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Schwenkkolben-Maschine
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Beschreibung: Schwenkkolben- oder Schwenkflügel-Maschinen sind bereits
bekannt.
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Derartige Maschinen haben in der Regel ein aus zwei symmetrisch gestalteten
Schalen aufgebautes Gehäuse mit wenigstens einer sich über einen vorbestimmten Umfangswinkel
um eine Achse herumerstreckenden Kammer und einen in dieser aufgenommenen, mit einer
drehbar gelagerten Welle drehfest verbundenen Flügel oder Kolben. Derartige Maschinen
sind insbesondere als Arbeitsmaschinen, aber auch als Kraftmaschinen, etwa Brennkraft-Maschinen,
bekannt geworden.
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So ist in der DT-OS 2 353 008 eine Schwenkkolben-Maschine mit einem
kugelförmigen Gehäuse und mindestens einem drehflügelartigen Schwenkkolben vorbeschrieben,
der mit einer durch die Kugelmitte des Gehäuses verlaufenden, drehbar gelagerten
Welle drehfest verbunden ist und im Betrieb der Maschine um diese Drehachse Schwingbewegungen
ausführt. Den An- oder Abtrieb vermittelt bei dieser Maschine eine Viergelenkkette
in Form einer Kurbelschwinge, wobei die Schwinge mit der den Schwenkkolben drehfest
aufnehmenden Welle ebenfalls drehfest verbunden ist und über eine Koppel mit einer
im Gestell drehbar gelagerten Kurbel in Antriebsverbindung steht.
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Auch bei dem in der DT-OS 2 256 776 beschriebenen Pendelkolbenmotor
werden die Pendelbewegungen der Kolben mittels eines Kurbeltriebs
in
umlaufende Drehbewegungen umgesetzt.
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Unbefriedigend bei diesen bekannten Maschinen ist die Ungleichförmigkeit
der Bewegungsabläufe. So sind insbesondere bei kleinen Pleuellängen Hin- und Rückgang
der Kolben sehr ungleichmäßig, was sich bei doppelt wirkenden Maschinen als nachteilig
erwiesen hat.
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Demgemäß besteht das Ziel der Erfindung in der Schaffung einer gleichermaßen
als Kraft- und Arbeitsmaschine ausgestaltbaren Schwenkkolben-Maschine, bei der dieBewegungen
der Kolben beim Hin- und Rückgang weitestgehend gleichmäßig erfolgen und darüber
hinaus die im Betrieb unvermeidbar angeregten Schwingungen weitgehend unterdrückt
sind.
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Durch die im Patentanspruch 1 beschriebene Erfindung ist diese Aufgabe
dadurch gelöst, daß die erfindungsgemäße Schwenkkolben-Maschine mindestens zwei
Schwenkkolbeneinheiten besitzt, deren Schwenkkolben gegensinnig umlaufen und zwangläufig
so miteinander gekuppelt sind, daß sie im wesentlichen gleichförmige und untereinander
jeweils gleiche Schwenkbewegungen ausführen.
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Charakteristisch für die erfindungsgemäße Schwenkkolben-Maschine Schwenkkolben
der ist mithin, daß die/im Betrieb der gegenläufig arbeitenden Schwenkkolbeneinheiten
untereinander gleiche Hin- und Rückbewegungen ausführen, was bei den bekannten Kurbeltrieben
nicht
erreicht werden konnte. Dies führt zu einer bisher bei derartigen
Maschinen nicht erreichten Laufruhe. Auch werden die im Betrieb unvermeidbar auftretenden
Schwingungen, insbesondere Drehschwingungen, gegenseitig ausgelöscht.
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Das erfindungsgemäße Wirkungsprinzip ist naturgemäß nicht auf Schwenkkolben-Maschinen
mit zwei Schwenkkolbeneinheiten beschränkt. Es kann vielmehr bei Schwenkkolben-Maschinen
mit einer geraden Anzahl Schwenkkolbeneinheiten Anwendung finden. Dabei kann jeweils
die Hälfte der Schwenkkolbeneinheiten einer solchen Maschinegegenläufig zur anderen
Hälfte der Schwenkkolbeneinheiten arbeiten oder es können mehrere Gruppen jeweils
paarweise gegeneinander arbeitender Schwenkkolbeneinheiten unter bestimmten Phasenwinkeln
gegeneinander versetzt sein. Indem die Gruppen dieser Schwenkkolbeneinheiten zwangläufig
miteinander gekuppelt sind, ist in allen Betriebsphasen eine gegensinnige Arbeitsweise
der genannten Schwenkkolbeneinheiten gewährleistet.
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Patentanspruch 3 beschreibt eine im Aufbau einfache Kupplung der Schwenkkolbeneinheiten
mittels eines Zahnradgetriebes, welches bei Schwenkkolbeneinheiten mit parallel
zueinander verlaufenden Schwenkkolbendrehachsen aus zwei miteinander im Zahneingriff
stehenden Zahnrädern bestehen kann, von denen je eines mit einer der Wellen der
Schwenkkolbeneinheiten drehfest verbunden ist.
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Selbstverständlich können die Zahnräder auch über Zwischenräder miteinander
in Wirkverbindung stehen, wenn dies die baulichen
Gegebenheiten
erfordern. Im Falle des Einsatzes solcher Zwischenräder müssen jedoch untereinander
gleiche Hin- und Rückbewegungen der Schwenkkolben sowie die zwangläfig gegensinnige
Betriebsweise gewährleistet sein.
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Bei Schwenkkolbeneinheiten, bei denen die Schwenkkolbendrehachsen
miteinander fluchten, also koaxial zueinander angeordnet sind, ist es von Vorteil,
je ein eine Kegelverzahnung aufweisendes Zahnrad mit der Welle eines Schwenkkolbens
drehfest zu verbinden und den Zahneingriff zwischen diesen Kegelrädern durch mindestens
ein mit letzteren kämmendes Kegelritzel herzustellen.
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Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann auch ein Gelenkgetriebe
als Mittel zum Kuppeln der gegenläufig miteinander wirkverbundenen Schwenkkolben
dienen. Im einfachsten Falle kann dieses Gelenkgetriebe eine gekreuzte Doppelschwinge
sein, bei dem je eine von zwei untereinander gleichen Schwingen auf der Welle eines
Schwenkkolbens und koaxial zu diesem sowie unter vorzugsweise gleichen Winkeln gegenüber
einer die Schwingendrehachsen schneidenden Verbindungsgeraden drehfest angeordnet
ist. Die im Patentanspruch 8 beschriebene Erfindung führt zu einer besonders einfachen
Ausgestaltung eines derartigen Gelenkgetriebes insofern, als die untereinander gleichen
Schwingen mittels einer die Anordnung zu einer nichtumlauffähigen Viergelenkkette
vervollständigenden Koppel miteinander verbunden werden können.
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Den An- oder Abtrieb einer derartigen Schwenkkolben-Maschine kann
eine der Wellen einer Schwenkkolbeneinheit vermitteln. Eine andere Möglichkeit besteht
darin, daß mit der gekreuzten Doppelschwinge eine Kurbelschleife als An- oder Abtriebsorgan
der Schwenkkolbeneinheiten wirkverbunden ist. Dies lehrt Patentanspruch 9 in der
Weise, daß die Kurbelschleife aus einer in der Mitte der Koppel quer zu dieser verlaufenden
Gleitbahn mit einem in dieser geführten Gleitstein sowie einer an letzterem angelenkten,
um eine ortsfeste Drehachse umlauffähigen Kurbel besteht. Die Kurbel bzw. eine zugeordnete
Kurbelwelle dient in diesem Falle als An- oder Abtriebsorgan.
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Patentanspruch 10 lehrt die gegensinnig zwangläufige Wirkverbindung
der Schwenkkolbeneinheiten mittels einer hydrostatischen Kupplung, die, nach der
Lehre des Patentanspruchs 11, ebenfalls als Schwenkkolbeneinheit ausgebildet sein
kann, und zwar in der Weise, daß jeder Schwenkkolbeneinheit der eigentlichen Maschine
eine weitere Schwenkkolbeneinheit der hydrostatischen Kupplung koaxial zugeordnet
ist, wobei die einander zugeordneten Schwenkkolben auf einer gemeinsamen Welle drehfest
aufgenommen sind und phasengleich umlaufen und die Arbeitsräume der die hydraulische
Kupplung bildenden Schwenkkolbeneinheiten durch Strömungskanäle so miteinander verbunden
sind, daß aus einer Kammer der einen Einheit verdrängtes Strömungsmittel die jeweils
entsprechende Kammer der anderen Einheit beaufschlagt.
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Anhand der beigefügten Zeichnungen sollen nachstehend einige Ausführungsmöglichkeiten
der erfindungsgemäßen Schwenkkolben-Maschine erläutert werden. In ahematischen Ansichten
zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Schwenkkolben-Maschine, die zwei Einheiten
mit parallel zueinander verlaufenden Drehachsen der Schwenkkolben umfaßt, Fig. 2
einen Längsschnitt durch eine Schwenkkolben-Maschine mit koaxial zueinander angeordneten
Schwenkkolbeneinheiten, bei der die Wellen der Schwenkkolben gleichachsig verlaufen
und durch ein Kegelradgetriebe gegenläufig miteinander verbunden sind, Fig. 3 ein
als Kreuzschwinge ausgebildetes Gelenkgetriebe zur gegensinnig zwangläufigen Kupplung
der Schwenkkolbeneinheiten einer Maschine mit parallel zueinander verlaufenden Schwenkkolbendrehachsen,
Fig. 4 ein gegenüber Fig. 3 abgewandeltes Gelenkgetriebe, bei dem die Koppel einer
nichtumlauffähigen Kreuzschwinge mit einer einen An- oder Abtrieb bildenden Kurbelschleife
in Wirkverbindung steht und Fig. 5 eine als Schwenkkolben-Maschine ausgebildete
hydrostatische Kupplung, deren Kolben mit den Kolben einer zwangläufig und gegensinnig
zu kuppelnden Schwenkkolben-Maschine auf jeweils einer gemeinsamen Welle drehfest
und phasengleich angeordnet sind.
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Die in Fig. 1 veranschaulichte Schwenkkolben-Maschine 10 besitzt zwei
Schwenkkolbeneinheiten 11, 12, die in einem gemeinsamen Gehäuse 13 mit parallel
zueinander verlaufenden Drehachsen 14, 15 der flügelartigen Schwenkkolben 16, 17
aufgenommen sind. Jede der untereinander gleichen Schwenkkolbeneinheiten hat zwei
Gehäusekammern 20, 21 bzw. 22, 23, die sich kreisbogenförmig um die Drehachsen 14,
15 herumerstrecken und von radialen, um 1800 gegeneinander versetzt angeordneten
Vorsprüngen 25, 26 bzw. 27, 28 voneinander getrennt sind. Jede dieser Gehäusekammern
wird von einem Flügel 30, 31 bzw. 32, 33 eines der zweiflügligen Schwenkkolben 16,
17 in zwei Arbeitsräume unterteilt. Die zweiflügligen Schwenkkolben sind drehfest
auf dem sich in den jeweiligen Drehachsen 14, 15 erstreckenden Wellen 35, 36 angeordnet.
Auf den gleichen Wellen sind, koaxial zu den Schwenkkolben, je ein Zahnrad 37, 38
drehfest aufgenommen, bei denen es sich im einfachsten Falle um stirnverzahnte Räder
handeln kann, die miteinander in Zahneingriff stehen.
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Es ist selbstverständlich, daß bei einer derartigen Maschine die Flügel
der Schwenkkolben dichtend an den die Gehäusekammern begrenzenden Wandungen geführt
sind und daß auch im Bereich der die beiden Gehäusekammern einer Schwenkkolbeneinheit
voneinander trennenden Vorsprünge Strömungsmitteldic-htheit gewährleistet ist. Desgleichen
ist eine derartige Maschine mit Mitteln zum Steuern der Zu- und Abfuhr eines Arbeitsmediums
versehen,
beispielsweise mit Ventilen und im Falle der Ausgestaltung
als Brennkraft-Maschine mit Zündeinrichtungen. Da es sich insoweit um bekannte Maßnahmen
handelt, sind diese Mittel zur Wahrung einer besseren Übersicht in der Zeichnung
nicht dargestellt worden.
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Wenn im Betrieb der in Fig. 1 veranschaulichten Schwenkkolben-Maschine
der Schwenkkolben 16 der Einheit 11 eine Drehung im Uhrzeigersinne gemäß Pfeil 39
ausführt, beispielsweise unter der Wirkung eines in die kleineren Arbeitsräume der
Gehäusekammern einströmenden Mediums, dann führt dies angesichts des Zahneingriffs
der Zahnräder 37, 38 dazu, daß der Kolben 17 der Schwenkkolbeneinheit 12 eine gegensinnige
Drehbewegung gemäß Drehpfeil 40 ausführt. Logischerweise werden auch bei dieser
Schwenkkolbeneinheit die - in der Zeichnung - kleinere Arbeitsräume der Gehäusekammern
22, 23 beaufschlagt, so daß die von den beiden Schwenkkolben der gegensinnig arbeitenden
Schwenkkolben-Maschine erzeugten Drehmomente gleichsinnig wirken. Bei einer Schwingbewegung
des Kolbens 16 in Richtung des Pfeils 41 führt folglich der Kolben 17 eine Drehbewegung
gemäß Pfeil 42 aus Angesichts der mechanischen Kupplung der bilden Schwenkkolbeneinheiten
ist ein gegensinnig phasengleicher Betrieb gewährleistet, bei dem die von den beiden
Schwenkkolbeneinheiten ausgehenden Drehschwingungen gegeneinander gerichtet sind
und sich mithin in dem einstückig ausgebildeten (oder zu einer Einheit zuzusammengesetzten
)
Gehäuse 13 auslöschen. Ein weitestgehend erschütterungsfreier Betrieb einer derartigen
Maschine ist gewährleistet.
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Bei der Schwenkkolben-Maschine nach Fig. 2 sind für gleiche Teile
wie in Fig. 1 gleiche Bezugszeichenverwendet worden5 jedoch zur Unterscheidung durch
einen Strich gekennzeichnet Auch bei der Schwenkkolben-Maschine 10' sind in einem
Gehäuse 13' zwei Schwenkkolbeneinheiten 11', 12' aufgenommen, deren Drehachsen 14',
15' jedoch miteinander fluchten. Die Flügel 30', 31' bzw. 32', 33' der beiden Schwenkkolben
sind jeweils drehfest mit einer Welle 35', 36' verbunden, die ihrerseits drehbar
im Gehäuse 13' gelagert sind. An den einander zugekehrten stirnseitigen Enden dieser
Wellen sind im Kegelverzahnungen versehene Zahnräder 37', 38' angeordnet, die über
ein (oder mehrere) Kegelritzel 45 miteinander in Zahneingriff stehen, welches um
eine rechtwinklig zu den Drehachsen 14', 15' verlaufende Achse im Gehäuse 13' drehbar
aufgenommen ist.
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Auch bei dieser Schwenkkolben-Maschine ist eine gegensinnig zwangläufige
Kupplung der Schwenkkolbeneinheiten 11', 12' gewährleistet. Wenn der Schwenkkolben
der Einheit 11' eine Drehung im Sinne des Drehpfeils 39' ausführt, zieht dies angesichts
der Wirkverbindung über das Zahnradgetriebe 37', 38', 45 eine entgegengesetzte
Drehbewegungen
gemäß Drehpfeil 40' des Kolbens der Schwenkkolbeneinheit 12' nach sich. Die Drehrichtungsänderung
eines Schwenkkolbens führt notwendig zu einer entsprechenden Drehrichtungsänderung
des anderen Schwenkkolbens.
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Bei dem in Fig. 3 veranschaulichten Gelenkgetriebe repräsentieren
die gestellfesten Anlenkpunkte der Schwingen 50, 51 die Drehachsen 14, 15 beispielsweise
der Schwenkkolben-Maschine nach Fig. 1. Die von den gestellfesten Anlenkpunkten
14, 15 entfernten Enden der Schwingen 50, 51 sind in den Punkten 53, 54 durch eine
Koppel 52 miteinander verbunden. Die Gesamtanordnung bildet eine nichtumlauffähige
Kreuzschleife. Die Schwingen 50, 51 sind untereinander gleich und vermögen um dem
Betrage nach gleiche Winkel um ihre Anlenkpunkte 14, 15 zu schwingen.
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Die mit T bezeichneten Schwingungsbereiche liegen auf entgegengesetzten
Seiten einer Verbindungsgeraden 55 zwischen den Drehpunkten 14, 15 und die inneren
Umkehrlagen schließen bei beiden Schwingen den Beträgen nach gleiche Winkel ß gegenüber
der genannten Verbindungsgeraden ein. Es versteht sich von selbst, daß der Abstand
der gehäusefesten Drehachsen 14, 15 größer als die Koppellänge und insbesondere
größer als die Länge der Schwingen sein muß. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen,
wenn das Quadrat des Abstandes der Drehachsen 14, 15 abzüglich des Quadrates der
Koppellänge gleich dem Vierfachen des mit dem Kosinus des halben Schwingwinkels
T multiplizierten Quadrates der Schwingenlänge ist.
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Bei der in Fig. 4 veranschaulichten Ausführungsform sind für gleiche
Teile wie in Fig. 3 gleiche Bezugszeichen verwendet worden, jedoch zur Unterscheidung
um Einhundert erhöht.
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Der Aufbau dieses Gelenkgetriebes ist hinsichtlich der Ausbildung
einer Kreuzschwinge identisch mit der Ausführungsform nach Fig. 3. Zugeordnet ist
jedoch der Koppel 152 eine den An- bzw.
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Abtrieb der Vorrichtung vermittelnde Kurbelschleife, bestehend aus
einer in der Mitte der Längserstreckung der Koppel quer zu dieser verlaufenden Führungsbahn
60, einem von dieser geführten Gleitstein 61 und einer um einen gestellfesten Drehpunkt
158 drehbaren Kurbel 156, deren vom Drehpunkt 158 entferntes Ende drehbar am Gleitstein
61 angelenkt ist.
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Bei einer Schwenkbewegung der Schwingen 150, 151 um die gestellfesten
Anlenkpunkte 114, 115 erfährt die bei 153, 154 an die Schwingen angelenkte Koppel
152 eine hin- und hergehende Bewegung, die mittels der der Koppel zugeordneten Gleitführung
60 und des in dieser längsverschieblich aufgenommenen Gleitsteins 61 sowie der umlauf
fähigen Kurbel 156 in eine Drehbewegung um die gestellfeste Kurbelachse 158 umgesetzt
wird.
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Bei der hydrostatischen Kupplung 110 nach Fig. 5 handelt es sich um
zwei hydraulisch gekuppelte Schwenkkolbeneinheiten 111, 112, die hinsichtlich ihres
grundsätzlichen Aufbaues identisch mit
den Schwenkkolbeneinheiten
der in Fig. 1 veranschaulichten Maschine 10 sind. So ist der Schwenkkolben 116 der
Einheit 111 drehfest mit dem Schwenkkolben einer Maschine gemäß Fig. 1 verbunden,
während der Schwenkkolben 117 mit dem Schwenkkolben der anderen Einheit einer derartigen
Maschine in drehfester Verbindung steht, beispielsweise indem die Kolbeneinheiten
der hydrostatischen Kupplung koaxial zu einer Schwenkkolben-Maschine gemäß Fig.
1 angeordnet sind und die Kolben der Kupplung jeweils auf gemeinsamen Wellen mit
den Schwenkkolben einer derartigen Maschine sitzen. Die Schwenkkolben 116, 117 sind
wiederum zweiflüglig ausgebildet und jeder Flügel unterteilt die Gehäusekammern
120, 121 bzw. 122, 123 in zwei Arbeitsräume. Es könnten jedoch auch Kolben mit einer
größeren Flügelzahl bei entsprechender Gehäusegestaltung eingesetzt werden. Jeweils
einander gegenüberliegende Arbeitsräume sind über Strömungskanäle 160, 161 bzw.
162, 163 miteinander verbunden, die sich durch die Schwenkkolben-PGascilinc hindurcherstrecken.
Ferner stehen die Arbeitsräume der Gehäusekammern 121, 123 über Strömungskanäle
164, 165 miteinander in Strömungsmittelverbindung, und zwar so, daß der Kanal 164
jeweils die auf einer Seite der beiden Schwenkkolben 116, 117 liegenden Arbfetsräume
der Kammern 121, 123 verbindet, hingegen der Strömungskanal 165 die auf der anderen
Seite der Schwenkkolben liegenden Arbeitsräume der gleichen Gehäusekammern. Bei
einer Drehung der Schwenkkolben gemäß Drehpfeil 139, 140 strömt mithin in den Arbeitsräumen
der Schwenkkolbeneinheit 111 befindliches Strömungsmittel über die
Kanäle
160, 164 gemäß Pfeil 166 zu der Schwenkkolbeneinheit 112, während aus den Arbeitsräumen
der Gehäusekammern dieser Schwenkkolbeneinheit das Strömungsmittel über die Kanäle
162, 165 gemäß Pfeil 167 in die sich allmählich vergrößernden Arbeitsräume der Gehäusekammern
der Kolbeneinheit 111 einströmt. Sinngemäß umgekehrt erfolgt der Strömungsmitteltransport
bei einer Drehrichtungsumkehr, welche die Drehpfeile 141, 142 andeuten. Die Pfeile
168, 169 in den Strömungskanälen 164, 165 veranschaulichen für diesen Betriebszustand
die Strömung des Hydraulikmittels.
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Es versteht sich von selbst, daß die hydrostatische Kupplung auch
bei Maschinen mit koaxial angeordneten Schwenkkolbeneinheiten einsetzbar ist. Desgleichen
können die dargestellten und vorstehend beschriebenen Strömungskanäle jedwede andere
Gestaltung haben, die sich bei Anwendung der Erfindung aus den jeweils vorliegenden,
baulichen Gegebenheiten ergibt.
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