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Kolben-Kraft- und Arbeitsmaschine
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Zusatz zu Patent ..... (Patentanmeldung P 25 35 644.9)
Die
Erfindung betrifft eine Kolben-Kraft- und Arbeitsmaschine mit einem wenigstens einen
zylinderförmigen Arbeitsraum umschließenden Mantel, wenigstens einem im Arbeitsraum
in Richtung seiner Längsachse hin- und herbewegbaren sowie um seine Längsachse drehbaren
Kolben sowie einem mit dem Kolben verbundenen und diesem bei seiner Hin- und Herbewegung
eine Drehbewegung um die Längsachse aufzwingenden sowie die Kolbenbewegung in eine
Drehbewegung einer Abtriebswelle oder die Drehbewegung einer Antriebswelle in die
Kolbenbewegung umwandelnden Getriebe.
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In der Hauptanmeldung sind verschiedene Ausbildungen des Getriebe
bes vorgeschlagen, bei denen dann, wenn mehrere Zylinder nebeneinander angeordnet
werden und auf eine gemeinsame Welle arbeiten oder von dieser angetrieben werden
ollen, der Aufwand für das Getriebe sich erhöht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kolben-Kraft- ind Arbeitsmaschine
gemäß der Haupanmeldung dahingehend weiter auszugestalten, daß ohne Schwierigkeiten
und inshesondere ohne zusätzlichen Aufwand für das Getriebe mehrere Zylinder nebeneinander
angeordnet und deren Kolben mit einer gemeinsamen Welle gekuppelt werden können.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß c'as Getriebe als Kurbelwelle
ausgebildet ist, deren quer zur Hubrichtung des Kolbens liegende Wellenzapfcn die
Abtrielss- oder Antriebswelle bilden und deren Kurbelzapfen über ein auf ihm längsverschiebbares
Gelenk mit dem Kolben verbunden ist.
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Der Aufwand und Raumbedarf dieses Getriebes ist ebenso gering wie
bei demjenigen gemaß der Hauptanmeldung, und es genügt, wenn statt nur eines Zylinders
mehrere, nebeneinander angeordnete Zyliunder vorgesehen sind, diese Kurbenwelle
entsprechend zu verlängern, wobei selbstverständlich die Zylinder auch gegeneinander
in l!mfangsrichtung der Kurbelwelle versetzt liegen können. Ein weiterer
Vorteil
eines solchen Getriebes unabhängig von der Zahl der Zylinder besteht darin, daß
keine %zahnräder od.dgl. erforderlich sind, um die Bewegung des Kolbens auf die
Abtriebswelle oder die Drehung der Antriebswelle auf den oder die Kolben zu übertragen.
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Besonders günstige Verhältnisse ergeben sich dann, wenn die Langsachse
des Kurbelzapfens durch den Schwerpunkt geht oder eine durch den Schwerpunkt gehende
und parallel zur Längsachse des Kolbens liegende Gerade die Längsachse der Kurbel
schneidet.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform schließt die Längsachse
des Kurbelzapfens mit der Längsachse des Kolbens und der Längsachse der Wellenzapfen
einen spitzen Winkel von vorzugsweise 45° ein. IIierdurch erreicht man eine besonders
günstige Bewegungsbahn des Schwerpunktes des Kolbens. Besonders zweckmäßig ist es
hierbei, den Kurbelzapfen so anzuordnen, daß seine Längsachse die Längsachse des
Kolbens schneidet.
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Die Ausbildung des Gelenkes zwischen dem Kurbelzapfen und dem Kolben
ist in verschiedener Weise möglich. Beispielsweise kann ein Kugelgelenk vorgesehen
werden, dessen Kugel längsverschiebbar auf dem Kurbelzapfen sitzt. Besondere Vorteile,
und zwar insbesondere bei Ausführungsformen mit einem im Winkel zu den iJellenzapfen
liegenden Kurbelzapfen, ergibt ein Gelenk mit einer auf dem Kurbelzapfen sitzenden
Hülse, die um eine zur Längsachse des Kurbelzapfens lotrecht liegende Achse schwenkbar
mit dem Kolben verbunden ist. Verläuft der Kurbelzapfen im spitzen Winkel zu den
Wellenzapfen, dann kann diese Hülse mittels zweier Gelenkzapfen mit dem Kolben verbunden
werden, die in einer Ebene liegen, auf der die Längsachse des Kolbens lotrecht steht.
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Im folgenden ist die Erfindung anhand von zwei in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen
schematisch dargestellten Längsschnitt des ersten Ausftihrungsbeispiels, Fig. 2
einen schematisch dargestellten Querschnitt des Kolbens und des Getriebes des ersten
Ausführungsbeispiels, Fig. 3 einen schematisch dargestellten Längsschnitt des zweiten
Ausführungsbeispiels, Fig. 4 einen schematisch dargestellten Querschnitt des Kolbens
und des Getriebes des zweiten Ausführungsbeispiels.
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Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte erste Ausführungsbeispirl besitzt
einen doppelt wirkenden kolben 1. Seine beiden gleich ausgehildeten, im Querschnitt
kreisförmigen Kolbenböden 5 haben eine relativ geringe axiale Lunge und tragen je
einen Kolbenring 6.
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Die beiden Kolbenböden 5 sind durch einen außermittig liegenden, im
QuerschnItt sektorförmigen Kolbenschaft 4 miteinander verwunden, wobei der Krümmungsrauius
der zylindrischen AußenmantelflächE: des Kolbenschaftes 4 etwas kleiner als der
Krümmungsradius der Mantelfläche der Kolbenböden gewählt ist. Der Schwerpunkt des
Kolbens 1 liegt infolge dieser Ausbildung außerhalb der Längsachse dr Kolbenbbden
5 im Solbenschaft 4, also außermittig.
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Die beiden Kolbenböden 5 greifen längsverschiebbar und drehbar in
je einen Zylinder ein, der je aus einem Mantel 2 und einer Stirnwand 7 besteht.
Die beiden gleich ausgebildeten Zylinder sind gleichachsig angeordnet und in nicht
dargestellter Weise miteinander verbunden. Es ist aber auch möglich, für beide Zylinder
einen gemeinsamen Mantel mit Durchbrüchen in demjenigen Bereich vorzusehen, der
nicht zur Begrenzung der beiden Verbrennungs- oder Arbeitsräume 8 dient. Ventile
oder Schlitze für die Zu- und Abfuhr von Brennstoff und Luft bei einer Ausbildung
als
Verbrennungskraftmaschine oder eines Arbeitsmittels bei einer Arbeitsmaschine zu
den Räumen 8 bzw. aus diesen heraus sind nicht dargestellt. Sie können in bekannter
Weise ausgebildet sein.
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Als Getriebe für die Umsetzung der Bewegung des Kolbens 1 in eine
Drehbewegung einer Abtriebswelle oder die ijmsetzung der Drehbewegung einer Antriebswelle
in die Bewegung des Kolbens ist eine als Ganzes mit 10 bezeichnete Kurbenwelle vorgesehen.
Die Längsachse der beiden Wellenzapfen 11 schneidet die Längsachse des Kolbens 1
und der beiden Zylinder senkrecht in der Ebene zwischen den beiden Stirnwänden 7.
Der KUrbelzapfen 1 2 d< r Kurbelwelle 10, der in üblicher Weise mittels zweien
Kurbelwangen 13 mit den Wellenzapfen 11 verbunden ist, liegt parallel und exzentrisch
zur Längsachse der Wellenzapfen 11. Auf dem Kurbelzapfen 12 sitzt drehbar und längsverschiebbar
eine Kugel 14 eines Gelenkes, das die Kurhelwelle 10 mit dem Kolben 1 verbindet.
T)ie Kugel 14 ist im Kolbenschaft 4 drehbar gelagert, wozu dieser mit einem Durchbruch
15 versehen ist, der zwei symmetrisch zur Quermittelebene des Kollens 1 liegende
Kugelkalotten als Lagerflächen für die Kugel u aufweist. Wie die Figuren zeigen,
erweitert sich der Durchbruch 15 nach beiden Enden hin konisch, damit, wie Fig.
2 zeigt, der Kurbelzapfen 12 nicht in Anlage an den Kolbenschaft 4 kommt.
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Statt der Kugel 14 könnte auch ein z';lindrischer Körper verwendet
werden, dessen Längsachse parallel zur Nolhenlängsachse liegt und vorzugsweise durch
den Kolbenschwerpunkt geht. Dieser Körper müßte eine ihn in radialer Richtung durchdringende
Bohrung für den Kurbelzapfen 12 aufweisen und um seine Längsachse drehbar im Durchbruch
15 gelagert sein. Ein Querschnitt entsprechend Fig. 2 ergäbe dasselbe Schnittbild.
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Wie die Fig.1 und 2 zeigen, können die Kurbelwangen 13 ganz oder teilweise
in dem Raum zwischen den beiden Kolbenböden 5 liegen.
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Der Abstand voneinander ergibt sich aus dem erforderlichen Verschiebebereich
für die Kugel 14 und, wie Fig. 2 zeigt, aus dem Drehwinkel des Kolbenscllaftes 4.
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Beim Betrieb führt der Kolben 1 zusätzlich zu der sich aus der Hubbewegung
ergebenden Trabslationsbewegung eine Drehbewegung um seine Längsachse aus, da, wie
Fig. 2 zeigt, die Bewegung des Kurbelzapfens 12 auch eine Verschiebung des im Zentrum
der Kuge 14 und damit auf der Längsachse des Kurbelzapfens liegenden Schwerpunktes
des Kolbens 1 in einer Rich--ung quer zur Hubrichtung erzwingt, welche wegen der
Längsversclliebbar}eit der Kugel 14 auf dem Kurbelzapfen 12 zu einer Bewegung des
Schwerpunktes auf einer Kreisbahn um die Kolbenlängsachse führt. Die Bahn, die der
Sc.herpunkt des Kolbens 1 während jedes Taktes heschreibt, setzt sjch also aus der
Hubbewegung und einer in einer Querebene erfolgenden, ebenfalls hin- und hergehenden
Drehbewegung zusammen..
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Die Kurbelwelle 10 kann nach einer der beiden Seiten hin verlängert
werden, so daß eine bei Kolbenmaschinen übliche Bauweise mit mehreren Zylindern
ohne weiteres möglich ist.
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Bei geeigneter Wahl der Exzentrizität des Kurbelzapfens 12, namlich
dann, wenn in der Stellung gemäß Fig. 2 der Kolben eine Drehung um 90° gegenüber
der stellung gemäß Fig. 1 erfahren hat, kann ein stets gleich bleibender Drehsinn
des Kolbens 1 un seine Längsachse vorgesehen werden.
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Das in den Fig. 3 und 4 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet
sich von demjenigen gemäß den Fig. 1 und 2 im wesentlichen nur durch eine andere
Ausbildung seiner Kurbelwelle 110. Der Kolben 101 ist mit Ausnahme seines Durchbruches
115 in gleicher Weise wie der Kolben 1 ausgebildet. Selbstverständlich könnten
hier
ebenso wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel auch andere Kolbenformen Verwendung
finden. Ebenso sind die beiden Zylinder mit ihrem Mantel 102 und ihrer Stirnwand
107 grundsätzlich gleich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet.
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Die Längsachse des Kurbelzapfens 112 der Kurbelwelle 110 schließt
mit der Längsachse der beiden Wellenzapfen 111 einen Winkel von 450 ein und schneidet
unter demselben Winkel die Längsachse des Kolbens 101 in der Quermittelebene der
beiden Zylinder. Die beiden Kurbelwangen 113 haben deshalb eine unterschiedliche
Aushildung. Die eine ist im Ausführungsbewspiel als Schwungscheibe 118 ausgebildet.
An den Kurbelzancgn können die erforderlichen Cegengewichte vorgesehen sein.
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Zur Verbindllng des Kurbelzapfens 112 mit dem Kolbenschaft 104 des
Kolbens 101 sitzt auf dem Kurbelzapfen 112 drehbar und längsverschiebbar eine Hülse
114, die im Durchbruch 115 des Kolbenschaftes angeordnet ist. Zwei in radialer Richtung
an diametralen Stellen in die Hülse 114 eingreifende Gelenkzapfen 116 sind mittels
nicht dargestellter Lager in einer Bohrung 117 des Kolbenschaftes 104 gelagert,
welche in der Quermittelebene des Kolbens 101 liegt und durch dessen Schwerpunkt
geht.
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Der Durchbruch 115 besteht, wie Fig. 3 zeigt, im wesentlichen aus
zwei nach außen7konisch erweiternden Abschnitten, welche es erlauben, die Längsachse
der Hülse 114 auf der durch die Längsachse des Kurbelzapfen bestimmten Kegelmantelfläche
zu bewegen.
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Der Schwerpunkt des Kolbens 101 beschreibt im Betrieb wie bei dem
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und 2 eine hin- und hergehende Translationsbewegung
und gleichzeitig eine hin- und hergehende Schwenkbewegung um die Längsachse des
Kolbens 101.
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Es wäre möglich, eine der beiden Kurbelwangen, heispielsweise die
Kurbelwange 113, wegzulassen, den Kurbelzapfen 112 also als einen von der einen
Kurbelwange frei abstehenden Zapfen auszubilden, ohne den Bewegungsablauf des Kolbens
zu verändern.
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Wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 und 2 sind zur Umsetzung
der Kolbenbewegung in die Drehbewegung der Wellenzapfen 111 oder zur Umsetzung der
Drehbewegung der letzteren in eine Bewegung des Kolbens 101 keine Räder erforderlich.
Ferner kann die Kurbelwelle 110 nach einer der beizen Seiten hin verlängert werden,
so dc.ß die bei üblichen Kolbermaschinen bekannten Bauarten mit mehreren Zylindern
verwirklicht werden können.