DE1957665A1

DE1957665A1 - Kolbenkraftmaschine

Info

Publication number: DE1957665A1
Application number: DE19691957665
Authority: DE
Inventors: Fu Chen Wan
Original assignee: FU CHEN WAN
Current assignee: FU CHEN WAN
Priority date: 1968-11-18
Filing date: 1969-11-17
Publication date: 1970-06-18
Also published as: FR2023534A1; GB1285899A; BE741779A; CA927699A

Description

Anmelder: Herr Chen Wan-Fu
c/o Musashino-so
No. 464, Yodobashi, Shinjuku-ku, Tokyo / Japan

Unser Zeichen: PA 960/69

Kolbenkraftmas chine

Priorität vom 18. November I968 Japanische Patentanmeldung Nr. 43~83814

Bei üblichen Kolbenkraftmaschinen ist der Kolben über eine Pleuelstange mit einer Kurbelwelle gekoppelt. Die Pleuelstange bewirkt die Umwandlung der Linearbewegung des Kolbens in die Drehbewegung der Kurbelwelle bzw. umgekehrt die Umwandlung der Drehbewegung der Kurbelwelle in eine Linearbewegung des Kolbens. Dementsprechend ist, obwohl es sich bei der Drehbewegung der Kurbelwelle um eine gleichförmige Bewegung handelt, die lineare Bewegung des Kolbens nicht gleichförmig. Da die Kurbelwelle bei einer Umdrehung einen ^u /2-mal so weiten Weg zurücklegt wie der Kolben bei einer Linearbewegung in der gleichen Zeitspanne, ist die Massenkraft von Kurbelwelle und Kolben gross. Dies und dazu die nicht gleichförmige Bewegung des Kolbens sowie der Umstand, daß sich die Stelle, an der die Kraft angreift, ändert, ist hauptsächlich der Grund für die ständige Vibration dieser bekannten Maschinen.

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Zwecks Verminderung dieser mechanischen Vibration werden bekanntermassen an der Kurbelwelle Ausgleichsgewichte und ein Schwungrad vorgesehen. Jedoch sind diese Antivibrations-Mittel nicht wirksam genug. Ausserdem haben sie den Nachteil, daß die Maschine dadurch unerwünscht schwer wird und daß darüber hinaus zusätzliche Kosten und erhöhter Platzbedarf die Wirtschaftlichkeit vermindern. Ausserdem wird aurch die Pleuelstange, die meist schräg gestellt angeordnet ist, der Kolben ständig gegen die Zylinderwand gepresst, wodurch zwischen den; Kolben und dem Zylinder energieverbrauchende Reibung verursacht wird. Diese Reibung bedingt naturgemäss einen schnelleren Ver-

schleiss von Kolben und Zylinder und vermindert somit die Lebensdauer der Maschine. Ausserdem wird dadurch der Ver schleiss des Kolbenbolzens, der Kurbelwelle und der Lager erhöht, was weitere Energieverluste zur Folge hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zuvor beschriebenen Nachteile bei Kolbenkraftmaschinen zu beheben. Diese Aufgabe wird gelöst mittels einer Kolbenkraftmaschine der zuvor beschriebenen Art mit feststehendem Zylinder und umlaufender Antriebswelle, die erfindungsgemass dadurch gekennzeichnet ist, daß in dem Kolben in Längstrichtung Zahnstangenhälften eingepasst sind und auf der Antriebswelle eine damit in Eingriff bringbare, teilweise gezahnte Scheibe festsitzt, die vorzugsweise elipsenförmig ausgebildet ist.

Bei der terfindungsgemässen Kolbenkraftmaschine ist also an

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Stelle der üblichen Kurbelwelle und Pleuelstange ein Mechanismus für direkte Energieübertragung vorgesehen, der darin besteht, daß die teilweise gezahnte Scheibe, die erfindung-sgemäss an der Antriebswelle befestigt ist, in die in dem Kolben angeordneten Zahnreihen eingreift.

Die nähere. Ausbildung, Wirkungsweise und die Vorteile und Ausgestaltungsmöglichkeiten der erfxndungsgemässen Kolbenkraftmaschine werden nachstehend an Hand der in der beiliegenden Zeichnung beispielsweise veranschaulichten Ausfuhrungsformen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1

schematisch den Vorgang der Umwandlung einer Kin- und Herbewegung in eine Drehbewegung bzw. umgekehrt,

Figur 2

etwas deutlicher vergrössert die Anordnung gemäss Figur 1 (a),

Figur 3

eine Ausführungsform einer erfindungsgemässen Kraftmaschine in der Draufsicht,

die Ausführungsform der Figur 3» von links gesehen, und

Figur 5

eine Form eines erfindungsgemäss ausgebildeten Kolbens.

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In allen Figuren sind vergleichbare Teile mit gleichen Bezugszeichen markiert.

Die Art der Arbeitsweise der erfindungsgemässen Kraftmaschine ist in Figur 1 verdeutlicht. Bei einer Umdrehung der Antriebswelle 1 führt der Kolben 4 eine Hin- und Herbewegung aus. In der Darstellung der Figur 1 (a) befindet sich der Kolben in seiner oberen Totlage. Wenn sich die Antriebswelle im Uhrzeigersinn um 9o'' dreht, wird der Kolben dadurch, daß die an der Antriebswelle befestigte, teilweise gezahnte Scheibe in Eingriff mit den Zahnstangen kommt, aus seiner oberen Totlage heraus nach unten in eine mittlere Stellung bewegt, wie sie in Figur 1 (b) veranschaulicht ist. Wenn die Antriebswelle sich um 180° dreht, erreicht der Kolben den unteren Totpunkt, wie dies in Figur 1 (c) gezeigt ist, und nachdem die Antriebswelle sich um 27O^c gedreht hat, ist der Kolben von dem unteren Totpunkt wieder herauf bis in eine mittlere Stellung gelangt, wie dies Figur 1 (d) zeigt. Bei weiterer Drehung der Antriebswelle gelangt der Kolben wieder zurück in die Lage des oberen Totpunkts, die in Figur 1 (a) veranschaulicht ist. Damit ist eine Hin- und Herbewegung abgelaufen.

In Figur 2 ist die Anordnung in der letztgenannten Stellung verdeutlicht gezeigt.

Figur 3 veranschaulicht den Erfindungsgegenstand in Form einer luftgekühlten Zweitakt-Einze!maschine. Die Antriebwelle 1 ist

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innerhalb eines von zwei in Richtung der Längstachse des Kolbens 4 darin vorgesehenen Zahnstangenhäften 2 und 3 begrenzten Raum innerhalb dieses Kolbens 4 angeordnet. Die Zahnstangenhäften sind symetrisch ausgebildet und sitzen sich gegenüberliegend in dem Kolben 4. Die beiden äusseren Zähne 10, 11, 12 und 13 der beiden Zahnstangenhälften 2 und 3 sind länger vorgezogen und liegen an dem jeweils gegenüberliegenden Zahn an. Dadurch sind zwei kontinuierliche kurvenförmige Oberflächen 17 und l8 oben und unten an den Zahnreihen vorhanden. Die beiden Hälften 2 und 3» die gemeinsam eine durchgehende Zahnstangenanordnung bilden, haben je die gleiche Anzahl an Zähnen, und zwar sind an jeder der beiden Zahnstangenhälften 2 und 3 jeweils mehr Zähne vorhanden, als sie die teilweise gezahnte Scheibe 21 aufweist, die an der Antriebswelle 1 fest ansitzt. Die Gesamtlänge des Rollkreises auf jeder Zahnstangenhälfte 2 und 3 ist gleich derjenigen der gezahnten Scheibe 21. Der Kolben 4 ist an beiden Enden gleich ausgebildet, so daß er als doppeltwirkender Einkolbenmotor arbeiten kann. Es ist ein Durchlass 22 für die Antriebswelle 1 vorgesehen, der sich bei der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens k auf und abbewegt. Der Raum für den Durchlass 22 wird dadurch gewonnen, daß beide Seitenwände des Kolbens M teilweise ausgeschnitten werden.

Während die Antriebswelle 1 bei ihrer Umdrehung in einer unveränderten Lage verbleibt, kommt die daran befestigte teil-

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weise gezahnte Scheibe 21, die elipsenförmig ausgebildet ist, in Eingriff mit der aus den Zahnstangenhälften 2 und 3 gebildeten durchgehenden Zahnstange und dadurch wird der Kolben 4 in die Hin- und Herbewegung gebracht. Wenn die eliptische
teilweise, gezahnte Scheibe 21 aus der einen Zahnstangenhälfte aus- und in die andere Zahnstangenhälfte einkuppelt, rollt die zahnfreie Fläche der teilweise gezahnten Scheibe, das ist die gebogene Fläche 16 auf einer der gebogenen Flächen 17 oder 18 ab und einer der beiden äusseren Zähne 14 und 15 der eliptischen teilweise gezahnten Scheibe 21 rückt aus den Zähnen der einen Hälfte der durchgehenden Zahnstange aus, während der andere
äussere Zahn der teilweise gezahnten Scheibe in die Zähne der anderen Hälfte der kontinuierlichen Zahnstange eingreift. Dadurch, daß die Oberfläche der Zahnspitzen der Zähne Ik und 15 entsprechend gebogen geformt ist, lässt sich die eliptische
teilweise gezahnte Scheibe 21 in Eingriff mit der aus den
Zahnstangenhälften 2 und 3 gebildeten durchgehenden Zahnstange bringen und routiert stossfrei und mit hoher Geschwindigkeit. Wenn die eliptische teilweise gezahnte Scheibe 21 als Antrieb zum Antreiben der durchgehenden Zahnstange 2,3 arbeitet und
dadurch die Hin- und Herbewegung des Kolbens 4 verursacht wird, lässt sich die erfindungsgemässe Kraftmaschine als Pumpe für
Gaskompression und das Pumpen von Flüssigkeiten verwenden.
Für den Einsatz als Wärmekraftmaschine dient der Kolben 4 als Antriebsglied, und durch dessen Hin- und Herbewegung wird auch die durchgehende Zahnstange 2,3 hin- und herbewegt und diese
bewirkt eine stossfreie schnelle Drehung der eliptischen teil- ' weise gezahnten Scheibe 21 und damit auch der Antriebswelle

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In-dieser Form kann die Maschine als Verbrennungskraftmaschine und als Dampfmaschine eingesetzt werden; Eine Umdrehung der eliptischen teilweise gezahnten Scheibe 21 und der Antriebswelle 1 ergibt eine Hin- und Herbewegung des Kolbens, und umge-kehrt. Wie bereits beschrieben, gleitet einer der Zähne 14 oder 15 in eine der durchgehenden Zahnstange bildenden Hälften 2 oder 3 ein, wenn die eliptische, partiell gezahnte Scheibe 21 daraus auskuppelt. Demzufolge wird die Gesamtlänge der effektiven Abrollstrecke der Scheibe 21 etwas grosser als ein Takt des Kolbens 4. Entsprechend bewirkt die gleichförmige Rotation der teilweise gezahnten Scheibe 21 und der Antriebswelle 1 eine nahezu gleichförmig lineare Bewegung des Kolbens 4, und umgekehrt wird infolge der nahezu gleichförmig linearen Bewegung des Kolbens 4 eine gleichförmige Rotation der eliptischen teilweise gezahnten Scheibe 21 und der Antriebswelle 1 erreicht. Der freie Raum innerhalb des Kolbens 4 dient nicht nur als Durchlass für die eliptische teilweise gezahnte Scheibe 21 und die Antriebswelle 1, sondern auch zur Aufnahme von Schmieroel. Als Kühlsystem, das in der Zeichnung nicht veranschaulicht ist, kann in der Regel Luftkühlung oder Wasserkühlung benutzt werden. Die Massenkraft des Kolbens ist abhängig von dem Rotationsradius der Antriebswelle. Das erfindungsgemäss vorhandene Antriebssystem, in welchem eine an der Antriebswelle ansitzende eliptische partiell gezahnte Scheibe vorhanden ist, hat einen schmäleren Rotationsradius als das bekannte Kurbewellen-System, und dies hat den Vorteil, daß die Massenkraft geringer ist. Auch hat eine Antriebswelle mit einer eliptischen teilweise gezahnten Scheibe allgemein ein geringeres Gewicht als eine Kurbelwelle und ausserdem benötigt man beim erfindungsgemässen Antriebssystem keinen

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Kolbenzapfen und keine Pleuelstange, und der Kolben ist auf beiden Seiten teilweise ausgeschnitten für den Durchlass der mit der partiell gezahnten Scheibe versehenen Antriebswelle. Dementsprechend hat die erfindungsgemässe Kolbenkraftmaschine ein sehr viel geringeres Gewicht als die bekannten Maschinen und man kann sie als doppelt wirkenden Motor mit einem einzigen Kolben benutzen. Die geringere Abmessung und das niedrigere Gewicht der erfxndungsgemässen Maschine liegen so niedrig, wie man sich das bisher nicht vorstellen konnte. Da sich sowohl an dem Zylinder als auch an dem Kolben lange gleitende Teile befinden, vibriert der Kolben nur wenig und unterliegt nur geringem Verschleiss; demzufolge ist die Lebensdauer der erfxndungsgemässen Maschine vergleichsweise langer. Auch die Vibration infolge von Stoss zwischen Kolben und Zylinder ist geringer. Bei der Fertigung der durchgehenden Zahnstange 2,3 lassen sich die beiden Zahnstangenhälften 2 und 3 einzeln herstellen und dann an den Spitzen der Zähne 10, 13 und 11, miteinander verbinden, oder es können die Zahnspitzen zwecks Ausbildung einer einstöckigen durchgehenden Zahnstange aneinander geschweisst werden. Man kann auch die durchgehende Zahnstange direkt einstückig aus einem kompakten Werkstoffrohling herausformen. In den meisten Fällen wird man die Zahnstange · aus Metall herstellen, man kann .jedoch' ebensogut nichtmetallische Werkstoffe verwenden. Dies hängt im einzelnen ab von der Art der Maschine, in der der Kolben verwendet werden soll. Als Regel gilt, daß die durchgehende Zahnstange in

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dem Kolben aufgeschrumpft wird, jedoch kann ein Kolbenkopf mit einem Kolbenring mittels Schrauben an der durchgehenden Zahnstange befestigt werden.

Bei der in den Figuren 3» 4 und 5 veranschaulichten Ausführungsform der erfindungsgemässen Maschine als luftgekühlter einfachwirkender Zweitakter ist ein Einlass 8 für Schmieroel durch die Zylinderaussenwand 6 und die Zylinderlaufhülse 5 vorgesehen, es ist ein Zylinderkopf 7 vorhanden und ein Schmieroelkanal 9 angeordnet. Aus dem Vergaser 23 wird das Verbrennungsgas durch einen Gaseinlass 24 in die Saug- und Druckkammer 25 eingebracht und es ist ein Gaseinlasskanal 26 vorhanden. Aus dem Gasauslass 27 strömt das Gas ab. Der Zündstöpsel 2δ sitzt im Zylinderkopf 7» und es ist ein Schwungrad 29 vorgesehen. Mit 30 ist ein Lager bezeichnet, 31 stellt einen Motor-Generator dar, 32 veranschaulicht eine Oeldichtung und 33 eine Kühlrippe. Das Gasgemisch wird aus dem Vergaser 23 durch die Pumpwirkung des unteren Teils des Kolbens 4 angesaugt und durch den Gaseinlass 24 und die Saug- und Druckkammer 25 sowie den Gaseinlasskanal 26 in die Verbrennungskammer oberhalb des Kolbens 4 geführt. Durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens 4 wird das Gasgemisch komprimiert und durch Zündung des Zündstöpsels 28 erfolgt die Explosion. Durch die Abwärtsbewegung des Kolbens 4 wird die Antriebswelle 1 in Drehbewegung versetzt. Obgleich solche Art die Wirkungsweisen des Kolbens und der Antriebswelle die gleichen sind wie bei den üblichen Maschinen, kann der Maschinenkörper beim Erfindungsgegenstand sehr viel kleiner dimensioniert

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werden, weil keine Pleuelstange benutzt wird. Die Wirkungsweise, 'die Konstruktion und der Effekt des Kolbens 4 und der Antriebswelle 1 sind die gleichen wie mit Bezug auf Figur 1 erläutert. Die Struktur dieses Kolbens ist jedoch verschieden von den üblicherweise eingesetzten Kolben, und ist in einer Ausführungsform in Figur 5 näher erläutert. Innerhalb des Kolbens sind die Zahnstangenteile 2 und 3 vorgesehen und an der Seitenwand des Kolbens, die die Zahnstangenteile im rechten Winkel kreuzt, ist ein Teil der Wand herausgeschnitten und ein freier P Raum 22 als Durchlass freigelegt worden, damit der Kolben 4 durch die Antriebswelle 1 nicht blockiert v/erden kann, wenn der Kolben eine Auf- und Abbewegung durchführt. Im unteren Teil des freien Durchlassraums 22 ist eine öffnung 34 für den Durchgang der eliptischen teilweise gezahnten Scheibe 21 vorgesehen, womit das Einsetzen und Herausnehmen der Antriebswelle 1 möglich gemacht wird. Weiterhin kann ein Endzahn an jeder der Hälften der durchgehenden Zahnstange kurz geschnitten werden, so daß die Durchführung der Antriebswelle 1 mögb lieh wird und es kann eine gebogene überbrückung 19 eingesetzt werden,, nachdem die eliptische teilweise gezahnte Scheibe 21 und die Antriebswelle 1 in einer solchen Stellung in den Kolben eingepasst worden sind, wie dies in Figur 3 veranschaulicht ist, wodurch die Oberfläche der Zahnstange zu einer durchgehenden gebogenen Fläche vervollständigt wird. Die überbrückung 19 kann mit einer Schraube 20 befestigt werden. Man kann mit dieser Anordnung eine gleichmässige Wandstärke der rechten und linken Wände erreichen.

Wie bereits gesagt, lässt sich die erfindungsgemässe Kolben-

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kraftmaschine nicht nur als Wärmekraftmaschine, beispielsweise als Verbrennungskraftmaschine und als Dämpfmaschine verwenden, sondern man kann sie auch als Pumpaggregat zur Gaskompression und zum Pumpen von Flüssigkeiten einsetzen. Sie zeichnet sich aus durch kleine Abmessung und niedriges Gewicht, ist sehr wirtschaftlich und kostensparend, hat nur geringe Vibration, weist jedoch lange Lebensdauer auf und arbeitet vergleichsweise einfach. Als Verbrennungskraftmaschine kann sie als doppelt wirkende Maschine gebaut und sowohl als Zweitaktmotor als auch als Viertaktmotor eingesetzt werden. Als Zweitaktmotor erfolgt jeweils eine Explosion bei einem Takt und an einer Seite des Kolbens findet eine Explosion statt, während gleichzeitig an der anderen Seite des Kolbens Kompression erfolgt. Dadurch wird es möglich, ein ideales Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. Bei der erfindungsgemässen Maschine ist es nicht mehr erforderlich, die Kolbenwelle zu heizen, wie dies üblicherweise bei den bekannten doppelt wirkenden Motoren geschieht. Auch die Luftdichtigkeit ist voll befriedigend.

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Claims

Patentansprüche

1. kolbenkraftmaschine mit feststehendem Zylinder und um— \_y laufender Antriebswelle, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kolben (4) in Längstrichtung Zahnstangenhälften (2,3) eingepasst sind und auf der Antriebswelle (1) eine damit in Eingriff bringbare, teilweise gezahnte Scheibe (21} festsitzt, ä

2. Kolbenkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (21) elipsenförmig ausgebildet ist.

3. Kolbenkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnstangenhälften (2,3) symetrisch ausgebildet und gegenüberliegend in dem Kolben (4) angeordnet sind.