DE3204542A1 - Rotationskolben-maschinenaggregat - Google Patents

Description

• Rot,ationskolben-9aschinenaggregat
• Die Erfindung befaßt sich mit einem Rotationskolben-Maschinenaggregat gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1. Eine Drehkolbenmaschine dieser Art ist z.B. aus der DE-PS 683 500 bekannt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den einschlägiqen Stand der Technik hinsichtlich seiner gewerblichen Anwendbarkeit umfangsmäßig und hinsichtlich verringerten Realisiarungsaufwan'das für eine bestimmte erzielbare Leistung zu verbessern.
• Die Erfindung ist dem Patentanspruch 1 entnehmbar; die Unteransprüche beinhalten die Merkmale vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
• Anhand der Abbildungen werden im folgenden Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihrer Weiterbildungen näher erläutert.
• Hierbei zeigen FIG. 1 das Schnittbild A eines Aggregats gemäß FIG. 2 oder FIG. 3 FIG. 2 das Schnittbild C1 - C2 der FIG. 1, FIG. 3 das Schnittbild 81 - B2 der FIG. 1, FIG. 4 ein Schnittbild durch das Getriebe AGT gemäß FIG. 2 und 3 und schematisiert das Gehäuse des Aggregatteils PKT (FIG. 1), FIG. 5 ein Getriebe-Winkelwertdiagramm des Getriebes gemäß FIG. 4, FIG. 6 ein durch Vereinfachung weiter verbessertes Getriebe zur bevorzugten Verwsndung iVm der Erfindung FIG. 7 eine weitere Ansicht des Getriebes nach FIG. 6 FIG. 8 eine Weiterbildung des Getriebes nach FIG. 6 und 7.
• Unter Verzicht auf Schraffuren stellt FIG. 1 das Ausführungsbeispiel der Erfindung im in FIG. 2 und 3 angegebenen Schnitt A dar. Diese drei FIG. 1 bis 3 zeigen Kolbenstellungen von vier nur' in diesen Stellungen gleiche Geschwindigkeiten aufweisenden Kolben K1A, K2A, K1B und K2B, nämlich Kolbenstellungen inden sogenannten Totpunkten innerhalb ihres Arbeitsraums DSR 1 und DSR2; dieser befindet sich in einem Gehäuse G und hat einen kreisringförmigen Längsschnitt. Hierin laufen die Kolben gleichsinnig um. Anhand der FIG. 4 wird weiter unten näher erläutert werden, wie die Umlaufgeschwindigkeit dieser Kolben periodisch variiert werden kann, so daß sie sich in Bezug zueinander in vorgegebener Weise alternierend schneller und langsamer bewegen; hierbei kommt es darauf an, daß sich - ausgehend von den Kolbenstellungen gemäß FIG. 1 bis 3 - die Reihenfolge der einzelnen Kolben auf ihrer Umlaufbahn nicht mindert und daß ihre momentanen Umlaufgeschwindigkeiten so variiert werden, daß sie die durchaus nicht äquidistant über den Arbeitsraumumfang verteilten insgesamt vier Ein- und Auslaßöffnungen EL 1, EL 2 bzw. AL 1, AL 2 gleichzeitig schließen und öffnen. Das bedeutet beispielsweise, daß bei einem in Botrachtungsrichtung der FIG. 1 angenommenen Umlaufsinn der Kolben .in mathematisch positivem Sinne, also links herum, der Kolben K1A die Einlaßöffnung EL 1 dann schließt, wenn gleichzeitig der Kolben K2A die Auslaßöffnung AL1, der Kolben K18 die Einlaßöffnung EL2 und der Kolben K28 die Auslaßöffnung AL2 schließen.
• Hieraus erkennt man ohne weiteres, daß die sich auf ihrer gemeinsamen Umlaufbahn folgend.en Kolben infolge ihrer laufenden Umlaufgeschwindigkeitsänderungen dauernd variierende gegenseitige Abstände aufweisen. In den Totpunktstellungen der FIG. 1 bis 3 haben die Kolben K1A und K2A einerseits und die Kolben K1B und K2B den Minimalabstand zuainander, während gleichzeitig die gegenseitigen Abstände der Kolben K2A und KIB einerseits und der Kolben K2B und K1A andererseits Maxirnalabstände sind, welche erreicht werden können.
• Die Kolben K1A und KIB einerseits und K2A und K28 andererseits sind paarweise zusammengefaßt; im gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung befinden sie sich hierzu am äußeren Umfang von Kolbenrädern KR1 bzw. KR2; deren Rotationszentrum sind durch konzentrische Innen- bzw. Außenwellen W1 bzw. W2 realisiert, die nicht unmittelbar aufeinander einwirken.
• FIG 4 zeigt ein in Verbindung mit der Erfindung, besonders vorteilhaftes Ausführungsbaispiel der Realisierungsmöglichkeit der variierenden Kolben-Umlaufgeschwindigkeitssteuerung des anhand der FIG. 1 bis 3 bisher beschriebenen Aggragattails PKT.
• Die Kurzbezeichnung PKT steht hier für die im Sinne der Erfindung favorisierten gewerblichen Anwendungs- und Verwertungsmöglichkeiten des Aggregats nach der Erfindung, nämlich für "Pumpe", Kompraasor" und "Triebuerk".
• Diese schlagwortartig herausgestellten Begriffe sind bezüglich der Erfindung in sehr allgemeinem Sinne zu verstehen.
• Hierbei ist'das große Gebiet der Hydraulik und Pneumatik angesprochen. Sogar eine Symbiose dieser fundamentalen Gebiete ist durch die Erfindung betroffen.
• Erläuternd sei hierzu auf die FIG. 1 zurückgekomman. Im vorliegenden Beispielsfall sei das vorliegende Ausführungsbeispiel der Erfindung als hydraulische Pumpe betrieben: Hierbei sei angenommen, daß in Richtung des Pfeils, der in der Einlaßöffnung EL1 eingezeichnet ist, während des Kolbenumlaufs (also nach einem Anlaß-oder Startvorgang zur Überwindung des zeichnerisch darge.stellten Totpunktes aller Kolben) Antriebsenergie in gasförmiger oder flüssiger Form auf den Kolben K2A einwirkt und alle Kolben (die Kolben K1A und K1B mittels des Getriebes AGT) in bezüglich der FIG. 1 linkssinnigem Umlaufsinn antreibt, bis der Kolben K2A die Auslaßöffnung AL1 freigibt und bis gleichzeitig der Kolben K1A die Einlaßöffnung EL1 schließt.
• Während dieser Rotationsphase des Aggregats nach der Erfindung ist ein zu pumpendes Medium, sei es im Beispiel flüssig (oder gasförmig), in die Einlaßöffnung EL2 einleitbar und aus der Auslaßöffnung AL2 ausleitbar, und zwar infolge Ansaugwirkung des rotierenden Kolbens K2B mit Pumpeneffekt.
• Gemäß einer Variante der Erfindung sei nun auf die Kompressorwirkung des Erfindungsgegenstandes abgestellt. Unter Unterstellung, der Antrieb sei wie .bei der vorbeschriebenen Pumpe verifiziert, ist aus FIG. 1 erkennbar, daß der Kolben K2B bei Linksrotation durch EL2 ansaugt, die im Arbeitsraum (DSR1) vor ihm befindliche Luft oder ein anderes Medium komprimiert und aus der Auslaßöffnung AL2 austreibt, womit eine Kompressorwirkung erzielt wird.
• Bei reiner Triebuerksanwendung des Erfindgsnegenstandes wird hydraulische oder pneumatische Antriebsenergis gleichzeitig in die Einlaßöffnungen EL1 und EL? eingelassen und die kontinuierliche Ausgangsleistung von der Welle AW1 (FIG. 4) abgenommen.
• Nun sei näher auf den Getriebeteil der FIG. 4 eingegangdn. Dessen Gehäuse ist mit GA bezeichnet. El bis E3 symbolisieren elliptische Zahnräder jeweils gleicher Größe, d.h. kongruente Räder, die in einem ihrer Brennpunkte auf ihren Wellen befestigt sind und hinsichtlich ihrer Verzahnung so aufeinander abgestimmt sind, daß die gegenseitige Kooperation unmittelbar benachbarter Gatrieberädar einwandfrei ist. Die sich zwangsläufig ergebende Unwucht ist durch Gegengewichte (Ausgleichsgewichte) kompensiert. Mit Z1 bis Z4 sind kreisrunde Zahnräder derartiger Dimensionierung bezeichnet, daß bei konstanter Umdrehungsgeschwindigkeit der Abtriebswelle AW1 die Kolbanumlaufgeschwindigkaiten in der vonbaschriebenen vorgegebenen Weise variieren.
• FIG. 5 ist der zeitliche Verlauf der verschiedenen Wellenstellungen prinzipiell entnehmbar; Übereinstimmungen treten in den erwähnten Totpunkten auf.
• Im Folgenden wird anhand der FIG. 6 und 7 eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung näher beschrieben, die nicht nur in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung von besonderer Bedeutung ist, sondern überall da, wo alternierende Getriebe im vorbeschriebenen Sinne, sei es in Antriebsaggregaten oder Arbaitsaggregaten wie z.B.
• Motoren oder.Pumpen oder anderweits vonnöten sind, mit Vorteil. gegenüber dem Stand der Getriebetechnik einsetzbar sind.
• Gemäß dieser Weiterbildung haben die auf jeweils derselben Welle sitzenden elliptischen Zahnräder nicht nur dasselbe Achsverhältnis untereinander (Quotient der großen zur kleinen Ellipsenachse), sondern sind sie kongruent, d.h. haben sie auch denselben Umfang.
• Mit anderen Worten heißt dies, die jeweils auf derselben Achse sitzenden elliptischen Zahnräder haben dieselbe Elliptizität und denselben Umfang.
• Letzterer sei mit U13 bezeichnet und der idenische Umfang von EL1 und EL3. U24 bezeichne den Umfang cer Ellipsen EL2 und EL4.
• Mit a24, b24 und f24 seien die große und kleine Halbachse bzw. die Brennweite der Ellipsen EL2 und EL4 bezeichnet, a13, b13 und f sind die entsprechenden Größen von EL1 bzw. EL3.
• Damit nun bei einer Umdrehung der Antriebswelle AW1, infolge eines halben Umlaufes (180 ) der vier Kolben zwei Arbeitsakte stattfinden, muß im Sinne der FIG. 5 der Umfang von EL1 bzw. EL3 doppelt so groß sein wie derjenige von EL2 bzw. EL4.
• Die auf den beiden durch das. Rotationszentrum der Kolben verlaufenden Wellen W1 bzw. W2 sind somit fost mit zwei, miteinander kongruenten elliptischen Zahnrädern verbunden, und zwar ist das Zahnrad EL1 in seinem Achsenursprung auf der Welle W2 befestigt und das Zahnrad EL3 auf der Welle Wi, und zwar gleichfalls in seinem Achsenursprung. Die Wellen W1 und W? sind, wie bereits oben betont, frei gegeneinander beweglich und nur über die Getrieberäder in Wirkverbindung miteinander befincilich.
• Zwei weitere elliptische Zahnräder EL2 bzw. EL4 sind unter sich wiederum kongruent und sind auf einer weiteren gemeinsamen Welle AW1, die zu den Wellen W1 und W2 parallel verläuft und den Abstand (Mittelpunktsabstand der Wellen) "s" zu diesen Wellen besitzt fest gelagert, und zwar in jeweils einem ihrer Brennpunkte, sodaß über sie immer eine ununterbrochene Wirkverbindung zwischen EL,1 und EL3 besteht (FIG. 6).
• Mathematisch lassen sich folgende Konstruktionsbedingungen für die Zahnräder EL1 und EL4 festlegen: s=b13 + a2 +f24 ,s=a13 +a24 -f24 Man wählt ein zweckmäßiges f24 und a24. Dann errechnet man aus diesem vorstehenden Gleichungssystem die übrigen Ellipsendaten, nämlich von EL1 und EL3. a24 sollte kleiner als 5b24 gewählt werden.
• Beispiel: a24 = 4 ,LEX (LE = Längeneinheiten) f24 0,5 a24 Damit ergibt sich: a13 = 9,334 gLE1 b13 =5,334 [LEJ FIG. 8 weist den Weg, wie man den Grad des Alternierens der Kolbengeschwindigkeiten steigern kann, nämlich durch Zwischenschaltung weiterer elliptischer Zahnräder auf mindestens einer zusätzlichen Welle. Diese zusätzlichen, wiederum untereinander kongruenten elliptischen Zahnräder EL5 und EL6 befinden sich auf einer gemeinsamen Welle W3 und sind dort in jeweils einem ihrer Brennpunkte gelagert in der Weise, daß ihre eigenen Achsen.systeme parallel zueinander verlaufen. Diese zusätzlichen elliptischen Zahnräder EL5 und EL6 sind beweglich auf ihrer Welle W3 gelagert, wie au-ch zeichnerisch ausgedrückt ist.

Claims (11)

1. Patentansprüche 1. Rotationskolben-Maschinenaggregat mit vier in einem gemeinsamen Arbeitsraum kreisringförmigen Längsschnitts umlaufenden Kolben, deren Umlaufgeschwindigkeit mittels eines Getriebes periodisch variiert wird, so daß sie sich in Bezug zueinander alternierend schneller und langsamer bewegen, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsraum (DSR 1, DSR 2) je zwei Einlaß- (EL 1, EL 2) und zwei Auslaßöffnungen (AL 1, AL 2) aufweist (FIG. 1).
2. 2. Rotationskolben-Maschinenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich zum einen die Einlaßöffnungen (EL 1, EL 2) und zum anderen die Auslaßöffnungen (AL 1, AL 2) in der Umlaufebene einander.gegenüber liegen (FIG. 1).
3. .3. Rotationskolben-Maschinenaggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Kolbenumlaufsinn abwechselnd Ein- (EL 1; EL 2) und Auslaßöffnungen (AL 1, AL 2) der insgesamt vier Öffnungen aufeinander folgen, und zwar besitzen die bei der Rotation der Kolben (K1A, K2A, K1B, K2B) aufeinander folgenden Einlaßöffnungen jeweils zu den zwischen ihnen entlang der Kolbenumlaufbahn liegenden Auslaßöffnungen einen erheblichen größeren Abstand als die im Umlaufsinn aufeinander folgenden Auslaß- zu den Einlaßöffnungen zueinander (FIG. 1).
4. 4. Rotationskolben-Maschinenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben paarweise zusammengefaßt sind, so daß sie sich auf der Umlaufbahn innerhalb eines jeden Paares (K1A - K1B; K2A - K2B) einander gegenüberliegen, daß jedes Kolbenpaar fest mit je einer Welle (W1, W2) verbunden ist, die beide durch das Rotationszentrum der Kolben verlaufen und von denen die eine (W1) innerhalb der anderen (W2) gelagert ist, und daß die beiden Wellen über das alternierende Getriebe (AGT) .miteinander in, Wirkverbindung stehen.
5. 5. Rotstionskolben-Maschinenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das alternierende Getriebe (AGT) drei gleichgroße (kongruente) elliptische Zahnräder (El bis E3) enthält, die jeweils in einem ihrer Brennpunkte auf weiteren Wellen gelagert und so aufeinander abgestimmt sind, daß ihre Verzahnungen in jeder Winkelstellung aufeinander passen, daß auf den Wellen der beiden äußeren der drei sukzessiv aufeinander wirkenden elliptischen Zahnräder (E2, E3) je eines von zwei gleichgroßen kreisrunden Zahnrädern (Z2, Z4) befestigt sind, daß auf den durch das Rotationszentrum der Kolben verlaufenden Welle len (W1, W2) je eines von zwei weiteren, gleichgroßen kreisrunden Zahnrädern (Z1, Z3) befestigt ist, daß die Durchmesser der zwei we-iteren kreisrunden Zahnräder gleich dem doppelten Durchmesser der erstgenannten kreisrunden Zahnräder gewählt ist und daß die kreisrunden Zahnräder paarweise (Z1 - Z4; Z3 - Z2) aufeinander einwirken (FIG. 4).
6. 6. Rotationskolben-Maschinenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das alternierende Getriebe (AGT) lediglich vier elliptische Zahnräder (EL1 bis EL4) besitzt, die sukzessiv aufeinander einwirken (FIG. 6 und 7).
7. 7. Rotationskolben-Maschinenaggregat nach Anspruch 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf den beiden durch das Rotationszentrum- der Kolben verlaufenden Wellen (W1, W2) zwei miteinander kongruente elliptische Zahnräder (EL1, EL3) gelagert sind, deren Achsensysteme aufeinander sen-krecht stehen und deren Wellenlagerungen durch ihre Achsenursprünge verlaufen, und daß diese beiden elliptischen Zahnräder (EL1, EL3) über zwei weitere elliptische Zahnräder (EL2, EL4) miteinander in Wirkverbindung stehen, welche auf einer gemeinsamen, parallel zu den beiden durch das Rotationszentrum der Kolben verlaufenden Wellen (W1, W2) ausgerichteten Welle (AW1) befestigt sind, die durch jeweils einen der Brennpunkte der zwei weiteren elliptischen Zahnräder (EL2, EL4) verläuft (FIG. 6 und 7).
8. 8. Rotationskolben-aschinanaggreg.at nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren elliptischen Zahnräder (EL2, EL4) miteinander kongruent sind.
9. 9. Rotationskolben-Maschinenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das alternierende Getriebe (AGT) nur aus elliptischen Zahnrädern mit zugehörigen Lagerungen besteht.
10. 10. Rotationskolben-Maschinenaggregat nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das alternierende Getriebe (AGT) sechs elliptische Zahnräder (EL1 bis EL6) besitzt, die sukzessiv aufeinancler einwirken (FIG. 8).
11. 11. Rotationskolben-Maschinenaggregat nach einem der Ansprüche 7 bis io, dadurch gekennzeichnet, daß zwei weitere miteinander kongruente Zahnräder (ei5, EL6) mit einer gemeinsamen, durch jeweils einen ihrer eigenen Brennpunkte verlaufenden Lagerungsachse (W3) zwischen die auf einer gemeinsamen Achse (AW1) gelagerten elliptischen Zahnräder (EL2, EL4) zwischengeschaltet sind (FIG. 8).