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Die
Erfindung betrifft eine Schwenkkolbenmaschine, mit einem Gehäuse, das
eine im Wesentlichen kugelförmige
Gehäuseinnenwand
aufweist, wobei in dem Gehäuse
vier Kolben angeordnet sind, die um eine etwa gehäusemittige
Umlaufachse gemeinsam umlaufen, wobei von den vier Kolben jeweils
zwei bezüglich
der Umlaufachse etwa diametral gegenüberliegende Kolben ein starres
Kolbenpaar bilden, wobei die beiden Kolbenpaare um eine gemeinsame,
etwa senkrecht zur Umlaufachse verlaufende Schwenkachse gegensinnig
hin und her verschwenkbar sind, wobei die beiden Kolbenpaare bezüglich der
Schwenkachse über
Kreuz angeordnet sind, derart, dass sich jeweils zwei Kolben der
beiden Kolbenpaare mit ihren Kolbenarbeitsflächen gegenüberstehen, um dazwischen eine
Arbeitskammer zu bilden, wobei jedes Kolbenpaar einen Lagerabschnitt zur
Lagerung des Kolbenpaares auf der Schwenkachse und für beide
Kolben des Kolbenpaares einen Seitenwandabschnitt zur seitlichen
Begrenzung jeweils einer der Arbeitskammern aufweist.
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Eine
solche Schwenkkolbenmaschine ist aus dem Dokument WO 03/067033 A1
bekannt.
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Schwenkkolbenmaschinen
gehören
zu einer Gattung von Brennkraftmaschinen, bei denen die einzelnen
Arbeitstakte des Einlassens, Verdichtens, Zündens, Expandierens und Ausstoßens des
Verbrennungsgemisches durch hin- und hergehende Schwenkbewegungen
der einzelnen Kolben zwischen zwei Einstellungen vermittelt werden.
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Die
Schwenkkolben laufen dabei in dem Gehäuse um eine gemeinsame gehäusefeste
Umlaufachse um, wobei die Umlaufbewegung der Kolben als Drehbewegung
einer Abtriebswelle abgegriffen werden kann. Beim Umlaufen der Schwenkkolben
in dem Gehäuse
führen
die Schwenkkolben die erwähnten
hin- und hergehenden Schwenkbewegungen aus.
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Die
zuvor genannte bekannte Schwenkkolbenmaschine weist ein Gehäuse auf,
das innenseitig kugelförmig
ausgebildet ist, wobei die Schwenkachse der Kolben durch eine gemeinsame
Schwenkachse gebildet ist, die etwa durch die Gehäusemitte senkrecht
zur Umlaufachse verläuft.
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Jeweils
zwei bezüglich
der Schwenkachse diametral gegenüberliegende
Kolben sind zu einem Doppelkolben starr miteinander verbunden, wobei zwischen
den beiden Kolben eines Kolbenpaares ein Lagerabschnitt vorhanden
ist, der bei der bekannten Schwenkkolbenmaschine durch einen schmalen
Lagerring gebildet ist. Beide Kolbenpaare sind über ihren jeweiligen Lagerring
auf einem Achszapfen, der die Schwenkachse bildet, über Kreuz
bezüglich
der Schwenkachse verschwenkbar gelagert. Die Lagerringe der Kolbenpaare
der bekannten Schwenkkolbenmaschine sitzen voneinander beabstandet
etwa an Enden des Achszapfens, wobei zwischen den beiden Lagerringen
ein weiterer Ring auf dem Achszapfen sitzt, an dem die Abtriebswelle
befestigt ist.
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Des
Weiteren ist an jedem Kolbenpaar dem jeweiligen Lagerabschnitt gegenüberliegend
ein Seitenwandabschnitt für
beide Kolben des Paares zur seitlichen Begrenzung der beiden Arbeitskammern angeordnet,
wobei der Seitenwandabschnitt eine der Arbeitskammer zugewandte
gerade Fläche
aufweist, die vollständig
senkrecht zur Schwenkachse steht.
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Nachteilig
an der bekannten Bauweise einer Schwenkkolbenmaschine der eingangs
genannten Art ist, dass für
den jeweiligen Lagerabschnitt in Richtung der Schwenkachse nur eine
kleine Baulänge
zur Verfügung
steht, wodurch konstruktiv bedingt eine höhere Verschleißanfälligkeit
zu befürchten
ist. Darüber
hinaus ist auch die Montage der bekannten Schwenkkolbenmaschine
aufwendiger, weil zusätzlich
noch auf dem Achszapfen der Lagering der Abtriebswelle platziert
werden muss. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Abtriebswelle
an den Kolben vorbei bis zur Schwenkachse geführt ist.
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Eine
weitere Schwenkkolbenmaschine, die ein Gehäuse mit einer im Wesentlichen
kugelförmigen
Gehäuseinnenwand
aufweist, und in dem zwei bezüglich
der Gehäusemitte
etwa diametral gegenüberliegende
Kolben jeweils ein starres Kolbenpaar bilden, die um eine gemeinsame,
etwa senkrechte Umlaufachse verlaufende Schwenkachse gegensinnig
hin und her verschwenkbar sind, und wobei die beiden Kolbenpaare
bezüglich
der Schwenkachse über
Kreuz angeordnet sind, ist aus dem Dokument
US 3,075,506 bekannt. Bei dieser bekannten Schwenkkolbenmaschine
weist jeder Kolben jedes Kolbenpaares entweder einen oder zwei Lagerabschnitte
auf, jedoch keine Seitenwandabschnitte zur seitlichen Begrenzung
der Arbeitskammern. Zur seitlichen Begrenzung der Arbeitskammern
weist diese bekannte Schwenkkolbenmaschine vielmehr einen Kolbenkäfig auf,
der zwei kugelkappenförmige
Endabschnitte aufweist, zwischen denen die Kolben angeordnet sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schwenkkolbenmaschine
der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass der konstruktive
Aufbau vereinfacht, die Montage erleichtert und auch die Stabilität der Lagerung
der Kolbenpaare auf der Schwenkachse erhöht und eine kompakte Bauweise
erreicht wird.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe hinsichtlich der eingangs genannten Schwenkkolbenmaschine
dadurch gelöst,
dass der Lagerabschnitt und die Seitenwandabschnitte einstückig miteinander
ausgebildet und an einer selben Seite des jeweiligen Kolbenpaares
angeordnet sind.
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Im
Unterschied zu der bekannten Schwenkkolbenmaschine ist bei der erfindungsgemäßen Schwenkkolbenmaschine
demnach vorgesehen, den Lagerabschnitt und die Seitenwandabschnitte
bei jedem Kolbenpaar ineinander zu integrieren, anstatt den Lagerabschnitt
an dem einen Ende der Kolben und davon beabstandet die Seitenwandabschnitte am
anderen Ende vorzusehen. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung hat den Vorteil,
insbesondere dann, wenn die Abtriebswelle nicht bis zur Schwenkachse
geführt
ist, wie in bevorzugten Ausgestaltungen vorgesehen ist, dass der
Lagerabschnitt in Richtung der Schwenkachse wesentlich länger und
somit stabiler ausgebildet werden kann, und außerdem besteht der weitere
Vorteil darin, dass die Seitenwand anstatt planeben und senkrecht
zur Schwenkachse bezüglich
der Schwenkachse geneigt ausgebildet werden kann, wie dies ebenfalls
in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen ist.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung erstreckt sich der Lagerabschnitt
in Richtung der Schwenkachse über
etwa die Hälfte
der Breite des Kolbenpaars in Richtung der Schwenkachse.
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Wenn
die beiden Kolbenpaare über
Kreuz nebeneinander angeordnet werden, erstrecken sich somit die
beiden Lagerabschnitte der Kolbenpaare über die gesamte Länge der
Ausdehnung der Kolben in Richtung der Schwenkachse, wodurch die
einzelnen Kolbenpaare äußerst stabil
auf der Schwenkachse gelagert werden können.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung erstreckt sich der jeweilige
Seitenwandabschnitt auf dem Lagerabschnitt von außen nach
innen und von oben nach unten konkav gewölbt.
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Diese
Ausgestaltung, die erst durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung jedes Kolbenpaares ermöglicht wird,
hat den Vorteil, dass die beiden Arbeitskammern bzw. Brennmulden
gewölbte
Seitenwände
haben, was sich hinsichtlich der Druckverteilung beim Zünden und
Expandieren des in der Arbeitskammer gezündeten Brennstoff-Luft-Gemisches als
besonders günstig
erweist, weil die gesamte Expansionskraft auf die Kolbenarbeitsfläche wirkt
und nicht an den Seitenwänden
verpufft, die keinen Beitrag zur Krafteinleitung in die Schwenkbewegung leisten
können.
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Dabei
ist es weiter bevorzugt, wenn sich der jeweilige Seitenwandabschnitt
in Richtung der Schwenkachse über
die gesamte Länge
des Lagerabschnitts erstreckt.
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Durch
Zusammenfügen
der beiden Kolbenpaare über
Kreuz ergeben sich somit insgesamt seitlich und am Boden gewölbte Arbeitskammern
bzw. Brennmulden, wodurch sich der gesamte Druck beim Expandieren
des gezündeten
Brennstoff-Luft-Gemisches vollständig
auf die vorzugsweise plan ausgeführten
Kolbenarbeitsflächen
auswirkt, wodurch der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Schwenkkolbenmaschine
gegenüber
der bekannten Schwenkkolbenmaschine verbessert ist.
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Um
diese insgesamt muldenförmigen
Arbeitskammern bzw. Brennmulden realisieren zu können, weist jeder Kolben an
seinem dem Seitenwandabschnitt gegenüberliegenden Ende eine Seitenfläche auf,
deren Form an den Seitenwandabschnitt desjenigen Kolbens angepasst
ist, mit dem dieser Kolben zusammen die jeweilige Arbeitskammer
bildet.
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Der
Seitenwandabschnitt jedes Kolbenpaares bildet somit vorteilhafterweise
bei der hin- und hergehenden Schwenkbewegung der Kolben eine Führungsfläche für den jeweiligen
Gegenkolben.
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In
zweckmäßigen und
vorteilhaften konstruktiven Ausgestaltungen erstreckt sich jeder
einzelne Kolben um die Umlaufachse um etwa 90°. Des Weiteren liegt vorzugsweise
ein Verhältnis
zwischen einer Abmessung jedes Kolbens in Richtung der Schwenkachse
und einer Abmessung jedes Kolbens quer zur Schwenkachse im Bereich
von etwa 1,5 : 1 bis 2,5 : 1, und beträgt vorzugsweise 2,2 : 1. Vorzugsweise
liegt ein maximaler Öffnungswinkel
der Arbeitskammern um die Schwenkachse im Bereich von etwa 40° bis etwa
60°, d.h.
der hin- und hergehende Schwenkhub jedes einzelnen Kolbenpaares
beträgt etwa
die Hälfte
des zuvor genannten maximalen Öffnungswinkels.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sitzen die beiden Kolbenpaare
mit ihren Lagerabschnitten auf einem die Schwenkachse bildenden Achszapfen,
wobei an den Enden des Achszapfens jeweils ein kugelkappenförmiges Endelement
angeordnet ist, das das Kolbenpaar in Richtung der Schwenkachse
aneinander hält.
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Diese
Maßnahme
hat den Vorteil, dass zur Montage der beiden Kolbenpaare diese lediglich über Kreuz
mit ihren Lagerabschnitten auf den Achszapfen aufgesetzt werden
müssen,
wobei dann diese Anordnung durch Aufsetzen der kugelkappenförmigen Endelemente
auf die Enden des Achszapfens und entsprechendes festes Verbinden
der Endelemente mit dem Achszapfen aneinanderge halten wird, wobei
die hin- und hergehende Schwenkbewegung der Kolben gewährleistet
bleibt.
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Dabei
erstreckt sich das kugelkappenförmige
Endelement um die Umlaufachse um etwa 90°.
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In
Verbindung mit der Ausgestaltung, dass sich jeder einzelne Kolben
um die Umlaufachse um etwa 90° erstreckt,
ergibt sich somit für
die Anordnung aus den beiden Kolbenpaaren und den beiden kugelkappenförmigen Endelementen
eine um 360° um
die Umlaufachse geschlossene kugelförmige Ausbildung dieser Anordnung.
Das kugelkappenförmige
Endelement erstreckt sich vorzugsweise auch um eine zur Umlauf-
und zur Schwenkachse senkrechte Achse um 90°.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die Kolben mit zumindest
einer um die Umlaufachse drehbaren Abtriebswelle verbunden, die
kolbenseitig in einem ersten Gabelabschnitt außerhalb der Schwenkachse endet,
der mit seinen beiden Endabschnitten zwischen den Endelementen angeordnet
und direkt mit diesen lösbar
verbunden ist.
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Anstatt
wie bei der bekannten Schwenkkolbenmaschine die Abtriebswelle bis
zur Schwenkachse zu führen
und dort mit einem Lagerring zu lagern, hat diese Ausgestaltung
den Vorteil, dass auf dem Achszapfen der Schwenkachse lediglich
noch die Lagerabschnitte der beiden Kolbenpaare gelagert werden
müssen,
wodurch diese in Richtung der Schwenkachse jeweils mit maximaler
Länge ausgebildet
werden können.
Der Gabelabschnitt weist außenseitig
vorzugsweise die Form eines Teils einer Kugeloberfläche auf,
wodurch sich der Gabelabschnitt in die insgesamt ku gelförmige Ausgestaltung der
Anordnung aus den vier Kolben und den beiden Endelementen einfügt und an
das innenseitig kugelförmig
ausgestaltete Gehäuse
angepasst ist.
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Der
weitere Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass auch die
zumindest eine Abtriebswelle besonders stabil mit der Kolbenanordnung
verbunden werden kann, weil sich der Gabelabschnitt in Richtung
der Schwenkachse der Kolben weiter erstrecken kann als dies bei
dem Lagerring der bekannten Schwenkkolbenmaschine der Fall war,
mit dem die Abtriebswelle auf dem Achszapfen der Schwenkachse gelagert
war. Außerdem
muss die Abtriebswelle nicht mehr an den Kolben vorbei geführt werden,
was den Schwenkhub der Kolben somit nicht einschränkt.
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Besonders
bevorzugt ist es dabei, wenn die Endabschnitte des ersten Gabelabschnitts
eine formschlüssige
Verbindung zu den Endelementen aufweisen.
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Hierdurch
wird eine drehfeste Verbindung des ersten Gabelabschnitts mit den
Endelementen und damit mit der Kolbenanordnung gewährleistet, die
in der Lage ist, große
Drehmomente auf die Abtriebswelle zu übertragen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weiten sich die Endabschnitte
des ersten Gabelabschnitts ausgehend von der Abtriebswelle zu ihrem äußeren Ende
hin auf.
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Hierbei
ist von Vorteil, dass die Verbindung zwischen dem ersten Gabelabschnitt
und den beiden Endelementen, mit denen die Kolbenpaare zusammengehalten
werden, besonders stabil ausgebildet werden kann.
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In
zweckmäßigen und
vorteilhaften konstruktiven Ausgestaltungen liegt ein Verhältnis zwischen der
Abmessung des Gabelabschnitts in Richtung senkrecht zur Schwenkachse
in seiner Mitte zur entsprechenden Abmessung des Gabelabschnitts
an seinen Enden im Bereich von etwa 1 : 1,5 bis 1 : 2,5, vorzugsweise
beträgt
dieses Verhältnis
etwa 1 : 2.
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Des
Weiteren beträgt
vorzugsweise ein Verhältnis
zwischen der Abmessung des Gabelabschnitts in Richtung senkrecht
zur Schwenkachse an seinen Enden und der Abmessung des Gabelabschnitts
in Richtung der Schwenkachse im Bereich von etwa 1 : 2 bis etwa
1 : 4, und beträgt
vorzugsweise etwa 1 : 1,375.
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Ein
Verhältnis
der Dicke des Gabelabschnitts im Bereich der Abtriebswelle zur Abmessung
des Gabelabschnitts in Richtung der Schwenkachse liegt vorzugsweise
im Bereich von etwa 1 : 2 bis 1 : 4, vorzugsweise beträgt es etwa
1 : 2,75.
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Durch
letztere Maßnahme
ist der Gabelabschnitt sehr massiv und stabil ausgeführt, so
dass er hohe Drehmomente von der Umlaufbewegung der Kolben auf die
Abtriebswelle übertragen
kann.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist dem ersten Gabelabschnitt
gegenüberliegend
ein zweiter im Wesentlichen formgleicher Gabelabschnitt angeordnet,
der mit den Endelementen lösbar
verbunden ist.
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Insgesamt
ergibt sich somit eine kugelförmige
Ausbildung der Gesamtanordnung aus den Kolbenpaaren, den beiden
kugelkappenförmigen
Endelementen und den beiden Gabelabschnitten, wobei alle Elemente
dieser Anordnung besonders stabil und massiv ausgebildet werden
können.
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Vorzugsweise
weist der zweite Gabelabschnitt eine weitere Abtriebswelle auf,
so dass die erfindungsgemäße Schwenkkolbenmaschine
insgesamt zwei Abtriebswellen aufweist, wobei die eine beispielsweise
zum Antreiben von Aggregaten, wie Lichtmaschine und dergleichen,
dienen kann, und die andere Abtriebswelle auf eine Kupplung bzw.
ein Getriebe geführt
werden kann, im Falle, dass die erfindungsgemäße Schwenkkolbenmaschine als
Antriebsmotor für
ein Kraftfahrzeug verwendet wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung erstrecken sich der erste
und/oder zweite Gabelabschnitt um eine zur Umlauf- und zur Schwenkachse um
etwa 90° und
sind außenseitig
kugeloberflächenförmig ausgebildet.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist eine den Kolbenrückseitenflächen der
Kolben zugewandte Seite des ersten und/ oder zweiten Gabelabschnitts
im Wesentlichen komplementär
zu den Kolbenrückseitenflächen gewölbt ausgebildet.
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Hierbei
ist von Vorteil, dass zwischen den Kolbenrückseitenflächen, d.h. den den Kolbenarbeitsflächen abgewandten
Seiten der Kolben, und der jeweiligen diesen Kolbenrückseitenflächen zugewandten
Seite der Gabelabschnitte Kammern gebildet werden, die bei der hin-
und hergehenden Schwenkbewegung der einzelnen Kolben ein veränderliches
Volumen aufweisen, deren minimales Volumen nahezu Null werden kann.
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Dies
ist insbesondere dann bevorzugt, wenn zwischen den Kolbenrückseitenflächen und
der entsprechenden zugewandten Seite des bzw. der Gabelabschnitte
jeweils Vordruckkammern ausgebildet sind, die zum Vorkomprimieren
von Verbrennungsluft genutzt werden können, wie dies bereits bei
der bekannten Schwenkkolbenmaschine vorgesehen ist. Die zuvor genannten
Kammern können
jedoch auch einfach als Kühlkammern
zum Kühlen
der Kolben dienen.
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Wie
bei der bekannten Schwenkkolbenmaschine weist auch bei der erfindungsgemäßen Schwenkkolbenmaschine
jeder Kolben eine Laufrolle auf, wobei vorzugsweise die Rollenachse
in Bezug auf die Kolbenarbeitsfläche
in einem Winkel von etwa 30° bis
50°, vorzugsweise
von etwa 35°,
geneigt ist.
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Dabei
sind die Laufrollen vorzugsweise konisch ausgebildet, wobei eine
gedachte Verlängerung
jedes Konus eine Konusspitze ergibt, die im Gehäusemittelpunkt liegt, wodurch
der Steuermechanismus für
die Schwenkbewegung der Kolben optimal auf die Kugelsymmetrie der
Schwenkkolbenmaschine angepasst ist.
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Weitere
Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
und der beigefügten
Zeichnung.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
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.
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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
Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Schwenkkolbenmaschine mit
geschlossenem Gehäuse;
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2 die
Schwenkkolbenmaschine aus 1, wobei
das Gehäuse
teilweise aufgebrochen ist, wobei die Schwenkkolbenmaschine in einer
ersten Betriebsstellung dargestellt ist;
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3 die
Schwenkkolbenmaschine aus 1 und 2 in
einer anderen beispielhaften Betriebsstellung;
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4 eine
perspektivische Ansicht einer Gesamtanordnung aus Kolben, Endelementen
und Abtriebswellen mit Gabelabschnitten der Schwenkkolbenmaschine
in 1 bis 3;
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5 eine
gegenüber 4 vergrößerte Darstellung
der Anordnung aus den Kolben allein;
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6 die
Kolbenanordnung in 5 in einer auseinandergezogenen
Darstellung der beiden Kolbenpaare;
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7 eine
auseinandergezogene Darstellung der Anordnung aus dem Achszapfen,
den Endelementen und den beiden Abtriebswellen mit Gabelabschnitten
der Schwenkkolbenmaschine in 1 bis 3 in
Alleinstellung;
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8 eine
Ansicht entlang der Abtriebswelle auf die Anordnung aus den beiden
Endelementen und einen Gabelabschnitt; und
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9 eine
Querschnittsdarstellung der Schwenkkolbenmaschine in 1 bis 3 zur
Erläuterung
weiterer Einzelheiten derselben.
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Mit
Bezug auf 1 bis 9 wird nachfolgend
die Ausgestaltung einer mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehenen
Schwenkkolbenmaschine näher
beschrieben. Die Schwenkkolbenmaschine 10 dient beispielsweise
und vorzugsweise als Verbrennungsmotor.
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Die
Schwenkkolbenmaschine 10 weist ein Gehäuse 12 auf, das aus
einer ersten Gehäusehälfte 14 und
einer zweiten Gehäusehälfte 16 zusammengesetzt
ist.
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Die
Gehäusehälften 14 und 16 sind
entlang einer Trennlinie 18 zusammengesetzt, die in Bezug auf
eine Symmetrieachse 20 der Schwenkkolbenmaschine 10,
die gleichzeitig auch die Umlaufachse der Kolben darstellt, wie
später
noch beschrieben wird, nicht senkrecht, sondern schräg verlaufend
angeordnet ist. Dieser schräge
Verlauf der Trennlinie 18 zum Auseinandernehmen der Gehäusehälften 14 und 16 hat
den Vorteil, dass im Gehäuse
vorgesehene technische Elemente, wie Kerzen und Düsen 22, 24 bzw. Ventile 26, 28,
geeigneterweise angeordnet werden können, ohne dass diese Elemente
durch die Gehäusetrennlinie
beeinträchtigt
werden.
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In 2 und 3 ist
das Gehäuse 12 in zwei
zueinander senkrechten Schnittebenen teilweise aufgeschnitten worden,
wodurch weitere Einzelheiten der Schwenkkolbenmaschine 10 innerhalb des
Gehäuses 12 zu
sehen sind. Die Darstellungen in 2 und 3 sind
hinsichtlich der zuvor beschriebenen Elemente 22–28 mit 1 nicht
identisch, was jedoch für
die Belange der Erläuterung
der vorliegenden Erfindung unbedeutend ist.
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Eine
Innenwand 30 des Gehäuses 12 ist
im Wesentlichen kugelförmig
ausgebildet.
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In
dem Gehäuse 12 sind
vier Kolben (vgl. 9) 32, 34, 36, 38 angeordnet,
die in 2 bis 8 teilweise verdeckt sind. Diese
Kolben 32–38 laufen
in dem Gehäuse 12 um
eine Umlaufachse 40 gemeinsam um.
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Des
Weiteren führen
die Kolben 32–38 im Betrieb
der Schwenkkolbenmaschine 10 um eine zur Umlaufachse 40 etwa
senkrechte Schwenkachse 42 hin- und hergehende Schwenkbewegungen
aus, wie in 9 mit Pfeilen 44 und 46 angedeutet
ist.
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Jeweils
zwei bezüglich
der Gehäusemitte bzw.
der Schwenkachse 42 diametral gegenüberliegende Kolben bilden dabei
ein starres Kolbenpaar, und zwar bilden die Kolben 32 und 36 das
Kolbenpaar 32/36, und die Kolben 34 und 38 das
Kolbenpaar 34/38. Beim Umlaufen der Kolben 32–38 um
die Umlaufachse 40 führt
das Kolbenpaar 32/36 entsprechend eine Schwenkbewegung
um die Schwenkachse 42 in Richtung der Pfeile 44 (Uhrzeigersinn)
aus, wenn das Kolbenpaar 34/38 eine Schwenkbewegung in
Richtung der Pfeile 46 (Gegenuhrzeigersinn) ausführt, und
umgekehrt.
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Zusätzlich mit
Bezug auf 4 bis 6 werden
Einzelheiten der Kolben 32–38 näher beschrieben.
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Jeder
Kolben weist eine Kolbenarbeitsfläche auf, d.h. der Kolben 32 eine
Kolbenarbeitsfläche 32a, der
Kolben 34 eine Kolbenarbeitsfläche 34a, der Kolben 36 eine
Kolbenarbeitsfläche 36a und
der Kolben 38 eine Kolbenarbeitsfläche 38a. In 5 sind
beispielsweise nur die Kolbenarbeitsflächen 32a und 34a der
Kolben 32 und 34 zu sehen. Die Kolbenarbeitsflächen 32a und 34a bilden
eine erste Arbeitskammer bzw. Brennmulde 48, und die Kolbenarbeitsflächen 36a und 38a der
Kolben 36 und 38 bilden eine zweite Arbeitskammer
bzw. Brennmulde 50 (vgl. 9).
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Jedes
Kolbenpaar weist, und in 6 ist dies am Kolbenpaar 32/36 am
deutlichsten zu erkennen, eine Lagerabschnitt 52 zur Lagerung
des Kolbenpaars 32/36 auf der Schwenkachse 42 auf.
Des Weiteren weist jedes Kolbenpaar, wie ebenfalls in 6 für das Kolbenpaar 32/36 am
besten zu erkennen ist, zwei Seitenwandabschnitte auf, die die Arbeitskammern 48 und 50 seitlich
begrenzen. Für
den Kolben 32 ist in 6 der Seitenwandabschnitt 54 sichtbar,
der die Arbeitskammer 48 seitlich begrenzt. Der Lagerabschnitt 52 und
der Seitenwandabschnitt 54 (bzw. der dem Seitenwandabschnitt 54 diametral gegenüberliegende,
in 6 nicht sichtbare Seitenwandabschnitt des Kolbens 36)
sind einstückig
miteinander ausgebildet und auf derselben Seite des jeweiligen Kolbenpaars 32/36 bzw. 34/38 angeordnet, wie
dies am besten für
das Kolbenpaar 32/36 in 6 zu erkennen
ist. Ein Lagerabschnitt 56 und ein Seitenwandabschnitt 58 des
Kolbenpaars 34/38 sind in 6 teilweise
zu erkennen.
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Die
Lagerabschnitte 52 und 56 der Kolbenpaare 32/36 bzw. 34/38 sind
symmetrisch bezüglich der
Schwenkachse 42 ausgebildet, wobei dem Seitenwandabschnitt 54 bezüglich der
Schwenkachse 42 ein weiterer, in den Figuren verdeckter
Seitenwandabschnitt etwa diametral gegenüberliegt, ebenso liegt dem
Seitenwandabschnitt 58 des Kolbenpaars 34/38 bezüglich der
Schwenkachse 42 diametral gegenüberliegend ein weiterer Seitenwandabschnitt
gegenüber,
der in 6 nicht sichtbar ist.
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Der
Lagerabschnitt 52 und der Lagerabschnitt 56 weisen
jeweils eine Bohrung 60 bzw. 62 auf, mit der die
Kolbenpaare 32/36 bzw. 34/38 auf
einem feststehenden Achszapfen 64 (vgl. 7)
verschwenkbar gelagert sind.
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Die
Lagerabschnitte 52 bzw. 56 erstrecken sich in
Richtung der Schwenkachse 42 über etwa die Hälfte der
Breite des jeweiligen Kolbenpaars 32/36 bzw. 34/38 bezogen
auf die Richtung der Schwenkachse 42. Werden die beiden
Kolbenpaare 32/36 bzw. 34/38 nun,
wie in 5 dargestellt, über Kreuz bezüglich der
Schwenkachse 42 angeordnet, sind die Kolbenpaare 32/36 und 34/38 insgesamt über die gesamte
Länge des
Achszapfens 64 und somit besonders stabil um die Schwenkachse 42 gelagert.
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In 5 ist
der zusammen mit dem Seitenwandabschnitt 54 des Kolbens 32 die
Arbeitskammer 48 seitlich begrenzende Seitenwandabschnitt 55 des Kolbens 34 zu
sehen.
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Der
jeweilige Seitenwandabschnitt 54, 55 (5)
erstreckt sich auf dem zugehörigen
Lagerabschnitt 52 bzw. 56 von außen nach
innen und von oben nach unten konkav gewölbt, wie aus den Darstellungen
von 5 und 6 am besten hervorgeht. Dabei
erstrecken sich der jeweilige Seitenwandabschnitt 54, 55 und
die weiteren in 5 nicht zu sehenden Seitenwandabschnitte
in Richtung der Schwenkachse 42 über die gesamte Länge des
Lagerabschnitts 52 bzw. 56 in Richtung der Schwenkachse 42.
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Durch
die Integration der Seitenwandabschnitte 54, 55 (und
der verbleibende, in 5 und 6 nicht
sichtbare Seitenwandabschnitt 58) in die Lagerabschnitte 52 bzw. 56 sind
die Lagerabschnitte 52 bzw. 56 insbesondere an den äußeren Enden
des Achszapfens 64 sehr massiv und stabil ausgebildet.
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Durch
die Wölbung
der Seitenwandabschnitte 54 bzw. 58 und der entsprechenden
zugehörigen, nicht
in den Figuren zu sehenden Seitenwandabschnitte entstehen gewölbte Arbeitskammern bzw.
Brennmulden 48 und 50, und nur die Kolbenarbeitsflächen 32a bis 38a sind
plan ausgeführt,
wodurch sich der bei der Expansion des Brennstoff-Luft-Gemisches
nach dem Zünden
ausbildende Druck fast ausschließlich auf die Kolbenarbeitsflächen 32a bis 38a auswirkt,
wie dies für
einen hohen Wirkungsgrad gewünscht
ist.
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Jeder
Kolben 32–38 weist
an seinem dem Seitenwandabschnitt gegenüberliegenden Ende eine Seitenfläche auf,
deren Form an den Seitenwandabschnitt desjenigen Kolbens angepasst
ist, mit dem dieser Kolben zusammen die jeweilige Arbeitskammer
bildet.
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In 6 ist
dies für
den Kolben 32 dargestellt, dessen dem Seitenwandabschnitt 54 gegenüberliegendes
Ende eine Seitenfläche 66 aufweist,
deren Form an den Seitenwandabschnitt des Kolbens 34 angepasst
ist, wobei die Kolben 32 und 34 die Arbeitskammer 48 bilden.
Der Seitenwandabschnitt des Kolbens 34, der in 6 nicht
zu sehen ist, weist bis auf Spiegelverkehrtheit die gleiche Form
auf wie der Seitenwandabschnitt 54 des Kolbens 32.
Für die übrigen Kolben 36, 38 gilt
das Gleiche entsprechend.
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Jeder
Kolben 32–38 erstreckt
sich um die Umlaufachse 40 um etwa 90°, wie in 5 für den Kolben 32 eingezeichnet
ist.
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Des
Weiteren liegt ein Verhältnis
zwischen einer Abmessung b jedes Kolbens 32–38 in
Richtung der Schwenkachse 42 und einer Abmessung h jedes Kolbens 32–38 quer
zur Schwenkachse 42, d.h. also ein Verhältnis aus Breite und Höhe jeder
Kolbenarbeitsfläche 32a bis 38a,
im Bereich von etwa 1,5 : 1 bis 2,5 : 1, im vorliegend Fall beträgt dieses
Verhältnis
2,2 : 1.
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Des
Weiteren liegt ein maximaler Öffnungswinkel α der Arbeitskammern 48 bzw. 50 um
die Schwenkachse 42 im Bereich von etwa 40° bis etwa 60°, wie in 5 für die Arbeitskammer 48 dargestellt
ist. Der minimale Öffnungswinkel
ist dabei etwa 0°.
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Wie
bereits erwähnt,
sitzen die beiden Kolbenpaare 32/36 bzw. 34/38 mit
den Lagerabschnitten 52 und 56 auf dem Achszapfen 64 (7).
An den Enden des Achszapfens 64 ist jeweils ein kugelkappenförmiges Endelement 68 bzw. 70 angeordnet, das,
wie in 4 dargestellt ist, die Kolbenpaare 32/36 bzw. 34/38 in
Richtung der Schwenkachse 42 aneinander hält. In 7 sind
nur die beiden Endelemente 68, 70 zusammen mit
dem Achszapfen 64 ohne die Kolben dargestellt. Die Endelemente 68 und 70 werden
bei der Montage mit dem Achszapfen 64 fest verschraubt.
Der Achszapfen 64 dient als Lager für die Kolbenpaare 32/36 bzw. 34/38 für die hin-
und hergehende Schwenkbewegung der Kolben 32–38.
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Die
Endelemente 68 bzw. 70 erstrecken sich um die
Umlaufachse 40 um etwa 90° (vgl. 8) und ebenso
um eine Achse senkrecht zur Schwenkachse 42 und zur Umlaufachse
(40) (vgl. 7).
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Die
Schwenkkolbenmaschine 10 weist weiterhin zwei Abtriebswellen 72 und 74 auf
(vgl. insbesondere 4 und 7), mit
denen die Kolben 32–38 drehfest
verbunden sind. Zur drehbaren Verbindung der Abtriebswellen 72 und 74 weist
jede der beiden an einem Ende einen Gabelabschnitt 76 (Abtriebswelle 72)
bzw. 78 (Abtriebswelle 74) auf. Die Abtriebswellen 72 und 74 sind
mit ihrem jeweiligen Gabelabschnitt 76 bzw. 78 drehfest
verbunden.
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Die
Gabelabschnitte 76 und 78 enden außerhalb
der Schwenkachse 42, wie insbesondere aus 7 hervorgeht,
d.h. die Abtriebswellen 72 und 74 sind nicht bis
zur Gehäusemitte
geführt,
sondern enden außerhalb
der Gehäusemitte.
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Die
Gabelabschnitte 76 und 78 weisen jeweils Endabschnitte 80, 82 bzw. 84, 86 auf,
die zwischen den kugelkappenförmigen
Endelementen 68 und 70 angeordnet und direkt mit
diesen lösbar
verbunden sind, wobei zur lösbaren
Verbindung hier eine Verschraubung dient, wie in 7 dargestellt ist.
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Die
Verbindung erfolgt jedoch nicht nur über Schrauben, sondern die
Endabschnitte 80, 82 bzw. 84, 86 sind
mit den Endelementen 68 und 70 außerdem formschlüssig verbunden,
wozu die Endelemente 68 seitliche Vorsprünge aufweisen,
nämlich
Vorsprünge 88, 90 (Endelement 68)
und 92, 94 (Endelement 70), die in entsprechende
Nuten 96, 98 (hier nur für den Gabelabschnitt 76 gezeigt)
eingreifen.
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Wie
insbesondere aus 8 hervorgeht, weiten sich die
Endabschnitte 80, 82 bzw. 84, 86 der Gabelabschnitte 76, 78 ausge hend
von der jeweiligen Abtriebswelle 72 bzw. 74 zu
ihrem äußeren Ende hin
auf.
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Dabei
liegt ein Verhältnis
zwischen einer Abmessung B1 des Gabelabschnitts 76 bzw. 78 in
seiner Mitte in Richtung senkrecht zur Schwenkachse 42 zur
entsprechenden Abmessung B2 des Gabelabschnitts 76 bzw. 78 an
seinen Enden im Bereich von etwa 1 : 1,5 bis 1 : 2,5, im vorliegenden
Fall bei etwa 1 : 2.
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Des
Weiteren liegt ein Verhältnis
zwischen der Abmessung B2 der Gabelabschnitte 76 bzw. 78 zur
Abmessung B3 des Gabelabschnitts 76 bzw. 78 in Richtung
der Schwenkachse 42 im Bereich von etwa 1 : 2 bis etwa
1 : 4, im vorliegenden Fall bei etwa 1 : 1,375.
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Eine
Dicke D der Gabelabschnitte 76 bzw. 78 im Bereich
der jeweiligen Abtriebswelle 72 bzw. 74, d.h.
also in der Mitte des jeweiligen Gabelabschnitts 76 bzw. 78,
liegt im Verhältnis
zur Abmessung B3 im Bereich von etwa 1 :
2 bis 1 : 4, im vorliegenden Fall bei etwa 1 : 2,75.
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Die
Ausdehnung der Gabelabschnitte 76 bzw. 78 entsprechend
der Abmessung B3 beträgt, ausgedrückt als Winkel um eine Achse,
die sowohl senkrecht zur Umlaufachse 40 als auch zur Schwenkachse 42 ist,
etwa 90°,
so dass die beiden Gabelabschnitte 76 und 78 zusammen
mit den Endelementen 68 und 70 um diese Achse
einen Vollwinkel von 360°,
d.h. also eine Kugel, bilden, wozu entsprechend die Außenseiten
der Gabelabschnitte 76 bzw. 78 kugeloberflächenförmig ausgebildet
sind.
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Das
Verhältnis
aus der Abmessung B1 zur Abmessung B3 liegt im Bereich von etwa 1 : 2 bis etwa
1 : 4, vorliegend etwa bei 1 : 2,75.
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Entsprechend
liegt auch das Verhältnis
zwischen dem Durchmesser der Abtriebswellen 72 bzw. 74 an
ihrem Ende, das unmittelbar mit den Gabelabschnitten 76 bzw. 78 verbunden
ist, und der nur geringfügig
kleiner ist als die Abmessung B1, in etwa
in dem gleichen zuvor genannten Verhältnis.
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Wie
am besten aus 4 hervorgeht, weist jeder Kolben 32–38 eine
Kolbenrückseitenfläche auf, wie
in 4 mit dem Bezugszeichen 100 für den Kolben 32 und 102 für den Kolben 34 dargestellt
ist, die gewölbt
ausgebildet ist, wobei eine diesen Kolbenrückseitenflächen 100 bzw. 102 zugewandte
Seite 104 bzw. 106 (vgl. 7), komplementär zu diesen Kolbenrückseitenflächen 100 bzw. 102 gewölbt ausgebildet
ist.
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Zwischen
den Kolbenrückseitenflächen 100 bzw. 102 (Entsprechendes
gilt für
die übrigen
Kolben 36 und 38) und der entsprechenden zugewandten Seite 104 bzw. 106 (und
entsprechend den beiden weiteren Seiten der Gabelabschnitte 76 bzw. 78)
werden somit sich gegensinnig zu den Arbeitskammern 48 und 50 verkleinernde
und vergrößernde zwei Kammern
gebildet, die als Vordruck- und/oder
Kühlkammern
verwendet werden können.
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Bezüglich der
Verwendung als Vordruckkammern und der Art und Weise, wie die Vordruckkammern
mit den Arbeitskammern kommunizieren, wird insbesondere auf das
Dokument WO 03/067033 A1 verwiesen, dessen Inhalt hiermit ausdrücklich in
die vorliegende Anmeldung eingebunden wird.
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Schließlich weist
noch, wie am besten aus 5 ersichtlich ist, jeder Kolben
eine Laufrolle 108 (Kolben 32), 110 (Kolben 34), 112 (Kolben 36)
und 114 (Kolben 38) auf. Die Laufrollen 108–114 sind
Teil eines Steuermechanismus zum Ableiten der hin- und hergehenden
Schwenkbewegung der einzelnen Kolben 32–38 aus deren Umlaufbewegung
um die Umlaufachse 40. Für eine genauere Beschreibung
wird diesbezüglich
ebenfalls auf das Dokument WO 03/067033 A1 verwiesen, dessen Offenbarung
durch Bezugnahme hierin ausdrücklich
aufgenommen wird.
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Wie
in 9 für
die Laufrolle 112 des Kolbens 36 dargestellt ist,
ist die Rollenachse jeder Rolle 108–114 in Bezug auf
die entsprechende Kolbenarbeitsfläche 32a–38a in
einem Winkel β von
etwa 30° bis
50°, im
vorliegenden Fall von etwa 35°,
geneigt.
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Wie
aus 4 und 5 bzw. 9 hervorgeht,
sind die Laufrollen 108–114 konisch ausgebildet,
wobei eine gedachte Verlängerung
jedes Konus eine Konusspitze ergibt, die im Gehäusemittelpunkt des Gehäuses 12 liegt,
wie in 9 für
die Laufrolle 110 des Kolbens 34 angedeutet ist.
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In 4 ist
die fertig vormontierbare Anordnung aus den Kolben 32–38,
den Endelementen 68 und 70 und den Abtriebswellen 72 und 74 mit
den jeweiligen Gabelabschnitten 76 und 78 dargestellt. Entsprechend
sind auch die Laufrollen 108–114 bereits an den
Kolben 32–38 montiert.
Die gesamte, in 4 dargestellte Anordnung, die
bis auf die Arbeitskammern 48 und 50 die Form
einer geschlossenen massiven Kugel aufweist, braucht nun im Wesentlichen
nur noch von den Gehäusehälften 14 und 16 umschlossen
zu werden, um die Schwenkkolbenmaschine 10 zu bilden.
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In 2 ist
die Schwenkkolbenmaschine 10 mit den Kolben 32–38,
von denen jedoch nicht alle sichtbar sind, in einer ersten Betriebsstellung
dargestellt, während
die Kolben 32–38 in
der Darstellung gemäß 3 gegenüber 2 um
die Umlaufachse 40 geringfügig weiterbewegt haben, und
dabei gleichzeitig um die Schwenkachse 42 einen entsprechenden
Schwenkhub ausgeführt
haben.
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Bezüglich der
Funktions- und Arbeitsweise der Schwenkkolbenmaschine 10 wird
auch hier auf das Dokument WO 03/067033 A1 verwiesen, dessen Inhalt
diesbezüglich
in die vorliegende Offenbarung eingebunden wird.