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Rotationskolbenmaschine
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Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Es gibt eine Vielzahl von Rotationskolbenmaschinen, die insbesondere
am Umfang eines Rotationskolbens Arbeitskammern ausbilden. Hierzu ist regelmäßig
das komplizierte Zusammenwirken mehrerer bewegter Teile und/oder eine torkelnde
Bewegung des Rotationskolbens vorauszusetzen, die allaemein zu unstetigen und damit
verlustbehafteten Bewegungen, zu aufwendigen Getrieben und heiklen Dichtungen führen.
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Aufgabe der Erfindung ist des demgegenüber, einen möglichst einfachen,
robusten, dabei aber verlust- und schwingungsarm laufenden Rotationskolbenmotor
zu schaffen. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Die so geschaffene Rotationskolbenmaschine verwirklicht das Grundkonzept
eines um eine feststehende Achse in einem konzentrischen Raum umlaufenden Kolbens,
wobei die Arbeitskammer mit einem variierenden Volumen nicht umfangsseitig zum Kolben,
sondern stirnseitig im Wechselspiel zwischen einer schrägen Gleitfläche und einem
Teilerkörper gebildet ist.
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Dabei entstehen Doppelkammern, die zeitlich versetzt arbeiten
und
die dabei sowohl für einen "auf Lücke" gesetzten Pumpenbetrieb wie auch für einen
Motorbetrieb vorteilhaft sind.
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Selbst für einen nach dem Viertakt-Prinzip- arbeitenden Motor lassen
sich schon mit zwei derartigen Maschinen gleichmäßige Zündfolgen, d.h. eine Zündung
je Halbdrehung erzielen. Solche Doppelanordnungen ließen sich sogar auf einer gemeinsamen
Welle bauen.
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Insbesondere wird hier ein einfaches und robustes sowie weitestgehend
schwingungsfreies Konzept zur Umsetzung der Drehbewegung einer Welle in einen pumpenden
Arbeitsraum bzw. zur Umsetzung der komprimierenden und expandierenden Bewegung eines
Arbeitsraums in die Drehung einer Welle ermöglicht, wobei auf exzentrische Kolbenbewegungen
und zwischengeschaltete Getriebe verzichtet werden kann.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen
und der nachfolgenden Beschreibung, in der mehrere Ausführungsbeispiele des Gegenstands
der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert sind. In der Zeichnung zeigen
in jeweils stark schematisierter Form Fig. 1, schnittbildliche Seitenansicht einer
ersten Aus-2,3 u.4 führungsform in verschiedenen Rotationsstellungen, Fig. 5 Seitenansicht
einer abgewandelten zweiten Ausführungsform, Fig. 6 Schnitt nach Linie VI-VI in
Fig. 5, Fig. 7 schnittbildliche Seitenansicht einer dritten Ausführungsform, Fig.
8 Schnitt nach Linie VIII-VIII in Fig. 7, Fig. 9 schnittbildliche Seitenansicht
einer vierten Ausführungs form, Fig. 10 Schnitt nach Linie X-X in Fig. 9, Fig. 11
schnittbildliche Seitenansicht einer fünften Ausführungsform und Fig. 12 Schnitt
nach Linie XII-XII in Fig. 11.
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In den Fig. 1 bis 4 ist ein um eine Rotationsachse 1 drehbeweglicher.Kolben
2 mit einer kreiszylindrischen Mantelfläche 3 in einem kreiszylindrischen Gehäuse
4 angeordnet.
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Die Mantelfläche 3 des Kolbens und eine dem Kolben umfangsseitig gegenüberliegende
kreiszylindrische Innenfläche 5 des Gehäuses 4 sind konzentrisch zur Rotationsachse
ausgebildet und weisen zwischeneinander ein minimales, lediglich die Drehbewegung
des Kolbens innerhalb des Gehäuses 4 ermöglichendes Spiel auf.
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Damit dichtet der Kolben 2 das Gehäuse 4 nach unten hin ab.
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Nach oben hin weist der Kolben 3 eine zur Rotationsachse schrägstehende
Gleitfläche 6 auf, auf der ein scheibenförmiger Teilerkörper 7 längs einer durch
eine Unterkante des Teilerkörpers bestimmten, diametral über die Gleitfläche 6(durch
die Rotationsachse 1 hindurch) verlaufenden Teiler linie aufliegt und randseitig
sowie oberseitig in einem Schlitz 8 des Gehäuses mit minimalem Spiel, d.h. dicht
aber noch beweglich geführt ist.
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Der Teilerkörper 7 scheidet den Raum oberhalb der Gleitfläche.
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6, innerhalb des zylindrischen Innenmantels 5 des Gehäuses 4 und unterhalb
einer dazu quer verlaufenden, oberseitig das Gehäuse abschließenden Stirnwand 9
in zwei Arbeitskammern 10,11. Diese Arbeitskammern sind nach außen hin bis auf Einlaßöffnungen
12 bzw. 13 und Auslaßöffnungen 14 bzw.15 geschlossen, wobei die Einlaß- und Auslaßöffnungen
in bekannter Weise mit Ventilen versehen sein können, etwa mit Tellerventilen wie
bei Hubkolbenmotoren. Es können aber insbesondere für andere Zwecke, beispielsweise
für den Betrieb der Rotationskolbenmaschine als Flüssigkeitspumpe, auch Rückschlagventile
an Einlaß- und Auslaß.öffnungen verwendet werden. Desgleichen sind Ventile nach
Art von Steuerschlitzen einsetzbar.
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Die Fig. 2 bis 4 zeigen den Kolben jeweils um eine Vierteldrehung
weiterbewegt, wobei die in Fig. 1 gegenüber der Arbeitskammer 11 größere Arbeitskammer
gegenläufig zur
Kammer 11 zunächst auf gleiche Größe (Fig. 2) und
dann auf eine gegenüber der Fig. 1 mit der Kammer 11 vertauschte Größe verengt wird,
um sich dann wieder zu vergrößern. Der Gleichstand ist bei einer Dreivierteldrehung
gemäß Fig. 4 erreicht und daran anschließend ist wieder die Stellung nach Fig..
1 zu betrachten.
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Jede der beiden Kammern 10,11 erfährt im Zuge eines Umlaufs des Kolbens
eine Aufweitung und wieder eine Verengung bzw.
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- hinsichtlich eines Gasvolumens - eine Expansion und eine Kompression.
Die Maschine ist somit prinzipiell geeignet, als Pumpe wie auch als-Motor zu dienen,
wobei der Drehkolben weder eine hin- und hergehende Bewegung, noch eine torkelnde
Drehbewegung, sondern eine reine Rotationsbewegung ausführt.
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Die einer Pumpe zuzuführende bzw. einem Motor abzunehmende mechanische
Leistung geht direkt zum Kolben 2 in eine starr mit diesem verbundene Welle 16 (oder
umgekehrt) über.
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Die in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Ausführungsform ist insbesondere
als Grundform zur Veranschaulichung der Maschinenfunktion geeignet. Eine ohne weiteres
erkennbare Unzulänglichkeit im Hinblick auf einen etwaigen Betrieb der Maschine
als Explosionsmotor liegt darin, daß die Arbeitskammern eine relativ zur größten
Ausdehnung nur begrenzte Verengung erreichen können und mithin ein Gasvolumen nur
unzureichend zu komprimieren vermögen. Abhilfe in dieser Hinsicht kann schon mit
einer Ausführungsform nach den Fig. 5 und 6 geschaffen werden, die den gleichen
(und damit auch mit gleichen Bezugszeichen versehenen) Kolben 2 aus den Fig. 1 bis
4 und rauch den gleichen Teilerkörper 7 verwenden.
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Die Abwandlung dieser Ausführungsform liegt in einem Gehäuse 17, welches
zwar auch wieder einen zylindrischen Innenmantel 18 besitzt, oberseitig aber einen
trichterförmig eingezogenen Gehäusekopf 19 besitzt. Damit schmiegt sich die Trichterform
in der Mitte eng an die Gleitfläche 6 an. Es entsteht damit periodisch eine maximal
aufgeweitete Arbeitskammer 20 und eine maximal verengte Arbeitskammer 21, bei der
lediglich neben den weiter außen liegenden Bereichen des Teilerkörpers 7
noch
Zwickelräume freibleiben, die die Kompression begrenzten.
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Aus Fig. 6 wird auch die Bewegung des Teilerkörpers 7 ersichtlich.
Dieser schwenkt beim Umlauf des Kolbens 2 um eine Achse 22, die quer durch die Rotationsachse
1 in deren Durchstoßpunkt durch die Gleitfläche 6 verläuft. Die Führung des Teilerkörpers
7 in einem Schlitz 23 längs einer Axialebene durch die Rotationsachse 1 gibt für
diese Pendelbewegung in beiden Richtungen eines Doppelpfeils 24 Raum.
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In den Fig. 5 und 6 wie auch in den nachfolgend beschriebenen Figuren
finden in dem Rahmen der Veranschaulichung nicht nur die Zwischanspalte zwischen
den gegeneinander beweglichen Teilen eine grobe Verbreiterung, es sind auch die
Einlaß-und Auslaßöffnungen zu den Arbeitskammern fortgelassen, zumal diese grundsätzlich
an verschiedenen Bereichen der Wandung liegen können und, wie schon gesagt, mit
den verschiedensten bekannten AusSirungen verwirklicht sein können.
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In Fig. 7 und 8 ist eine Ausführungsform dargestellt, die mit einem
hohlkugeligen Gehäuse 25, einem halbkugeligen Kolben 26 mit zu einer Rotationsachse
27 schrägstehender Gleitfläche 28 und einem Teilerkörper 29 in Form eines Kugelkeils
sowohl in Anpassung der gegeneinander bewegten Flächen an die Rotationsbewegung
des Kolbens wie auch die Pendelbewegung des Teilerkörpers liefert. Das Gehäuse ist
dabei ringsrum weitestgehend geschlossen, so daß lediglich eine mit dem Kolben 26
starr verbundene Antriebswelle 30 und die nicht dargestellten Einlaß- und Auslaßöffnungen
nach außen führen. Weiterhin werden Schmiermittelzuführungen, evtl. Zündkerzen,
Meßmittel u.dgl. in Betracht kommen, in jedem Fall aber ergibt sich ein gut kontrollierbarer
Gehäuseabschluß.
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Mit der Form des Kugelkeils läßt sich der Teilerkörper 29 praktisch
vollkommen an die Gleitebene 28 (in der in Fig. 7 gezeigten Stellung) anschmiegen,
so daß eine beliebig hohe
Kompression erzielbar ist. Die zwischen
den Kugelkeil 29 und dem Kolben 26 verbleibende Arbeitskammer 31 -ist nur noch ein
enger Spalt und damit ein beliebig kleiner Teil des Kammervolumens der gegenüberliegenden
Kammer 32, die gleichfalls die Form eines Kugelkeils ähnlich einer "Apfelsinenscheibe"
hat.
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Selbst eine Führung für die Pendelbewegung des Teilerkörpers 29 ist
innerhalb der Hohlkugel mit einem Führungsschlitz 33 im Gehäuse und einer Führungsnase
34 längs des Scheitels des Teilerkörpers 29 erstellbar. Wenn der Kolben 26 um die
Achse 27 dreht, führt der Teilerkörper 29 eine Pendelbewegung um eine quer zur Rotationsachse
27 verlaufende Pendelachse 35 aus. Diese Achse 35 markiert auch in der Stellung
nach Fig. 7 einen Anstellwinkel 36 der Gleitfläche, welcher gleichzeitig auch einen
Keilwinkel 37 des Teilerkörpers 29 in der Weise begrenzt, daß der Keilwinkel 37
näherungsweise gleich dem Anstellwinkel 36 seinkann, jedenfalls aber nicht größer
sein darf. Der Anstellwinkel 36 ist insbesondere der Winkel zwischen der Mittelsenkrechten
der Gleitfläche 28 (Flächenormale 28') und der Rotationsachse 27.
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Eine weitere Ausführungsform nach den Fig. 9 und 10 unterscheidet
sich von der nach den Fig. 7 und 8 lediglich dadurch, daß die Führung des Teilerkörpers
nach außen verlegt ist.
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Der Kolben 26 und die Welle 30 entsprechen denen gemäß Fig. 7,8 und
sind dementsprechend auch mit gleichen Bezugszeichen versehen. Ein hohlkugeliges
Gehäuse 38 umschließt den Kolben 26 und einen wiederum in Form eines Kugelkeils
(Apfelsinenscheibe) ausgebildeten Teilerkörper 39, läßt allerdings an dessen Scheitel
einen nach außen durchgehenden Schlitz 40 frei, durch den hindurch eine Strebe 41
zu einem Bügel 42 führt, welcher beidseits um das Gehäuse 38 herum zu Achszapfen
43,44 verläuft, auf denen er drehbeweglich - z.B. mit je einem Wälzlager - gelagert
ist und die koaxial zu einer Pendelachse 45 angeordnet sind (die der Pendel-
achse
35 in Fig.- 7 entspricht).
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Eine weitere verblüffende Vereinfachung der Anordnung läßt sich mit
einer Funktionsvertauschung in einer Rotationskolbenmaschine gemäß Fig. 11 und 12
erzielen. Hier ist ein Gehäuse 46 nur noch zum Zwecke der anschaulichen Gegenüberstellung
zu den Ausführungsformen nach den Fig. 7 bis 10 kugelig dargestellt. Ausgenutzt
wird lediglich ein halbkugeliger Innenraum im Gehäuse 46, der durch eine diametrale
Schnittfläche begrenzt ist, welche eine Gleitfläche 47 bildet. Die Gleitfläche 47
ist somit eine Innenfläche des Gehäuses 46. Ein darin bewegliches Teil in Form eines
Kugelkeils bildet nicht nur einen Teilerkörper, sondern auch einen Kolben 48, der
um eine Rotationsachse 49 nicht nur zusammen mit einer zur Rotationsache 49 konzentrischen
Welle 50 eine Drehbewegung ausführt, sondern dabei auch gegenüber der Welle 50 um
eine Querachse 51 pendelt. Mit Rücksicht auf diese Pendelbewegung endet die Welle
50 in einem Lagerstempel 52, welcher zur Querachse 51 konzentrische Gleitflächen
gegenüber dem Kolben 48 besitzt, bezüglich der Rotationsache 50 aber eine drehsichere
Verbindung schafft.
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Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind nicht nur wegen
ihres getriebefreien Aufbaus und des schwingungsfreien Laufs des Rotationskolbens
überaus interessant und vorteilhaft, sie lassen sich ersichtlich auch von sehr einfachen
Grundformen ausgehend erstellen. Dabei sind Abwandlungen ersichtlich beispielsweise
auch in Form einer kleineren Kugel um den Kreuzungspunkt von Rotationsachse und
Pendelachse möglich, die entweder der Gleitfläche oder dem Teilerkörper für Lagerungskonstruktionen
zugeschlagen werden kann und die Funktion der Maschine nicht beeinträchtigt. In
jedem Fall muß schon im Hinblick auf die Drehbewegung des Kolbens vorausgesetzt
werden, daB die Gleitfläche zu einer Mittelachse (Flächenormale) rotationssymmetrisch
ist.
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Für einen gleichmäßigen Betrieb ist regelmäßig auch das Doppelkammerprinzip
vorteilhaft. So würde bei einem Betrieb dieser Rotationskolbenmaschine als Pumpe
eine Kammer im Gegentakt zur anderen arbeiten. Für einen im Viertakt-Betrieb laufenden
Motor würde ein Arbeitszyklus aus zwei vollen Umdrehungen des Drehkolbens gebildet,
wobei die Arbeitshübe der beiden Kammern einer der beschriebenen Maschine um eine
Halbdrehung gegeneinander versetzt anfielen. Eine gleichmäßig verteilte Zünd- und
Arbeitshubfolge würde schon mit zwei Maschinen des vorgeschriebenen Grundtyps zu
erzielen sein, die beispielsweise direkt über eine gemeinsame Welle miteinander
verbunden sind.
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