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Kraft- oder Arbeitsmaschine
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Die Erfindung betrifft eine Kraft- oder Arbeitsmaschine mit einem
Zylinder, der mindestens in zwei Kammern durch mindestens zwei Flügelkolben unterteilt
ist, die um die Achse des Zylinders rotieren, wobei ein Flügelkolben oder ein Flügelkolbenpaar
sich relativ gegenüber dem anderen Flügelkolben oder Flügelkolbenpaar bewegt, um
die zwischen den Flügelkolben befindlichen Kammern im Volumen periodisch abwechselnd
zu vergrößern und zu verkleinern, wobei die Flügelkolben bzw. Flügelkolbenpaare
miteinander durch ein Getriebe verbunden sind, das die relative Bewegung der Flügelkolben
zueinander erzeugt.
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Eine derartige Kraft- oder Arbeitsmaschine ist aus der DE-OS 23 54
531 bekannt. Bei dieser bekannten Maschine sind zwei Flügelkolbenpaare drehbeweglich
in einem feststehenden Zylinder angeordnet, um die zwischen den Kolben befindlichen
Kammern während der Arbeitstakte zu vergrößern und zu verkleinern. Der Verbrennungstakt
findet abwechselnd in den vier Kammern statt.
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Die beiden Flügelkolbenpaare bewegen sich beide gegenüber dem feststehenden
Zylinder schwingend, so daß große Trägheitskärfte überwunden werden müssen, hohe
Reibungsverluste auftreten und durch die Vielzahl der beweglichen Teile hohe Herstellungskosten
entstehen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Maschine der eingangs genannten
Art derart zu verbessernt daß sie wenig Bauteile aufweist, geringe Trägheitskräfte
überwinden muß und wenig Schwingungen erzeugt, sowie stufenlos veränderbare Drehzahlen
und Drehmomente abgeben kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein erster
Flügelkolben bzw. erstes Flügelkolbenpaar mit etwa gleichmäßiger Drehgeschwindigkeit
umläuft und nur der zweite Flügelkolben bzw. das zweite Flügelkolbenpaar als Schwingkolben
mit periodisch wechselnder Drehgeschwindigkeit umläuft.
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Die erfindungsgemäße Konstruktion weist wenig Bauteile, insbesondere
wenig bewegliche Bauteile, auf, da nur ein bewegliches Flügelkolbenpaar vorgesehen
ist und damit nur eine Laufbüchse erforderlich ist. Die Maschine ist nicht nur einfach
herstellbar, sondern erfordert auch geringe Erstellungskosten. Wenig bewegliche
Teile führen auch zu geringen Reibungsverlusten, zumal der in Drehrichtung des Zylinders
wirkende Teil der Reibung des Flügelkolbenpaars auf den Zylinder übertragen wird
und damit ohne Verlust in Drehrichtung wirkt. Ferner sind nur geringe Trägheits-
und Massenkräfte zu überwinden, so daß eine hohe Kraftausbeute erreicht wird.
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Die erfindungsgemäße Kraft- oder Arbeitsmaschine erzeugt
eine
gleichmäßige Taktfolge, wodurch nur geringe Schwingungen entstehen und eine gleichmäßige
Kraftabgabe gewährleistet ist. Der Arbeitstakt wird immer im gleichen Winkelbereich
des Zylinders in bezug auf den Ständer oder die Hohlwelle ausgeübt, so daß die den
Zylinder tragende Welle immer an der gleichen Stelle belastet wird. Dies führt zu
einer optimalen Kontrollierbarkeit der Kräfte und zu geringen Schwingungen. Da in
bezug zum Zylinder in allen vier Kammern bzw. Winkelbereichen des Zylinders Verbrennungen
stattfinden, wird der Zylinder gleichmäßig erwärmt, und es ist eine gleichmäßige
Ausdehnung des Zylinders und Motorgehäuses gewährleistet.
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Durch diese gleichmäßige Erwärmung ist eine Luftkühlung ausreichend,
so daß eine aufwendige Wasserkühlung entfällt. Die Expansionskraft in den Kammern
wirkt bei jeder zweiten Expansion direkt auf die feststehenden Kammerwände in Umlaufrichtung,
ohne eine Übersetzung zu erfordern. Da das Motorgehäuse umläuft, wirkt es als Schwungrad,
so daß ein zusätzliches Schwungrad nicht erforderlich ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen,
daß die beiden Flügelkolben oder Flügelkolbenpaare miteinander durch ein, insbesondere
zwei, Kurbelgetriebe verbunden sind. Hierdurch wird auf einfache Weise eine sichere
Bewegung des beweglichen Flügelkolbenpaares gegenüber dem Flügelkolbenpaar erreicht,
das gegenüber dem umlaufenden Zylinder feststeht. Um eine gleichmäßige Winkelbewegung
des beweglichen Flügelkolbenpaars über den gesamten Drehbereich der Kurbel zu erhalten,
wird vorgeschlagen, daß die Kurbel mit dem Schwingkolben (paar) über eine Koppelstange
verbunden ist, wobei
die beiden Endlagen der Anlenkstelle der Koppelstange
am Schwingkolben(paar) auf einer Geraden liegen, die durch die Drehachse der Kurbel
verläuft.
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Ein einfacher An- oder Abtrieb wird dadurch erreicht, daß die Kurbel
des Kurbelgetriebes durch eine Achse bewegt wird, auf der ein Planetenrad eines
Planetengetriebes sitzt. Dabei kann die Welle durch denjenigen Flügelkolben geführt
sein, der gleichmäßig umläuft, so daß eine sichere und einfache Lagerung dieser
Welle und eine einfache Konstruktion erreicht wird.
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Eine besonders einfache und die obengenannten Vorteile verstärkende
Konstruktion ist dadurch gegeben, daß der Zylinder um seine Achse rotiert und der
erste Flügelkolben oder das erste Flügelkolbenpaar am Zylinder drehfest angeordnet
ist. Die Konstruktion wird auch dadurch unkompliziert in der Herstellung und von
geringer Störanfälligkeit, wenn der Zylinder und die Flügelkolben auf einer dreh
festen Hohlwelle drehbar gelagert sind und die Hohlwelle Öffnungen aufweist, die
mit den Kammern zeitweilig verbunden sind.
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Vorzugsweise wird vorgeschlagen, daß der Zylinder und die Flügelkolben
auf einer Welle drehbar gelagert sind, die das Sonnenrad drehfest trägt und die
wiederum drehbar gelagert ist. Hierdurch kann die Welle als zweiter An- oder Ab
trieb mit dem Zylinder entgegengerichteter Laufrichtung wirken oder zur Steuerung
der Maschine benutzt werden, da sie die Öffnungen 4a und 4b aufweist. Die Produkte
ausihren Umdrehungen und Drehmomenten sind äquivalent. Der Ab-oder Antrieb wirkt
wie ein Differentialgetriebe, wenn der Welle oder dem Zylinderantrieb eine weitere
Zahnradübersetzung zugeordnet wird.
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Ferner wird vorgeschlagen, daß zusätzlich zum inneren Sonnenrad als
Ab- oder Antrieb ein innen verzahntes Rad koaxial zur Zylinderachse drehbar gelagert
ist, in
dessen Verzahnung die Planetenräder zusätzlich eingreifen.
Dieser innen verzahnte Zahnring wird sowohl durch die Drehung der Planetenräder
angetrieben als auch durch die Rotation der Planetenräder um die Zylinderachse.
Diese Ausführung bewirkt eine stufenlose Geschwindigkeitsübertragung, welche in
Abhängigkeit mit dem zu überwindenden Drehmoment steht. Eine solche Vorrichtung
kann auch als Getriebe eingesetzt werden, z.B.
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als Differentialgetriebe.
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Die erfindungsgemäße Konstruktion erlaubt eine besonders einfache
Zu- und Abführung zu den Kammern, indem die hohle Welle längsgeteilt ist und eine
Zu- und Ablaufkammer bildet. Vorzugsweise wird vorgeschlagen, daß der oder die Schwingkolben
auf einer koaxialen, schwingenden Hülse befestigt ist (sind), die die Hohlwelle
umgibt und Zu- und Ablaufdurchlässe besitzt, die mit den Offnungen der Hohlwelle
zeitweilig verbunden sind.
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Von besoiXderem Vorteil ist es, daß die Schwingkolben an der Zylinderinnenwandung
nicht tragend gelagert sind sondern nur abdichtend anliegen, so daß nur ein geringer
Verschleiß von Dichtungsmaterial entstehen kann. Eine konstruktiv besonders einfache
Anordnung der Zündkerzen ist dadurch gegeben, daß in den gleichmäßig umlaufenden
Flügelkolben Zündkerzen befestigt sind, die jeweils in einer die Kammer begrenzenden
Wandung des Flügelkolbens münden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt
und wird im folgenden naher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen
Senkrechtschnitt durch den Zylinder und die Kolben entsprechend A-A in Figur 2;
Fig. 2 eine Seitenansicht der Maschine; Fig. 3 eine Frontansicht auf die beide vorne
an der Maschine angeordneten Kurbeltriebe; Fig. 4 eine Abwicklung der drehfesten
Hohlwelle; Fig. 5 eine Abwicklung der Laufbüchse, auf der das schwingende Flügelkolbenpaar
drehfest angeordnet ist; Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Kurbeltriebes;
Fig. 7 eine schematische Darstellung der Rraftübertragung bei einer Verbrennung
in den Kammern I und III; Fig. 8 eine schematische Darstellung der Kraftübertragung
bei einer Verbrennung in den Kammern II und IV.
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Ein durch zwei Endwände 1, 2 an den Stirnseiten verschlossener Zylinder
3 (Motorengehäuse) ist auf einer drehfesten Hohlwelle 4 drehbar gelagert. Im Zylinder
ist auf der Hohlwelle 4 eine Laufbüchse 5 drehbeweglich gelagert, deren Innendurchmesser
nur wenig größer ist als der Außendurchmesser der Hohlwelle 4, und auf der Laufbüchse
5 sind diametral gegenüberliegend zwei flügelförmige
Kolben 6a,
6b drehfest angeordnet, die zur Verringerung ihrer Masse innen hohl sind. Die jeweils
einen diametral gegenüberliegenden Winkelbereich überdeckenden kreissektorförmigen
Kolben bilden ein Flügelkolbenpaar 6a, 6b, deren Außenseiten entsprechend der Innenwandung
des Zylinders 3 geformt sind und an der Innenwandung des Zylinders insbesondere
mit Dichtungen entlanggleiten.
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Eine Dichtung ist zwischen diesem Kolben und der Zylinderinnenwandung
zeichnerisch nicht dargestellt. Das Flügelkolbenpaar 6a, 6b teilt den Innenraum
des Zylinders 3 in zwei Hälften oder Kammern, die jeweils durch, ähnlich den Kolben
6a, 6b, sektorförmige Wände unterteilt sind, die einander diametral gegenüber liegen
und Kolben 7a, 7b genannt werden, obwohl sie sich gegenüber dem Zylinder 3 nicht
bewegen, sondern an der Innenseite des Zylinders 3 abdichtend befestigt oder angeordnet
sind, so daß sie auch (radiale) Kammerwände genannt werden können. Die radialen
Wände bzw. Kolben 7a, 7b reichen von der Zylinderinnenwandung aus nur bis zur Oberfläche
der Laufbüchse 5, wobei dafür gesorgt ist, daß zwischen der Laufbüchse 5 und den
Kolben 7a und 7b ein Druckverlust von einer Seite der Kolben 7a zur anderen nicht
entsteht.
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Die Kolbenflügelpaare 6a, 6b und 7a, 7b teilen den Innenraum des Zylinders
3 in die Kammern I, II, III und IV, wobei ein Hin- und Herschwingen des Kolbenpaars
6a, 6b um die Hohlwelle 4 zu einer Volumenab- und -zunahme der Kammern führt. In
den Kolben 7a und 7b sind jeweils zwei Zündkerzen 8 bis 11 derart angeordnet, daß
jeder der Kammern eine Zündkerze zugeordnet ist. Die Hohlwelle 4 ist durch einen
mittleren, längs angeordneten Steg 12 in zwei Längskammern unterteilt, von denen
eine einen Zulaufkanal 13 und eine einen Ablaufkanal 14 bildet. In
der
Laufbüchse 5 sind vier Durchlässe 15 bis 18 angeordnet, die jeweils zu einer Kammer
führen und mit zwei öffnungen 4a, 4b in der Wandung der Hohlwelle in bestimmten
Drehwinkeln in Verbindung treten, so daß die Kammern während der Umdrehung je einmal
mit dem Zulaufkanal 13 und dem Ablaufkanal 14 verbunden werden. Hierdurch wird den
Kammern in den für einen Verbrennungsmotor erforderlichen Zeitpunkten ein Luft-Brennstoff-Gemisch
zugeführt und nach der Verbrennung Abgase abgeführt.
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Die Laufbüchse 5 ist durch die Endwand 1 des Zylinders 3 hindurchgeführt,
und auf'ihr ist außerhalb des Zylinders 3 eine Schwinge 19 in Form eines zweiarmigen
diametralen Hebels angeordnet, an dessen freien Enden jeweils eine Koppelstange
20 und 21 angelenkt ist, deren anderes Ende jeweils von einer Kurbel 22 bzw. 23
(auch in Form eines Exzenters) angetrieben wird. Die beiden Kurbel triebe liegen
damit einander diametral zum Zylinder gegenüber,und die Kurbeln 22 und 23 werden
durch Wellen 24 und 25 angetrieben, die durch die Kolben 7a und 7b etwa mittig verlaufen
und in diesen drehbar gelagert sind. Auf der Zylinderseite, die der die Kurbeltriebe
aufweisenden Seite gegenüberliegt, sind auf den Wellen 24 und 25 Planetenräder 26
und 27 drehfest angeordnet, die mit einem Sonnenrad 28 kämmen, das am Gestell der
Maschine drehfest und koaxial zur Zylinderachse angeordnet ist. Das durch die Verbrennungen
hin-und herschwingende Flügelkolbenpaar 6a, 6b erzeugt über die Kurbeltriebe eine
Drehung der Wellen 24 und 25 und damit der Planetenräder 26 und 27, wodurch der
Zylinder 3 einschließlich der Kolben 7a und 7b umläuft. Die
mit
umlaufenden Zündkerzen 8 bis 11 sind mit der Stromquelle durch koaxial um den Zylinder
angeordnete, nicht dargestellte Schleifringe oder Kontakte verbunden. Auf dem Außenrantel
des Zylinders 3 ist ein nicht dargestellter Zahnkranz koaxial befestigt, der als
Abtrieb mit einem nicht dargestellten, am Gestell gelagerten Zahnrad kämmt.
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Um gleichförmige Bewegungen und gleich lange Arbeitstakte des Flügelkolbenpaars
6a, 6b während des Umlaufs der Kurbeln 22 und 23 zu erreichen, ist die Drehachse
A jeder Kurbel 22, 23 an einer bestimmten, aus Fig. 6 ersichtlichen Stelle gegenüber
der Drehachse B der Anlenkstelle zwischen Koppelstange 20 bzw. 21 und der Schwinge
19 angeordnet. Dabei liegen die Endlagen B1, B2 der gegenüber dem Zylinder 3 hin-
und herschwingenden Anlenkstelle B auf einer Geraden mit der Achse A.
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Kraftübertragung in den Kammern 1 bzw. 3 (Fig. 7): Da der Zylinder
3 drehbar gelagert ist und die Planetenräder mit dem Sonnenrad in Eingriff stehen,
wirkt die Kraft P im Verbrennungsraum einmal auf die Wand des Kolbens 7a bzw. 7b
und somit auf die Welle 24 bzw. 25 im entgegengerichteten Uhrzeigersinn. Die der
Kolbenwand entgegengerichtete Kraft P im Verbrennungsraum, welche auf den Flügelkolben
6a, 6b wirkt, wird über die Schwinge 19 und die Stangen 20, 21 zu den Kurbeln geführt.
Sind die Kurbeln am weitesten vom Gehäusemittelpunkt entfernt, so wirkt an dieser
Stelle die Kraft P in Fig. 1 im Uhrzeigersinn. Da das Planetenrad mit dem Sonnenrad
in Eingriff steht, wirkt diese Kraft P in der Mitte des Planetenrades und an der
Welle 24, 25 wie die doppelte Kraft P im Uhrzeigersinn.
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Dies bewirkt ein Abrollen der Planetenräder und die Drehung des Zylinders.
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Kraftüberuragurig der Klammern 2 und 4 (Fig. 8): Mit den gleichen
Bauteilen erfolgt für die Kammer 2 und 4 eine andere Krafttibertragung als in den
Kammern 1 und 3.
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Ist in diesen Kammern eine Verbrennung des Gemischs erfolgt, so wirkt
die Kraft P einmal direkt auf die Kammerwand des feststehenden Kolbens und mithin
auf den-Zylinder. Die Gegenkraft wirkt auf den beweglichen Kolben und über die Schwinge
und Koppelstange gegen die Vrzahnunq des Planeteswra(ies mit dem Sonnenrad. Die
Kraft des beweglichen Flügelkolbens wird daher nicht wirksam, da die Verzahnung
wie ein veränderbares-Gegenlager für den beweglichen E; yelkolben wirkt. Übertragbar
wird nur die Kraft P, welche auf die Kammerwand des feststehenden Kolbens wirkt.
Hierbei entsteht die gleiche Drehrichtung wie bei der Kraftübertragung aus den Kammern
1 und 3.
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Wenn bisher davon gesprochen wurde, daß das Flügelkolbenpaar 6a und
6b hin- und herschwingt, so galt das nur in bezug auf den Zylinder 3. Da durch das
Hin- und Herschwingen dieses Flügelkolbenpaares der Zylinder 3 in Umlauf gesetzt
wird und dieses Flügelkolbenpaar mit umläuft, ist die Bewegung dieses Flügelkolbenpaars
gegenüber dem Ständer nicht hin- und herschwingend, sondern abwechselnd eine positive
und negative Beschleunigung.
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Die negative Beschleunigung bzw. Bewegungsverzögerung führt dabei
zeitweilig fast zu einem Stillstand des Flügelkolbenpaslrs 6a, 6b gegenüber dem
Ständer.
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In einer alternativen, in den Zeichnungen nicht dargestellten Ausführungsform
sind der Zylinder 3 und die Flügelkolben 6a, 6b, 7a, 7b auf einer Welle 4 drehbar
gelagert, die das Sonnenrad 28 drehfest trägt und die wiederum drehbar gelagert
ist. I)ie Welle 4 ist dadurch ein zusätzlicher oder alternativer Ab- oder Antrieb.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist zusätzlich zum
inneren Sonnenrad 28 als Ab- oder Antrieb ein innen verzahntes Rad koaxial zur Zylinderachse
drehbar gelacjert, in dessen Verzahnung die Planetenräder 26, 27 zusätzlich eincJreifell.
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Die Maschine kann sowohl als Antrieb als auch als Getriebe oder Pumpe
verweiidct werden, wobei in der Ausführung als Pumpe die Kanäle 13 und 14 wiederum
als Zu-und Ablauf wirken und die Zündkerzen fehlen. Für Pumpen-und Kompressorbetrieb
sind die Öffnungen der Achse 4 um 1800 versetzt ein zweites Mal angeordnet.
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L e e r s e i t e