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Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenmotor oder eine -pumpe oder einen -verdichter, bei denen die oszillierende Kolbenbewegung in einem Gehäuse in eine rotatorische Bewegung einer Welle umgewandelt wird (angetriebener Kolben = Motor) oder eine rotatorische in eine lineare Bewegung (angetriebene Welle = Pumpe oder Verdichter).
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Bei bekannten Lösungen wird die Umwandlung der oszillierenden Kolbenbewegung in eine Drehbewegung einer Welle mittels eines Kurbeltriebs mit einer Kurbelwelle und einer Pleulstange (Schubstange) bewältigt. Die bekanntesten sind die Kreuzkopf- und die Tauchkolbenbauarten.
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Gegenüber dem Kreuzkopfprinzip, bei dem üblicherweise zwei Arbeitsräume verwendet werden, hat das Tauchkolbenprinzip den Nachteil, dass Zylinderraum und Triebwerksraum nicht voneinander trennbar sind, so dass einerseits Schmierstoffe in den Brennraum und andererseits Brenngase in den Triebwerksraum gelangen können. Zum anderen bedarf die Pleulstange einer gewissen Länge, so dass die Motorhöhe sowohl der Kreuzkopf- als auch der Tauchkolbenmaschine nur begrenzt reduzierbar ist.
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Aus der
DE 195 00 854 A1 ist eine Hubkolbenmaschine bekannt mit einem Getriebe zum Umwandeln einer drehenden Bewegung in eine hin- und hergehende Bewegung oder umgekehrt, bestehend aus zwei in Umfangsrichtung eines exzentrischen Teils einer Welle diametral gegenüberliegenden Kraftübertragungselementen zur Kraftübertragung zwischen dem exzentrischen Teil einer Welle und den Kolben und mindestens einem Verbindungselement, welches die Kraftübertragungselemente starr miteinander verbindet, so dass die mit dem exzentrischen Teil der Welle in Wirkverbindung stehenden Kraftübertragungselemente gleichsinnig hin- und herbewegt werden, wobei das Verbindungselement sehr nahe an einer in Achsrichtung der Welle liegenden im Wesentlichen ebenen Seitenfläche des exzentrischen Teils der Welle vorbeigeführt ist. Um den Verschleiß zu senken, wird hier vorgeschlagen, miteinander in Eingriff stehende Flächen oder Konstruktionselemente zumindest teilweise zu härten.
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Die
DE 70 10 856 U schlägt einen kolbenstangenlosen Doppelkolbenmotor vor, bei dem in einem Doppelkolben eine Exzenterscheibe, in der ein Kurbelwellenzapfenlager, das mit der Kurbelwelle in Verbindung steht, exzentrisch angeordnet ist, drehbar gelagert ist und ein Nocken im Kurbelwellenzapfen in eine Aussparung in der Mitte des Doppelkolbens eingreift, wobei der Doppelkolben auch in der Mitte beiderseits geführt wird.
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Die
US 32 79 391 A beschreibt eine Kolbenpumpe mit einem Doppelkolben, in dem eine Ausnehmung für eine exzentrisch gelagerte Scheibe vorgesehen ist. Die Scheibe sitzt fest auf der Antriebswelle und hat an der Peripherie umlaufend ein Wälzlager, das mit dem Außenring stets an den Ausnehmungsflächen anliegt, so dass sich hier kein Verschleißproblem vordergründig stellt. Die Pumpe verfügt über zwei Schmierungssysteme, eins für das Wälzlager und eins für die Kolbenschmierung.
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Aus der
DE 196 37 091 C2 ist weiter eine pleuellose Doppelkolben-Verbrennungskraftmaschine bekannt, mit einer Kurbelwelle, die mit einem abgekröpften Kurbelabschnitt am Doppelkolben angreift, wobei innerhalb des Doppelkolbens ein Drehelement drehbar gelagert ist, dessen Drehachse parallel zu der der Kurbelwelle verläuft und das Drehelement eine exzentrisch zur Mittelquerachse des Doppelkolbens angeordneten Lageröffnung für den Kurbelabschnitt der Kurbelwelle aufweist und der Kurbelabschnitt ein drehfest damit verbundenes Zahnrad trägt, das mit einem innerhalb des Doppelkolbens drehfest angeordneten Hohlrad kämmt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen kompakten Hubkolbenmotor, -verdichter oder eine -pumpe vorzuschlagen, bei dem der Doppelkolben mit dem Exzenteran- oder dem Exzenterabtrieb verschleißarm zusammenwirkt.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1, vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird bei einer Hubkolbenmaschine mit einem in einem Gehäuseinnenraum oszillierend bewegbaren Doppelkolben, dessen oszillierende Bewegung in die Drehbewegung einer Arbeitswelle umgewandelt wird oder dessen oszillierende Bewegung das Resultat einer Drehbewegung einer angetriebenen Arbeitswelle ist, wobei durch den Doppelkolben im Gehäuseinnenraum zwei separate Arbeitskammern gebildet sind, in die verschließbare Ein- und Auslasskanäle münden, der Doppelkolben einen Triebwerksraum aufweist, durch den die Arbeitswelle, die sich beidseitig im Gehäuse abstützt, geführt ist, und in dem ein auf der Arbeitswelle angeordneter, mit der Arbeitswelle rotierender und eine exzentrische Umfangsbewegung ausführender scheibenförmige Körper angeordnet ist, wobei zwischen dem scheibenförmigen Körper und mindestens einer Kolbenunterseite eine Gleitpaarung oder Roll- oder eine Wälzpaarung besteht, vorgeschlagen, dass der scheibenförmige Körper auf der Arbeitswelle derart verschiebbar angeordnet ist, dass die Gleit- oder Abrollfläche zwischen dem scheibenförmigen Körper und der Kolbenunterseite variierbar ist, um so ein Einschleifen zu verhindern.
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Bei einer derartigen Hubkolbenmaschine steht der auf der Arbeitswelle innerhalb des Triebwerksraumes angeordnete scheibenförmige Körper mit einem kurvenförmigen Umfangsverlauf mit mindestens einer Unterseite (triebwerksraumseitig) der Kolben in einer direkten Wirkverbindung, derart, dass die oszillierende Kolbenbewegung der beiden Kolben zu einer Drehung der Arbeitswelle oder die Drehung der Arbeitswelle zu einer oszillierenden Kolbenbewegung führt infolge des sich verändernden Abstandes der Kurvenpheripherie in Kolbenlängsrichtung von der Drehachse der Arbeitswelle.
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Bei einem Motor bedeutet dies, dass die sich in Richtung Arbeitswelle bewegende Kolbenunterseite den scheibenförmigen Körper unter sich wegdrückt, direkt und ohne Zwischenschaltung einer Kurbelwelle, wobei der scheibenförmige Körper eine Drehbewegung vollzieht und dabei die Arbeitswelle mitnimmt. Bei dieser Drehbewegung verringert sich der Abstand der Pheripherie des scheibenförmigen Körpers zur Arbeitswelle bis auf ein Minimum, das notwendig ist zur Befestigung des scheibenförmigen Körpers auf der Arbeitswelle. Dieser Punkt oder genauer Winkelabschnitt ist der untere Totpunkt des sich in Richtung Arbeitswelle bewegenden Kolbens.
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Der andere Kolben hat jetzt seinen oberen Totpunktabschnitt erreicht und die Pheriperie des scheibenförmigen Körpers befindet sich hier in einem Bereich des größten Abstandes zur Arbeitswelle, so dass jetzt die Kolbenunterseite des zweiten Kolbens durch Druck auf den scheibenförmigen Körper die Weiterdrehung des scheibenförmigen Körpers bewirken kann.
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Diese Arbeitsweise ist mit verschiedensten scheibenförmigen Kurven realisierbar. In einer bevorzugten Ausführung ist der scheibenförmige Körper aber eine Kreisscheibe mit einem Durchmesser ≤ dem inneren Abstand zwischen den Kolben, wobei die Kreisscheibe exentrisch auf der Arbeitswelle angeordnet ist.
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Zwischen dem scheibenförmigen Körper bzw. der Kreischeibe und der Kolbenunterseite kann in der Phase des Antriebswechsels von einer auf die andere Kolbenunterseite durchaus ein minimales Spiel zur Kreisscheibe bestehen. Möglich ist auch eine Einstellung derart, dass der größte Abstand der Kreispheripherie zur Arbeitswelle einen geringen Vorlauf oder einen Nachlauf zur oberen Totpunktposition des jeweiligen Kolbens aufweist. Das Optimum ist dabei sowohl von den eingesetzten Materialien (Ausdehnung) und vom vorgesehenen Betriebsdrehzahlbereich abhängig.
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Die Verschiebbarkeit des scheibenförmigen Körpers auf der Arbeitswelle kann bei entsprechend ausgebildeten Gleit- oder Abrollflächen auch genutzt werden, um das Spiel zwischen der Pheripherie des scheibenförmigen Körpers und der Kolbenunterseite optimal einzustellen. Bezogen auf die Achsebene der Arbeitswelle verlaufen die Außenlinien der Kurvenscheibe und der Kolbenunterseite z. B. nicht parallel zur Arbeitswellenachse, sondern geneigt, so dass sich die Außenlinien beim Verschieben der Scheibe auf der Arbeitswelle annähern oder entfernen. Technisch ausgedrückt bedeutet dies, dass sich deren Spiel zueinander verringert oder vergrößert.
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Bei der Verbindung der beiden Kolben ist vorgesehen, dass diese Verbindung der Kolben zur Bildung des Triebwerkraumes durch Stege gebildet ist und/oder durch flächig ausgebildete Brücken. Die Stege oder Brücken können aus Vollmaterial bestehen oder eine netzartige oder eine andere Struktur aufweisen. In einer bevorzugten Ausführung werden die Stege oder Brücken durch zwei Halbschalen, vorzugsweise symmetrischen, gebildet mit einem seitlichen Abstand zueinander, der jeweils größer ist als der Arbeitswellendurchmesser.
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Die vorgeschlagene Hubkolbenmaschine bietet als weiteren Vorteil die Möglichkeit, dass die Kolben eine Scheibenform aufweisen, wobei ihre Lagestabilität durch die sie verbindenden Stege oder Brücken gewährleistet ist. Das bedeutet mindestens eine Gewichtsreduzierung.
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Weiter können die Stege oder Brücken einen Abstand zur Gehäusewand aufweisen, so dass die Reibung auf ein Minimum reduzierbar ist.
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Ferner sieht eine Ausgestaltung vor, dass die Gehäusewand über mindestens einen Ein- und Auslasskanal für Schmierstoffe in das Innere des Triebwerkraumes verfügt. Dabei sollten der Ein- oder Auslasskanal die Gehäusewand in einem Bereich durchdringen, der bei jeder Kolbenstellung der Kolben stets zwischen deren Unterkanten oder deren Ölabstreifringen liegt.
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Auf diese Weise wird nicht nur eine optimale Schmierung aller bewegten Teile erreicht, sondern durch den Schmierstoff, der den Triebwerksraum durchströmen kann, wird auch eine optimale Kühlung sichergestellt.
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Sollte es sich als notwendig oder zweckmäßig erweisen, dem Schmiermitteldurchfluss zu steuern, kann der Ein- und Auslasskanal für Schmierstoffe auch in Abhänigkeit von der Kolbenstellung verschließbar sein, vorzugsweise durch jeweils einen Abschnitt eines Steges oder einen Abschnitt einer Brücke.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Querschnitt der Kolben nicht nur kreisförmig ausgebildet ist, sondern bei anderen Ausführungen auch ellipsenförmig oder oval. Über diesen Weg läßt sich bei gleichbleibendem Durchmesser der kreisförmig ausgebildeten Kurvenscheibe die Hubraumgröße für unterschiedliche Hubkolbenmaschinen verändern. Analoges gilt auch für andere Kurvenscheiben.
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Die Hubkolbenmaschine soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 Hubkolbenmaschine mit Blick auf die breite Scheibenseite,
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2 Hubkolbenmaschine mit Blick auf die schmale Scheibenseite und
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3 Kreisscheibe mit Rollen.
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Die 1 und 2 zeigen die Hubkolbenmaschine mit in dem Gehäuseinnenraum 1 oszillierend bewegbaren Kolben 4, 5, deren oszillierende Bewegung in die Drehbewegung der Arbeitswelle 2 gewandelt wird oder deren oszillierende Bewegung das Resultat einer Drehbewegung einer angetriebenen Arbeitswelle 2 ist.
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Der Gehäuseinnenraum 1 wird durch die beiden beabstandet angeordneten, miteinander starr verbundenen fluchtenden Kolben 4, 5 in zwei separate Arbeitskammern 7, 8 unterteilt. Jede Arbeitskammer 7, 8 ist mit verschließbaren Ein- und Auslasskanälen 11, 12 verbunden.
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Zwischen den miteinander verbundenen Kolben 4, 5 befindet sich der Triebwerksraum 9 mit der Arbeitswelle 2, die sich im Gehäuse auf den Lagern 13 abstützt, deren Achse quer zur Bewegungsrichtung der Kolben 4, 5 verläuft, und die die Drehbewegung nach außerhalb des Gehäuses oder von außen in das Gehäuse überträgt.
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Auf der Arbeitswelle 2 ist innerhalb des Triebwerksraumes 9 der scheibenförmige Körper 3 mit einem kurvenförmigen Umfangsverlauf, hier eine Kreisscheibe, angeordnet. Die Kreisscheibe steht mit mindestens einer Unterseite (triebwerksraumseitig) der Kolben 4, 5 in einer Wirkverbindung, derart, dass die oszillierende Kolbenbewegung der beiden Kolben 4, 5 zu einer Drehung der Arbeitswelle 2 oder die Drehung der Arbeitswelle 2 zu einer oszillierenden Kolbenbewegung führt infolge des sich verändernden Abstandes der Kurvenpheripherie in Kolbenlängsrichtung von der Drehachse der Arbeitswelle 2. In der dargestellten Phase des Antriebswechsels von einer auf die andere Kolbenunterseite (hier von 4 auf 5) kann zwischen dem scheibenförmigen Körper 3 bzw. der Kreischeibe und der Kolbenunterseite ein minimales Spiel zur Kreisscheibe bestehen. Möglich ist, wie eingangs bereits ausgeführt, auch eine Einstellung derart, dass der größte Abstand der Kreispheripherie zur Arbeitswelle einen geringen Vorlauf oder einen Nachlauf zur oberen Totpunktposition des jeweiligen Kolbens aufweist.
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Der scheinförmige Körper 3 der Hubkolbenmaschine ist auf der Arbeitswelle 2 verschiebbar angeordnet. Dies wird in 2 mit den Pfeilen angedeutet.
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Die Verbindung der Kolben 4, 5 zur Bildung des Triebwerkraumes 9 wird in der dargestellten Ausführung durch flächig ausgebildete Brücken 6 hergestellt. Die Kolben 4, 5 können so eine Scheibenform aufweisen, wobei ihre Lagestabilität durch die sie verbindenden Brücken 6 gewährleistet ist. Die Brücken 6 werden hier durch zwei symmetrisch angeordnete Halbschalen gebildet mit einem seitlichen Abstand 14 zueinander jeweils größer als der Arbeitswellendurchmesser.
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Ferner wird gezeigt, dass die Brücken 6 einen Abstand 15 zur Gehäusewand aufweisen.
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Die Gehäusewand verfügt weiter über einen Ein- und einen Auslasskanal 10 für Schmierstoffe in das Innere des Triebwerkraumes 9. Die Ein- und/oder Auslasskanäle 10 durchdringen die Gehäusewand in einem Bereich, der bei jeder Kolbenstellung der Kolben 4, 5 stets zwischen deren Unterkanten oder deren Ölabstreifringen liegt.
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Durch die über die Ein- und Auslasskanäle 10 den Triebwerksraum 9 durchströmenden Schmierstoffe wird eine optimale Schmierung aller bewegten Teile erreicht und eine optimale Kühlung sichergestellt.
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3 zeigt, dass zwischen dem scheibenförmigen Körper 3 und mindestens einer Kolbenunterseite eine Gleitpaarung oder eine Rollpaarung besteht. Dies ist hier durch die Anordnung eines Wälzlagers 16 auf oder in der Peripherie des kreisscheibenförmigen Körpers 3 umlaufend erfolgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuseinnenraum
- 2
- Arbeitswelle
- 3
- scheibenförmiger Körper
- 4
- Kolben
- 5
- Kolben
- 6
- Brücken oder Stege
- 7
- Arbeitskammer
- 8
- Arbeitskammer
- 9
- Triebwerksraum
- 10
- Ein- und Auslasskanäle für Schmiermittel
- 11
- Einlasskanal in einen Arbeitsraum
- 12
- Auslasskanal aus einem Arbeitsraum
- 13
- Lager der Arbeitswelle
- 14
- Abstand zwischen Brücken für Arbeitswelle
- 15
- Gehäuseabstand der Brücken
- 16
- Rollen-, Wälz, Nadel- oder Gleitlager
