EP0918138A2

EP0918138A2 - Vorrichtung mit mindestens zwei in einem Ringraum umlaufenden, eine Expansionskammer begrenzenden Rotationskolben

Info

Publication number: EP0918138A2
Application number: EP98119357A
Authority: EP
Inventors: Erfindernennung liegt noch nicht vor Die
Original assignee: Hermann Bruemmer KG
Current assignee: Hermann Bruemmer KG
Priority date: 1997-10-15
Filing date: 1998-10-14
Publication date: 1999-05-26
Also published as: EP0918138A3; DE19745449A1

Abstract

Eine Vorrichtung weist mindestens zwei in einem Ringraum umlaufende Rotationskolben auf, die in Ihrer Umlaufrichtung mindestens eine Expansionskammer in dem Ringraum nach vorne und hinten begrenzen. Die Rotationskolben sind über eine Getriebeanordnung so mit einer gemeinsamen Drehmomentübertragungswelle (22) verbunden, daß sich das Volumen der Expansionskammer in der Umlaufrichtung wechselweise verkleinert und vergrößert. Die Getriebeanordnung zwischen der Drehmomentübertragungswelle (22) und mindestens einem der beiden eine Expansionskammer begrenzenden Rotationskolben weist mindestens ein geknicktes und bezüglich seiner zyklischen Drehphasenverschiebung nicht kompensiertes Kardangelenk (23, 24) auf.

Description

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

Claims

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, daß sich das Volumen der Expansionskammer in der Umlaufrichtung wechselweise verkleinert und vergrößert, dadurch gekennzeichnet, daß die Getriebeanordnung zwischen der Drehmomentübertragungswelle (22) und mindestens einem der beiden eine Expansionskammer (11 bis 14) begrenzenden Rotationskolben (5 bis 8) mindestens ein geknicktes und bezüglich seiner zyklischen Drehphasenverschiebung nicht kompensiertes Kardangelenk (23, 24, 33, 34) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Getriebeanordnung zwischen der Drehmomentübertragungswelle (22) und mindestens einem der beiden eine Expansionskammer (11 bis 14) begrenzenden Rotationskolben (5 bis 8) mindestens zwei geknickte, nicht kompensierte Kardangelenke (23 und 24, 33 und 34) aufweist, die ohne Drehphasendifferenz hintereinander geschaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Getriebeanordnung zwischen der Drehmomentübertragungswelle (22) und jedem der beiden eine Expansionskammer (11 bis 14) begrenzenden Rotationskolben (5 bis 8) gleich viele geknickte, nicht kompensierte Kardangelenke (23 und 24, 33 und 34) aufweist, wobei die den beiden Rotationskolben (5 und 6, 6 und 7, 7 und 8, 8 und 5) zugeordneten Kardangelenke (23 und 24 bzw. 33 und 34) in äquivalenten Knickwinkelstellungen, aber mit einer Drehphasendifferenz von 180° angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den beiden eine Expansionskammer (11 bis 14) begrenzenden Rotationskolben (5 bis 8) zugeordneten geknickten, nicht kompensierten Kardangelenke (23 und 24, 33 und 34) koaxial angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Knickwinkel (38) mindestens eines der geknickten, nicht kompensierten Kardangelenke (23, 33) veränderbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vier Rotationskolben (5 bis 8) vorgesehen sind, die paarweise achsensymmetrisch ausgebildet sind und zwei achsensymmetrische Expansionskammern begrenzen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vier Rotationskolben (5 bis 8) vorgesehen sind, die paarweise achsensymmetrisch ausgebildet sind und vier paarweise achsensymmetrisch angeordnete Expansionskammern (11 bis 14) begrenzen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich bei einer gleichförmig umlaufenden Drehmomentübertragungswelle (22) die beiden eine Expansionskammer (11 bis 14) begrenzenden Rotationskolben (5 und 6, 6 und 7, 7 und 8, 8 und 5) abwechselnd nahezu in Ruhe befinden und mit nahezu doppelter Umlaufgeschwindigkeit der Drehmomentübertragungswelle (22) vorlaufen.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8.