DE2750694A1

DE2750694A1 - Kolbenmotor mit veraenderbarem hub

Info

Publication number: DE2750694A1
Application number: DE19772750694
Authority: DE
Inventors: Yves Jean Kemper
Original assignee: Vadetec SA
Current assignee: Vadetec SA
Priority date: 1976-11-22
Filing date: 1977-11-12
Publication date: 1978-05-24
Also published as: DE2750694C3; DE2750694B2; US4100815A; JPS5365508A

Description

Vadetec S.A.

11. November 1977
7 Chemin des Charmettes

L 1124 Al/Kr
BP 3453

1002 Lausanne, Schweiz

Beschreibung

Kolbenmotor mit veränderbarem Hub

Die Erfindung betrifft Antriebseinrichtungen und insbesondere hin- und herbewegbare Motoren mit veränderbarem Volumen, insbesondere innere Verbrennungsmotoren, welche entsprechend dem bekannten Ottooder Dieselzyklus arbeiten. Die Erfindung betrifft darüber hinaus auch Wärmemotoren, in welchen Brennstoff außen verbrannt wird,
wie z.B. Dampfmotoren und Stirling-Motoren.

Es ist von der vorliegenden Anmelderin eine Ausführungsform des
inneren Verbrennungsmotors vorgeschlagen worden, bei welchem die Leistung, die von hin- und herbewegten Kolben in zylindrischen Verbrennungskammern erzeugt wird, auf einen im allgemeinen zylindrischen Taumelkörper übertragen wird, der von einem äußeren Drehträger getragen wird um eine Ausgangswelle mit einem Paar von entgegengesetzt konvergierenden kegelförmigen Bauteilen, auf die ein Drehmoment übertragen wird durch Reibung von inneren Rollflächen auf dem zylindrischen Taumelkörper. Der Stoß der Kolbenbewegung wird durch doppelendige Schwenkarme absorbiert, von denen jeweils ein

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Ende universal schwenkbar um einen festen Bezugspunkt und das andere Ende universal schwenkbar in einem Lager ist, das an einem Ende des zylindrischen Taumelkörpers vorgesehen ist. Ein Merkmal des offenbarten Ausführungsbeispiels besteht in einem exzentrischen Zylinder, mit Hilfe dessen der Winkel der Taumelbewegung des zylindrischen Körpers so verändert werden kann, um die Länge des Kolbenhubs relativ zu einem Zylinderkopf entweder mit oder ohne einem konstanten Kompressionsverhältnis zu verändern.

Bei solchen Motoren ist die Frequenz der Kolbenbewegung direkt proportional zur Winkelgeschwindigkeit des außen vom zylindrischen Taumelkörper gelagerten Trägers. Die Ausgangsdrehzahl oder Winkelgeschwindigkeit der Welle, mit welcher die kegelförmigen Bauteile verkeilt sind, ist eine Funktion des effektiven inneren Radius des zylindrischen Taumelkörpers und der Radien der kegelförmigen Bauteile am Reibeingriffspunkt zwischen diesen Elementen. Die Ausgangsdrehzahl kann für eine gegebene Motordrehzahl verändert werden, indem ein Paar von ringförmigen Teilen, die im Inneren des zylindrischen Taumelkörpers getragen werden, axial zu den kegelförmigen, auf der Ausgangswelle getragenen Bauteilen verschoben werden.

Bei einem Motor dieser Art steht die Drehzahl der Ausgangswelle zur Motordrehzahl in folgender Beziehung:

ύ> = ύ- - OcR₁ZR₂

In dieser Gleichung ist tj die Dreh- oder Winkelgeschwindigkeit der Ausgangswelle; oL die Drehgeschwindigkeit des Trägers des Taumelkörpers um die Achse der Ausgangswelle oder die Umlaufgeschwindigkeit der Taumelachse auf einer doppelkegelförmigen Bahn um die Achse der Ausgangswelle; R₁ der Radius der effektiven inneren RoIlflache des Taumelkörpers; und R_ der Radius eines jeden kegelförmigen Bauteils am Reibeingriffspunkt mit der jeweiligen inneren Rollfläche des Taumelkörpers.

Aus der obigen Gleichung geht hervor, daß die Ausgangsgeschwindigkeit to gleich der Motordrehzahl ώ ist, jedoch mit einer zur Motordrehzahl entgegengesetzten Drehrichtung, wenn das Verhältnis

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R₁ZR- = 2 ist. Dieser Zustand herrscht dann, wenn der Schnittwinkel zwischen der Achse des Taumelkörpers und der Achse der Ausgangswelle maximal ist. Für eine gegebene Motordrehzahl <Su nimmt die Drehzahl der Ausgangswelle ab oder nähert sich Null, wenn das Verhältnis R₁ZR₂ sich Eins annähert. Da die von den Taumelkörpern getragenen inneren Rollflächen auf axial verschiebbaren ringförmigen Teilen vorgesehen sind, kann das Verhältnis der Ausgangsdrehzahl zur Eingangsdrehzahl unabhängig vom Achsenschnittwinkel geändert werden, jedoch in einer Art und Weise, die übermäßige axiale Bewegung der vom Taumelkörper getragenen Ringe erfordert als Ergebnis der Veränderung des Schnittwinkels der Taumelkörperachse mit der Achse der kegelförmigen Bauteile, um die Länge des Kolbenhubs des Motors zu verändern.

Es ist darüber hinaus bekannt, daß die von inneren Verbrennungsmotoren der Kolbenbauart entwickelte Leistung sich direkt mit der Größe des Kolbenhubs und der Frequenz der Hin- und Herbewegung des Kolbens oder der Motordrehzahl verändert. Bei einem Motor der oben beschriebenen Art, bei welchem sich der Kolbenhub direkt mit der Veränderung des Schnittwinkels zwischen der Achse des Taumelkörpers und der Achse der kegelförmigen Bauteile verändert, wäre es daher wünschenswert, einen Betriebszustand zu schaffen, in welchem die Drehzahl der Ausgangswelle und die Motordrehzahl im umgekehrten Verhältnis zur Veränderung der Kolbenhublänge oder des Zylinderinhaltes verändert werden. Unter solchen Bedingungen kann die erzeugte Leistung so gesteuert werden, um den Motorwirkungsgrad für verschiedene mit der Ausgangswelle verbundene Lasten zu optimieren.

Die vorliegende Erfindung ist primär darauf gerichtet, den Wirkungsgrad von Motoren der Kolbenbauart zu optimieren, indem die Ausgangsdrehzahl in umgekehrtem Verhältnis zur Veränderung des Zylinderinhaltes unter Verwendung einer einzigen Steuerfunktion verändert wird. Darüber hinaus soll ein verbesserter innerer Verbrennungsmotor, eine neue Methode für den Betrieb eines inneren Verbrennungsmotors , ein solch innerer Verbrennungsmotor, der leicht an verschiedene Betriebsparameter angepaßt werden kann und bei welchem die übertragung von Leistung, die aus der Kolbenbewegung stammt,

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zu einer Ausgangswelle mit unveränderbarer Drehzahl mit Hilfe einer möglichst kleinen Anzahl von Betriebsteilen erfolgt. Schließlich sollen die Bauteile, die für die Übertragung der Leistung von den sich hin- und herbewegenden Kolben zu der Ausgangsdrehwelle erforderlich sind, leicht herstellbar sein.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Drehzahl der Ausgangswelle eines Kolbenmotors mit veränderbarem Zylinderinhalt in umgekehrtem Verhältnis zur Veränderung der Kolbenhublänge entsprechend einer einzigen einstellbaren Steuerfunktion verändert, die sowohl die Kolbenhublänge als auch das Verhältnis der Motordrehzahl zur Drehzahl der Ausgangswelle bestimmt. Diese Betriebscharakteristik wird durch eine Anordnung erzielt, in welcher ein Paar von kegelförmigen Bauteilen, die drehbar um eine erste Achse gelagert sind, angetrieben wird durch Reibrolleingriff mit inneren Rollflächen eines zylindrischen Taumelkörpers mit einer zweiten Achse, die im Verhältnis zur ersten Achse geneigt ist und die erste Achse in der Mitte zwischen den kegelförmigen Bauteilen schneidet. Der Taumelkörper wird außen von einem Träger unterstützt, welcher um die erste Achse drehbar gelagert ist in direkter Beziehung zur Drehzahl oder Frequenz der Kolbenbewegung als Ergebnis einer direkten Verbindung der Motorkolben mit einem Ende des zylindrischen Taumelkörpers . Das im Träger entwickelte Drehmoment wird als einer der beiden Eingänge zu einem epizyklischen Planetengetriebe übertragen, dessen anderer Eingang eine direkte Verbindung mit den kegelförmigen Bauteilen aufweist. Diese Drehmomenteingänge werden über das epizyklische Planetengetriebe zu einer gemeinsamen Motorausgangswelle übertragen.

Eine Veränderung der Kolbenhublänge sowie eine Drehzahlveränderung der Drehmomentübertragung zu den kegelförmigen Bauteilen wird durch Einstellung des Schnittwinkels zwischen der ersten und zweiten Achse bewirkt. Hierzu ist ein Steuerelement in Form eines exzentrischen Zylinders zwischen der Außenseite des zylindrischen Taumelkörpers und dem Träger vorgesehen. Der exzentrische Zylinder ist drehbar einstellbar im Verhältnis zu dem Träger durch ein

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— ο —

Druckströmungsmittel-Steuersystem, das eine Drehung des exzentrischen Zylinders relativ zum zylindrischen Taumelkörper und zum Träger gegen eine Vorspannkraft bewirken kann, die sich aus der Drehmomentübertragung von dem Taumelkörper zu dem drehbaren Träger ergibt. Die kegelförmigen Bauteile weisen einen geringen Meridianradius auf, so daß eine Veränderung des Schnittwinkels der ersten und zweiten Achse den Reibrollberührungspunkt zwischen der Innenseite des zylindrischen Taumelkörpers und den kegelförmigen Bauteilen in Axialrichtung der kegelförmigen Bauteile verschiebt und demzufolge den wirksamen Radius der kegelförmigen Bauteile verändert.

Entsprechend den bekannten Prinzipien des Betriebs eines Planetengetriebes verändert die Veränderung eines der beiden Drehinomenteingänge die Ausgangsdrehzahl des Getriebes.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen inneren Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 der Fig. 1,

Fig. 3 einen Teilschnitt durch einen der Kolben des in Fig. 1 gezeigten Motors,

Fig. 4 eine weggebrochene perspektivische Ansicht des Einstellelementes, das im Motor der Fig. 1 eingebaut ist,

Fig. 5 ein schematisches Diagramm der geometrischen Parameter des in Fig. 1 gezeigten Motors,

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Dimensionsbeziehung der Elemente, die im Motor der Fig. 1 eingebaut sind,

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Fig. 7 eine schematische Darstellung, die graphisch die Bestimmung eines Radius eines Elementes darstellt, und

Fig. 8 einen Teilschnitt einer abgewandelten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 ist ein innerer Verbrennungsmotor gezeigt mit einem Gehäuse 10, das eine Mehrzahl von Zylindern 12 mit Achsen 14 begrenzt, die symmetrisch in Kreisform um eine zentrale Motorachse 16 angeordnet sind. Die Achsen 14 der Zylinder 12 befinden sich daher im gleichen Abstand von der Achse 16 und sind im dargestellten Ausführungsbeispiel parallel zu der zentralen Achse 16.

Jeder Zylinder 12 endet an einer Stirnseite 18, in welcher herkömmliche Einlaß- und Auslaßventile 20 eingepaßt sind und zwischen einem geschlossenen und einem offenen Zustand durch synchron gedrehte Nocken 22 betrieben werden. In jedem Zylinder 12 ist ein Kolben 24 für eine Hin- und Herbewegung längs der jeweiligen Achse 14 angeordnet. Der Kolben 24 weist die gewöhnlichen äußeren Dichtungsringe 26 auf, welche mit der Innenfläche der Zylinder 12 strömungsmitteldicht in Eingriff stehen. Jeder Kolben 24 endet in herkömmlicher Weise in einer Stirnseite 28, die gemeinsam mit der Zylinderstirnseite 18 eine ausdehnbare Kammer mit einem Volumen begrenzt, das verändert werden kann entsprechend der Hublänge der Kolbenbewegung längs der Achse 14.

Ein Drehmomente übertragendes Bauteil oder eine erste Welle 30 in dem dargestellten inneren Verbrennungsmotor wird im Gehäuse 10 durch Lager 32 und 34 drehbar um die Achse 16 gelagert. Obwohl die Lager 32 und 34 einen unterschiedlichen Aufbau von dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau aufweisen können, sind die Lager 32 und 34 aus Gründen, die weiter unten im einzelnen beschrieben werden, vorzugsweise so ausgebildet, um nicht nur eine Drehung der Welle 30 um die Achse 16 zu ermöglichen, sondern auch eine axiale Bewegung der Welle 30 in Bezug zum Gehäuse 10. In der dargestellten Ausführungsform bestehen die Lager aus zylindrischen Rollen, die eine axiale Relativbewegung der jeweiligen inneren und äußeren Laufringe, in

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welchen die Rollen gehalten werden, erlauben.

Im Gehäuse 10 ist außerdem ein außen gelagerter Träger 36 drehbar um die Achse 16 gelagert. Der Träger 36 ist im Gehäuse 10 in Rollenlager 38 und 40 gelagert, die einen solchen Aufbau aufweisen, daß eine relative Axialbewegung des Trägers 36 und des Gehäuses 10 möglich ist. Der Träger 36 ist auch zur Welle 30 relativ drehbar und steht in Dreheingriff mit dieser Welle über eine Buchse 42, die als einstückige zylindrische Verlängerung einer Endplatte 43 dargestellt ist.

Die Buchse 42 weist eine rohrförmige Verlängerung 46 auf, die in Strömungsmitteldichter Verbindung mit einer festgelegten Leitung über eine Laufteleskopdichtung steht. Die Leitung 48 ist im Ende des Gehäuses 10 eingebaut. Hierdurch kann ein Drucksteuerströmungsmittel über die Leitung 48 und die rohrförmige Verlängerung 46 eingeführt oder abgezogen werden, unabhängig von einer relativen Drehung und begrenzten Axialbewegung der Verlängerung 46 und der festgelegten Leitung 48.

Der Träger 36 trägt einen zylindrischen Taumelkörper 58 mit einer Längsachse 60, welche die Achse 16 in einem Schnittpunkt S und unter einem Winkel pC schneidet. Der Taumelkörper 58 weist armförmige Verlängerungen 62 auf, die im wesentlichen eine Winkelhebelgestalt haben und einstückig an einem Ende 64 mit dem Ende des Taumelkörpers 58 verbunden sind und sich bis zu einer Ebene 66 zurückerstrecken, welche durch den Achsenschnittpunkt S und senkrecht zur Achse 60 verläuft. Die Gestalt dieser Arme 62 ist derart, daß die vorspringenden, in der Ebene 66 liegenden Enden 68 ungefähr auf den Achsen 14 der Zylinder 12 angeordnet sind.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, sind die vorspringenden Enden 68 eines jeden Arms 62 drehbar mit einem zugeordneten Kolben 24 über ein Universalgelenk 70 verbunden, das einen Drehpunkt aufweist, der in der Ebene 66 liegt. Obwohl der Drehpunkt des Universalgelenkes 70 auch ungefähr auf der Achse 14 des Zylinders 12 angeordnet ist, ist das Gelenk 70, wie aus der nachfolgenden Beschreibung noch deutlich wird,

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nicht immer auf der Achse 14 während der Hin- und Herbewegung der Kolben 24 zentriert. Das Gelenk verbindet das Ende 68 des Armes 62 mit einer Buchse 72, die eine querverlaufende Gleitbewegung im Verhältnis zum Kolben 24 ausführen kann, jedoch axial mit diesem Kolben beweglich ist als Ergebnis eines Gleiteingriffes eines Endabschnittes 74 hinter einem herabhängenden kopfartigen Vorsprung 76 an dem Kolben. Angesichts des in Fig. 3 gezeigten Aufbaus ist klar, daß die Bewegung des Kolbens 24 längs der Achse 14 begleitet wird von einer gleichen axialen Bewegungskomponente des Universalgelenkes. Das Gelenk 70 kann jedoch auch eine Querbewegung unabhängig vom Kolben 24 durchführen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird angemerkt, daß der zylindrische Taumelkörper 58 konzentrische Drehflächen aufweist mit einer ersten oder inneren Drehfläche 80 und einer zweiten oder äußeren Drehfläche 82, welche jeweils die inneren Laufbahnen der axial im Abstand angeordneten Rollenlager 84 und 86 bildet. Die äußere Zylinderfläche in Verbindung mit den Lagern 84 und 86 bildet einen Lagereingriff des Taumelkörpers 58 mit dem drehbaren Träger 36 in der Weise, daß die Neigung der Achse 60 im Verhältnis zur Achse 16 und somit der Winkel O⁴- festgelegt ist. Um die Einstellung des Winkelst- zu erleichtern, erfolgt der Lagereingriff des Taumelkörpers mit dem Träger 36 über einen exzentrischen Zylinder 88 mit einer inneren zylindrischen Drehfläche, welche von den äußeren Laufbahnen der Lager 84 und 86 gebildet wird, und äußeren zylindrischen Lagerflächen 90. Das Verhältnis der inneren und äußeren zylindrischen Flächen auf dem exzentrischen Zylinder 88 ist besonders deutlich in Fig. 5 dargestellt. Es wird insbesondere angemerkt, daß die zylindrische Drehfläche, welche von den äußeren Laufflächen der Lager 84 und 86 oder der inneren zylindrischen Fläche des exzentrischen Zylinders 88 bestimmt wird, konzentrisch zur Achse 60 des Taumelkörpers 58 verläuft. Die durch die äußeren Lagerflächen 90 bestimmte zylindrische Fläche ist jedoch konzentrisch zu einer Achse 92, die im Verhältnis zur Achse 60 um einen Winkel geneigt ist, welcher ungefähr der maximalen Veränderung des Achsenschnittwinkels 06 entspricht.

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Eine relative Drehung zwischen dem exzentrischen Zylinder 88 und dem Träger 36 ändert den Wert des Winkels o*· auf jeden besonderen Wert innerhalb eines von der Konstruktion vorgegebenen Bereiches. Um eine solche Relativdrehung zwischen dem exzentrischen Zylinder 88 und dem Träger 36 zu bewirken, ist eine ringförmige Strömungsmittelkammer 94 zwischen dem Träger 36 und dem exzentrischen Zylinder 88 vorgesehen, wie besonders deutlich aus den Fig. 1 und 2 hervorgeht. Die ringförmige Kammer erstreckt sich axial zwischen Strömungsmitteldichtungen 96 und ist in Umfangsrichtung durch einen rippenartigen Dichtstab 97 begrenzt, der an der Außenseite des exzentrischen Zylinders 88 befestigt ist, und durch einen ähnlichen rippenartigen Dichtstab 98 , der an dem Träger 36 befestigt ist. Die Kammer steht in Strömungsmittelverbindung mit dem Drucksteuerströmungsmittel, das über die Leitung 48 und den im Träger 36 ausgebildeten Durchgangskanal 99 eingeführt oder abgezogen wird.

Wie sich aus der nachfolgenden Beschreibung ergibt, bewirkt die Übertragung eines Drehmomentes vom Taumelkörper 58 zu dem Träger 36 über den exzentrischen Zylinder 88 und damit die ringförmige Kammer 94 eine Vorspannung der Elemente 88 und 36 in einer Richtung, um die Umfangslänge der ringförmigen Kammer 94 zu vermindern. Dieser Drehmomentvorspannung kann der Strömungsmitteldruck entgegentreten, um genau die Winkelposition des exzentrischen Zylinders und des Trägers 36 und damit den Wert des Winkels QC einzustellen.

Angesichts des Aufbaus der im vorhergehenden beschriebenen Teile wild angemerkt, daß die Taumelbewegung des Körpers 58 derart, daß die Achse 60 sich auf einer doppelkegelförmigen Bahn um die Achse 16 bewegt, dem Träger 36 für jede Taumelumlaufbahn des Körpers 58 eine Umdrehung auferlegt. Aufgrund der Verbindung der Kolben 24 mit dem Taumelkörper 58 über die Arme 62 treibt die synchronisierte Hin-und Herbewegung der Kolben unter dem durch die Ausdehnung der Gase in den Arbeitskammern 12 entwickelten Antrieb den Taumelkörper in der oben erwähnten doppelkegelförmigen Bahn an mit einer resultierenden übertragung des Antriebsdrehmomentes zur Drehung des Trägers 36 um die Achse 16.

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Um die durch die synchronisierte Kolbenbewegung verursachte Taumelbewegung des Körpers 58 zu erleichtern und um insbesondere den Stoß der Kolben zu absorbieren, erstrecken sich zwischen dem Gehäuse 10 und dem Verbindungsteil der Arme 62 mit dem Taumelkörper 58 Schwenkeinrichtungen in Form von Druckarmen 100. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, sind die Arme 100 an gegenüberliegenden Enden jeweils mit einem Kugelkopf 102 und 103 versehen, die zur Ermöglichung einer Schwenkbewegung im Verhältnis zum Gehäuse mit Lagern 106 am Ende des Taumelkörpers 58 in Eingriff stehen. Aufgrund dieser Anordnung der. Arme 100 kann der Kugelkopf 103 eines jeden Armes 100 um einen festgelegten Drehpunkt 108 geschwenkt werden, wohingegen der Kugelkopf 102 zusätzlich zur Schwenkbewegung im Lager 106 eine solche Bahn durchläuft, daß der Mittelpunkt 110 des Kugelkopfs 102 einen Kreis entsprechend der Taumelumlaufbewegung der Achse 60 um die Achse 16 beschreibt.

Obwohl der Drehpunkt 108 des Kugelkopfes 103 auf den Armen 100 oben als festgelegt im Verhältnis zum Gehäuse 10 gekennzeichnet ist, kann in Erwägung gezogen werden, die Position des festgelegten Drehpunktes 108 in einer Richtung parallel zur Achse 16 einstellbar zu machen, um entweder die Kolbenhublänge, den Ort der Kolbenbahn relativ zum Zylinderkopf 18 oder beide Parameter einzustellen. Obwohl die Wirkung einer solchen Einstellung weiter unten im einzelnen beschrieben wird, wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 darauf hingewiesen, daß die Kugelköpfe 103 der Arme 100 in Lagern 112 verschwenkt werden können, die von einem Ring 114 getragen werden, der eine abgeschrägte untere Oberfläche aufweist, die von keilförmigen Klemmstücken 116 unterstützt wird. Die Klemmstücke 116 sind derart angeordnet, um durch geeignete Einrichtungen wie z.B. Einstellschrauben 118 nach innen oder außen verstellt werden zu können. Der Aufbau des Ringes 114 und der Klemmstücke 116 ermöglicht eine Einstellung der Position des Drehpunktes des Schwenkarmes in einer Richtung parallel zur Achse 16. Zu diesem Zweck können jedoch auch andere Anordnungen verwendet werden.

Die Art und Weise, in welcher der in den Fig. 1 bis 4 gezeigte konstruktive Aufbau eine Veränderung der Hublänge der Kolben 24

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bewirkt, kann unter Bezugnahme auf Fig. 5 verstanden werden. Obwohl in Fig. 5 der Betrieb von nur einem Kolben 24 gezeigt ist, ist klar, daß die gleichen Prinzipien für alle in dem Motor verwendeten Kolben, vorzugsweise drei oder mehr zutreffen. In Fig. ist der Betrieb des Kolbens für zwei verschiedene Werte des Winkels ^ , nämlich Oi und QL. dargestellt. Wenn der Winkel zwischen den Achsen 16 und 60 auf den Winkel qL « eingestellt ist, welcher der größte der dargestellten beiden Winkel ist, verursacht die Nutation bzw. Taumelbewegung des Körpers 58 eine Schwenkbewegung des Druckarmes 100 um den Drehpunkt 108 derart, daß die Längsachse des Armes zwischen den Punkten 108 und 110 einen Kegel mit einer kreisförmigen Basis B₁ beschreibt und die vertikale Achse dieses Kegels durch den Achsenschnittpunkt S₁ verläuft. Da der Punkt 110 sich auf einem durch die Basis B₁ bestimmten Kreis bewegt, bewirkt das Universalgelenk 70, welches das vorspringende Ende des Armes 62 mit dem Kolben verbindet, eine Bewegung des Kolbens über eine in Fig. 5 mit D₁ gekennzeichnete Hublänge. Die Bewegung der Stirnseite des Kolbens 28 endet an einem Punkt in einem Abstand C₁ von der Stirnseite 18 des Zylinders.

Wenn der Winkel zwischen den Achsen 16 und 60 auf den in Fig. 5 gezeigten Winkel0Co reduziert wird, wird der Scheitelwinkel des von den Armen 100 beschriebenen Kegels verringert mit einer entsprechenden Verringerung des Durchmessers der Basis B~. Die von dem Endpunkt 110 des Armes 100 beschriebene Kreisbahn bewirkt eine Bewegung des Universalgelenkes 70 und des Kolbens 24 über eine entsprechend verminderte Hublänge D~ .

Außerdem wird angemerkt, daß wegen der Verschiebung der Basis B~ in Richtung des Achsenschnittpunktes S₁ von der kreisförmigen Basis B₁ weg der Punkt S₁ zum Punkt S~ bei einer Veränderung des Winkels von ö* zuV., verschoben wird. Diese Verschiebung des Achsenschnittpunktes wird aufgenommen durch die axial verschiebbaren Lager 32, 34, 38 und 40, welche jeweils die Welle 30 und den Träger 36 unterstützen.

Wie aus Fig. 5 hervorgeht, hat das Maß der Einstellbarkeit des fest-

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gelegten Drehpunktes 108 eines jeden Arms 100 in einer Richtung parallel zur Achse 16 eine Wirkung auf den Ort der Kolbenhubbewegung relativ zu den Zylinderköpfen 18. Die Einstellung des festgelegten Drehpunktes 108 ermöglicht daher die genauer Kalibrierung der Motorgeometrie, um einen veränderbaren Kolbenhub zu erzielen, während zur gleichen Zeit ein konstantes Kompressionsverhältnis aufrechterhalten wird, wenn dies gewünscht ist.

Aufgrund der vorausgehenden Beschreibung ist klar, daß die durch die synchronisierte Hin- und Herbewegung der Kolben 24 erzeugte Leistung auf den Taumelkörper 58 über dessen zweite oder äußere zylindrische Fläche und die Lager 84 und 86 übertragen wird, um den Träger 36 anzutreiben. Der Hub der Kolben 24 in den Zylindern 12 verändert sich mit den Einstellungen des Winkels OL, welche durch Drehung des exzentrischen Zylinders 88 relativ zum Träger 36 bewirkt werden. Die so erzeugte Leistung bzw. Energie manifestiert sich daher als Drehmoment im Träger 36. Zusätzlich wird die vom Motor erzeugte Leistung als Drehmoment Über den Taumelkörper auf die Welle 30 übertragen als Ergebnis des Reibrolleingriffs der ersten oder inneren zylindrischen Fläche 80 des Taumelkörpers 58 mit einem Paar von entgegengesetzt konvergierenden kegelförmigen Bauteilen 120 und 122, die zur gemeinsamen Drehung mit der ersten Welle 30 mit dieser kerbverzahnt oder auf andere Weise verbunden sind.

Wie aus den Fig. 1, 6 und 7 hervorgeht, sind die Bauteile 120 und 122 symmetrisch auf gegenüberliegenden Seiten des Achsenschnittpunktes S angeordnet und axial auf der Welle 30 längs der Achse 16 vom Punkt S weg unter der Vorspannung einer Feder 124 oder einer anderen geeigneten Vorspannkraft bewegbar, um an zwei Berührungspunkten ρ und P, mit der ersten oder inneren Fläche 80 des Taumelkörpers 58 in Reibrolleingriff zu kommen. Jedes der kegelförmigen Bauteile 120 und 122 ist mit einer äußeren Drehfläche 126 versehen, welche, wie weiter unten beschrieben wird, durch eine gekrümmte Erzeugende um die Achse 16 bestimmt ist, um einen effektiven veränderbaren Radius R₂ an den Eingriffpunkten P₁ und P₂ der Flächen 126 mit der inneren zylindrischen Fläche 80 des

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Taumelkörpers zu bilden, wobei der Taumelkörper 58 einen konstanten Radius R₁ aufweist.

Die Verhältnisse der Radien R. und R- bei sich verändernden Werten des Winkels (^ gehen aus der Fig. 6 hervor. Wie schematisch in Fig. 6 dargestellt ist, ergibt eine Veränderung des Wertes des Winkels C<. von (X ₁ zucC ₂ ^m-'-^t einem Differenzbetrag von&c<. eine Veränderung des Radius R₂, der sich die zylindrische erste oder innere Fläche 80 des Taumelkörpers 58 anpassen kann. Der Radius R~ ändert sich von dem Wert R_ zum Wert R₂, mit einem Differenzbetrag von ^iR- durch eine Gleitbewegung eines jeden der kegelförmigen Bauteile 122 und 124 auf der Achse 16 über eine Strecke AL. Unter der Voraussetzung, daß die Winkelot ₁ und cc den Minimalwert und Maximalwert des WinkelsoL darstellen, der im Motor verwendet wird und dementsprechend der WinkeliÄoC gleich der maximalen Veränderung des Winkels°Cist, stellt die axiale Strecke Λ-L die maximale Axialbewegung der kegelförmigen Bauteile 122 und 124 weg vom Punkt S dar.

Wie in Fig. 7 gezeigt ist, wird der Radius r der gekrümmten Erzeugenden, welche die äußere Fläche 126 eines jeden kegelförmigen Bauteils 122 und 124 festlegt, durch den Schnittpunkt von Linien bestimmt, die senkrecht zu einem Paar von Tangenten T₁ und T- verlaufen, die sich in einem Punkt M schneiden, der auf der Mitte zwischen den Punkten C₁ und C₂ liegt, welche die senkrechten Schnittpunkte der Radiuslinien mit den jeweiligen Tangenten T₁ und T₂ darstellen. Der Abstand zwischen den Punkten C₁ und C- ist gleich der Summe der axialen Erstreckung der äußeren Fläche der kegelförmigen Bauteile 122 oder 124 und der Strecke der axialen Bewegung Δ L, die jedes Bauteil 122 und 124 im Verhältnis zum Achsenschnittpunkt S durchläuft.

Wie oben erwähnt worden ist, ist die Winkelgeschwindigkeit to der kegelförmigen Bauteile und damit der Welle 30 gleich £, , der Drehzahl der Taumelbewegung der Achse 60 um die Achse 16, minus der Funktion οό R₁ZR₂- Da der Bruch R../R2 immer kleiner als Eins ist, ist klar, daß die Drehung der Welle 30 in einer Richtung erfolgt,

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die der Drehung des Trägers 36 entgegengesetzt ist, und verändert werden kann von einer Winkelgeschwindigkeit gleich und entgegengesetzt zu derjenigen des Trägers 36, wenn die Funktion R-./R₂ gleich 2 ist, bis zu einer Geschwindigkeit nahe Null, wenn R₁ZR₂ sich Eins nähert.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist die erste Welle 30 eine hohle oder rohrförxnige Welle. Darüber hinaus verläuft die Gegenwelle 130 durch die rohrförmige Welle 30 zur direkten Verbindung mit dem Träger 36 über die Buchse 42. Die Wellen 30 und 130 sind unabhängig voneinander drehbar und über ein epizyklisches Planetengetriebe mit einer Motorausgangswelle 134 verbunden. Bei der bevorzugten, in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform hat das epizyklische Planetengetriebe 132 zwei Momenteneingänge. Ein Eingang weist die Form eines Kegelzahnrades 136 auf, das rotationsmäßig mit der rohrförmigen ersten Welle 30 verbunden ist, und der andere Momenteneingang wird von einem Kegelzahnrad 138 gebildet, das rotationsmäßig mit der Gegenwelle 130 verbunden ist. Die Kegelzahnräder 136 und 138 kämmen gleichzeitig mit Planetenzahnrädern 140, welche drehbar in einem Planetenträger 142 gelagert sind, welcher rotationsmäßig mit der Ausgangswelle 134 verbunden ist. Hieraus folgt, daß das Kegelzahnrad 136 durch die rohrförmige erste Welle 30 mit einer Geschwindigkeit ti angetrieben wird, die veränderbar ist entsprechend dem Verhältnis R-j/R-, das durch den Winkel^ubestimmt wird, wohingegen das Kegelzahnrad 138 mit einer WinkelgeschwindigkeitqC angetrieben wird, welche gleich der Rotationsgeschwindigkeit des Trägers 36 ist. Entsprechend der bekannten Funktionsweise eines epizyklischen Planetengetriebes steht die Winkelgeschwindigkeit A der Ausgangswelle 134 zu den Geschwindigkeiten ob und & in folgender Beziehung:

wobei N^₀ die Zähnezahl des Zahnrades 136 darstellt, Ν_Λ gleich der Zähnezahl des Zahnrades 138 ist und N gleich der Zähnezahl der Planetenzahnräder 140 ist.

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Wie oben erwähnt worden ist, drehen sich die Wellen 30 und 130 in entgegengesetzten Richtungen. Die Welle 30 wird mit einer Winkelgeschwindigkeit όό angetrieben, die gleich (aber mit entgegengesetztem Vorzeichen) <& ist, wenn R₁ZR₂ gleich 2 ist. Wenn sich der Bruch R₁ZR₂ Eins nähert, nähert sich die Geschwindigkeit ώ Null, wohingegen die Geschwindigkeit -4L konstant bleibt für eine gegebene Motordrehzahl. Die mit der Ausführungsform gemäß Fig. 1 erzielten Ergebnisse können abgeschätzt werden, unter der Voraussetzung, daß ^NA> ^{= N}c** ⁼ 30, 2N = 30 und ck. = 2000 U/min ist. Die nachfolgenden Beziehungen bestehen dann zwischen R₁ZR₂, <ό und φ :

R₁ZR₂ tu UZmin bUZmin

2 - 2000 0

1.8 - 1600 200

1.6 - 1200 400

1.4 - 800 600

1.2 - 400 800

1 0 1000

Entsprechend der oben angenommenen Betriebsbedingung verändert sich der Winkelet von seinem Maximalwert zu seinem Minimalwert, wenn die Ausgangsgeschwindigkeit θ sich von Null auf 1000 UZmin verändert, Wie oben unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben worden ist, verändert sich in ähnlicher Weise die Kolbenhublänge oder der Zylinderinhalt von einem Maximalwert, wenn β gleich Null ist, auf einen Minimalwert, wenn 6 gleich 1000 UZmin ist. Es wird angemerkt, daß die angenommene Tabelle der relativen Werte mehr theoretisch als praktisch ist insoweit als der Winkel^, niemals Null sein wird, obwohl die Winkelgeschwindigkeit θ tatsächlich Null wird, wenn sich der Bruch R₁ZR₂ einem Wert 1,05 nähert aufgrund von Schlupf zwischen den Flächen 80 und 126.

In der abgewandelten Ausführungsform gemäß Fig. 8 ist die Ausgangswelle 134 mit den Wellen 30 und 130 über ein epizyklisches Planetengetriebe 132· verbunden mit einem Zahnkranz 143, der mit der

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Welle 30 verbunden ist, einem Sonnenzahnrad 144, das mit der Welle 30 verbunden ist, und Planetenzahnrädern 146, die wiederum über einen Planetenträger mit der Ausgangswelle 134 verbunden sind. Die Gleichung für diese Form eines epizyklischen Getriebes lautet unter Verwendung der besagten Geschwindigkeiten:

wobei N_ die Zähnezahl des Sonnenzahnrades 144 und N gleich der Zähnezahl des Zahnkranzes 143 ist. Bei diesem epizyklischen Getriebe verändert sich der Wert θ von einem Minuswert zu einem Pluswert über einen Nullwert bei Veränderungen der Geschwindigkeit Ci ^und entsprechender Werte des Bruches R-/R₂* ^{Bei der} Ausführungsform gemäß Fig. 8 kann die Ausgangswelle zum Antrieb der Räder eines Automobils verwendet werden, z.B. in "Rückwärts-", "Leerlauf-" und "Vorwärtsstellung" bei veränderbaren Getriebedrehzahlverhältnissen.

Obwohl zahlreiche besondere Betriebsparameter bei einem Motor der vorliegenden Art möglich sind, erfolgt die Vereinigung der von den Wellen 30 und 130 übertragenen Drehmomente über das epizyklische Planetengetriebe 132 zur Erhöhung der Ausgangsdrehzahl gleichzeitig mit einer Erniedrigung der Kolbenhublänge oder des Zylinderinhaltes allein infolge einer Drehung des exzentrischen Zylinders 88 relativ zum Träger 36 zur Veränderung des Winkels 06 · Als Folge der Verringerung des Kolbenhubes wird die vom Motor entwickelte Leistung mit ansteigender Drehzahl der Ausgangswelle derart verringert, um den Motorwirkungsgrad unter gewöhnlich beim Betrieb z.B. von Automobilen auftretenden Belastungen zu optimieren. Die vom Motor entwickelte Leistung wird auch durch die Frequenz der Kolbenbewegung oder Motordrehzahl sowie durch die Ausgangsdrehzahl beeinflußt. Während die Motordrehzahl in herkömmlicher Weise durch Gasdrosselung gesteuert werden kann, können Verluste des Wirkungsgrades, die sich aus einer extremen Drosselung ergeben, im wesentlichen vermieden werden.

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Claims

Patentansprüche

1. Kolbenmotor mit einer ersten Welle, die in einem Gehäuse drehbar um eine erste Achse gelagert ist, einem Taumelkörper mit einer ersten und zweiten konzentrischen Drehfläche um eine zweite Achse, welche die erste Achse in einem Achsenschnittpunkt schneidet, einem Träger, der um die erste Achse drehbar ist und in Lagereingriff mit der zweiten taumelnden Drehfläche steht, um den Achsenschnittwinkel festzulegen, einem Paar von entgegengesetzt konvergierenden kegelförmigen Bauteilen, die drehfest mit der ersten Welle verbunden sind und in gleichem Abstand vom Achsenschnittpunkt auf der ersten Achse angeordnet sind, wobei die kegelförmigen Bauteile in Rolleingriff mit der ersten taumelnden Drehfläche stehen, mit mindestens einem hin- und herbewegbaren Kolben in einer Arbeitskammer, die von einem Zylinder begrenzt ist, der eine im Abstand vom Kolben angeordnete Stirnseite aufweist, und mit einer Einrichtung zur Verbindung des Kolbens und des Taumelkörpers, so daß der letztere taumelnd angetrieben wird bei einer Hin- und Herbewegung des Kolbens, um die zweite Achse auf einer doppelkegelförmigen Bahn um die erste Achse zu bewegen, wodurch der Träger in einer Drehrichtung um die erste Achse und die erste Welle in einer ent-

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ORIGINAL INSPECTED

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gegengesetzten Richtung mit einer Drehzahl angetrieben wird, die durch die Radien der kegelförmigen Bauteile an den Berührungspunkten mit der ersten taumelnden Drehfläche festgelegt ist, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung (88) vorgesehen ist, um den Schnittwinkel (Ot) der ersten und zweiten Achse (16, 60) zu verändern für eine phasengleiche Einstellung sowohl des Kolbenhubs (D) als auch der Drehzahl (Q) der ersten Welle (30) zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert für eine gegebene Frequenz der Hin- und Herbewegung des Kolbens (24) , und daß das Drehmoment der ersten Welle (30) und das Drehmoment des Trägers (36) zur Erzeugung eines Motorausgangsdrehmomentes kombiniert werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmoment der ersten Welle (30) und des Trägers (36) in einem epizyklischen Planetengetriebe (132, 132') kombiniert werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmoment über einen Planetenträger (142) erzeugt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehmomente der ersten Welle (30) und des Trägers (36) jeweils mit unabhängig drehbaren Zahnrädern (136, 138) gekoppelt sind, welche die gleiche Größe aufweisen und mindestens ein Planetenzahnrad (140) einschließen, das im Planetenträger (142) gelagert ist und mit beiden unabhängig drehbaren Zahnrädern kämmt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das epizyklische Planetengetriebe (132') mindestens ein im Planetenträger gelagertes Planetenzahnrad (146), ein mit dem Planetenzahrad kämmendes Sonnenzahnrad (144) und einen ebenfalls mit dem Planetenzahnrad kämmenden Zahnkranz (143) aufweist, und daß der Träger (36) mit dem Sonnenzahnrad (144) und die erste Welle (30) mit dem Zahnkranz (143) verbunden sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (124) vorgesehen ist, um die kegelförmigen Bauteile (120, 122) vom Achsenschnittpunkt (S) weg in Ein-

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griff mit der ersten Drehfläche (80) auf dem Taumelkörper (58) vorzuspannen, und daß die kegelförmigen Bauteile durch gekrümmte Erzeugende bestimmte Außenflächen (126) haben, wodurch eine Veränderung des Achsenschnittwinkels (60 eine Bewegung der kegelförmigen Bauteile aufeinander zu und voneinander weg bewirkt, um den Radius der kegelförmigen Bauteile an den Berührungspunkten (P1, P2) mit der ersten Drehfläche (80) zu verändern.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Drehfläche (80) auf dem Taumelkörper (58) eine innere zylindrische Fläche mit konstantem Radius ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Drehfläche (82) eine äußere Lagerfläche ist.

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