorteilhaft einfachen
Bauweise und zu einer vorteilhaft einfachen Ausgestaltung des Steuermechanismus,
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 Kurvenstück die radial außen liegende
Steuerkurve, während
die Außenkontur
die radial innen liegende Steuerkurve bildet.
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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 Innenkontur und die andere
an der Außenkontur
entlang geführt
ist.
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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 fehlen, an denen bei der
Umlaufbewegung in Überlagerung
mit der Hubbewegung keine Fliehkräfte auftreten.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist
der Steuermechanismus derart ausgebildet, daß jeweils benachbarte Kolben
eine gegensinnige Hubbewegung ausführen.
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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 nahezu symmetrischen
Massenverteilung beim Umlauf der Kolben in dem Gehäuse mitbringt.
Auf diese Weise können
Unwuchten weitestgehend ausgeschlossen werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist
der Steuermechanismus derart ausgebildet, daß jeder Kolben bei einem vollen
Umlauf in dem Gehäuse
zwei volle Hübe
ausführt.
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Bei dieser Ausgestaltung des Steuermechanismus
führt die
erfindungsgemäße Rotationskolbenmaschine
im Falle, daß sie
vier Hubkolben 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 Arbeitszyklus statt. Dies ermöglicht es, daß der Hub der
Hubkolben im Vergleich zu einem herkömmlichen Hubkolbenmotor wesentlich
geringer sein kann, um die gleiche Arbeit zu verrichten.
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Es ist 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 axialen
Bereichen die Welle und die Stirnflanke aneinander anliegende glatte
Wälzflächen aufweisen,
die zwischen der Fußhöhe und der
Kopfhöhe
der Verzahnung liegen.
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Hierbei ist von Vorteil, daß die einzelnen
miteinander kämmenden
Verzahnungen der Kolben und der die Synchronisation bewirkenden
Wellen durch die aneinander anliegenden glatten Wälzflächen entlastet
werden.
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Dabei ist es weiterhin bevorzugt,
wenn die Wellen an einem ihrer axialen Enden über Verbindungswellen paarweise
miteinander drehgekoppelt sind.
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Hierbei wird eine Bewegungskopplung
der Hubbewegungen der Kolben nicht nur zwischen jeweils benachbarten
Kolben erreicht, sondern zwischen allen in dem Gehäuse umlaufenden
Hubkolben, wodurch eine gleichmäßige Aufteilung
der Kräfte
an den Hubkolben erzielt wird. Der nun vollkommen synchronisierte
Wälzeingriff
zwischen allen Kolben verhindert wirksam ein unerwünschtes
Verkippen der Kolben und bewirkt eine besonders gleichmäßige Kräfteverteilung
an allen Teilen der Maschine beim Umlaufen in dem Gehäuse.
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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.
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Diese Maßnahme ist insbesondere bei
einer Ausführung
der Rotationskolbenmaschine mit vier Kolben von Vorteil, wenn sich
die jeweils beiden gegenüberliegenden
Kolben gleichsinnig zu einander und gegensinnig zu den beiden anderen
Kolben bewegen. Dabei erfahren die beiden Kolben, die sich gerade
in der radial ausgefahrenen 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 Mechanik der Rotationskolbenmaschine
auswirkt.
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Dabei ist es bevorzugt, wenn die
Gewichtsmassen an den Verbindungswellen angebracht sind und durch
die Drehbewegung der Verbindungswellen verfahren werden.
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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.
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Der Ringkörper bildet demnach mit den
darin vorgesehenen Öffnungen
vorteilhafterweise einen einzigen Kolbenzylinder für die vorhandenen
Hubkolben, wobei der Ringkörper
vorteilhafterweise mit einer Abtriebswelle gekoppelt sein kann,
um die Drehbewegung des Ringkörpers
auf die Abtriebswelle abzuleiten.
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Dabei ist es weiterhin bevorzugt,
wenn die Öffnungen
und die Kolben im Querschnitt rund sind.
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Die Ausgestaltung der Kolben als
im Querschitt runde oder mit anderen Worten als zylindrische Kolben
eröffnet
die Möglichkeit,
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.
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Diese in die Außenumfangsseite des Ringkörpers im
Bereich des Randes der Öffnung
eingelassene Dichtung kann sich nämlich dann entsprechend einer
im Querschnitt bevorzugt runden Ausgestaltung der Gehäuseinnenwand
durch die bei der Rotation des Ringkörpers auftretenden Zentrifugalkräfte selbsttätig abdichtend
gegen die Gehäuseinnenwand
andrücken.
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Es kann jedoch ebenso bevorzugt sein,
die Öffnungen
und die Kolben im Querschnitt rechteckig auszugestalten.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in der Zeichnung dargestellt und wird mit Bezug auf diese hiernach
näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine
Rotationskolbenmaschine im Querschnitt;
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2 einen
Längsschnitt
durch die Rotationskolbenmaschine entlang der Linie II-II in 3;
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2a) einen
Endabschnitt der Rotationskolbenmaschine in einem Längsschnitt
mit einer gegenüber 2 um 45° veränderten Drehstellung der Kolben;
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3 einen
Schnitt durch die Rotationskolbenmaschine entlang der Linie III-III
in 2, allerdings mit
um gegenüber 1 45° verdrehter Drehstellung der
Kolben;
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4 einen
Schnitt durch die Rotationskolbenmaschine entlang der Linie IV-IV
in 2;
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5 einen
Schnitt durch die Rotationskolbenmaschine entlang der Linie V-V
in 2;
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6 einen
Schnitt durch die Rotationskolbenmaschine entlang der Linie VI-VI
in 2;
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7 einen
Schnitt entlang der Linie VII-VII in 1;
und
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8 einen 7 vergleichbaren Schnitt durch
eine Rotationskolbenmaschine, bei der die Kolben im Querschnitt
rechteckig ausgebildet sind.
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In 1 bis 7 ist eine mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehene
Rotationskolbenmaschine dargestellt.
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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.
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Die Rotationskolbenmaschine 10 weist
ein Gehäuse 12 auf,
das ein zylindrisches Mittelsegment 14 sowie zwei endseitige
Stirnsegmente 16 und 18 aufweist.
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Die Stirnsegmente 16 und 18 sind
mittels Schrauben 17 bzw. 19 mit dem Mittelsegment 14 dicht
verschraubt.
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In dem Gehäuse 12 ist eine Mehrzahl
von Kolben 20, 22, 24, 26 angeordnet.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel
sind demnach vier Kolben vorgesehen.
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Die Kolben 20 bis 26 sind
um eine Gehäusemittelachse 29 umfänglich verteilt
angeordnet. Die Rotationskolbenmaschine 10 ist insgesamt
zylindersymmetrisch ausgestaltet.
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Zwischen einer Gehäuseinnenwand 28 des Gehäuses 12,
die entsprechend 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 Volumen
sich beim Umlaufen der Kolben 20 bis 26 periodisch ändert, wie
hiernach noch näher
beschrieben wird. Aus Gründen
der Übersichtlichkeit wurde
in 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.
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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 Hubbewegungen 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 Umlaufstellung radial gerichtet. Die Kolben 20 bis 26 sind
in dem Gehäuse 12 entsprechend
radial beweglich gelagert. Die Aufnahme der Kolben 20–26 in
dem Gehäuse 12 wird
später noch
näher beschrieben.
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1 und 3 zeigen die Kolben 20 bis 26 im gleichen
Schnitt, jedoch haben sich die Kolben 20 bis 26 in 3 gegenüber 1 um 45° in der Umlaufrichtung 27 weiter
gedreht. Die Kolben 22 und 26 haben sich dabei
aus ihrer in 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 1 dargestellten radial maximal
ausgefahrenen Stellung bei der Drehung um 45° in 3 etwas radial nach innen bewegt haben.
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Die Hubbewegung der einzelnen Kolben 20 bis 26 wird
dabei mittels eines Steuermechanismus aus der Umlaufbewegung der
Kolben 20 bis 26 abgeleitet.
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Der Steuermechanismus weist dazu
etwa gehäusemittig
ein ortsfestes Kurvenstück 34 auf,
das mit dem Gehäuse 12 fest
verbunden 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 Zündzeitpunkt durch Verstellen
des Kurvenstücks 34 zu
verändern.
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Das Kurvenstück 34 erstreckt sich
in dem Gehäuse 12 axial über im wesentlichen
die gesamte Länge
des Gehäuses 12.
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Das Kurvenstück 34 weist eine Außenkontur 36 und
eine Innenkontur 38 auf (vgl. insbesondere 2 und 4).
Die Außenkontur 36 liegt
dabei radial innerhalb der Innenkontur 38. Die Innenkontur 38 ist in
Endbereichen des Kurvenstücks 34 auf
der Innenseite von L-förmigen
Taschen oder Flanschen 39 des Kurvenstücks 34 ausgebildet.
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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 Kurvenstücks in Betracht gezogen werden.
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Die Außenkontur 36 und die
Innenkontur 38 verlaufen kurvenparallel zueinander, wie
aus 4 hervorgeht.
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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.
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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 Innenkontur 38 geführt sind.
Die Laufflächen 40, 40', 40'' und 40''' sind als Oberflächen von
Laufrollen 42, 42', 42'' und 42''' ausgebildet.
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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.
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An der Außenkontur 36 sind
die Kolben 20 bis 26 zentripetal abgestützt, während die
Kolben 20 bis 26 an der Innenkontur 38 zentrifugal
abgestützt sind.
Die Innenkontur 38 erstreckt sich, wie aus 2 hervorgeht, axial lediglich über Teilbereiche des
Kurvenstücks 34.
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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 bewegen
sich entweder gemeinsam radial nach innen oder radial nach außen, und
ebenso die Kolben 22 und 26. Jeweils benachbarte
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
bewegen, wie sich aus einem Vergleich der 1 mit der 3 ergibt.
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Die durch die Außenkontur 36 und die
Innenkontur 38 gebildeten Steuerkurven weisen abwechselnd
konkave und konvexe Bereiche auf, wobei in 3 mit dem Bezugszeichen 44 ein
konvexer Bereich und mit dem Bezugszeichen 46 ein konkaver Bereich
bezeichnet ist.
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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.
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Die Kolben 20 bis 26 sind
in einem in dem Gehäuse 12 mit
den Kolben 20 bis 26 umlaufenden Rotor aufgenommen,
der einen mittleren Ringkörper 48 (vgl. 7) aufweist, in dem entsprechend
der Anzahl an Kolben 20 bis 26 vier jeweils in
einem Winkelabstand 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.
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Die runde Form der Kolben 20 bis 26 ermöglicht es,
die Öffnungen 50 und
damit die Kolben 20 bis 26 und damit wiederum
die Arbeitskammern 32 gegen die Gehäuseinnenwand 28 mittels
Dichtringen 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 Gehäuseinnenwand 28 gedrückt werden.
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Die Dichtung ist insgesamt als Doppeldichtung
ausgeführt,
indem ein weiterer Dichtring 54 um den Rand der jeweiligen Öffnungen
angeordnet ist.
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Der mittlere Ringkörper 48 bildet,
wie bereits erwähnt,
einen Teil eines insgesamt zylindrischen Rotors, der gemäß 2 einen weiteren, mit dem mittleren
Ringkörper 48 drehfest
verbundenen Ringkörper 56 und
einen mit diesem weiterhin drehfest verbundenen stirnseitigen Ringkörper 58 aufweist, an
dessen 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.
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Am der Abtriebswelle 60 gegenüberliegenden
Ende weist der Rotor einen weiteren Ringkörper 62 auf, der an
dem Stirnsegment 18 über
ein Lager 64 gelagert ist. Der gegenüberliegende Ringkörper 58 ist
entsprechend über
ein Lager 66 an dem Kurvenstück 34 und über ein
weiteres Lager 68 an dem Stirnsegment 16 des Gehäuses 12 drehbar
gelagert.
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In Längsrichtung des Rotors erstrecken
sich in diesem vier Achsstäbe 70, 72, 74 und 76,
die mit den Ringkörpern 48, 56 und 58 fest
verbunden sind.
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Die Achsstäbe 70 bis 76 sind
jeweils zwischen den Kolben 20 bis 26 angeordnet.
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In jedem der Achsstäbe 70 bis 76 ist
jeweils eine Welle 78 gelagert, 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.
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Jede der Wellen 78 weist
eine Verzahnung 80 auf.
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Diese Verzahnung 80 kämmt mit
Verzahnungen 82 und 84 (vgl. 3), die an jedem Kolben 20 bis 26 an
deren in der Umlaufrichtung 27 vorauslaufenden Stirnflanken
und nachlaufenden Stirnflanken ausgebildet sind. Im Bereich dieser
Stirnflanken sind die Kolben 20 bis 26 in Umfangsrichtung
gesehen geringfügig
eingezogen, so daß zwischen
jeweils zwei Stirnflanken der Kolben 20 bis 26 eine
der Wellen 78 Platz findet.
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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.
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In den axialen Teilbereichen außerhalb
der Verzahnungen 80 bzw. 82 und 84 weisen
die Wellen 78 jeweils eine glatte, im Querschnitt 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.
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Wie aus 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.
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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 vorgesehen,
wobei es auch in Betracht gezogen werden kann, nur drei derartiger
Verbindungswellen 88, 90 vorzusehen.
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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 Gehäuses 12 verlaufenden
Achsen zu vermeiden.
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Gemäß 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 Verbindungswellen 88 und 90 relativ
zu den Kolben 20 bis 26 beweglich. Durch die hin-
und hergehende Drehbewegung der Verbindungswellen 88 bzw. 90 werden
die Gewichtsmassen 92 zwischen einer radial ausgefahrenen
und einer radial eingefahrenen Stellung hin- und herverfahren. Die
jeweilige Bewegungsrichtung ist dabei derart, daß, wenn der entsprechende Kolben 20 bis 26 sich
radial nach innen bewegt, die diesem Kolben zugeordnete Gewichtsmasse 92 radial
nach außen
verfahren wird, und umgekehrt.
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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 anderen der Kolben 20 bis 26 in
ihrer radial maximal ausgefahrenen Stellung befinden, durch die
entsprechend gegensinnig verfahrenen Gewichtsmassen 92 eine
dennoch symmetrische Massenverteilung bewirkt, wodurch eine Unwucht
der Rotationskolbenmaschine 10 vermieden wird.
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Die Rotationskolbenmaschine 10 weist
neben den bereits erwähnten
Dichtringen 52 und 54 folgende weitere Dichtungen
auf.
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Die Kolben 20 bis 26 sind
jeweils über
Dichtungen 94 und 96 an ihren Stirnflanken gegen
die Achsstäbe 70 bis 76 abgedichtet
(vgl. 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 aufgrund
der auftretenden Fliehkräfte
gegen die Innenwand 28 des Gehäuses 12 gedrückt.
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Der Ringkörper 56 des Rotors
ist über
eine Dichtung 102 und der Ringkörper 62 über eine
Dichtung 104 gegen das Kurvenstück 34 abgedichtet.
Die Dichtungen 102 und 104 sind Öldichtungen.
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Die Kolben 20 bis 26 sind
ferner über
einem der jeweiligen Arbeitskammer 32 benachbarten Ende über einen
Dichtring 106, der in den Kolben 20 bis 26 eingelassen
ist, gegen die Ringkörper 56 bzw. 62 abgedichtet.
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Im folgenden wird nun die Funktionsweise der
Rotationskolbenmaschine 10 näher beschrieben.
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Betrachtet man den Kolben 24 in 3, der sich bezüglich seiner
Drehstellung in der Umlaufstellung 27 einem Einlaßkanal 108 in
Gegenüberstellung befindet,
so wird in die zugehörige
Arbeitskammer 32 des Kolbens 24 durch den Einlaßkanal 108 gerade ein
Verbrennungsgemisch angesaugt. Beim Vorbeilaufen des Kolbens 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.
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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
Verbrennungsgemisch verdichtet wird. Die radial nach außen gerichtete
Hubbewegung des Kolbens 24 wird dadurch erzielt, daß die Lauffläche 40 des
Kolbens 24 auf den konvexen Bereich des Kurvenstücks 34 läuft. Sobald
der Kolben 24 die Zwölfuhr-Stellung (unterhalb
einer Zündkerze 110 in 3) erreicht hat, wird das
maximal verdichtete Verbrennungsgemisch gezündet. Bei seinem 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 innen 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.
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Da insgesamt vier Kolben in einer
Versatzstellung von 90° vorgesehen
sind, führt
die Rotationskolbenmaschine 10 bei einem vollen Umlauf über 360° insgesamt
vier vollständige
Arbeitszyklen aus. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Hubkolbenmotor ist
der Hub der einzelnen Kolben 20 bis 26 der Rotationskolbenmaschine 10 klein
im Verhältnis
zur Fläche
der Kolbenböden 30.
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Die Kolbenböden 30 weisen die
Kontur eines Kugeloberflächenabschnitts
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.
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Beim Ausführen der hin- und hergehenden Hubbewegungen
der Kolben 20 bis 26 sorgen die Wellen 78 in
Verbindung mit den Verbindungswellen 88, 90 für eine Synchronisation
der Bewegung der einzelnen Kolben 20 bis 26, die
für eine
gleichmäßige Kräfteverteilung
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.
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In 8 ist
in einem geringfügig
abgewandelten Ausführungsbeispiel
eine Rotationskolbenmaschine 120 dargestellt, bei der im
Unterschied zur Rotationskolbenmaschine 10 die Kolben 122 im Querschnitt
rechteckig ausgebildet sind. Anstelle der Dichtringe 52 und 54 der
Rotationskolbenmaschine 10 ist es hier erforderlich, andere
Dichtungen zu verwenden, die sich in Umfangsrichtung und in axialer Richtung
erstrecken. Im übrigen
entspricht die Rotationskolbenmaschine 120 der Rotationskolbenmaschine 10.
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Es kann auch in Betracht gezogen
werden, die Rotationskolbenmaschine dahingehend weiterzugestalten,
daß in
dem Gehäuse 12 bei
entsprechender Vergrößerung in
axialer Richtung eine weitere 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 angeordnet werden.