DE10139041A1

DE10139041A1 - Drehmoment-Erzeugungsvorrichtung

Info

Publication number: DE10139041A1
Application number: DE2001139041
Authority: DE
Inventors: Johann Weinzierl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-08-08
Filing date: 2001-08-08
Publication date: 2003-03-06

Abstract

Eine Drehmoment-Erzeugungsvorrichtung umfaßt DOLLAR A - einen mit einer Flüssigkeit (2) gefüllten Behälter (1), DOLLAR A - eine darin drehbar gelagerte Welle (3), an der das zu erzeugende DOLLAR A - Drehmoment abgreifbar ist, DOLLAR A - mindestens eine an der Welle (3) quer dazu angeordnete Rotoreinheit (4), und DOLLAR A - zwei jeweils beiderseits mit Abstand zur Welle (3) angeordnete, von der Flüssigkeit (2) beaufschlagte, gasgefüllte Auftriebzylinder (5, 6) an jeder Rotoreinheit (4), DOLLAR A È deren Kolben (7, 8) über eine gemeinsame Kolbenstange (9) zur wechselweisen Arbeitsvolumenvergrößerung und -verkleinerung der Auftriebszylinder (4, 4') gekoppelt sind, und DOLLAR A È deren Hubräume (10, 11) zur Überleitung des Füllgases bei der wechselweisen Arbeitsvolumenvergrößerung und -verkleinerung über eine Verbindungsleitung (12, 13) für das Füllgas gekoppelt sind, und DOLLAR A - einen Auftriebskörper (14) an der Kolbenstange (9) zu deren Anheben gegen den auf die Kolben (7, 8) wirkenden hydrostatischen Druck zur Initiierung der wechselweisen Arbeitsvolumenvergrößerung - und -verkleinerung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehmoment-Erzeugungsvorrichtung mit einem flüssigkeitsgefüllten Behälter, einer darin drehbar gelagerten Welle, an der das zu erzeugende Drehmoment abgreifbar ist, und mindestens einer an der Welle quer dazu angeordneten Rotoreinheit.

Derartige Drehmoment-Erzeuger sind vielfach aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielhaft wird auf die DE 42 09 567 A1, EP 0 053 652 A1 und EP 0 088 829 A2 verwiesen. Bei der Vorrichtung gemäß DE 42 09 567 A1 wird dabei eine Vielzahl von Auftriebskörpern verwendet, die an einem Rotor in radialer Richtung verschiebbar gelagert sind. Insoweit ist der Rotor mit seinen Führungen für die Auftriebskörper relativ komplex und aufwendig aufgebaut.

Die Vorrichtung gemäß EP 0 053 652 A1 benutzt als Basis einen luftdruckfreien, evakuierten Behälter, was grundsätzliche Probleme beim Betrieb einer solchen Maschine hinsichtlich der Erzeugung und der Aufrechterhaltung des Vakuums mit sich bringt. Insoweit ist diese Vorrichtung wenig praxisgerecht.

Bei dem in der EP 0 088 829 A2 offenbarten Motor kommen als Auftriebskörper gummielastische Blasebälge zum Einsatz. Insoweit dürfte die Vorrichtung relativ störanfällig sein, da die Bälge sich ständig ausdehnen und zusammenziehen, also einer relativ starken Walkarbeit unterliegen, was das Risiko eines Platzens in sich birgt.

Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, eine Drehmoment- Erzeugungsvorrichtung anzugeben, die konstruktiv einfach aufgebaut ist und damit zuverlässig arbeitet.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Demnach sind pro Rotoreinheit zwei jeweils beiderseits mit Abstand zur Welle angeordnete, von der Flüssigkeit beaufschlagte, gasgefüllte Auftriebszylinder vorgesehen. Deren Kolben sind über eine gemeinsame Kolbenstange zur wechselweisen Arbeitsvolumenvergrößerung und -verkleinerung der Auftriebszylinder gekoppelt. Ferner sind die Hubräume der Auftriebszylinder zur Überleitung des Füllgases bei der wechselweisen Arbeitsvolumenvergrößerung und -verkleinerung über eine Verbindungsleitung für das Füllgas gekoppelt. Schließlich ist an der Kolbenstange ein Auftriebskörper zu deren Anheben gegen den auf die Kolben der Auftriebszylinder wirkenden hydrostatischen Druck vorgesehen. Damit wird die wechselweise Arbeitsvolumenvergrößerung und -verkleinerung bei den Auftriebszylindern initiiert.

Die erfindungsgemäße Drehmoment-Erzeugungsvorrichtung weist verschiedene Vorteile auf. So ist abhängig von der Größenauslegung des Flüssigkeitsbehälters und der Auftriebszylinder eine hohe Bandbreite von Drehmomenten zu erzeugen. Die Vorrichtung selbst ist dabei relativ einfach aufgebaut, da sich an der Abtriebswelle lediglich eine oder mehrere Rotoreinheiten befinden, die für sich als bewegliche Teile lediglich das Kolbenpaar der beiden Auftriebszylinder aufweisen. Insoweit kann die Drehmoment-Erzeugungsvorrichtung auch relativ kostengünstig erstellt werden, was eine kurze Amortisierungszeit für die Investitionskosten mit sich bringt. Es versteht sich ferner, daß der Drehmoment-Erzeuger umweltfreundlich und wegen des einfachen Aufbaus auch mit einer langen Lebensdauer zu betreiben ist.

Bevorzugte Ausführungsformen der Drehmoment-Erzeugungsvorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben. Zur näheren Erläuterung entsprechender Merkmale, Einzelheiten und Vorteile davon wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die nachfolgende Beschreibung verwiesen, in der ein Ausführungsbeispiel anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Rotoreinheit des Drehmoment-Erzeugers in längsaxialer Richtung der Abtriebswelle,
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht analog Fig. 1 einer Drehmoment- Erzeugungsvorrichtung mit zwei Rotoreinheiten, und
Fig. 3 A-D schematische Seitenansichten der Auftriebszylinder in verschiedenen Drehstellungen der Rotoreinheit innerhalb eines Arbeitszyklus.
Anhand von Fig. 1 ist der grundsätzliche Aufbau einer erfindungsgemäßen Drehmoment-Erzeugungsvorrichtung zu erläutern. So ist ein zylindrischer Behälter 1 vorgesehen, dessen Innenraum mit Wasser 2 gefüllt ist. Koaxial zur Zylinderachse läuft durch den Behälter 1 eine darin drehbar gelagerte Welle 3 hindurch, an der das zu erzeugende Drehmoment abgegriffen wird. An der Welle 3 ist eine als Ganzes mit 4 bezeichnete Rotoreinheit in nicht näher dargestellter Weise gelagert, die zwei beiderseits von der Wellenachse W beabstandete Auftriebszylinder 5, 6 aufweist. Die Kolben 7, 8 dieser Auftriebszylinder 5, 6 sind durch eine gemeinsame Kolbenstange 8 miteinander bewegungsgekoppelt und sind ferner - wie Fig. 1 schematisch zu entnehmen ist - vom hydrostatischen Druck des Wassers 2 im Behälter 1 beaufschlagt. Die Anordnung der Auftriebszylinder 5, 6 mit ihren Kolben 7, 8 und die Länge der Kolbenstange 9 mit ihrem bezogen auf die Wellenachse W radialen Verschiebeweg sind so ausgelegt, daß das Arbeitsvolumina - also die Hubräume 10, 11 der Auftriebszylinder 5, 6 - wechselweise zwischen einem maximalen Arbeitsvolumen - siehe linken Auftriebszylinder 5 in Fig. 1 - und einem minimalen Arbeitsvolumen von vorzugsweise Null - siehe rechter Auftriebszylinder 6 in Fig. 1 - vergrößer- und verkleinerbar sind. Das Arbeitsmedium der Auftriebszylinder 5, 6 ist dabei durch ein Füllgas in Form von Luft gebildet, wobei die Hubräume 10, 11 über Verbindungsleitungen 12, 13 für die Luft gekoppelt sind. Diese Verbindungsleitungen können auch in die Kolbenstange 9 integriert sein, wie in der Zeichnung nicht näher dargestellt ist.
An der Kolbenstange 9 ist schließlich mittig ein Auftriebskörper 14 in Form eines Luftbehälters angeordnet, dessen Größenauslegung für einen entsprechenden Auftrieb und Zweck im Folgenden anhand der Funktionsbeschreibung des Drehmoment-Erzeugers noch deutlich gemacht wird.
Ferner ist im Bereich des unteren Umkehrpunktes der Rotoreinheit 4 am Behälter 1 eine Blockiervorrichtung 15 vorgesehen, die mit entsprechenden Gegenelementen 16, 17 an den radial äußeren Enden der Rotoreinheit 4 für eine Blockierung der Kolbenstangen 9 der Rotoreinheit 4 während der Drehung der Rotoreinheit 4 zwischen den wechselweisen Arbeitsvolumenvergrößerung und -verkleinerung der Auftriebszylinder sorgt. Auch hier wird auf die spätere Funktionsbeschreibung der Vorrichtung für weitere Angaben verwiesen.
Wie aus Fig. 2 deutlich wird, können zur Vergleichmäßigung des Drehmomentanfalls mehrere - im gezeichneten Fall zwei - Rotoreinheiten 4, 4' an der Welle 3 längsaxial aneinandergereiht im Behälter positioniert werden. In Fig. 2 liegt die Rotoreinheit 4' also hinter der Rotoreinheit 4, was durch entsprechende Schraffuren im Überschneidungsbereich angedeutet ist. Die beiden Rotoreinheiten 4, 4' sind in ihrer Drehwinkelposition äquidistant - d. h. im vorliegenden Falle bei zwei Rotoreinheiten 4, 4' um 90° zueinander - versetzt. Bei drei Rotoreinheiten würde der Versatzwinkel 60° betragen. Im übrigen sind die mit der Rotoreinheit 4 übereinstimmenden Komponenten der Rotoreinheit 4' mit entsprechenden apostrophierten Bezugszeichen versehen.
Anhand von Fig. 3 ist nun die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Drehmoment-Erzeugungsvorrichtung zu erläutern. So wird von der Fig. 3A dargestellten Zwischenposition ausgegangen, bei der der linke Auftriebszylinder 5 vollständig aufgefahren ist, d. h. daß sein luftgefülltes Arbeitsvolumen maximal ist. Entsprechend liegt der Kolben 8 des rechten Auftriebszylinders 6 an dessen Boden an, so daß das Arbeitsvolumen dieses Auftriebszylinders 6 in der gezeigten Stellung Null beträgt. Durch den vom Arbeitsvolumen des Auftriebszylinders 5 erzeugten Auftrieb wird ein Drehmoment auf die Rotoreinheit 4 ausgeübt, das zu einer Drehung der Welle 3 im Uhrzeigersinn führt. Dabei ist die Kolbenstange 9 durch die Blockiervorrichtung 15 in ihrer Position in den Kolben 7, 8 festgelegt.
Erreicht die Rotoreinheit 4 die in Fig. 3B gezeigte Stellung, in der sich der aufgefahrene Auftriebszylinder 5 in seinem oberen Umkehrpunkt befindet, so hat die Blockiervorrichtung 15 die Kolbenstange 9 entriegelt und es wirkt auf die Kolbenstange 9 eine Kraft senkrecht nach unten, die sich aus der wassertiefenbedingten Differenz des hydrostatischen Drucks auf die Kolben 7 und 8 der beiden Auftriebszylinder 5, 6 bestimmt. Hier kommt nun der Auftriebskörper 14 ins Spiel, der in seiner Dimensionierung so ausgelegt ist, daß seine Auftriebskraft die Kraftdifferenz aufgrund der unterschiedlichen hydrostatischen Druckwerte auf die Kolben 7, 8 überkompensiert, so daß auf die Kolbenstange 9 eine Nettokraft senkrecht nach oben ausgeübt wird. Diese führt dazu, daß die Kolbenstange nach oben geschoben wird, wodurch das Arbeitsvolumen des obenstehenden Kolbens 7 zu Null verkleinert und das des untenstehenden Kolbens 8 auf einen maximalen Wert vergrößert wird. Es findet also die wechselweise Arbeitsvolumenvergrößerung und -verkleinerung statt, wobei die Luft im Kolben 7 über die Verbindungsleitungen 12, 13 in das Arbeitsvolumen des Kolbens 8 gelangt. Es wird also die Fig. 3C dargestellte Konfiguration erzielt, in der der untere Kolben 8 wieder eine maximale Auftriebskraft für die Rotoreinheit 4 zur Verfügung stellt.
Ausgehend von der in Fig. 3C dargestellten Position wird bei einer geringfügigen Auslenkung der Rotoreinheit 4 aus der gezeigten vertikalen Stellung wieder ein Drehmoment auf die Rotoreinheit 4 aufgrund der Auftriebskraft des Arbeitsvolumens des Kolbens 8 hervorgerufen, so daß die in Fig. 3D gezeigte Stellung erreicht wird. Letztere ist die gegenüber Fig. 3A um 180° gedrehte Konfiguration. Davon ausgehend beginnt der beschriebene Zyklus von neuem. Nach dem Durchlaufen der in Fig. 3 C gezeigten Stellung wird im übrigen die Kolbenstange 9 wieder blockiert.
Zur Frage der Auftriebskraft bei der Stellung gemäß Fig. 3D ist festzuhalten, daß der Auftriebskörper 14 einen weitaus geringeren Abstand zur Wellenachse W aufweist, so daß es für dessen Absenken aus der in Fig. 3D gezeigten oberen Stellung in die in Fig. 3B gezeigte untere Stellung weniger Kraft bedarf, als die vom untenliegenden Auftriebszylinder 5 hervorgerufene Auftriebskraft.
Auch die beim Hochfahren der beiden Kolben 7, 8 und der Kolbenstange 9 (Übergang von Fig. 3B zu Fig. 3C) zu überwindende Gewichtskraft dieser Komponenten ist im wesentlichen vernachlässigbar, da diese durch eine Ausbildung als Hohlkörper im Wasser 2 des Behälters 1 praktisch schwerelos ausgelegt werden können.
Unter Bezugnahme auf die in Fig. 2 gezeigte Mehrfach-Rotoreinheits- Variante wird darauf hingewiesen, daß die Auslenkung der jeweils vertikal stehenden Rotoreinheit durch das von der dann horizontal stehenden zweiten Rotoreinheit erzeugten Drehmoments hervorgerufen wird.

Claims

1. Drehmoment-Erzeugungsvorrichtung umfassend
einen mit einer Flüssigkeit (2) gefüllten Behälter (1),
eine darin drehbar gelagerte Welle (3), an der das zu erzeugende Drehmoment abgreifbar ist, und
mindestens eine an der Welle (3) quer dazu angeordnete Rotoreinheit (4, 4),
gekennzeichnet durch
zwei jeweils beiderseits mit Abstand zur Welle (3) angeordnete, von der Flüssigkeit (2) beaufschlagte, gasgefüllte Auftriebszylinder (5, 6) an jeder Rotoreinheit (4, 4'),
deren Kolben (7, 8) über eine gemeinsame Kolbenstange (9) zur wechselweisen Arbeitsvolumenvergrößerung und -verkleinerung der Auftriebszylinder (4, 4') gekoppelt sind, und
deren Hubräume (10, 11) zur Überleitung des Füllgases bei der wechselweisen Arbeitsvolumenvergrößerung und -verkleinerung über eine Verbindungsleitung (12, 13) für das Füllgas gekoppelt sind, und
einen Auftriebskörper (14) an der Kolbenstange (9) zu deren Anheben gegen den auf die Kolben (7, 8) wirkenden hydrostatischen Druck zur Initiierung der wechselweisen Arbeitsvolumenvergrößerung und - verkleinerung.

2. Drehmoment-Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Rotoreinheiten (4, 4') an der Welle (3) aneinandergereiht im Behälter (1) positioniert sind, wobei die Rotoreinheiten (4, 4') in ihrer Drehwinkelposition zueinander vorzugsweise äquidistant versetzt sind.

3. Drehmoment-Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Füllgas Luft vorgesehen ist.

4. Drehmoment-Erzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (1) mit Wasser gefüllt ist.

5. Drehmoment-Erzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (9) und/oder Kolben (7, 8) durch eine Ausbildung als Hohlkörper in der Flüssigkeit gewichtsreduziert, vorzugsweise schwerelos ausgelegt sind.

6. Drehmoment-Erzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Blockiervorrichtung (15) für die Kolbenstange 9 jeder Rotoreinheit (4, 4') zur Festlegung der Kolben (7, 8) in Perioden zwischen den jeweiligen wechselweisen Arbeitsvolumenvergrößerungen und -verkleinerungen der Auftriebszylinder vorgesehen ist.

7. Drehmoment-Erzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung in die Kolbenstange (9) integriert ist.