DE3623969A1 - Schrittgebergetriebe fuer drehkolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schrittgebergetriebe für eine Drehkolbenmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die vorgegebene Maschinengattung Zeichnungsblatt 5 und 6 Fig. 10, 11 und 12 muß in einem Gehäuse Teil 1 eine kreiszylinderförmige Umlaufbahn mit Einlaß- und Auslaßöffnungen und gegebenenfalls Öffnungen für Zünd- und Einspritzeinrichtungen haben. In der mittigen Längsachse der beidseitigen Gleitbahndeckel muß ein koaxiales Wellenpaar 2 und 3 gelagert sein, das in der Laufbahn gleitend je Welle mehrere kreissegmentförmige Kolben besitzt, die drehrichtungsgleich sich vor- und nacheilend drehen. Sie müssen dabei selbststeuernd wirken, indem sie die Einlaß- und Auslaßöffnungen von Teil 1 beim Vorbeigleiten im richtigen Moment freigeben bzw. abdecken, was durch ein Getriebe Teil A, B und C bewirkt wird. Für den An- bzw. Abtrieb muß das koaxiale Wellenpaar 2 und 3 aus dem Gehäuse herausführen. Dies kann paarweise einseitig, bei Bedarf auch beidseitig sein. Ein Wellenende trägt einen Getriebeteil B, das andere einen Getriebeteil C. Den zwangsläufigen, die geeigneten Arbeitstakte auslösenden Ablauf der Maschine bewirkt der Getriebeteil A, indem er mit Getriebeteil B und C in Eingriff steht. Getriebeteil A ist auf der An- bzw. Abtriebswelle montiert bzw. mit ihr identisch. Zusammen bilden sie Teil 4, der mit Achsabstand zum koaxialen Wellenpaar 2 und 3 im Gehäuse 1 gelagert ist.

An- bzw. Abtriebswellen drehen durch Schwungmasse unterstützt natürlich gleichförmig.

Das Schrittgebergetriebe A-B-C ist unwuchtfrei und die koaxialen Wellen 2 und 3 werden durch die Anordnung mehrerer am Umfang gleichmäßig verteilter Kolben unwuchtfrei. Es hat, da die Form seiner Teile grundsätzlich von der Ellipse abgeleitet sind, nichts von den Vorteilen elliptischer Zahnräder, wie in den Zeilen 10 bis 25 beschrieben verloren, sondern einem erfinderischen Wunsch stattgegeben. (siehe Seite 8)

Eine bekannte Drehkolbenmaschine sehr alter Art Zeichnungsblatt 1 Fig. 0 ist das Prinzip für diese Anmeldung. Diese Drehkolbenmaschine kann jedoch nur im Zweitaktverfahren arbeiten, und ihre sich drehenden Bauteile sind gänzlich unwuchtig. In der Praxis wird sie hauptsächlich als langsam laufende, mittels Handkurbel betriebene Pumpe verwendet. Sie gehört mit ihren nachteiligen Symptomen nicht zur vorgegebenen Maschinengattung.

In Fig. 0 ist die Pumpe dargestellt, die aus 4 festgefügten Bauteilen besteht.

Teil O 1 als feststehendes Gebäude hat eine kreiszylindrische Gleitbahn, welche seitlich durch zwei Deckel mit zentrischen Lagerstellen abgeschlossen wird. Gleitbahn und bzw. oder Deckel haben eine Einlaß- und eine Auslaßöffnung. Am Gehäuse ist mit bestimmtem Abstand achsparallel eine weitere Lagerstelle vorhanden. (Teil O 4) Teil O 2 und O 3 ist ein in den zentrischen Lagerstellen der Gehäusedeckel sich drehendes koaxiales Wellenpaar, welches je Welle einen in der Gleitbahn des Gehäuses O 1 sich drehenden kreissegmentförmigen Kolben besitzt. Das aus Gehäuse O 1 herausragende Wellenpaar trägt je Welle eine verzahnte elliptische Scheibe OB und OC. Teil O 4 ist eine in der Zweiten achsparallelen Lagerstelle des Gehäuses O 1 gleichförmig drehende Antriebswelle, mit zwei um 180° gleich einem Arbeitstakt verdreht, fest angeordneten verzahnten elliptischen Scheiben OA gleicher Art wie bei Teil O 2 und O 3, OB und OC.

Diese verzahnten elliptischen Scheiben OA, OB und OC bewirken als Schrittgebergetriebe, daß die beiden Kolben des koaxialen Wellenpaares O 2 und O 3 mit gegenläufiger elliptischer Winkelgeschwindigkeit, im Schritt eines Arbeitstaktes versetzt, drehrichtungsgleich sich vor- und nacheilend drehen.

Während der Drehung werden die Ein- und Auslaßöffnung von Teil O 1 beim Vorbeigleiten der Kolben von Teil O 2 und O 3 im geeigneten Zeitpunkt abgedeckt bzw. freigegeben.

Eine gewählte Ellipse, bei der die zwei symmetrischen Fahrstrahlen, deren Gegenfahrstrahlen gleich Parameterfahrstrahlen der Ellipse sind, bilden einen Winkel von beispielsweise 60°. Die numerische Exzentrizität ist demnach

Sie ist die Basis für den Aufbau der Pumpe.

Der Abstand der koaxialen Wellen Teil O 2 und O 3 zur Antriebswelle O 4 ist gleich der Länge der großen Ellipsenachse. (Zeichnungsblatt 1 Fig. 0)

Fig. 0 zeigt die Maschine in der Ausgangsstellung, das ist Arbeitstaktende bzw. -beginn. Die großen Achsen der Ellipsenscheiben OB und OC nehmen in dieser Lage den Winkel β bzw. 60° ein. Die Winkel der beiden Drehkolbensegmente von Teil O 2 und O 3 sind ebenfalls = β jedoch mit Minustoleranz, damit in der momentan engsten Stellung kein Zusammenstoßen möglich ist.

Die Ein- und Auslaßöffnungen von Teil O 1 sind von den Kolben der Teile O 2 und O 3 verdeckt, da ihr Mittenwinkel um β versetzt ist und ihre Öffnungswinkel β noch mehr Minustoleranz als die sie verschließenden Drehkolben von Teil O 2 und O 3 haben. Deren momentane Drehgeschwindigkeit mit Teil O 4 ist gleich (Ausgangsstellung).

Ab dieser Ausgangsstellung ist der Arbeitsablauf der Pumpe beschrieben. (Zeichnungsblatt 1 Fig. 0)

Drehrichtung der Antriebswelle O 4 im Uhrzeigersinn, Teil O 2 und O 3 entgegengesetzt.

Es drehtTeil O 4 0°-90° gleichzeitigTeil O 2 Einlaß öffnend, ansaugend 0°-150° mit steigender Geschwindigkeit ausstoßend, da gleichzeitigTeil O 3 Auslaß öffnend, Einlaß schließend 0°-30° mit langsamer werdender Geschwindigkeit dreht. Bei StandTeil O 4 90°, Teil O 2 150°, Teil O 3 30° dreht Teil O 2 am schnellsten, Teil O 3 am langsamsten. Es drehtTeil O 4 90°-180° gleichzeitigTeil O 2 150°-300°, ansaugend und ausstoßend, Geschwindigkeit verlangsamend, ab 240° Auslaß schließend, bei 300° Auslaß geschlossen. GleichzeitigTeil O 3 30°-60° immer noch Auslaß öffnend, bei steigender Drehgeschwindigkeit bis 60° Einlaß geschlossen.

Erster Arbeitsablauf mit wieder gleicher Geschwindigkeit

vonTeil O 2, O 3 und O 4 beendet bei StandTeil O 4 180°, Teil O 2 300°, Teil O 3 60° WechselTeil O 2, O 3 und Teil O 3, O 2. ArbeitsablaufTeil O 4 180°-360° gleichzeitigTeil O 3 60°-360° gleichzeitigTeil O 2 300°-360°

Da der Kolben von Teil O 2 beim Vorauseilen vor sich herschiebend schon einen ersten Arbeitstakt durch Ausstoßen und hinter sich durch Ansaugen einen zweiten Arbeitstakt geleistet hat, während der Drehkolben von Teil O 3 durch gleichzeitiges Öffnen der Auslaßöffnung und Schließen der Einlaßöffnung diese zwei Arbeitstakte vorbereitet hat, ist schon bei den ersten 180° Drehung der Antriebswelle O 4 ein Arbeitsablauf beendet.

Da bei einer Zweitaktmaschine zwei Arbeitstakte gleich einen Arbeitsablauf ausmachen, sind nach 360° gleich einer Umdrehung 2 mal 2 Arbeitstakte gleich zwei Arbeitsabläufe beendet.

Diese alte bekannte Drehkolbenmaschine wurde deshalb so ausführlich demonstriert, weil keine schriftlichen Unterlagen bekannt sind, diese Darlegung aber sehr zum Verständnis der Anmeldung beiträgt.

Die Wahl von elliptischen Zahnrädern ist die vorteilhafteste für das Getriebe OA, OB und OC. Jede andere Art, exzentrische, ovale oder sonstige unrunde verzahnte Scheiben würden den Arbeitsverlauf der Kolben von Teil O 2 und O 3 durch ungleich verlaufende und sich nicht mehr ergänzende Winkelgeschwindigkeiten ungünstig beeinflussen. Dagegen sei auf die für diesen Fall bestens geeignete Geometrie der Ellipse hingewiesen, deren Fahrstrahllängen- und Winkelverlauf, durch andere Kurven nur durcheinandergebracht würde.

Umfang, Peripherie, Tangente und ihre Senkrechte am Berührungspunkt, die die Zahnstellung bestimmt, Zahnteilung und viele andere Aspekte, welche auch die Fertigung betreffen, sind trotz moderner Methoden bei unregelmäßigen Kurven von Nachteil.

Für Drehkolbenmaschinen der vorgegebenen Gattung mit mehr als zwei mal einem Kolben, wären zusätzlich entsprechende Übersetzungsgetriebe notwendig, wie sie beispielsweise in Patent- bzw. Offenlegungsschriften Nr. 6 83 500, 32 04 542, 30 36 742, 28 48 220 angewendet werden. In einigen Schriften, beispielsweise Nr. 26 03 893, 24 53 823, sind unrunde und ovale Räder angeführt. Die Schriften 32 04 542, 00 62 087, 23 52 231 gehen geometrisch falsch von mittelachsig gelagerten, aufeinander abrollenden Ellipsen aus. Es bleibt auch falsch, wenn dabei ein elliptisches Rad im Brennpunkt gelagert ist.

Die Lage der Getrieberäder zur Stellung der Kolben, sowie der Einlaß- und Auslaßöffnungen ist manchmal kritisch. Zum Öffnungswinkel der Kanäle und zum Winkel der Drehkolben sind kaum Angaben vorhanden. Der Gleitbahnsteg zwischen Einlaß- und Auslaßöffnung ist meist breit dargestellt, obwohl er theoretisch gleich Null wäre und eine Verbreiterung den Wirkungsgrad verschlechtert, wobei der Winkel der Drehkolben sowie das Getriebe beeinträchtigt sind.

Drehkolbenmaschinen als Verbrennungsmaschinen im Zweitaktverfahren mit Überströmkanälen sind vom Aufbau her aufwendiger als Maschinen, die im Viertaktsystem arbeiten. Sie zählen nicht zur vorgegebenen Gattung.

In der Beschreibung (Blatt 5 Zeile 27-32) sind verzahnte "elliptische Scheiben" anstatt "elliptische Zahnräder" für das Getriebe Fig. 0 Teil OA, OB und OC genannt. Dies ist bewußt deshalb geschehen, weil das erfindungsgemäße Getriebe ellipsengeometrisch abgeleitete Kurvenscheiben besitzt, die verzahnt unter sich und mit Zahnellipsen im Eingriff stehen können. Außerdem kann das Getriebe aus unverzahnten ellipsengeometrischen Kurvenkränzen bestehen.

Nach Art der Erfindung soll der ohnehin nicht ganz richtige Ausdruck "-rad", "-zahnrad", "Ovalrad" usw. für die erfindungsgemäßen Schrittgebergetriebeteile A, B und C nicht angewendet werden, da es grundsätzlich um auf die Ellipse bezogene Bestandteile geht, und zwar:

"Zahnellipse kurz "ZE" genannt.
"Ellipsengeometrische Kurve" kurz "egK" genannt.
"Zahnellipsengeometrische Kurve" kurz "ZegK" genannt.
"Ellipsengeometrischer Kurvenkranz" kurz "egKk" genannt.

Diese Kurzbenennungen sollen die Beschreibung vereinfachen und damit verständlicher machen.

Im nachfolgenden Teil der Beschreibung sind mathematische Aspekte aufgeführt, die wenig oder nicht bekannt, für die Erfindung und deren Verständnis jedoch erforderlich sind. Als Patentschutz sind nicht die mathematischen Methoden sondern nur teilweise daraus resultierende Bauteile ZE, egK, ZegK, egKk und ihre Wirkungsweise geltend gemacht.

Auf evtl. Urheberrechte aus Darstellungen und Erläuterungen, welche in der Anmeldung auftreten, sei jedoch hingewiesen.

Zeichnungen Blatt 2, Fig. 1-6 ist eine geometrische Darstellung über den Verlauf des Ellipsenumfangs bei ansteigender numerischer Exzentrizität der Basisellipse "E 1". Es gilt für E 1 = Basisellipse mit großer Achse 2a = 1, mit numerischer Exzentrizität ε = 2e und daraus errechneter kleiner Halbachse b als bekannt.

Es gilt für "E 2" eine Ellipse mit 2 mal so großer Halbachse wie Basisellipse E 1 also 2 mal b, mir 2e gleich wie bei E 1 und daraus errechneter großer Achse 2a als bekannt.

Es gilt für "egK" eine Kurve, die von der Ellipse E 2 abgeleitet dadurch entsteht, daß alle von Fahrstrahlen nach Punkten P und großer Achse x eingeschlossenen Winkel durch 2 geteilt werden, mit beispielsweise 6 mal 60° = 360° von E 2, nach der "ellipsengeometrischen Kurve egK" mit 6 mal 30° = 180° übertragen werden. Diese 180° = 1/2 egK betragende Kurve symmetrisch angereiht ergibt die geschlossene ellipsengeometrische Kurve egK.

Die egK hat den doppelten Umfang U, wie die dazugehörige Basisellipse E 1. Sie können untereinander, wie auch mit einer gleichen egK, ihre Berührungspunkte auf der Achslinie habend, bei konstantem Achsabstand spielfrei aufeinander abrollen.

In Professor Otto Kraemer's Buch "Getriebelehre", Verlag G. Braun Karlsruhe, Seite 181 ist ein aus einer Ellipse abgeleitetes Ovalrad dargestellt, wie es mit einem zweiten kämmend in Flüssigkeitszählern Verwendung findet. An die Verwendung als Schrittgeber für Drehkolbenmaschinen ist nicht gedacht. Eine Bezugnahme zu einer Basisellipse ist nicht angeführt, ebenso keine zu E 1 umfangbezogenen Werte.

Für die Berechnung des Umfangs der Ellipse wurde das Buch "Mathematik Band III" Verlag H. Deutsch Frankfurt/M. 1966 herangezogen. Ein Zusammenhang wie in Zeichnungsblatt 2 dargestellt, konnte dabei nicht ermittelt werden. Die genauen Umfangswerte sind nach dem elliptischen Integral zweiter Gattung Seite 519 und 520 des Buches errechnet.

Es gilt ein "Ellipsenumfangbezogener spezifischer Kreis" = "EusKr", wobei "EusKr" mal π = U-EusKr = Umfang der zugedachten Ellipse ist. Im Zeichnungsblatt 2 ist diese Ellipse immer ε zugedacht gleich E 1, während E 2 den weiteren Schritt zur egK darstellt.

Es läßt sich eine nicht bekannte vereinfachte Formel für EusKr aufstellen:

EusKr mal π ist außer seinem Kreis-Umfang U gleichzeitig U für E 1 und 1/2 U für egK, natürlich nur der gewählten numerischen Exzentrizität ε für E 1 zugeordnet.

Es ergeben sich beispielsweise Resultate für EusKr:

Sonderfall E 1 als Kreis mit 1 ⌀ Fig. 1, und Sonderfall E 1 als Gerade mit Länge 1 = Umfang U = 2 : π, in die Formel für EusKr eingebracht, machen den Verlauf von EusKr <1 und <(2 : f) vollständig.

3 mal Korrekturwert mit <3 <π ist im Kurvenverlauf Fig. 7 graphisch dargestellt. Der Korrekturwert wirkt sich in der Praxis nur bedingt erst bei etwa ε <0,6 für E 1 aus.

Die Richtigkeit der Korrekturwerte und Formel für EusKr beweisen die mittels der höheren Mathematik errechneten Gegenwerte, wobei aber der Verlauf von EusKr bei ε zwischen 0 und 1 nicht sichtbar wird. Es ist von Wichtigkeit, daß die geometrische Darstellung von Fig. 1-7, Zeichnungsblatt 1 als richtig erkannt wird. Da EusKr π den Wert für U E 1 mit großer Achse 2a = 1 darstellt, ist natürlich für alle Ellipsen gleicher numerischer Exzentrizität, 2a mal EusKr π deren Umfang. Er muß für eine Verzahnung unbedingt bekannt sein und ist auf Zegk entsprechend übertragbar.

Zeichnungsblatt 3 Fig. 8 zeigt einen weiteren Schritt von Basisellipse E 1, über E 2, zu E 3, E 4, E 5, E 6, im Prinzip bis Ex weiterführend. Die numerische Exzentrizität der Basisellipse mit beispielsweise ε = 0,5 gewählt, setzt sich bei E 2 bis EX als 2e = 0,5 fort. Die kleine Achse 2b von E 1 verlängert sich für E 2 bis EX um das 2 bis x-fache. Entsprechend verlängert sich 2a für E 2 wie bekannt und 2a für E 3 bis Ex nach gleicher bekannter Formel. Die Kreise, die der aktive Brennpunkt einer zweiten E 1 beim spielfreien Abrollen auf der stillstehenden E 1 oder den ebenfalls stillstehenden egK 1 bis egK x abläuft, sind als BK 1 bis BK 6 eingezeichnet. Ebenfalls sind 1 EusKr bis 6 Euskr eingezeichnet.

Es ist bemerkenswert, daß sich BK 2 mit 3 EusKr deckt, was auch die auf

umgestellte EusKr-Formel (Blatt 12 Zeile 1-17) beweist. Indessen ist BK 1 <2 EusKr und BK 3 <4 EusKr, BK 4 <5 EusKr usw.

Es gilt deshalb, wie auf Zeichnungsblatt 3 Fig. 8 vermerkt;
"(E 2 große Achse + 2a E 1) · (1 : Korrekurwert) = 3 EusKr = 2 · Achsabstand A 2 = BK 2",
immer auf ε von E 1 bezogen, Fig. 8.

E 3 bis Ex haben in der EusKr-Formel nichts zu suchen, sie dienen nur als weiterer Schritt, um egK3 bis egKx konstruieren zu können. Dies wird durch ein Winkelteiluntsverfahren, wie auf Zeichnungsblatt 2 schon gezeigt, erreicht. Es ist die Summe gleichmäßiger Fahrstrahlenwinkel der E 2 von 360° : 2 = 180° zur egK2 Teilkurve geworden. Weiterführend werden auf Zeichnungsblatt 3 Fig. 8 E 2 bis Ex zu egK2- bis egKx-Teilkurven mit Winkeln 360° : 2, 3, 4 bis x. Die Teilkurven, kreisförmig aneinandergereiht, ergeben jeweils die ellipsengeometrischen Kurven egK1-egKx als Kränze (egK1 = E 1). Sie können unter sich oder mit E 1, mit entsprechendem Übersetzungsverhältnis spielfrei, ihre Berührungspunkte auf der Achslinie habend, aufeinander abrollen. Bei geeignet gewählter numerischer Exzentrizität ε möglichst <0,5 für E 1 können egK verzahnt werden und als ZegK2 bis ZegKx mit Übersetzungsverhältnissen 1 für Ze1 zu ganzen Zahlen für ZegK untereinander kämmend wirken.

Das spielfreie Umfangsverhältnis beweist sich durch die zusammengehörigen Fahrstrahlenlängen = zu ihren Winkelverhältnissen.

Die Winkelverteilung ist auf Zeichnungsblatt 3 Fig. 8 verdeutlicht durch die Zahlen
2, 2.1-2.10, 3, 3.1-3.10, 4, 4.1-4.15, 5, 5.1-5.12, 6, 6.1-6.10
dargestellt.

Auf E 2 bis E 6 als halbe Ellipse und egK2 bis egK6 als für 2-6 entsprechende Teilkurven, die mit der Basisellipse E 1 ebenfalls halb dargestellt umfangsgleich sind.

Es ist, wie bekannt,

a₁ = kürzester Fahrstrahl der Ellipse und
a₂ = längster Fahrstrahl der Ellipse.

Es gilt nach Zeichnungsblatt 3

in Eingriff stehend.

Dies erklärt sich daraus, daß 2 a₁ von E 2 gleich der kleinen Achse von egK2 ist und 2 a₂ von E 2 gleich der großen Achse von egK2 ist, weil a₁ von E 1 von der x-Achse zur y-Achse wechselt, d. h. aus 180° für E 2 gleich 90° für egK2 werden.

Daraus ergibt sich für Fig. 10 der beispielsweise Achsabstand der koaxialen Wellen 2 und 3 zur Welle von Teil 4

hierbei ist 2 a von ZE1 auf 1 bezogen und ε mit 0,5 für Basisellipse E 1 berücksichtigt.

Fig. 10 und 11 ist eine beispielsweise aus drei Aggregaten sternförmig aufgebaute Drehkolbenmaschine mit nur einer mittigen An- bzw. Abtriebswelle Teil 4 dargestellt. Das rechte Zweitaktaggregat, als Hydraulik- oder Pneumatikmotor oder als Hydraulik- oder Pneumatikpumpe, zeigt die Ausgangsstellung in der die Kolbenpaare von Teil 2 und 3 mit Getriebeteilen B und C den engsten Achswinkel dagegen den weitesten Hubwinkel einnehmen als Teilschnitt.

Ein zweites, 120° links oben versetztes Zweitaktaggregat zeigt Gehäuseteil 1, dessen je 2 Einlaß- und Auslaßkanäle symmetrisch zur Achse 7, zweimal um 1/2 β versetzt, angeordnet sind. Beispielsweise im Deckel von Teil 1 mit Öffnungswinkel β mit Minustoleranz.

Teile 2 und 3 mit Getriebeteilen B und C sind gedacht eingezeichnet. Die dargestellte Lage der Teile 2 und 3, wie ihrer Getriebeteile B und C, entsprechen dem momentanen Stand des Maschinenablaufs.

Das links unten nochmals 120° versetzt dargestellte Viertaktaggregat ist das beispielsweise Prinzip als Verbrennungsmotor. Hierbei entfallen je eine nebeneinanderliegende Einlaß- und Auslaßöffnung in Teil 1. An deren Stelle treten auf der Achslinie 8 eine Zünd- und gegebenenfalls Einspritzeinrichtung mit evtl. Zeitpunktregelung. Die verbleibende Einlaß- und Auslaßöffnung, wiederum 1/2 β beidseitig der Achse 8 in Teil 1, diesmal beispielsweise von der Gleitbahn nach außen führend, haben ebenfalls wieder den Öffnungswinkel β mit Minustoleranz. Die dargestellte Lage der Teile 2 und 3, wie ihre Getriebeteile B und C entsprechend dem momentanen Stand des Maschinenablauf.

Normalerweise wird eine Maschine, wie Fig. 10, mit allen Aggregaten entweder als Pumpe oder Motor, als Zweitakt- oder Viertaktmaschine arbeiten, was aber verschiedene Arbeitsfunktionen nicht ausschließt.

Der Winkel β ist für den Bau des Getriebes A, B und C und der Maschine von großer Wichtigkeit.

Das rechte Aggregat in Fig. 10 ist in Ausgangsstellung. Durch den Mittelwert der koaxialen Wellen von Teil 2 und 3 gehen zwei weitere Achsen, mit 1/2 β symmetrisch an die Achse 6 angelegt. Diese Achsen bilden mit dem Winkel β die Mittellinien für die zwei Einlaß- und Auslaßkanäle im Gehäuse 1 sowie die Achsen für die zwei Drehkolbenpaare von Teil 2 und 3 und die großen Achsen für die dazugehörigen Getriebeteile ZegK2 Teil B und C. Der Winkel der Kolben von Teil 2 und 3 ist wiederum β mit erfahrungsgemäßer Minustoleranz. Ebenso hat der Öffnungswinkel der Einlaß- und Auslaßkanäle in Teil 1 β mit erfahrungsgemäß noch größerer Minustoleranz, damit die Einlaß- und Auslaßkanäle von den Drehkolben der Teile 2 und 3 in der Ausgangsstellung sicher abgedeckt werden.

Die Berechnung von β geht davon aus, daß die beiden elliptischen Teillinien der ZE von Teil 4 sich in Punkt P kreuzen, welcher in der Ausgangsstellung gleichzeitig der Berührungspunkt für die Teillinien der beiden zahnellipsengeometrischen Kurven ZegK2 ist.

Dieser Berührungspunkt P teilt sich während der Drehbewegung zu Punkten P′ und P′′, die im Extremfall 2e (= Kurbelarmlänge) Abstand haben und immer auf der Achslinie liegen, wie die Getriebeteile der Aggregate auf den Achsen 7 und 8 veranschaulichen. Nur in der Ausgangsstellung ist das gegenseitige Drehmoment der Drehkolben von Teil 2 und 3 durch 2 mal 2 gleiche Hebellängen = 0.

Es gilt zwei Halbparameter von E 1 = 0,375 und zwei Restlängen (Achsabstand minus Halbparameter = 1,026387819 = Fahrstrahl von E 2), da egK2 aus E 2 durch die beschriebene Winkelteilung 1 : 2 entsteht. Deshalb ist der Winkel, den die große Achse von E 2 mit dem 1,026387819 langen Fahrstrahl einschließt, = β.

Nach der bekannten Formel für die Berechnung des schiefwinkeligen Dreiecks ist

Dabei ist 2 e von E 2 = c der Formel, Fahrstrahl 1,026387819 von E 2 = a der Formel und Gegenfahrstrahl von E 2 0,776387819 = b der Formel. Daraus ergibt sich β = beispielsweise 46,94661595°.

Der Hubwinkel = Winkel zwischen Kolben der Teile 2 und 3 ist somit 180° minus 2 mal β = 86,1067681° und der Gesamthubwinkel pro Aggregat bei einer Umdrehung von Teil 4, 8mal Hubwinkel = beispielsweise 688,8541448°. Dabei ist berücksichtigt, daß die Drehkolben vor und hinter sich Arbeit verrichten.

Im Zweitaktverfahren vollbringt eine Maschine, wie Fig. 10 und 11 mit beispielsweise 3 Aggregaten, bei einer vollen Drehung von Teil 4, 12 Arbeitsabläufe = 24 Arbeitstakte, was einer 12-Zylinder Kurbelwellenmaschine mit 6 mal 2 parallellaufenden Kolben gleichkommen würde.

Im Viertaktverfahren wären es 6 Arbeitsabläufe = 24 Arbeitstakte, was einer 6-Zylinder Kurbelwellenmaschine (Verbrennungsmaschine) gleichkommt.

Wenn man einen vergleichsweisen Hubraum z. B. von Kurbelwellenmaschinen in Betracht zieht, wird man, wie schon bekannt, erkennen, daß Drehkolbenmaschinen der vorgegebenen Gattung in Bezug auf Größe und Gewicht sehr stattliche Leistungen erbringen. Diese werden durch das erfindungsgemäße einfache Getriebe dadurch noch gesteigert, daß seine Teile A, B und C vereinfacht in die Teile 2, 3 und 4 einbezogen werden, so daß ein Aggregat aus 4 festgefügten Teilen, 3 Aggregate Fig. 10 und 11 aus nur 8 festgefügten Teilen bestehen, da ja nur 2 mal Teil 2 und 3 hinzukommen.

Die nachteiligen Symptome der Unwuchtigkeit sind durch die nunmehrige Wuchtfreiheit der symmetrisch gestalteten Bauteile 2, 3 und 4 beseitigt. Dies ist wesentlich der Umgestaltung von Zahnellipsen ZE in verzahnte ellipsengeometrische Kurven ZegK der Getriebeteile B und C zuzuschreiben.

Nach Fig. 10 und 11 sind für Getriebeteil A beispielsweise zwei um 180° versetzte Zahnellipsen ZE vorgesehen, um die Gestaltungsmöglichkeiten zu veranschaulichen. Ein dadurch verursachter Taumelschlag von A wird mittels einer nicht gezeichneten, aber ohnehin erforderlichen Schwungmasse auf Teil 4, durch deren Gestaltung in bekannter Weise aufgehoben.

Es ist natürlich konstruktiv möglich, die ZE Teil A durch unwuchtfreie ZegK zu ersetzen. Sie können mit geeignetem Übersetzungsverhältnis 1 : 1 bis 1 : x als ZegK2 bis ZegKx für B und C zu A gewählt werden. Die für einen bestimmten Zweck geeignete Drehzahl kann demgemäß bestimmt werden. Ebendarum läßt sich natürlich auch eine größere Kolbenzahl für die koaxialen Maschinenteile 2 und 3 mit entsprechenden Getriebeteilen B und C als ZegK wählen, wie durch Fig. 8 schon veranschaulicht und beschrieben ist.

Fig. 11 ist die zeichnungsgemäße Draufsicht von Fig. 10 in Pfeilrichtung. Sie zeigt eine beispielsweise Lagerung und Abdichtung. Es ist nicht die Aufgabe der Erfindung, die bekannt problematisierte Abdichtung von Drehkolbenmaschinen zu erörtern. Es sei nur erwähnt, daß eine gute Lagerung einen Mindestspalt an den großen Gleitflächen der Kolben mit einem Mindestmaß an Reibungsverlusten ermöglicht. Die Abdichtung nach außen ist durch bekannte Mittel und Materialien zu erreichen. Eine Leckrückführung in einen neutralen Bereich ist geeignet. Die Verluste an den schmalen Dichtstreifen zwischen den Einlaß- und Auslaßkanälen können dank der kleinen Reibungsverluste der Maschine gut aufgewogen werden. Bei Verwendung als Verbrennungsmaschine sind durch diese schmalen Dichtflächen kaum Verluste zu erwarten, da sie zwischen Einlaß- und Auslaßkanal liegend, dem evtl. übertretenden Abgasleck die Rückführung in den Arbeitsprozeß ermöglichen.

Um die schmalen Dichtflächen zu vermeiden, können beispielsweise Einlaßkanäle in den Gleitbahndeckeln von Teil 1 und die Auslaßkanäle an der äußeren Gleitbahn Teil 1 angeordnet sein.

Kleine Leckmengen werden sich zwischen Gleitbahn von Teil 1 und den Gleitflächen der Kolben Teile 2 und 3 verlieren. Hohe Drehzahlen verringern Verluste und führen zu einem guten Wirkungsgrad. Keine Kurbeleinrichtungen, keine gegen die Zylinderwand gedrückte Kolben, keine Ventileinrichtungen usw. sind weitere, der Drehkolbenmaschine Vorzüge bringende Symptome.

Fig. 12 zeigt in Ergänzung mit Fig. 9/2 und 9/3 eine weitere Variante der Erfindung.

Aus der Erkenntnis, daß sich Fig. 8 über egK6 hinaus fortsetzen läßt, entstehen ellipsengeometrische Kurvenkränze "egKk". Sie haben eine Basisellipse E 1 mit großer Exzentrizität, beispielsweise ε = 0,94, wie in Fig. 9/1. Durch Verlängerung der kleinen Achse von E 1, 2 b mal beispielsweise 7 und 8 entstehen die Ellipsen E 7 Fig. 9/2 und E 8 Fig. 9/3, deren Fahrstrahlenwinkel geteilt durch 7 und 8, wie schon beschrieben, die Teilkurven egK7 und egK8 ergeben, die durch 7- und 8-maliges Aneinanderreihen zu ellipsengeometrischen Kurvenkränzen Fig. 12, A, B und C als egKk7 und egKk8 werden. Es ist 2mal egKk7, als Getriebeteil A im Arbeitstakt versetzt, der Ab- bzw. Antriebswelle 4 zugeordnet. Es sind 2mal egKk8 als Getriebeteil B und C dem koaxialen Wellenpaar 2 und 3 zugeordnet.

Das koaxiale Wellenpaar 2 und 3 besitzt demnach gleichmäßig verteilt je 8 Kolben mit Winkeln β mit Minustoleranz, und im Gehäuse 1 sind für ein Zweitaktverfahren je 8 Einlaß- und Auslaßöffnungen nach Winkeln β mit Minustoleranz und Hubwinkel verteilt vorhanden. Für ein Viertaktverfahren ist nur die Hälfte Öffnungen angeordnet, weil dazwischen die Zünd- und evtl. Einspritzeinrichtungen liegen.

Für die Berechnung des Winkels β sind folgende Werte Fig. 9 erforderlich:

Basisellipse E 1 mit ε (beispielsweise 0,94). Hieraus folgt, wie bekannt, E 7 und E 8. Es ergibt a₂ E 8 + a₁ E 7, (beispielsweise 2,726641181) den Achsabstand von Teil 2 und 3 zu Teil 4. Halbparameter von E 7 = Fahrstrahl von egKk7 bei Ausgangsstellung der Maschine Fig. 12 ist gleich Teillänge des Achsabstandes bis Punkt P (beispielsweise 1,111139636). Die Restlänge des Fahrstrahls ist eine Fahrstrahllänge von egKk8 bei neutraler Ausgangsstellung der Maschine mit (beispielsweise 1,615501544), gleichzeitig ein Fahrstrahl der Ellipse E 8 Fig. 9/3.

Damit sind für Dreieck A-B-C Seite a (beispielsweise 1,615501544), dessen Gegenfahrstrahl von E 8 Seite b (beispielsweise 1,271226707) und Seite c gleich 2 e der Ellipse E 8 und ε von E 1 (beispielsweise 0,94) bekannt. Nach bekannter Formel

ist (beispielsweise β mal 4 = 51,81840452° und β 12,95460113°). Der Hubwinkel Fig. 12 = Winkel zwischen den Kolben der Teile 2 und 3 ist somit 360° : 8 = 45° - 2β = 19,09079774° mal 8, da die Kolben vor und hinter sich Arbeit verrichten, mal 16 = 305,4527638° bei 1/14 Drehung der Welle 4. Bei einer Umdrehung der Welle 4 = 4276,338694° Gesamthub.

Bei einer Kolbenfläche von 2 · 5 = 10 cm² und beispielsweise 100 mm Gleitbahndurchmesser Teil 1 Fig. 12 entspräche diese kleine Maschine einem Hubraum von ≈ 2800 cm³.

Das Schrittgebergetriebe A, B und C veranlaßt die Drehkolbenmaschine zum folgenden Zweitakt-Arbeitsablauf: In der Ausgangsstellung Fig. 10 und 12 haben die Getriebeteile B und C mit Teil 2 und 3 sowie ihren Drehkolben gleiche Drehgeschwindigkeit.

Die gleichförmig drehende An- und Abtriebswelle 4 mit Getriebeteil A veranlaßt Getriebeteil B und C zusammengerechnet

zu drehen (beispielweise) in Pfeilrichtung).

Davon dreht Teil B

minus 1/2 β Winkelgrade und Teil C 1/2 b Winkelgrade für einen halben Arbeitsablauf, wobei die Kolben von Teil 2 die Einlaßkanäle von Teil 1 ihre Drehgeschwindigkeit steigernd öffnen, die Kolben von Teil 3 die Auslaßkanäle von Teil 1 halb öffnen und die Einlaßkanäle von Teil 1 halb schließen, wobei sich die Drehgeschwindigkeit von den Kolben Teil 3 vermindert.

In dieser monentanen Arbeitslage haben B mit den Kolben 2 ihre größte und C mit den Kolben 3 ihre kleinste Drehgeschwindigkeit.

Die Kolben von Teil 2 saugen ein Medium aus den geöffneten Einlaßkanälen und stoßen auf der entgegengesetzten Kolbenseite durch die Auslaßkanäle aus.

Die Kolben von Teil 3 blocken das Medium zwischen den Einlaß- und Auslaßkanälen ab.

Mit denselben Winkelgraden, aber umgekehrter Geschwindigkeitsänderung wie oben beschrieben, drehen Getriebeteil B und C weiter und bringen die Kolben der Teile 2 und 3 in die der Ausgangsstellung entgegengesetzten Lagen. Die Einlaß- und Auslaßkanäle von Teil 1 sind von den Kolben der Teile 2 und 3 abgedeckt.

Ab Ausgangsstellung wird Teil B

minus β Winkelgrade und Teil C β Winkelgrade gedreht haben.

Dieser Vorgang wiederholt sich im Wechsel mit B nach C und Kolben Teile 2 nach 3. Bis die Ausgangsstellung wieder erreicht ist, wird die Maschine die gleiche Menge an Arbeitsabläufen verrichtet haben, wie die Kolbenzahl von Teil 2 plus Kolbenzahl von Teil 3 ergibt.

Da die Drehkolbenmaschine mit egKk-Getriebe A-B-C im übrigen leichtgängig ist, dürfte sie eine gute Leistung aufweisen. Wie auf Zeichnungsblatt 5 in Fig. 10 dargestellt, können auch bei egKk-Getrieben, Zeichnungsblatt 6 Fig. 12, mehrere Aggregate auf eine An- bzw. Abtriebswelle 4 wirksam werden.

Daß ellipsengeometrische Kurven egK die Berührungspunkte ihrer Peripherie auf der Achslinie habend, spielfrei aufeinander abrollen können, ist bei "verzahnten ellipsengeometrischen Kurven", also ZegK2 bis ZegKx untereinander oder zur ZE1 durch ihre Verzahnung zwangsläufig erfüllt. Zeichnungsblatt 5 Fig. 10 Getriebeteil A-B-C.

Dieser Zwang liegt bei "ellipsengeometrischen Kurvenkränzen egKk" nicht vor. Zeichnungsblatt 6 Fig. 12 Getriebeteil A-B-C.

Durch günstige Auswahl der numerischen Exzentrizität ε der Basisellipse E 1, Kolbenzahl Übersetzungsverhältnis, Schwungmasse, Drehzahl, Unterscheidung der Verwendung als Pumpe oder Motor, für flüssige oder gasförmige Stoffe usw. wird die Maschine auch bei egKk als Getriebe A-B-C funktionsfähig. Weitere Symptome, meist bekannter Art, werden auftreten, wenn die Drehkolbenmaschine als Verbrennungsmotor Verwendung finden soll.

Da es jedoch besser ist, das Getriebe A-B-C bei Verwendung von "egKk", deren Berührungspunkte während des Arbeitsablaufs zwangsläufig auf der Achslinie Mitte Teil 4 zu Mitte Teil 2 und 3 zu halten und nicht die Achslinie verlassend von der positiv abrollenden Peripherie auf die negativ gleitende Peripherie ausweichen zu lassen, wodurch der harmonisch ellipsengeometrische Arbeitsablauf gestört wäre, wird vorgeschlagen, mittels einer Kippfedereinrichtung, Zeichnungsblatt 7 Fig. 13, 14, 15 und 16 die egKk-Peripherien der Getriebeteile B und C zwangsläufig mit der egKk-Peripherie von Getriebeteil A achslinientreu aufeinander abrollend zu halten.

Diese Kippfedereinrichtung ist zentrisch zu den Koaxialwellen 2 und 3 mittels zwischen diesen fungierenden Druckfedern 11 kranzförmig wuchtfrei angeordnet. Diese Anordnung kann zwischen den Getriebeteilen B und C oder und den Koaxialwellen 2 und 3 bestehen.

Auf einem größeren und kleineren Teilkreis der Trägerteile 10 je Teil B und C oder Teil 2 und 3 zugeordnet, sind Federtellerscheiben 12 zweckmäßig in Wälzlagerung schwenkbar angeordnet. Zwischen je 2 Federtellerscheiben 12 des größeren und kleineren Teilkreises von Teil B und C und oder Teil 2 und 3 sind Druckfedern 11 verspannt.

Bei momentaner Extremstellung Fig. 15 des Drehmoments, in der die egKk-Kuppen winkelhalbierend zu egKk-Lücken der Getriebeteile B und C stehen und jeweils die Lückenachse oder Kuppelachse des egKk-Getriebeteils A sich auf der Achslinie von Teil 2 und 3 zu Teil 4 befindet, ist die Kippfedereinrichtung an Getriebeteilen B und C oder und Koaxialwellen 2 und 3 so angeordnet, daß die Längsrichtungen der zwischen den Federtellerscheiben 12 verspannten Druckfedern 11 in Richtung zur koaxialen Achsmitte der Teile 2 und 3 verlaufen.

Diese neutrale Stellung Fig. 13 und 15, in der die Druckfedern 11 ihre größte Spannung haben, ist gleichzeitig ihre Kippstellung. Von da aus werden die Getriebeteile B und C beim Weiterdrehen durch die Druckfedern 11 gespreizt und bei jeglichem Arbeitsablauf der Drehkolbenmaschine in eine positive egKk-Peripherielage zu Getriebeteil A gebracht, das heißt, die Berührungspunkte der egKk-Peripherien werden auf der Achslinie gehalten.

Beim Kippen der Druckfedern 11 ist der Arbeitsablauf der Drehkolbenmaschine in die Ausgangsstellung Fig. 14 gelangt, von wo aus die Druckfedern 11 mit Maschinenkraft über das Getriebe A-B-C in Extremstellung bzw. Kippstellung Fig. 15 gebracht werden. Beim Weiterdrehen kippen die Druckfedern 11 durch Ausschwenken auf die entgegengesetzte Ausgangsstellung Fig. 16.

Der Arbeitsablauf geht weiter, und der Kippvorgang wiederholt sich bei jedem Arbeitstakt in der Extremstellung Fig. 13 und 15 der Koaxialwellen 2 und 3 sowie Getriebeteile B und C.

Der Arbeitsaufwand, den die Maschine zum Spannen der Druckfedern 11 von Ausgangsstellung Fig. 14 zu Extremstellung Fig. 15 aufbringen muß, gleicht sich mit der Entspannung der Druckfedern 11 von der Extremstellung Fig. 15 zur Ausgangsstellung Fig. 16 aus.

Claims (4)

1. Schrittgebergetriebe für eine Drehkolbenmaschinengattung mit im Gehäuse 1, Fig. 10, 11 und 12, kreisförmiger Gleitbahn, konzentrisch darin angeordnetem mit Drehkolben bestücktem koaxialem Wellenpaar 2 und 3, das bei geeigneter fortschreitender Drehbewegung die Maschine zum Pneumatik- oder Hydraulikmotor bzw. Pneumatik- oder Hydraulikpumpe, gegebenenfalls auch Verbrennungsmotor macht, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Gleitbahngehäuse 1 herausragende koaxiale Wellenpaar 2 und 3 eine mit Abstand achsparallel verlaufende An- bzw. Abtriebswelle 4 durch erfindungsgemäße "verzahnte ellipsengeometrische Kurvenscheiben ZegK" Fig. 10, A, B und C, oder unverzahnte "ellipsengeometrische Kurvenkränze egKk" Fig. 12, A, B und C, als Schrittgebergetriebe so verbinden und lenken, daß die An- bzw. Abtriebswelle 4 durch Schwungmasse unterstützt gleichförmig umläuft, während das koaxiale Wellenpaar 2 und 3 samt Drehkolben mit elliptischer Fahrstrahlenlängenfolge abgeleiteter Winkelgeschwindigkeit im Schritt eines Arbeitstaktes wechselnd, drehrichtungsgleich sich vor- und nacheilend dreht, wobei die Drehkolben von Teil 2 und 3 im Gleitbahngehäuse 1 angeordnete Ein- und Auslaßkanäle, gegebenenfalls Kraftstoffzufuhr- und Zündeinrichtungen, beim Vorbeigleiten im geeigneten Zeitpunkt abdecken bzw. freigeben und entsprechende zur Maschinenart passende Arbeitstakte auslösen.

2. Schrittgebergetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für ZeKk und egKk die kleine Achse 2b der Basisellipse E 1 mit geeigneter numerischer Exzentrizität ε durch Multiplikation mit einer ganzen Zahl 2, 3, 4 usw. bei unverändertem Brennpunktabstand 2e zu Ellipsen mit 2b-E 2, 2b-E 3, 2b-E 4 usw. werden, welche durch Teilung ihrer symmetrisch zur x-Achse verlaufenden Fahrstrahlenwinkel durch gleiche Zahlen 2, 3, 4 usw. eine Teilkurve ergeben, die wiederum durch 2, 3, 4- usw. -maliges Aneinanderreihen die geschlossenen ellipsengeometrischen Kurven egK2, egK3, egK4 usw. ergebend, den 2, 3, 4- usw. -fachen Umfang der Basisellipse E 1 aufweisend, untereinander und mit E 1 ihre Berührungspunkte auf der Verbindungslinie konstanter Achsmittelpunkte haben, spielfrei mit bestimmbarem Übersetzungsverhältnis ganzer Zahlen, aufeinander abrollen können. (Zeichnungsblatt 3)

3. Schrittgebergetriebe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für das Getriebe A, B und C verzahnte Ellipsengeometrische Kurven "ZegK" verwendet werden, deren Basisellipse E 1 mit relativ kleiner numerischer Exzentrizität ε und Übersetzungsverhältnis 1/2, 2/2, 1/3, 2/3, usw. bis etwa 5/6 gewählt wird, damit die Verzahnung bei negativem Zahndruck noch sicheren Eingriff gewährleistet, während für unverzahnte ellipsengeometrische Kurvenkränze "egKk" die Basisellipse mit relativ großer numerischer Exzentrizität ε und das Übersetzungsverhältnis beispielsweise 4/5, 5/5, 5/6, 6/6 usw. größerer Zahlen gewählt wird.

4. Schrittgebergetriebe nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung unverzahnter ellipsengeometrischer Kurvenkränze egKk, Zeichnungsblatt 6 Fig. 12, als Getriebeteile A, B und C "eine Kippfedereinrichtung Zeichnungsblatt 7 Fig. 13, 14, 15 und 16", zwischen die Getriebeteile B und C oder die koaxialen Maschinenteile 2 und 3 über Trägerteile 10, mit mindestens 2 mal gegenüberliegend ausgewuchteten Druckfedern 11 zwischen wälzgelagert schwenkbaren Druckscheiben 12 verspannt, so einbezogen ist, daß bei extremer Drehmomentstellung einer Drehkolbenmaschine Zeichnungsblatt 6 Fig. 12, die Druckfedern 11 auf Kippstellung Fig. 15 befindlich, bei jeglicher Drehbewegung von Teil 2 und 3 bzw. B und C durch Spreizeffekt, die Berührungspunkte der egKk von B und C auf Achslinie haltend, den Arbeitsablauf auf eine Ausgangsstellung Fig. 16 dreht, von wo die Druckfedern 11 durch die wechselnde Schrittgeberreaktion von A, B und C mit Maschinenkraft zu einer Extremlage Fig. 15 gedreht werden, um einem entgegengesetzt wiederholten Spreizeffekt der Druckfedern 11 das auf der Achslinie abrollende Berührungsverhalten der egKk bis zu einer Ausgangsstellung Fig. 14 zu ermöglichen, wobei sich wiederholend Maschinen- und Federkraft am Drehmoment der Drehkolbenmaschine ergänzen.