DE60027572T2

DE60027572T2 - Kolbenmaschinenzusammenbauten und zugehöriges verfahren

Info

Publication number: DE60027572T2
Application number: DE60027572T
Authority: DE
Inventors: A. Robert Denton SANDERSON
Original assignee: R Sanderson Management Inc
Current assignee: R Sanderson Management Inc
Priority date: 1999-08-05
Filing date: 2000-08-03
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2020-08-04
Also published as: JP2003510495A; CA2381283C; EP1200734B1; CA2381283A1; WO2001011237A9; ATE324523T1; AU6399100A; WO2001011237A1; BR0013021A; DE60027572D1; EP1200734A1

Description

Die Erfindung betrifft Kolbenanordnungen. Insbesondere betrifft sie Vorrichtungen und Verfahren zum Variieren des Leistungsvolumens einer Kolbenanordnung mit wenigstens zwei Kolben.
Die meisten kolbenbetriebenen Maschinen besitzen Kolben, die an versetzten Abschnitten einer Kurbelwelle so befestigt sind, dass sich, wenn die Kolben in einer Hin- und Herrichtung quer zu der Achse der Kurbelwelle bewegt werden, die Kurbelwelle dreht.
Das U.S. Patent 5,535,709 definiert eine Maschine mit einem doppelendigen Kolben, der an einer Kurbelwelle mit einem versetzten Abschnitt befestigt ist. Ein zwischen dem Kolben und der Kurbelwelle angebrachter Hebel wird in einem Hebeldrehpunktregler festgehalten, um die Rotationsbewegung der Kurbelwelle zu erzeugen.
Das U.S. Patent 4,011,842 definiert eine Vierzylinder-Kolbenmaschine, welche zwei doppelendige Kolben verwendet, die mit einem T-förmigen Verbindungselement verbunden sind, welches eine Rotation einer Kurbelwelle bewirkt. Das T-förmige Verbindungselement ist an jedem T-Querarm mit einem doppelendigen Kolben verbunden. Ein zentral angeordneter Punkt auf dem T-Querarm ist drehbar an einem festen Punkt angebracht und das untere Teil des T ist an einem Kurbelwellenzapfen angebracht, welcher mit der Kurbelwelle über eine Kur belwellenkröpfung verbunden ist, welche ein Ausbalancierungselement enthält.
In jedem von den vorstehenden Beispielen werden doppelendige Kolben verwendet, um eine Kurbelwelle anzutreiben, welche eine Achse quer zu der Achse der Kolben besitzt. Das Dokument DE 2 346 836 offenbart eine einstellbare Anordnung für eine Kolbenpumpe, welche ein gezahntes bogenförmiges Teil enthält, das mit einer hohlen Stange durch ein Zahnrad hindurch verbunden ist.
Unsere Internationale Patentschrift Nr. WO99/14471 offenbart eine Kolbenanordnung mit variabler Kompression, die mehrere Kolben mit einem damit gekoppelten Übergangsarm aufweist. Ein Rotationselement ist so gekoppelt, dass es ein Element des Übergangsarms antreibt und für eine Gleitbewegung entlang einer Achse des Antriebselementes konfiguriert ist. Die Bewegung des Rotationselementes in Bezug auf das Antriebselement ändert das Kompressionsverhältnis der Kolbenanordnung.
Die vorliegende Erfindung ist auf eine Vorrichtung zur Veränderung des Leistungsvolumens einer Kolbenanordnung mit wenigstens zwei Kolben ausgerichtet, wobei die Vorrichtung einen Übergangsarm aufweist, der mit jedem Kolben gekoppelt ist und einen Nasenstift enthält; und ein drehbares Element, das mit dem Nasenstift des Übergangsarms gekoppelt ist. Gemäß der Erfindung definiert das drehbare Element einen bogenförmigen Kanal mit dem daran entlang lokalisierten Nasenstift, wobei die radiale Position des Nasenstiftes in Bezug auf die Rotationsachse des drehbaren Elementes einstellbar ist, während das drehbare Element axial stationär bleibt. Die Kolben bestehen typischerweise aus einendigen Kolben mit einem Kolben an einem Ende und einer Führungsstange am gegenüberliegenden Ende.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung enthalten einen Lagerbock, der zum Gleiten innerhalb des bogenförmigen Kanals konfiguriert ist. Der Kanal ist normalerweise so geformt, dass der Lagerbock entlang eines Kreisumfangs gleitet. Ein Lager kann in dem Lagerbock montiert sein, um den Nasenstift aufzunehmen, und der Lagerbock kann Zahnradzähne enthalten. Im Betrieb dieser Anordnung kann ein Antriebszahnrad mit den Lagerbockzahnradzähnen in Eingriff stehen, um ein Gleiten des Lagerbockes innerhalb des Kanals zu betätigen.
Das drehbare Element kann auch dafür konfiguriert sein, den Kolben bis zu einen Null-Hub zu variieren. Anordnungen der Erfindung können auch gleich hohe Drehmomentlasten wie ein Mechanismus mit festgelegtem Hub handhaben.
Die Erfindung ist auch auf ein Verfahren zum Variieren des Leistungsvolumens einer Kolbenanordnung ausgerichtet, die mindestens zwei Kolben und einen mit jedem Kolben gekoppelten Übergangsarm enthält, wobei der Übergangsarm einen Nasenstift enthält, und ein drehbar bewegliches Element mit dem Nasenstift des Übergangsarms gekoppelt ist. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung definiert das drehbar bewegliche Element einen bogenförmigen Kanal, wobei das Verfahren das Bewegen des Nasenstiftes entlang des bogenförmigen Kanals in Bezug auf die Rotationsachse des drehbar beweglichen Elementes umfasst, während das drehbar bewegliche Element axial stationär bleibt, um das Leistungsvolumen der Kolbenanordnung zu variieren.
Vorteile der Erfindung können eines oder mehrere der nachstehenden Merkmale umfassen. Eine doppelendige Kolben verwendende hydraulische Pumpe wird offenbart, in welcher nur eine Ventilplatte erforderlich ist, um eine Fluidverbindung zu beiden Enden der Kolben bereitzustellen. Es wird eine Kolbenanordnung offenbart, welche eine Ausgangsleistungsvolumen einstellung bis zu einem Null-Hub aufweist, während die Fähigkeit erhalten bleibt, hohe Drehmomentlasten zu handhaben.
Verschiedene Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung von Kolbenanordnungen und deren Merkmalen ersichtlich. Es wird Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen (1–53 sind lediglich Beispiele zur Veranschaulichung).
In den Zeichnungen sind:
1 und 2 Seitenansichten einer vereinfachten Darstellung einer Vierzylinder-Maschine vom Typ wie in der internationalen Patentschrift Nr. WO 99/14471;
3, 4, 5 und 6 Draufsichten auf die Maschine von 1, welche die Kolben und das Schwungrad in vier unterschiedlichen Positionen darstellen;
7 eine Draufsicht, teilweise im Querschnitt, auf eine Achtzylinder-Maschine;
8 eine Seitenansicht im Querschnitt der Maschine von 7;
9 eine rechte Endansicht von 7;
10 eine Seitenansicht von 7;
11 eine linke Endansicht von 7;
12 eine Teildraufsicht auf die Maschine von 7, welche die Kolben, das Antriebselement und Schwungrad in einer Position bei hoher Kompression darstellt;
13 eine Teildraufsicht auf die Maschine von 7, welche die Kolben, das Antriebselement und Schwungrad in einer Position bei niedriger Kompression darstellt;
14 eine Draufsicht auf einen Kolben;
15 eine Seitenansicht eines Kolbens, welche das Antriebselement in zwei Positionen darstellt;
16 eine Darstellung der Lagerschnittstelle des Antriebselementes und des Kolbens;
17 ein Beispiel einer luftbetriebenen Maschine/Pumpe;
18 das Luftventil in einer ersten Position;
18a, 18b und 18c Querschnittsansichten von drei Querschnitten des in 18 dargestellten Luftventils;
19 eine Darstellung des Luftventils in einer zweiten Position;
19a, 19b und 19c Querschnittsansichten von drei Querschnitten des in 19 dargestellten Luftventils;
20 ein Beispiel mit geneigten Zylindern;
21 ein Beispiel mit einendigen Kolben;
22 eine Draufsicht auf eine Zweizylinder-, Doppelendenkolben-Anordnung;
23 eine Draufsicht auf einen von doppelendigen Kolben der Anordnung von 22;
23a eine Seitenansicht des doppelendigen Kolbens von 23, entlang Linien 23A, 23A;
24 eine Draufsicht auf einen Übertragungsarm oder Übergangsarm und ein Kardangelenk der Kolbenanordnung von 22;
24a ist eine Seitenansicht des Übertragungsarms oder Übergangsarm und des Kardangelenks von 24 entlang der Linien 24a, 24a;
25 eine perspektivische Ansicht eines Antriebsarms, der mit dem Übertragungsarm der Kolbenanordnung von 22 verbunden ist;
25a eine Endansicht eines drehbaren Elementes der Kolbenanordnung von 22, entlang Linien 25a, 25a von 22, und welche die Verbindung des Antriebsarms mit dem drehbaren Element darstellt;
25b eine Seitenansicht des drehbaren Elementes entlang Linien 25b, 25b von 25a;
26 eine Querschnitts-Draufsicht der Kolbenanordnung von 22;
27 eine Endansicht des Übertragungsarms entlang Linien 27, 27 von 24;
27a eine Querschnittsansicht eines Antriebsbolzens der Kolbenanordnung von 22;
28–28b Drauf-, Rück- und Seitenansichten der Kolbenanordnung von 22;
28c eine Draufsicht auf eine Hilfswelle der Kolbenanordnung von 22;
29 eine Querschnittsseitenansicht einer Null-Hub-Kupplung;
29a eine Explosionsansicht der Null-Hub-Kupplung von 29;
30 eine graphische Darstellung, welche die Figur-8-Bewegung einer nicht flachen Kolbenanordnung darstellt;
31 einen verstärkten Antriebsbolzen;
32 eine Draufsicht auf einen Vierzylindermotor zum direkten Aufbringen von Verbrennungsdrücken auf Pumpenkolben;
32a eine Endansicht der Vierzylindermaschine entlang Linien 32a, 32a von 32;
33 eine Querschnittsdraufsicht auf ein Beispiel einer Anordnung mit variablem Hub, dargestellt in einer Position mit maximalem Hub;
34 eine Querschnittsdraufsicht des Beispiels von 33, dargestellt in einer Position mit minimalem Hub;
35 eine Teilquerschnittsdraufsicht eines Beispiels eines Gelenkes für doppelendige Kolben;
35A eine Endansicht und 35B eine Seitenansicht des Gelenkes für doppelendige Kolben von 35 entlang Linien 35A, 35A und 35B, 35B;
36 eine Teilquerschnittsdraufsicht des Gelenkes für doppelendige Kolben von 35, dargestellt in einer gedrehten Position;
37 eine Seitenansicht eines Beispiels des Gelenks von 35;
38 eine Draufsicht auf eine Motor/Kompressor-Anordnung;
38A eine Endansicht und 38B eine Seitenansicht der Motor/Kompressor-Anordnung, entlang Linien 38A, 38A bzw. 38B, 38B von 38;
39 eine perspektivische Ansicht einer Kolbenmaschinenanordnung mit Ausbalancierung;
40 eine perspektivische Ansicht der Kolbenmaschinenanordnung von 39 in einer zweiten Position;
41 eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Kolbenmaschinenanordnung mit Ausgleichsgewichtsanordnung;
42 eine perspektivische Ansicht der Kolbenmaschinenanordnung von 41 in einer zweiten Position.
43 eine perspektivische Ansicht eines zusätzlichen Beispiels einer Kolbenmaschinenanordnung mit Ausbalancierung;
44 eine perspektivische Ansicht der Kolbenmaschinenanordnung von 43 in einer zweiten Position;
45 eine perspektivische Ansicht eines zusätzlichen Beispiels einer Kolbenmaschinenanordnung mit Ausbalancierung;
46 eine perspektivische Ansicht einer Kolbenmaschinenanordnung von 45 in einer zweiten Position;
47 eine Ansicht, die die Kopplung eines Übergangsarms mit einem Schwungrad darstellt;
48 eine Seitenansicht einer alternativen Kopplung des Übergangsarms mit dem Schwungrad;
49 eine Seitenansicht einer zusätzlichen alternativen Kopplung des Übergangsarms mit dem Schwungrad;
50 eine Querschnittsansicht einer hydraulischen Pumpe;
51 eine Endansicht eines Flächenventils der hydraulischen Pumpe von 50;
52 eine Querschnittsansicht der hydraulischen Pumpe von 30 entlang Linien 52-52;
53 eine Endansicht einer Flächenplatte der hydraulischen Pumpe von 50;
54 eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht einer Kolbenanordnung mit variabler Kompression gemäß der vorliegenden Erfindung; und
55 eine Querschnittsseitenansicht der Kolbenanordnung von 54 entlang Linien 55-55.
1 ist eine bildliche Darstellung einer Vierkolbenmaschine 10. Die Maschine 10 besitzt zwei Zylinder 11 (3) und 12. Jeder Zylinder 11 und 12 beherbergt einen doppelendigen Kolben. Jeder doppelendige Kolben ist mit einem Übertragungsarm 13 verbunden, welcher mit einem Schwungrad 15 über eine Welle 14 verbunden ist. Der Übertragungsarm oder Übergangsarm 13 ist mit einem Träger 19 über einen Kardangelenkmechanismus, welcher eine Welle 18 enthält, welche dem Übertragungsarm 13 eine Aufwärts- und Abwärtsbewegung ermöglicht, und über eine Welle 17, welche dem Übertragungsarm 13 eine seitliche Bewegung ermöglicht, verbunden. 1 stellt ein Schwungrad 15 in einer Position mit der Welle 14 an der Oberseite des Schwungrades 15 dar.
2 stellt die Maschine 10 mit dem Schwungrad 15 so gedreht dar, dass die Welle 14 sich auf der Unterseite des Schwungrades 15 befindet. Der Übertragungsarm 13 ist auf der Welle 18 nach unten geschwenkt.
3 bis 6 stellen eine Draufsicht auf die bildliche Darstellung dar, welche den Übertragungsarm oder Übergangsarm 13 in vier Positionen und die das Schwungrad 15 bewegende Welle in Schritten von 90° zeigt. 3 stellt das Schwungrad 15 mit der Welle 14 in der Position gemäß Darstellung in 3a dar. Wenn der Kolben 1 zündet und sich zu der Mitte des Zylinders 11 hin bewegt, schwenkt der Übertragungsarm 13 auf dem Kardangelenk 16, was das Schwungrad 15 in die in 2 dargestellte Position dreht. Die Welle 14 befindet sich in der in 4a dargestellten Position. Wenn der Kolben 4 gezündet wird, bewegt sich der Übertragungsarm 13 in die in 5 dargestellte Position. Das Schwungrad 15 und die Welle 14 befinden sich in der in 5a dargestellten Position. Anschließend zündet der Kolben 2 und der Übertragungsarm 13 wird in die in 6 dargestellte Position bewegt. Das Schwungrad 15 und die Welle 14 befinden sich in der in 6a dargestellten Position. Wenn der Kolben 3 gezündet wird, kehren der Übertragungsarm 13 und das Schwungrad 15 in die Ausgangsposition zurück, die in den 3 und 3a dargestellt ist.
Wenn die Kolben zünden, wird der Übertragungsarm mit der Bewegung der Kolben vorwärts und rückwärts bewegt. Da der Übertragungsarm 13 mit dem Kardangelenk 16 und dem Schwungrad 15 über die Welle 14 verbunden ist, dreht sich das Schwungrad 15, wobei es die lineare Bewegung der Kolben in eine Rotationsbewegung umwandelt.
7 stellt (teilweise im Querschnitt) eine Draufsicht auf ein Beispiel einer Maschine 30 mit vier doppelendigen Kolben und acht Zylindern dar. Es sind tatsächlich nur vier Zylinder vorhanden, jedoch mit einem doppelendigen Kolben in jedem Zylinder ist die Maschine einer Achtzylindermaschine gleichwertig. Zwei Zylinder 31 und 46 sind dargestellt. Der Zylinder 31 besitzt doppelendige Kolben 32, 33 mit Kolbenringen 32a bzw. 33a. Die Kolben 32, 33 sind mit einem Übertragungsarm 60 (8) über einen Kolbenarm 54a verbunden, welcher sich in eine Öffnung 55a im Kolben 32, 33 und ein Gleitlager 55 erstreckt. Ähnlich ist der Kolben 47, 49 im Zylinder 46 über einen Kolbenarm 54b mit dem Übertragungsarm 60 verbunden.
Jedes Ende des Zylinders 31 besitzt von Kipphebelarmen gesteuerte Einlass- und Auslassventile und eine Zündkerze. Das Kolbenende 32 besitzt Kipphebelarme 35a und 35b und eine Zündkerze 44, und das Kolbenende 33 besitzt Kipphebelarme 34a und 34b und eine Zündkerze 41. Jedem Kolben ist ein Satz von Ventilen, Kipphebelarmen und eine Zündkerze zugeordnet. Der Zeittakt für das Zünden der Zündkerzen und das Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile wird von einem Steuerriemen 51 geregelt, welcher mit einer Riemenscheibe 50a verbunden ist. Die Riemenscheibe 50a ist an einem Zahnrad 64 über eine Welle 63 (8) befestigt, welche von einer von dem Schwungrad 69 angetriebenen Ausgangswelle 53 gedreht wird. Der Riemen 50a dreht auch die Riemenscheibe 50b und das mit einem Verteiler 38 verbundene Zahnrad 39. Das Zahnrad 39 dreht auch das Zahnrad 40. Die Zahnräder 39 und 40 sind an einer Nockenwelle 75 befestigt (8), welche wiederum Stößelstangen antreibt, die an den Kipphebelarmen 34, 35 und weiteren nicht dargestellten Kipphebelarmen angebracht sind.
Auslasssammler 48 und 56 sind wie dargestellt an den Zylindern 46 bzw. 31 angebracht. Jeder Auslasssammler ist an vier Auslassöffnungen angeschlossen.
8 ist eine Seitenansicht der Maschine 30, wobei eine Seite entfernt ist, und verläuft entlang des Schnittes 8-8 von 7. Der Übertragungsarm 60 ist auf einem Träger 70 durch einen Bolzen 72 befestigt, welcher (wie in 8 zu sehen) eine Aufwärts- und Abwärtsbewegung ermöglicht, und mittels eines Bolzens 71, welcher eine seitliche Bewegung des Übertragungsarmes 60 ermöglicht. Da sich der Übertragungsarm nach oben und unten bewegen kann, während er sich gleichzeitig seitlich bewegt, kann dann die Welle 61 das Schwungrad 69 in einem kreisförmigen Pfad antreiben. Die vier verbindenden Kolbenarme (Kolbenarme 54b und 54d sind in 8 dargestellt) werden von den vier doppelendigen Kolben in einer Schwingungsbewegung um den Bolzen, 71 herum angetrieben. Das Ende der Welle 61 im Schwungrad 69 bewirkt, dass sich der Übertragungsarm aufwärts und abwärts bewegt, während sich die Verbindungsarme vorwärts und rückwärts bewegen. Das Schwungrad 69 besitzt Zahnradzähne 69a um eine Seite herum, welche zum Drehen des Schwungrades mit einem Startermotor 100 (11) verwendet werden können, um die Maschine zu starten.
Die Rotation des Schwungrades 69 und der damit verbundenen Antriebswelle 68 dreht das Zahnrad 65, welches wiederum die Zahnräder 64 und 66 dreht. Das Zahnrad 64 ist an der Welle 63 befestigt, welche die Riemenscheibe 50a dreht. Die Riemenscheibe 50a ist mit dem Riemen 51 verbunden. Der Riemen 51 dreht die Riemenscheibe 50b und die Zahnräder 39 und 40 (7). Eine Nockenwelle 75 besitzt Nocken 88–91 an dem einen Ende und Nocken 84–87 an dem anderen Ende. Die Nocken 88 und 90 betätigen Stößelstangen 76 bzw. 77. Die Nocken 89 und 91 betätigen Stößelstangen 93 bzw. 94. Die Nocken 84 und 86 betätigen Stößelstangen 95 bzw. 96 und die Nocken 85 und 87 betätigen Stößelstangen 78 bzw. 79. Die Stößelstangen 77, 76, 93, 94, 95, 96 und 78, 79 dienen zum Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile der Zylinder über den Kolben. Die linke Seite der Maschine, welche aufgeschnitten ist, enthält einen identischen, jedoch entgegengesetzten Ventilantriebsmechanismus.
Das von dem Zahnrad 65 auf der Antriebswelle 68 gedrehte Zahnrad 66 dreht die Pumpe 67, welche beispielsweise eine in dem (nicht dargestellten) Maschinenkühlsystem verwendete Wasserpumpe oder eine Ölpumpe sein kann.
9 ist eine Rückansicht der Maschine 30, welche die relativen Positionen der Zylinder und doppelendigen Kolben darstellt. Der Kolben 32, 33 ist in gestrichelten Linien mit den Ventilen 35c und 35d unter den Hebearmen 35a bzw. 35b angeordnet dargestellt. Der Riemen 51 und die Riemenscheibe 50b sind unter dem Verteiler 38 dargestellt. Der Übertragungsarm 60 und zwei, 54c und 54d, von den vier Kolbenarmen 54a, 54b, 54c und 54d sind in den Kolben 32–33, 32a–33a, 47–49 und 47a–49a dargestellt.
10 ist eine Seitenansicht der Maschine 30, welche den Auslasssammler 56, den Einlasssammler 56a und den Vergaser 56c darstellt. Die Riemenscheiben 50a und 50b mit dem Steuerriemen 51 sind ebenfalls dargestellt.
11 ist eine Vorderseitenansicht der Maschine 30, welche die relativen Positionen der Zylinder und doppelendigen Kolben 32–33, 32a–33a, 47–49 und 47a–49a darstellt, wobei die vier Kolbenarme 54a, 54b, 54c und 54d in den Kolben positioniert sind. Die Pumpe 67 ist unterhalb der Welle 53 dargestellt und die Riemenscheibe 50a und der Steuerriemen 51 sind auf der Oberseite der Maschine 30 dargestellt. Der Starter 100 ist mit einem Zahnrad 101 dargestellt, welches mit den Zahnradzähnen 69a auf dem Schwungrad 69 in Eingriff steht.
Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, dass das Kompressionsverhältnis der Maschine verändert werden kann, während die Maschine läuft. Das Ende des auf dem Schwungrad 69 befestigten Arms 61 wandert in einem Kreis an den Punkt, an welchem der Arm 61 in das Schwungrad 69 eintritt. Gemäß 13 befindet sich das Ende des Arms 61 in einer Gleitkugellager-Buchsenanordnung 81. Der Hub der Kolben wird von dem Arm 61 gesteuert. Der Arm 61 bildet einen Winkel von beispielsweise etwa 15° mit der Welle 53. Indem das Schwungrad 69 auf der Welle 53, in der Ansicht von 13, nach rechts oder links bewegt wird, kann der Winkel des Arms 61 verändert werden, was den Hub der Kolben verändert, was wiederum das Kompressionsverhältnis verändert. Die Position des Schwungrades 69 wird durch Verdrehen der Mutter 104 auf dem Gewinde 105 verändert. Die Mutter 104 ist auf der Welle 53 durch ein Gegenlager 106a verkeilt, welches durch einen Ring 106b in seiner Lage gehalten wird. In der in 12 dargestellten Posi tion hat sich das Schwungrad 69 nach rechts bewegt, was den Hub der Kolben verlängert.
12 stellt das Schwungrad nach rechts verschoben dar, was den Hub der Kolben vergrößert und dadurch ein höheres Kompressionsverhältnis bereitstellt. Die Mutter 105 ist nach rechts geschraubt, was die Welle 53 und das Schwungrad 69 nach rechts bewegt. Der Arm 61 erstreckt sich weiter in die Buchsenanordnung 80 und aus der Rückseite des Schwungrades 69 heraus.
13 stellt das Schwungrad nach links verschoben dar, was den Hub der Kolben reduziert und dadurch ein niedrigeres Kompressionsverhältnis ergibt. Die Mutter 105 ist nach links geschraubt, was die Welle 53 und das Schwungrad 69 nach links bewegt. Der Arm 61 erstreckt sich weniger weit in die Buchsenanordnung 80.
Die Kolbenarme auf dem Übertragungsarm sind in Gleitlager in einer Buchse im Kolben eingesetzt. 14 stellt einen doppelendigen Kolben 110 mit Kolbenringen 111 auf dem einen Ende des doppelendigen Kolbens und Kolbenringen 112 auf dem anderen Ende des doppelendigen Kolbens dar. Ein Schlitz 113 befindet sich in der Seite des Kolbens. Die Lage des Gleitlagers ist bei 114 dargestellt.
15 stellt einen Kolbenarm 116 dar, der sich in dem Kolben 110 durch den Schlitz 113 hindurch in das Gleitlager 117 in der Buchse 115 erstreckt. Der Kolbenarm 116 ist in einer zweiten Position bei 116a dargestellt. Die zwei Kolbenarme 116 und 116a zeigen die Bewegungsgrenzen des Kolbenarms 116 während des Betriebs des Motors.
16 stellt den Kolbenarm 116 in dem Gleitlager 117 dar. Das Gleitlager 117 befindet sich in dem Schwenkbolzen 115. Der Kolbenarm 116 kann sich frei in dem Gleitlager 117 drehen und die Anordnung des Kolbenarmes 116, das Gleitlager 117 und der Schwenkbolzen 115 und die Gleitlager 118a und 118b drehen sich in dem Kolben 110, und der Kolbenarm 116 kann axial innerhalb der Achse des Gleitlagers 117 bewegt werden, um die Linearbewegung des doppelendigen Kolbens 110 und die Bewegung eines Übertragungsarmes, an welchem der Kolbenarm 116 befestigt ist, zu ermöglichen.
17 stellt dar, wie die Vierzylindermaschine 10 in 1 als ein Luftmotor unter Verwendung eines Vier-Wege-Rotationsventils 123 auf der Ausgangswelle 122 konfiguriert sein kann. Jeder von den Zylindern 1, 2, 3 und 4 ist über Schläuche 131, 132, 133 bzw. 144 mit dem Rotationsventil 123 verbunden. Eine Lufteinlassöffnung 124 wird dazu verwendet, um Luft für den Betrieb der Maschine 120 zuzuführen. Luft wird sequentiell jedem der Kolben 1a, 2a, 3a und 4a zugeführt, um die Kolben in den Zylindern hin und her zu bewegen. Die Luft wird aus den Zylindern aus der Auslassöffnung 136 ausgegeben. Der an den Kolben über Verbindungsbolzen 127 und 128 angebrachte Übertragungsarm 126 wird, wie unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 beschrieben, bewegt, um das Schwungrad 129 und die Ausgangswelle 122 zu drehen.
18 ist eine Querschnittsansicht des Rotationsventils 123 in der Position, wenn Druckluft oder Gas an den Zylinder 1 über die Einlassöffnung 124, den ringförmigen Kanal 125, den Kanal 126, den Kanal 130 und den Luftschlauch 131 zugeführt wird. Das Rotationsventil 123 besteht aus einer Vielzahl von Kanälen in dem Gehäuse 123 und der Ausgangswelle 122. Die in den Zylinder 1 eintretende Druckluft bewirkt, dass sich die Kolben 1a, 3a (wie in 18 zu sehen) nach rechts bewegen. Die Abluft wird aus dem Zylinder 3 durch die Leitung 133 in die Kammer 134, durch die Leitung 135 hindurch und aus der Auslassöffnung 136 geführt.
18a, 18b und 18c sind Querschnittsansichten des Ventils 23, welche die Luftführungen des Ventils an drei Positionen entlang des Ventils 23 darstellen, wenn es, wie es in 18 dargestellt ist, positioniert ist.
19 stellt das Rotationsventil 123 um 180° gedreht dar, wenn Druckluft an den Zylinder 3 angelegt wird, was die Richtung des Kolbens 1a, 3a umkehrt. Druckluft wird an die Einlassöffnung 124, durch eine ringförmige Kammer 125, eine Leitung 126, die Kammer 134 und eine Luftleitung 133 hindurch an den Zylinder 3 angelegt. Dieses bewirkt wiederum, dass die Luft in dem Zylinder 1 durch die Leitung 131, die Kammer 130, die Leitung 135, die ringförmige Kammer 137 hindurch und aus der Auslassöffnung 136 ausgegeben wird. Die Welle 122 hat sich um 360° gegen den Uhrzeigersinn gedreht, wenn der Kolben 1a, 3a seinen Hub nach links beendet.
Es wurde nur der Kolben 1a, 3a dargestellt, um den Betrieb der Luftmaschine und des Ventils 123 in Bezug auf die Kolbenbewegung zu zeigen. Der Betrieb des Kolbens 2a, 4a ist in der Funktion identisch mit der Ausnahme, dass dessen 360°-Zyklus bei 90° Wellendrehung beginnt und sich bei 270° umkehrt und seinen Zyklus zurück bei 90° beendet. Ein Krafthub tritt bei jeder Rotation von 90° auf.
19a, 19b und 19c sind Querschnittsansichten des Ventils 123, welche die Luftkanäle der Ventile bei drei Positionen entlang des Ventils 123 darstellen, wenn es wie in 19 positioniert ist.
Das Arbeitsprinzip, welches die Luftmaschine von 17 betreibt, kann umgekehrt werden, und die Maschine 120 von 17 kann als ein Luft- oder Gaskompressor oder eine Pumpe verwendet werden. Indem die Maschine 10 im Uhrzeigersinn durch Anlegen einer Rotationskraft an die Welle 122 gedreht wird, zieht die Auslassöffnung 136 Luft in die Zylinder und die Öffnung 124 liefert Luft, welche beispielsweise für den Antrieb eines Druckluftwerkzeuges verwendet werden kann oder in einem Luftbehälter gespeichert werden kann.
In den vorstehenden Beispielen wurden die Zylinder als parallel zueinander liegend dargestellt. Die Zylinder müssen jedoch nicht parallel liegen. 20 stellt ein Beispiel ähnlich dem Beispiel der 1–6 dar, wobei die Zylinder 150 und 150 nicht parallel zueinander liegen. Ein Kardangelenk 160 ermöglicht, dass die Kolbenarme 152 und 153 in einem anderen Winkel als 90° zu dem Antriebsarm 154 liegen. Selbst mit den nicht parallel zueinander liegenden Zylindern sind die Maschinen funktionell dieselben.
Noch eine weitere Modifikation kann an der Maschine 10 der 1–6 vorgenommen werden. Dieses Beispiel, bildlich in 21 dargestellt, kann einendige Kolben aufweisen. Die Kolben 1a und 2a sind mit einem Kardangelenk 170 über Antriebsarme 171 und 172 und mit einem Schwungrad 173 über einen Antriebsarm 174 verbunden. Der wesentliche Unterschied ist die Anzahl der Hübe der Kolben 1a und 2a, um das Schwungrad 173 um 360° zu drehen.
Gemäß 22 enthält eine Zweizylinder-Kolbenanordnung 300 Zylinder 302, 304, welche jeweils einen doppelendigen Kolben 306, 308 mit variablem Hub beherbergen. Die Kolbenanordnung 300 liefert dieselbe Anzahl von Krafthüben pro Umdrehung wie eine herkömmliche Vierzylindermaschine. Jeder doppelendige Kolben 306, 308 ist über einen Antriebsbolzen 312 bzw. 314 mit einem Übertragungsarm 310 verbunden. Der Übertragungsarm 310 ist an einer Stütze 316 beispielsweise durch ein Kardangelenk 318 (U-Gelenk), ein Konstantgeschwindigkeitsgelenk (Doppelgelenk) oder ein sphärisches Lager befestigt. Ein sich aus dem Übertragungsarm 310 erstreckender An triebsarm 320 ist mit einem drehbaren Element, wie z.B. dem Schwungrad 322, verbunden.
Der Übertragungsarm 310 überträgt die Linearbewegung der Kolben 306, 308 in die Rotationsbewegung des Schwungrades 322. Die Achse A des Schwungrades 322 ist parallel zu den Achsen B und C der Kolben 306, 308 (obwohl die Achse A gemäß Darstellung in 20 achsenversetzt sein könnte, um eine axiale oder tonnenförmige Maschine, Pumpe oder Kompressor auszubilden. Das U-Gelenk 318 ist auf der Achse A zentriert. Gemäß Darstellung in 28a sind die Kolben 306, 308 180° versetzt, wobei die Achsen A, B und C entlang einer gemeinsamen Ebene D liegen, um eine flache Kolbenanordnung auszubilden.
Gemäß 22 und 23 umfassen die Zylinder 302, 304 jeweils linke und rechte Zylinderhälften 301a, 301b, welche auf der Anordnungsgehäusestruktur 303 montiert sind. Die doppelendigen Kolben 306, 308 enthalten jeweils zwei Kolben 330 und 332 bzw. 330a und 332a, welche jeweils mit einem mittigen Gelenk 334 bzw. 334a verbunden sind. Die Kolben sind als gleiche Längen aufweisend dargestellt, obwohl andere Längen in Betracht gezogen werden. Beispielsweise kann die Verbindung 334 so außermittig sein, dass der Kolben 330 länger als der Kolben 332 ist. Da die Kolben in einer Ablauffolge 330a, 332, 330, 332a aus der in 22 dargestellten Position gezündet werden, wird das Schwungrad 322 in einer Richtung im Uhrzeigersinn gemäß Betrachtung in der Richtung des Pfeils 333 gedreht. Die Kolbenanordnung 300 ist eine Viertaktzyklusmaschine, d.h., jeder Kolben zündet einmal in zwei Umdrehungen des Schwungrades 322.
Da sich die Kolben vorwärts und rückwärts bewegen, müssen sich die Antriebsbolzen 312, 314 frei um ihre gemeinsame Achse E (Pfeil 305), drehen, entlang der Achse E gleiten (Pfeil 307), da sich der radiale Abstand zu der Mittellinie B des Kolbens sich mit dem Auslenkungswinkel (α) des Übertragungsarmes 310 (Auslenkung etwa ±15°) verändert, und um die Mittelpunkte F schwenkt (Pfeil 309). Das Gelenk 334 ist dafür aufgebaut, diesen Bewegungsfreiheitsgrad bereitzustellen.
Das Gelenk 334 definiert einen Schlitz 340 (23a) für die Aufnahme des Antriebsbolzens 312, und ein Loch 336 senkrecht zu dem Schlitz 340, welches ein Radialkugellager 338 aufnimmt. Ein Zylinder 341 ist innerhalb des Gleitlagers 338 zur Rotation innerhalb des Gleitlagers positioniert. Das Gleitlager 338 definiert einen Seitenschlitz 342, welcher wie der Schlitz 340 geformt und zu dem Schlitz 340 ausgerichtet ist. Der Zylinder 341 definiert ein Durchtrittsloch 344. Der Antriebsbolzen 312 ist innerhalb des Schlitzes 342 und des Loches 344 aufgenommen. Ein zusätzliches Gleitlager 346 ist in dem Durchtrittsloch 344 des Zylinders 341 angeordnet. Die Kombination der Schlitze 340 und 342 und des Gleitlagers 338 ermöglichen eine Bewegung des Antriebsbolzens 312 entlang des Pfeils 309. Das Gleitlager 346 ermöglicht eine Rotation des Antriebsbolzens 312 um seine Achse E und ein Gleiten entlang seiner Achse E.
Wenn die zwei Zylinder der Kolbenanordnung anders als 180° versetzt konfiguriert sind, oder mehr als zwei Zylinder verwendet werden, ermöglicht die Bewegung des Zylinders 341 im Gleitlager 338 entlang der Richtung des Pfeils 350 einen zusätzlichen Bewegungsfreiheitsgrad, welcher erforderlich ist, um eine Bindung der Kolben zu verhindern, da sie einer nachstehend diskutierten Figur-8-Bewegung unterliegen. Die Schlitze 340 müssen so bemessen sein, dass sie genug Freiraum bereitstellen, um die Bewegung des Bolzens in der Figur-8-Bewegung zu ermöglichen.
Gemäß 35–35B ist ein Beispiel eines Zentralgelenks 934 zum Verbinden der Kolben 330 und 332 so konfiguriert, dass es keine Seitenbelastung auf die Kolben 330 und 332 erzeugt. Das Gelenk 934 erlaubt die erforderlichen vier Freiheitsgrade, um das Binden des Antriebsbolzens 312 zu verhindern, wenn sich die Kolben vorwärts und rückwärts bewegen, d.h., eine Rotation um die Achse E (Pfeil 905), ein Schwenken um den Mittelpunkt F (Pfeil 909), eine Gleitbewegung entlang orthogonaler Achsen M (aufwärts und abwärts in der Ebene des Papiers in 35) und N (in die und aus der Ebene des Papiers (35)), während die zwischen der Verbindung 934 und den Kolben 330, 332 übertragene Last nur einen Kraftvektor erzeugt, welcher parallel zur Kolbenachse B ist, (welche orthogonal zu den Achsen M und N ist).
Eine Gleitbewegung entlang der Achse M nimmt die Veränderung in dem radialen Abstand des Übertragungsarmes 310 zu der Mittellinie B des Kolbens mit dem Auslenkungswinkel α des Übertragungsarmes 310 auf. Die Gleitbewegung entlang der Achse N ermöglicht einen zusätzlichen Bewegungsfreiheitsgrad, welcher erforderlich ist, um eine Bindung der Kolben zu verhindern, wenn sie der nachstehend diskutierten Figur-8-Bewegung unterliegen. Das Gelenk 934 definiert zwei gegenüber liegende flache Flächen 937, 937a, welche in den Richtungen der Achsen M und N in Bezug auf die Kolben 330, 332 gleiten. Die Flächen 937, 937a definieren parallele Ebenen, welche zur Kolbenachse B während der Vorwärts- und Rückwärtsbewegung der Kolben senkrecht bleiben.
Das Gelenk 934 enthält ein äußeres Gleiterelement 935, welches Flächen 937, 937a für die Aufnahme der Antriebskraft aus den Kolben 330, 332 definiert. Das Gleiterelement 935 definiert einen Schlitz 940 in einer dritten Fläche 945 des Gleiters für die Aufnahme des Antriebsbolzens 312, und einen Schlitz 940a in einer vierten Fläche 945a. Das Gleiterelement 935 besitzt eine Innenwand 936, die ein Loch 939 senkrecht zum Schlitz 940 definiert und ein Gleitergleitlager 938 beherbergt. Eine Querwelle 941 ist innerhalb des Gleitlagers 938 zur Rotation innerhalb des Gleitlagers in der Richtung des Pfeils 904 positioniert. Das Gleitlager 938 definiert einen Seitenschlitz 942, der wie der Schlitz 940 geformt und zu dem Schlitz 940 ausgerichtet ist. Eine Querwelle 941 definiert ein Durchtrittsloch 944. Der Antriebsbolzen 312 wird innerhalb des Schlitzes 942 und des Loches 944 aufgenommen. Ein Gleitlager 946 ist in dem Durchtrittsloch 944 der Querwelle 941 angeordnet.
Die Kombination der Schlitze 940 und 942 und des Gleitlagers 938 ermöglichen eine Bewegung des Antriebsbolzens 312 in der Richtung des Pfeils 904. Innerhalb des Schlitzes 940a ist eine Kopfschraube 947 und eine Unterlegscheibe 949 angeordnet, welche an dem Antriebsbolzen 312 angebracht sind, den Antriebsbolzen 312 gegen eine von der Querwelle 941 definierte Stufe 951 halten, während sie gleichzeitig eine Rotation des Antriebsbolzens 312 um seine Achse E zulassen und verhindern, dass der Antriebsbolzen 312 entlang der Achse E gleitet. Wie vorstehend diskutiert, werden die zwei zusätzlichen Bewegungsfreiheitsgrade bereitgestellt, indem die Gleiterflächen 937, 937a relativ zu den Kolben 330, 332 entlang Achsen M und N gleiten. Eine Platte 960 ist zwischen jeder von der Fläche 937 und dem Kolben 330 und der Fläche 937a und dem Kolben 332 angeordnet. Jede Platte 960 ist aus einem Lagermaterial mit niedriger Reibung mit einer Lagerungsoberfläche 962 in Kontakt mit den Flächen 937 bzw. 937a ausgebildet. Die Flächen 937, 937a sind poliert.
Gemäß Darstellung in 36 wird die durch den Kolben 330 in der Richtung der Kolbenachse B auf das Gelenk 934 aus geübte Belastung, P_L, in zwei auf den Kolben 312 einwirkende Belastungen aufgelöst: eine axiale Belastung A_L entlang der Achse E des Antriebsbolzens 312 und eine senkrechte Belastung N_L senkrecht zu der Antriebsbolzenachse E. Die axiale Belastung wird auf Drucklager 950, 952 aufgebracht, und die Normalbelastung wird auf das Gleitlager 946 aufgebracht. Die Nettorichtung der zwischen den Kolben 330, 332 und dem Gelenk 934 übertragenen Kräfte verbleibt entlang der Kolbenachse B, was verhindert, dass Seitenbelastungen auf die Kolben 330, 332 ausgeübt werden. Dieses ist vorteilhaft, da Seitenbelastungen auf die Kolben 330, 332 bewirken können, dass die Kolben die Zylinderwände berühren, was Reibungsverluste proportional zu den Seitenbelastungswerten erzeugt.
Die Kolben 330, 332 sind an dem Gelenk 934 über einen Mittenstückverbinder 970 verbunden. Das Mittenstück 970 enthält Gewindeenden 972, 974 für die Aufnahme von Gewindeenden 330a bzw. 332a der Kolben. Das Mittenstück 970 definiert einen Hohlraum 975 für die Aufnahme des Gelenkes 934. Ein Spalt 976 ist zwischen dem Gelenk 934 und dem Mittenstück 970 vorgesehen, um die Bewegung entlang der Achse N zu ermöglichen.
Für eine Maschine, welche in der Lage ist, etwa 100 PS Leistung zu entwickeln, besitzt das Gelenk 934 eine Breite W von etwa 3 5/16 inches (8,4 cm), eine Länge L₁ von etwa 3 5/16 inches (8,4 cm) und eine Höhe H von etwa 3 1/2 inches (8,9 cm). Das Gelenk und die Kolbenenden zusammen besitzen eine Gesamtlänge von L₂ von etwa 9 5/16 inches (23,65 cm) und einen Durchmesser D₁ von etwa 4 inches (10,16 cm). Die Platten 960 besitzen einen Durchmesser von D₂ von etwa 3 1/4 inches (8,25 cm) und eine Dicke T von etwa 1/8 inches (0,32 cm). Die Platten 960 sind in die Kolben eingepresst. Die Platten 960 sind bevorzugt aus Bronze und der Gleiter 935 ist bevorzugt Stahl oder Aluminium mit einer Stahloberfläche, welche die Flächen 937, 937a definiert.
Das Gelenk 932 muss nicht dazu verwendet werden, zwei Kolben zu verbinden. Einer von den Kolben 330, 332 kann durch eine in einer Buchse geführte Stange ersetzt werden.
Wenn die Figur-8-Bewegung nicht erforderlich ist oder durch die Bewegung des Antriebsbolzens 312 innerhalb der Welle 941 nicht zugelassen wird, muss das Gelenk 934 in der Richtung der Achse N nicht gleiten. Gemäß 37 besitzen das Gleiterelement 935a und die Platte 960a gekrümmte Oberflächen, welche es dem Gleiterelement 935a ermöglichen, in der Richtung der Achse M (in das und aus dem Papier in 37) zu gleiten, während sie verhindern, dass das Gleitelement 935a sich entlang der Achse N bewegt.
Gemäß 24 und 24a definiert das U-Gelenk 318 einen zentralen Drehpunkt 352 (die Antriebsbolzenachse E tritt durch den Drehpunkt 352 hindurch) und enthält einen vertikalen Bolzen 354 und einen horizontalen Bolzen 356. Der Übertragungsarm 310 kann um den Bolzen 354 entlang des Pfeils 358 und um den Bolzen 356 entlang des Pfeils 360 schwenken.
Gemäß 25, 25a und 25b wird als eine Alternative zu einem sphärischen Lager, um den Übertragungsarm 310 mit dem Schwungrad 322 zu koppeln, der Antriebsarm 320 innerhalb eines zylindrischen Schwenkbolzens 370 aufgenommen, der auf dem Schwungrad radial versetzt von dem Mittelpunkt 372 des Schwungrades um einen Betrag von etwa 2,125 inches (5,4 cm) angeordnet ist, welcher für die Erzeugung des gewünschten Schwenkwinkels α (22) in dem Übertragungsarm erforderlich ist.
Der Schwenkbolzen 370 besitzt ein Durchtrittsloch 374 für die Aufnahme des Antriebsarmes 320. In dem Loch 374 befindet sich ein Gleitlager 376 für die Bereitstellung einer Lagerungsfläche für den Antriebsarm 320. Der Schwenkbolzen 370 besitzt zylindrische Verlängerungen 378, 380, welche innerhalb der Gleitlager 382 bzw. 384 positioniert sind. Da das Schwungrad axial entlang des Antriebsarmes 320 bewegt wird, um den Schwenkwinkel α zu verändern, und somit das Kompressionsverhältnis der Anordnung, wie es nachstehend weiter beschrieben wird, dreht sich der Schwenkbolzen 370 innerhalb der Gleitlager 382, 384, um zu dem Antriebsarm 320 ausgerichtet zu bleiben. Torsionskräfte werden durch Gegenlager 388, 390 übertragen, wobei das eine oder das andere von den Gegenlagern die Last abhängig von der Richtung der Drehung des Schwungrades entlang des Pfeils 386 trägt.
Gemäß 26 wird zur Veränderung der Kompression und des Hubs der Kolbenanordnung 300 die axiale Position des Schwungrades 322 entlang der Achse A durch Drehen einer Welle 400 verändert. Ein Kettenrad 410 ist an der Welle 400 für eine Rotation mit der Welle 400 befestigt. Ein zweites Kettenrad 412 ist mit dem Kettenrad 410 über eine Rollenkette 413 verbunden. Das Kettenrad 412 ist auf einer mit einem Gewinde versehenen rotierenden Muffe 414 befestigt. Das Gewinde 416 der Muffe 414 steht mit dem Gewinde 418 einer feststehenden äußeren Muffe 420 in Eingriff.
Eine Rotation der Welle 400, Pfeil 401, und somit der Kettenräder 410 und 412 bewirkt die Drehung der Muffe 414. Da die äußere Muffe 420 fixiert ist, bewirkt die Drehung der Muffe 414, dass sich die Muffe 414 entlang der Achse A, Pfeil 403, linear verschiebt. Die Muffe 414 ist zwischen einem Bund 422 und einem Zahnrad 424 angeordnet, welche beide auf einer Hauptantriebswelle 408 befestigt sind. Die Antriebswelle 408 ist wiederum an dem Schwungrad 322 befestigt. Somit wird die Bewegung der Muffe 414 entlang der Achse A in eine Linearbe wegung des Schwungrades 322 entlang der Achse A umgewandelt. Dieses bewirkt ein Gleiten des Schwungrades 322 entlang der Achse H des Antriebsarmes 302 des Übertragungsarmes 310, was den Winkel β verändert, und somit den Hub der Kolben. Gegenlager 430 sind an beiden Enden der Muffe 414 angeordnet und ein Gleitlager 432 ist zwischen der Muffe 414 und der Welle 408 angeordnet.
Um die Ausrichtung der Kettenräder 410 und 412 aufrecht zu erhalten, ist die Welle 400 bei dem Bereich 402 mit einem Gewinde versehen und innerhalb eines Gewindeloches 404 einer Querstange 406 einer Anordnungsgehäusestruktur 303 aufgenommen. Das Verhältnis der Anzahl der Zähne des Kettenrades 412 zu dem Kettenrad 410 ist beispielsweise 4:1. Daher muss sich die Welle 400 viermal für nur eine Umdrehung der Muffe 414 drehen. Um die Ausrichtung beizubehalten, muss der Gewindebereich 402 die vierfache Anzahl von Gewindegängen pro Längeneinheit der Muffengewindegänge 416 aufweisen; beispielsweise weist der Gewindebereich 402 32 Gewindegänge pro 1 inch auf und das Muffengewinde 416 weist 8 Gewindegänge pro 1 inch auf.
Sobald sich das Schwungrad, wie in 26 zu sehen, nach rechts bewegt, wird der Hub der Kolben und somit das Kompressionsverhältnis erhöht. Eine Bewegung des Schwungrades nach links verringert den Hub und das Kompressionsverhältnis. Ein weiterer Vorteil der Veränderung des Hubes ist eine Veränderung des Hubraums jedes Kolbens und damit des Hubraums des Motors. Die Leistung einer Verbrennungsmaschine steht in enger Beziehung zu dem Hubraum der Maschine. Beispielsweise nimmt in der Zweizylinder-Flachmaschine der Hubraum um etwa 20 Prozent zu, wenn das Kompressionsverhältnis von 6.1 auf 12:1 erhöht wird. Dieses erzeugt etwa 20 Prozent mehr Leistung alleine aufgrund der Zunahme im Hubraum. Die Zunahme im Kompressionsverhältnis erhöht ebenfalls die Leistung mit einer Rate von etwa 5 Prozent pro Punkt oder angenähert 25 Prozent in der Leistung. Wenn die Leistung konstant gehalten und das Kompressionsverhältnis von 6:1 auf 12:1 erhöht würde, würde eine Reduzierung im Kraftstoffverbrauch von angenähert 25 Prozent vorliegen.
Das Schwungrad besitzt eine ausreichende Festigkeit, um den großen Zentrifugalkräften zu widerstehen, wenn die Anordnung 300 als ein Motor arbeitet. Die Schwungradposition und somit das Kompressionsverhältnis der Kolbenanordnung kann verändert werden, während sich die Kolbenanordnung in Betrieb befindet.
Die Kolbenanordnung 300 enthält ein Druckschmierungssystem. Der Druck wird von einer (nicht dargestellten) motorbetriebenen aktiven Verdrängungspumpe bereitgestellt, welche ein Druckentlastungsventil besitzt, um Überdrücke zu verhindern. Die Lager 430 und 432 der Antriebswelle 408 und die Schnittstelle des Antriebsarmes 320 mit dem Schwungrad 322 werden über Kanäle 433 (26) geschmiert.
Gemäß 27 wird zum Schmieren des U-Gelenkes 318, der Kolbenbolzengelenke 308, 306 und der Zylinderwände Öl unter Druck aus der Ölpumpe durch den festen U-Gelenkträger zu den oberen und unteren Enden des vertikalen Schwenkbolzens 354 geleitet. Ölkanäle 450, 452 führen von dem vertikalen Bolzen zu Öffnungen 454 bzw. 456 in dem Übertragungsarm. Gemäß Darstellung in 27A definieren die Bolzen 312, 314 jeweils eine Durchtrittsbohrung 458. Jede Durchtrittsbohrung 458 befindet sich in Fluidverbindung mit einer entsprechenden von den Öffnungen 454, 456. Gemäß Darstellung in 23 sind Löcher 460, 462 in jeden Bolzen über Schlitze 461 und Kanäle 463 durch das Gleitlager 338 hindurch mit einer Kammer 465 in jedem Kolben verbunden. Mehrere Ölleitungen 464 führen aus diesen Kammern heraus, und sind mit dem Mantel 466 jedes Kolbens verbunden, um eine Schmierung an den Zylinderwänden und den Kolbenringen 467 bereitzustellen. Ferner führt aus einer Kammer 465 eine Öffnung zum Aufsprühen von Öl direkt auf die Innenoberseite jedes Kolbens zur Kühlung.
Gemäß 28–28c, in welcher die Anordnung 300 zur Verwendung als ein Flugzeugmotor 300a konfiguriert dargestellt ist, enthält die Maschine zwei Magnetzünder 600 zum Zünden der (nicht dargestellten) Kolbenzündkerzen. Die Magnetzünder 600 und ein Starter 602 werden von Antriebszahnrädern 604 und 606 (28c) angetrieben, welche auf einer unteren Welle 608 angeordnet sind, die parallel und unterhalb der Hauptantriebswelle 408 montiert ist. Die Welle 608 erstreckt sich über die volle Länge der Maschine und wird von einem Zahnrad 424 (26) der Antriebswelle 408 angetrieben, und ist mit einem 1:1-Verhältnis mit der Antriebswelle 408 verzahnt (engl. geared). Die Verzahnung für die Magnetzünder reduziert deren Drehzahl auf die Hälfte der Drehzahl der Welle 608. Der Starter 602 ist so verzahnt, dass er ein ausreichendes Drehmoment für den Start der Maschine liefert.
Nockenwellen 610 betätigen Kolbenstößelstangen 612 über Nocken 613. Die Nockenwellen 610 sind auf 2:1 über Kegelzahnräder 614, 616 verzahnt, welche ebenfalls von der Welle 608 angetrieben werden. Der Mittelpunkt 617 der Zahnräder 614, 616 ist bevorzugt zu dem U-Gelenkmittelpunkt 352 so ausgerichtet, dass die Nockenwellen in den Kolbenzylindern zentriert sind, obwohl auch andere Konfigurationen in Betracht gezogen werden. Ein Einzelvergaser 620 ist unter der Mitte des Motors mit vier Einlassrohren 622 angeordnet, die jedem von den (nicht dargestellten) Einlassventilen der vier Zylinder zugeführt werden. Die (nicht dargestellten) Zylinderauslassventile geben an zwei Sammler 624 aus.
Die Maschine 300a besitzt eine Länge L von beispielsweise etwa 40 inches, eine Breite W von beispielsweise etwa 21 inches (53,3 cm) und eine Höhe H von beispielsweise etwa 20 inches (51 cm) (einschließlich der Lagerung 303).
In 29 und 29a ist ein Kompressor mit variabler Kompression oder eine Pumpe mit der Fähigkeit eines Hubes von Null dargestellt. Hier ist das Schwungrad 322 durch eine rotierende Anordnung 500 ersetzt. Die Anordnung 500 enthält eine Hohlwelle 502 und einen Schwenkarm 504, welcher schwenkbar über einen Bolzen 506 mit einer Nabe 508 der Welle 502 verbunden ist. Die Nabe 508 definiert ein Loch 510 und der Schwenkarm 504 definiert ein Loch 512 zur Aufnahme des Bolzens 506. Eine Steuerstange 514 ist innerhalb der Welle 502 angeordnet. Die Steuerstange 514 enthält ein Verbindungsglied 516, welches schwenkbar mit dem Rest der Stange 514 über einen Bolzen 518 verbunden ist. Die Stange 514 definiert ein Loch 511 und das Verbindungsglied 516 definiert ein Loch 513 für die Aufnahme des Bolzens 518. Die Steuerstange 514 ist für eine Bewegung entlang ihrer Achse Z durch zwei Gleitlager 520 gelagert. Das Verbindungsglied 516 und der Schwenkarm 514 sind über einen Bolzen 522 verbunden. Das Verbindungsglied 516 definiert ein Loch 523 und der Schwenkarm 514 definiert ein Loch 524 für die Aufnahme des Bolzens 522.
Der zylindrische Schwenkbolzen 370 von 25, welcher den Antriebsarm 320 aufnimmt, ist innerhalb des Schwenkarms 504 angeordnet. Der Schwenkarm 504 definiert Löcher 526 für die Aufnahme der zylindrischen Verlängerungen 378, 380. Die Welle 502 wird zur Rotation durch Lager 530, wie z.B. Kugel-, Gleit- oder Rollenlager, gelagert. Ein Antrieb, wie z.B. eine Riemenscheibe 532 oder Zahnräder, die auf der Welle 502 montiert sind, treibt den Kompressor oder die Pumpe an.
Im Betrieb wird zum Einstellen des gewünschten Hubes der Kolben die Steuerstange 514 entlang ihrer Achse M in der Richtung des Pfeils 515 bewegt, was eine Schwenkung des Schwenkarms 504 um den Bolzen 506 entlang des Pfeils 517 in der Weise bewirkt, dass die Achse N des Schwenkbolzens 370 aus der Ausrichtung zu der Achse M (gemäß Darstellung in gestrichelten Linien) verschoben wird, sobald der Schwenkarm 504 entlang der Achse H (26) des Übertragungsarm-Antriebsarmes 320 gleitet. Wenn ein Null-Hub der Kolben erwünscht ist, werden die Achsen M und N so ausgerichtet, dass die Rotation der Welle 514 keine Bewegung der Kolben bewirkt. Diese Konfiguration arbeitet sowohl bei doppelendigen als auch einendigen Kolben.
Die Fähigkeit, den Kolbenhub zu verändern, ermöglicht einen Betrieb der Welle 514 bei nur einer Drehzahl durch den Antrieb 532, während gleichzeitig die Ausgabeleistung der Pumpe oder des Kompressors kontinuierlich nach Bedarf variiert werden kann. Wenn keine Ausgabeleistung benötigt wird, dreht sich der Schwenkarm 504 einfach schnell um den Antriebsarm 320 des Übertragungsarms 310 mit einer Auslenkung von Null des Antriebsarmes. Wenn keine Ausgabeleistung benötigt wird, dreht sich die Welle 514 bereits bei voller Drehzahl, so dass, wenn der Schwenkarm 504 vollständig durch die Steuerstange 514 aus der Achse gezogen wird, ein sofortiger Hub ohne jede Verzögerung, um auf Drehzahl zu kommen, erzeugt wird. Es sind daher wesentlich weniger Beanspruchungsbelastungen auf dem Antriebssystem vorhanden, da es keine Start/Stop-Vorgänge gibt. Die Fähigkeit, schnell den Hub auf Null zu reduzieren, stellt einen Schutz vor Beschädigung insbesondere bei Flüssigkeitspumpen bereit, wenn eine stromabseitige Blockierung auftritt.
Ein alternatives Verfahren zum Variieren der Kompression und des Hubraums der Kolben ist in 33 dargestellt. Der Mechanismus sieht eine Veränderung der Position eines an dem Schwungrad angebrachten Ausgleichsgewichtes vor, um die Systembalance zu gewährleisten, wenn der Hub der Kolben verändert wird.
Ein Schwungrad 722 ist schwenkbar an einer Verlängerung 706 einer Hauptantriebswelle 708 über einen Bolzen 712 befestigt. Durch Schwenken des Schwungrades 722 in der Richtung des Pfeils Z gleitet das Schwungrad 722 entlang Achsen H eines Antriebsarmes 720 des Übertragungsarmes 710, unter Veränderung des Winkels β (26), und somit des Hubs der Kolben. Das Schwenken des Schwungrads 722 bewirkt auch, dass ein Ausgleichsgewicht 714 näher oder weiter an die Achse A kommt, und hält somit eine enge Rotationsbalance ein.
Zum Schwenken des Schwungrades 722 ist eine axial und drehbar bewegliche Druckplatte 820 vorgesehen. Die Druckplatte 820 steht mit einer Walze 822 in Kontakt, welche drehbar auf dem Ausgleichsgewicht 714 über einen Bolzen 824 und ein Lager 826 befestigt ist. Aus der in 33 dargestellten Position dreht ein Servomotor oder ein Handknopf 830 eine Spindel 832, welche sich nach vorne verschiebt, um die Druckplatte 820 in der Richtung des Pfeils Y zu bewegen. Diese Bewegung der Druckplatte 820 bewirkt ein Schwenken des Schwungrades 722 in der Richtung des Pfeils Z gemäß Darstellung in der 34, um den Hub der Kolben zu verringern. Eine Bewegung der Druckplatte 820 um 0,75 inches (1,9 cm) verringert das Kompressionsverhältnis von etwa 12:1 auf 6:1.
Die Druckplatte 820 wird von drei oder mehr Spindeln (engl. screw) 832 unterstützt. Jede Spindel oder Schraube besitzt einen Zahnradkopf 840, welcher mit einem Zahnrad 842 auf der Druckplatte 820 so in Eingriff steht, dass eine Dre hung der Spindel 832 eine Drehung der Druckplatte 820 und somit eine Drehung der restlichen Spindeln bewirkt, um sicherzustellen, dass die Druckplatte ausreichend unterstützt wird. Um den Kontakt zwischen der Rolle 822 und der Druckplatte 820 sicherzustellen, ist ein Kolben 850 vorgesehen, welcher das Schwungrad 722 in der entgegengesetzten Richtung zu dem Pfeil Z andrückt.
Gemäß 30 unterliegen, wenn zwei nicht um 180° versetzte Zylinder (vom Ende aus betrachtet) oder mehr als zwei Zylinder in der Kolbenanordnung 300 verwendet werden, die Enden der mit den Gelenken 306, 308 verbundenen Bolzen 312, 314 einer Figur-8-Bewegung. 30 stellt die Figur-8-Bewegung einer Kolbenanordnung mit vier doppelendigen Kolben dar. Zwei von den Kolben sind gemäß Darstellung in 22 flach angeordnet (und unterliegen nicht der Figur-8-Bewegung) und die anderen zwei Kolben sind gleichmäßig beabstandet zwischen den flachen Kolben angeordnet (und sind somit so positioniert, dass sie der größtmöglichen Figur-8-Auslenkung unterliegen). Der Betrag, um den die mit dem zweiten Satz der Kolben verbundenen Bolzen von einer geraden Linie (Y-Achse von 30) abweichen, ist durch den Schwenkwinkel (Mastwinkel) des Antriebsarms und den Abstand bestimmt, in dem der Bolzen von dem zentralen Schwenkpunkt 352 (X-Achse von 30) weg liegt.
In einer Vierzylinderversion, in welcher die Bolzen durch die Kolbenschwenkanordnung von jedem der vier doppelendigen Kolben auf 45° von der Achse des Mittenschwenkpunktes eingestellt sind, ist die Figur-8-Bewegung bei jedem Kolbenbolzen gleich. Die Bewegung in der Kolbenschwenkbuchse ist dort vorgesehen, wo die Figur-8-Bewegung Acht auftritt, um eine Bindung zu verhindern.
Wenn die Kolbenanordnung 300 beispielsweise zur Anwendung als Dieselmotor konfiguriert wird, kann eine zusätzliche Lagerung an der Befestigung der Bolzen 312, 314 an dem Übertragungsarm 310 vorgesehen werden, um die höhere Kompression von Dieselmotoren im Vergleich zu funkengezündeten Motoren zu berücksichtigen. Gemäß 31 ist der Träger 550 an dem Übertragungsarm 310 mit Schrauben 551 verschraubt und enthält eine Öffnung 552 für die Aufnahme des Endes 554 des Bolzens.
Maschinen gemäß der Erfindung können verwendet werden, um direkt Verbrennungsdrücke auf Pumpkolben auszuüben. Gemäß 32 und 32a bringt ein Vierzylinder-Zweitakt-Motor 600 (jeder von den vier Kolben 602 zündet einmal in einer Umdrehung) Verbrennungsdruck auf jeden von vier Pumpkolben 604 auf. Jeder Pumpkolben 604 ist an der Ausgabeseite 606 eines entsprechenden Kolbenzylinders 608 angebracht. Die Pumpkolben 604 erstrecken sich in einen Pumpenkopf 610.
Ein Übertragungsarm 620 ist mit jedem Zylinder 608 und mit einem Schwungrad 622, wie vorstehend beschrieben, verbunden. Eine Hilfsausgangswelle 624 ist mit dem Schwungrad 622 verbunden, um mit dem Schwungrad, wie ebenfalls vorstehend beschrieben, zu rotieren.
Die Maschine ist eine Zweitaktmaschine, da jeder Hub eines Kolbens 602 (da der Kolben 602 wie in 32 zu sehen nach rechts wandert) ein Krafthub sein muss. Die Anzahl der Motorzylinder wird nach dem Bedarf der Pumpe ausgewählt. Die Pumpe kann eine Fluid- oder Gaspumpe sein. Bei der Verwendung als ein mehrstufiger Luftkompressor kann jeder Pumpkolben 606 einen anderen Durchmesser aufweisen. Es werden keine Lagerbelastungen durch die Pumpfunktion (für einfach wirkende Pumpkompressorzylinder) erzeugt und daher keine andere Reibung als die von dem Pumpkolben selbst erzeugte induziert.
Gemäß 38–38B enthält eine Maschine 1010 mit Schwingungskompensationseigenschaften und welche besonders zur Verwendung in der Gaskompression geeignet ist, zwei Anordnungen 1012, 1014, welche Rücken-an-Rücken und um 180° phasenversetzt montiert sind. Die Maschine 1010 enthält einen zentralen Maschinenabschnitt 1016 und äußere Kompressorabschnitte 1018, 1020. Der Maschinenabschnitt 1016 enthält beispielsweise sechs doppelt wirkende Zylinder 1022, wovon jeder ein Paar von Kolben 1024, 1026 beherbergt. Ein Krafthub tritt auf, wenn ein Mittenabschnitt 1028 des Zylinders 1022 gezündet wird, was die Kolben 1024, 1026 von einander weg bewegt. Die entgegengesetzte Bewegung der Kolben führt zu einer Schwingungskompensation.
Ein äußerer Kompressionsabschnitt 1018 enthält zwei Kompressorzylinder 1030 und ein äußerer Kompressionsabschnitt 1020 enthält zwei Kompressorzylinder 1032, obwohl bis zu sechs Kompressorzylinder in jedem Kompressorabschnitt vorhanden sein könnten. Die Kompressionszylinder 1030 beherbergen jeweils einen Kompressionszylinder 1034, der auf einem der Kolben 1024 durch eine Stange 1036 befestigt ist, und die Kompressionszylinder 1032 beherbergen jeweils einen Kompressionskolben 1038, der auf einem der Kolben 1026 durch eine Stange 1040 befestigt ist. Die Kompressionszylinder 1030, 1032 sind auf gegenüberliegenden Kolbenpaaren so montiert, dass sich die Kräfte unter Minimierung von Schwingungskräften aufheben, welche ansonsten in die Befestigung 1041 übertragen würden.
Die Kolben 1024 sind durch einen Übertragungsarm 1042 verbunden, und die Kolben 1026 sind durch einen Übertragungsarm 1044 verbunden, wie es vorstehend beschrieben wurde. Der Übertragungsarm 1042 enthält einen Antriebsarm 1046, der sich in ein Schwungrad 1048 erstreckt, und ein Übertragungsarm 1044 enthält einen Antriebsarm 1050, der sich in das Schwungrad 1052 gemäß vorstehender Beschreibung erstreckt. Das Schwungrad 1048 ist mit dem Schwungrad 1052 über einen Kopplungsarm 1054 verbunden, um synchron damit zu rotieren. Die Schwungräder 1048, 1052 sind auf Lagern 1056 montiert. Das Schwungrad 1048 enthält ein Kegelzahnrad 1058, welche eine Welle 1060 für den Motorstarter, die Ölpumpe und den Zündverteiler antreibt, die nicht dargestellt sind.
Die Maschine 1010 ist beispielsweise ein Zweitakt-Erdgas-Motor mit zwei (nicht dargestellten) Öffnungen im zentralen Abschnitt 1028 der Zylinder 1022 und einem (nicht dargestellten) Turbolader, welcher Ansaugluft unter Druck zur Spülung der Zylinder 1022 bereitstellt. Alternativ wird die Maschine 1010 mittels Benzin oder Diesel betrieben.
Der Hub der Zylinder 1024, 1026 kann durch Bewegen beider Schwungräder 1048, 1052 in einer solchen Weise verändert werden, dass der Hub der Maschinenkolben und der Kompressorkolben gleich eingestellt ist, was die Maschinenleistung reduziert oder erhöht, wenn sich die Pumpleistungsanforderung reduziert bzw. erhöht.
Die Schwingungskompensationseigenschaften der Rücken-an-Rücken-Beziehung der Anordnungen 1012, 1014 kann vorteilhaft in einem Nur-Kompressor-System und einem Nur-Maschinen-System angewendet werden.
Ausgleichsgewichte können dazu verwendet werden, um die Schwingung der Kolbenanordnung zu begrenzen. Gemäß 39 enthält eine Maschine 1100 Ausgleichsgewichte 1114 und 1116. Das Ausgleichsgewicht 1114 ist so angebracht, dass es mit einem drehbaren Element 1108, z.B. einem Schwungrad, das mit dem Antriebsarm 320 verbunden ist, der sich aus dem Übertragungsarm 310 erstreckt, rotiert. Das Ausgleichsgewicht 1116 ist auf der unteren Welle 608 befestigt, um sich mit der Welle 608 zu drehen.
Eine Bewegung der doppelendigen Kolben 306, 308 wird durch den Übertragungsarm 310 in eine Rotationsbewegung eines Elementes 1108 und des Ausgleichsgewichtes 1114 übertragen. Die Drehung des Elementes 1108 bewirkt eine Drehung der Hauptantriebswelle 408. Auf der Welle 408 ist ein erstes Zahnrad 1110 befestigt, welches sich mit der Welle 408 dreht. Auf der unteren Welle 608 ist ein zweites Zahnrad 1112 befestigt, welches durch das Zahnrad 1110 angetrieben wird, um sich mit derselben Drehzahl wie das Zahnrad 1110 und in der entgegengesetzten Richtung zu der Rotationsrichtung des Zahnrades 1110 zu drehen. Die Rotation des Zahnrades 1112 bewirkt eine Rotation der Welle 608 und somit die Rotation des Ausgleichsgewichtes 1116.
Wie von links in 39 aus gesehen, dreht sich das Ausgleichsgewicht 1114 im Uhrzeigersinn (Pfeil 1118) und das Ausgleichsgewicht 1116 dreht sich gegen den Uhrzeigersinn (Pfeil 1120). Die Ausgleichsgewichte 1114 und 1116 sind 180° phasenversetzt so befestigt, dass, wenn sich das Ausgleichsgewicht 1114 über der Welle 408 befindet, sich das Ausgleichsgewicht 1116 unter der Welle 608 befindet. Eine Vierteldrehung führt dazu, dass beide Ausgleichsgewichte 1114, 1116 sich rechts von ihren entsprechenden Wellen (siehe 40) befinden. Nach einer weiteren Vierteldrehung befindet sich das Ausgleichsgewicht 1114 unter der Welle 408 und das Ausgleichsgewicht 1116 befindet sich über der Welle 608. Eine weitere Vierteldrehung und beide Ausgleichsgewichte befinden sich links von ihren entsprechenden Wellen.
Gemäß 40 erzeugt eine Bewegung der Kolben 306, 308 entlang der Y-Achse in der Ebene der XY-Achsen ein Moment um die Z-Achse, M_zy. Wenn die Ausgleichsgewichte 1114, 1116 wie in 40 dargestellt positioniert sind, erzeugen die Zentrifugalkräfte aufgrund ihrer Rotation Kräfte F_x1 bzw. F_x2 parallel zu der X-Achse. Diese Kräfte wirken zusammen, um ein Moment um die Z-Achse, M_zx, zu erzeugen. Das Gewicht der Ausgleichsgewichte 1114, 1116 wird so gewählt, dass M_zx im Wesentlichen M_zy aufhebt.
Wenn die Kolben 306, 308 auf der X-Achse zentriert sind (39), liegen keine auf die Kolben 306, 308 wirkenden Kräfte vor und somit kein Moment um die Z-Achse. In dieser Position befinden sich die Ausgleichsgewichte 1114, 1116 in entgegengesetzten Richtungen gemäß Darstellung in 39 und die um die X-Achse durch die Zentrifugalkräfte auf den Ausgleichsgewichten erzeugten Momente heben sich auf. Dasselbe gilt nach einer Drehung von 180° der Wellen 408 und 608, wenn die Kolben wieder um die X-Achse zentriert sind, und sich das Ausgleichsgewicht 1114 unter der Welle 408 und das Ausgleichsgewicht 1116 über der Welle 608 befindet.
Zwischen den Viertelpositionen heben sich die Momente um die X-Achse aufgrund der Rotation der Ausgleichsgewichte 1114 und 1116 auf, und die Momente um die Z-Achse aufgrund der Ausgleichsgewichte 1114 und 1116 addieren sich.
Das Ausgleichsgewicht 1114 berücksichtigt auch Momente, die durch den Antriebsarm 320 erzeugt werden.
In anderen Konfigurationen, wenn beispielsweise die Kolben 306, 308 nicht in einer gemeinsamen Ebene liegen, oder wenn mehr als zwei Kolben vorhanden sind, ist das Ausgleichsgewicht 1116 nicht erforderlich, da zu keinem Zeitpunkt ein Moment um die Z-Achse vorliegt, welches eine Aufhebung des durch das Ausgleichsgewicht 1114 erzeugten Momentes erfordert.
Ein nicht in der Ausbalancierungstechnik der 39 und 40 berücksichtigtes Moment ist ein Moment um die Achse Y, M_yx, das durch die Rotation des Ausgleichsgewichtes 1116 erzeugt wird. Ein weiteres Beispiel einer Ausbalancierungstechnik, welche alle Momente berücksichtigt, ist in 41 dargestellt. Hier ist ein an dem Rotationselement 1108 befestigtes Ausgleichsgewicht 1114a so bemessen, dass es nur den Übertragungsarm 310 ausbalanciert. Ausgleichsgewichte 1130, 1132 sind dafür vorgesehen, die Trägheitskräfte der doppelendigen Kolben 306, 308 auszubalancieren.
Das Ausgleichsgewicht 1130 ist auf dem Zahnrad 1110 befestigt, um im Uhrzeigersinn mit dem Zahnrad 1110 zu rotieren. Das Ausgleichsgewicht 1132 wird durch ein Riemensystem 1134 angetrieben, um gegen den Uhrzeigersinn zu rotieren. Das Riemenscheibensystem 1134 umfasst eine Riemenscheibe 1136, welche für eine Rotation mit der Welle 608 befestigt ist, und eine Kette oder einen Steuerriemen 1138. Das Ausgleichsgewicht 1132 ist auf der Welle 408 über eine Riemenscheibe 1140 und ein Lager 1142 befestigt. Die Rotation der Riemenscheibe 1136 gegen den Uhrzeigersinn bewirkt eine Rotation der Kette oder des Riemens 1138 gegen den Uhrzeigersinn und eine Rotation des Ausgleichsgewichtes 1132 gegen den Uhrzeigersinn.
Gemäß 42 erzeugt, wie vorstehend diskutiert, die Bewegung der Kolben 306, 308 entlang der Y-Achse in der Ebene der XY-Achsen ein Moment um die Z-Achse, M_zy. Wenn die Ausgleichsgewichte 1130, 1132 gemäß Darstellung in 42 positioniert sind, erzeugen die Zentrifugalkräfte aufgrund ihrer Rotation Kräfte, F_x3 bzw. F_x4, in derselben Richtung entlang der X-Achse. Diese Kräfte wirken zusammen, um ein Moment um die Z-Achse, M_zx, zu erzeugen. Das Gewicht der Ausgleichsgewichte 1130, 1132 wird so ausgewählt, dass M_zx im Wesentlichen M_zy aufhebt.
Wenn die Kolben 306, 308 auf der X-Achse zentriert sind (41), liegen keine auf die Kolben 306, 308 einwirkenden Kräfte vor, und somit kein Moment um die Z-Achse. In dieser Position befinden sich die Ausgleichsgewichte 1130, 1132 in entgegengesetzten Positionen, wie es in 41 dargestellt ist, und die um die X-Achse durch die Zentrifugalkräfte erzeugten Momente auf die Ausgleichsgewichte heben sich auf. Dasselbe gilt nach einer Rotation von 180° der Wellen 408 und 608, wenn die Kolben wieder auf der X-Achse zentriert sind und sich das Ausgleichsgewicht 1130 unter der Welle 408 und das Ausgleichsgewicht 1132 über der Welle 408 befindet.
Zwischen den Viertelpositionen heben sich die Momente um die X-Achse aufgrund der Rotation der Ausgleichsgewichte 1130 und 1132 auf, und die Momente um die Z-Achse aufgrund der Rotation der Ausgleichsgewichte 1130 und 1132 addieren sich. Da die Ausgleichsgewichte 1130 und 1132 beide um die Y-Achse rotieren, gibt es kein um die Y-Achse erzeugtes Moment M_yx.
Die Ausgleichsgewichte 1130, 1132 sind nahe aneinander entlang der Y-Achse positioniert, um nahezu gleiche Momente um die Z-Achse zu erzeugen. Die Gewichte der Ausgleichsgewichte 1130, 1132 können leicht unterschiedlich sein, um deren unterschiedliche Anordnung entlang der Y-Achse zu berücksichtigen, so dass jedes Ausgleichsgewicht dasselbe Moment um den Schwerpunkt der Maschine erzeugt.
Die Ausgleichsgewichte 1130, 1132 erzeugen zusätzlich zur Bereitstellung der gewünschten Momente um die Z-Achse unerwünschte seitliche Kräfte, die senkrecht zur Y-Achse (in der Richtung der X-Achse) gerichtet sind, welche auf das U-Gelenk oder eine andere Befestigung tragenden Übergangsarm 310 einwirken. Wenn die Ausgleichsgewichte 1130, 1132 wie in 41 dargestellt positioniert sind, tritt dieses nicht auf, da die Aufwärtskraft, F_u, und die Abwärtskraft, F_d, sich aufheben. Wenn jedoch die Ausgleichsgewichte 1130, 1132 anders als in 41 dargestellt oder 180° aus dieser Position positio niert sind, wird diese Kraft auf die Lagerung aufgebracht. Beispielsweise erzeugen gemäß Darstellung in 42 die Kräfte F_x3 und F_x4 eine Seitenkraft, F_s, entlang der X-Achse. Eine Technik zur Einbeziehung von Ausbalancierungen, welche die gewünschten Momente um die Z-Achse ohne Erzeugung der unerwünschten Kräfte auf die Lagerung liefern, ist in 43 dargestellt.
Gemäß 43 wird ein zweites Paar von Ausgleichsgewichten 1150, 1152 bereitgestellt. Die Ausgleichsgewichte 1130 und 1152 sind auf der Welle 408 befestigt, um im Uhrzeigersinn mit der Welle 408 zu rotieren. Die Ausgleichsgewichte 1132 und 1150 sind auf einem Zylinder 1154 befestigt, der die Welle 408 umgibt, welche durch ein Riemensystem 1134 angetrieben wird, um gegen den Uhrzeigersinn zu rotieren. Die Ausgleichsgewichte 1130, 1152 erstrecken sich aus gegenüberliegenden Seiten der Welle 408 (wobei das Ausgleichsgewicht 1130 in 43 nach unten gerichtet ist und das Ausgleichsgewicht 1152 nach oben gerichtet ist), und die Ausgleichsgewichte 1132, 1150 erstrecken sich aus gegenüberliegenden Seiten des Zylinders 1154 (wobei das Ausgleichsgewicht 1132 nach oben gerichtet ist und das Ausgleichsgewicht 1150 nach unten gerichtet ist). Die Ausgleichsgewichte 1130, 1150 sind auf derselben Seite der Welle 408 ausgerichtet und die Ausgleichsgewichte 1132, 1152 sind auf der gegenüberliegenden Seite der Welle 408 ausgerichtet.
Gemäß 44 erzeugen die Zentrifugalkräfte mit den gemäß Darstellung positionierten Ausgleichsgewichten 1130, 1132, 1150, 1152 aufgrund der Rotation der Ausgleichsgewichte 1130, 1132 Kräfte, F_x3 bzw. F_x4, in derselben Richtung in der X-Achse, und die Zentrifugalkräfte aufgrund der Rotation der Ausgleichsgewichte 1150, 1152 erzeugen Kräfte, F_x5 bzw. F_x6, in der entgegengesetzten Richtung in der X-Achse. Da F_x3 und F_x4 gleich und entgegengesetzt zu F_x5 und F_x6 sind, heben sich diese Kräfte auf, so dass keine unerwünschten Seitenkräfte auf die Übertragungsarmlagerung ausgeübt erden.
Zusätzlich erzeugt, wie vorstehend diskutiert, die Bewegung der Kolben 306, 308 in der Richtung der Y-Achse in der Ebene der XY-Achsen ein Moment, M_zy, um die Z-Achse. Da die Ausgleichsgewichte 1130, 1132, 1150, 1152 im Wesentlichen dasselbe Gewicht haben, und die Ausgleichsgewichte 1150, 1152 weiter von der Z-Achse als die Ausgleichsgewichte 1130, 1132 entfernt sind, ist das von den Ausgleichsgewichten 1150, 1152 erzeugte Moment größer als das von den Ausgleichsgewichten 1130, 1132 erzeugte Moment, so dass diese Kräfte zusammenwirken, um ein Moment um die Z-Achse, M_zx, zu erzeugen, welches in der entgegengesetzten Richtung zu M_zy wirkt. Das Gewicht der Ausgleichsgewichte 1130, 1132, 1150 und 1152 wird so gewählt, dass M_zx im Wesentlichen M_zy aufhebt.
Wenn die Kolben 306, 308 auf der X-Achse (43) zentriert sind, besteht kein Moment um die Z-Achse. In dieser Position sind die Ausgleichsgewichte 1130, 1132 zueinander entgegengesetzt ausgerichtet und die Ausgleichsgewichte 1150, 1152 sind so entgegengesetzt ausgerichtet, dass die um die X-Achse durch die Zentrifugalkräfte auf die Ausgleichsgewichte erzeugten Momente sich aufheben. Ebenso heben sich die senkrecht zu der Y-Achse, F_u und F_d, erzeugten Kräfte auf. Dasselbe gilt nach einer 180° Drehung der Wellen 406 und 608, wenn die Kolben wieder auf der X-Achse zentriert sind.
Das Ausgleichsgewicht 1130 kann in das Schwungrad 1108 integriert werden und somit eines von den Ausgleichsgewichten eliminiert werden.
Gemäß 45 enthält eine weitere Konfiguration zum Ausbalancieren einer Kolbenmaschine mit zwei doppelendigen Kolben 306, 308 in 180° Abstand um die Y-Achse zwei Elemente 1160, 1162, welche einen doppelendigen Kolben simulieren, und zwei Ausgleichsgewichte 1164, 1166. Die Elemente 1160, 1162 sind 180° voneinander und gleich zwischen den Kolben 306, 308 beabstandet. Die Ausgleichsgewichte 1164, 1166 erstrecken sich von gegenüberliegenden Seiten der Welle 408, wobei das Ausgleichsgewicht 1166 weiter von der Z-Achse als das Ausgleichsgewicht 1164 beabstandet ist. Hier ist wiederum das Ausgleichsgewicht 1114a, das auf einem Rotationselement 1108 befestigt ist, so bemessen, dass es nur den Ausgleichsarm 310 ausbalanciert.
Die Bewegung der Elemente 1160, 1162 entlang der Y-Achse in der Ebene der YZ-Achse erzeugt ein Moment, M_xy, um die X-Achse. Wenn die Ausgleichsgewichte 1164, 1166 gemäß Darstellung in 45 positioniert sind, erzeugen die Zentrifugalkräfte aufgrund der Rotation der Ausgleichsgewichte 1164, 1166 Kräfte, F_u bzw. F_d, in entgegengesetzten Richtungen entlang der Z-Achse. Da das Ausgleichsgewicht 1166 weiter von der Z-Achse als das Ausgleichsgewicht 1164 angeordnet ist, ist das von dem Ausgleichsgewicht 1166 erzeugte Moment größer als das von dem Ausgleichsgewicht 1164 erzeugte Moment, so dass diese Kräfte zusammenwirken, um ein Moment um die X-Achse, M_xz, zu erzeugen, welches in die entgegengesetzte Richtung zu M_xy wirkt. Das Gewicht der Ausgleichsgewichte 1164, 1166 ist so gewählt, dass M_xz im Wesentlichen M_xy aufhebt.
Zusätzlich heben sich, da die Kräfte, F_u und F_d, entgegengesetzt sind, diese Kräfte so auf, dass keine unerwünschten Seitenkräfte auf die Übertragungsarmlagerung ausgeübt werden.
Gemäß 46 erzeugt die Bewegung der Kolben 306, 308 entlang der Y-Achse in der Ebene der XY-Achse ein Moment, M_zy, um die Z-Achse. Wenn die Ausgleichsgewichte 1164, 1166 gemäß Darstellung in 45 positioniert sind, erzeugen die Zentrifugalkräfte aufgrund der Rotation der Ausgleichsgewichte 1164, 1166 Kräfte, F_x7 bzw. F_x8, in entgegengesetzten Richtungen entlang der X-Achse. Diese Kräfte wirken zusammen, um ein Moment um die Z-Achse, M_zx, zu erzeugen, welches in die entgegengesetzte Richtung zu M_zy wirkt. Das Gewicht der Ausgleichsgewichte 1164, 1166 wird so gewählt, dass M_zx im Wesentlichen M_zy aufhebt.
Zusätzlich heben sich, da die Kräfte senkrecht zu der Y-Achse, F_x7 und F_x8, entgegengesetzt gerichtet sind, diese Kräfte so auf, dass keine unerwünschten Seitenkräfte auf die Übertragungsarmlagerung ausgeübt werden.
Das Ausgleichsgewicht 1164 kann in das Schwungrad 1108 integriert werden und eliminiert somit eines der Ausgleichsgewichte.
Die Kolbenmaschine kann eine beliebige Anzahl von Kolben und simulierten Kolbenausgleichsgewichten enthalten, um den gewünschten Ausgleich zu erzeugen, d.h., eine Dreikolbenmaschine kann erzeugt werden, indem eines von den simulierten Kolbenausgleichsgewichten in 3 durch einen Kolben ersetzt wird, und eine Zweikolbenmaschine kann erzeugt werden, indem zwei Kolben und ein simulierter Kolben sich in gleichem Abstand um den Übertragungsarm herum ausbalancieren.
Wenn das Kompressionsverhältnis der Kolben geändert wird, wird die Position der Ausgleichsgewichte entlang der Welle 408 angepasst, um die sich ergebende Veränderung in den Momenten zu kompensieren.
Eine weitere unerwünschte Kraft, die vorteilhaft reduziert oder eliminiert werden kann, ist eine durch den Übertragungsarm 310 auf das Schwungrad 1108 aufgebrachte Schublast, die durch die Kreisbahn des Übertragungsarmes 310 erzeugt wird. Gemäß 47 erzeugt die Kreisbahn des Übertragungsarms 310 eine Zentrifugalkraft C₁, welche über den Nasenstift 320 und das Gleitlager 376 auf das Schwungrad 1108 übertragen wird. Obwohl das Ausgleichsgewicht 1114 eine Zentrifugalkraft in der Richtung des Pfeils 2110 erzeugt, welche die Kraft C₁ ausgleicht, wird bei dem 15° Winkel des Nasenstiftes 320 ein lateraler Druck T von 26% der Zentrifugalkraft C₁ ebenfalls erzeugt. Dieser Druck kann kontrolliert werden, indem Drucklager oder Schrägrollenlager 2040 auf der Welle 408 angeordnet werden.
Um die Belastung auf den Lagern 2040 zu reduzieren und somit die Lebensdauer der Lager zu erhöhen, wird gemäß Darstellung in 48 der Nasenstift 320a sphärisch geformt, wobei das Schwungrad 1108a eine sphärische Öffnung 2012 für die Aufnahme des sphärischen Nasenstiftes 320a definiert. Aufgrund der sphärischen Formen wird kein seitlicher Druck durch die Zentrifugalkraft C₁ erzeugt.
49 stellt ein weiteres Verfahren zur Verhinderung der Aufbringung einer Drucklast auf den Übertragungsarm dar. Hier ist ein Ausbalancierungselement 2014, statt eine integrierte Komponente des Schwungrades 1108b zu sein, auf dem Schwungrad mittels Schrauben 2016 befestigt. Der Nasenstift 320b enthält einen sphärischen Abschnitt 2018 und einen zylindrischen Abschnitt 2020. Das Ausbalancierungselement 2014 definiert eine sphärische Öffnung 2022 für die Aufnahme des sphärischen Abschnittes 2018 des Nasenstiftes 320b. Der zylindrische Abschnitt 2020 des Nasenstiftes 320b wird innerhalb eines Gleitlagers 2024 in einer durch das Schwungrad 1108b definierten zylindrischen Öffnung 2026 aufgenommen. Aufgrund der sphärischen Formen wird kein seitlicher Druck durch die Zentrifugalkraft C₁ erzeugt.
Das Ausbalancierungselement 2014 wird nicht starr durch das Schwungrad 1108b festgehalten, so dass keine Einschränkung auf die auf das sphärische Gelenk ausgeübte volle Kraft des Ausgleichsgewichtes vorliegt, um die durch die Kreisbahn des Übertragungsarmes 310 erzeugte Zentrifugalkraft aufzuheben. Beispielsweise wird ein Spielraum 2030 in den Schraubenlöchern 2032 vorgesehen, die in dem Ausbalancierungselement 2014 für die Aufnahme der Schrauben 2016 definiert sind.
Ein Vorteil dieses Beispiels gegenüber dem von 48 besteht darin, dass die Lebensdauererwartung eines zylindrischen Gelenkes mit einer Gleitlagerkopplung des Übertragungsarms zu dem Schwungrad höher als die des sphärischen Gelenkes von 48 ist, das den Übertragungsarm mit dem Schwungrad koppelt.
Gemäß 50 enthält eine hydraulische Pumpe 2110 ein stationäres Gehäuse 2112, das eine Kammer 2114 definiert, und eine rotierende Trommel oder einen Zylinder 2116, der innerhalb der Kammer 2114 angeordnet ist. Der Zylinder 2116 enthält ferner erste und zweite Hälften 2116a, 2116b, die mehrere Kolbenhohlräume 2117 definieren. Jeder Hohlraum 2117 wird durch ein Paar ausgerichteter Kanäle 2118, 2120 gebildet, die durch einen vergrößerten Bereich 2122 verbunden sind, der zwischen den Zylinderhälften 2116a, 2116b definiert ist. Innerhalb jedes Hohlraums 2117 ist ein doppelendiger Kolben 2124 angeordnet, wobei hier sechs Kolben dargestellt sind, obwohl weniger oder mehr Kolben abhängig von der Anwendung verwendet werden können. Jeder doppelendige Kolben ist auf einem Übertragungsarm 2126 mittels eines Gelenkes 2128 gemäß vorstehender Beschreibung befestigt. Der Übertragungsarm 2116 ist auf einem an dem Zylinder 2116 befestigten Kardangelenk 2130 so gelagert, dass die Kolben 2124 und der Übertragungsarm 2126 mit dem Zylinder 2116 rotieren.
Der Winkel, γ, des Übertragungsarms 2126 in Bezug auf die Längsachse A der Pumpe 2110 ist einstellbar, um die Ausgangsleistung der Pumpe 2110 zu reduzieren oder zu erhöhen. Die Pumpe 2110 enthält einen Einstellmechanismus 2140 zum Einstellen und Festlegen des Winkels γ. Der Einstellmechanismus 2140 umfasst einen Arm 2142, der auf einem feststehenden Träger 2144 befestigt ist, um um einen Punkt 2146 zu schwenken. Ein Ende 2148 des Arms 2142 ist mit einem ersten Ende 2152 einer Steuerstange 2150 über einem Stift 2154 gekoppelt. Der Arm 2142 definiert ein Langloch 2155, welches den Stift 2154 aufnimmt und eine radiale Bewegung des Arms 2142 in Bezug auf die Steuerstange 2150 zulässt, wenn der Arm 2142 um den Schwenkpunkt 2146 gedreht wird. Ein zweites Ende 2156 der Stange 2150 weist seitlich weisende Zahnradzähne 2158 auf. Die Zahnradzähne 2158 stehen mit Zahnradzähnen 2160 auf einem Verbindungselement 2162 in Eingriff, das so befestigt ist, dass es um einen Punkt 2164 schwenkt. Ein Ende 2166 des Verbindungselementes 2162 ist mit dem Übertragungsarm 2126 an einem Schwenkgelenk 2168 verbunden. Der Übertragungsarmnasenstift 2126a wird durch einen (nicht dargestellten) zylindrischen Schwenkbolzen 370 und ein (nicht dargestelltes) Gleitlager 376 gemäß vorstehender Beschreibung unter Bezugnahme auf die 25–25b so gelagert, dass sich der Übertragungsarm 2126 in Bezug auf den Einstellmechanismus 2140 frei drehen kann.
Der Winkel, γ, wird wie folgt eingestellt. Der Arm 2142 wird um den Schwenkpunkt 2146 (Pfeil B) gedreht. Dieses führt zu einer geradlinigen Bewegung der Stange 2150 (Pfeil C). Aufgrund des Eingriffs der Zahnradzähne 2158 und 2160 bewirkt die geradlinige Bewegung der Stange 2150 eine Drehung des Verbindungselementes 2162 um den Schwenkpunkt 2164 (Pfeil D) und ändert somit den Winkel γ. Nachdem der gewünschte Winkel erreicht worden ist, wird der Winkel durch Fixierung des Arms 2142 unter Verwendung eines (nicht dargestellten) Betäti gungselementes fixiert, das mit einem Ende 2142a des Arms 2142 verbunden ist.
Aufgrund des fixierten Winkels des Übertragungsarms 2126 (nach der Einstellung auf den gewünschten Winkel) und der Kopplung des Übertragungsarms 2126 mit den Kolben 2124 bewegen sich, sobald sich der Übertragungsarm dreht, die Kolben 2124 innerhalb der Hohlräume 2117 hin und her. Eine Drehung des Zylinders 2116 bewirkt, dass jeder Kolben 2124 einen Pump- und einen Ansaughub abschließt.
Gemäß 51 enthält die Pumpe 2110 auch ein Flächenventil 2170, welches den Strom von Fluid, z.B. unter Druck gesetztem Hydrauliköl, in der Pumpe 2110 steuert. Bei den Einlasshüben wird Fluid den Kanälen 2118 und 2120 durch einen Einlass 2172 in dem Flächenventil 2170 zugeführt. Der Einlass 2172 steht mit einer Einlassöffnung 2174 in Fluidverbindung. Die Einlassöffnung 2174 enthält einen ersten Abschnitt 2174a, der Fluid an die Kanäle 2120 liefert, und einen zweiten Abschnitt 2174b, der Fluid an die Kanäle 2118 liefert. Der erste Abschnitt 2174a ist radial außerhalb des zweiten Abschnittes 2174b angeordnet. Bei den Pumphüben wird Fluid aus den Kanälen 2118 und 2120 durch einen Auslass 2176 in dem Flächenventil 2170 ausgestoßen. Der Auslass 2176 steht mit einer Auslassöffnung 2178 in Fluidverbindung. Die Auslassöffnung 2178 enthält einen ersten Abschnitt 2178a, über welchen das von den Kanälen 2120 ausgestoßene Fluid dem Auslass 2176 zugeführt wird, und einen zweiten Abschnitt 2178b, über welchen das aus den Kanälen 2118 ausgestoßene Fluid dem Auslass 2176 zugeführt wird. Der erste Abschnitt 2178a ist radial außerhalb des zweiten Abschnittes 2178b angeordnet.
Ferner definiert gemäß 52 der Zylinder 2116 auch sechs Strömungskanäle 2180, durch welche Fluid zu den und aus den Kanälen 2120 strömt. Die Strömungskanäle 2180 sind radial zu Öffnungsabschnitten 2174a und 2178b ausgerichtet; und Kanäle 2118 sind radial zu Öffnungsabschnitten 2174b und 2178b ausgerichtet. Wenn sich ein erstes Ende 2124a des Kolbens 2124 in dem Einlasshub befindet und ein zweites Ende 2124b des Kolbens 2124 sich im Pumphub befindet, ist der Zylinder 2116 in Drehrichtung in Bezug auf das stationäre Flächenventil 2170 so angeordnet, dass der entsprechende Kanal 2118 am ersten Ende 2124a des Kolbens 2124 zu dem Einlassöffnungsabschnitt 2174b ausgerichtet ist, und der entsprechende Strömungskanal 2180, der zu einem entsprechenden Kanal 2120 an einem zweiten Ende 2124b des Kolbens 2124 führt, zu dem Auslassöffnungsabschnitt 2178a ausgerichtet ist.
Der Zylinder 2116 definiert ferner sechs Löcher 2182 für die Aufnahme von (nicht dargestellten) Verbindungsschrauben, die die zwei Hälften 2116a, 2116b des Zylinders 2116 zusammenhalten. Der Zylinder 2116 ist zu der Ventilfläche 2170 hin vorgespannt, um eine Ventildichtung durch eine Federbelastung aufrechtzuerhalten. Gemäß 53 ist eine Flächenplatte 2190, die äußere Schlitze 2192a und innere Schlitze 2192b definiert, zwischen dem feststehenden Flächenventil 2170 und dem rotierenden Zylinder 2116 angeordnet, um als eine Lagerfläche zu dienen. Die äußeren Schlitze 2192a sind radial zu den Öffnungsabschnitten 2174a und 2178a ausgerichtet, und die inneren Schlitze 2192b sind radial zu den Öffnungsabschnitten 2174b und 2178b ausgerichtet.
Gemäß 54, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, hat eine Pumpen- oder Kompressoranordnung 2210 zum Variieren des Hubs der Kolben 2212, wie z.B. eine Pumpe mit einendigen Kolben mit einem Kolben 2212a an einem Ende und einer Führungsstange 2212b an dem gegenüberliegenden Ende, die Fähigkeit, den Hub der Kolben 2212 bis zu einem Null-Hub herunter zu variieren und die Fähigkeit, Dreh momentlasten so hoch wie ein Mechanismus mit festgelegten Hub zu verarbeiten. Die Anordnung 2210 ist mit drei Kolben dargestellt, obwohl zwei oder mehr Kolben verwendet werden können. Die Anordnung 2210 enthält einen mit den Kolben 2212 mittels eines der vorstehend beschriebenen Verfahren gekoppelten Übertragungsarm oder Übergangsarm 2214. Der Übertragungsarm 2214 enthält einen mit einem drehbaren Schwungrad 2218 gekoppelten Nasenstift 2216. Die Rotation des Schwungrades 2218 und die Linearbewegung der Kolben 2212 sind über den Übertragungsarm 2214 gemäß vorstehender Beschreibung gekoppelt.
Der Hub der Kolben 2210 und somit das Leistungsvolumen der Anordnung 2210 wird durch die Änderung des Winkels, δ, des Nasenstiftes 2216 in Bezug auf die Anordnungsachse A eingestellt. Der Winkel, δ, wird durch Drehen des Übertragungsarms 2214, Pfeil E, um die Achse F des Trägers 2220, z.B. ein Kardangelenk verändert. Das Schwungrad 2218 definiert einen gekrümmten Kanal 2220, welcher einen Lagerbock 2222 aufnimmt. Der Lagerbock 2222 ist innerhalb des Kanals 2220 verschiebbar um den Winkel, δ, zu verändern, während die Hebellänge L konstant und bevorzugt so kurz wie möglich bleibt, um hohe Lasten zu übernehmen. Innerhalb des Lagerbockes 2222 ist ein Lager 2224, z.B. ein Gleit- oder Rollenlager gelagert, welches den Nasenstift 2216 aufnimmt. Der Lagerbock 2222 besitzt eine Oberfläche 2226 mit Zahnradzähnen aus nachstehend erläuterten Gründen.
Ferner enthält gemäß 55 eine Steuerstange 2230, welche durch ein Führungsgleitlager 2231 innerhalb der zylindrischen Öffnung 2232 in der Hauptantriebswelle 2234 hindurch tritt oder davon geführt wird und mit der Antriebswelle 2234 rotiert, zum Verschieben des Lagerbockes 2222 innerhalb des Kanals 2220 eine gezahnte Oberfläche 2236, welche mit einem Ritzelzahnrad 2238 in Eingriff steht. Das Ritzelzahnrad 2238 ist mit der mit Zahnradzähnen versehenen Oberfläche 2226 des Lagerbocks 2222 gekoppelt und ist in Laufbüchsen 2240 gelagert. Eine axiale Bewegung der Steuerstange 2230 in der Richtung des Pfeils, B, bewirkt eine Drehung des Ritzelrades 2238, Pfeil C. Die Drehung des Ritzelzahnrads 2238 bewirkt ein Gleiten des Lagerbockes 2222 im Kanal 2220, Pfeil D, in Umfangsrichtung um einen um eine U-Gelenkachse F zentrierten Kreis, um somit den Winkel δ zu ändern. Der Hub der Kolben 2212 wird somit eingestellt, während das Schwungrad 2218 axial (entlang der Richtung des Pfeils B) stationär bleibt.
Die verschiedenen Ausbalancierungstechniken, Ausführungsformen mit variabler Kompression, und Kolben/Übertragungsarm-Kopplungen, die vorstehend beschrieben wurden, können in einer einzigen Maschine, Pumpe oder Kompressor integriert sein.

Claims

Vorrichtung zum Variieren des Leistungsvolumens einer Kolbenbaugruppe mit mindestens zwei Kolben (2212), wobei die Vorrichtung einen Übergangsarm (2214) umfasst, der an jeden der Kolben gekoppelt ist und einen Nasenstift (2216) einschließt; und mit einem drehbar beweglichen Element (2218), das an den Nasenstift des Übergangsarms gekoppelt ist, DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS das drehbar bewegliche Element einen bogenförmigen Kanal (2220) definiert, wobei sich der Nasenstift dort entlang befindet, die radiale Position des Nasenstifts (2216) relativ zur Drehachse des drehbar beweglichen Elements (2218) einstellbar ist, während das drehbar bewegliche Element axial stationär bleibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die einen Lagerbock (2222) einschließt, der konfiguriert ist innerhalb des bogenförmigen Kanals (2220) zu gleiten.
Vorrichtung nach Anspruch 2 wobei der Kanal (2220) so geformt ist, dass der Lagerbock (2222) einen Kreisumfang entlang gleitet.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, die ein Lager (2224) einschließt, das im Lagerbock (2222) zur Aufnahme des Nasenstifs (2216) montiert ist.
Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 2 bis 4 wobei der Lagerbock (2222) Getriebeverzahnung (2226) einschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, die ein Antriebszahnrad (2238) einschließt, das in die Lagerbockverzahnung (2226) eingreift, um ein Gleiten des Lagerbocks (2222) im Kanal (2220) zu betätigen.
Vorrichtung nach einem beliebigen vorherigen Anspruch wobei das drehbar bewegliche Element (2218) konfiguriert ist, einen Hub jedes der mindestens zwei Kolben auf einen Nullhub zu variieren.
Vorrichtung nach einem beliebigen vorherigen Anspruch wobei die Kolben einseitige Kolben umfassen, die einen Kolben (2212a) an einem Ende und eine Führungsstange (2212b) am entgegengesetzten Ende haben.
Verfahren zum Variieren des Leistungsvolumens einer Kolbenbaugruppe, die mindestens zwei Kolben (2212) und einen Übergangsarm (2214) einschließt, wobei der Übergangsarm einen Nasenstift (2216) einschließt; und ein drehbar bewegliches Element (2218) an den Nasenstift des Übergangsarms gekoppelt ist, DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS das drehbar bewegliche Element einen bogenförmigen Kanal (2220) definiert, das Verfahren das Bewegen des Nasenstifts entlang des bogenförmigen Kanals relativ zur Drehachse des drehbar beweglichen Elements (2218) umfasst, während das drehbar bewegliche Element axial stationär bleibt, um das Leistungsvolumen der Kolbenbaugruppe zu variieren.