KR20080079692A

KR20080079692A - 축에 배치되는 두 개의 피스톤 장착부를 구비하는 로터리피스톤 장치

Info

Publication number: KR20080079692A
Application number: KR1020087017687A
Authority: KR
Inventors: 라인하드 만타이; 라이나 슈왜비슈
Original assignee: 아르바이트스게마인샤프트 슈왜비슈/만타이
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2006-12-14
Publication date: 2008-09-01
Also published as: EP1971754A1; DE102005061286B4; JP2009520146A; DE102005061286A1; US20080276902A1; WO2007071336A1

Abstract

본 발명의 목적은, 원동기 또는 작업장치로 구현될 수 있는 로터리 피스톤 장치로서, 축에 회전가능하도록 설치되고 상대운동을 수행할 수 있도록 축을 중심으로 하여 설치되는 두 개의 피스톤 장착부로 이루어지며, 상기 두 개의 피스톤 장착부는, 상대운동을 발생시키는 기능을 하고 등속 운동을 상기 피스톤 장착부의 부등속 직선운동으로 변환시키는 직선형 스러스트 크랭크 기구에 연결되는, 로터리 피스톤 장치를 발전시키기 위한 것으로, 이러한 목적은, 각 피스톤 라이너의 중심축이 피스톤 장착부의 직경과 직각을 이루고, 각 피스톤 장착부는 서로에 대해 90°로 회전되어 놓이는 타원형 기어휠을 포함하며, 서로에 대해 90°로 회전되어 놓이고 맞물림 기어로 사용되는 기어휠은 출력 샤프트에 고정적으로 연결되고, 기어휠들은 최소 직경 및 최대 직경의 교점에서 한편으로는 상기 축에 회전가능하게 설치되고 다른 한편으로는 상기 출력 샤프트에 연결되며, 하나의 피스톤 장착부의 피스톤 라이너 내의 작동 피스톤은 힌지 레버를 매개로 다른 피스톤 장착부에 연결되고, 상기 다른 피스톤 장착부의 피스톤 라이너 내의 작동 피스톤은 힌지 레버를 매개로 상기 피스톤 장착부에 연결되는 것을 특징으로 하는 로터리 피스톤 장치에 의해 해결된다.

로터리 피스톤 장치, 피스톤 장착부, 피스톤 라이너, 상대운동, 타원형 기어휠, 작동 피스톤

Description

축에 배치되는 두 개의 피스톤 장착부를 구비하는 로터리 피스톤 장치{ROTARY PISTON MACHINE HAVING TWO PISTON MOUNTS WHICH ARE ARRANGED ON AN AXLE}

본 발명은 원동기 또는 작업장치(work machine)로 사용될 수 있는 로터리 피스톤 장치(rotary piston machine)에 관한 것으로, 축을 중심으로 하여 설치되고 서로에 대해 상대운동을 수행할 수 있는 두 개의 피스톤 장착부(piston mount)를 포함하고, 상기 피스톤 장착부는, 일정한 직경으로 이루어진 한정된 궤도에서 180°로 오프셋되도록 배치되고 내부에 작동 피스톤이 제공되는 두 개 이상의 피스톤 라이너(piston liner)를 구비하며, 상기 피스톤 장착부들은 힌지 레버(hinged lever)가 제공되는 각각의 상기 작동 피스톤을 매개로 서로 연결되고, 피스톤 장착부들은 한편으로는 원동기 또는 작업장치로서 구현됨에 따라 구동/출력 샤프트에 연결되고, 다른 한편으로는 기어휠의 최소 직경 및 최대 직경으로부터의 합이 항상 일정한 축간거리를 이루는 최대 직경과 최소 직경의 교점에서 각각 타원 형태로 이루어진 두 개의 기어휠을 포함하는 기어 기구에 의해 각각 하나의 피스톤 장착부에 연결되는, 로터리 피스톤 장치에 관한 것이다.

DE 36 21 593 A1에 따르면, 압축 및 팽창 챔버를 포함하는 로터리 피스톤과 유사한 장치에 대한 고정자-회전자 조합(stator-rotor group)을 특징으로 하는 피스톤 장치가 공지되어 있다. 이 문헌에 기술된 장치는, 원통형의 링 채널에서 링 세그먼트 피스톤에 의해 회전하게 되며 축에 설치되는 두 개의 회전 대칭적인(rotationally symmetrical) 피스톤 장착부를 구비하며, 전방 및 후방을 향하는 부분적인 운동은 상기 회전 운동에 중첩되고, 피스톤은, 서로에 대해 이동할 수 있고 솔리드 디스크 또는 링 디스크와 유사하게 구현될 수 있는 피스톤 장착부에 배치된다. 상기 중첩되는 부분적인 운동은, 로터리 피스톤 장치에 대해 각각 회전운동을 등속(uniform) 운동으로부터 부등속(non-uniform) 운동으로 전달하는 에피사이클릭 기어 기구(epicyclic gear mechanism) 및 플래니터리 기어 기구(planetary gear mechanism)처럼 구현된 구동기에서 크랭크 기구에 의해 발생된다. 이를 위해, 피스톤 장착부가 플래니터리 기어 기구에 연결되며, 코어 기어 기구에서 에피사이클릭 기어 기구가 움직이는 동안 플래니터리 기어 기구의 회전에 대응하여, 한 쌍의 크랭크 블록 디스크가, 회전으로 유발된 변위로 인한 편심 디스크의 회전에 대응하는 부등속으로 원주에서 회전되어, 피스톤 장착부는 하나에서는 크랭크 블록 디스크보다 대략 반 회전 영역 더 빠르게, 다른 하나에서는 더 느리게 회전된다. 이러한 회전운동의 등속운동으로부터 부등속운동으로의 변환에 대응하여, 피스톤 장착부 및 동심의 원통형 링 채널에서 피스톤 장착부에 연결된 링 세그먼트 피스톤은 앞뒤로 돌 수 있도록 원형 궤도에서 전방으로 이동된다. 링 세그먼트 피스톤의 부등속 구동기의 경우, 피스톤 열기관에서 흔히 볼 수 있는 것처럼 상기 앞뒤 회전이 샤프트로 전달된다.

이러한 기술적 해결책은, 피스톤 장착부의 상대운동을 발생시키는데 사용되는 플래니터리 기어 기구의 구성이 매우 비싸다는 단점이 있다. 따라서, 질량/성능비가 매우 불리하다. 또한, 링 채널에서 작동하는 링 세그먼트 피스톤은 실행시 고장이 나기 쉬우며 실제로는 실행될 수 없다.

DE 38 04 411 A1에 따르면, 중심축에 설치되는 두 개의 회전자(피스톤 장착부)을 포함하는 중심축 로터리 피스톤과 유사한 로터리 피스톤 장치가 공지되어 있으며, 상기 회전자에는, 환상으로 구부러진 실린더로 삽입되며 원형 횡단면으로 이루어지는 환상으로 구부러진 피스톤이 제공되고, 상기 회전자(피스톤 장착부)는 회전자의 주기적으로 변화하는 각속도 비율을 얻기 위해 직선형 스러스트 크랭크 기구(straight-line thrust crank mechanism)에 연결되며, 상기 직선형 스러스트 크랭크 기구는 90°로 오프셋되도록 배치되고 서로 연결되어 있으며, 이 문헌에서는 기술적으로 부정확한 용어인 오벌 기어 기구(oval gear mechanism)를 나타내는 이중 편심 레버 구동기(double eccentric lever drive)로 이루어진다.

상기 로터리 피스톤 장치에 대한 직선형 스러스트 크랭크 기구의 상기 편심 레버 구동기는 각각 두 개의 타원형 오벌 기어 기구로 이루어진다. 제어형 오벌 기어 기구는 모두 중심점(이들 타원의 작은 직경과 큰 직경의 교점)이 아닌 초점에서 공통 축에 고정적으로 연결되고, 서로에 대해 정해진 각도로 회전되어 있도록 배치된다. 각 편심 레버 구동기의 또 다른 두 개의 오벌 기어 기구는 회전자로 기술되 는 피스톤 장착부와 각각 고정적으로 연결되며; 이들은 처음 두 개의 오벌 기어 기구와 맞물린다.

또한, 두 개의 피스톤 장착부에 연결되는 오벌 기어 기구는 오벌 기어 기구의 타원의 초점에서 상기 피스톤 장착부에 편심적으로 설치된다. 오벌 기어 기구가 구비된 편심 레버 구동기의 치수설정(dimensioning)은 타원의 기하학적 특징을 기초로 하고 있다. 타원은 두 초점으로부터의 거리의 합이 일정한 모든 점들의 기하 위치이고 상기 합은 타원 장축의 길이와 일치한다는 사실로 인해, 고정적으로 연결된 오벌 기어 기구 및 피스톤 장착부의 중심축의 공통 "축(axle)"(한편, 여기에서는 샤프트를 지시함) 사이의 거리는 타원 장축의 길이에 따라 정해진다.

"축"으로 기술되는 샤프트가 여기에 고정적으로 연결된 두 개의 오벌 기어 기구와 함께 회전한다면, 편심 레버 구동기를 통해 구동되는 두 개의 피스톤 장착부(회전자)는 항상 동일한 방향으로 그러나 다른 각속도로 이동하게 되어, 이들은 끊임없이 교대하는 가속-지연의 규칙적 반복(acceleration-delay rhythm)에 따라 회전하게 되는데, 다시 말하면 이들은 서로를 따라잡아 피스톤 왕복운동(piston travel)을 일으킨다.

압축 및 팽창 공간은, 편심 레버 구동기에 의해 발생되는, 하나의 피스톤 장착부의 실린더 내에 구비된 피스톤과 또 다른 피스톤 장착부 사이의 상이한 상대 속도에 의해 만들어진다. 이 장치는 4개, 6개 또는 그 이상의 실린더 및 이와 동일한 수의 피스톤을 포함한다. 하나의 회전자(피스톤 장착부)가 모든 실린더를 구비하고 나머지 다른 회전자가 모든 피스톤을 구비할 수 있으며 또는 각각의 회전자 (피스톤 장착부)가 동일한 수의 실린더 및 피스톤, 즉 2개, 3개 또는 그 이상의 실린더 및 피스톤을 구비할 수 있다. 2n(n = 1, 2...)개의 실린더 및 피스톤으로 이루어지는 회전자에서, 피스톤 및 실린더는 180°: n 으로 오프셋된다.

이러한 내용으로 구성되는 로터리 피스톤 장치의 결함은 로터리 피스톤 장치가 작동될 수 없다는 것인데, 이는 그 명세서에 나타난 내용에 의해서는 로터리 피스톤 장치가 실현될 수 없기 때문이다.

본 발명의 목적은 로터리 피스톤 장치의 기능성을 확보함과 동시에 합리적으로 제조할 수 있는 로터리 피스톤 장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 선택적으로 원동기 또는 작업장치로 구현될 수 있는 고효율의 로터리 피스톤 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적은 본 발명에 따른 청구항 제1항에 개시된 기술적 수단에 의해 해결된다. 종속항에 개시된 특징들은 독립항의 수단들을 구체화한다.

본 발명은 실시예에 의해 아래에서 더 상세하게 설명될 것이다.

도 1은 장치 하우징을 제외한 로터리 피스톤 장치의 사시도,

도 2는 본 발명에 따라 구현되는 로터리 피스톤 장치의 평면도,

도 3은 도 2의 A 방향에 따른 측면도,

도 4는 피스톤 장착부의 배열을 도시한 방사상 단면도,

도 5는 도 4에 따른 피스톤 장착부의 서로에 대한 배열을 도시한 사시도,

도 6은 조립 전 피스톤 장착부의 서로에 대한 배열을 도시한 사시도,

도 7은 도 4의 B-B에 따른 피스톤 장착부의 단면도,

도 8은 서로 맞물려지며 타원형 구성으로 이루어지는 두 개의 기어휠을 도시한 도면,

도 9는 로터리 피스톤 장치의 피스톤 장착부의 각각 90°로 회전된 네 개의 위치를 도시한 개략적인 도면으로서, 상기 각각의 위치는 피스톤 장착부의 상대운동을 강제하는 오벌 기어휠이 구비된 기어 기구의 타원형 기어휠의 대응하는 위치로 이루어지는, 피스톤 장착부의 네 개의 위치를 도시한 개략적인 도면이다.

<도면의 참조번호에 대한 설명>

1 피스톤 장착부 2 피스톤 장착부

3 피스톤 라이너 4 피스톤 라이너

5 수용부 6 헤드부

7 단부면 8 단부면

9 교차 구멍 10 리세스

11 작동 피스톤 12 힌지 레버

13 중심축 14 축

15 직경 16 폐쇄 표면

17 기어휠 18 기어휠

19 기어휠 20 기어휠

21 출력 샤프트

본 발명에 따라 구현되는 두 개의 피스톤 장착부(1; 2) 사이의 필요한 상대운동을 제어하는 오벌 기어휠을 포함하는 로터리 피스톤 장치는, 도시되어 있지 않은 장치 하우징 내에 위치된다. 로터리 피스톤 장치는, 각각 두 개의 피스톤 라이너(3; 4)를 포함하는 두 개의 분리된 회전 대칭적인 피스톤 장착부(1; 2)로 이루어지며, 상기 피스톤 라이너는 서로에 대해 180°각도로 오프셋되도록 배치된다. 각각의 피스톤 장착부(1; 2)는 하나의 구조 단위(structural unit)를 형성하는 두 개의 부분, 즉 수용부(5) 및 두 개의 헤드부(6)로 이루어지고, 두 개의 헤드부는 서로에 대해 180°각도로 오프셋되도록 배치되고 활꼴처럼 구현되며, 서로에 대해 180°각도로 오프셋되도록 배치되고 원반형이 되도록 구현되는 헤드부(6)는, 피스톤 라이너(3; 4)에 의해 정해지는 축방향 연장부(axial extension)에 대해 방사상으로 약간의 축방향 연장부를 갖는 원반형의 수용부(5)에 부착된다. 헤드부(6)는 서로 반대편에 위치되는 두 개의 단부면(7; 8)에 의해 방사상으로 한정되며, 상기 단부면은 축방향으로 뻗어있고 대략 45°의 확장각(angle of expansion)으로 서로 교차한다. 피스톤 라이너(3; 4)는 각 헤드부(6)의 하나의 단부면(7)에 각각 배치된다. 나머지 다른 단부면(8)은 힌지 레버(12)를 수용하는 교차 구멍(9)이 구비된 슬 릿 모양의 리세스(10)를 포함하고, 상기 힌지 레버는 일측에서 작동 피스톤(11)과 연결되며 견인력 및 압축력을 받는다. 피스톤 라이너(3; 4)의 각 중심축(13)은 피스톤 장착부(1; 2)의 직경과 직각으로 교차한다. 피스톤 라이너(3; 4)는 이와 같이 피스톤 장착부(1; 2)에 접선방향으로 배치된다.

180°로 오프셋된 헤드부(6)를 포함하고 있는 피스톤 장착부들(1; 2)은 공통 축(14)에 서로 독립적으로 회전할 수 있도록, 또한 서로에 대해 거울 대칭(mirror-symmetrical)이 되도록 배치되며, 모든 피스톤 라이너(3; 4)의 중심축(13)은 일정한 직경(15)으로 이루어진 피치원(pitch circle)에 위치된다. 이러한 배치는 각 피스톤 장착부(1; 2)의 수용부(5)가 헤드부(6)와 비교해 더 작은 축방향 연장을 포함하고, 상기 헤드부(6)는 일측에서 수용부(5)와 동일 평면을 이루고 반대측에서는 이 동일 평면의 폐쇄면에 대해 돌출되도록 구현된다는 사실에 기초하고 있다.

헤드부(6) 및 수용부(5)의 동일 평면의 폐쇄 표면(16)에서, 타원형으로 이루어진 기어휠(17; 18)을 각각 포함하는 각 피스톤 장착부(1; 2)가 로터리 피스톤 장치에 압력 끼워맞춤(force-fit) 방식으로 연결되며, 피스톤 장착부(1)에 연결된 기어휠(17)은 피스톤 장착부(2)에 연결된 기어휠(18)에 대해 90°각도로 오프셋되도록 배치된다. 양쪽 기어휠(17; 18)은 동일하게 구현된다.

타원형으로 이루어진 로터리 피스톤 장치의 기어휠(17; 18)은 압력 끼워맞춤 방식으로 출력 샤프트(21)에 연결된 기어휠(19; 20)과 맞물리고, 이러한 맞물림은 이들의 더 작은 직경과 더 큰 직경의 교차점에서 이루어지며, 상기 출력 샤프트(21)에 연결된 기어휠(19; 20)들은 출력 샤프트(21)에 서로 90°로 회전되어 있 도록 배치된다. 출력 샤프트(21)에 연결된 기어휠(19; 20)들은 타원형으로 이루어지며, 외형 및 치수는 로터리 피스톤 장치의 기어휠(17; 18)과 동일하다.

도 8에는, 서로에 대해 90°로 회전되어 있도록 배치되고 서로 맞물려지며 타원형으로 이루어지는 두 개의 동일한 기어휠들이 도시되어 있으며, 작은 직경과 큰 직경의 비는 1 : 1.2이다. 타원형으로 이루어지는 기어휠의 치면(tooth flank)은, 기어휠 직경, 회전각의 함수관계를 기초로 기어휠 둘레를 일정하고 정상적(steady)으로 변화시키는 치면 교정이 이루어진다.

원동기 또는 작업장치로 사용될 수 있는 상기 로터리 피스톤 장치는 상술한 실시예에서 제안된 오벌 기어 기구에 의해서만 작동될 수 있다.

Claims

서로 독립적으로 회전할 수 있고 서로에 대해 상대운동을 수행할 수 있도록 축을 중심으로 하여 설치되는 두 개의 피스톤 장착부로 이루어지는 로터리 피스톤 장치로서, 상기 두 개의 피스톤 장착부는, 상기 피스톤 장착부의 상대운동을 발생시키는 기능을 하고 등속 회전운동을 상기 피스톤 장착부의 부등속 직선운동으로 각각 변환시키는 직선형 스러스트 크랭크 기구에 연결되고, 구동/출력 측에서 비스듬히 오프셋되어 있는 2중 구동기 형태로 구동/출력 샤프트에 연결되며, 각각의 피스톤 장착부는, 일정한 직경으로 이루어지는 한정된 궤도에서 180°오프셋되도록 배치되며 내부에는 각각 작동 피스톤이 제공되는 두 개 이상의 피스톤 라이너를 포함하고, 상기 피스톤 장착부들은 상기 작동 피스톤을 매개로 서로 연결되는, 로터리 피스톤 장치에 있어서,

상기 각 피스톤 라이너(3; 4)의 중심축(13)은 각각 상기 각 피스톤 장착부(1; 2)의 직경(15)과 직각을 이루고, 각 피스톤 장착부(1; 2)는 서로에 대해 90°로 회전되어 놓이는 타원형 기어휠(17; 18)과 연결되며, 상기 기어휠(17; 18)은 서로에 대해 90°로 회전되어 놓이는 상기 각 피스톤 장착부(1; 2)와 연결되고, 서로에 대해 90°로 회전되어 놓이고 맞물림 기어로 사용되는 기어휠(19; 20)은 출력 샤프트(21)에 고정적으로 연결되어 오벌 기어 기구의 요소를 이루며, 상기 타원형 기어휠들(17; 18; 19; 20)은 최소 직경 및 최대 직경의 교점에서 한편으로는 상기 축(14)에 회전가능하게 설치되고 다른 한편으로는 상기 출력 샤프트(21)에 설치되 며, 상기 하나의 피스톤 장착부(1)의 피스톤 라이너(3)에 배치되는 상기 작동 피스톤(11)은 힌지 레버(12)를 매개로 상기 다른 피스톤 장착부(2)에 연결되며, 상기 다른 피스톤 장착부(2)의 피스톤 라이너(4)에 배치되는 작동 피스톤(11)은 힌지 레버(12)를 매개로 상기 피스톤 장착부(1)에 연결되는 것을 특징으로 하는 로터리 피스톤 장치.
제1항에 있어서,

상기 피스톤 라이너(3; 4)는 직선형을 이루도록 구현되는 것을 특징으로 하는 로터리 피스톤 장치.
제1항에 있어서,

헤드부(6)를 한정하는 단부면(7; 8)은 약 45°각도를 그리며, 상기 피스톤 장착부(1)의 헤드부(6)와 상기 피스톤 장착부(2)의 헤드부(6) 사이에는 상기 피스톤 장착부들(1; 2)의 상대운동을 허용하는 운동 공간이 있는 것을 특징으로 하는 로터리 피스톤 장치.
제1항에 있어서,

상기 각 피스톤 장착부(1; 2)는 원반형의 수용부(5) 및 두 부분으로 이루어진 헤드부(6.1; 6.2)로 구성되고, 각 헤드부(6.1; 6.2)에는 각각 피스톤 라이너(3; 4)가 제공되는 것을 특징으로 하는 로터리 피스톤 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 피스톤 라이너(3; 4)에 배치되는 각각의 작동 피스톤(11)은 견인력 및 압축력을 전달하는 상기 힌지 레버(12)에 연결되는 것을 특징으로 하는 로터리 피스톤 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 피스톤 장착부(1; 2)는 2개 이상의 피스톤 라이너(3; 4) 또는 2배수의 피스톤 라이너(3; 4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 로터리 피스톤 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 로터리 피스톤 장치는 원동기 또는 작업장치로 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 로터리 피스톤 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

작동 샤프트(21)는 구현예에 따라 출력 샤프트 또는 구동 샤프트로 제공되는 것을 특징으로 하는 로터리 피스톤 장치.