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Kurbellose Kolbenmaschine Gegenstand der Erfindung ist eine kurbellose
Kolben-Dampfmaschine, -pumpe oder Kompressor mit gleichachsig zur Welle angeordneten
Zylindern und Taumelscheibenantrieb.
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Bei Maschinen dieser Art ist es bekannt, die von den verschiedenen
Kolben ausgehenden Bewegungen mittels Kolbenstangen auf die Taumelscheibe zu übertragen,
die in schräger Lage auf der Welle der Maschine befestigt ist. An Stelle der auf
der Welle festen Scheibe ist auch eine mit ihr starr zusammenhängende Kröpfung verwendet
worden, die lose von einer Scheibe umfaßt wird, «-elche am Mitdrehen mit der Welle
durch einen Zahnkranz verhindert wird, der in einen an dem Maschinengestell oder
dem Pumpengehäuse sitzenden zweiten Zahnkranz eingreift, wobei die aufeinanderfolgenden
Kraftwirkungen der einzelnen Kolben ein Abrollen des Scheibenzahnkranzes an dem
anderen Zahnkranz zur Folge haben und woraus sich dann im weiteren die Umsetzung
dieser Bewegung in Drehbewegung der Welle durch Vermittlung der schrägen Kröpfung
ergibt. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist nun die Taumelscheibe mit einem Zahnkranz
versehen, der mit einem anderen Zahnkranz mit einer größeren oder geringeren Anzahl
von Zähnen als der des erstgenannten Zahnkranzes kämmt, so daß eine mit diesem Zahnkranz
zusammenhängende Welle, die die getriebene oder die treibende sein kann, bei einem
Kolbenhinundhergang nur einen Teil einer vollen Umdrehung vollführt.
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Bei der nun folgenden Beschreibung von verschiedenen Ausführungsformen
des Erfindungsgegenstandes ist angenommen, daß die Maschine als Antriebsmaschine,
also nicht als Pumpe arbeiten soll.
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Abb. i zeigt einen Längsschnitt durch die erste dieser Ausführungsformen.
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Abb. a zeigt in der linken Hälfte einen Schnitt in der Ebene L'-L=
der Abb. i und in der rechten Hälfte einen Schnitt in der Richtung R'-R°, -in beiden
Fällen- von links nach rechts gesehen.
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Abb. 3 ist ein Schnitt in der Ebene 3-3 der Abb. i.
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Abb. 4. ist eine Darstellung ähnlich der Abb. i, zeigt aber eine doppelte
Maschine,
und zwar in diesem Fall eine Verbrennungskraftmaschine.
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Äbb. 5 zeigt abgeänderte Einzelheiten der Maschine im Schnitt.
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Abb. 6 zeigt noch eine andere Abänderung. Abb. 7 ist ein Schnitt in
der Ebene 7-7 der Abb. 6.
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Abb.8 ist eine weitere Teilansicht einer anderen Ausführungsform im
Schnitt. .
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Abb. 9 ist eine schaubildliche Darstellung des in Abb. 8 sichtbaren
Endes der Welle i i. Abb. io und ii zeigen weitere Abänderungen. . Abb. 12 ist ein
Schnitt in der Ebene iz-i2 der Abb. i i, und Abb. 13 zeigt weitere- Abänderungen.
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Die Abb.14 bis 16 zeigen eine weitere Ausführungsform.
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In allen Abbildungen sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen
versehen.
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In Abb. i bezeichnet i die Maschine mit den Zylindern 2, die gleichmäßig
und gleichachsig um eine mittlere Kammer 3 verteilt sind. Die Zylinder i haben einen
gemeinsamen Decke14. Auf der anderen Seite ist das Zylindergehäuse i mit einem Gehäuse
5 durch Bolzen und Muttern verbunden. Die Kolben 6 greifen mittels Kolbenstangen
7 mit kugeligen Enden an die Taumelscheibe 8 an. Diese läuft auf dem Taumelzapfen
9 vorzugsweise mit Kugellagern. Der Taumelzapfen 9 sitzt an der rasch laufenden
Welle i i, entweder mit ihr verbunden oder aus einem Stück. Die Welle i i ruht in
der Kammer 3 in Lagern 12, vorzugsweise Kugellagern. Der Mittelpunkt der Achse des
Taumelzapfens 9 liegt in der Verlängerung der Achsenlinie der Welle i i, und dieser
Schnittpunkt ist der Scheitelpunkt der Verzahnungen. Die Taumelscheibe 8 ist auf
ihrem Rücken mit Zähnen 13 versehen, die nacheinander in einen festen im Gehäuse
5 zentrisch zu den Wellen i i und 17 liegenden Zahnring 14 greifen. Die Anzahl der
Zähne 13 und 14 stimmt überein, so daß die Taümelscheibe nur eine Schwingbewegung
ausführen, sich aber nicht drehen kann; dagegen dreht sich der Taumelzapfen 9.
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Die Taumelscheibe 8 hat außer dem Zahnkranz 13 noch einen Zahnkranz
15, der mit einem auf der Welle 17 sitzenden Kegelrade 16 in Eingriff steht. Die
Welle 17 ruht in Kugellagern 18.
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Da die Taumelscheibe 8 sich nicht dreht, können die Kolben 6 unmittelbar
mittels ihrer Kolbenstangen 7 an sie angeschlossen werden, wobei die Reibung bedeutend
geringer ist; als wenn sich in einer gedrehten Taumelscheibe Gleitplatten o. dgl.
befinden. Der von den Kolben und Stangen ausgeübte Längsdruck wird -von einem Drucklager
i9 aufgenommen, das sich zwischen den Kugellagern 18 in einem besonderen Zwischenstück
2o befindet. Damit der Druck, dem die Taumelscheibe ausgesetzt ist, sicher auf das
Drucklager i9 übertragen und damit die Taumelscheibe selber sicher gelagert wird,
ist das innere Ende der Welle 17 verstärkt und mit einer kugeligen Aussparung 2i
versehen, in welche ein entsprechend gestaltetes Mittelstück der Tauinelscheibe
greift. Der Krümmungsradius .der beiden Kugelflächen geht auch hier wieder von dem
schon mehrfach genannten Scheitelpunkt in der Mitte des Taumelzapfens 9 aus.
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Die in den Abb. i bis 3 gezeigte Maschine ist zum Betrieb mittels
Dampfes, Druckluft oder Druckwassers bestimmt. Zum Steuern des Betriebsmittels ist
ein Rundschieber 24 vorgesehen, der auf einer die Welle i i umgebenden Hülse 25
in dem Zylinder 26 sitzt, auf der er verschoben werden kann. Der Eintritt in den
Zylinder 2 erfolgt durch Kanäle 27, 28, der radiale Verteilungskanal29 *des Schiebers
24 erhält das Betriebsmittel durch den Rohrstutzen 31. In dem Schieber 24 befindet
sich ferner ein Auslaßkanal 33, der die Verbindung mit der Auslaßöffnung 34. (Abb.3)
in dem ringförmigen- Raum 35 zwischen der Wand 26 und dem Rohrstutzen 31 herstellt.
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Der Drehschieber 24 kann auch mit zwei Einlaßkanälen und zwei Auslaßkanälen
versehen sein, so daß bei Benutzung des einen Kanalpaares die Welle 17 in der einen
Richtung und bei Benutzung deg anderen Kanalpaares in der anderen Richtung gedreht
wird.
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Hierzu muß dann aber auch der Schieber 24 axial verschoben werden
können, wozu bei Abb. i der doppelarmige Hebel 37 und das Handrad 36 vorgesehen
ist. Die in Abb.4 gezeigte Ausführung einer doppelt wirkenden Verbrennungskraftmaschine
ist doppelseitig gleichartig gebaut, und es ist auf jeder Seite eine Taumelscheibe
der oben geschilderten Art vorgesehen.
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Da die einander gegenüberliegenden Kolben auf den beiden Maschinenseiten
sich stets entgegengesetzt zueinander bewegen, so ist die Maschine ausbalanciert.
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Zu jedem Zylinderpaar gehört eine gemeinsame Verbrennungskammer 40,
die mit einem Einlaßventil 41 und einem Auslaßventil 42 versehen ist. Die Ventile
41 und 42 werden von Daumenscheiben 43 aus bewegt, welche sich auf einer auf der
Welle i i: drehbaren Hülse-befinden, die durch ein Getriebe 44 mit der halben Geschwindigkeit
der Welle i i gedreht wird.
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Die Abb. 5 und 6 zeigen zwei verschiedene abgeänderte Ausführungsformen
der Taumelscheibe, die sich hier nicht an einer Seite der
Maschine,
sondern in der Mitte derselben befinden. Diese Maschinen sind ebenfalls doppelt
wirkend wie in Abb. 4. Die Kolbenstangen der einander gegenüberliegenden Zylinder
sind miteinander verbunden, wie dies in Abb. 5 nur im oberen Teil und in Abb. 6
oben und unten gezeigt ist, wo 48 die Kolbenstangen bezeichnet.
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Bei der in Abb. , dargestellten Ausführungsform geht die Welle 17,
die auch hier eine langsam laufende ist, durch die Mitte der Taumelscheibe hindurch,
und sie kann entweder nur an einem Ende der Maschine hinausragen oder an beiden
Enden, je nachdem ob die Kraft einseitig oder doppelseitig übertragen werden soll.
Die Taumelscheibe besteht hier aus zwei aufeinanderliegenden Scheiben 51, welche
beide von einem Ring 49 umfaßt werden. Jede Scheibe 51 ist außen mit einem Zahnkranz
13 versehen, und jeder arbeitet mit einem entsprechend geformten festen Zahnkranz
14 am Maschinengestell i zusammen. Die Anzahl der Zähne der Zahnkränze 13 und 14
ist dieselbe, aber eine andere als bei den Zähnen der Zahnkränze 15 und 16. Die
Zähne 15 sitzen ebenfalls an den Scheiben 51 und die Zähne 16 an zwei Kegelrädern,
die wie in den Abb. i und 4 in der Mitte kugelig ausgehöhlt sind, um hier die Nabe
der zugehörigen Scheiben 51 aufzunehmen. In der Mitte der Taumelscheibe, und zwar
zwischen den Naben der Scheiben 51, sitzt ein kugelförmiger Lagerkörper 52, auf
dem die Taumelscheibe taumeln kann. Die Naben 53 der Scheiben 51 sind dem Lagerkörper
52 entsprechend ausgeführt, wie dies Abb.5 deutlich erkennen läßt. Die beiderseitigen
Kolbenstangen 48 sind mittels eines Führungskörpers 54 vereinigt, in dem ein Schieber
55 auf und nieder gehen kann. Dieser hat eine kugelige Aussparung 55, in welche
ein entsprechend gestalteter Arm 56 greift, der an dem Ring 4.9 befestigt ist. Die
die Taumelscheibe bildenden beiden Scheiben 51 sind nicht starr miteinander vereinigt,
so daß sie sich von selbst richtig zueinander einstellen können. Daher ist es nicht
nötig, daß die Zahnkränze 14 einander genau gegenüberliegen, vielmehr können unbedenklich
gewisse Abweichungen vorhanden sein, was das Arbeiten der Maschine nicht stört.
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Auch zu der in Abb.6 gezeigten Ausführungsform gehören einander gegenüberliegende
Zylinder, welche in der bereits mit Bezug auf Abb. 5 beschriebenen Weise miteinander
vereinigt sind. Bei dieser Ausführungsform ist der Zapfen 7 mit einem Taumelkörper
9 versehen, dessen Mittelpunkt in der Mittellinie der Welle 7 liegt. Er trägt mit
Kugellagern io die einteilige TaumelscheibeB. Die Scheibe bildet Nuten 57, die je
in ihrem Boden einen Zahnkranz 13 enthalten. Mit diesen Zahnkränzen =zusammen arbeiten
zwei Kegelräder 14 von ungleicher Größe, und zwar arbeitet der. Zahnkranz des größeren
Kronrades mit dem äußeren Zahnkranz 13 der Taumelscheibe und der Zahnkranz des kleineren
Kegelrades mit dem inneren Zahnkranz der Taumelscheibe zusammen. Innerhalb des mit
dem kleineren Kegelrad zusammenarbeitenden Zahnkranzes ist die Taumelscheibe noch
mit zwei gleich großen Zahnkränzen 15 versehen, die sich auf den beiden Seiten der
Scheibe befinden und je mit einem Zahnrade 16 zusammenarbeiten, welche auf der Welle
7 befestigt sind. Die Anzahl der Zähne der Zahnkränze 16- ist verschieden -von der
der Zahnkränze 15, so daß die Welle 7 dementsprechend mit anderer Geschwindigkeit
gedreht werden kann. Damit die Kegelräder 14 am Mitdrehen verhindert werden, gehen
von ihnen radiale Atme 59 (Abb. 7) aus, welche an den Naben 14 dieser Räder befestigt
sind und durch das Gehäuse 5 nach außen ragen, wo sie mit den entgegengesetzten
Enden eines Doppelarmes 6o verbunden sind. Dieser ist um einen Zapfen drehbar. Die
Arme 59 sind etwas nachgiebig, so daß sich die beiden Kegelräder 14 gegenseitig
richtig einstellen können.
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In den Abb. 8 und 9 ist eine andere Ausführungsform des Taumelzapfens
dargestellt, der aber trotzdem im wesentlichen in derselben Weise arbeitet wie die
Taumelzapfen der Abb. i und,4. Es ist hier gewissermaßen ein geteilter Taumelzapfen
vorhanden, der zwei Exzenter 61 hat, die beide auf der Welle i i festsitzen und
je mit einem Kugellager 62 versehen sind. Diese liegen in einer entsprechend verbreiterten
Nabe 63 der Taumelscheibe B. Die zusammenarbeitenden Teile der Kugellager und der
Lagerschalen sind kreisbogenförmig gekrümmt, und der Krümmungsradius geht von dem
in der Achslinie der Welle gelegenen Mittelpunkt aus, wohingegen der Mittelpunkt
für die Taumelbewegung der Taumelscheibe in der Mitte zwischen den anderen beiden
Mittelpunkten, also denen der soeben genannten Lager, sich befinden. Das Zusammenarbeiten
der Taumelscheibe mit den Kolbenstangen 7 ist im wesentlichen dasselbe wie bei den
bereits behandelten Ausführungsformen.
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In den in Abb. io bis 13 gezeigten Ausführungsformen wird die Taumelscheibe
von einem in dem Gehäuse 5 sitzenden Ring 64 umgeben. Die Lagerung der Taumelscheibe
ist im wesentlichen wie in Abb. 6 ausgeführt, aber während dort die Welle 7 nach
beiden Seiten hindurchgeht, ist in der Abb. io die Steuerwelle i i die durchgehende-;
umgeben ist sie auf beiden Seiten der Maschine von
getriebenen Hohlwellen
17, die mit den Zahnkränzen 16 zusammenhängen. Die Taumelscheibe ist an zwei entgegengesetzt
zueinander gelegenen Enden mit Bolzen 65 versehen, welche in dem Ring 64 gelagert
sind, und dieser Ring selbst ist in dem Gehäuse 5 um Stifte 66 drehbar, so daß diese
Teile zusammen eine Art von Universalgelenk bilden. Wenn nun die Kolbenstangen auf
die Taumelscheibe wirken und diese Teile in der bereits beschriebenen Weise zusammenarbeiten,
so folgt daraus die Bewegung des Taumelzapfens 9, von dem aus die Steuerwelle ii
gedreht wird, wohingegen der Zahnkranz 15 der Taumelscheibe auf den Zahnkranz 16
der Welle 17 wirkt, diese also dreht. Abb. 13 zeigt eine Ausführungsform, bei der
der Taumelzapfen aus einer geneigten Welle g und einem zentrisch zu ihr gelegenen
Kugelzapfen 67 besteht, bei dem der Mittelpunkt des kugeligen Teils in der gemeinsamen
Achslinie der Wellen i i und 17 liegt. Die Scheibe 9 liegt einem nabenartigen Ansatz
der Taumelscheibe 8 an, und die Kugel 67 greift in eine entsprechende Aushöhlung
der Taumelscheibe, deren mittlerer Teil in der bereits behandelten Weise in der
Richtung zur Welle 17 kugelig gestaltet ist. Das Zusammenarbeiten der Teile ist
im übrigen dasselbe, wie es mit Bezug auf die anderen Abbildungen erklärt worden
ist.
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Zum Schluß ist in den Abb. 14 bis 16 eine Ausführungsform veranschaulicht,
bei der der Zahnring 15 der Taumelscheibe 8 eine geringere Anzahl von Zähnen hat
als der Zahnring 16, der an der Welle 17 sitzt. Die Zähne 16 befinden sich an der
Innenseite des Randes der kegeligen Scheibe, wohingegen die Zähne 15 an der den
Zähnen 16 gegenüberliegenden Randseite der Taumelscheibe angeordnet sind. Es ist
dies eine Umkehrung der anderen Ausführungen. -Die Arbeitsweise dieser Umkehrung
läßt sich zunächst an Hand der Abb. 14 verstehen. In dieser bezeichnet A den Zahnring
15 und B den Zahnring 16. Die radialen Linien von A stellen die Mittenlinien der
zu A gehörenden Zähne dar, und die radialen. Linien von B sind die Mittenlinien
der Zähne, die zu B gehören. Wo die Zahnringe ineinandergreifen oder die Zahnradkränze
einander berühren, da fallen die Mittenlinien zusammen wie im obersten Teil der
Abb. 14.
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In dem dargestellten Beispiel ist der Ring A mit i i Zähnen
und- der Ring B mit 12 Zähnen versehen.
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Der innere kleine Kreis C, der konzentrisch mit dem Kreis B liegt,
ist der Mittenkreis der Teilung des Rings A (Zahnkranz 15, Abb.15). Nimmt man nun
an, daß dem Zahnring A Taumelbewegung oder Wellenbewegung in der Richtung des Pfeils
A' erteilt wird, so bemerkt man, daß, damit die Zähne von A und
B richtig miteinander kämmen, das Rad B (Zahnring 16, Abb. 15) um einen Winkel
in derselben Richtung verschoben werden muß, wie es der Pfeil B' angibt, und daß,
wenn der Ring A eine vollständige Umdrehung gemacht hat, der Ring B um eine Weglänge
verschoben worden ist, die der Zahnteilung auf ihm entspricht. Das ergibt eine Minderung
im Verhältnis von 12 zu i.
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Wird weiter angenommen, daß der Ring B, anstatt den Zahnkranz 16 darzustellen,
wie es im vorstehenden geschehen war, nunmehr den Zahnkranz 15 der Taumelscheibe
8 darstellt, und daß der Ring A den Zahnkranz 16 der Triebwelle 17 bildet, so erkennt
man, daß, wenn dem Ring B eine Schwingbewegung in der Richtung des Pfeils B' gegeben
wird, der Ring A in umgekehrter Richtung kreisen muß, damit die Zähne des einen
der beiden Teile in passende Lage zu den Räumen zwischen den Zähnen des anderen
Teils, und umgekehrt, gelangen. Dies ergibt dann eine Minderung im Verhältnis von
i i zu i.
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In Abb. 16 ist schematisch der Fall veranschaulicht, wo das Verhältnis
der Anzahl der Zähne im Kranz 16 zu der Anzahl der Zähne im Kreis 15 kleiner als
i ist (erster Fall), wie bei den Ausführungen in den Abb. i bis 4. Der zweite Fall
ist der, wo das Verhältnis i ist, wie bei den Getriebeteilen 13 und 14 in den anderen
Abbildungen (abgesehen von 14 bis 16), und in diesen letztgenannten Abbildungen
(14 bis 16) ist der dritte Fall dargestellt, bei dem das genannte Verhältnis größer
als i ist. In Abb. 16 bezeichnen a, b und c die Anordnung der Teilkreiskegel
in den angegebenen drei Fällen. d, e und f sind die Winkel dieser
Teilkreiskegel mit Bezug zur Mittenlinie 17a der Welle 17. Schließlich bezeichnen
g, h und j die Winkel der Teilkreiskegel mit Bezug zur Mittenlinie 8a der Taumelscheibe
B.
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Man erkennt aus der Abb. 16, daß der Zahnring mit dem kleineren Teilkreiskegel
notwendigerweise die kleinere Zähneanzahl haben muß, wenn die Zähne der beiden gegenüberstehenden
Kränze miteinander kämmen sollen. Hierin liegt die Erklärung für die Umkehrung,
die bei dem Rad 16 vorgenommen worden ist, nämlich von im wesentlichen konvexer
Gestalt zu im wesentlichen konkaver Gestalt, wozu auch die entsprechende Umkehrung
der Form des Zahnringes 15 gehört.
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Es ist oben bereits gesagt worden, daß der Erfindungsgegenstand sowohl
als Maschine wie auch als Pumpe und Kompressor arbeiten kann. Auch wäre die Maschine
zum Schiffsantrieb geeignet, weil die Welle 17 mit
angemessenes
Umdrehungszahl betrieben werden kann, so daß besondere Übersetzungsgetriebe nicht
erforderlich sind. Hiermit wird an Anlagekosten und Betriebskosten gespart.