Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit mindestens
zwei in einem Ringraum umlaufenden Rotationskolben, die in ihrer
Umlaufrichtung eine Expansionskammer in dem Ringraum nach vorne
und hinten begrenzen, wobei die Rotationskolben über eine
Getriebeanordnung so mit einer gemeinsamen Drehmomentübertragungswelle
verbunden sind, daS sich das Volumen der Expansionskammer
in der Umlaufrichtung wechselweise verkleinert und
vergrößert.
Eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art kann sowohl als
Pumpe als auch als Verbrennungsmotor ausgebildet sein.
Herkömmliche Verbrennungsmotoren setzen die lineare Bewegung
eines Kolbens in einem Zylinder mit Hilfe einer Pleuelstange und
einer Kurbelwelle in eine Rotationsbewegung um. Es sind jedoch
immer wieder Versuche unternommen worden, Verbrennungsmotoren
mit einer sich in Umlaufrichtung einer Abtriebswelle ausdehnenden
Expansionskammer zu schaffen, damit die bei der Verbrennung
in der Expansionskammer frei werdende Kraft direkt ein Drehmoment
um die Abtriebswelle hervorruft.
Ein Verbrennungsmotor mit einem Rotationskolben ist als Wankel-Motor
bekannt. Bei einem Wankel-Motor erfolgt die Ausdehnung der
Expansionskammer jedoch nicht nur in Umlaufrichtung des Rotationskolbens
um die Abtriebswelle, sondern auch in hierzu
senkrechter, radialer Richtung. Um dabei dir Relativbewegung des
Rotationskolbens zu dem ihm umgebenden Verbrennungsgehäuse zu
steuern, ist ein aufwendige Zahnradgetriebe zwischen dem
Rotationskolben und der Abtriebswelle erforderlich.
Eine als Verbrennungsmotor ausgebildete Vorrichtung der eingangs
beschriebenen Art, bei der sich die Expansionskammer in
vorteilhafter Weise nur durch Verschieben der Rotationskolben in
Umlaufrichtung verkleinert und vergrößert, ist aus der DE 42 26
629 A1 bekannt. Dabei weist die Getriebeanordnung eine Vielzahl
von sich an einer Kurvenscheibe abstützenden Pleueln auf. Die
bei dieser Anordnung auftretende Belastung der einzelnen Pleuel
und ihrer Gelenkverbindungen auch durch die Reibung an der
Kurvenscheibe läßt keine hohe Lebensdauer der bekannten
Vorrichtung erwarten. Ebensowenig ist es realistisch, die
bekannte Vorrichtung für die Aufbringung großer Drehmomente mit
einem großen Hubraum der Expansionskammern auszubilden.
Eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art, die als
Verbrennungsmotor ausgebildet ist, ist auch aus der DE 42 09 444
A1 bekannt. Hier weist die Getriebeanordnung ein Planetengetriebe
und mehrere Lenker und Kurbeln zwischen den
Rotationskolben und der Drehmomentübertragungswelle auf. Die
Getriebeanordnung ist relativ kompliziert. So bereitet es
Schwierigkeiten, mit relativ geringem Aufwand eine Vorrichtung
zu realisieren, die für große Drehmomente über lange Standzeiten
hinweg geeignet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der
eingangs beschriebenen Art aufzuzeigen, bei der die Getriebeanordnung
für das wechselweise Verkleinern und Vergrößern der
Expansionskammer in der Umlaufrichtung möglichst einfach
aufgebaut ist, um mit geringem Aufwand leistungsfähige
Vorrichtungen realisieren zu können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die
Getriebeanordnung zwischen der Drehmomentübertragungswelle und
mindestens einem der Rotationskolben mindestens ein geknicktes
und bezüglich seiner zyklischen Drehphasenverschiebung nicht
kompensiertes Kardangelenk aufweist.
Von Kardangelenken ist es bekannt, daß sie in geknicktem Zustand
eine eingangsseitige gleichförmige Rotationsbewegung in eine
ungleichförmige ausgangsseitige Rotationsbewegung umwandeln, die
der ankommenden Rotationsbewegung zyklisch voreilt und nacheilt.
Ein Kardangelenk weist ein Drehmomentübertragungselement mit
vier paarweise überkreuz angeordneten Gelenkzapfen auf. An jedem
Paar der Gelenkzapfen greift eine Gabel an, die mit dem
eingangsseitigen bzw. ausgangsseitigen Teil des Kardangelenks
verbunden ist. Zur Beschreibung der Drehphasenverschiebung durch
ein Kardangelenk wird auf die von dem abgeknickten Kardangelenk
definierte Ebene als Gelenkebene Bezug genommen. Weiterhin wird
die Drehstellung der Gabeln mit der Drehstellung der Achsen der
Gelenkzapfen des Drehmomentübertragungselements gleichgesetzt,
an denen die jeweilige Gabel angreift. Dann eilt die Ausgangsseite
des Kardangelenks der Antriebsseite immer dann vor, wenn
die Gabel auf der Eingangsseite durch die Gelenkebene hindurchtritt,
und die Ausgangsseite eilt der Eingangsseite nach, wenn
die Gabel auf der Abtriebsseite durch die Gelenkebene hindurchtritt
und umgekehrt. Da ein vollständiger Umlauf der Eingangsseite
gleichzeitig immer einem vollständigen Umlauf der
Ausgangsseite entspricht, ergeben sich bei einem Umlauf der
Antriebsseite immer zwei Phasen der Ausgangsseite in denen die
Ausgangsseite der Eingangsseite vorläuft und zwei Phasen in
denen die Ausgangsseite der Eingangsseite nachläuft, sowie vier
Zeitpunkte an denen die Ausgangsseite und die Eingangsseite
synchron laufen. Dieses bekannte Verhalten eines Kardangelenks
kann zur Steuerung der Relativbewegung der beiden Rotationskolben
einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art
ausgenutzt werden. Dabei reicht im Prinzip die Verwendung eines
einzigen Kardangelenks aus, das zwischen der Drehmomentübertragungswelle
und einem der beiden Rotationskolben vorgesehen
ist, während der andere Rotationskolben direkt mit der
Drehmomentübertragungswelle verbunden ist. Es versteht sich, daß
bei der Erfindung das Kardangelenk nicht kompensiert sein darf,
wie dies bei der üblichen Verwendung von Kardangelenken
erforderlich ist. Ein Kompensieren der Drehphasenverschiebung
eines Kardangelenks ist beispielsweise dadurch möglich, daß es
mit einem zweiten Kardangelenk in Reihe geschaltet wird, bei dem
die Gabel der Eingangsseite zu der Gabel der Eingangsseite des
ersten Kardangelenks eine Drehphasendifferenz von 90° aufweist.
Dies entspricht der parallelen Anordnung der Gabel auf der
Eingangsseite des zweiten Kardangelenks zu der Gabel auf der
Ausgangsseite des ersten Kardangelenks.
Vorzugsweise weist die Getriebeanordnung zwischen der
Drehmomentübertragungswelle und mindestens einem der beiden
Rotationskolben mindestens zwei und insbesondere noch mehr
geknickte, nicht kompensierte Kardangelenke auf, die ohne
Drehphasendifferenz hintereinander geschaltet sind. Hierdurch
wird dann keine Kompensation der Drehphasenverschiebung der
einzelnen Kardangelenke sondern eine Addition dieser Drehphasenverschiebung
erreicht. So ergeben sich immer größere Relativbewegungen
der Rotationskolben zu der Drehmomentübertragungswelle.
Noch größere Relativbewegungen der Rotationskolben
zueinander ergeben sich, wenn die Getriebeanordnung zwischen der
Drehmomentübertragungswelle und jedem der beiden Rotationskolben
geknickte, nicht kompensierte Kardangelenke aufweist, wobei die
den beiden Rotationskolben zugeordneten Kardangelenke mit einer
Drehphasendifferenz von 90° angeordnet sind. Hieraus resultiert,
daß, wenn der eine Rotationskolben gegenüber der Drehmomentübertragungswelle
voreilt, der andere Rotationskolben gegenüber der
Drehmomentübertragungswelle gerade nacheilt, und umgekehrt.
Bei Kardangelenken zwischen der Drehmomentübertragungswelle und
jedem der beiden Rotationskolben ist es bevorzugt, wenn jeweils
gleich viele Kardangelenke vorgesehen sind, die sich in äquivalenten
Knickwinkelstellungen befinden.
Dies ist beispielsweise realisierbar, indem die den beiden Rotationskolben
zugeordneten geknickten, nicht kompensierten Kardangelenke
koaxial angeordnet sind. Das heißt, um jeweils ein
Kardangelenk, das zu dem einen Rotationskolben führt, ist
koaxial und damit auch konzentrisch ein Kardangelenk angeordnet,
das zu dem anderen Rotationskolben führt. Die eingangsseitigen
Gabeln der beiden Kardangelenke sind dabei ebenso wie die
ausgangsseitigen Gabeln jeweils um 90° gegeneinander verdreht
angeordnet.
Der Betrag der zyklischen Drehphasenverschiebung jedes Kardangelenks
hängt von der Größe des Knickwinkels des Kardangelenks ab.
Bei einem gestreckten Kardangelenk ist der Betrag der zyklischen
Drehphasenverschiebung 0. Bei einem Knickwinkel von 45° beträgt
die Drehphasenverschiebung etwa +/- 10° bzw. bei Wahl eines
anderen Aufpunkts 0 bis 20°. Die Drehphasenverschiebung durch
zwei in Reihe geschaltete Kardangelenke mit einem Knickwinkel
von jeweils 45° beträgt entsprechend +/- 20° bzw. 0 bis 40°. Mit
vier Kardangelenken, die jeweils einen Knickwinkel von 45°
aufweisen, ist eine Drehphasenverschiebung von insgesamt +/- 40°
bzw. 0 bis 80° realisierbar. Dabei können die vier Kardangelenke
nur einem oder in Gruppen von zwei beiden Rotationskolben
zugeordnet sein. Durch eine Veränderung des Knickwinkels
mindestens eines Kardangelenks kann die resultierende
Drehphasenverschiebung und damit die maximale Relativbewegung
der beiden Rotationskolben verändert werden. Im Ergebnis
bedeutet dies, daß die Kompression der Expansionskammer zwischen
den Rotationskolben verändert wird. So kann die Kompression der
Expansionskammer an verschiedene Betriebsbedingungen angepaßt
werden, ohne das die Konstruktion der gesamten Vorrichtung
geändert werden muß.
Es ist möglich, zwischen den beiden Rotationskolben in dem Ringraum
nur eine einzige Expansionskammer auszubilden. Um eine
möglichst gleichmäßige Belastung der Vorrichtung zu erreichen
ist es jedoch bevorzugt, vier Rotationskolben vorzusehen, die
paarweise achsensymmetrisch ausgebildet sind und zwei
achsensymmetrische Expansionskammern begrenzen. Der Freiraum in
dem Ringraum zwischen den Expansionskammern, der nicht von den
Rotationskolben aufgefüllt ist, ändert dabei ebenso wie die
Expansionskammern zyklisch sein Volumen. Er sollte entsprechend
mit einem Druckausgleich versehen sein, um keine unerwünschten
Gegenkräfte hervorzurufen.
Es ist aber auch möglich, diese Zwischenräume bei Ausbildung
weitere Expansionskammern zu nutzen. In diesem Fall begrenzen
die vier paarweise achsensymmetrisch angeordneten Rotationskolben
vier paarweise achsensymmetrisch angeordnete Expansionskammern.
Im Unterschied zu der Ausführungsform mit nur zwei
Expansionskammern begrenzt ein achsensymmetrisch angeordnetes
Paar von Rotationskolben bei der Ausführungsform mit vier
Expansionskammern in der Umlaufrichtung sowohl zwei
Expansionskammern nach vorne als auch zwei Expansionskammern
nach hinten. Bei der Ausführungsform mit nur zwei Expansionskammern
begrenzt ein Paar von achsensymmetrisch ausgebildeten
Rotationskolben die Expansionskammern immer entweder nur nach
vorne oder nach hinten.
Die neue Vorrichtung kann unabhängig von der Anzahl der
Expansionskammern als Pumpe ausgebildet sein. In einer anderen
Ausführungsform ist die Vorrichtung als Verbrennungsmotor
ausgebildet. Bei beiden Ausführungsformen müssen Zuführ- und
Abführöffnungen zu der bzw. den Expansionskammern vorgesehen
sein, die eine erhebliche Ausdehnung in Umlaufrichtung der
Rotationskolben in dem Ringraum haben, wenn nicht erreicht wird,
daß sich jeweils einer der beiden Rotationskolben nahezu in Ruhe
befindet, wenn sich der andere Rotationskolben auf ihn zu bzw.
von ihm weg bewegt. Realisierbar ist dies mit mindestens vier
geknickten und nicht kompensierten Kardangelenken zwischen jedem
der Rotationskolben und der Drehmomentübertragungswelle.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von verschiedenen
Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben. Dabei
zeigt
- Figur 1
- einen Querschnitt durch den Ringraum und die
Rotationskolben einer ersten Ausführungsform der
Vorrichtung in einer ersten Drehstellung der
Rotationskolben,
- Figur 2
- eine Figur 1 entsprechende Ansicht des Ringraums und
der Rotationskolben in einer zweiten Drehstellung der
Rotationskolben,
- Figur 3
- eine Draufsicht auf das den Ringraum und die
Rotationskolben beherbergende Gehäuse der Vorrichtung
gemäß den Figuren 1 und 2,
- Figur 4
- eine Hintereinanderschaltung von zwei Kardangelenken,
- Figur 5
- eine graphische Darstellung der durch die
Kardangelenke gemäß Figur 4 bewegten zyklischen
Drehphasenverschiebung,
- Figur 6
- vier paarweise parallel geschaltete Kardangelenke,
- Figur 7
- eine graphische Darstellung der durch die
Kardangelenke gemäß Figur 6 bewirkten zyklischen
Drehphasenverschiebung,
- Figur 8
- zwei hintereinandergeschaltete Kardangelenke mit
veränderbaren Knickwinkeln,
- Figur 9
- zwei koaxial angeordnete Kardangelenke,
- Figur 10
- eine Ausführungsform der Vorrichtung mit zweimal fünf
in Reihe geschalteten Kardangelenken,
- Figur 11
- die Rotationskolben in dem Ringraum der Vorrichtung
gemäß Figur 10 in einer ersten Drehstellung und
- Figur 12
- die Rotationskolben in dem Ringraum der Vorrichtung
gemäß Figur 10 in einer zweiten Drehstellung.
In Figur 1 ist ein zylindrisches Gehäuse 1 gezeigt, in dem ein
Ringraum 2 ausgebildet ist. Der Ringraum 2 verläuft koaxial zu
einer Achse 3. Radial nach außen wird der Ringraum 2 durch das
Gehäuse 1 begrenzt. Radial nach innen begrenzt eine Welle 4 den
Ringraum 2. Axial wird der Ringraum 2 durch in dem Schnitt Figur
1 nicht sichtbare Seitenwandungen des Gehäuses 1 begrenzt. In
dem Ringraum 2 befinden sich vier Rotationskolben 5 bis 8. Die
Rotationskolben 5 bis 8 sind paarweise achsensymmetrisch zu der
Achse 3 und in diesen Paaren 5 und 7 bzw. 6 und 8 einstückig
ausgebildet. Aus Figur 1 geht die einstückige Ausbildung für die
Rotationskolben 6 und 8 hervor. Die Verbindung der achsensymmetrischen
Rotationskolben 5 und 7 ist in einer anderen, parallel
zu der Zeichenebene gemäß Figur 1 verlaufenden Ebene gegeben.
Die Rotationskolben 5 bis 8 sind über eine in Figur 1 nicht
dargestellte Getriebeanordnung mit einer ebenfalls nicht
dargestellten Drehmomentübertragungswelle verbunden. Bei
gleichförmig umlaufender Drehmomentübertragungswelle laufen auch
die Rotationskolben 5 bis 8 in einer durch einen Pfeil 9
angedeuteten Umlaufrichtung in den Ringraum 2 stetig um die
Achse 3 um. Dabei bewirkt jedoch die erwähnte Getriebeanordnung,
daß abwechselnd die Rotationskolben 5 und 7 den Rotationskolben
6 und 8 nacheilen und voreilen. Hierdurch verkleinert und
vergrößert sich wechselweise das Volumen von vier, jeweils
zwischen zwei in Umlaufrichtung benachbarten Rotationskolben
ausgebildeten Expansionskammern 11 bis 14. Figur 1 zeigt eine
Stellung der Rotationskolben 5 bis 8, in der die Expansionskammern
11 bis 14 ihr mittleres Volumen aufweisen. Demgegenüber
zeigt Figur 2, die ansonsten vollständig Figur 1 entspricht,
eine Drehstellung der Rotationskolben 5 bis 8 um die Achse 3, in
der die Expansionskammern 11 und 13, die achsensymmetrisch
ausgebildet und einander äquivalent sind ein Volumen 0
aufweisen, während die ebenfalls achsensymmetrisch ausgebildeten
und äquivalenten Expansionskammern 12 und 14 ihr maximales
Volumen haben. Dabei haben sich alle Rotationskolben 5 bis 8 und
alle Expansionskammern 11 bis 14 in der Umlaufrichtung gemäß
Pfeil 9 von Figur 1 zu Figur 2 im Mittel um 45° fortbewegt. Nach
einer weiteren mittleren Fortbewegung in der Umlaufrichtung von
45° wird wieder eine Figur 1 vergleichbare Stellung erreicht
sein, nur daß dann die Rotationskolben 5 und 7 die Plätze der
Rotationskolben 6 und 8 gemäß Figur 1 einnehmen und umgekehrt.
Anschließend wird wieder eine Figur 2 entsprechende Drehstellung
der Rotationskolben erreicht, bei der dann die Rotationskolben
5 und 7 die Plätze der Rotationskolben 6 und 8 gemäß Figur 1
einnehmen und umgekehrt, usw.. Bei der Vorrichtung gemäß den
Figuren 1 und 2 wird das zyklische Verkleinern und Vergrößern
der Expansionskammern 11 bis 14 zum Pumpen eines hier nicht
dargestellten Mediums ausgenutzt. Dazu sind Einlaßöffnungen 19
und Auslaßöffnungen 20 in dem Gehäuse 1 vorgesehen. Die
Einlaßöffnungen 19 erstrecken sich über Bereiche 15 und 16 in
der Umlaufrichtung der Rotationskolben 5 bis 8. Die Auslaßöffnungen
20 erstrecken sich über Bereiche 17 und 18 in dieser
Umlaufrichtung. In den Einlaßöffnungen und Auslaßöffnungen sind
keine separaten Ventile vorgesehen. In der Stellung der Rotationskolben
5 bis 8 gemäß Figur 2 werden die Einlaßöffnungen 19
und die Auslaßöffnungen 20 jedoch durch die Rotationskolben 5
bis 8 gerade verschlossen. Dazu weisen die Rotationskolben 5 bis
8 an ihrer radialen Außenfläche eine der Länge der Bereiche 15
bis 18 entsprechenden Länge in Umlaufrichtung auf. Um bei dieser
Ausgestaltung der Rotationskolben 5 bis 8, deren träge Masse zu
reduzieren, sind in den Rotationskolben Ausnehmungen 10
vorgesehen. Sobald die Rotationskolben in Umlaufrichtung ihre
Stellung gemäß Figur 2 verlassen, geben sie die Einlaßöffnungen
19 und die Auslaßöffnungen 20 zumindest teilweise frei, wodurch
das zu pumpende Medium in die sich vergrößernden Expansionskammern
11 und 13 durch die Einlaßöffnungen 19 eingesaugt und
aus den sich verkleinernden Expansionskammern 12 und 14 durch
die Auslaßöffnungen 20 ausgestoßen werden kann. In der auf Figur
2 folgenden, Figur 1 entsprechenden Drehstellung ist der
aktuelle Pumpvorgang zur Hälfte abgeschlossen. In der sich
anschließenden, wieder Figur 2 entsprechenden Drehstellung der
Rotationskolben ist der aktuelle Pumpvorgang vollständig
abgeschlossen, wobei die Expansionskammern 11 und 13 ihr
maximales Volumen und die Expansionskammern 12 und 14 das
Volumen 0 erreicht haben.
Figur 3 zeigt das Gehäuse 1 von der rechten Seite der Figuren 1
und 2 her. Dabei sind die Rotationskolben 5 bis 8 nicht eingezeichnet.
Dargestellt ist jedoch die die beiden Rotationskolben
6 und 8 verbindende Welle 4 und eine die Rotationskolben 5 und
7 verbindende koaxial zu der Welle 4 um die Achse 3 angeordnete
hohle Welle 21. Aus Figur 3 ist zu entnehmen, daß die Einlaßöffnungen
19 und die Auslaßöffnungen 20 in Richtung der Achse 3
versetzt zueinander angeordnet sein können. Hierdurch wird es
möglich, daß sie in Umlaufrichtung gemäß Pfeil 9 unmittelbar
aneinander angrenzen.
In Figur 4 sind zwei hintereinander an das Ende einer Drehmomentübertragungswelle
22 angeschlossene Kardangelenke 23 und 24
dargestellt. Die Kardangelenke 23 und 24 weisen jeweils zwei in
Drehrichtung um 90° versetzt zueinander angeordnete Gabeln 25
und 26 auf, die an überkreuz angeordneten und hier nicht
dargestellten Gelenkzapfen eines Drehmomentübertragungselements
27 angreifen. Beim Verdrehen der Drehmomentübertragungswelle 22
werden die Gabeln 25 und 26 um ihre Längsachsen verdreht. Wenn
die Kardangelenke 23 und 24 beim Verdrehen der Drehmomentübertragungswelle
22 wie dargestellt geknickt sind, führen die
Gabeln 25 und 26 gleichzeitig gegenüber den Drehmomentübertragungselementen
27 eine Schwenkbewegung um die Achsen 29 und
30 der jeweiligen, hier nicht dargestellten Gelenkzapfen an dem
Drehmomentübertragungselement 27 aus. Wenn zwei geknickte
Kardangelenke hintereinander geschaltet sind, werden normalerweise
die eingangsseitigen und die ausgangsseitigen Gabeln der
Kardangelenke 23 und 24 um 90° versetzt zueinander ausgerichtet.
Dies ist erforderlich, um die durch jedes geknickte Kardangelenk
bewirkte zyklische Drehphasenverschiebung zu kompensieren. Ein
geknicktes Kardangelenk überträgt eine eingangsseitige gleichförmige
Drehbewegung nicht in eine ausgangsseitige gleichförmige
Drehbewegung. Vielmehr wird die angesprochene zyklische
Drehphasenverschiebung beobachtet, bei der die ausgangsseitige
Drehbewegung der eingangsseitigen Drehbewegung periodisch vorund
nacheilt. Die beiden Kardangelenke 23 und 24 sind gemäß
Figur 4 nicht so angeordnet, daß sich die jeweils bewirkten
zyklischen Drehphasenverschiebungen kompensieren. Ganz im
Gegenteil addieren sich die zyklischen Drehphasenverschiebungen
bei der Anordnung gemäß Figur 4.
In Figur 5 ist die zyklische Drehphasenverschiebung bei der
Anordnung der Kardangelenke 23 und 24 gemäß Figur 4 graphisch
erläutert. Dargestellt sind hierzu die Achse 29 der eingangsseitigen
Gabel 25 der gesamten Anordnung gemäß Figur 4 und die
Achse 30 der ausgangsseitigen Gabel 26 der gesamten Anordnung
gemäß Figur 4. Figur 5a entspricht der Ausgangsstellung der
Gabeln gemäß Figur 4. Dabei sind die Achsen 29 und 30 unter
einem Drehwinkel von 90° zueinander angeordnet.
Figur 5b zeigt die Achsen 29 und 30, nachdem die Drehmomentübertragungswelle
22 gemäß Figur 4 in Richtung des Pfeils 9 um 45°
verdreht wurde. Dabei sind die eingangsseitigen Gabeln 25 gemäß
Figur 1 aus der durch die geknickten Kardangelenke definierten
gemeinsamen Gelenkebene herausgetreten. Die resultierende
Drehbewegung der ausgangsseitigen Gabeln 26 ist dabei schneller
verlaufen als die der eingangsseitigen Gabeln 25. In der
Umlaufrichtung gemäß Pfeil 9 hat sich so die Achse 30 der Achse
29 um 20° angenähert. Gemäß Figur 5c beträgt der Abstand der
beiden Achsen 29 und 30 wieder 90°. Mit dem Eintreten der
ausgangsseitigen Gabeln in die durch die geknickten Kardangelenke
23 und 24 definierte Ebene haben sich die ausgangsseitigen
Gabeln 26 gegenüber den eingangsseitigen Gabeln 25 verlangsamt.
Dies setzt sich bis zu der Stellung der Achsen 29 und 30 gemäß
Figur 5d fort, d. h. bis die Achsen 29 wieder in die durch die
geknickten Kardangelenke 23 und 24 definierte Ebene eintreten.
In Figur 5d ist der Abstand der Achse 30 zu der Achse 29 in
Umlaufrichtung auf 110° angewachsen. Das zyklische Vor- und
Zurücklaufen der ausgangsseitigen Gabel 26 der gesamten Anordnung
der Kardangelenke 23 und 24 gemäß Figur 4 gegenüber der
Drehmomentübertragungswelle 22 wird bei der Vorrichtung gemäß
den Figuren 1 und 3 dazu benutzt, die Relativbewegung der
Rotationskolben 5 und 7 zu den Rotationskolben 6 und 8 bei
gleichförmig umlaufender Drehmomentübertragungswelle zu
bewirken. Hierzu reicht aber nicht die in Figur 5 dargestellte
maximale Veränderung des Abstands zwischen den Achsen 29 und 30
von +/- 20° aus, da sich die Erstreckung der Expansionskammern
11 bis 14 der Vorrichtung gemäß den Figuren 1 bis 3 in Umlaufrichtung
zwischen 0 und 80° ändert. Um dies zu realisieren
müssen insgesamt vier Kardangelenke verwandt werden, die jeweils
einen Knickwinkel von etwa 45° aufweisen. Diese vier
Kardangelenke können zwischen der Drehmomentübertragungswelle 22
und einem Paar der Rotationskolben 5 und 7 bzw. 6 und 8
hintereinander geschaltet sein. Bevorzugt ist es aber, jeweils
zwei Kardangelenke zwischen der Drehmomentübertragungswelle und
einem Paar der Rotationskolben vorzusehen. Dabei müssen die
eingangsseitigen Gabeln der zu dem einen Paar der
Rotationskolben führenden Kardangelenke zu den eingangsseitigen
Gabeln der zu dem anderen Paar der Rotationskolben führenden
Kardangelenke um 90° verdreht angeordnet sein, wobei es auf die
Winkelstellung der Gabeln zu den jeweiligen Gelenkebenen
ankommt, die durch die einzelnen Kardangelenke definiert werden.
Figur 6 zeigt zwei parallel zueinander geschaltete Paare 23, 24
bzw. 33, 34 von hintereinander geschalteten Kardangelenken 23
und 24 bzw. 33 und 34. Alle Kardangelenke 23, 24, 33 und 34 sind
in derselben gemeinsamen Gelenkebene geknickt. Die Drehbewegung
der Drehmomentübertragungswelle 22 wird über zwei gleich große
Zahnriemenscheiben 31 und 32 sowie einen Zahnriemen 28 auf die
Eingangsseite des Kardangelenks 33 übertragen, die sich damit
synchron zur Eingangsseite des Kardangelenks 23 dreht. Ausgangsseitig
treibt das Kardangelenk 34 die Welle 4 und das Kardangelenk
24 die hohle Welle 21 der Vorrichtung gemäß den Figuren
1 bis 3 an, wobei zwischen die Welle 21 und die Ausgangsseite
des Kardangelenks 24 wieder zwei gleich große Zahnriemenscheiben
35 und 36 und ein Zahnriemen 37 geschaltet sind. Die beiden
Drehmomentübertragungsstränge über die Kardangelenke 23 und 24
einerseits und die Kardangelenke 33 und 34 andererseits unterscheiden
sich nur durch die jeweiligen Drehstellungen der
eingangsseitigen Gabeln 25 zu der Gelenkebene des jeweiligen
Kardangelenks. Bei den Kardangelenken 23 und 24 verlaufen die
Achsen 29 der eingangsseitigen Gabeln 25 jeweils genau dann in
diesen Gelenkebenen, wenn die Achsen 29 der eingangsseitigen
Gabeln 25 der Kardangelenke 33 und 34 gerade senkrecht zu den
Gelenkebenen ausgerichtet sind bzw. die Achsen 30 der ausgangsseitigen
Gabeln 26 gerade in den Gelenkebenen verlaufen.
Hieraus resultiert die in Figur 7 dargestellte zyklische Drehphasenverschiebung
zwischen den ausgangsseitigen Achsen 30' und
30'' der Kardangelenke 24 und 34 gemäß Figur 6. Dabei entspricht
die Drehstellung der Achse 30' in den Figuren 7a bis d den
Drehstellungen der Achse 30 in den Figuren 5a bis d. Das heißt,
die Figuren 7a bis d entsprechen Drehwinkeln der Drehmomentübertragungswelle
22 in Richtung des Pfeils 9 gegenüber Figur 6 von
0°, 45°, 90° und 135°. Bei Figur 7a beträgt der Abstand der
beiden Achsen 30' und 30'' 90°. In Figur 7b hat sich der Abstand
der Achse 30'' zu der Achse 30' in Umlaufrichtung auf 130°
erhöht. Gemäß Figur 7c beträgt er wieder 90°. Gemäß Figur 7d hat
er sich auf 50° verringert. Damit ist die gewünschte Arbeitsweise
der Vorrichtung gemäß den Figuren 1 bis 3 realisierbar,
wobei Figur 7a, Figur 1 und Figur 7b Figur 2 entspricht.
In Figur 8 ist angedeutet, wie das Maß der zyklischen Drehphasenverschiebung
durch die Kardangelenke 23 und 24 und
entsprechend auch durch Kardangelenke 33 und 34 verändert werden
kann. Als Variable steht hierfür der Knickwinkel 38 der
Kardangelenke zur Verfügung. Die bislang erwähnte Drehphasenverschiebung
durch ein Kardangelenk von +/- 10° bzw. durch zwei
Kardangelenken von +/- 20° ergibt sich bei einem Knickwinkel 38
von etwa 45°. Kleinere Knickwinkel entsprechen kleineren zyklischen
Drehphasenverschiebungen und umgekehrt. Bei einem Knickwinkel
38 von 0° tritt überhaupt keine Drehphasenverschiebung
mehr auf und die Expansionskammern ändern ihr Volumen nicht. Mit
anwachsendem Knickwinkel 38 steigt die Kompression der
Expansionskammern an.
Figur 9 skizziert die Möglichkeit, die Kardangelenke 23 und 33
nicht nebeneinander, sondern koaxial anzuordnen, wobei die
Gabeln 25' und 26' des Kardangelenks 28 die Gabeln 25'' und 26''
des Kardangelenks 33 umgreifen. Dabei sind in Figur 9a nur die
jeweiligen Gabelpaare und in Figur 9b die beiden ineinander
angeordneten Drehmomentübertragungselemente 27' und 27'' der
Kardangelenke 23 und 33 dargestellt. In Figur 9b sind auch die
zu der Gabel 25' zugehörigen Gelenkzapfen 39' und die zu der
Gabel 26' zugehörigen Gelenkzapfen 40' bzw. die zu der Gabel 25''
zugehörigen Gelenkzapfen 39'' und die zu der Gabel 26'' zugehörigen
Gelenkzapfen 40'' dargestellt. Die Gelenkzapfen 39
definieren jeweils eine Achse 29 und die Gelenkzapfen 40 jeweils
eine Achse 30 des jeweiligen Kardangelenks, um die die Gabeln 25
bzw. 26 gegenüber dem Drehmomentübertragungselement 27 verschwenkbar
sind. Die in Figur 9 skizzierte koaxiale Anordnung
von Kardangelenken ermöglicht einen besonders eleganten Aufbau
der neuen Vorrichtung, insbesondere wenn der Knickwinkel von
zwei, verschiedenen Rotationskolbenpaaren zugeordneten
Kardangelenken im gleichen Umfang verändert werden soll.
Bei der Ausführungsform der Vorrichtung gemäß den Figuren 1 bis
3 wird das Innenvolumen des Ringraums 2 für die Expansionskammern
11 bis 14 nur teilweise ausgenutzt, weil die Rotationskolben
5 bis 8 selbst bereits eine erhebliche Erstreckung in Umlaufrichtung
aufweisen. Anders verhält es sich bei der Ausführungsform
der Vorrichtung, die in den Figuren 10 bis 12 skizziert
ist. Im Gegensatz zu der Ausführungsform gemäß den Figuren 1 bis
3 weisen die Rotationskolben 5 bis 8 hier keine nennenswerte
Erstreckung in Umlaufrichtung gemäß dem Pfeil 9 auf. Weiterhin
sind beiden Rotationskolbenpaaren 5 und 7 sowie 6 und 8, die
auch hier einstückig ausgebildet sind, jeweils 5 Kardangelenke
23 und 24 bzw. 33 und 34 zugeordnet, die zwischen der Drehmomentübertragungswelle
22 und der Welle 21 bzw. der Welle 4
angeordnet sind. Dabei ist die Zuordnung der einzelnen Bezugszeichen
23 und 24 zu den einzelnen Kardangelenken des einen
Drehmomentübertragungsstrangs ebenso willkürlich wie die
Zuordnung der Bezugszeichen 33 und 34 zu den einzelnen Kardangelenken
des anderen Drehmomentübertragungsstrangs. Wichtig ist,
daß die Kardangelenke 23 und 24 des einen Drehmomentübertragungsstrangs
jeweils effektiv um 90° versetzt zu den Kardangelenken
33 und 34 des anderen Drehmomentübertragungsstrangs
angeordnet sind, wobei sich die zyklischen Drehphasenverschiebungen
über die einzelnen Drehmomentübertragungsstränge mit
umgekehrten Vorzeichen aufsummieren. In der Summe wird eine
zyklische Drehphasenverschiebung zwischen den Paaren der Rotationskolben
5 und 7 sowie 6 und 8 erreicht, wie sie in den
Figuren 11 und 12 skizziert ist. Dabei zeigt Figur 11 das größte
Volumen der Expansionskammern 11 und 13 und das kleinste Volumen
der Expansionskammern 14 und 12, während Figur 12 das mittlere
Volumen aller Expansionskammern 11 bis 14 wiedergibt. Anhand der
Figuren 11 bis 12 ist die Funktionsweise der Vorrichtung gemäß
den Figuren 10 und 12 gut zu erklären, bei der es sich um einen
Viertaktverbrennungsmotor handelt. Gemäß Figur 11 ist der Inhalt
der Expansionskammer 14 komprimiert und wird durch eine Zündkerze
41 gezündet. Die Expansionskammer 11 hat aufgrund der Ausdehnung
Ihres zuvor gezündeten Inhalts ihr maximales Volumen
erreicht. Die Expansionskammer 12 hat ihren verbrannten Inhalt
bis auf einen dem Restvolumen entsprechenden Rest ausgestoßen.
Die Expansionskammer 13 hat ein Luft-Treibstoff-Gemisch angesaugt.
(Falls eine hier nicht dargestellte Treibstoffeinspritzpumpe
vorhanden ist, hat die Expansionskammer 13 entsprechend
nur Luft angesaugt.) Bei der darauffolgenden Drehstellung der
Rotationskolben 5 bis 8 gemäß Figur 12, die gegenüber Figur 11
einer Verdrehung der Drehmomentübertragungswelle 22 gemäß Figur
10 um 45° entspricht, hat sich die Expansionskammer 14 unter
Einwirkung ihres verbrennenden Inhalts bereits etwa auf ihr
halbes maximales Volumen ausgedehnt. Gleichzeitig hat die
Expansionskammer 11 durch die Auslaßöffnung 20, die hier nur
eine geringe Erstreckung in Umlaufrichtung gemäß Pfeil 9
aufweist, ihren verbrannten Inhalt etwa zur Hälfte ausgestoßen.
Die Expansionskammer 12 hat über die Einlaßöffnung 19 Luft-Treibstoff-Gemisch
soweit angesaugt, daß sie ihr halbes
maximales Volumen erreicht hat. Die Expansionskammer 13 hat das
zuvor angesaugte Luft-Treibstoff-Gemisch bereits etwa auf die
Hälfte seines Ausgangsvolumens komprimiert. Im nächsten Schritt
wird das Luft-Treibstoff-Gemisch in der Expansionskammer 13
vollständig komprimiert und gelangt unter die Zündkerze 41. Die
Expansionskammer 13 entspricht in dieser Stellung der Expansionskammer
14 gemäß Figur 11 usw.. Zwischen den Figuren 11 und
12 und weiter, bis die Expansionskammern 14 und 12 ihr maximales
Volumen und die Expansionskammern 11 un 13 ihr minimales Volumen
erreicht haben, bewegen sich im wesentlichen die Rotationskolben
5 und 7, während die Rotationskolben 6 und 8 nahezu still
stehen. Das heißt, die Rotationskolben 5 und 7 bewegen sich
einmal mit der Umdrehungsgeschwindigkeit der Drehmomentübertragungswelle
22 und zusätzlich mit einer etwa ebenso großen
Drehphasenverschiebung in der Umlaufrichtung. Bei den Rotationskolben
6 und 8 ist der Drehgeschwindigkeit der Drehmomentübertragungswelle
22 die Drehphasenverschiebung mit umgekehrten
Vorzeichen überlagert, woraus sich eine nur geringe Restdrehgeschwindigkeit
der Rotationskolben 6 und 8 ergibt. Wenn die
Expansionskammer 13 jedoch die Stellung der Expansionskammer 14
unter der Zündkerze 41 gemäß Figur 1 eingenommen hat, kehren
sich die Verhältnisse um und die Rotationskolben 5 und 7
befinden sich nahezu in Ruhe, während die Rotationskolben 6 und
8 durch die Expansions der Expansionskammer 13 stark
beschleunigt werden. Die durch Schwenkpfeile 42 in Figur 10
angedeutete Möglichkeit, den Knickwinkel der eingangsseitigen
Kardangelenke 23 und 33 zu verändern, entspricht der Möglichkeit,
das Restvolumen der Expansionskammern 11 bis 14 und damit
die Kompression des Verbrennungsmotors beispielsweise an
unterschiedliche Treibstoffarten anzupassen.
BEZUGSZEICHENLISTE
- 1
- - Gehäuse
- 2
- - Ringraum
- 3
- - Achse
- 4
- - Welle
- 5
- - Rotationskolben
- 6
- - Rotationskolben
- 7
- - Rotationskolben
- 8
- - Rotationskolben
- 9
- - Pfeil
- 10
- - Ausnehmung
- 11
- - Expansionskammer
- 12
- - Expansionskammer
- 13
- - Expansionskammer
- 14
- - Expansionskammer
- 15
- - Bereich
- 16
- - Bereich
- 17
- - Bereich
- 18
- - Bereich
- 19
- - Einlaßöffnung
- 20
- - Auslaßöffnung
- 21
- - Welle
- 22
- - Drehmomentübertragungswelle
- 23
- - Kardangelenk
- 24
- - Kardangelenk
- 25
- - Gabel
- 26
- - Gabel
- 27
- - Drehmomentübertragungselement
- 28
- - Zahnriemen
- 29
- - Achse
- 30
- - Achse
- 31
- - Zahnriemenscheibe
- 32
- - Zahnriemenscheibe
- 33
- - Kardangelenk
- 34
- - Kardangelenk
- 35
- - Zahnriemenscheibe
- 36
- - Zahnriemenscheibe
- 37
- - Zahnriemen
- 38
- - Knickwinkel
- 39
- - Gelenkzapfen
- 40
- - Gelenkzapfen
- 41
- - Zündkerze
- 42
- - Schwenkpfeil