JP2011512485A - ロータリ機械の制御機構 - Google Patents

Abstract

【課題】ハウジング軌道としてシングルアーチ式トロコイドを有するロータリ機械のロータの制御機構につき、側面を介した媒体交換を可能とする構成を提案する。
【解決手段】ロータリー機械の運動制御のために、ハウジングに定置の点に沿った、ハウジング軌道としてシングルアーチ式トロコイドを備えたロータリ機械の二角型ロータ用の摺動ガイドの配置構成において、ロータの運動経過内で側方の媒体交換のために使用可能である側方ロータ面の最小制限のために、摺動ガイドがロータの内部に設置され、それにより、ハウジングに定置のピンがロータに対する相対運動時に走行する旋回半径を備えたロータの中央開口部だけが側面に作り込まれることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明の対象は、ハウジング軌道としてシングルアーチ式トロコイドを有するロータリ機械のロータ（即ちピストン）の制御機構である。

（背景技術とその問題点）
バンケルエンジンのようなロータリ機械においては、通常、ロータには内側噛合部を有する大歯車が配置されていて、この大歯車がハウジング側壁に固定されている小歯車と係合状態にあることにより、ロータ運動の制御が行われる。小歯車を貫通して、エンジン出力を取り出すための偏心軸が同時に案内される。ロータは偏心器上で中央の半径方向軸受により案内されていて、その結果、ロータは出力軸の回りで回転することができ、同時に、両方の歯車の噛合により強制的に、ロータ自身の回りでも回転する。公知のバンケル機械において、ロータにおける内歯歯車の直径とハウジングにおける外歯歯車の直径とは３対２の比率にあり、それによりハウジング軌道としてダブルアーチ式トロコイドが得られている。

大きな容積変化のためには、ハウジング軌道がシングルアーチ式トロコイドの形状をもつロータリ機械が特に適している。この際、ロータにおける内歯歯車の直径に対してハウジングにおける外歯歯車の直径の比率は２対１の値をとる。この機械のロータは二角型の形状を有している。媒体交換のための開口部の配置構成が不適切である場合に吸気と排気の間に短絡流が発生し得るということは不利である。これらの短絡流は、媒体交換がハウジング側壁における側方開口部を介して行われることにより回避することができる。しかし二角型ロータの（側方）面は僅かであり、このことは、側方開口部が同時にロータの運動と関連して開閉されるようにこれらの側方開口部を配置しなくてはならないという困難性をもたらす。

この困難性は、本質的な意味でロータリ機械ではない類似の機械においても生じる。そのようなタイプの機械の一例は、オーストラリア企業の Katrix Pty Ltd. による回転ピストン機械がある。更にここでは、ピストンが摺動ガイドにより出力シャフトと連結されていることが不利であると分かっている。そのような場合、ピストンの先端が常に軌道輪郭（プロフィル）で案内されることがピストン回転時に保証されているのであれば、確かに任意のハウジング軌道の選択の可能性が存在する。ところがその際、結果としてのガス力は摺動ガイドを介して出力案内軸へと進んでゆき、この配置構成の結果は、構成部材の高磨耗と結び付いた滑動ペア内の高摩擦である。それに対し、ロータリ機械の場合、結果としての力は常に偏心器へと作用し、その結果、機械を貫通して案内される出力軸を省略することができる。

また、図１で説明される、シングルアーチ式トロコイドの形状のハウジング軌道を備えたロータリ機械におけるロータ運動の制御機構が知られている。このロータリ機械の特別な特性は、両方の歯車のギア比が２対１の比率にあることである。数学的な原理は、ロータを通じる想定縦軸線６が常にハウジング固定点３を通って延びていて、ロータを通じる想定横軸線７が常にハウジング固定点４を通って延びていることをもたらす。それらの固定点３と固定点４は、同時に軸線８及び９を有するデカルト座標系（直交座標系）の点である。つまり中心点５を有する出力軸の回転にとって、ロータの自身の自転が２つの歯車１０及び１１の協働によりもたらされるのか又は固定点３及び４を通ったロータの摺動ガイドによりもたらされるのかは重要なことではない。

全ての場合において、ロータにおける結果としてのガス力は常に偏心器中心点を通っており、出力軸の回転中心点５に対し、てこのアーム（応力中心距離）をもっている。ロータリ機械の偏心率は、中心点５に対する固定点３及び４の間隔である。ロータ先端はガイド力からの影響は受けない。この運動原理は既に特許文献１に記載されている。

図２は、ハウジング側壁における別の回転点も回転摺動ガイドの機能のために選択可能であることを示している。図２において軸線１２及び１３は回転摺動点１４及び１５を通って延びている。軸線１２及び１３は図１の対称軸線６及び７に対して特定の角度だけ回転されている。この角度は、ハウジング側壁における回転摺動点の選択されたポジションに対応し、任意に選択することができる。

ビストンの他に歯車を備えた、シングルアーチ式ハウジング輪郭（プロフィル）を有するロータリ機械のロータ運動の制御機構は、洗練され且つ確実な解決策を提供するものであるが、連続する出力軸によっても、連続しない出力軸の場合には偏心器と並ぶ内歯大歯車の配置によっても、大きな面領域が取られてしまい、この面領域はロータ側面における媒体交換の目的のためにはもはや使用することができない。

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従って、本発明では、特に機械が極めて小さく且つ貫通して連続する出力軸の省略のもと、いかに別の制御システムにより側面を介した媒体交換を行うことができるかという解決策を提示することを目的とする。

（発明の各々の形態）
本発明の一解決策は、ハウジング側壁に配置されている唯一のガイドピン（短軸）がロータの側面の最小中央開口部を通ってロータ内へ突出し且つロータの内部空間内でガイド軌道とともに回転摺動ガイドを形成するように、ロータの内部に摺動ガイドが配置されることにより特徴付けられている。

別の一形態において本発明の解決策は、ロータ側面に、真直ぐでロータ中心点を通って延びる溝が任意の角度のもと作り込まれていて、この溝に、同時に媒体供給にも用いられる回転ピンが配置されていることにある。そのために回転ピンは管として構成され、溝内へ係合する端部にて溝幅に面付けられている。機械内への媒体供給は、ロータの運動経過（即ち運動サイクル）において回転ピンとガイド溝の間の所定のポジション或いはロータの所定の回転角が達せられると直ちに、管流路を介し、その際には回転ピンと一致（連通）することになるロータ内の案内流路を通じて媒体が機械の作業空間内へ案内されるように制御されて行われる。

別の本発明の一特徴は、２個のダブルクロススライダがロータの運動面内において、ジョイントカプラにより互いに連結されている２個のリンク部材が両方のクロススライダ内で走行可能であるように配置されていて、それに対し、ロータと、クロススライダの一方が設けられている回転プレートとが、同じ回転方向で同じ角速度で回転することにより、ロータ運動の制御が行われることにある。このためには、カプラのジョイント軸受のそれらの中心点が機械の偏心距離の間隔をもち、これはロータにおける偏心器の中心点と出力軸の中心点との間の間隔により与えられ、並びにハウジング固定のクロススライダが出力軸と共同の回転軸線を有することが必要不可欠である。これにより、媒体用側方入口のために使用可能な側方ロータ面の妨げを特に少なくすることができる。

更に本発明の一特徴は、ハウジング固定の円筒状のピンが側方の中央ロータ開口部内へ突出し、この開口部の中央には、ロータ固定の他の円筒状のピンが配置されていること、ロータ固定のピンがハウジング固定のピンの２倍の直径をもつこと、並びに両方のピンが噛合部を有し、歯付きベルトが両方のピンの回りに位置し、それによりロータの回転時には出力軸の回りの相対回転が行われることにある。ロータのこの側方開口部は、ハウジング壁での媒体交換用の機構の配置構成に対し、ロータの大きな自由面を保証している。

本発明の別の一解決策では、歯付きベルトの代わりに中間歯車としての歯車が両方の噛合ピンを連結させることによりロータ運動の制御が行われる。

シングルアーチ式トロコイドの形状のハウジング軌道を備えたロータリ機械を示す図である。 ハウジング側壁における別の回転点も回転摺動ガイドの機能のために選択可能であることを示す図である。 本発明の第１実施例を示す図である。 図３の一断面を示す図である。 本発明の第２実施例を示す図である。 図５の一断面を示す図である。 本発明の第２実施例のリンク部材２０を示す図である。 本発明の第２実施例のロータ１の一断面を示す図である。 本発明の第２実施例の回転ピン２１を示す図である。 本発明の第３実施例を示す図である。 本発明の第３実施例を示す図である。 本発明の第４実施例を示す図である。 本発明の第４実施例を示す図である。 本発明の第５実施例を示す図である。 本発明の第５実施例を示す図である。

以下、本発明に従う解決策を、図１及び図２の背景技術に関する定義から出発し、各々の実施例に基づいて説明するが、それらの図１及び図２は、シングルアーチ式トロコイドの形状のハウジング軌道を備えたロータリ機械（図１）を示すとともに、ハウジング側壁における別の回転点も回転摺動ガイドの機能のために選択可能であること（図２）を示している。

図３及び図４（図３の一断面）について。

ロータ（即ちピストン）１は偏心器（即ちエキセンタ）１９上に着座している。ロータ１は、出力軸とは反対側で、ロータ中心点を通って延在し且つガイド軌道１７を有する溝をもち、それらのガイド軌道１７を用いて滑動部材１８が案内されている。回転ピン１６がロータ１内へ突出しているので、比較的大きな構成空間を要求する滑動軌道（即ちガイド軌道）１７は、回転ピン１６の運動自由性のために必要な寸法を超え、側方の媒体制御のためのロータ１の側面を減少させることはない。

作用する媒体力の結果、ロータ１は出力軸の回りで回転する。この際、ロータ１は偏心器１９により案内される。同時にロータ１は、滑動部材１８の案内係合に対応し、偏心器１９の回りで回転しなくてはならない。滑動部材１８は、ロータ１に対し、ロータ１の全回転時、ガイド軌道１７内でロータ溝の終端位置間で往復運動する。結果としての媒体力は常に偏心器１９の中心点を通って進むので、滑動ペア１７、１８は、理論的には力がかからずに作動する関節ジョイント(Gelenk)である。このことは、自由回転可能な回転ピン１６であってこの回転ピン１６上に滑動部材１８が固定配置されている回転ピン１６の実施形態にも、ハウジングと固定接続されている回転ピン１６であってこの回転ピン１６上で滑動部材１８が自由回転可能である回転ピン１６の実施形態にも当てはまる。しかし実際には、出力案内構成部材内の機械的な摩擦の結果、制御構成部材内には僅かな力が発生する。

図５、図６（図５の一断面）、図７、図８（ロータ１の一断面）、図９について。

ロータガイドのこの実施例は、定置の回転ピン２１上に回転可能に着座するリンク部材２０の原理を、回転ピン２１を介した直接的な媒体供給と結び付けている。この目的のため、回転ピン２１は、リンク部材２０に対して媒体（燃料）を供給するための孔２２と側方開口部２３を有している。ロータ１の回転時、リンク部材２０は、所定位置において、回転ピン２１の開口部２３と、当該機械の上側の細長の作業空間に向かう流路２５との一致（連通）をもたらす。開口部２３並びに流路２５の幾何学的（空間的）対応は、作業空間のチャージが行われるように、ロータ１の回転角度位置に適合されている。

ハウジング側の軸受機構において外部から行われる回転ピン２１の回転により、回転角度とチャージの時間を駆動技術的に目的に適った方式で変更することができる。

図１０及び図１１について。

ロータ１の内部で側方のロータ中心にはクロススライダ（即ちスコッチヨーク）２６が設けられていて、このクロス（十字）スライダ２６内でリンク部材２８、２９が走行する。これらのリンク部材２８、２９は、中心でシャフト部材をもち且つこのシャフト部材がリンクカプラ３０用の軸受機構として用いられるダブルピースとして実施されている。同時にリンク部材２８、２９は（ハウジング側壁に配置されている）クロススライダ２７内で走行する。両方のクロススライダ間には、リンクカプラ（関節機構）３０の通過を可能とする、各々の面に対する間隔が存在する。

クロススライダ２７が配置されている回転プレート３１は、回転点５においてハウジングに定置の回転点を有し、同時にこの回転点５を通って、機械の出力軸の回転軸線が延びている。この配置構成により、ロータ１における側方開口部３２を、機械偏心率と回転軸受ピン３３の半径との２倍から得られる直径寸法に制限することができ、これはロータ側の媒体用側方入口の自由形態のための前提である。

リンクカプラ３０の軸受の中心点の間隔は、ロータリ機械のシングルアーチ式トロコイド軌道ではその偏心率と同一である。

図１０では、偏心率が、偏心器の中心点と回転プレート３１の中心点の間の間隔に対応している。

ロータ１の内部での回転プレート３１のスムーズな動作を可能とするために、適切な構成部材高さを有する孔３４が作り込まれている。

図１２及び図１３について。

ハウジング２のトロコイド軌道内のロータ１の走行は、ここでは、機械の側方ハウジング部分にハウジング定置（ハウジングに対し位置的に定置）の円筒状のピン１６が配置され、このピン１６が、出力軸に対して軸線合わせ(in Achsfluchtung)で着座し、ロータ１の開口部３２内へ、ロータ１が自身の軸線の回りを回転する際にスムーズな動作が可能であるように突出している。開口部３２内には、ロータ軸線と軸線合わせで、円筒状のロータ固定のピン３６が設けられている。両方のピンの直径の比率は１対２であり、従って、シングルアーチ式トロコイドの作成のための数学的な条件に対応する。ハウジングにおけるピン１６とロータ１におけるピン３６には噛合部が設けられていて、それにより歯付きベルトを両方のピンの回りにかけることができ、この歯付きベルトは、出力軸の回転時には、滑りのない状態で、出力軸の回転と同方向でその半分の角速度をもったロータ１の自身の軸線の回りの回転を作り出す。開口部３２の寸法により、側方ロータ面の最小制限を達成することができる。

図１４及び図１５について。

この配置構成は、ハウジング定置のピン１６上に同軸（同心）に固定されている歯車３８と、ロータ軸線と軸線合わせされたロータ固定の歯車３９と、中間歯車（ピニオンギア）４０と、歯車３９に固定されているバー（キャリア）４１とから成る３軸式遊星歯車装置に対応する。歯車３８と歯車３９のギア比率は１対２であり、その結果、出力軸の回転時にはロータ１は半分の角速度で同方向に回転する。この遊星歯車装置は、最小の開口部３２（図１３参照）内にロータ内で側方に格納することができる。

１ ロータ
２ ハウジング
３ 摺動点 空間固定（定置）
４ 摺動点 空間固定（定置）
５ 出力軸の中心点
６ ロータ上の座標軸線
７ ロータ上の座標軸線
８ 座標軸線 空間固定（定置）
９ 座標軸線 空間固定（定置）
１０ 内側歯車のピッチ円
１１ 外側歯車のピッチ円
１２ ロータ上の座標軸線
１３ ロータ上の座標軸線
１４ 摺動点 空間固定（定置）
１５ 摺動点 空間固定（定置）
１６ 回転ピン 空間固定（定置）
１７ ロータ１内のガイド軌道
１８ 回転ピン１６における滑動部材
１９ 出力軸の偏心器
２０ リンク部材 回転ピン２１上で回転可能
２１ （定置の）回転ピン(Drehzapfen)
２２ 回転ピン２１内の媒体供給用の孔
２３ 回転ピン２１内の媒体用開口部
２４ リンク部材２０内の媒体用孔
２５ ロータ１内の媒体用流路
２６ クロススライダ ロータ１内に配置
２７ クロススライダ ハウジング側壁内に配置
２８ リンク部材
２９ リンク部材
３０ リンクカプラ（関節機構 Gelenkkoppel）
３１ クロススライダ２７の回転プレート(Teller der Kreuzschleife)
３２ ロータ１内の側方開口部
３３ 回転プレート３１の回転軸受
３４ 回転プレート３１用のロータ１内の自由回転部(Freidrehung)
３５ ロータ１の中心点
３６ ロータ１内の歯付きディスク
３７ 歯付きベルト
３８ 歯車 ハウジング固定
３９ 歯車 ロータ１内に固定
４０ 中間歯車（ピニオンギア）
４１ 中間歯車４０を把持（軸支）するための、歯車３９におけるバー（キャリア）

Claims (8)

1. ハウジング側のハウジングに定置の点を利用した、ハウジング軌道としてのシングルアーチ式トロコイドと二角型ロータとを備えたロータリ機械の制御機構であって、
   ハウジング側のハウジングに定置の点の回りで回転可能な回転摺動ガイドがリンク部材とガイドリンクとから成り、この回転摺動ガイドが、ロータ側には最小開口部だけが必要であり且つロータ側の面の最大部分がロータリ機械の側方の媒体交換のために使用可能であるようにロータの内部に設置されていること
   を特徴とする制御機構。
2. ロータの内部の前記回転摺動ガイドが、同時に媒体交換用の機能要素であり、媒体案内が、管として形成されている回転ピンを通じてロータ内へと行われ、そしてこの媒体案内が、ロータの内部から更にロータリ機械の作業空間へと行われ、それにより媒体交換が、ロータの運動経過における所定の幾何学的ポジションに依存して自動で行われること
   を特徴とする、請求項１に記載のロータリ機械の制御機構。
3. リンク部材が、ハウジング側において回転不能に配置され且つ管として形成されている回転ピン上に回転可能に設けられていて、当該リンク部材が内部の接続流路を有し、これらの接続流路が、回転ピンにおける半径方向開口部とガイド溝の面における流路との間の媒体制御を可能とすること
   を特徴とする、請求項１又は２に記載のロータリ機械の制御機構。
4. 管として形成されている回転ピンが、この回転ピンにリンク部材が位置する部分で側方開口部を有し、これらの側方開口部が、リンク部材内に設けられている流路を介した媒体流を可能としていること
   を特徴とする、請求項１又は２に記載のロータリ機械の制御機構。
5. 前記回転ピンが外部から所定の角度範囲分だけ位置調節され、それによりロータリ機械の媒体交換が制御可能であること
   を特徴とする、請求項１又は２に記載のロータリ機械の制御機構。
6. ハウジング側のハウジングに定置の点を利用した、ハウジング軌道としてのシングルアーチ式トロコイドと二角型ロータとを備えたロータリ機械の制御機構であって、
   二重のクロススライダガイドが設けられていて、このクロススライダはロータの内部に配置されていて、このクロススライダの一方のガイドリンクはロータ軸線に対して位置合わせされていて、このクロススライダの他方のガイドリンクはハウジング側のハウジングに定置の点と位置合わせされていて、それにより、ハウジング側に配置されている軸ピンであってロータの内部にあるガイドリンクのための軸ピンの回りのロータの自由運動のためには、ロータ側には最小開口部だけが必要であり且つロータ側の面の最大部分がロータリ機械の側方の媒体交換のために使用可能であること
   を特徴とする制御機構。
7. ハウジング側のハウジングに定置の点を利用した、ハウジング軌道としてのシングルアーチ式トロコイドと二角型ロータとを備えたロータリ機械の制御機構であって、
   ホイール制御装置が設けられていて、このホイール制御装置はロータの内部に配置されていて、出力軸と軸線合わせされたハウジングに定置の歯付きピンと、側方のロータ開口部内でロータに関してセンタリングされた他の歯付きピンとから成り、ロータに関してセンタリングされた歯付きピンは、ハウジングに定置の歯付きピンの２倍の直径をもつこと、並びに両方の歯付きピンに対して歯付きベルト又は同等のベルト駆動要素がかけられていて、それにより、ハウジング側に配置されている軸ピンの回りのロータの自由運動のためには、ロータ側には最小開口部だけが必要であり且つロータ側の面の最大部分がロータリ機械の側方の媒体交換のために使用可能であること
   を特徴とする制御機構。
8. ハウジング側のハウジングに定置の点を利用した、ハウジング軌道としてのシングルアーチ式トロコイドと二角型ロータとを備えたロータリ機械の制御機構であって、
   ホイール制御装置が設けられていて、このホイール制御装置はロータの内部に配置されていて、出力軸と軸線合わせされたハウジングに定置の歯付きピンと、側方のロータ開口部内でロータに関してセンタリングされた他の歯付きピンとから成り、ロータに関してセンタリングされた歯付きピンは、ハウジングに定置の歯付きピンの２倍の直径をもつこと、並びに両方の歯付きピンの間には中間歯車が配置されていて、この中間歯車は、ロータの歯付きピン上に固定されているキャリアバーを用いて保持されていて、それにより全装置が遊星歯車装置に対応し、運動学的に正確なロータの全運動が得られ、並びにハウジング側に配置されている軸ピンの回りのロータの自由運動のためには、ロータ側には最小開口部だけが必要であり且つロータ側の面の最大部分がロータリ機械の側方の媒体交換のために使用可能であること
   を特徴とする制御機構。

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