DE69733403T2

DE69733403T2 - Hin-und hergehende maschine

Info

Publication number: DE69733403T2
Application number: DE69733403T
Authority: DE
Inventors: Carmeli Adahan
Original assignee: Newport Medical Instruments Inc
Current assignee: Newport Medical Instruments Inc
Priority date: 1996-04-16
Filing date: 1997-04-03
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2017-04-04
Also published as: UA37285C2; CA2228092C; US5762480A; AU2175797A; EP0846226A1; CN1073212C; WO1997039241A1; ATE296957T1; CA2228092A1; GEP20002196B; EA000159B1; EP0846226A4; CN1195391A; EA199800069A1; AU720027B2; EP0846226B1; DE69733403D1

Description

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, eine verbesserte hin- und herbewegbare Maschine zur Verfügung zu stellen sowie einen zugeordneten Wandlermechanismus für die Wandlung von einer Dreh- in eine lineare Bewegung oder umgekehrt, bei der die am hin- und herbewegbaren Element, wie einem Kolben, aufgebrachten Kräfte im wesentlichen derart linear oder axial sind, daß im wesentlichen keine seitlichen Kräfte zwischen dem Kolben und dem Zylinder auftreten.
Die vorliegende Erfindung will ferner eine hin- und herbewegbare Maschine zur Verfügung stellen, deren Kolben in der Nähe der Position des oberen Totpunktes eine signifikante Geschwindigkeitsverringerung erfährt, um dadurch die Geräusche der Ventile und ihre Abnutzung an der Maschine erheblich zu verringern und um außerdem ihre Leistungsfähigkeit zu erhöhen.
Die vorliegende Erfindung will ferner eine hin- und herbewegbare Maschine zur Verfügung stellen, die deutlich effizienter ist als die aus dem Stand der Technik (beispielsweise der US-A-3 633 429) bekannten, indem sie einen erhöhten Fluidumsatz pro Umdrehung vorsieht, wenn die Drücke am Kolbenkopf niedrig sind, und dadurch bei Verwendung eines konstanten Leistungsniveaus höhere Fluidströme ermöglicht.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird zwischen einer Antriebsvorrichtung und einer angetriebenen Vorrichtung ein Bewegungswandlermechanismus bereitgestellt, um eine Drehbewegung in einer Vorrichtung und eine Hin- und Herbewegung in der anderen Vorrichtung zu bewirken, einschließlich eines Gehäuses; ein hin- und herbewegbares Element ist für eine Hin- und Herbewegung entlang einer Längsachse gehaltert und mit einem ersten Ende ausgestattet, das mit einer der Vorrichtungen verbindbar ist; ein Drehelement ist für eine Drehbewegung um eine Drehachse gehaltert und mit der anderen der Vorrichtungen verbindbar; und ein Kurbelarm mit einem ersten Ende, das gelenkig mit dem Drehelement verbunden ist und mit einem zweiten Ende, das gelenkig mit dem hin- und herbewegbaren Element verbunden ist: dadurch gekennzeichnet, daß der besagte Bewegungswandlermechanismus ein Ausrichtungselement umfaßt, das sich senkrecht von der Längsachse erstreckt und das ein erstes Ende aufweist, das gelenkig mit dem hin- und herbewegbaren Element verbunden ist, und ein zweites Ende, das gelenkig mit dem Gehäuse verbunden ist, derart, daß das hin- und herbewegbare Element in einer im wesentlichen koaxialen Ausrichtung zur Längsachse gehaltert ist, und um dadurch im wesentlichen eine seitliche Belastung des hin- und herbewegbaren Elementes während seiner Hin- und Herbewegungen zu verhindern.
Gemäß weiterer Merkmale der bevorzugten Ausführungsformen der nachfolgend beschriebenen Erfindung umfaßt das hin- und herbewegbare Element das hin- und herbewegbare Element eine senkrechte Verlängerung; das zweite Ende des Kurbelarmes ist gelenkig mit dem hin- und herbewegbaren Element an dessen Schnittpunkt mit der senkrechten Verlängerung verbunden; und das erste Ende des Ausrichtungselementes ist gelenkig mit einem äußeren Ende der senkrechten Verlängerung des hin- und herbewegbaren Elementes verbunden. Zusätzlich ist die Drehachse des Drehelementes zwischen den gegenüberliegenden Enden des hin- und herbewegbaren Elementes derart angeordnet, daß das erste Ende des Kurbelarmes mit der Längsachse des hin- und herbewegbaren Elementes ausgerichtet ist in einer Position zwischen dem ersten Ende des hin- und herbewegbaren Elementes und dem zweiten Ende des Kurbelarmes, um dadurch eine Verringerung der axialen Geschwindigkeit des besagten hin- und herbewegbaren Elementes in der Nähe der Position seines äußeren Totpunktes zu bewirken. Die Drehachse des Drehelementes kann selektiv in einer vorbestimmten Position seitlich der Längsachse des hin- und herbewegbaren Elementes derart positioniert werden, daß der Betrag der Verschiebungen des hin- und herbewegbaren Elementes während seiner Hin- und Herbewegungen veränderbar ist.
Verschiedene Ausführungsformen werden beschrieben, bei denen der Mechanismus in einer Kolben-Zylinder-Anordnung einer Pumpe angeordnet ist, die durch eine externe Antriebsvorrichtung angetrieben wird. Jedoch umfassen viele andere mögliche Anwendungen der Erfindung, auf die in der unten stehenden Beschreibung Bezug genommen wird, Fluidmotoren, die ein unter Druck stehendes Fluid nutzen, um eine Last anzutreiben, und Verbrennungsmaschinen, um eine Last anzutreiben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung soll vollständig anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung verstanden und gewürdigt werden, die zusammen mit den Zeichnungen zu sehen ist, in denen:
1 eine Querschnittsansicht einer hin- und herbewegbaren Maschine ist, die in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist und die als elektrisch angetriebene Pumpe funktioniert;
2A eine Detailansicht der hin- und herbewegbaren Maschine gemäß 1 ist, betrachtet in Richtung des Pfeiles 2 in dieser, wobei sich deren Kolben am vorderen Ende seines Weges befindet;
2B eine Ansicht ist, die derjenigen gemäß 2A entspricht, die aber den Kolben nah am hinteren Ende seines Weges zeigt;
3A eine graphische Darstellung der Kolbengeschwindigkeit über der Kolbenposition ist;
3B(i) ein Diagramm eines Systems gemäß dem Stand der Technik ist;
3B(ii) ein Diagramm eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
4A eine Ansicht ist, die derjenigen gemäß 2B ähnlich ist, die aber teilweise geschnitten ist, um die Antriebswelle der darin enthaltenen Antriebsquelle in einer ersten Position zu zeigen, mit einen maximal möglichen Kolbenweg;
4B eine Ansicht ist, die derjenigen gemäß 4A ähnlich ist, bei der sich aber die Antriebswelle in der zweiten Position 2 befindet, mit einem verringerten verfügbaren Kolbenweg, und
5 eine Querschnittsansicht einer hin- und herbewegbaren Maschine ist, die in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist und die als elektrisch angetriebene Doppelhub-Pumpe funktioniert.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Indem nunmehr auf die 1, 2A und 2B verwiesen wird, ist dort eine hin- und herbewegbare Maschine vorgesehen, die allgemein mit 10 bezeichnet ist und die für die Wandlung einer linearen Bewegung in eine Drehbewegung oder umgekehrt eingesetzt wird. Generell hat die Maschine 10 ein erstes Ende 12, das vorzugsweise mit einem Reservoir für ein Arbeitsfluid (nicht dargestellt) verbunden ist, und ein zweites Ende 14, das mit einer Drehantriebsvorrichtung verbunden ist, die mit 16 bezeichnet ist. Wie aus 1 ersichtlich, weist die Antriebsvorrichtung 16 ein drehbares Bewegungswandlerelement 18 auf. Im vorliegenden Beispiel wird die Maschine 10 durch eine Pumpe veranschaulicht, wobei die Antriebsvorrichtung 16 ein Elektromotor ist, der eine Antriebswelle 20 aufweist, auf der ein Drehelement in Form eines Schwungrades 22 angebracht ist, das mit dem Bewegungswandlerelement 18 verbunden ist und das dazu dient, das Bewegungswandlerelement 18 zu drehen, um dadurch einen Pumpenkopf am ersten Ende 12, das mit dem Reservoir für das Arbeitsfluid zusammenwirkt, zu bilden.
Es sei verstanden, daß gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung das Arbeitsfluid die Funktion hat, die Maschine 10 anzutreiben, so daß die Antriebsvorrichtung 16 keine Leistung an die Maschine abgibt, sondern selbst durch die Maschine angetrieben wird und dazu verwendet wird, Leistung an eine externe Vorrichtung abzugeben. In diesem Beispiel kann die Antriebsvorrichtung 16 jede mögliche Art von Motor oder elektrischem Generator sein.
Während die Maschine 10 gemäß der Erfindung derart veranschaulicht ist, daß deren erstes Ende 12 mit einem Arbeitsfluid verbunden ist, ist auch vorgesehen, daß die vorliegende Erfindung als eine andere Art von Maschine genutzt werden kann, in der ein Arbeitselement durch die Maschine über ein hin- und herbewegbares Element angetrieben wird. Solch eine Maschine könnte zum Beispiel eine Nähmaschine oder jede mögliche andere Maschine sein, in der eine Hin- und Herbewegung eines Arbeitselementes gewünscht wird. In diesem Fall würde das hin- und herbewegbare Element entlang eines linearen Weges von einem Führungselement geführt.
Unter Rückbezug auf das vorliegende Beispiel besteht die hin- und herbewegbare Maschine aus einem unteren Gehäuseteil 11 und einem oberen Gehäuseteil 13, die zusammen gedichtet werden und die am ersten Ende 12 durch eine Ventilplatte 15 verschlossen werden. Ein Zylinder 24 mit einer Längsachse 26 ist im unterem Gehäuseteil 11 angeordnet und an diesem befestigt. Der Zylinder 24 hat ein erstes Ende 28, das in der Nähe des ersten Endes 12 der Maschine liegt, und ein zweites Ende 30. Der Ein- und Auslaß für das Arbeitsfluid, mit 32 beziehungsweise 34 bezeichnet (1), befinden sich am ersten Ende 28, und jeder der beiden wird mit einem Einweg-Schirmventil versehen, wobei diese mit 32' beziehungsweise 34' bezeichnet sind.
Ein Kolben 36 befindet sich im Zylinder 24 und ist für eine lineare Hin- und Herbewegung entlang der Längsachse 26 zwischen den ersten und zweiten Enden 28 beziehungsweise 30 des Zylinders 24 ausgelegt. Außerdem ist ein hin- und herbewegbares Element in Form einer Pleuelstange 38 vorgesehen mit einem ersten Ende 40, das über ein Gelenk 42 mit dem Kolben 36 verbunden ist. Eine Pleuelstange 38 weist ebenfalls eine senkrechte Verlängerung 44 auf, die sich seitlich vom Rest der Pleuelstange 38 über ein Winkelstück 46 erstreckt, und wird durch ein zweites Ende 48 begrenzt.
Es sei verstanden, daß in einer Ausführungsform, in welcher die Maschine 10 nicht mit einem Arbeitsfluid verbunden ist, der Kolben 36 ein zugehöriges Arbeitselement (nicht gezeigt) aufweist und als Antriebselement funktioniert, wobei der Zylinder 24 nur als lineare Führung wirkt.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist ein Gestängesystem zwischen der Pleuelstange 38 und dem Bewegungswandlerelement 18 für die Wandlung zwischen der linearen Bewegung des Kolbens 36 und der Drehbewegung des Bewegungswandlerelementes 18 angeordnet. Das Gestängesystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist durch eine Anzahl von Gelenken gekennzeichnet, die derart wirken, daß sie im wesentlichen alle jene Kraftkomponenten aufnehmen, die aus der Drehung des Bewegungswandlerelementes 18 resultieren und die in Bezug auf die Längsachse 26 nicht-axial sind, und dadurch die Pleuelstange 38 in der im allgemeinen koaxialen Ausrichtung mit der Längsachse 26 halten und dadurch eine seitliche Belastung des Kolbens 6 während seines Weges im Zylinder 24 im wesentlichen verhindern.
Es wird ersichtlich, daß das Gestängesystem gemäß der vorliegenden Erfindung hauptsächlich aus einem Kurbelelement 50 und einem Ausrichtungselement 52 besteht. Das Kurbelelement oder der Arm 50 weist ein erstes Ende 54 auf, das über ein erstes Gelenk 56 mit dem Bewegungswandlerelement 18 verbunden ist, um damit rotatorisch durch dieses angetrieben zu werden, und weiterhin ein zweites Ende 58, das über ein zweites Gelenk 60 mit dem Winkelstück 46 der Pleuelstange 38 verbunden ist. Das Ausrichtungselement 52 besitzt typischerweise eine im allgemeinen u-förmige Konfiguration und weist ein erstes und ein zweites Ende, mit 62 beziehungsweise 64 bezeichnet, auf. Das erste Ende 62 des Ausrichtungselementes 52 ist über ein drittes Gelenk 66 mit dem zweiten Ende 48 der senkrechten Verlängerung 44 der Pleuelstange 38 verbunden, und das zweite Ende 64 des Elementes 52 ist über ein viertes Gelenk 68 mit dem unteren Gehäuseteil 11 verbunden. Wie ersichtlich, erstreckt sich das Ausrichtungselement 52 vorzugsweise quer über der Längsachse 26, um auf diese Weise zur Kompaktheit des Maschinenaufbaus beizutragen.
Er ist von besonderer Bedeutung, daß das erste, zweite, dritte und vierte Gelenk, mit 56, 60, 66 beziehungsweise 68 bezeichnet, erste, zweite, dritte beziehungsweise vierte Gelenkachsen bilden, die mit 56', 60', 66' beziehungsweise 68' bezeichnet sind und die quer, vorzugsweise senkrecht, zur Längsachse 26 angeordnet sind. Es ist auch vorteilhaft, daß, wie in der erläuterten Ausführungsform zu sehen ist, das erste Ende 40 der Pleuelstange 38 mit dem Kolben 36 über das Gelenk 42, das eine fünfte Gelenkachse 42' bildet, parallel zur beschriebenen ersten, zweiten, dritten beziehungsweise vierten Gelenkachse angeordnet ist, und daß das erste Ende 40 der Pleuelstange 38 mit dem Gelenk 42 verbunden ist, um so entlang der Gelenkachse 42' verschiebbar zu sein. Vorzugsweise werden sowohl das erste, zweite, dritte als auch das vierte Gelenk durch Kugellagerkonstruktionen gebildet.
Es wurde bereitst erwähnt, daß das erste Ende 62 des Ausrichtungselementes 52 schwenkbar mit dem zweiten Ende 48 der Pleuelstange 38 verbunden ist und daß das zweite Ende 64 des Ausrichtungselementes 52 schwenkbar mit dem unteren Gehäuseteil 11 verbunden ist. Wie schon gezeigt und wie insbesondere aus den 2A und 2B ersichtlich, erstreckt sich das Ausrichtungselement quer über der Längsachse 26 der Pleuelstange 38 derart, daß eine Linie durch die zwei Gelenkenden 66, 68 des Ausrichtungselementes den Winkel α in einer Richtung in Bezug auf die Achse 26 in einer Begrenzungsposition der Pleuelstange einschließt, und den gleichen Winkel α in der entgegengesetzten Richtung in Bezug auf die Achse 26 in der gegenüberliegenden Begrenzungsposition der Pleuelstange. Demgemäß wird, wenn die Maschine betrieben wird, so daß das Kurbelelement 50, wie durch den Pfeil 70 angezeigt (2A und 2B), gedreht wird, um dadurch eine Hin- und Herbewegung der Pleuelstange 38 zu bewirken, das erste Ende 62 des Ausrichtungselementes 52 den vorgegebenen Winkel α (2A und 2B), typischerweise in der Größenordnung von 5–25°, überstreichen. Der exakte Winkel hängt von den relativen Abmessungen der Maschinenkomponenten ab. Diese Schwenkbewegung bewirkt, daß die Bewegung der Pleuelstange 38 im wesentlichen entlang der Längsachse 26 erfolgt. Es ist folglich erkennbar, daß jegliche seitliche Belastung, die ansonsten durch das Kurbelelement 50 auf die Pleuelstange 38 ausgeübt werden würde, im wesentlichen vom Ausrichtungselement 52 aufgenommen wird und statt dessen an das untere Gehäuseteil 11 abgeleitet wird. Die verbleibenden Kräfte, die im wesentlichen axial sind, werden auf die Pleuelstange 38 und folglich auch auf den Kolben 36 übertragen.
Bei einem Betrieb als Pumpe bewegt sich der Kolben 36 zum hinteren Ende seines Weges, wie in 2B veranschaulicht, er zieht dabei über das Einweg-Schirmventil 32' ein Arbeitsfluid durch den Einlaß 32 und in den Zylinder 24. Bei seinem Rückhub pumpt der Kolben 36 das Arbeitsfluid durch das Einweg-Schirmventil 34' aus dem Auslaß 34 heraus. Es sei angemerkt, daß die beschriebene Maschine 10, wenn sie als Pumpe benutzt wird, entweder benutzt werden kann, um einen hohen positiven Druck am Auslaß 34 zu erzeugen oder um ein Vakuum am Einlaß 32 zu erzeugen.
Ein mit dem Stand der Technik vertrauter Fachmann wird erkennen, daß die oben beschriebene hin- und herbewegbare Maschine auch als Motor, z. B. als benzinbetriebener Verbrennungsmotor, arbeiten kann, bei dem, statt daß der Kolben ein Arbeitsfluid beaufschlagt (wie in der beschriebenen Pumpenausführung), eine andere Ventilanordnung eingesetzt wird, um den Kolben statt dessen in einer Hin- und Herbewegung anzutreiben. In einem Fall, bei dem die Maschine als Motor eingesetzt wird, kann, in einem lediglich nicht einschränkenden Beispiel, dort ein elektrischer Generator anstelle des erläuterten Elektromotors 16 eingesetzt werden.
Ein mit dem Stand der Technik vertrauter Fachmann wird ferner erkennen, daß, wenn die Konstruktionen gemäß dem Stand der Technik Kolbenstangenführungen einsetzen, um eine seitliche Belastung auf den Kolben zu vermeiden, diese lineare Stangenlager darstellen, die es erfordern, daß der Mechanismus sehr lang ausgebildet ist; und die auch teuer sind und sehr hohe Kräfte aufweisen.
Es sei insbesondere angemerkt, daß das einzigartige Gestängesystem der vorliegenden Erfindung eine Gesamtanzahl von fünf Gelenkpositionen umfaßt, von denen eine eine doppelte Funktion als radiales Gleitlager hat, die gemeinsam eine seitliche Belastung des Kolbens 36 verhindern. Die beschriebene Verwendung von Gelenken, und insbesondere von Kugellagergelenken, wie gezeigt und oben beschrieben, ist sehr effizient, spielfrei und folglich ruhig.
Außerdem ist, anders als bei herkömmlichen Kurbelsystemen, bei denen ein Antriebsmotor (entsprechend dem Motor 16 in den 1, 2A und 2B) in einem verhältnismäßig großen Abstand vom Kolben 36 plaziert ist und so eine verhältnismäßig lange Maschinenanordnung erfordert, die Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung aufgrund des einzigartigen Aufbaus des Gestänges, das zwischen dem Motor 16 und dem Kolben 36 angeordnet ist, extrem kompakt, ohne den Vorteil eines langen Kolbenweges aufzugeben.
Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist das Vorsehen einer sehr langsamen Bewegung des Kolbens 36, wie aus dem Diagramm gemäß 3A ersichtlich, in der Nähe der Position des äußeren Totpunktes (TDC), d.h., wenn sich der Kolben 36 am obersten Ende des Zylinders 24 befindet, wie in 2A ersichtlich. In dieser Position kehren die Ventile normalerweise ihre Funktion vom geöffneten in den geschlossenen Zustand oder umgekehrt um.
Mit Bezug auf das Diagramm gemäß 3A in Verbindung mit den Diagrammen gemäß 3B(i), die ein System gemäß dem Stand der Technik darstellen, und in 3B(ii), die die Maschine 10 gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen, wird klar ersichtlich, daß bei der Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung der Kolben 36 bei TDC –90° eine signifikante Verlangsamung, verglichen mit dem Stand der Technik, erfährt; der Unterschied bezüglich der jeweiligen Kolbengeschwindigkeiten wird durch die Bereiche angezeigt, die durch die vertikale Schraffur kenntlich gemacht sind. Es ist ersichtlich, daß im Bereich 90° – 270° der Kolben 36 eine signifikante Beschleunigung verglichen mit dem Stand der Technik erfährt; diese Beschleunigung im Vergleich zu dem System gemäß dem Stand der Technik wird durch die Bereiche angezeigt, die durch die horizontale Schraffur kenntlich gemacht sind. Demgemäß ist, während die gesamte Kolbenübersetzung beibehalten wird, die Verteilung über den Kolbenzyklus und folglich deren Ausnutzung in der vorliegenden Erfindung wesentlich effizienter als in dem System gemäß dem Stand der Technik, wie unten beschrieben.
Es ist extrem vorteilhaft, daß die Bewegung des Kolbens in der Nähe des TDC verlangsamt ist, da dieses zusätzliche Zeit gewährt für die vollständige Öffnung oder das vollständige Schließen der Ventile und so die Effizienz erhöht. Dieses verringert außerdem den Geräuschpegel der Ventile und deren Abnutzung und ermöglicht es weiterhin, eine kleine Pumpe oder einen Motor mit höherer Drehzahl zu betreiben und folglich eine höhere Leistung zur Verfügung stellen. Mit anderen Worten ergibt die oben beschriebene Verlangsamung des Kolbens am TDC eine viel leistungsfähigere Ventilanordnung, während die Öffnung und das Schließen der Ventile über einen viel längeren Teil des Zyklus, verglichen mit einer herkömmlichen Kurbeleinheit, wie in einer benzingetriebenen Verbrennungsmaschine, erfolgen kann. Dieses ermöglicht einen erhöhten Fluiddurchsatz pro Umdrehung im Vergleich zu bekannten Pumpen.
Dieses Merkmal resultiert aus der Beaufschlagung des Kurbelelementes 50 durch das Bewegungswandlerelement 18 (oder umgekehrt). Insbesondere ergibt sich am TDC eine große Drehbewegung über einen großen Winkelbereich sowohl des Schwungrades 22 als folglich auch des Bewegungswandlerelementes 18. Da in der Nähe des TDC das Ende 54 des Kurbelelementes 50 mit der Achse 26 der Pleuelstange 38 in einer Position zwischen ihrem Ende 40 und ihrer Anlenkung 60 an das Kurbelelement ausgerichtet ist, besteht ein nur geringes axiales Spiel der Pleuelstange 38, wenn das Kurbelelement 50 zusammen mit dem Bewegungswandlerelement 18 einen Bogen überstreicht und dadurch eine Verringerung der axialen Geschwindigkeit der Pleuelstange bewirkt.
Die vorliegende Erfindung ist weiterhin durch ihre bauliche Gestaltung gekennzeichnet. Insbesondere ist das untere Gehäuseteil 11 mit dem Gehäuse des Motors 16 verbunden und bildet ferner eine Unterstützung für das vierte Gelenk 68 und eine Aufnahme für den Zylinder 24. Der obere Teil 13 des Gehäuses stellt im wesentlichen eine Abdeckung für den unteren Gehäuseteil 11 dar und ist für den Betrieb der Maschine 10 nicht erforderlich. Eine Ventilplatte 15 ist mit Schrauben 72 mit dem oberen Teil 13 des Gehäuses und dem unteren Gehäuseteil 11 verbunden (2A und 2B).
Unter Bezug nunmehr auf die 4A und 4B ist ersichtlich, daß der Kolbenweg und folglich der Pumpenweg verringert werden kann, wenn die Mitte des Motors 16 von der Position A (4A) in radialer Richtung nach außen und vorn in der Richtung des Pfeiles C (4A) zur Position B (4B) verlagert wird.
Wie in 4A ersichtlich wird, ist die Ausgangswelle 20 zunächst so ausgerichtet, daß ihre Drehachse 21 die Längsachse 26 schneidet. In dieser Position bewegt sich der Kolben 36 entlang der kompletten axialen Länge des Zylinders 24 und ermöglicht so den maximalen Weg für die Maschine. In 4B ist jedoch erkennbar, daß die Position der Ausgangswelle 20 derart in radialer Richtung nach außen und vorn verlagert, daß die Drehachse 21 die Längsachse 26 nicht länger schneidet. In dieser Position liegt die rückwärtigste Position des Kolbens 36 vor dem hinteren Ende 25 des Zylinders 24, so daß der Kolbenweg oder -hub verkürzt wird.
Die Justage der Ausgangswelle erfolgt, indem die relativen Positionen der gesamten Energiequelle 16 im Verhältnis zu dem Gehäuseteil 11 verändert wird. Dies kann entweder dadurch geschehen, daß einige Gewindebohrungen, wie schematisch bei 80 und 80' in den 4A und 4B gezeigt, vorgesehen werden, in die Schraubenbolzen 82 eingesetzt werden können, oder durch jeden anderen geeigneten Mechanismus.
Diese Verschiebung der Ausgangswelle 20 in Bezug auf die Achse 26 und den Kolben 36 verringert den Weg des Kolbens, ohne den TDC zu ändern, dadurch kann die Pumpe höhere Druck- oder Vakuumniveaus erzeugen, ohne daß eine Zunahme der elektrischen Leistungsaufnahme erfolgt. Anders als herkömmliche Kurbelmechanismen verändern sich weder die Ausrichtung der Pleuelstange 38 des Kolbens noch die seitlichen Kräfte auf diese, da diese beiden Faktoren vom Ausrichtungselement 52 gesteuert werden.
Bezug wird jetzt auf 5 genommen, in der eine elektrisch angetriebene Umkehr- oder Doppelhub-Pumpe gezeigt ist, die allgemein mit 100 bezeichnet ist. Im allgemeinen ist die Pumpe 100 ähnlich der oben gezeigten und in Verbindung mit den 1 – 3 beschriebenen Pumpe 10 und wird daher hier nicht erneut im Detail beschrieben. Die Komponenten der Pumpe 100, die in den 1 – 2B dargestellt sind, sind in 5 mit entsprechenden Bezugsziffern unter Hinzufügung eines Suffixes (') bezeichnet.
Die Pumpe 100 unterscheidet sich von der Pumpe 10 dadurch, daß sie als Umkehrpumpe konstruiert ist und folglich eine Ventilplatte 15' an beiden Enden hat. Demgemäß pumpt der Kolben 36' Flüssigkeit in beide Richtungen, um dadurch die Pumpenkapazität, verglichen mit derjenigen der Maschine 10, zu verdoppeln.
Es ist ersichtlich, daß ein rückwärtiger Teil des Gehäuses, allgemein mit 102 bezeichnet, in dem die Kurbeleinheit angeordnet ist, ein verhältnismäßig großes Volumen im Vergleich zum Volumen des Zylinders 24' hat. Wegen des verhältnismäßig großen Volumens des rückwärtigen Gehäuseteiles 102 hört der Kolben 36 auf dem Rückweg auf zu pumpen, wenn der Druck in Gehäuseteil 102 eine vorbestimmte Größe erreicht, und komprimiert so während des Rückhubes das Arbeitsfluid lediglich und gibt es frei. Das Innere des rückwärtigen Gehäuseteiles 102 ist, zusammen mit dem übrigen Teil des Gehäuses, hermetisch gedichtet, um als Erweiterung des Volumens des Zylinders 24' zu dienen. Dieses wird durch das Vorhandensein der großen Öffnung 104 erleichtert, die zwischen dem rückwärtigen Gehäuseteil 102 und dem Kolben 36' vorgesehen ist, und durch die sich die Pleuelstange 38' erstreckt.
Diese effektive Erweiterung wird verwendet, um bei geringem Druck oder bei Vakuum den Durchfluß zu verdoppeln, wobei sich dieser zusätzliche Durchfluß vermindert, wenn der Druck oder das Vakuum ansteigt. Demzufolge verbraucht die Pumpe 100 die gleiche Leistung wie eine einfache Pumpe bei hohen Vakuum- oder Druckniveaus wie die Doppelhub-Pumpe mit dem zusätzlichen Nutzen erhöhter Durchflüsse bei niedrigen Druck-/Vakuumniveaus und bei kleinerem Mechanismus, Pumpe und Motor.
Beim Stand der Technik wird im allgemeinen versucht, den Zylinder gegenüber dem Rest des Maschinengehäuses zu dichten, so daß in vielen Fällen auch eine dynamische Dichtung der Pleuelstange oder der Kolbenstange im Gehäuse erforderlich ist. Es ist folglich vorteilhaft, daß es in der vorliegenden Ausführungsform, wie beschrieben, nicht nur nicht erforderlich ist, eine dynamische Dichtung vorzusehen, sondern daß das rückwärtige Volumen als zusätzliches Arbeitsvolumen genutzt wird, dadurch wird der Fluiddurchsatz der Maschine erhöht.
Es ist vorteilhaft, daß wegen der vernachlässigbaren seitlichen oder radialen Kräfte zwischen dem Kolben 36 (36') und dem Zylinder 24 (24') in allen beschriebenen Ausführungsformen der hin- und herbewegbaren Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung der Zylinder und der Kolben nicht geschmiert zu werden brauchen, ohne daß die Gefahr einer Abnutzung bestünde. Der schmiermittelfreie Mechanismus mit geringer Reibung liefert eine vom Stand der Technik unübertroffene Leistungsfähigkeit beim Pumpen mit erheblich weniger Wärmeerzeugung und ohne die Notwendigkeit einer Zwangskühlung.
Der mit dem Stand der Technik vertraute Fachmann wird erkennen, daß die vorliegende Erfindung nicht durch das vorstehend Gezeigte und Beschriebene eingeschränkt ist, da dies lediglich ein illustratives Beispiel darstellt. Statt dessen wird der Bereich der vorliegenden Erfindung nur durch die nachfolgenden Ansprüche definiert:

Claims

Ein zwischen einer Antriebsvorrichtung (16) und einer angetriebenen Vorrichtung (10) anzuordnender Bewegungswandlermechanismus, um eine Drehbewegung in einer Vorrichtung und eine Hin- und Herbewegung in der anderen Vorrichtung zu erzeugen, mit: einem Gehäuse (11, 13) einem hin- und herbewegbaren Element (38) das für eine Hin- und Herbewegung entlang einer Längsachse (26) angeordnet ist und das ein erstes Ende (42) aufweist, das mit einem Ende der Vorrichtungen (16) verbindbar ist; ein Drehelement (22), das für eine Drehbewegung um eine Drehachse (21) gehaltert und das mit der anderen der Vorrichtungen (16) verbindbar ist; einem Kurbelarm (50) mit einem ersten Ende (54), das gelenkig mit dem besagten Drehelement (22) verbunden ist, und einem zweiten Ende (58), das gelenkig mit dem besagten hin- und herbewegbaren Element (38) verbunden ist; und dadurch gekennzeichnet, daß der besagte Bewegungswandlermechanismus ein Ausrichtungselement (52) umfaßt, das sich senkrecht von der besagten Längsachse (26) erstreckt und das ein erstes Ende (62) aufweist, das gelenkig mit dem besagten hin- und herbewegbaren Element (38) verbunden ist, und ein zweites Ende (64), das gelenkig mit dem besagten Gehäuse (11) verbunden ist, derart, daß das besagte hin- und herbewegbare Element (38) in einer im wesentlichen koaxialen Ausrichtung zur besagten Längsachse (26) gehaltert wird, und um dadurch eine seitliche Belastung des besagten hin- und herbewegbaren Elementes (38) während seiner Hin- und Herbewegungen im wesentlichen zu verhindern.
Ein Mechanismus gemäß Anspruch 1, wobei: das besagte hin- und herbewegbare Element (38) eine senkrechte Verlängerung (44) aufweist; das besagte zweite Ende (58) des besagten Kurbelarmes (50) gelenkig mit dem besagten hin- und herbewegbaren Element (38) an seinem Schnittpunkt mit der besagten senkrechten Verlängerung (42) verbunden ist; und das besagte erste Ende (62) des besagten Ausrichtungselementes (52) gelenkig mit einem äußeren Ende der besagten senkrechten Verlängerung (44) des besagten hin- und herbewegbaren Elementes (38) verbunden ist.
Ein Mechanismus gemäß Anspruch 1, wobei die besagte Drehachse des besagten Drehelementes (22) derart angeordnet ist, daß in der Nähe der Position des äußeren Totpunktes des besagten hin- und herbewegbaren Elementes (38) das besagte erste Ende (54) des besagten Kurbelarmes (50) mit der besagten Längsachse (26) des besagten hin- und herbewegbaren Elementes (38) in einer Position zwischen dem besagten ersten Ende (42) des besagten hin- und herbewegbaren Elementes (38) und der besagten Kupplung desselben mit dem besagten zweiten Ende des besagten Kurbelarmes (50) ausgerichtet ist, wodurch eine Verringerung der axialen Geschwindigkeit des besagten hin- und herbewegbaren Elementes in der Nähe der Position seines äußeren Totpunktes bewirkt wird.
Ein Mechanismus gemäß Anspruch 3, wobei die besagte Drehachse (21) des besagten Drehelementes (22) selektiv in einer vorbestimmten Position seitlich der besagten Längsachse des besagten hin- und herbewegbaren Elementes (38) derart positionierbar ist, daß der Betrag der Verschiebungen des besagten hin- und herbewegbaren Elementes (38) während seiner Hin- und Herbewegungen veränderbar ist.
Ein Mechanismus gemäß Anspruch 1, wobei alle besagten gelenkigen Kupplungen (56, 60, 66, 68) entlang von Achsen parallel zueinander und senkrecht zur besagten Längsachse (26) ausgerichtet sind.
Ein Mechanismus gemäß Anspruch 1, wobei das besagte erste Ende (42) des besagten hin- und herbewegbaren Elementes (38) mit einem Kolben (36) verbunden ist, der in einem Zylinder (24) einer Kolben-Zylinder-Anordnung hin- und herbewegbar ist.
Ein Mechanismus gemäß Anspruch 6, wobei der besagte Kolben (36) gelenkig mit dem besagten ersten Ende (12) des hin- und herbewegbaren Elementes (38) verbunden ist.
Ein Mechanismus gemäß Anspruch 6, wobei das besagte Drehelement (22) mit einer Antriebsvorrichtung (16) zum Antrieb des besagten Kolbens (36) der Kolben-Zylinder-Anordnung (36, 24) in einer Flüssigkeitspumpe verbunden ist.
Ein Mechanismus gemäß Anspruch 8, wobei die besagte Flüssigkeitspumpe eine Doppelhub-Pumpe ist, in der das besagte hin- und herbewegbare Element (38) an jedem der beiden gegenüberliegenden Enden des hin- und herbewegbaren Elementes (38) mit einer Kolben-Zylinder-Anordnung (36, 24) verbunden ist.
Ein Mechanismus gemäß Anspruch 9, wobei der Zylinder (24) in der Kolben-Zylinder-Anordnung an einem Ende des hin- und herbewegbaren Elementes (38) flüssigkeitgsgekuppelt mit und von größerem Volumen als der Zylinder (24) in der Kolben-Zylinder-Anordnung am anderen Ende des hin- und herbewegbaren Elementes (38) ist.
Ein Mechanismus gemäß Anspruch 6, wobei die besagte Kolben-Zylinder-Anordnung (36, 24) eine Antriebsvorrichtung zum Antrieb des besagten Drehelementes (22) bildet.
Ein Mechanismus gemäß Anspruch 11, wobei die besagte Kolben-Zylinder- Antriebsvorrichtung (36, 24) in einem Fluid-Motor angeordnet ist, der eine unter Druck stehende Flüssigkeit für den Antrieb des besagten Drehelementes (22) verwendet.
Ein Mechanismus gemäß Anspruch 12, wobei die besagte Kolben-Zylinder- Antriebsvorrichtung (36, 24) eine benzingetriebene Verbrennungsmaschine ist.
Eine hin- und herbewegbare Maschine mit: einem Gehäuse (11, 13); einer Kolben-Zylinder-Anordnung (36, 24) mit einem Zylinder (24) und einem Kolben (36), wobei eines dieser Elemente an dem besagten Gehäuse (11.13) befestigt ist, und wobei das andere Element entlang einer Längsachse des besagten örtlich festgelegten Elementes verschieblich ist; einem hin- und herbewegbaren Element (38) mit einem ersten Ende, das mit dem besagten verschieblichen Element verbunden ist und das entlang der besagten Längsachse (26) hin- und herbewegbar ist; einem Drehelement (22), das für eine Drehbewegung um eine Drehachse (21) gehaltert ist; einem Kurbelarm (50) mit einem ersten Ende (54), das gelenkig mit dem besagten Drehelement (22) verbunden ist, und einem zweiten Ende (58), das gelenkig mit dem besagten hin- und herbewegbaren Element (38) verbunden ist; und gekennzeichnet dadurch, daß die besagte hin- und herbewegbare Maschine ein Ausrichtungselement (52) umfaßt, das sich senkrecht zur besagten Längsachse (26) erstreckt, und mit einem ersten Ende (62), das gelenkig mit dem besagten hin- und herbewegbaren Element (38) verbunden ist, und mit einem zweiten Ende (64), das gelenkig mit dem besagten Gehäuse (11) verbunden ist, derart, daß das besagte hin- und herbewegbare Element (38) in einer im wesentlichen koaxialen Ausrichtung zur besagten Längsachse (26) gehaltert wird, und um dadurch eine seitliche Belastung des besagten hin- und herbewegbaren Elementes (38) während seiner Hin- und Herbewegungen im wesentlichen zu verhindern.
Eine Maschine gemäß Anspruch 14, wobei: das besagte hin- und herbewegbare Element (38) eine senkrechte Verlängerung (44) umfaßt; das besagte zweite Ende (58) des besagten Kurbelarmes (50) gelenkig mit dem besagten hin- und herbewegbaren Element (38) an seinem Schnittpunkt mit der besagten senkrechten Verlängerung (42) verbunden ist; und das besagte erste Ende (62) des besagten Ausrichtungselementes (52) gelenkig mit dem äußeren Ende der besagten senkrechten Verlängerung (44) des besagten hin- und herbewegbaren Elementes (38) verbunden ist.
Eine Maschine gemäß Anspruch 14, wobei die besagte Drehachse des besagten Drehelementes (22) derart angeordnet ist, daß in der Nähe der Position des äußeren Totpunktes des besagten hin- und herbewegbaren Elementes (38) das besagte erste Ende (54) besagten Kurbelarmes (50) mit der besagten Längsachse (26) des besagten hin- und herbewegbaren Elementes (38) in einer Position zwischen dem besagten ersten Ende (42) des besagten hin- und herbewegbaren Elementes (38) und der besagten Kupplung desselben mit dem besagten zweiten Ende des besagten Kurbelarmes (50) ausgerichtet ist, wodurch eine Verringerung der axialen Ge schwindigkeit des besagten hin- und herbewegbaren Elementes in der Nähe der Position seines äußeren Totpunktes bewirkt wird.
Eine Maschine gemäß Anspruch 16, wobei die besagte Drehachse (21) des besagten Drehelementes (22) selektiv in einer vorbestimmten Position seitlich der besagten Längsachse des besagten hin- und herbewegbaren Elementes (38) derart positionierbar ist, daß der Betrag der Verschiebungen des besagten hin- und herbewegbaren Elementes (38) während seiner Hin- und Herbewegungen veränderbar ist.
Eine Maschine gemäß Anspruch 14, wobei alle besagten gelenkigen Kupplungen (56, 60, 66, 68) entlang von Achsen parallel zueinander und senkrecht zur besagten Längsachse (26) ausgerichtet sind.
Eine Maschine gemäß Anspruch 14, wobei der besagte Kolben (36) das besagte verschiebliche Element bildet und der besagte Zylinder (24) an dem besagten Gehäuse befestigt ist.
Eine Maschine gemäß Anspruch 19, wobei der besagte Kolben (36) gelenkig mit dem besagten ersten Ende (12) des hin- und herbewegbaren Elementes (38) verbunden ist.
Eine Maschine gemäß Anspruch 19, wobei das besagte Drehelement (22) mit einer Antriebsvorrichtung (16) zum Antrieb des besagten Kolbens (36) innerhalb des Zylinders (24) der Flüssigkeitspumpe verbunden ist.
Eine Maschine gemäß Anspruch 21, wobei die besagte Flüssigkeitspumpe eine Doppelhub-Pumpe ist, in der das besagte hin- und herbewegbare Element (38) an jedem der beiden gegenüberliegenden Enden des hin- und herbewegbaren Elementes (38) mit einer Kolben-Zylinder-Anordnung (36, 24) verbunden ist und den besagte Kolben innerhalb des Zylinders antreibt, der an dem besagten Gehäuse an den gegenüberlie genden Enden des besagten hin- und herbewegbaren Elementes (38) befestigt ist.
Eine Maschine gemäß Anspruch 22, wobei der besagte Zylinder (24) an einem Ende des hin- und herbewegbaren Elementes (38) flüssigkeitsgekuppelt mit und von größerem Volumen als der Zylinder in der Kolben-Zylinder-Anordnung (36, 24) am anderen Ende des hin- und herbewegbaren Elementes (38) ist.
Eine Maschine gemäß Anspruch 23, wobei die besagte Kolben-Zylinder-Anordnung (36, 24) eine Antriebsvorrichtung zum Antrieb des besagten Drehelementes (22) bildet.
Eine Maschine gemäß Anspruch 23, wobei die besagten Kolben (36) und Zylinder (24) Teile eines Fluid-Motors bilden, der eine unter Druck stehende Flüssigkeit für den Antrieb des besagten Drehelementes (22) verwendet.
Eine Maschine gemäß Anspruch 14, wobei die besagten Kolben (36) und Zylinder (24) die Teile eines Antriebes für eine benzingetriebene Verbrennungsmaschine bilden.
Eine hin- und herbewegbare Maschine gemäß Anspruch 14 zur Verwendung als Pumpe, wobei die Kolben-Zylinder-Anordnung (36, 24) zum Pumpen einer Flüssigkeit dient.
Eine Pumpe gemäß Anspruch 27, wobei: das besagte hin- und herbewegbare Element (38) eine senkrechte Verlängerung (44) umfaßt; das besagte zweite Ende (58) des besagten Kurbelarmes (50) gelenkig mit dem besagten hin- und herbewegbaren Element (38) an seinem Schnittpunkt mit der besagten senkrechten Verlängerung (42) verbunden ist; und das besagte erste Ende (62) des besagten Ausrichtungselementes (52) gelenkig mit dem äußeren Ende der besagten senkrechten Verlängerung (44) des besagten hin- und herbewegbaren Elementes (38) verbunden ist.
Eine Pumpe gemäß Anspruch 27, wobei die besagte Drehachse des besagten Drehelementes (22) derart angeordnet ist, daß in der Nähe der Position des äußeren Totpunktes des besagten hin- und herbewegbaren Elementes (38) das besagte erste Ende (54) besagten Kurbelarmes (50) mit der besagten Längsachse (26) des besagten hin- und herbewegbaren Elementes (38) in einer Position zwischen dem besagten ersten Ende (42) des besagten hin- und herbewegbaren Elementes (38) und der besagten Kupplung desselben mit dem besagten zweiten Ende des besagten Kurbelarmes (50) ausgerichtet ist, wodurch eine Verringerung der axialen Geschwindigkeit des besagten hin- und herbewegbaren Elementes in der Nähe der Position seines äußeren Totpunktes bewirkt wird.
Eine Pumpe gemäß Anspruch 29, wobei die besagte Drehachse (21) des besagten Drehelementes (22) selektiv in einer vorbestimmten Position seitlich der besagten Längsachse des besagten hin- und herbewegbaren Elementes (38) derart positionierbar ist, daß der Betrag der Verschiebungen des besagten hin- und herbewegbaren Elementes (38) während seiner Hin- und Herbewegungen veränderbar ist.
Eine Pumpe gemäß Anspruch 27, wobei die besagte Flüssigkeitspumpe eine Doppelhub-Pumpe ist, in der das besagte hin- und herbewegbare Element (38) an jedem der beiden gegenüberliegenden Enden des hin- und herbewegbaren Elementes (38) mit einem Kolben verbunden ist und die besagten Kolben innerhalb von Zylinderns antreibt, die an dem besagten Gehäuse an den gegenüberliegenden Enden des besagten hin- und herbewegbaren Elementes (38) befestigt sind.
Eine Pumpe gemäß Anspruch 31, wobei der besagte Zylinder (24) an einem Ende des hin- und herbewegbaren Elementes (38) flüssigkeitsgekuppelt mit und von größerem Volumen als der Zylinder in der Kolben-Zylinder-Anordnung (36, 24) am anderen Ende des hin- und herbewegbaren Elementes (38) ist.
Eine hin- und herbewegbare Maschine gemäß Anspruch 14 zur Verwendung als Motor zum Antreiben einer Last, wobei die Kolben-Zylinder Anordnung (36, 24) als Antrieb für den besagten Motor dient.
Ein Motor gemäß Anspruch 33, wobei: das besagte hin- und herbewegbare Element (38) eine senkrechte Verlängerung (44) umfaßt; das besagte zweite Ende (58) des besagten Kurbelarmes (50) gelenkig mit dem besagten hin- und herbewegbaren Element (38) an seinem Schnittpunkt mit der besagten senkrechten Verlängerung (42) verbunden ist; und das besagte erste Ende (62) des besagten Ausrichtungselementes (52) gelenkig mit dem äußeren Ende der besagten senkrechten Verlängerung (44) des besagten hin- und herbewegbaren Elementes (38) verbunden ist.
Ein Motor gemäß Anspruch 33, wobei die besagte Drehachse des besagten Drehelementes (22) derart angeordnet ist, daß in der Nähe der Position des äußeren Totpunktes des besagten hin- und herbewegbaren Elementes (38) das besagte erste Ende (54) besagten Kurbelarmes (50) mit der besagten Längsachse (26) des besagten hin- und herbewegbaren Elementes (38) in einer Position zwischen dem besagten ersten Ende (42) des besagten hin- und herbewegbaren Elementes (38) und der besagten Kupplung desselben mit dem besagten zweiten Ende des besagten Kurbelarmes (50) ausgerichtet ist, wodurch eine Verringerung der axialen Geschwindigkeit des besagten hin- und herbewegbaren Elementes in der Nähe der Position seines äußeren Totpunktes bewirkt wird.
Ein Motor gemäß Anspruch 33, wobei der besagte Kolben (36) der besagte Kolben (36) das besagte verschiebliche Element bildet und der besagte Zylinder (24) an dem besagten Gehäuse befestigt ist.
Ein Motor gemäß Anspruch 36, wobei die besagten Kolben (36) und Zylinder (36) Teile einer benzingetriebene Verbrennungsmaschine bilden.