DE102006061437A1

DE102006061437A1 - Axialkolbenmotor

Info

Publication number: DE102006061437A1
Application number: DE200610061437
Authority: DE
Inventors: Andreas Werler
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2006-12-23
Filing date: 2006-12-23
Publication date: 2008-06-26

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Axialkolbenmotor mit mindestens einem Hubkolben und mindestens einer Kurvenfläche zur Übertragung einer Hubkolbenbewegung und ein Arbeitsspiel, das über einen Kurvenflächenwinkel (psi) von 360° verläuft. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Kolbenaufwärtshub über einen Kurvenflächenwinkel (alpha) größer 180° verläuft und ein Kolbenabwärtshub über einen Kurvenflächenwinkel (beta) kleiner 180° verläuft. Die Erfindung zeichnet sich zudem dadurch aus, dass ein Kolbenaufwärtshub über einen Kurvenflächenwinkel (alpha) kleiner 180° verläuft und ein Kolbenabwärtshub über einen Kurvenflächenwinkel (beta) größer 180° verläuft.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Axialkolbenmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und 4.
Stand der Technik
Aus der DE 137 280 A ist eine Kraftmaschine mit umlaufenden, parallel zur Welle gerichteten Zylindern, deren Kolbenbewegung durch mit Kurvenbahn versehene Trommeln in Drehbewegung umgesetzt wird, bekannt.
Eine zweite mit Kurvenbahn versehene, feststehende Trommel ist derart angeordnet, dass jede Kurvenbahn mit je einer Rolle eines an den Kolbenstangen angebrachten Rollenpaares beständig in Berührung ist, wodurch sowohl beim Hingang als auch beim Hergang der Kolben ein zwangsweises und gleichzeitiges Einwirken beider Kurvenbahnen auf ihre Rollen erzielt wird.
Die Kurve der ersten Kurvenbahn ist aus der Bewegung des einen Kurbelzapfens entwickelt, so dass einer Umdrehung der Welle je zwei Kolbenhübe jedes Zylinders entsprechen. In einer alternativen Ausführungsform ist die feststehende Trommel mittels eines mit Schraubengewinden versehenen Ringes verstellbar, um ein genaues Zusammenwirken beider Kurvenbahnen mit ihren Rollen zu ermöglichen.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe eines Axialkolbenmotors, welcher variabel hinsichtlich Effizienz und Leistungsabgabe auslegbar ist, zu Grunde.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird durch einen Axialkolbenmotor gemäß Anspruch 1 und Anspruch 4 gelöst.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Axialkolbenmotor weist ein Arbeitsspiel mit einem Kurvenflächenwinkelbereich von 360° auf, so dass ein Kolbenaufwärtshub, d. h. die Bewegung eines Hubkolbens vom unteren Totpunkt (UT) zum oberen Totpunkt (OT), und ein Kolbenabwärtshub, d. h. die Bewegung des Hubkolbens vom oberen Totpunkt (OT) zum unteren Totpunkt (UT), nach 360° abgeschlossen ist.
Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, den Kolbenaufwärtshub und den Kolbenabwärtshub asymmetrisch zu gestalten, so dass der Kurvenwinkelbereich für den Kolbenaufwärtshub und der Kurvenwinkelbereich für den Kolbenabwärtshub unterschiedlich groß sind. Zur variablen Auslegung des Axialkolbenmotors hinsichtlich Effizienz und Leistungsabgabe werden keine Änderungen des Arbeitsraumes und der Größe des Axialkolbenmotors vorgenommen. Es werden erfindungsgemäß zur variablen Auslegung des Axialkolbenmotors lediglich Veränderungen der Kurvenwinkelbereiche des Kolbenaufwärts- und Kolbenabwärtshubes vorgenommen.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung weist der Kolbenabwärtshub einen Kurvenflächenwinkelbereich kleiner 180° auf, so dass dieser Hub, bei dem ein Arbeitsmedium, vorzugsweise ein gasförmiges Arbeitsmedium, expandiert, innerhalb einer kürzeren Zeitdauer im Vergleich zu einem Kurvenflächenwinkelbereich von 180° abgeschlossen ist. Durch den zeitlich verkürzten Kolbenabwärtshub treten geringere Leckageverluste, auch Blowby genannt, des Arbeitsmediums auf.
Die Leckage entspricht dem Druckverlust des Arbeitsmediums infolge der Spaltmaße zwischen Hubkolben und Zylinder über die Zeitdauer der Arbeitsbewegung des Hubkolbens, so dass ein Teil des Expansionsdruckes des Arbeitsmediums über die Spalte herausströmt und somit nicht der gesamte Arbeitsdruck zum Antreiben einer Abtriebswelle zur Verfügung steht.
Da erfindungsgemäß der Kurvenwinkelbereich kleiner 180° beim Kolbenabwärtshub ist, ist die Zeitdauer des Arbeitshubes geringer und somit kann in einer kürzeren Zeit weniger Arbeitsmedium über die Spalte herausströmen, so dass die Leckage geringer ist. Da erfindungsgemäß nur der Kurvenwinkelbereich für den Kolbenabwärtshub verkürzt wird und nicht zusätzlich die Spaltmaße zwischen Hubkolben und Zylinder verändert werden, können auch bestehende Axialkolbenmotoren durch eine Verkürzung des Kurvenwinkelbereichs eine geringere Leckage haben.
Weiterhin können bei gleichbleibendem Leckageverlust geringere Drehzahlen der Abtriebswelle erreicht werden, da bei gleichbleibenden Spaltmaßen und einem gleichen Kurvenwinkelbereich kleiner 180° die Zeitdauer der Arbeitsbewegung größer ist und somit die Drehzahl der Abtriebswelle geringer ist.
Ein Vorteil des zeitlich verkürzten Abwärtshubes besteht in geringeren Wandwärmeverlusten. Der Kolbenabwärtshub, d. h. die Arbeitsbewegung des Hubkolbens, verläuft in einer kürzeren Zeitdauer, so dass das infolge der Expansion das heiße Arbeitsmedium eine geringere Zeitdauer die Möglichkeit hat, die Zylinderwand zu erwärmen.
Ein Vorteil des zeitlich verkürzten Kolbenabwärtshubes besteht in einer Veränderung der Aufteilung der Radial- und Axialkraft derart, dass die Axialkraft, die in diesem Fall eine sog. Blindkraft ist, geringer und die Radialkraft höher wird, so dass ein höheres Drehmoment an der Abtriebswelle resultiert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform liegt der Kurvenflächenwinkelbereich des Kolbenabwärtshubs zwischen 60° und 170°, vorzugsweise zwischen 90° und 110°.
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung weist der Kolbenabwärtshub einen Kurvenflächenwinkelbereich größer 180° auf, so dass dieser Hub, bei dem ein Arbeitsmedium, vorzugsweise ein gasförmiges Arbeitsmedium, expandiert, innerhalb einer längeren Zeitdauer im Vergleich zu einem Kurvenflächenwinkelbereich von 180° abgeschlossen ist. Für den Kolbenabwärtshub steht ein Kurvenwinkelbereich größer 180° zur Verfügung, so dass der Einlass über einen längeren Zeitraum/Kurvenwinkelbereich geöffnet werden kann und damit bei gleichem Druck mehr Arbeitsmedium in den Arbeitsraum einströmen kann. Da in dem Arbeitsraum sich mehr Arbeitsmedium befindet, kann über einen längeren Zeitraum/Kurvenwinkelbereich das Arbeitsmedium expandieren, so dass die Leistung des Axialkolbenmotors sich erhöht. Die durch den längeren Kolbenabwärtshub resultierenden Leckage- und Wandwärmeverluste stehen in einem vertretbaren Verhältnis zu dem Leistungszuwachs.
In einer vorteilhaften Ausführungsform liegt der Kurvenflächenwinkelbereich des Kolbenabwärtshubs zwischen 190° und 300°, vorzugsweise zwischen 250° und 270°.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Axialkolbenmotor eine Konturscheibe mit einer Konturbahn auf, so dass die Konturbahn die Kurvenfläche zur Übertragung der Kolbenbewegung auf die Abtriebswelle ist. Die Konturscheibe kann als einzelnes Bauteil in Serie gefertigt werden, beispielsweise mittels Sintern.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist jeder Hubkolben mit einem Kontaktelement mit der Konturbahn und somit mit der Konturscheibe kraftschlüssig verbindbar. Das Kontaktelement kann beispielsweise eine Wälzkugel sein. Das Kontaktelement ist vorteilhafterweise an der Unterseite des Hubkolbens angeordnet.
Die kraftschlüssige Verbindung zwischen Hubkolben und Konturscheibe wird vorteilhafterweise durch eine Feder, welche beispielsweise zwischen dem Hubkolben und dem Gehäuse des Axialkolbenmotors angeordnet ist, bereitgestellt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Hubkolben mit der Konturscheibe formschlüssig verbunden. Beispielsweise können hierfür an dem Hubkolben zwei Kontaktelemente derart angeordnet sein, dass ein Kontaktelement die Konturbahn, welche auf einer Seite der Konturscheibe angeordnet ist, und das andere Kontaktelement die entgegengesetzte Seite der Konturscheibe kontaktiert, so dass eine Zwangsführung zwischen Hubkolben und Konturscheibe vorliegt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Konturscheibe in dem Gehäuse des Axialkolbenmotors auf einem Axialnadelkranz lagerbar.
Zeichnungen
Es zeigen:
1: eine perspektivische Ansicht auf einen erfindungsgemäßen Axialkolbenmotor, teilweise im Schnitt;
2: eine weitere perspektivische Ansicht auf den Axialkolbenmotor gemäß 1;
3: eine andere perspektivische Ansicht auf den Axialkolbenmotor gemäß 1;
4a: eine Draufsicht auf eine Konturscheibe gemäß einer ersten Ausführungsform;
4b: eine Draufsicht auf eine Konturscheibe gemäß einer zweiten Ausführungsform;
5: ein Diagramm eines Hubkolbenbewegungsverlaufes.
In den 1 bis 3 ist eine erfindungsgemäße Axialkolbenmotor 1 teilweise dargestellt. Jeder Hubkolben 2 ist in einem Gehäuse 3 der Axialkolbenmotor 1 in Richtung der Pfeile A und B translatorisch beweglich. Um den Hubkolben 2 herum ist eine Feder 4 in der Form einer Druckfeder in dem Gehäuse 3 angeordnet, wobei durch eine Bewegung des Hubkolbens 2 in Richtung des Pfeils A die Federkraft erhöht und der Federweg verringert wird. An der Unterseite 5 des Hubkolbens 2 ist ein Kontaktelement 6 in Form einer Wälzkugel angeordnet. Über das Kontaktelement 6 ist der Hubkolben 2 mit einer Konturscheibe 7 kraftschlüssig verbunden, wobei der Kraftschluss und somit der Anlagedruck auf die Konturscheibe 7 durch die Feder 4 erzeugt wird.
Die Konturscheibe 7 weist auf der dem Hubkolben 2 zugewandten Seite eine Konturbahn 8 auf, wobei das Kontaktelement 6 auf der Konturbahn 8 beweglich ist. Die Konturscheibe 7 ist auf der der Konturbahn 8 entgegengesetzten Seite auf einem Lager 9, beispielsweise einem Axialnadelkranz, in dem Gehäuse 3 rotatorisch beweglich in Richtung des Pfeils C gelagert. An der Konturscheibe 7 ist eine Abtriebswelle 10, die aus dem Gehäuse 3 herausragt, zur Übertragung der Drehbewegung angeordnet.
Aus den 2 und 3 ist der asymmetrische Steigungsverlauf der Konturbahn 8 ersichtlich. Durch die Asymmetrie ist die Steigung des Kolbenabwärtshubes größer im Vergleich zu der Steigung des Kolbenaufwärtshubes.
In 4a ist eine Draufsicht auf die Konturscheibe 7 gemäß 1 bis 3 dargestellt. Ein Arbeitsspiel, d. h. eine Bewegung des Hubkolbens 2 in Richtung des Pfeils A und eine anschließende Bewegung des Hubkolbens 2 in Richtung des Pfeils B, verläuft bei einer vollständigen Drehung, d. h. 360°, der Konturscheibe 7 in Richtung des Pfeils C. Für die Bewegung des Hubkolbens 2 in Richtung des Pfeils A wird die Konturscheibe 7 um einen Winkel α, der größer 180° ist, in Richtung des Pfeils C gedreht. Da für die Kolbenaufwärtsbewegung ein größerer Kurvenwinkelbereich α zur Verfügung steht und die Feder 4 über eine längere Zeitdauer kontinuierlich zusammengedrückt wird, kann die Feder 4 eine geringere Federkonstante im Vergleich zu einer Feder bei einem Kurvenwinkelbereich von 180° aufweisen.
Für die Bewegung des Hubkolbens 2 in Richtung des Pfeils B wird die Konturscheibe 7 um einen Winkel β kleiner 180° in Richtung des Pfeils C gedreht.
Beim oberen Totpunkt OT des Hubkolbens 2 strömt über einen geöffneten Einlass 11 ein Arbeitsmedium, beispielsweise ein Gas, in einen Arbeitsraum 12. Danach wird der Einlass 11 geschlossen. Durch eine Expansion des Arbeitsmediums (und der Federkraft der Feder 4) wird der Hubkolben 2 in Richtung des Pfeils B zum unteren Totpunkt UT bewegt. Beim unteren Totpunkt UT wird der Auslass 13 geöffnet und durch die Bewegung des Hubkolbens 2 in Richtung des Pfeils A strömt das expandierte Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum 12 heraus. Mit der Bewegung des Hubkolbens 2 in Richtung des Pfeils A wird der Federweg der Feder 4 verkürzt.
Durch die Bewegung des Hubkolbens 2 in Richtung des Pfeils B wirkt auf die Konturscheibe 7 und somit auch auf die Abtriebswelle 10 eine Axialkraft F_a und eine Radialkraft F_r. Im Vergleich zu einem Winkelbereich von 180° auf der Konturscheibe 7 ist der erfindungsgemäße Winkelbereich β kleiner 180°, beispielsweise 100°, so dass die Aufteilung der Kraftkomponenten Axialkraft F_a zu Radialkraft F_r derart verändert wird, dass die Axialkraft F_a verringert und die Radialkraft F_r erhöht wird. Da bei einer Axialkolbenmotor 1 die Axialkraft F_a eine sog. Blindkraft ist, wird durch den verkürzten Winkelbereich β der Blindkraftanteil gesenkt, so dass in einem Getriebe geringere Blindkräfte auftreten und somit ein höheres Drehmoment an der Abtriebswelle 10 anliegt.
4b zeigt die Konturscheibe 7 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Ein Arbeitsspiel, d. h. eine Bewegung des Hubkolbens 2 in Richtung des Pfeils A und eine anschließende Bewegung des Hubkolbens 2 in Richtung des Pfeils B, verläuft bei einer vollständigen Drehung, d. h. 360°, der Konturscheibe 7 in Richtung des Pfeils C.
Für die Bewegung des Hubkolbens 2 in Richtung des Pfeils A wird die Konturscheibe 7 um einen Winkel α, der kleiner 180° ist, in Richtung des Pfeils C gedreht.
Für die Bewegung des Hubkolbens 2 in Richtung des Pfeils B wird die Konturscheibe 7 um einen Winkel β größer 180° in Richtung des Pfeils C gedreht.
In 5 ist ein Diagramm von Kolbenhubwegen s über den Kurvenwinkel γ dargestellt. Der Kolbenhubweg s verläuft zwischen einem minimalen Kolbenhubweg s_min, beim unteren Totpunkt UT, und einem maximalen Kolbenhubweg s_max, beim oberen Totpunkt OT. Die Kurve K₁ zeigt ein Arbeitsspiel eines erfindungsgemäßen Axialkolbenmotors 1. Der Kurvenwinkelbereich α des Kolbenaufwärtshubes beträgt ca. 250° und ist somit größer 180°. Der Kurvenwinkelbereich β des Kolbenabwärtshubes beträgt ca. 110° und ist somit kleiner 180°.
Die Kurve K₂ zeigt ein Arbeitsspiel eines Axialkolbenmotors gemäß dem Stand der Technik, wobei der Kurvenwinkelbereich α und der Kurvenwinkelbereich β jeweils 180° betragen. Die Kurve K₃ zeigt ein Arbeitsspiel eines alternativen erfindungsgemäßen Axialkolbenmotors 1. Der Kurvenwinkelbereich α des Kolbenaufwärtshubes beträgt ca. 110° und ist somit kleiner 180°. Der Kurvenwinkelbereich β des Kolbenabwärtshubes beträgt Ca. 250° und ist somit größer 180°.
Ein anderer Vorteil des verkürzten Kolbenabwärtshubes s besteht in einer Veränderung der Aufteilung der Radialkraft F_r und Axialkraft F_a derart, dass die Axialkraft F_a, die in diesem Fall eine sog. Blindkraft ist, geringer und die Radialkraft F_r höher wird, so dass ein höheres Drehmoment an der Abtriebswelle 10 resultiert.
Vorzugsweise weist ein Axialkolbenmotor 1 mit einem Kolbenaufwärtshub über einen Kurvenflächenwinkel α größer 180° eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Hubkolben 2 und Konturscheibe 7, und ein Axialkolbenmotor 1 mit einem Kolbenaufwärtshub über einen Kurvenflächenwinkel α kleiner 180° eine formschlüssige Verbindung zwischen Hubkolben 2 und Konturscheibe 7 auf.
Der erfindungsgemäße Axialkolbenmotor 1 hat ein Arbeitsspiel von zwei Takten, wobei in einem Takt das Arbeitsmedium expandiert und in dem anderen Takt das expandierte Arbeitsmedium ausströmt. Ein Verdichten/Komprimieren des Arbeitsmediums erfolgt nicht durch eine Bewegung des Hubkolbens 2.

1: Axialkolbenmotor
2: Hubkolben
3: Gehäuse
4: Feder
5: Unterseite
6: Kontaktelement
7: Konturscheibe
8: Konturbahn
9: Lager
10: Abtriebswelle
11: Einlass
12: Arbeitsraum
13: Auslass
A: Pfeil
B: Pfeil
C: Pfeil
F_a: Axialkraft
F_r: Radialkraft
K₁: Kurve
K₂: Kurve
K₃: Kurve
OT: oberer Totpunkt
UT: unterer Totpunkt
s: Kolbenhubweg
s_min: minimaler Kolbenhubweg
s_max: maximaler Kolbenhubweg
α: Winkel
β: Winkel Winkel

Claims

Axialkolbenmotor (1) mit mindestens einem Hubkolben (2) und mindestens einer Kurvenfläche zur Übertragung einer Hubkolbenbewegung, und ein Arbeitsspiel über einen Kurvenflächenwinkel (γ) von 360° verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kolbenaufwärtshub über einen Kurvenflächenwinkel (α) größer 180° verläuft und ein Kolbenabwärtshub über einen Kurvenflächenwinkel (β) kleiner 180° verläuft.
Axialkolbenmotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenabwärtshub über einen Kurvenflächenwinkel (β) zwischen 60° und 170° verläuft.
Axialkolbenmotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenabwärtshub über einen Kurvenflächenwinkel (β) zwischen 90° und 110° verläuft.
Axialkolbenmotor (1) mit mindestens einem Hubkolben (2) und mindestens einer Kurvenfläche zur Übertragung einer Hubkolbenbewegung, und ein Arbeitsspiel über einen Kurvenflächenwinkel (γ) von 360° verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kolbenaufwärtshub über einen Kurvenflächenwinkel (α) kleiner 180° verläuft und ein Kolbenabwärtshub über einen Kurvenflächenwinkel (β) größer 180° verläuft.
Axialkolbenmotor (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenabwärtshub über einen Kurvenflächenwinkel (β) zwischen 190° und 300° verläuft.
Axialkolbenmotor (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenabwärtshub über einen Kurvenflächenwinkel (β) zwischen 250° und 270° verläuft.
Axialkolbenmotor (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Axialkolbenmotor (1) eine Konturscheibe (7) mit einer Konturbahn (8) aufweist, wobei die Konturbahn (8) die Kurvenfläche ist.
Axialkolbenmotor (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Hubkolben (2) kraftschlüssig über ein Kontaktelement (6) mit der Konturbahn (8) verbindbar ist.
Axialkolbenmotor (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Hubkolben (2) formschlüssig über ein Kontaktelement (6) mit der Konturbahn (8) verbindbar ist.
Axialkolbenmotor (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (6) an einer Unterseite (5) des Hubkolbens (2) angeordnet ist.
Axialkolbenmotor (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubkolben (2) mindestens eine Feder (4) aufweist.
Axialkolbenmotor (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturscheibe (7) auf einem Lager (9) in einem Gehäuse (3) des Axialkolbenmotors (1) rotatorisch beweglich ist.
Axialkolbenmotor (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (9) ein Axialnadelkranz ist.