Beschreibung
ROTATIONSKOLBENMASCHINE MIT AUSSENGETRIEBEMECHANISMUS
Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine mit einem Gestell, einer drehbar in dem Gestell gelagerten Zylinderbuchse, einem koaxial in der Zylinderbuchse gelagerten Rotor und einem das Gestell, die Zylinderbuchse und den Rotor verbindenden Getriebemechanismus, wobei der Getriebemechanismus außerhalb eines Arbeitsraumes, der zwi- sehen Zylinderbuchse und Rotor definiert ist, angeordnet ist und wobei der Getriebemechanismus die Zylinderbuchse und den Rotor koppelt, so dass der Rotor relativ zur Zylinderbuchse periodisch voreilt und nacheilt.
Gattungsgemäße Rotationskolbenmaschinen sind bspw. aus der deut- sehen Patentschrift DE 27432 bekannt. Ein Getriebemechanismus mit mehreren Pleueln wirkt dabei auf zwei ineinander laufende Wellen, von denen eine mit dem Rotor und die andere mit der Zylinderbuchse ver- bunden ist. Der Getriebemechanismus weist insgesamt sieben Drehgelenke auf, nämlich die Lagerung der zentralen Welle in der Hohlwelle, die Lagerung der Hohlwelle im Gestell sowie zwei Pleuel mit jeweils zwei Drehgelenken und ein weiteres Pleuel mit insgesamt drei Drehgelenken. Die Anordnung des Gestells um Zylinder und Pleuel beschränkt die geometrischen Abmessungen des Getriebemechanismus und den Winkelbereich einer Relativbewegung zwischen Rotor und Zylinder- buchse stark.
Weitere gattungsgemäße Rotationskolbenmaschinen sind bspw. aus der US-Patentschrift US 1 ,556,843, WO 00/79102 A1 , DE 1926552 A1 und EP 0013947 A1 bekannt.
DE 197 40 331 A1 , DE 197 53 134 A1 und WO 2005/045198 A1 schlagen bei einer gattungsgemäßen Rotationskolbenmaschine ovalförmige Zahnräder vor, was kaum zu einer realisierbaren Lösung führt.
WO 2007/009731 A1 beschreibt einen sehr komplizierten, ebenfalls kaum zu realisierenden Getriebemechanismus.
Allen diesen bekannten Rotationskolbenmaschinen ist der komplizierte Aufbau des Getriebemechanismus gemein, der die Zylinderbuchse und den Rotor zu einer periodisch zwischen positiver und negativer Drehgeschwindigkeit schwingenden Relativbewegung beziehungsweise zu einer periodisch voreilenden und nacheilenden Relativbewegung des Mo- tors und der Zylinderbuchse koppelt.
Mit der Erfindung soll eine Rotationskolbenmaschine geschaffen werden, die sich durch eine kompakte Bauweise und einen vergleichsweise einfachen Getriebemechanismus auszeichnet.
Erfindungsgemäß ist hierzu bei einer gattungsgemäßen Rotationskolbenmaschine vorgesehen, dass der Getriebemechanismus und die Zylinderbuchse mit dem Rotor ein Getriebe mit fünf Drehgelenken des Freiheitsgrades 1 und einem Dreh- / Schubgelenk bilden, wobei der Ge- triebemechanismus einen Drehkörper, der mittels eines ersten Drehgelenks drehbar am Gestell gelagert ist, und ein Pleuel, das mittels eines zweiten Drehgelenks drehbar mit dem Drehkörper und mittels eines dritten Drehgelenks drehbar mit der Zylinderbuchse und mittels des Dreh-/ Schubgelenks mit dem Rotor verbunden ist, aufweist.
Mittels eines solchen kompakt aufbaubaren und vergleichsweise einfachen Getriebemechanismus lässt sich die gewünschte periodisch schwingende oder pendelnde Relativbewegung zwischen Rotor und Zylinderbuchse nicht nur realisieren sondern diese schwingende Relativ- bewegung erhält auch einen sehr gleichmäßigen Verlauf mit weichen Übergängen. Dies führt in der Folge zu geringen Belastungen der einzelnen Gelenke und vor allem zu geringen, in diesen Gelenken auftretenden Spitzenkräften. Der Getriebemechanismus der Erfindung läuft
damit gleichmäßig und rund und kann auf hohe Drehzahlen und hohe Drehmomente ausgelegt werden. Die erfindungsgemäße Rotationskolbenmaschine bildet ein sechsgliedriges flaches Getriebe des Freiheitsgrades 1 mit fünf Drehgelenken und einem Dreh-Schubgelenk. Als fla- ches Getriebe wird ein Getriebe bezeichnet, bei dem sich alle Gelenkpunkte in parallelen Flächen bewegen.
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird auch durch eine gattungsgemäße Rotationskolbenmaschine gelöst, bei der der Getriebeme- chanismus und die Zylinderbuchse mit dem Rotor ein Getriebe mit fünf Drehgelenken des Freiheitsgrades 1 und zwei Zahnradübertragungen bilden, wobei der Getriebemechanismus eine Drehscheibe, die mittels eines ersten Drehgelenkes drehbar am Gestell gelagert ist, ein Pleuel, das mittels eines zweiten Drehgelenks drehbar mit der Drehscheibe und mittels eines dritten Drehgelenks drehbar mit der Zylinderbuchse verbunden ist, ein erstes Zahnrad, das starr mit einer Rotorwelle verbunden ist, ein zweites Zahnrad, das starr mit der Drehscheibe verbunden ist und wenigstens ein Zwischenzahnrad aufweist, das mit dem ersten und mit dem zweiten Zahnrad kämmt, aufweist.
Durch Verwendung von lediglich drei Drehgelenken und zwei Zahnradübertragungen im Getriebemechanismus lässt sich ein kompakter und dabei kostengünstiger Aufbau erreichen. Insbesondere für kleine, drehmomentschwache Motoren ist diese erfindungsgemäße Lösung im be- sonderen Maße geeignet.
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird bei einer gattungsgemäßem Rotationskolbenmaschine auch dadurch gelöst, dass der Getriebemechanismus und die Zylinderbuchse mit dem Rotor ein Getriebe mit sieben Drehgelenken des Freiheitsgrades 1 bilden, wobei der Getriebemechanismus eine Drehscheibe, die mittels eines ersten Drehgelenks drehbar am Gestell gelagert ist, ein erstes Pleuel, das mittels eines zweiten Drehgelenks drehbar mit der Drehscheibe und mittels eines
dritten Drehgelenks drehbar mit der Zylinderbuchse verbunden ist, ein zweites Pleuel, das mittels eines vierten Drehgelenks drehbar mit der Drehscheibe und mittels eines fünften Drehgelenks drehbar mit dem Rotor verbunden ist, aufweist.
Auf diese Weise kann die zu erzielende Relativbewegung zwischen Zylinderbuchse und Rotor mit einem Getriebemechanismus erreicht werden, der ausschließlich Drehgelenke des Freiheitsgrades 1 aufweist. Ein solcher Getriebemechanismus lässt sich hoch präzise und dabei kos- tengünstig herstellen, da lediglich Drehgelenke realisiert werden müssen. Bei entsprechender Auslegung dieser Drehgelenke können mit dieser erfindungsgemäßen Lösung auch sehr hohe Drehmomente übertragen werden.
Gemäß einem wesentlichen Gesichtspunkt der Erfindung, der auch unabhängig von der sonstigen Ausgestaltung des Getriebemechanismus realisiert werden kann, greift der Getriebemechanismus an der Zylinderbuchse radial außerhalb des Arbeitsraumes an.
Auf diese Weise kann eine sehr kompakte Ausbildung der Rotationskolbenmaschine erreicht werden, da der Getriebemechanismus unmittelbar auf die Zylinderbuchse folgt und speziell keine Gestellstrebe zwischen Getriebemechanismus und Zylinderbuchse angeordnet ist. Auf diese Weise kann auf die äußerst kostenintensive Verwendung von ineinan- derlaufenden Wellen verzichtet werden.
Gemäß einem weiteren wesentlichen Gesichtspunkt der Erfindung, der unabhängig von der sonstigen Ausgestaltung des Getriebemechanismus realisiert werden kann, ist die Zylinderbuchse im Gestell mit ihrem Au- ßenumfang gelagert.
Auf diese Weise kann die Zylinderbuchse zweiseitig gelagert werden und dennoch kann der Getriebemechanismus radial außerhalb des Ar-
beitsraumes an der Zylinderbuchse angreifen, bspw. an deren Außenumfang.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den An- Sprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Einzelmerkmale der unterschiedlichen dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen können dabei in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1a bis 1d ein kinematisches Schema einer erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in verschiedenen Drehpositionen,
Fig. 2a die erfindungsgemäße Rotationskolbenmaschine gemäß der ersten Ausführungsform als 3-D-Drahtmodell,
Fig. 2b die Rotationskolbenmaschine der Fig. 2a in einer auseinander- gezogenen Darstellung,
Fig. 3a bis 3d ein kinematisches Schema einer erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform in verschiedenen Drehpositionen,
Fig. 4a die Rotationskolbenmaschine gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung als 3-D-Drahtmodell,
Fig. 4b die Rotationskolbenmaschine der Fig. 4a in auseinandergezo- gener Darstellung,
Fig. 5a bis 5d ein kinematisches Schema einer erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine gemäß einer dritten Ausführungsform in verschiedenen Drehpositionen,
Fig. 6a die Rotationskolbenmaschine gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung als 3-D-Drahtmodell und
Fig. 6b die Rotationskolbenmaschine der Fig. 6a in auseinandergezogener Darstellung.
Die Darstellungen der Fig. 2a und 2b zeigen eine erfindungsgemäße Rotationskolbenmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Bezüglich der schematischen Darstellung der Fig. 2a ist zu berücksichtigen, dass dort die einzelnen Elemente als Drahtmodell inei- nandergezeichnet sind, so dass auch für einen Betrachter nicht erkennbare Linien dargestellt sind. Es ist zu erkennen, dass die Rotationskolbenmaschine eine Zylinderbuchse 10 aufweist, die drehbar in einem Gestell 12 aufgenommen ist. Die Zylinderbuchse 10 besteht aus einem becherartigen Abschnitt 14 sowie einer Deckelplatte 16, die im montier- ten Zustand einen Arbeitsraum 18 innerhalb der Zylinderbuchse 10 verschließt. Innerhalb der Zylinderbuchse 10 ist konzentrisch zu dieser ein Rotor 20 aufgenommen, der relativ zu der Zylinderbuchse 10 drehbar gelagert ist. Die Zylinderbuchse 10 weist zwei einander gegenüberliegende etwa keilförmige Stege 22 auf, die sich von einer umlaufenden Wandung der Zylinderbuchse 10 in Richtung ihrer Mittellängsachse erstrecken. An ihrem jeweiligen, der Mittellängsachse zugewandten Ende sind die Stege 22 mit Dichtleisten 24 versehen.
Der Rotor 20 weist ebenfalls zwei einander gegenüberliegende Stege 26 auf, die sich von einem zylinderförmigen Mittelstück 28 des Rotors 20 aus radial nach außen erstrecken und deren keilförmiger Querschnitt sich mit zunehmenden Radius verjüngt. Die Außenkanten der Stege 26 sind mit Abdichtleisten 30 versehen.
Nach Anordnung des Rotors 20 in dem becherartigen Abschnitt 14 der Zylinderbuchse 10 liegen die Abdichtleisten 24 der Stege 22 der Zylinderbuchse 10 dichtend auf dem zylinderförmigen Mittelteil 28 des Rotors 20 an. Die Abdichtleisten 30 an den radial äußeren Enden der Stege 26 des Rotors 20 liegen wiederum dichtend an der Innenwand der Zylinderbuchse 10 an. Nach dem Einsetzen des Rotors 20 in die Zylinderbuchse 10 ist ein Arbeitsraum 18 innerhalb der Zylinderbuchse 10 somit in vier Abschnitte unterteilt. Bei einer relativen Drehbewegung des Ro- tors 20 zur Zylinderbuchse 10 verändern sich diese insgesamt vier Abschnitte in ihrer Größe. Bei einer periodisch zwischen positiver und negativer Drehgeschwindigkeit schwingenden Relativbewegung zwischen Rotor 20 und Zylinderbuchse 10 wird ein in den verschiedenen Abschnitten des Arbeitsraumes 18 befindliches Gas somit abwechselnd verdich- tet und komprimiert.
Die Zylinderbuchse 10 ist in ihrer Außenwandung mit zwei Auslassöffnungen 32 versehen, von denen in den Darstellungen der Fig. 2a, 2b lediglich eine erkennbar ist. Der zylindrische Mittelteil 28 des Rotors 20 ist hohl ausgebildet und mittels einer Einlassöffnung 34 können Gase aus dem Arbeitsraum 18 innerhalb der Zylinderbuchse 10 in das Innere des zylindrischen Mittelteils 28 des Rotors 20 und letztendlich in die Umgebung gelangen. Umgekehrt kann selbstverständlich auch die Einlassöffnung 34 als Auslassöffnung und die Auslassöffnung 32 als Ein- lassöffnung ausgebildet sein.
Da sich die Zylinderbuchse 10 in Betrieb der Rotationskolbenmaschine fortlaufend dreht, ist die Zylinderbuchse 10 noch von einer in Fig. 2 nicht dargestellten Ringkammer umgeben, die relativ zum Gestell 12 stillsteht und die beispielsweise einen Ansaugraum bereitstellt.
Die Zylinderbuchse 10 ist in dem Gestell 12 an ihrem einen Ende mit einer Zylinderwelle 36 aufgenommen, die in einer passenden Bohrung
38 des Gestells 12 gelagert ist. An ihrem anderen Ende ist die Zylinderbuchse 10 mit ihrem Außenumfang in einer passenden Bohrung 40 des Gestells 12 drehbar gelagert. Diese zweite Lagerbohrung 40 im Gestell 12 ist dabei so groß, dass die Zylinderbuchse 10 mit ihrer im Durchmes- ser kleineren Zylinderwelle 36 durch diese Bohrung 40 hindurchgeschoben werden kann, bis die Zylinderwelle 36 in der passenden Bohrung 38 im Gestell angeordnet ist. Das, der Zylinderwelle 36 gegenüberliegende Ende der Zylinderbuchse 10, das im Betrieb mittels der Deckelplatte 16 verschlossen wird, ist somit von der Vorderseite des Gestells 12, das in Fig. 2 dem Betrachter zugewandt ist, zugänglich. An diesem vorderen Ende der Zylinderbuchse 10 ist ein Zapfen 42 angeordnet, an dem ein Pleuel 44 eines Getriebemechanismus angreift, wie nachstehend noch erläutert wird.
Das Gestell 12 weist in der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform insgesamt drei parallel zueinander angeordnete Platten 46, 48, 50 auf. Die in Fig. 2 hinterste dieser Platten 46 trägt die Lagerbohrung 38 für die Aufnahme der Zylinderwelle 36, die mittlere der Platten 48 trägt die Lagerbohrung 40 für die Aufnahme des Außenumfangs der Zylinderbuchse 10 und die vorderste dieser Platten 50 trägt eine Lagerbohrung 52 zur Aufnahme eines Zapfens 53 eines Drehkörpers 54, der als Drehkurbel ausgebildet ist. Die drei parallel zueinander angeordneten Platten 46, 48, 50 des Gestells 12 sind mit zwei parallel zueinander verlaufenden Stangen 56 verbunden.
Ein Getriebemechanismus, mittels dem die Synchronisation des Rotors 20 und der Zylinderbuchse 10 bewirkt wird, so dass diese bei einer Drehbewegung der Zylinderbuchse 10 oder des Rotors 20 eine periodisch um einen Nulldurchgang schwingende Relativbewegung ausfüh- ren, ist zwischen der in Fig. 2 vorderen Platte 50 und dem Ende der Zylinderbuchse 10 angeordnet, an dem der Zapfen 42 angeordnet ist. Der Getriebemechanismus greift somit am Außenumfang der Zylinderbuchse 10, am Rotor 20 und am Gestell 12 an und ist daher außerhalb des Ar-
beitsraumes 18, der innerhalb der Zylinderbuchse 10 liegt, angeordnet. Dies ermöglicht es, den Arbeitsraum 18 selbst unbeeinträchtigt von räumlichen Erfordernissen für die Unterbringung des Getriebemechanismus zu gestalten. Das Angreifen des Getriebemechanismus am Au- ßenumfang der Zylinderbuchse 10 ermöglicht auch die Übertragung sehr hoher Drehmomente bei geringen Gelenkbelastungen. Die Anordnung des Getriebemechanismus zwischen der vorderen Platte 50 und der Zylinderbuchse 10 lässt große Freiheiten bei der Gestaltung des Getriebemechanismus, da keine Gestellstreben oder Gehäusewandungen die Bewegungen der einzelnen Getriebeglieder beschränken. Bei der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine lassen sich dadurch relative Drehwinkel zwischen Rotor 20 und Zylinderbuchse 10 von 160° realisieren.
Ein erste Drehgelenk des Getriebemechanismus ist mittels des Zapfens 53 des Drehkörpers 54 und der Lagerbohrung 52 im Gestell 12 gebildet. Der Getriebemechanismus weist neben dem Drehkörper 54 weiter das Pleuel 44 auf, das mittels eines zweiten Drehgelenks drehbar mit dem Drehkörper 54 verbunden ist, wobei das zweite Drehgelenk durch einen Zapfen 58 am Drehkörper 54 und eine Lagerbohrung 60 am Pleuel 44 gebildet ist. Der Drehkörper 54 ist darüber hinaus mit einem dritten Drehgelenk drehbar mit der Zylinderbuchse 10 verbunden, wobei das dritte Drehgelenk durch eine Lagerbohrung 62 am Pleuel 44 und den Zapfen 42 an der Zylinderbuchse 10 gebildet ist. Weiterhin ist das Pleuel 44 mittels eines Dreh-/Schubgelenks mit dem Rotor 20 verbunden, wobei dieses Dreh-/Schubgelenk durch einen Zapfen 64 am Pleuel 44, einen Gleitstein 66, der eine Lagerbohrung 68 zur Aufnahme des Zapfens 64 aufweist, und eine Kulissenführung 70 gebildet ist, die wiederum starr mit dem Mittelteil 28 des Rotors 20 verbunden ist, indem eine rechtecki- ge Durchgangsöffnung 72 an der Kulissenführung 70 auf einen passenden rechteckigen Vorsprung 74 am Rotor 20 aufgesetzt ist. Der Gleitstein 66 kann sich somit linear innerhalb der Kulissenführung 70 bewe-
gen und das Pleuel 44 ist wiederum mittels seines Zapfens 64 drehbar in der Lagerbohrung 68 des Gleitsteines 66 gelagert.
Die Darstellungen der Fig. 1a bis 1d zeigen verschiedene Drehpositio- nen der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine gemäß der ersten Ausführungsform anhand eines kinematischen Schemas. In diesem Schema ist die Zylinderbuchse 10 als Kreis eingezeichnet und der Zapfen 42 am Außenumfang der Zylinderbuchse 10 ist zu erkennen. Das Gestell ist der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt, die Zylinder- buchse 10 dreht sich aber um eine Mittellängsachse O1.
Weiterhin ist eine Kreisbahn, die der Zapfen 58 des Drehkörpers 54 zurücklegt, mit 76 bezeichnet und der Drehpunkt des Drehkörpers 54 am Gestell 12 ist mit O2 bezeichnet. Ebenfalls zu erkennen ist die Kulissen- führung 70, die einerseits starr am Rotor 20 befestigt ist und sich somit radial von der Mittellängsachse O1 der Zylinderbuchse 10 und des Rotors 20 nach außen erstreckt. In der Kulissenführung 70 ist der Gleitstein 66 so aufgenommen, dass er sich in radialer Richtung innerhalb der Führung 70 bewegen kann. Der Gleitstein 66, der Zapfen 42 und der Zapfen 58 des Drehkörpers 54 werden mittels des Pleuels 44 miteinander verbunden.
Die Darstellung der Fig. 1a zeigt eine erste Drehposition der Rotationskolbenmaschine, und anhand eines Vergleichs mit der Darstellung der Fig. 1 b einer zweiten Drehposition der Rotationskolbenmaschine ist zu erkennen, dass bei der dargestellten Drehung gegen den Uhrzeigersinn die Zylinderbuchse 10 sich um etwas mehr als eine Vierteldrehung weiter dreht, zu erkennen an der Position B1 des Zapfens 42 in der Fig. 1a- -. links oben und der Position B2 dieses Zapfens 42 der Fig. 1b links un- ten. Der Rotor 20 dreht sich dabei aber um einen größeren Winkel, wie anhand der Position C1 der Kulissenführung 70 in Fig. 1a und im Vergleich hierzu der Position C2 in der Fig. 1b zu erkennen ist. Zwischen Fig. 1a und Fig. 1b eilt der Rotor 20 somit der Zylinderbuchse 10 voraus,
so dass sich eine positive Drehgeschwindigkeit zwischen Rotor 20 und Zylinderbuchse 10 ergibt. Die Drehung der Zylinderbuchse 10 um den Winkel B1 , O1 , B2 ist kleiner als die Drehung des Rotors 20 um den Winkel C1 , O1 , C2. Der Rotor 20 dreht sich also schneller als die Zylin- derbuchse 10.
Der umgekehrte Fall tritt ein, wenn der Zapfen 58 die in Fig. 1c dargestellte Position, also unten am Drehkreis 76, passiert und sich dann weiter dreht. Zwischen der dritten Drehposition in Fig. 1c und der vierten Drehposition in Fig. 1d legt die Zylinderbuchse 10 annähernd eine Vierteldrehung zurück, wie sich aus einem Vergleich der Position B3 des Zapfens 42 in Fig. 1c und der Position B4 des Zapfens 42 in Fig. 1d ergibt. Der Rotor 20 dahingegen legt zwischen der dritten Drehposition in Fig. 1c und der vierten Drehposition in Fig. 1d dahingegen deutlich we- niger als eine Vierteldrehung zurück, wie sich aus einem Vergleich der Position C3 der Kulissenführung 70 in Fig. 1c und ihrer Position C4 in Fig. 1d ergibt. Der Winkel B3, O1 , B4, um den sich die Zylinderbuchse 10 dreht, ist also größer als die Drehung des Rotors 20 um den Winkel C3, O1 , C4. Zwischen den Drehpositionen der Fig. 1c und 1d dreht sich die Zylinderbuchse 10 somit schneller als der Rotor 20.
Eine geometrische Betrachtung zeigt, dass der Überholvorgang des Rotors 20 in der ersten Drehhälfte, also zwischen der ersten Drehposition in Fig. 1a und der zweiten Drehposition in Fig. 1 b, genau gleich dem Überholvorgang der Zylinderbuchse 10 in der zweiten Drehhälfte ist, also zwischen der dritten Drehposition in Fig. 1c und der vierten Drehposition in Fig. 1d. Nach einer vollen Umdrehung der Zylinderbuchse 10 unddes Rotors 20 ist die relative Drehung zwischen Zylinderbuchse 10 und Rotor 20 somit wieder null. Bei einer fortlaufenden Drehung der Zylin- derbuchse 10 und des Rotors 20 führt dies zu einer um einen Nulldurchgang schwingenden oder pendelnden Relativbewegung von Rotor 20 und Zylinderbuchse 10, eine Relativbewegung die somit zwischen positiver und negativer Drehgeschwindigkeit schwingt. Mit anderen Worten
eilt der Rotor 20 der Zylinderbuchse 10 periodisch vor beziehungsweise nach, wobei sich die Relativbewegung über einen Drehwinkel von etwa 160° erstreckt.
Anhand der Darstellungen der Fig. 1a, 1b, 1c, 1d und 2a, 2b ist zu erkennen, dass die Rotationskolbenmaschine gemäß der ersten Ausführungsform ein Sondergetriebe mit insgesamt sechs Gliedern und sieben Gelenken darstellt. Als Glieder werden dabei die Zylinderbuchse 10, der Rotor 20, der Drehkörper 54, das Pleuel 44, der Gleitstein 66 und das Gestell 12 bezeichnet. Die sieben Gelenke werden durch die Drehlagerung der Zylinderbuchse 10 im Gestell 12, die Drehlagerung des Rotors 20 in der Zylinderbuchse 10, die Lagerung des Drehkörpers 54 am Gestell 12, die Lagerung des Drehkörpers 54 am Pleuel 44, die Lagerung des Pleuels 44 an der Zylinderbuchse 10, die Lagerung des Pleuels 44 am Gleitstein 66 und die Lagerung des Gleitsteins 66 in der Kulissenführung 70 gebildet. Alle Gelenkpunkte bewegen sich in zueinander parallelen Ebenen, so dass es sich definitionsgemäß um ein flaches Getriebe handelt. Alle Gelenke haben den Freiheitsgrad f = 1. Der Freiheitsgrad F des Getriebes ist somit 1. Der Freiheitsgrad F ergibt sich dabei gemäß der Formel
F= 3*(n - 1 ) - 2*g1 - g2 = 3*5- 2*7=1
wobei n die Zahl der Glieder ist, gl die Zahl der Gelenke mit dem Frei- heitsgrad F = 1 ist und g2 die Zahl der Gelenke mit dem Freiheitsgrad f = 2 ist, im vorliegenden Fall ist g2 = 0.
Für-die Umlauffähigkeit soll dieses Getriebe eine ähnliche wie die Grashof-Bedingung für Viergelenkgetriebe erfüllen, was jedoch keine großen Schwierigkeiten mit sich bringt.
Die Darstellung der Fig. 4a zeigt ein schematisches Drahtmodell einer Rotationskolbenmaschine gemäß einer zweiten bevorzugten Ausfüh-
rungsform der Erfindung in perspektivischer Ansicht und die Darstellung der Fig. 4b zeigt die Rotationskolbenmaschine der Fig. 4a in auseinandergezogener Darstellung. Bezüglich der Darstellung der Fig. 4a ist wie bei der Darstellung der Fig. 2a zu beachten, dass auch an und für sich nicht erkennbare Linien dargestellt sind. Die Rotationskolbenmaschine in Fig. 4a weist, wie die bereits erläuterte Rotationskolbenmaschine aus Fig. 2a, eine Zylinderbuchse 10 mit einer Abdeckplatte 16 auf, die in einem Gestell 12 drehbar aufgenommen ist. Die Zylinderbuchse 10 und das Gestell 12 sind identisch zu der Zylinderbuchse 10 und dem Gestell 12 der Rotationskolbenmaschine der Fig. 2a ausgebildet und werden daher nicht erneut erläutert.
In der Zylinderbuchse 10 ist ein Rotor 80 aufgenommen, der sich lediglich geringfügig vom Rotor 20 der Rotationskolbenmaschine der Fig. 2 unterscheidet, so dass lediglich die Unterschiede erläutert werden. Der Rotor 80 weist an seinem in Fig. 4a vorderen Ende einen Wellenstummel 82 auf, auf dem ein erstes Zahnrad 84 drehfest befestigt werden kann. Im zusammengebauten Zustand der Rotationskolbenmaschine erstreckt sich der Wellenstummel 82 durch den Deckel 16 hindurch, ist gegen diesen abgedichtet, und das Zahnrad 84 ist dann drehfest auf dem Wellenstummel 82 befestigt.
Die Rotationskolbenmaschine der Fig. 4a, 4b weist weiter eine Drehscheibe 86 auf, die von ihrem Mittelpunkt ausgehend einen Zapfen 88 aufweist und konzentrisch zu ihrem Mittelpunkt mit einem zweiten Zahnrad 90 versehen ist. Das zweite Zahnrad 90 ist drehfest auf dem Zapfen 88 angeordnet, der vom Mittelpunkt der Drehscheibe 86 sich zur selben Seite hin erstreckt wie ein weiterer Zapfen 92. Der mittig angeordnete Zapfen 88 auf der Drehscheibe 86 ist in der Lagerbohrung 52 des Ge- stells 12 gelagert, so dass die Drehscheibe 86 relativ zum Gestell 12 eine Rotationsbewegung um ihren Mittelpunkt ausführen kann.
Der weitere Zapfen 92 dient zur gelenkigen Anordnung eines Pleuels 94, das einerseits drehbar mit dem Zapfen 92 und andererseits drehbar mit dem Zapfen 42 am Außenumfang der Zylinderbuchse 10 verbunden ist. Das erste Zahnrad 84 und das zweite Zahnrad 90 sind gleich groß und weisen die gleiche Zähnezahl auf und sind mittels zweier Zwischenzahnräder 96 miteinander verbunden, die frei drehbar auf einem Lagerbalken 98 oder in einem Lagerkäfig angeordnet sind. Die beiden Zwischenzahnräder 96 sorgen für eine Verbindung des ersten und des zweiten Zahnrads 84, 90 und dadurch für eine Synchronisation der Drehbewegung der Drehscheibe 86 und des Rotors 80. Über das Pleuel 94 wird dann die Drehbewegung der Zylinderbuchse 10 mit der Drehbewegung der Drehscheibe 86 synchronisiert und Rotor 80 und Zylinderbuchse 10 werden so miteinander gekoppelt, dass eine Relativbewegung zwischen Zylinderbuchse und Rotor 80 periodisch zwischen positiver und negati- ver Drehgeschwindigkeit schwingt.
Ein Getriebemechanismus, der das Gestell 12, den Rotor 80 und die Zylinderbuchse 10 miteinander koppelt, besteht somit aus dem Pleuel 94, das den Zapfen 42 der Zylinderbuchse 10 mit dem Zapfen 92 der Drehscheibe 86 verbindet. Die Drehscheibe 86 ist wiederum um ihren Mittelpunkt drehbar am Gestell 12 gelagert. Die Drehscheibe 86 ist konzentrisch zu ihrem Mittelpunkt mit dem zweiten Zahnrad 90 versehen und über dieses zweite Zahnrad 90 und die beiden Zwischenzahnräder 96 wird die Drehscheibe 86 mit dem Rotor 80 gekoppelt, der konzentrisch zu seiner Mittellängsachse das erste Zahnrad 84 aufweist. Anstelle der beiden Zwischenzahnräder 96 kann ersichtlich lediglich ein Zwischenzahnrad verwendet werden, wobei in diesem Fall dann eine abgewandelte Konstruktion gewählt werden müsste.
Die Darstellungen der Fig. 3a bis 3d zeigen verschiedene Drehpositionen der Rotationskolbenmaschine der Fig. 4a. Es ist zu erkennen, dass bei einer Drehung der Zylinderbuchse 10 in einer ersten Drehhälfte, entsprechend dem Übergang von der Drehposition der Fig. 3a auf die
Drehposition der Fig. 3b, die Drehscheibe 86 und der mit ihr über die Zahnräder verbundene Rotor 80 sich schneller drehen als die Zylinderbuchse 10. Entsprechend ist der Winkel A1 , O2, A2, den die Drehscheibe 86 zwischen den Drehpositionen der Fig. 3a und der Fig. 3b zurück- legt, größer als der Winkel B1 , O1 , B2, den die Zylinderbuchse 10 zwischen diesen beiden Drehpositionen zurücklegt.
In der zweiten Drehhälfte, entsprechend dem Übergang von der in Fig. 3c dargestellten Drehposition auf die in Fig. 3d dargestellte Drehpositi- on, dreht sich dann der Rotor 80 langsamer als die Zylinderbuchse 10, da der Winkel A3, O2, A4 kleiner ist als der Winkel B3, O1 , B4. In der Folge bewegen sich die Zylinderbuchse 10 und der Rotor 80 relativ zueinander, und zwar entsteht eine Relativbewegung zwischen Zylinderbuchse 10 und Rotor 80, die periodisch um einen Nulldurchgang zwi- sehen positiver und negativer Drehgeschwindigkeit schwingt.
Es ist selbstverständlich möglich, einen ersten Getriebemechanismus so wie in Fig. 4a dargestellt anzuordnen und einen zweiten Drehmechanismus auf der gegenüberliegenden Seite der Zylinderbuchse 10 anzu- ordnen, um Gelenkspannungen zu vermindern und ein höheres Drehmoment übertragen zu können. Darüber hinaus ist ersichtlich, dass der Rotor 80 und die Zylinderbuchse 10 mit nicht nur zwei jeweils einander gegenüberliegenden Stegen, sondern beispielsweise mit vier in den Arbeitsraum hineinragenden Stegen ausgebildet werden könnten, um ei- nen Mehrsektionsarbeitsraum zu bilden.
Die Darstellung der Fig. 6a zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine in einem Drahtmodell in perspektivischer Ansicht. Auch in Fig. 6a sind wie in den Fig. 2a und 4a Linien eingezeichnet, die für einen Betrachter nicht zu erkennen wären. Die Darstellung der Fig. 6b zeigt die Rotationskolbenmaschine der Fig. 6a in auseinandergezogener Darstellung. Zur Vereinfachung werden lediglich diejenigen Teile der Rotationskolbenmaschine be-
schrieben, die sich von den einzelnen Bauteilen der Rotationskolbenmaschine der Fig. 2a unterscheiden. So sind die Zylinderbuchse 10, der Deckel 16, der Rotor 20 und das Gestell 12 identisch zur Rotationskolbenmaschine der Fig. 2a aufgebaut. Unterschiedlich ausgebildet ist der Getriebemechanismus, der die Zylinderbuchse 10, den Rotor 20 und das Gestell 12 koppelt. Dieser Getriebemechanismus weist eine Drehscheibe 100 auf, die in der Lagerbohrung 52 des Gestells 12 mittels eines konzentrisch zu ihrem Mittelpunkt angeordneten Lagerzapfens 102 drehbar angeordnet ist. Die Drehscheibe 100 weist zwei Zapfen 104 und 106 auf, die beabstandet von dem Mittelpunkt der Drehscheibe 100 angeordnet sind. Mit diesen beiden Zapfen 104, 106 ist jeweils ein Pleuel 108, 110 drehbar verbunden. Das erste Pleuel 108 ist an seinem, dem Zapfen 104 gegenüberliegenden Ende mit dem Zapfen 42 der Zylinderbuchse 10 drehbar verbunden. Das zweite Pleuel 110 ist an seinem, dem Zapfen 106 gegenüberliegenden Ende drehbar mit dem Rotor 20 verbunden, wobei die Verbindung mittels einer Kurbel 112 hergestellt wird, die einerseits drehfest auf der Mittellängsachse des Rotors 20 befestigt ist und andererseits radial von dieser Mittellängsachse beabstandet einen Zapfen 114 aufweist, der zusammen mit einer Lagerbohrung 116 im zweiten Pleuel 110 ein Drehgelenk bildet.
Die in Fig. 6a und 6b dargestellte Rotationskolbenmaschine bildet somit insgesamt ein Getriebe mit sieben Drehgelenken des Freiheitsgrades 1. Der Getriebemechanismus selbst weist dabei ein erstes Drehgelenk auf, das die Drehscheibe 100 mit dem Gestell 12 verbindet und das durch den konzentrischen Wellenzapfen 102 an der Drehscheibe 100 und die Lagerbohrung 52 am Gestell 12 gebildet ist. Ein zweites Drehgelenk ist mittels des Zapfens 104 an der Drehscheibe 100 und einer ersten Lagerbohrung 118 am ersten Pleuel 108 gebildet. Ein drittes Drehgelenk ist durch die zweite Lagerbohrung 120 im ersten Pleuel 108 und den Zapfen 42 an der Zylinderbuchse 10 gebildet. Ein viertes Drehgelenk ist mittels des Zapfens 106 an der Drehscheibe 100 und der ersten Lagerbohrung 122 am zweiten Pleuel 110 gebildet. Ein fünftes Drehgelenk ist
mittels der zweiten Lagerbohrung 116 am zweiten Pleuel 110 und dem Zapfen 124 an der Kurbel 112 des Rotors 20 gebildet. Ein sechstes Drehgelenk wird durch die drehbare Lagerung des Rotors 20 in der Zylinderbuchse 10 und ein siebtes Drehgelenk durch die drehbare Lage- rung der Zylinderbuchse 10 im Gestell 12 gebildet.
Wie bei den Rotationskolbenmaschinen gemäß Fig. 2a, 2b und Fig. 4a, 4b greift der Getriebemechanismus an der Zylinderbuchse 10 radial außerhalb des Arbeitsraumes an. Der Getriebemechanismus ist unmittel- bar vor der Zylinderbuchse 10 und dem Rotor 20 angeordnet, ohne Zwischenfügung einer Gestellstrebe oder dergleichen, so dass der Getriebemechanismus unmittelbar an der Zylinderbuchse 10 beziehungsweise am Rotor 20 angreifen kann und ein sehr kompakter, einfacher Aufbau erzielt wird. Weiterhin ist die Zylinderbuchse 10 ebenfalls im Gestell 12 mit ihrem Außenumfang gelagert, nämlich in der Lagerbohrung 40 der mittleren Platte 48 des Gestells 12. Ersichtlich könnte ein weiterer, identischer Getriebemechanismus unmittelbar hinter der Zylinderbuchse angeordnet werden, um das von jedem Getriebemechanismus zu übertragende Drehmoment zu reduzieren und um beispielsweise eine sehr kompakte Pumpe aufzubauen.
Die Darstellungen der Fig. 5a bis 5d zeigen verschiedene Drehpositionen der Rotationskolbenmaschine der Fig. 6a, wobei die Darstellung eines kinematischen Schemas gewählt ist. Die Zylinderbuchse 10 ist mit einem Kreis dargestellt, der Rotor 20 durch einen kleineren, zur Zylinderbuchse 10 konzentrischen Kreis. Zylinderbuchse 10 und Rotor 20 drehen sich um die Mittellängsachse O1. Die Drehscheibe 100 ist durch zwei zueinander konzentrische Kreise dargestellt, wobei ein erster, größerer Kreis 130 die Umlaufbahn des Mittelpunkts des Zapfens 104 und ein zweiter, zum ersten Kreis konzentrischer kleinerer Kreis 132 die Umlaufbahn des Mittelpunkts des Zapfens 106 darstellt. Die Drehscheibe 100 dreht sich um eine Achse O2, die durch den Mittelpunkt der Lagerbohrung 52 im Gestell 12 läuft, vgl. Fig. 6b. Das erste Pleuel 108 ist als
einfache Linie dargestellt und verbindet den Zapfen 104 auf der Drehscheibe 100 mit dem Zapfen 42 an der Zylinderbuchse 10. Das zweite Pleuel 110 ist ebenfalls als einfache Linie dargestellt und verbindet den Zapfen 106 auf der Drehscheibe 100 mit dem Zapfen 124 an der Kurbel 112, die starr mit dem Rotor 20 verbunden ist.
Anhand des Übergangs der Drehposition von Zylinderbuchse 10 und Rotor 20 von der in Fig. 5a dargestellten ersten Position auf die in Fig. 5b dargestellte zweite Position ist zu erkennen, dass eine relative Dre- hung zwischen Zylinderbuchse 10 und Rotor 20 stattfindet, wobei die Zylinderbuchse 10 sich zwischen den beiden Drehpositionen in Fig. 5a und 5b schneller dreht als der Rotor 20. Die Zylinderbuchse 10 bzw. ihr Zapfen 42 dreht sich von einer Position B1 in Fig. 5a zu einer Position B2 in Fig. 5b. Der Rotor 20 bzw. der Zapfen 124 dreht sich von einer Position D1 in Fig. 5a auf eine Position D2 in Fig. 5b. Der Winkel B1 , O1 , B2 ist dabei größer als der Winkel D1 , O1 , D2, so dass sich also die Zylinderbuchse 10 schneller dreht als der Rotor 20. In der zweiten Drehhälfte, die durch den Übergang zwischen den Drehpositionen der Fig. 5c und der Fig. 5d dargestellt ist, dreht sich dann der Rotor 20 schneller als die Zylinderbuchse 10. Die Zylinderbuchse 10 bzw. ihr Zapfen 42 dreht sich von einer Position B3 in Fig. 5c auf eine Position B4 in Fig. 5d. Der Rotor 20 bzw. der Zapfen 124 an der Kurbel 112 dreht sich dahingegen von einer Position D3 in Fig. 5c auf eine Position D4 in Fig. 5d. Der Winkel B3, O1 , B4 ist kleiner als der Winkel D3, O1 , D4, so dass sich also die Zylinderbuchse 10 langsamer dreht als der Rotor 20.
Eine geometrische Betrachtung zeigt, dass das Voreilen der Zylinderbuchse 10 in der ecsien Drehhälfte genau gleich zu der Voreilung des Rotors 20 in der zweiten Drehhälfte ist. Da dies bedeutet, dass bei einer vollen Umdrehung der Zylinderbuchse 10, des Rotors 20 und der Drehscheibe 100 die relative Drehung der Zylinderbuchse 10 und des Rotors 20 gleich Null ist. Es ergibt sich dadurch die zwischen positiver und negativer Drehgeschwindigkeit pendelnde Relativbewegung der Zylinder-
buchse 10 und des Rotors 20, entsprechend einer abwechselnden Kompression und Expansion der Sektoren des Arbeitsraums zwischen den Stegen der Zylinderbuchse 10 und des Rotors 20.
Auch die in den Fig. 5a bis 5d und 6a, 6b gezeigte Rotationskolbenmaschine und speziell deren Getriebemechanismus erfüllt die vorstehend genannte Formel für ebene Getriebe.
Zusammenfassend stellt die Erfindung somit für die Abstimmung der Ro- tationsbewegung einer Zylinderbuchse und eines darin konzentrisch gelagerten Rotors, der die Funktion eines Kolbens erfüllt, bei Rotationskolbenmaschinen drei Ausführungsformen von relativ einfach aufgebauten und einfach realisierbaren Getriebemechanismen bereit. Ein erster Drehmechanismus entsprechend den Fig. 1a bis 1d und 2a, 2b bildet zusammen mit der Zylinderbuchse 10 und dem Rotor 20 ein sechsglied- riges Sondergetriebe mit fünf Drehgelenken und einem Dreh- Schubgelenk des Freiheitsgrades 1. Der zweite Getriebemechanismus gemäß den Fig. 3a bis 3d und Fig. 4a, 4b bildet zusammen mit der Zylinderbuchse 10 und dem Rotor 80 ein sechsgliedriges Sondergetriebe mit zwei Zahnradübertragungen und fünf Drehgelenken des Freiheitsgrades 1. Der dritte vorgeschlagene Getriebemechanismus gemäß den Fig. 5a bis 5d und Fig. 6a, 6b bildet zusammen mit der Zylinderbuchse 10 und dem Rotor 20 ein sechsgliedriges Getriebe mit sieben Drehgelenken des Freiheitsgrades 1. Die rein rotatorische Relativbewegung zwischen Zylinderbuchse 10 und Rotor 20, 80 ausschließlich um deren gemeinsame Drehachse ermöglicht es, einen sehr hohen Abdichtungsgrad zu erreichen, da die jeweiligen Abdichtungsleisten 24, 30, vgl. Fig. 2b, keiner Seitenkraft a^tsgesetzt sind. Die Einfachheit der vorgeschlagenen Konstruktionen und die für eine Optimierung zur Verfügung ste- hende große Zahl der wesentlichen geometrischen Parameter erlaubt es, die Arbeitsprozesse im Arbeitsraum zwischen Zylinderbuchse 10 und Rotor 20, 80 zu optimieren und Spannungen in den Gelenken zu reduzieren. Die sich ergebenden Konstruktionen der jeweiligen Getriebeme-
chanismen sind sehr kompakt. Beim Aufbau eines Verbrennungsmotors kann die erfindungsgemäße Rotationskolbenmaschine sogar kompakter als ein Wankelmotor aufgebaut werden. Für den Ladungswechsel werden keine Ventile benötigt und für das Einspritzen der Ladung entfällt die Notwendigkeit von Nockenwellen. Die rotierende Zylinderbuchse 10 erlaubt es, auf eine zusätzliche Luftkühlung zu verzichten.