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Beschreibung zu Patentanmeldung Getriebevorrichtung zur Verwendung
als Kralt- una/oder wrbeitsmaschine Die Erfindung betrifft eine Getriebevorrichtung
zur Werxlenaung als Kraft- und/oder Arbeitsmaschine mit einer Welle und einem rotierenden
Kolben.
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Bisher erden als Verbrennungsmotoren oder auch Verdrängungsmaschinen
zwei Arten der Viergelenkkette genutzt. Die Schubkurbel, wobei ein Glied der Viergelenkkette
unendlich lang ist, und der Jankel-Notor, dessen Getriebe durch eine Viergelenkkette
dargestellt wird, aeren Gestell durch die Bewegung zweier aufeinander abrollender
(Zahn)räder geführt wird, wobei das den Kolben aufnehmende Gehäuse die Innenform
einer Zykloide aufweist.
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Der nach dem Prinzip einer Schubkurbel arbeitende Kolbenmotor üblicher
Bauart weist neben aem Vorteil guter, einfacher Abdichtbarkeit des Kompressions-Expansionsraumes
die Nachteile des relativ hohen Leistungsgewichts, konstruktiv aufwendiger Steuerungsorgane
und hoher Massenkräfte auf.
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Beim Wankelmotor treten neben den Vorteilen eines hohen Wirkungsgrades,
eines niedrigen Leistungsgewichts, relativ zum Kolbenmotor üblicher Bauart geringeren
Giftgehaltes im Abgas und sehr einfacher Steuerung des Gas-Arbeit-Verfahrens die
Nachteile der schwierigen Abdichtbarkeit der Kompressions-Expansionsräume zwischen
dem
Kolben und der Gehäusewana auf. Auch die Herstellung der zykloidenförmigen Gehäuseinnenwand
ist äuerst kompliziert und kann nur mit teuren Sondermaschinen erfolgen.
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Es ist bereits eine etriebevorrichtung vorgeschlagen worden, die verhältnismävig
wenige bewegte eile aufweist sowie aus einfach herstellbaren geometrischen Körpern
besteht, welche im Betrieb nur geringe Massenkräfte auS'einander ausüben. Bei dieser
Getriebevorrichtung ist es jedoch u.U. nachteilig, daX neben der Kolbenscheibe noch
weitere drehende Teile gegen das Gehäuse und untereinander abgedichtet werden müssen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Getriebevorrichtung
der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei der nur noch die Kolbenscheibe gegen
das Gehäuse und gegen eine An- oder Abtriebswelle abzudichten ist und bei der ferner
die Kolbenscheibe in axialer sowie in Drehrichtung exakt geführt wird, so daß die
Kolbenscheibe beliebig dünn ausgeführt werden kann.
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Ferner soll mit der Getriebevorrichtung ein Motor gebaut werden können,
der übliche Kolben-Arbeits-Verfahren bei thermo-dynamischen Vorteilen ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung der eingangs
erwähnten Art dadurch gelöst, daß der rotierende Kolben von einer Kolbenscheibe
gebildet ist, die eine zylindrische Umfangsfläche aufweist; daß die Kolbenscheibe
in einem zylindrischen Gehäuse drehbar in Richtung seiner Achse verschiebbar angeordnet
ist und an ihrer gesamten Umfangsfläche an der inneren Umfangswand des Gehäuses
anliegt; daß der Innenraum des Gehäuses an seinen
beiden Enden durch
Kegelfläche begrenzt ist, deren Mittellinien coaxial, aber in Bezug auf die Achse
des Gehäuses parallel versetzt verlaufen, wobei die Spitzen der Kegelflächen aufeinander
zu gerichtet sind und der halbe Kegelwinkel dem Neigungswinkel der Kolbenscheibe
entspricht; daß die parallele Versetzung der Mittellinien der Kegelflächen im weseSlichen
gleich dem halben Durchmesser des zylindrischen Gehäuses ist; und daß in der Mitte
des zylindrischen Gehäuses eine Welle so angeordnet ist, daß auf ihr die Kolbenscheibe
in Drehrichtung form- und/oder kraftschlüssig in axialer Richtung verschiebbar angeordnet
ist.
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Durch die extreme Verschiebung der Mittellinien der Kegelflächen zur
Mittellinie des zylindrischen Gehäuses wird ein großes Verhältnis von Expansionsraum
zu Kompressionsraum trotz großem Kegelwinkel erzeugt, so daß auf eine Abdichtung
der Kolbenscheibe gegen die Kegelflächen verzichtet werden kann. Weiterhin wird
hier die Kolbenscheibe in Drehrichtung exakt von der Welle und der zylindrischen
Gehäusewand sowie in axialer Richtung von den Kegelflächen geführt.
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Die Erfindung schlägt weiterhin vor, daß in den Kegelflächen je ein
Kanal angeordnet ist, in dem je ein Auslaß- und Einlaßventil mündet und in den eine
Zündkerze hineinreicht.
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Durch diese Anordnung übernimmt jede Kegelfläche in raum- und materialsparender
Weise zusätzlich zur axialen Führung der Kolbenscheibe die Funktion eines Zylinderkopfes
üblicher Kolbenmotoren. Die axiale Führung der Kolbenscheibe kann selbstverständlich
auch innerhalb des die Kegelflächen bildenden Materials mit Hilfe von zusätzlichen
Einbauten und einer Verlängerung des Auges einer Kolbenscheibe erfolgen.
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Es entspricht einem weiteren Vorschlag der Erfindung, daß'in jeder
Kolbenscheibe zwei Verdrängerstücke in Richtung der Achse
der zylindrischen
Gehäusewand verschiebbar angeordnet sind, welche aus einem zylindrischen, gegen
die Kolbenscheibe dichtenden Kolbenteil und einem flachen Kopfstück bestehen, welches
die Form des Kanalquerschnitts aufweist, wobei eine Feder das zugehörige Verdrängerstück
in Richtung des flachen Kopfstücks drückt und die maximale Ausrückung begrenzt.
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Mit Hilfe solcher Verdrängerstücke wird erreicht, daß der Kanalquerschnitt
in einem weiten Drehwinkelbereich während des Taktes Ansaugen-Ausschieben nahezu
verschlossen ist, womit eine nahezu vollständige Frischgasfüllung erzielt wird.
Während des Kompressionstaktes wird jeweils ein Verdrängerstück gegen die Federspannung
durch die auf Vor- und Rückseite unterschiedlichen Gas-Drücke in die Kolbenscheibe
gedrückt und so der Kanalquersohnitt freigegeben.
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Im folgenden Teil der Beschreibung werden einige Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Getriebevorrichtung anhand von Zeichnungen erläutert. Dabei
zeigt: Fig. 1 einen Axialschnitt durch das Gehäuse einer Ausführungsforin der erfindungsgemäßen
Getriebevorrichtung, wobei die Kegelflächen und die Kolbenscheibe nicht geschnitten
sind, Fig. 2 einen Axialsohnitt durch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Getriebevorrichtung, bei der zwei Getriebevorrichtungen als Teil indes ventilgesteuerten
4-Uakt-Motors hintereinander auf einer Welle arbeitend angeordnet sind, Fig. 3 eine
Draufsicht auf eine Kegelfläche der Vorrichtung gemäß Fig. 2 mit eingelassenem Kanal,
Fig. 4 einen Schnitt durch zwei Getriebevorrichtungen gemäß Fig. 2, wobei in den
Kolbenscheiben federbeaufschlagte Verdrängerstücke vorgesehen sind, und
Fig.
5 ein Verdrängerstück mit Feder im Aufriß sowie ein Verdrängerstück im eitenri.
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Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform der Getriebevorrichtung
weist ein Gehäuse 1 auf, welches eine zylindrische innere Umfangswand Z hat, gegen
die eine axial verschiebbar und drehbar angeordnete Kolbenscheibe 3 an ihrer gesamten
zylindrisch ausgebildeten Mantelfläche 4 alchtena anliegt. Die Kolbenscheibe 3 hat
bezüglich der Achse des Gehäuses 1 sowie cier Mantelfläche 4 schräggestellte parallele
Stirnflächen 5. dle Kolbenscheibe 3 liegt an jeder ihrer beiden Stirnflächen 5 an
einer Kegelfläche t eines Kegels 7 an. Die beiden Kegelflächen 6 der Kegel 7 begrenzen
aen Innenraum des Gehäuses 1. Die Spitzen der Kegelflächen ö sind aufeinanderzu
gerichtet. Der halbe Kegelwinkel entspricht dem Neigungswinkel der Kolbenscheibe
3. Die Mittellinie der Kegel 7 ist um aen halben uehäusedurchmesser gegenüber der
Mittellinie des Gehäuses 1 versetzt. In Fig. 1 ist der Gesamtkegel gestrichelt angedeutet.
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Koaxial zur Mittellinie des zylindrischen Gehäuses 1 verläuft eine
Welle 8, welche durch die Kegelflächen 6 hindurchführt und die Kolbenscheibe 3 in
Drehrichtung formschlüssig aber axial verschiebbar trägt.
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Wie man sich anhand der in Fig. 1 dargestellten DIehwinkelstellungen
der Kolbenscheibe 3 leicht verdeutlichen kann, setzt sich die Relativbewegung der
Stirnfläche 5 der Kolbenscheibe 3 gegenüber der entsprechenden Kegelfläche 6 aus
zwei Bewegungen zusammen: aus einem Verschieben einer Parallelen aer Hauptachse
der
elliptischen Kolbenscheibenstirnfläche 5 zu der ihr entsprechenden
Mantellinie der Kegelfläche 6 in Richtung der jeweiligen Mantellinie und aus einem
Abrollen der Stirnfläche 5 auf der Kegelfläche 6, wobei immer die gleiche Parallele
zur Hauptachse der Stirnfläche 5 auf der gleichen Mantellinie der Kegelfläche 6
bei vorgegebenem Drehwinkel aufliegt, so daß aufgrund dieses Bewegungsablaufes kein
wesentlicher Verschleiß zu erwarten ist.
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Fig. 2 zeigt die Anwendung zweier kombinierter Getriebevorrichtungen
als ventilgesteuerter Verbrennungsmotor, der im Arbeitsverfahren vollständig einem
4-Takt-4-Zylinder-Motor üblicher Kurbeltriebbauweise entspricht, aber nur ca. ein
Drittel des umbauten Raumes und Materials eines solchen Motors erfordert.
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Hier sind die beiden Kolbenscheiben 3 hintereinander auf der gleichen
Xlle 8 axial verschiebbar im Drehwinkel um 180 Grad phasenverschoben angeordnet.
Dank der Symmetrieeigenschaften dieses Motors wird durch die Phasenverschiebung
der Anordnung der Kolbenscheiben 3 ein vollständig massenkraftloser Betrieb ermöglicht.
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Außerhalb des Gehäuses 1 ist auf der Welle 8 ein Zahnrad 9 vorgesehen,
welches ein zweites Zahnrad 10 mit dem Übersetzungsverhältnis 1:2 antreibt. Das
zweite Zahnrad 10 sitzt auf einer Steuerwelle 15, welche die Funktion einer Nockenwelle
eines üblichen Kolbenmotors ausübt. Auf der Struerwelle 15 ist eine Kurvenscheibe
16 befestigt, welche die Öffnungszeiten eines Ventils 17 steuert, dessen Anordnung
noch zu beschreiben ist. Statt der Kurvenscheibe 16 können auch Nocken, Ventile
und Kipphebel üblicher Bauart zur Ventilsteuerung benutzt werden.
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In jeder Kegelfläche 6 ist ein Kanal 18 vorgesehen, welcher nutförmig
in die Kegelfläche 6 eingearbeitet ist und einen Kreisring bildet, an dessen einem
Ende ein Ventilsitz für ein Einlaßventil 17a vorgesehen ist, während sich am anderen
Ende des Kanals 18 ein Ventilsitz für ein Auslaßventil 17b befindet. Die Ventile
17a und 17b haben Ventilteller 19 und enden in dem Kanal 18, in dem auch eine Zündkerze
20 vorgesehen ist.
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Die Ventile 17a und 17b haben Schäfte 21, welche in üblicher Weise
durch die Binlaß- und Auslaßleitungen 14 hindurchführen.
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Die Schäfte 21 der Ventile 17a und 17b werden mit Hilfe von Federn
22 in Richtung auf die zugehörige Kurvenscheibe 16 gedrückt, wobei die Enden der
Schäfte 21 die Kurvenscheibe 16 unter einem Drehwinkel der Kurvenscheibe von ca.
45 Grad berühren. Hierdurch wird erreicht, daß zur Steuerung von Ein- und Auslaßventil
jeder Kegelfläche 6 nur eine Kurvenscheibe 16 erforderlich ist.
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Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch zwei gemäß Fig. 2 miteinanderkombinierte
Getriebevorrichtungen. Dabei ist jede Kolbenscheibe 3 mit zwei Verdrängerstücken
23 ausgestattet, die in Richtung parallel zur Achse des Gehäuses 1 verschiebbar
sind. Jedes Verdrängerstück 23 hat einen zylindrischen, in der Kolbenscheibe 3 dichtend
geführten Kolbenteil 24, der an seinem in der Reben.
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scheibe 3 liegenden Ende mit einem flachen Kopfstück 25 verbunden
ist. Das Kopfstück ist an seiner Stirnkante in Anpassung an das Profil des Kanals
18 gestaltet. Mit dem Kolbenteil 24 arbeiteterner eine Blattfeder 26 zusammen, welche
in der Kolbenscheibe 3 sitzt und bestrebt ist, das Verdrängerstück 23 in die in
Fig. 4 rechts dargestellte Stellung zu drücken. Die Verdrängerstücke
dienen
dazu, mittels der Kopfstücke 25 beim Takt Ansaugen - Ausschieben während eines weiten
Drehwinkelbereichs den Kanal 18 nahezu völlig zu verschließen, wenn kein hoher Druckunterschied
zwischen den beiden Seiten einer Kolbenscheibe 3 vorliegt. Der maximale Ausrückweg
der Kopfstücke 25 ist im vorliegenden Fall durch die Federn 26 begrenzt, kann aber
auch durch Anschläge bestimmt werden.