WO2014131753A1 - Vorrichtung zum erzeugen oder wandeln eines drehmoments - Google Patents

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WO2014131753A1
WO2014131753A1 PCT/EP2014/053618 EP2014053618W WO2014131753A1 WO 2014131753 A1 WO2014131753 A1 WO 2014131753A1 EP 2014053618 W EP2014053618 W EP 2014053618W WO 2014131753 A1 WO2014131753 A1 WO 2014131753A1
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WO
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output element
piston
output
guide
rotation
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Application number
PCT/EP2014/053618
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Thien
Original Assignee
Gerhard Thien
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Gerhard Thien filed Critical Gerhard Thien
Publication of WO2014131753A1 publication Critical patent/WO2014131753A1/de

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H25/00—Gearings comprising primarily only cams, cam-followers and screw-and-nut mechanisms
    • F16H25/08—Gearings comprising primarily only cams, cam-followers and screw-and-nut mechanisms for interconverting rotary motion and reciprocating motion
    • F16H25/12—Gearings comprising primarily only cams, cam-followers and screw-and-nut mechanisms for interconverting rotary motion and reciprocating motion with reciprocation along the axis of rotation, e.g. gearings with helical grooves and automatic reversal or cams
    • F16H25/122—Gearings with helical grooves and automatic reversal

Definitions

  • the invention relates to a device for generating or converting a torque according to the preamble of claim 1.
  • Such a device comprises a base part, a piston element arranged on the base part and an output element rotatable relative to the piston element about a rotation axis.
  • the output element is in this case forcibly coupled to the piston element in such a way that, during operation of the device, the output element simultaneously performs a rotational movement about the axis of rotation and a linear movement in the form of a periodic stroke movement axially along the axis of rotation when the output element is driven.
  • the piston element and the output element define a space whose volume changes periodically with the linear movement of the output element relative to the piston element.
  • Such a device is known, for example, from WO 2010/084 153 A2, the content of which is to be fully included in the present text.
  • the known from WO 2010/084 153 A2 device can be used as an internal combustion engine or z. B. as a compressor or pump use.
  • a fuel is added to the space defined by the piston element and output element and ignited there in order to drive the lifting movement of the output element in this manner.
  • this Output element of the lifting movement superimposed rotary motion which can be derived and used for driving other parts, such as wheels of a vehicle.
  • a fluid in the space is compressed.
  • a fluid for example water or another liquid or even a gaseous fluid, is conveyed by means of the periodic lifting movement.
  • Object of the present invention is to develop the known device and in particular to make variable use.
  • the device has an adjusting device by means of which the piston element is axially adjustable along the axis of rotation in its axial position relative to the base part.
  • the present invention is based on the idea of not rigidly arranging the piston element on the base part, but rather of making it variably adjustable axially along the axis of rotation by means of the adjusting device.
  • the adjusting device may, for example, have a spindle which is rotatably arranged on the base part and which is in operative connection with the piston element for adjusting the axial position of the piston element in such a way that the axial position of the piston element is adjusted along the axis of rotation during a rotational movement of the spindle.
  • the spindle preferably carries at least at one section an external thread, which engages with a threaded portion associated with the piston element.
  • the threaded portion may for example be provided on a holder, via which the piston element is held on the base part.
  • the spindle By turning the spindle and by the threaded engagement between the Au ndgewinde the spindle and the threaded portion of the bracket can then be adjusted axially along the axis of rotation of the piston member, in order to predetermine the axial position of the piston member and thus the position of the piston member relative to the output member.
  • the spindle preferably has a toothed portion, which is in engagement with an actuating means and is rotatable by means of the actuating means.
  • the actuating means may be formed, for example, as a manually, electrically, hydraulically or mechanically operable crank, wherein the crank carries on an actuating shaft a worm toothing, which is in engagement with the toothed portion of the spindle. By turning the crank, the spindle can then be rotated about the axes of rotation via the meshing engagement between the worm toothing and the toothed section.
  • the output member for performing the lifting movement, wherein the simultaneously executed rotational movement for driving downstream parts, for example, for driving wheels of a vehicle can be derived.
  • the output element can for example be placed in a rotational movement, wherein the compression or pumping operation is effected by the superimposed periodic lifting movement.
  • an inlet valve for introducing a fluid for introducing a fluid
  • an outlet valve for discharging a fluid for igniting a fluid and / or an injection nozzle for injecting a fluid
  • An intake valve and / or an exhaust valve may be used both when using the device as an internal combustion engine and as a compressor or pump.
  • the inlet valve in this case is a fluid, for example a liquid (eg, water) or a gas (eg, air) is admitted.
  • the outlet valve the fluid is discharged again.
  • air can be passed through the inlet valve into the combustion chamber formed by the space.
  • the exhaust valve discharges the exhaust gas after a combustion process.
  • a spark plug or glow plug and an injector are used regularly only in an internal combustion engine.
  • a spark plug or glow plug serves to ignite or preheat a fuel in the room.
  • An injector serves to inject the fuel into the room.
  • the piston element can be connected, for example via an axially hollow shaft along the axis of rotation with a holder and held on the holder on the base part be.
  • the shaft has a bore and is thereby formed hollow inside, through the bore through one or more supply lines for the inlet valve, the exhaust valve, the spark plug, the glow plug and / or the injection nozzle, on the piston member for suitable in or out a fluid in or out of the room, for igniting a fluid in the room or for injecting a fuel are arranged in the room, so that a simple, space-efficient connection of the inlet valve, the exhaust valve, the spark plug, the glow plug or the injection nozzle can be provided.
  • the output element is preferably guided on a guide element connected to the base part and fixedly arranged on the base part.
  • the output element and / or the guide element have a guide contour which, in the case of a linear movement of the output element along the axis of rotation, forces the output element into a rotational movement about the axis of rotation.
  • the guide contour can be configured, for example, by a circumferential, for example sinusoidal groove, on the driven element or the guide element, into which a bolt engages on the other component. If, for example, the output element has a sinusoidal groove encircling the axis of rotation on its outer cylindrical lateral surface, then a bolt can be provided on the guide element which engages in the groove and forces the output element into a superimposed rotational movement about the axis of rotation during a lifting movement of the output element ,
  • the guide contour can also be formed for example by an end edge of a guide portion which abuts an end face of the output element and by its shape causes a forced coupling between the guide element and the output element such that during a lifting movement, the output element simultaneously performs a rotational movement about the axis of rotation ,
  • the guide element may for example be designed as a cylindrical hollow shaft in which the cylindrically shaped output element is guided.
  • the guide element thus engages around the driven element and guides in a central bore of the guide element realized cylindrical hollow shaft, the cylindrical output element, wherein due to the forced coupling a lifting movement of the output element in the cylindrical hollow shaft is superimposed by a rotational movement about the axis of rotation.
  • the guide element may have, for example, in a specific embodiment, two guide sections, which are arranged fixedly on the inner wall of the cylindrical hollow shaft and thus project into the inner bore of the hollow shaft.
  • each guide portion carries on a driven element facing the end face a guide contour which is in contact with an associated guide contour on an end face of the output element.
  • the guide contours can each simulate at least approximately a sinusoidal or helical curve, wherein the guide contours on the two guide sections - viewed in the circumferential direction about the axis of rotation - are out of phase with each other to force the output member to perform a lifting movement to a superimposed rotational movement.
  • An inlet valve for introducing a fluid, an outlet valve for discharging a fluid, an ignition or glow plug and / or an injection nozzle can also be arranged on the guide element.
  • An inlet valve and an outlet valve may in this case be realized, for example, by a respective passage opening on the guide element configured as a cylindrical hollow shaft, wherein the passage opening during a rotary movement of the output element relative to the guide element with an associated passage opening on the output element in operative connection and in this way a passage towards the space defined by the output member and the piston member for introducing or discharging a fluid.
  • the output element may be in operative connection with a driven wheel in an advantageous manner.
  • the output gear here is advantageously mounted rotatably about the axis of rotation of the driven element on the base part, but arranged axially fixed to the base part.
  • the output gear thus does not carry along the periodic lifting movement of the output element during operation of the device, but remains at its axial position.
  • the output gear is but coupled to the output member such that the output gear is axially movable to the output element, for transmitting a rotational movement of the output member to the output gear but rotatably connected to the output element is in operative connection.
  • the output element is thus axially movable to the axially fixed output gear.
  • the device may, for example, also be coupled to a further device for generating or converting a torque, so that a plurality of similar devices can be operated together and used to generate or convert torque in a coupled manner.
  • the output element is preferably designed as a cylindrical hollow shaft, in which engages the piston member.
  • the output element can cooperate, for example, with two piston elements and limit two spaces together with the two piston elements.
  • a piston element can extend from an axially first side into the output element designed as a cylindrical hollow shaft, while the other piston element extends from the axially other side into the output element.
  • the output element thus defines a first space with the first piston element and a second space with the second piston element, wherein the output element has a partition extending transversely to the axis of rotation for separating the two spaces.
  • Fig. 1 A, 1 B views of an engine designed as a device for
  • FIG. 1 C sectional view taken along the line l-l of FIG. 1 B;
  • Fig. 2 is a view of another embodiment of a than
  • Fig. 3 is a side view of another embodiment of a than
  • FIG. 4 shows a sectional view through the device according to FIG. 3;
  • Fig. 5A-C are views of a piston element of the device according to Fig. 3;
  • Fig. 6 is a perspective view of two cooperating devices for generating a torque
  • Fig. 7 is a plan view of the arrangement of FIG. 6;
  • Fig. 8 is a front view of the arrangement of FIG. 6;
  • FIG. 9 shows a perspective view of a further embodiment of a device designed as an internal combustion engine for generating a torque
  • Fig. 1 1 is a partial sectional view of a hollow shaft formed
  • Figs. 12A-E are side and sectional views of the device;
  • Figures 13A-D are side and sectional views of two cooperating devices;
  • FIG. 14 is a perspective view of another embodiment of an engine designed as a device for generating a
  • 15A-C is a side view, a plan view and an end view of the
  • Fig. 16 is a perspective view of the apparatus of FIG. 14, without a
  • 17A-C is a side view, a plan view and an end view of the
  • FIG. 18A is a plan view of the device of FIG. 14; FIG.
  • Fig. 18B is a sectional view taken along the line A-A of Fig. 18A;
  • Fig. 18C is a sectional view taken along the line B-B of Fig. 18B;
  • FIG. 19 shows a perspective view of a piston element with a driven wheel of the device according to FIG. 14 arranged thereon;
  • 20A-C is a side view, a plan view and an end view of the
  • Fig. 20D is a sectional view taken along the line C-C of Fig. 20C;
  • FIG. 20E is an enlarged view of section A of FIG. 20D; FIG.
  • FIG. 21 A-C different views of an output element of the device according to
  • FIGS. 1A to 1C show views of a device 100 for generating a torque, which is designed as an internal combustion engine.
  • a piston element 122 held via a shaft 120 engages in a groove 151 of an output element 150 via bolts 123, 124 protruding from the piston element 122.
  • the driven element 150 is arranged so as to be rotatable about the axis of rotation D relative to the piston element 122 and, for this purpose, may be mounted in a housing, for example.
  • the piston element 122 and the driven element 150 are forcibly coupled by the engagement of the pins 123,124 in the groove 151 such that the output element 150 at a linear movement C simultaneously performs a rotational movement T about the axis of rotation D.
  • the groove 151 extends sinusoidally or helically on the inner wall of the cylindrical output element 150 facing the piston element 122 and runs around on the inner wall.
  • the bolts 123, 124 may be resiliently formed on the piston element 122, for example in the radial direction to the rotation axis D, so that the output element 150 can be plugged onto the piston element 122 and the bolts 123, 124 in the groove 151 engage when they are above the groove 151.
  • the output element 150 for example, in two parts with an upper and a lower cylindrical part, wherein the individual parts can be taken apart to provide access to the groove 151 and the bolts 123, 124 can be inserted into the groove 151 , After inserting the bolts 123, 124 into the groove 151, the parts are then replaced e.g. connected via a bayonet lock back together and form the output member 150 from.
  • the piston member 122 and the output member 150 are sealingly formed with each other and include a space W in which by the linear stroke C, a fluid located in the space W can be compressed.
  • Fig. 1A shows the device 100 in a position in which the between the piston member 122 and the Output member 150 enclosed space W has a maximum volume.
  • the piston element 122 approaches the bottom of the output element 150, so that the volume of the space W is reduced and a fluid in the space W is correspondingly compressed.
  • an intake valve 101 On the piston member 122, an intake valve 101, an exhaust valve 102 and a spark plug 103 are arranged.
  • a fluid in the form of a suitable fuel can be supplied to the space W, which is ignited via the spark plug 103 in a compressed state.
  • the fluid expands explosively and drives the output member 150, which performs a positive displacement coupled movement C and at the same time a rotational movement T.
  • the spent fluid can then be removed again from the space W via the outlet valve 102.
  • the inlet valve 101 and the outlet valve 102 may be suitably controlled to control the fluid supply in response to the position of the output member 150.
  • the cylindrically shaped piston member 122 has a height which is greater than the height of the groove 151 (which defines the maximum stroke of the output member 150 relative to the piston member 122 ).
  • the piston member 122 covers the groove 151 (which is formed in the inner wall of the cylindrical output member 150) such that the sealing of the space W is ensured in each position of the output member 150 to the piston member 122.
  • the piston element 122 also covers the groove 151 in the position according to FIG. 1B, in which the piston element 122 approaches the bottom of the output element 150 and the space W has the smallest possible volume, so that the fluid can not escape from the space W.
  • the output member 150 is coupled via a shaft 154 with an output shaft 20 in a form-locking manner such that the rotational movement T of the output member 150 is transmitted to the output shaft 20, the linear motion C, however, not.
  • a coupling via the shaft 154 may be disposed on the cylindrical outer wall of the driven element 150 and an external toothing, which with a Gearing of a driven wheel or a shaft is engaged, so that the output member 150 itself serves as a driving gear shaft.
  • the latter variant also allows the serial arrangement of a plurality of devices 100, wherein the external teeth of adjacent devices 100 for serially generating an increased torque are engaged with each other. If, for example, four devices 100 are connected in series in this way, the torque generated increases by a factor of four.
  • the torque can be tapped on one of the devices 100, for example, via the external toothing of the output element 150 or a coupling shaft 154 (as in the embodiment of FIG. 1 A and 1 B).
  • a device of the type 100 may also be used as a compressor (for example, an air conditioner) or as a pumping device.
  • a fluid to be compressed or conveyed depending on the direction of movement of the output member 150 and suitable control of the inlet valve 101 and the outlet valve 102 for controlling the fluid supply is sucked into the space W, compressed in the space W and / or expelled from the space W.
  • An embodiment of a device 100 which is kinematically reversed in comparison to the device 100 according to FIG. 1 A to 1 C with respect to the coupling between the piston element and output element, but otherwise functionally identical, Fig. 2.
  • the piston member 122 is on a shaft 120 and has an inner portion 122a and an outer portion 122b.
  • the inner section 122a which is arranged on an extended section 120a of the shaft 120, engages in the cylindrical output element 150 and, together with the output element 150, delimits the space W, which serves as internal combustion engine as combustion chamber in the embodiment of the device 100.
  • the (at least partially cylindrical) outer ßer section 122b engages around the driven element 150, wherein the portion 122b may be at least partially formed in the manner of a bracket and allows access to the inner portion 122a, for example, for supplying leads. Only in its lower region, in which a groove 151 is arranged, the portion 122 b is formed in the manner of a cylindrical, closed ring. In any case, the fit between the portion 122b and the output member 150 is not sealing.
  • the groove 151 is at the at least in its lower region arranged cylindrical portion 122 b of the piston member 122 and rotates the portion 122 b on its the output member 150 facing inner wall.
  • the groove 151 in turn extends sinusoidally and defines the positive coupling between the piston element 122 and the driven element 150, wherein arranged on the driven element 150 bolts 123, 124 engage in the groove 151 and so produce the positive coupling.
  • the output member 150 has a cylindrical shaft 154 which is connected via a circumferentially positive coupling with an output shaft 20 such that a generated torque or a rotational movement T is transmitted to the output shaft 20, a linear movement C of the output member 150 but not ,
  • the device 100 according to FIG. 2 has the advantage that the groove 151 is arranged outside the space W.
  • the sealing of the inner portion 122a of the piston member 122 to the output member 150 is thereby facilitated.
  • An apparatus of the type 100 may in turn be used as an internal combustion engine (with inlet valve 101, exhaust valve 102, and spark plug 103 disposed on inner portion 122a of piston member 122), a pump or compressor, or generally a fluid (e.g., a hydraulic transmission) become.
  • FIGS. 3 to 8 A further embodiment of a device 100 for generating or converting a torque is shown in FIGS. 3 to 8.
  • Figs. 3 to 5 show here first a single device 100 in the form of a two-cylinder engine, while in Fig. 6 to 8, two devices 100 are connected in parallel to provide a four-cylinder engine. Analogous to the device described above with reference to FIG. 1 AC, the device 100 according to FIGS.
  • the device 100 in this case has two piston elements 122, which are each arranged on a shaft 120.
  • the output member 150 is formed as a cylindrical hollow shaft and rotatable about the rotation axis D and simultaneously displaceable along the rotation axis D.
  • a circumferential groove 151 is arranged, which is in engagement with at least one bolt (not shown in FIGS. 3 to 5). The bolt is here in stationary positional relationship to the piston elements 122 and thus defines a positive coupling of the output element 150 with the piston elements 122.
  • the bolt or bolts may be connected, for example via a fixed bracket or the like with one of the shafts 120 or disposed on a housing, on which the shafts 120 are arranged.
  • the output element 150 designed as a cylindrical hollow shaft, together with the piston elements 122 and a wall 153 dividing the output element 150 centrally, defines two spaces W1, W2 which serve as internal combustion engine as combustion chambers when the device 100 is formed.
  • the piston elements 122 are sealed in the manner of pistons with respect to the inner wall of the output element 150, so that a fluid located in the spaces W1, W2 is compressible in a linear movement along the axis of rotation D of the output element 150 relative to the piston elements 122.
  • the output element 150 performs a rotational movement about the rotation axis D and thus rotates about the piston elements 122.
  • the positive coupling via the groove 151 simultaneously displaces the output element 150 into a linear movement along the axis of rotation D relative to the piston elements 122 , so that the volumes of the rooms W1, W2 change. For example, while the volume of one space W1 or W2 decreases, the volume of the other space W2 or W1 increases simultaneously. If a fuel is supplied and ignited in a suitable manner via inlet and outlet valves disposed on the piston elements 122, the output element 150 can thereby be driven for further rotational movement.
  • teeth 152 are arranged on the two end portions, via which the rotational movement of the Output elements 150 to be driven components, such as a driven shaft, can be transmitted.
  • Advantage of the device 100 is the symmetrical design in the sense of a two-cylinder arrangement in which a compression in a space W1, W2 simultaneously leads to an increase in volume in the other space W2, W1.
  • a four-cylinder or multi-cylinder engine can be created in a simple manner. This is illustrated in FIGS. 6 to 8.
  • two devices 100 are arranged parallel to each other, so that two output elements 150 are each rotatable to two piston elements 122 and simultaneously linearly displaceable.
  • the one output element 150 is arranged rotatably relative to a rotation axis D and the second output element 150 to a second, parallel axis of rotation D, wherein both output elements 150 are also displaceably mounted along the respective axis of rotation D, D.
  • the output elements 150 are engaged with each other via their teeth 152, so that the rotational movement of one of the output elements 150 is transmitted to the other of the output elements 150.
  • an output element 150 rotates about the axis of rotation D with a rotational movement T
  • the other output element 150 is simultaneously set in an opposite rotational movement T about the axis of rotation D.
  • the output elements 150 can also be displaceable relative to one another along the axes of rotation D, D in order to enable an out-of-phase movement of the two output elements 150 and thus to avoid imbalances.
  • each output element 150 engages in each case via a groove 151 with a fixed bolt, so that, as described above, the output elements 150 are each positively coupled to the piston elements 122.
  • the components to be driven can be driven.
  • a shaft to be driven can engage with one of the teeth 152 via a toothing arranged thereon and thus be set into rotary motion.
  • a four-cylinder arrangement is created in which four chambers are used as combustion chambers in the formation of the device 100 as an internal combustion engine via four piston elements 122 in operation, in which alternately a fluid can be compressed and ignited.
  • the arrangement is scalable in any way, so that easily six, eight or more multi-cylinder engines can be created.
  • a modified device 100 for generating a torque which can be used, for example, as an internal combustion engine, is shown in FIGS. 9 to 13.
  • the mode of action of the device 100 is in principle equal to the device described above with reference to FIGS. 3 to 8. Accordingly, the same reference numerals have been used for components having the same function, as far as appropriate.
  • Fig. 9 shows a perspective view of two devices 100 which are arranged parallel to each other and cooperate in the manner of a four-cylinder arrangement.
  • an output element 150 designed as a hollow shaft is respectively arranged and guided in a guide element 160.
  • the guide member 160 is formed here as a pipe section and receives the output member 150 in its interior.
  • a side view and a front view of the guide member 160 are shown in Figs. 10A and 10B, respectively.
  • the guide member 160 is fixedly mounted via a foot 161.
  • 1 1 shows a partial sectional view of the output element 150 designed as a hollow shaft.
  • FIGS. 12A to 12E show, in different partially sectioned views, a single device 100 with its cooperating components.
  • the output element 150 is formed as a hollow shaft.
  • the interior of the hollow shaft is divided over a wall 153 and forms two chambers W1, W2, together with two engaging in the interior piston elements 122 (see Fig. 12D), two serve as combustion chambers of the internal combustion engine.
  • the piston elements 122 are mounted on fixed wear shafts 120 (also referred to as connecting rods) and feet 121 and are therefore in a predetermined positional relationship to the guide element 160.
  • two grooves 151 a, 151 b are formed (see FIG.
  • the apparatus 100 realizes a two-cylinder arrangement in which, upon rotational movement T of the output element 150, a space W1 or W2 decreases and at the same time the other space W2 or W1 increases, so that via suitable fluid supply fluid compression and ignition can take place to realize an internal combustion engine.
  • FIG. 9 and FIGS. 13A to 13D two cooperating devices 100 are shown, which mesh with each other via a respective toothing 152 on the output element 150 and form a four-cylinder arrangement.
  • 9 shows a perspective view of this four-cylinder arrangement
  • FIGS. 13A to 13D show different, partially sectioned views.
  • the devices 100 cooperate such that the one device (one in front of FIG. 9) performs a rotational movement T about the rotation axis D and the other device 100 performs an opposite rotational movement T about a parallel axis of rotation D '.
  • About one of the teeth 152 a shaft or other component to be driven can be driven and a torque can be delivered.
  • inlet valves and outlet valves are integrated into the guide element 160, which receives the output element 150.
  • the intake valves and exhaust valves are here realized by slit-shaped passage openings 162 a, 163 a, 162 b, 163 b, which are formed on the outer circumference of the guide member 160.
  • the passage openings 162a, 163a, 162b, 163b of the guide member 160 cooperate with passage openings 154a, 154b of the output member 150 for realizing intake valves and exhaust valves such that no separate control and no separate closure mechanisms for the valves are required.
  • the passage openings 154a, 154b see FIG.
  • the passage openings 162a, 163a, 162b, 163b are arranged on the guide element 160 in such a way that they cover the path of movement of the passage openings 154a, 154b of the output element 150 in sections and trace the path of movement in sections.
  • the passage openings 162a, 163a are assigned to the space W2 and the passage opening 154a of the output element 150
  • the passage openings 162b, 163b of the guide element 160 are assigned to the space W1 and the passage opening 154b of the output element 150.
  • 12A shows a sectional view along the line I-I according to FIG. 12D in a position of the output element 150, in which the space W1 is maximally reduced and the space W2 is maximally increased.
  • the passage opening 154b of the output element 150 assigned to the space W1 is in this case in an upper position (see FIG. 12A), in which it is arranged directly between the passage openings 162b, 163b of the guide element 160 assigned to the space W1. If the output element 150 now performs a rotational movement T about the axis of rotation D, the passage opening 154b of the output element 150 reaches the region of the passage opening 163b on the guide element 160, so that the passage between the guide element 160 and the output element 150 is open and to realize an inlet valve - A fluid can be passed into the room W1.
  • the passage opening 154b After further rotational movement T, the passage opening 154b finally arrives from the region of the passage opening 163b on the guide element 160.
  • the inlet valve is thus closed; a passage through the guide element 160 and driven element 150 therethrough no longer exists.
  • the space W1 has increased and, correspondingly, the space W2 has decreased.
  • the space W1 now decreases again, the fluid therein is compressed and can be ignited when the passage opening 154b is in a lower position (ie opposite to the in Fig. 12A shown position).
  • a spark plug or other ignition device can be provided on the guide element 160. A self-ignition is possible.
  • the output element 150 is driven to further rotational movement T; the space W1 increases.
  • the passage opening 154b After enlargement, the passage opening 154b reaches the region of the passage opening 162b on the guide element 160, which serves as an outlet valve. Upon further rotational movement T, the passage opening 154b moves along the passage opening 162b, thus providing a passage through which the spent fluid can be discharged from the space W1, analogous to that known from conventional four-stroke arrangements.
  • the process also takes place in the second cylinder (space W2) of the device 100, wherein the corresponding passage openings 162a, 163a are offset on the outer circumference of the guide element 160 and thereby the process is out of phase.
  • the process continues to run in another device 100, if several devices 100 are arranged parallel to each other, as shown in FIG. 9 and FIG. 13.
  • the passage openings on the guide element 160 and on the output element 150 are hereby arranged so that the individual inlet, compression, combustion and outlet processes are out of phase with each other, so that during operation during the rotational movement T, T in the four chambers W1, W2 Arrangement phase-shifted combustion processes take place.
  • the output elements 150 of the four-cylinder arrangement are arranged such that they move synchronously along the axis of rotation D, ie do not shift relative to one another during operation of the arrangement.
  • the individual devices 100 of a four-cylinder arrangement it would also be possible for the individual devices 100 of a four-cylinder arrangement to be displaceable relative to one another during operation and to move linearly relative to one another.
  • the output element 150 designed as a hollow shaft may be formed with an outer wall resting against the guide element 160 and an inner wall interacting with the piston elements 122, which are interconnected, for example, via webs and between which there is a cavity.
  • air or another suitable coolant such as water or a cooling liquid can be passed through this cavity, ie between the walls of the hollow shaft for cooling.
  • An advantage of the arrangements according to FIGS. 9 to 13 is that no separate inlet and outlet valves with additional control and additional closure mechanisms have to be provided.
  • the intake valves and exhaust valves are formed through passage openings 162a, 163a, 162b, 163b and 154a, 154b and open and close automatically upon rotation of the output member 150th
  • the devices 100 described above can be advantageously used as internal combustion engines, for example in vehicle technology, but also wherever internal combustion engines can be used to drive components. However, the devices 100 can also be used as pumps or compressors for conveying or compressing a fluid.
  • the piston element 122 in the above-described exemplary embodiments according to FIGS. 1 and 2 as well as the piston elements 122 in the exemplary embodiments according to FIGS. 3 to 13 can be adjusted in the axial position via an adjusting device (not shown in detail in the figures).
  • the adjusting device can in principle be designed as desired, as long as it allows the adjustability of the piston elements 122 axially along the axis of rotation D, D 'relative to a fixed base part (in the embodiment of FIG. 9, for example, the feet 121).
  • the axial adjustability of the piston element 122 creates the possibility of varying the position of the piston element 122 relative to the output element 150 during operation of the device 100.
  • the adjustment of the axial position of the piston member 122 in this case takes place in a quasi-static manner compared to the movement of the output element 150, which can perform several hundred or a thousand revolutions per minute during operation of the device 100. Due to the adjustability of the piston element 122, the minimum volume and the maximum volume of the space W, W1, W2 delimited by the output element 150 and the piston element 122 can be adjusted and thus the mode of operation, in particular the degree of compression of a fluid in the space W, W1, W2, adjusted become.
  • FIGS. 14 to 22 Another embodiment of a device 100 is shown in FIGS. 14 to 22.
  • the device 100 has an output element 150 (see FIG. 16 and FIGS. 21A to 21C) which is guided in a guide element 16 designed as a cylindrical hollow shaft.
  • the output element 150 has a substantially cylindrical shape and is formed by a hollow shaft element 155 and on both sides axially adjoining end pieces 156a, 156b.
  • the hollow shaft element 155 is in this case connected via form-locking elements 159 in a fixed manner to the end pieces 156a, 156b, so that a uniform output element 150 results.
  • the hollow shaft member 155 of the output member 150 serves to form two spaces W1, W2, the z. B. serve as internal combustion engine as combustion chambers in the embodiment of the device 100.
  • the spaces W1, W2 projects in each case a piston member 122, which is connected via a shaft 120 with a bracket 121 and held on a base portion 125 above.
  • the piston elements 122 protrude from different sides into the hollow shaft element 155, so that two separate spaces W1, W2 result in the interior of the hollow shaft element 155 by a wall 153 of the driven element 150 that extends transversely to the axis of rotation D.
  • the output element 150 is guided in the guide element 160.
  • the guidance of the driven element 150 in the guide element 160 is - as already described above with reference to the embodiments of FIGS. 1 to 13 - such that a linear lifting movement of the output element 150 relative to the piston elements 122 by a rotational movement of the driven element 150 about the axis of rotation D. is superimposed.
  • the driven element 150 is forcibly coupled to the guide element 160 due to interaction of the end pieces 156a, 156b with two guide portions 164a, 164b of the guide element 160.
  • the end pieces 156a, 156b of the driven element 150 act via a respective end face on the end pieces 156a, 156b formed guide contour 157, each with an end-side guide contour 164 of the guide portions 164a, 164b together.
  • the guide sections 164a, 164b are fixedly connected to the guide element 160 and arranged on an inner wall of the designed as a cylindrical hollow shaft guide member 160. Axially between the guide portions 164a, 164b, the output member 150 is arranged such that it is on the guide contours 157 of the end pieces 156a, 156b with the guide contours 164 of the guide portions 164a, 164b in interaction.
  • the driven element 150 performs a periodic lifting movement along the axis of rotation D relative to the guide element 160 fixedly arranged on the base part 125.
  • the guide contours 157 of the end pieces 156a, 156b slide along the guide contours 164 of the guide sections 164a, 164b, so that the output element 150 is set in simultaneous, superimposed rotational movement about the axis of rotation D.
  • the driven element 150 thus performs a periodic lifting movement and a superimposed rotational movement about the axis of rotation D.
  • the end pieces 156a, 156b carry internal teeth 158, the teeth of which are directed axially along the axis of rotation D. Via the internal toothing 158, the end piece 156b is in operative connection with a driven wheel 170 in such a way that the output element 150 can be moved axially relative to the output gear 170, but rotational movement of the output element 150 is transmitted to the output gear 170 in a synchronous manner.
  • the output gear 170 is for this purpose rotatably mounted on the shaft 120 of the piston member 122 and is on a rangverzahnung 172 a fixedly connected to the driven gear 170 coupling sleeve 171 with the internal teeth 158 of the tail 156b into engagement (see FIG. 19 and Fig. 20A to 20D ).
  • the rotational movement of the output element 150 can be diverted via the output gear 170 in order to drive a component to be driven, for example wheels of a vehicle. It is also conceivable to drive the driven element 150 - when using the device 100 as a compressor or as a pump - via the output gear 170 (which in this case acts as a drive wheel) to generate a periodic lifting movement for compressing a fluid or for effecting a pumping operation.
  • the piston member 122 which carries on its outer cylindrical surface circumferential sealing rings 128 for sealing the associated space W1, W2 is, as mentioned via the shaft 120 connected to a bracket 121 and held on the bracket 121 to the base member 125.
  • the holder 121 is in this case, as shown in FIG. 19, guided guided along guide webs 127 axially along the axis of rotation D on the base part 125 and is connected via a threaded portion 126 with an external thread 182 of a spindle 181 of an adjusting device 180 in operative connection (see Fig. 18B ).
  • the adjusting device 180 serves to adjust the axial position of the piston elements 122.
  • the adjusting device 180 has a spindle 181 (see FIGS. 18B and 22), which is rotatably mounted on the base part 125.
  • the spindle 181 has bearing sections in the form of annular webs 183, via which the spindle 181 is rotatably and axially fixed to the base part 125.
  • the spindle 181 carries at its two ends annular webs 183, on which external thread 182 may be arranged. At each of the externa ßeren two of these annular webs 183 Au ogewinde 182 are arranged in the illustrated embodiment, each associated with a holder 121 and about a piston member 122.
  • the external threads 182 at the two ends of the spindle 181 are in opposite directions, so that in a rotational movement of the spindle 181 in a rotational direction S1 (see Fig. 22), an opposite adjustment of the brackets 121 and above the piston elements 122, for example, inwardly in an adjustment S2 results.
  • the spindle 181 further carries a toothed portion 184 which is engaged with a worm gear 185 of an actuating means in the form of a crank 186. If the actuating means is rotated in a direction of rotation SO, then the spindle 181 is rotated and above that the piston elements 122 are adjusted in their axial position.
  • the minimum volume and the maximum volume of the spaces W1, W2 can be predetermined during operation of the device 100.
  • the degree of compression (corresponding to the ratio between the maximum volume and the minimum volume) may be predetermined to set a desired operation of the device 100.
  • an injector 104 and a spark plug 103 are disposed on the piston members 122, respectively, for injecting a fuel into the associated space W1, W2 and igniting the fuel in the space W1, W2.
  • the device 100 thus implements an internal combustion engine for generating a torque and for driving, for example, a vehicle or another component or device to be adjusted, for example a machine.
  • Supply lines to the spark plug 103 and the injection nozzle 104 can each be laid in the respective piston member 122 associated shaft 120 and then extend in an inner, central bore 129 of the associated shaft 120. This allows a space-saving, space-efficient arrangement of the spark plug and the injection nozzle and associated supply lines.
  • the piston element 122 also an inlet valve and an outlet valve for admitting a fluid, for example air, and for discharging a fluid, for example the exhaust gases after combustion of a fuel.
  • intake valves and exhaust valves for the spaces W1, W2 are realized through passage openings 162a, 162b, 163a, 163b on the guide member 160 which, in operation of the apparatus 100, move in phase with passage openings 154a, 154b as the output member 150 moves of the output member 150 (see FIGS. 21A-21C).
  • the passage opening 154a is assigned to the first space W1 and opens into this space W1.
  • the second passage opening 154b is associated with the second space W2 and opens into it.
  • the passage openings 154a, 154b are in phase alignment with the passage openings 162a, 162b, 163a, 163b, which are formed slidably on the guide element 160.
  • the passage openings 162a, 162b are in this case for example associated with the passage opening 154b of the second space W2 and serve for the admission of air and for the discharge of the exhaust gases after the combustion of the fuel in the space W2.
  • the passage openings 163a, 163b are associated with the passage opening 154a of the first space W1.
  • the mode of operation for introducing air and for discharging exhaust gases and for igniting an injected fuel is basically as described above for the exemplary embodiment according to FIGS. 9 to 13.

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Abstract

Eine Vorrichtung (100) zum Erzeugen oder Wandeln eines Drehmoments umfasst ein Basisteil (125), ein an dem Basisteil (125) angeordnetes Kolbenelement (122) und ein relativ zum Kolbenelement (122) um eine Drehachse (D, D') drehbares Abtriebselement (150). Das Abtriebselement (150) ist derart mit dem Kolbenelement (122) zwangsgekoppelt, dass das Abtriebselement (150) im Betrieb der Vorrichtung (100) bei Antreiben des Abtriebselements (150) gleichzeitig eine Drehbewegung (T, T') um die Drehachse (D, D') und eine lineare Bewegung (C) in Form einer periodischen Hubbewegung axial entlang der Drehachse (D, D') ausführt, wobei das Kolbenelement (122) und das Abtriebselement (150) einen Raum (W, W1, W2) begrenzen, dessen Volumen sich bei der linearen Bewegung (C) des Abtriebelementes (150) relativ zum Kolbenelement (122) periodisch verändert. Zusätzlich ist eine Einsteilvorrichtung (180) vorgesehen, mittels derer das Kolbenelement (122) axial entlang der Drehachse (D, D') in seiner axialen Position relativ zu dem Basisteil (125) einstellbar ist.

Description

Vorrichtung zum Erzeugen oder Wandeln eines Drehmoments
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen oder Wandeln eines Drehmoments nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .
Eine derartige Vorrichtung umfasst ein Basisteil, ein an dem Basisteil angeordnetes Kolbenelement und ein relativ zum Kolbenelement um eine Drehachse drehbares Abtriebselement. Das Abtriebselement ist hierbei derart mit dem Kolbenelement zwangsgekoppelt, dass das Abtriebselement im Betrieb der Vorrichtung bei Antreiben des Abtriebselements gleichzeitig eine Drehbewegung um die Drehachse und eine lineare Bewegung in Form einer periodischen Hubbewegung axial entlang der Drehachse ausführt. Das Kolbenelement und das Abtriebselement begrenzen einen Raum, dessen Volumen sich bei der linearen Bewegung des Abtriebselements relativ zum Kolbenelement periodisch verändert.
Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der WO 2010/084 153 A2 bekannt, deren Inhalt in den vorliegenden Text vollumfänglich mit einbezogen werden soll.
Die aus der WO 2010/084 153 A2 bekannte Vorrichtung kann als Verbrennungsmotor oder auch z. B. als Kompressor oder Pumpe Verwendung finden. Bei Verwendung als Verbrennungsmotor wird ein Brennstoff in den vom Kolbenelement und Abtriebselement begrenzten Raum gegeben und dort gezündet, um auf diese Weise die Hubbewegung des Abtriebselements anzutreiben. Gleichzeitig mit der Hubbewegung führt dabei das Abtriebselement eine der Hubbewegung überlagerte Drehbewegung aus, die abgeleitet und zum Antreiben weiterer Teile, beispielsweise von Rädern eines Fahrzeugs, verwendet werden kann. Bei Verwendung als Kompressor wird ein Fluid in dem Raum komprimiert. Bei Verwendung als Pumpe wird mittels der periodischen Hubbewegung ein Fluid, beispielsweise Wasser oder eine andere Flüssigkeit oder auch ein gasförmiges Fluid, gefördert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die bekannte Vorrichtung weiterzubilden und insbesondere variabler einsetzbar zu gestalten.
Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Demnach weist die Vorrichtung eine Einstellvorrichtung auf, mittels derer das Kolbenelement axial entlang der Drehachse in seiner axialen Position relativ zu dem Basisteil einstellbar ist.
Die vorliegende Erfindung geht von dem Gedanken aus, das Kolbenelement nicht starr an dem Basisteil anzuordnen, sondern mittels der Einstellvorrichtung axial entlang der Drehachse variabel einstellbar zu gestalten. Durch Einstellen der axialen Position des Kolbenelements kann das Minimalvolumen und das Maximalvolumen, zwischen denen sich das Volumen des Raums bei der linearen Bewegung des Abtriebselements periodisch im Betrieb der Vorrichtung verändert, eingestellt werden. Durch Einstellen des Kolbenelements in seiner axialen Position kann somit die Grundposition des Kolbenelements an dem Basisteil vorgegeben werden, wobei durch Verstellen des Kolbenelements das Minimalvolumen und das Maximalvolumen des Raums im Betrieb der Vorrichtung vorgegeben werden können.
Die Einstellvorrichtung kann beispielsweise eine drehbar an dem Basisteil angeordnete Spindel aufweisen, die zum Einstellen der axialen Position des Kolbenelements mit dem Kolbenelement in Wirkverbindung steht derart, dass bei einer Drehbewegung der Spindel die axiale Position des Kolbenelements entlang der Drehachse verstellt wird. Die Spindel trägt vorzugsweise zumindest an einem Abschnitt ein Au ßengewinde, das mit einen dem Kolbenelement zugeordneten Gewindeabschnitt in Eingriff steht. Der Gewindeabschnitt kann beispielsweise an einer Halterung vorgesehen sein, über die das Kolbenelement an den Basisteil gehalten ist. Durch Verdrehen der Spindel und durch den Gewindeeingriff zwischen dem Au ßengewinde der Spindel und dem Gewindeabschnitt der Halterung kann dann das Kolbenelement axial entlang der Drehachse verstellt werden, um auf diese Weise die axiale Position des Kolbenelements und damit die Position des Kolbenelements relativ zu dem Abtriebselement vorzugeben. Die Spindel weist vorzugsweise einen Verzahnungsabschnitt auf, der mit einem Betätigungsmittel in Eingriff steht und mittels des Betätigungsmittels verdrehbar ist. Das Betätigungsmittel kann beispielsweise als manuell, elektrisch, hydraulisch oder mechanisch zu betätigende Kurbel ausgebildet sein, wobei die Kurbel an einer Betätigungswelle eine Schneckenverzahnung trägt, die mit dem Verzahnungsabschnitt der Spindel in Eingriff steht. Durch Verdrehen der Kurbel kann dann über den Verzahnungseingriff zwischen der Schneckenverzahnung und dem Verzahnungsabschnitt die Spindel um die Drehachsen verdreht werden.
Bei einer Verkleinerung des Volumens des durch das Abtriebselement und das Kolbenelement gebildeten Raums wird ein in dem Raum befindliches Fluid komprimiert. Dies erfolgt aufgrund der periodischen Hubbewegung des Abtriebselements relativ zum Kolbenelement periodisch (auf eine Verkleinerung des Raums folgt immer eine Vergrößerung des Raums), wobei das Abtriebselement gleichzeitig mit der linearen Hubbewegung eine überlagerte Drehbewegung um seine Drehachse ausführt.
Bei Verwendung der Vorrichtung als Verbrennungsmotor kann durch Zünden eines in dem Raum komprimierten Fluids das Abtriebselement zur Durchführung der Hubbewegung angetrieben werden, wobei die gleichzeitig ausgeführte Drehbewegung zum Antreiben nachgeschalteter Teile, beispielsweise zum Antreiben von Rädern eines Fahrzeugs, abgeleitet werden kann.
Bei Verwendung der Vorrichtung als Kompressor oder als Pumpe kann das Abtriebselement beispielsweise in eine Drehbewegung versetzt werden, wobei der Kompressions- oder Pumpvorgang durch die überlagerte periodische Hubbewegung bewirkt wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind an dem Kolbenelement ein Einlassventil zum Einlassen eines Fluids, ein Auslassventil zum Auslassen eines Fluids, eine Zündkerze oder Glühkerze zum Zünden eines Fluids und/oder eine Einspritzdüse zum Einspritzen eines Fluids angeordnet. Ein Einlassventil und/oder ein Auslassventil können sowohl bei Verwendung der Vorrichtung als Verbrennungsmotor als auch als Kompressor oder Pumpe Verwendung finden. Durch das Einlassventil wird hierbei ein Fluid, beispielsweise eine Flüssigkeit (z. B. Wasser) oder ein Gas (z. B. Luft) eingelassen. Durch das Auslassventil wird das Fluid wieder ausgelassen. Beispielsweise kann bei einem Verbrennungsmotor durch das Einlassventil Luft in den durch den Raum gebildeten Brennraum geleitet werden. Durch das Auslassventil hingegen wird nach einem Verbrennungsvorgang das Abgas abgeleitet. Eine Zündkerze oder Glühkerze und eine Einspritzdüse finden regelmäßig nur bei einem Verbrennungsmotor Verwendung. Eine Zündkerze oder eine Glühkerze dienen zum Zünden oder Vorwärmen eines Brennstoffs in dem Raum. Eine Einspritzdüse dient zum Einspritzen des Brennstoffs in den Raum. Zur vorteilhaften Anordnung eines Einlassventils, eines Auslassventils, einer Zünd- oder Glühkerze und/oder einer Einspritzdüse an dem Kolbenelement kann das Kolbenelement beispielsweise über eine axial entlang der Drehachse erstreckte, innen hohl ausgebildete Welle mit einer Halterung verbunden und über die Halterung an dem Basisteil gehalten sein. Die Welle weist eine Bohrung auf und ist dadurch innen hohl ausgebildet, wobei durch die Bohrung hindurch eine oder mehrere Zuleitungen für das Einlassventil, das Auslassventil, die Zündkerze, die Glühkerze und/oder die Einspritzdüse, die an dem Kolbenelement zum geeigneten Ein- oder Ausleiten eines Fluids in den bzw. aus dem Raum, zum Zünden eines Fluids in dem Raum oder zum Einspritzen eines Brennstoffs in den Raum angeordnet sind, gelegt werden, so dass eine einfache, platzeffiziente Anbindung des Einlassventils, des Auslassventils, der Zündkerze, der Glühkerze oder der Einspritzdüse bereitgestellt werden kann.
Zum Herstellen der Zwangskopplung ist das Abtriebselement vorzugsweise an einem mit dem Basisteil verbundenen und feststehend an dem Basisteil angeordneten Führungselement geführt. Das Abtriebselement und/oder das Führungselement weisen hierzu eine Führungskontur auf, die bei linearer Bewegung des Abtriebselements entlang der Drehachse das Abtriebselement in eine Drehbewegung um die Drehachse zwingt.
Die Führungskontur kann beispielsweise durch eine an dem Abtriebselement oder dem Führungselement umlaufende, beispielsweise sinusförmige Nut ausgestaltet sein, in die ein Bolzen an dem anderen Bauteil eingreift. Weist beispielsweise das Abtriebselement an seiner äußeren zylindrischen Mantelfläche eine um die Drehachse umlaufende, sinusförmige Nut auf, so kann an dem Führungselement ein Bolzen vorgesehen sein, der in die Nut eingreift und bei einer Hubbewegung des Abtriebselements das Abtriebselement in eine überlagerte Drehbewegung um die Drehachse zwingt. Die Führungskontur kann aber auch beispielsweise durch einen stirnseitigen Rand eines Führungsabschnitts gebildet sein, der an einer Stirnseite des Abtriebselements anliegt und durch seine Formgebung eine Zwangskopplung zwischen dem Führungselement und dem Abtriebselement derart bewirkt, dass bei einer Hubbewegung das Abtriebselement gleichzeitig eine Drehbewegung um die Drehachse ausführt.
Das Führungselement kann beispielsweise als zylindrische Hohlwelle ausgestaltet sein, in der das zylindrisch ausgebildete Abtriebselement geführt ist. Das Führungselement umgreift somit das Abtriebselement und führt in einer zentralen Bohrung der das Führungselement verwirklichenden zylindrischen Hohlwelle das zylindrische Abtriebselement, wobei aufgrund der Zwangskopplung eine Hubbewegung des Abtriebselements in der zylindrischen Hohlwelle von einer Drehbewegung um die Drehachse überlagert ist. Das Führungselement kann in einer konkreten Ausgestaltung beispielsweise zwei Führungsabschnitte aufweisen, die an der inneren Wandung der zylindrischen Hohlwelle feststehend angeordnet sind und somit in die innere Bohrung der Hohlwelle hineinragen. Axial zwischen den Führungsabschnitten ist das Abtriebselement angeordnet, wobei jeder Führungsabschnitt an einer dem Abtriebselement zugewandten Stirnseite eine Führungskontur trägt, die mit einer zugeordneten Führungskontur an einer Stirnseite des Abtriebselements in Anlage ist. Die Führungskonturen können jeweils zumindest näherungsweise eine Sinus- oder Helixkurve nachbilden, wobei die Führungskonturen an den beiden Führungsabschnitten - betrachtet in Umfangsrichtung um die Drehachse - zueinander phasenversetzt sind, um das Abtriebselement bei Ausführung einer Hubbewegung zu einer überlagerten Drehbewegung zu zwingen.
An dem Führungselement können auch ein Einlassventil zum Einlass eines Fluids, ein Auslassventil zum Auslassen eines Fluids, eine Zünd- oder Glühkerze und/oder eine Einspritzdüse angeordnet sein. Ein Einlassventil und ein Auslassventil können hierbei beispielsweise durch jeweils eine Durchlassöffnung an dem als zylindrische Hohlwelle ausgestalteten Führungselement verwirklicht sein, wobei die Durchlassöffnung bei einer Drehbewegung des Abtriebselements relativ zu dem Führungselement mit einer zugeordneten Durchlassöffnung an dem Abtriebselement in Wirkverbindung tritt und auf diese Weise einen Durchlass hin in den durch das Abtriebselement und das Kolbenelement begrenzten Raum zum Einlassen oder Auslassen eines Fluids bereitstellen. Zur Bereitstellung eines Abtriebs kann das Abtriebselement in vorteilhafter Weise in Wirkverbindung mit einem Abtriebsrad stehen. Das Abtriebsrad ist hierbei vorteilhafterweise um die Drehachse des Abtriebselements drehbar an dem Basisteil gelagert, dabei aber axial feststehend zu dem Basisteil angeordnet. Das Abtriebsrad macht somit die periodische Hubbewegung des Abtriebselements im Betrieb der Vorrichtung nicht mit, sondern verbleibt an seiner axialen Position. Das Abtriebsrad ist dabei aber derart mit dem Abtriebselement gekoppelt, dass das Abtriebsrad axial bewegbar zu dem Abtriebselement ist, zur Übertragung einer Drehbewegung von dem Abtriebselement auf das Abtriebsrad aber drehfest mit dem Abtriebselement in Wirkverbindung steht. Im Betrieb der Vorrichtung ist das Abtriebselement somit axial zu dem axial festen Abtriebsrad bewegbar. Eine Drehbewegung des Abtriebselements wird dabei aber auf das Abtriebsrad übertragen, so dass die Drehbewegung des Abtriebselements über das Abtriebsrad auf ein anzutreibendes Bauteil übertragbar ist. Über das Abtriebsrad kann die Vorrichtung beispielsweise auch mit einer weiteren Vorrichtung zum Erzeugen oder Wandeln eines Drehmoments gekoppelt sein, so dass mehrere gleichartige Vorrichtungen gemeinsam miteinander betrieben und zum Erzeugen oder Wandeln eines Drehmoments in miteinander gekoppelter Weise eingesetzt werden können.
Das Abtriebselement ist vorzugsweise als zylindrische Hohlwelle ausgestaltet, in die das Kolbenelement eingreift. Das Abtriebselement kann hierbei beispielsweise auch mit zwei Kolbenelementen zusammenwirken und zusammen mit den zwei Kolbenelementen zwei Räume begrenzen. Hierbei kann ein Kolbenelement sich von einer axial ersten Seite in das als zylindrische Hohlwelle ausgestaltete Abtriebselement hinein erstrecken, während das andere Kolbenelement von der axial anderen Seite sich in das Abtriebselement hinein erstreckt. Das Abtriebselement begrenzt somit mit dem ersten Kolbenelement einen ersten Raum und mit dem zweiten Kolbenelement einen zweiten Raum, wobei das Abtriebselement eine quer zur Drehachse erstreckte Trennwand zum Trennen der beiden Räume aufweist. Bei der linearen Bewegung des Abtriebselements entlang der Drehachse im Betrieb der Vorrichtung ändern sich dann die Volumen der beiden Räume periodisch, wobei die Volumenänderung entgegengesetzt zueinander erfolgt. Eine Volumenvergrößerung des einen Raums geht somit mit einer Volumenverkleinerung des anderen Raums einher. Nimmt der eine Raum sein Maximalvolumen ein, so weist der andere Raum sein Minimalvolumen auf. Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke soll nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 A, 1 B Ansichten einer als Verbrennungsmotor ausgebildeten Vorrichtung zum
Erzeugen eines Drehmoments;
Fig. 1 C Schnittansicht entlang der Linie l-l gemäß Fig. 1 B;
Fig. 2 eine Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer als
Verbrennungsmotor ausgebildeten Vorrichtung zum Erzeugen eines
Drehmoments;
Fig. 3 eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer als
Verbrennungsmotor ausgebildeten Vorrichtung zum Erzeugen eines Drehmoments;
Fig. 4 eine Schnittansicht durch die Vorrichtung gemäß Fig. 3;
Fig. 5A-C Ansichten eines Kolbenelementes der Vorrichtung gemäß Fig. 3;
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht zweier zusammenwirkender Vorrichtungen zum Erzeugen eines Drehmoments;
Fig. 7 eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß Fig. 6;
Fig. 8 eine Vorderansicht der Anordnung gemäß Fig. 6;
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer als Verbrennungsmotor ausgebildeten Vorrichtung zum Erzeugen eines Drehmoments;
Fig. 10A, B Detailansichten eines Führungselementes der Vorrichtung gemäß Fig. 9;
Fig. 1 1 eine Teilschnittansicht eines als Hohlwelle ausgebildeten
Abtriebselementes der Vorrichtung gemäß Fig. 9;
Fig. 12A-E Seiten- und Schnittansichten der Vorrichtung; Fig. 13A-D Seiten- und Schnittansichten zweier zusammenwirkender Vorrichtungen;
Fig. 14 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer als Verbrennungsmotor ausgebildeten Vorrichtung zum Erzeugen eines
Drehmoments;
Fig. 15A-C eine Seitenansicht, eine Draufsicht und eine stirnseitige Ansicht der
Vorrichtung gemäß Fig. 14;
Fig. 16 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 14, ohne ein
Führungselement;
Fig. 17A-C eine Seitenansicht, eine Draufsicht und eine stirnseitige Ansicht der
Anordnung gemäß Fig. 16;
Fig. 18A eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß Fig. 14;
Fig. 18B eine Schnittansicht entlang der Linie A-A gemäß Fig. 18A;
Fig. 18C eine Schnittansicht entlang der Linie B-B gemäß Fig. 18B;
Fig. 19 eine perspektivische Ansicht eines Kolbenelements mit daran angeordnetem Abtriebsrad der Vorrichtung gemäß Fig. 14;
Fig. 20A-C eine Seitenansicht, eine Draufsicht und eine stirnseitige Ansicht der
Anordnung gemäß Fig. 19;
Fig. 20D eine Schnittansicht entlang der Linie C-C gemäß Fig. 20C;
Fig. 20E eine vergrößerte Ansicht des Ausschnitts A gemäß Fig. 20D;
Fig. 21 A-C unterschiedliche Ansichten eines Abtriebselements der Vorrichtung gemäß
Fig. 14; und
Fig. 22 eine Ansicht einer Spindel einer Einsteilvorrichtung zum Einstellen der axialen Position zweier Kolbenelemente der Vorrichtung gemäß Fig. 14. Fig. 1 A bis 1 C zeigen Ansichten einer Vorrichtung 100 zum Erzeugen eines Drehmoments, die als Verbrennungsmotor ausgebildet ist. Ein über eine Welle 120 gehaltenes Kolbenelement 122 greift dabei über vom Kolbenelement 122 vorstehende Bolzen 123, 124 in eine Nut 151 eines Abtriebselementes 150 ein. Das Abtriebselement 150 ist um eine Drehachse D drehbar zum Kolbenelement 122 angeordnet und kann hierzu beispielsweise in einem Gehäuse gelagert sein.
Das Kolbenelement 122 und das Abtriebselement 150 sind durch den Eingriff der Bolzen 123,124 in die Nut 151 derart zwangsgekoppelt, dass das Abtriebselement 150 bei einer linearen Bewegung C gleichzeitig auch eine Drehbewegung T um die Drehachse D ausführt.
Die Nut 151 erstreckt sich sinus- oder helixförmig an der dem Kolbenelement 122 zugewandeten Innenwand des zylindrischen Abtriebselementes 150 und läuft an der Innenwand um. Dadurch, dass das Kolbenelement 122 und das Abtriebselement 150 zwangsgekoppelt sind, bewegt sich das Abtriebselement 150, wenn es in Bewegung versetzt wird, entlang der Nut 151 relativ zum Kolbenelement 122 und führt in zwangsgekoppelter Weise eine Drehbewegung T um die Drehachse D und eine lineare Bewegung C in Form einer periodischen Hubbewegung aus.
Zur Montage des Abtriebselementes 150 an dem Kolbenelement 122 können die Bolzen 123, 124 beispielsweise in radialer Richtung zur Drehachse D federnd am Kolbenelement 122 ausgebildet sein, so dass das Abtriebselement 150 auf das Kolbenelement 122 aufgesteckt werden kann und die Bolzen 123, 124 in die Nut 151 einrasten, wenn sie sich über der Nut 151 befinden. Alternativ ist auch möglich, das Abtriebselement 150 beispielsweise zweiteilig mit einem oberen und einem unteren zylindrischen Teil auszubilden, wobei die einzelnen Teile auseinandergenommen werden können, um einen Zugang zu der Nut 151 zu schaffen und die Bolzen 123, 124 in die Nut 151 einführen zu können. Nach Einsetzen der Bolzen 123, 124 in die Nut 151 werden die Teile dann z.B. über einen Bajonettverschluss wieder miteinander verbunden und bilden das Abtriebselement 150 aus.
Das Kolbenelement 122 und das Abtriebselement 150 sind dichtend zueinander ausgebildet und schließen einen Raum W ein, in dem durch die lineare Hubbewegung C ein in dem Raum W befindliches Fluid komprimiert werden kann. Fig. 1 A zeigt die Vorrichtung 100 in einer Stellung, bei der der zwischen dem Kolbenelement 122 und dem Abtriebselement 150 eingeschlossene Raum W ein maximales Volumen aufweist. In der Stellung gemäß Fig. 1 B hingegen ist das Kolbenelement 122 dem Boden des Abtriebselementes 150 angenähert, so dass das Volumen des Raums W verringert und ein in dem Raum W befindliches Fluid entsprechend verdichtet ist.
An dem Kolbenelement 122 sind ein Einlassventil 101 , ein Auslassventil 102 und eine Zündkerze 103 angeordnet. Über das Einlassventil 101 kann dem Raum W ein Fluid in Form eines geeigneten Brennstoffs zugeführt werden, das über die Zündkerze 103 in verdichtetem Zustand gezündet wird. Durch die Zündung dehnt sich das Fluid explosionsartig aus und treibt das Abtriebselement 150 an, das in zwangsgekoppelter Weise eine Hubbewegung C und gleichzeitig eine Drehbewegung T ausführt. Über das Auslassventil 102 kann das verbrauchte Fluid anschließend wieder aus dem Raum W entfernt werden. Das Einlassventil 101 und das Auslassventil 102 können in geeigneter Weise zur Regelung der Fluidzufuhr in Abhängigkeit von der Stellung des Abtriebselementes 150 gesteuert werden.
Wie sich aus einer vergleichenden Betrachtung der Ansichten gemäß Fig. 1 A und 1 B ergibt, weist das zylindrisch ausgebildete Kolbenelement 122 eine Höhe auf, die größer als die Höhe der Nut 151 ist (die den maximalen Hub des Abtriebselementes 150 relativ zum Kolbenelement 122 definiert). Dadurch überdeckt das Kolbenelement 122 die Nut 151 (die in die Innenwand des zylindrischen Abtriebselementes 150 eingeformt ist) derart, dass die Abdichtung des Raums W in jeder Stellung des Abtriebselementes 150 zum Kolbenelement 122 gewährleistet ist. Insbesondere überdeckt das Kolbenelement 122 die Nut 151 auch in der Stellung gemäß Fig. 1 B, in der das Kolbenelement 122 dem Boden des Abtriebselementes 150 angenähert ist und der Raum W das kleinstmögliche Volumen aufweist, so dass das Fluid nicht aus dem Raum W entweichen kann. Das Abtriebselement 150 ist über einen Schaft 154 mit einer Abtriebswelle 20 in formschlüssiger Weise derart gekoppelt, dass die Drehbewegung T des Abtriebselementes 150 auf die Abtriebswelle 20 übertragen wird, die lineare Bewegung C jedoch nicht.
Anstelle einer Kopplung über den Schaft 154 kann an der zylindrischen Außenwand des Abtriebselementes 150 auch eine Außenverzahnung angeordnet sein, die mit einer Verzahnung eines anzutreibenden Rades oder einer Welle in Eingriff steht, so dass das Abtriebselement 150 selbst als antreibende Zahnwelle dient.
Letztere Variante ermöglicht auch die serielle Anordnung einer Mehrzahl von Vorrichtungen 100, wobei die Außenverzahnungen benachbarter Vorrichtungen 100 zur seriellen Erzeugung eines vergrößerten Drehmomentes miteinander in Eingriff stehen. Werden auf diese Weise beispielsweise vier Vorrichtungen 100 in Reihe geschaltet, vergrößert sich das erzeugte Drehmoment um den Faktor vier. Das Drehmoment kann an einer der Vorrichtungen 100 abgegriffen werden, beispielsweise über die Außenverzahnung des Abtriebselementes 150 oder einen koppelnden Schaft 154 (wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 A und 1 B).
Eine Vorrichtung nach Art der Vorrichtung 100 kann auch als Kompressor (beispielsweise einer Klimaanlage) oder als Pumpenvorrichtung verwendet werden. Dabei wird ein zu verdichtendes oder zu förderndes Fluid in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung des Abtriebselementes 150 und geeigneter Steuerung des Einlassventils 101 und des Auslassventils 102 zur Regelung der Fluidzufuhr in den Raum W eingesaugt, in dem Raum W komprimiert und/oder aus dem Raum W ausgestoßen. Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 100, die im Vergleich zu der Vorrichtung 100 gemäß Fig. 1 A bis 1 C mit Hinblick auf die Kopplung zwischen Kolbenelement und Abtriebselement kinematisch umgekehrt, ansonsten aber funktionsgleich ist, zeigt Fig. 2. Das Kolbenelement 122 ist an einer Welle 120 angeordnet und weist einen inneren Abschnitt 122a und einen äu ßeren Abschnitt 122b auf. Der innere, an einem verlängerten Abschnitt 120a der Welle 120 angeordnete Abschnitt 122a greift in das zylindrische Abtriebselement 150 ein und begrenzt zusammen mit dem Abtriebselement 150 den Raum W, der bei Ausgestaltung der Vorrichtung 100 als Verbrennungsmotor als Brennraum dient. Der (zumindest abschnittsweise zylindrische) äu ßere Abschnitt 122b umgreift das Abtriebselement 150, wobei der Abschnitt 122b zumindest abschnittsweise nach Art eines Bügels ausgebildet sein kann und einen Zugriff auf den inneren Abschnitt 122a beispielsweise zum Zuführen von Zuleitungen ermöglicht. Lediglich in seinem unteren Bereich, in dem eine Nut 151 angeordnet ist, ist der Abschnitt 122b nach Art eines zylindrischen, geschlossenen Rings ausgebildet. In jedem Fall ist die Passung zwischen dem Abschnitt 122b und dem Abtriebselement 150 nicht dichtend auszuführen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist in kinematischer Umkehr zur Vorrichtung 100 gemäß Fig. 1 A bis 1 C die Nut 151 an dem zumindest in seinem unteren Bereich zylindrischen Abschnitt 122b des Kolbenelementes 122 angeordnet und umläuft den Abschnitt 122b an seiner dem Abtriebselement 150 zugewandten Innenwand. Die Nut 151 erstreckt sich wiederum sinusförmig und definiert die Zwangskopplung zwischen dem Kolbenelement 122 und dem Abtriebselement 150, wobei an dem Abtriebselement 150 angeordnete Bolzen 123, 124 in die Nut 151 eingreifen und so die Zwangskopplung herstellen.
Das Abtriebselement 150 weist einen zylindrischen Schaft 154 auf, der über eine in Umfangsrichtung formschlüssige Kopplung mit einer Abtriebswelle 20 derart verbunden ist, dass ein erzeugtes Drehmoment bzw. eine Drehbewegung T auf die Abtriebswelle 20 übertragen wird, eine lineare Bewegung C des Abtriebselementes 150 jedoch nicht.
Die Vorrichtung 100 gemäß Fig. 2 weist gegenüber der Vorrichtung 100 gemäß Fig. 1 A bis 1 C den Vorteil auf, dass die Nut 151 außerhalb des Raums W angeordnet ist. Die Abdichtung des inneren Abschnitts 122a des Kolbenelementes 122 zum Abtriebselement 150 ist dadurch erleichtert. Insbesondere ist nicht erforderlich, dass die Höhe des Abschnitts 122a die Höhe der Nut 151 übersteigt.
Eine Vorrichtung nach Art der Vorrichtung 100 kann wiederum als Verbrennungsmotor (mit an dem inneren Abschnitt 122a des Kolbenelementes 122 angeordnetem Einlassventil 101 , Auslassventil 102 und Zündkerze 103), als Pumpe oder Kompressor oder allgemein zur Komprimierung eines Fluids (beispielsweise bei einem hydraulischen Getriebe) eingesetzt werden. Eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung 100 zum Erzeugen oder Wandeln eines Drehmoments ist in Fig. 3 bis 8 dargestellt. Fig. 3 bis 5 zeigen hier zunächst eine einzelne Vorrichtung 100 bei Ausbildung als Zweizylindermotor, während in Fig. 6 bis 8 zwei Vorrichtungen 100 parallel geschaltet sind, um einen Vierzylindermotor zu schaffen. Analog wie die vorangehend anhand von Fig. 1 A-C geschilderte Vorrichtung verwendet auch die Vorrichtung 100 gemäß Fig. 3 bis 8 im Prinzip ein - im Betrieb feststehendes - Kolbenelement 122 und ein zu diesem Kolbenelement 122 drehbares und gleichzeitig entlang einer Drehachse D verschiebbares Abtriebselement 150. Die Vorrichtung 100 weist dabei zwei Kolbenelemente 122 auf, die jeweils an einer Welle 120 angeordnet sind. Das Abtriebselement 150 ist als zylindrische Hohlwelle ausgebildet und um die Drehachse D drehbar und gleichzeitig entlang der Drehachse D verschiebbar. An der zylindrischen Außenseite des Abtriebselements 150 ist eine umlaufende Nut 151 angeordnet, die mit mindestens einem Bolzen (in Fig. 3 bis 5 nicht dargestellt) in Eingriff steht. Der Bolzen ist hierbei in ortsfester Lagebeziehung zu den Kolbenelementen 122 und definiert damit eine Zwangskopplung des Abtriebselements 150 mit den Kolbenelementen 122.
Der oder die Bolzen können beispielsweise über einen feststehenden Bügel oder dergleichen mit einer der Wellen 120 verbunden sein oder an einem Gehäuse angeordnet sein, an dem auch die Wellen 120 angeordnet sind.
Denkbar ist in diesem Zusammenhang auch, den oder die Bolzen entlang der Drehachse D verschieblich beispielsweise an einem Gehäuse anzuordnen, um durch Verschieben der Bolzen die Bewegung des Abtriebselements 150 zusätzlich zu steuern.
Das als zylindrische Hohlwelle ausgebildete Abtriebselement 150 definiert zusammen mit den Kolbenelementen 122 und einer das Abtriebselement 150 mittig teilenden Wand 153 zwei Räume W1 , W2, die bei Ausbildung der Vorrichtung 100 als Verbrennungsmotor als Brennräume dienen. Die Kolbenelemente 122 sind nach Art von Kolben gegenüber der inneren Wandung des Abtriebselements 150 abgedichtet, so dass ein in den Räumen W1 , W2 befindliches Fluid bei einer linearen Bewegung entlang der Drehachse D des Abtriebselements 150 relativ zu den Kolbenelementen 122 komprimierbar ist. Im Betrieb der Vorrichtung 100 führt das Abtriebselement 150 eine Drehbewegung um die Drehachse D aus und rotiert damit um die Kolbenelemente 122. Durch die Zwangskopplung über die Nut 151 wird gleichzeitig das Abtriebselement 150 in eine lineare Bewegung entlang der Drehachse D relativ zu den Kolbenelementen 122 versetzt, so dass sich die Volumina der Räume W1 , W2 ändern. Während beispielsweise das Volumen des einen Raums W1 bzw. W2 sich verkleinert, vergrößert sich gleichzeitig das Volumen des anderen Raums W2 bzw. W1 . Wird dabei über an den Kolbenelementen 122 angeordnete Einlass- und Auslassventile ein Brennstoff in geeigneter Weise zugeführt und gezündet, so kann hierdurch das Abtriebselement 150 zur weiteren Drehbewegung angetrieben werden.
An der zylindrischen Außenseite des Abtriebselements 150 sind an den beiden Endabschnitten Verzahnungen 152 angeordnet, über die die Drehbewegung des Abtriebselements 150 auf anzutreibende Bauteile, beispielsweise eine anzutreibende Welle, übertragen werden kann.
Vorteil der Vorrichtung 100 ist die symmetrische Ausbildung im Sinne einer Zweizylinderanordnung, bei der eine Verdichtung in einem Raum W1 , W2 gleichzeitig zu einer Volumenvergrößerung im anderen Raum W2, W1 führt.
Mit der Vorrichtung 100 kann in einfacher Weise ein Vier- oder auch Mehrzylindermotor geschaffen werden. Dies ist in Fig. 6 bis 8 veranschaulicht. Um einen Vierzylindermotor zu schaffen, werden zwei Vorrichtungen 100 parallel zueinander angeordnet, so dass zwei Abtriebselemente 150 jeweils zu zwei Kolbenelementen 122 drehbar und gleichzeitig linear verschieblich sind. Das eine Abtriebselement 150 ist dabei zu einer Drehachse D und das zweite Abtriebselement 150 zu einer zweiten, parallelen Drehachse D drehbar angeordnet, wobei beide Abtriebselemente 150 auch entlang der jeweiligen Drehachse D, D verschieblich gelagert sind.
Die Abtriebselemente 150 stehen über ihre Verzahnungen 152 miteinander in Eingriff, so dass die Drehbewegung eines der Abtriebselemente 150 auf das andere der Abtriebselemente 150 übertragen wird.
Dreht sich beispielsweise, wie dies in Fig. 7, veranschaulicht ist, das eine Abtriebselement 150 mit einer Drehbewegung T um die Drehachse D, so wird das andere Abtriebselement 150 gleichzeitig in eine entgegen gesetzte Drehbewegung T um die Drehachse D versetzt.
Die Abtriebselemente 150 können auch gegeneinander entlang der Drehachsen D, D verschieblich sein, um eine gegenphasige Bewegung der beiden Abtriebselemente 150 zu ermöglich und so Unwuchten zu vermeiden. Bei der Anordnung gemäß Fig. 6 bis 8 steht jedes Abtriebselement 150 über jeweils eine Nut 151 mit einem festen Bolzen in Eingriff, so dass, wie vorangehend beschrieben, die Abtriebselemente 150 jeweils zwangsgekoppelt zu den Kolbenelementen 122 sind.
Über die Verzahnungen 152 der Abtriebselementen 150 können die anzutreibenden Bauteile angetrieben werden. Beispielsweise kann eine anzutreibende Welle über eine daran angeordnete Verzahnung mit einer der Verzahnungen 152 in Eingriff stehen und so in eine Drehbewegung versetzt werden. Mit der Zusammenschaltung zweier Vorrichtungen 100 wird eine Vierzylinderanordnung geschaffen, bei der bei Ausbildung der Vorrichtung 100 als Verbrennungsmotor über vier Kolbenelemente 122 im Betrieb vier Räume als Brennräume genutzt werden, in denen abwechselnd ein Fluid verdichtet und gezündet werden kann.
Die Anordnung ist in beliebiger Weise skalierbar, so dass in leichter Weise Sechs-, Achtoder auch noch mehrzylindrige Motoren geschaffen werden können. Eine modifizierte Vorrichtung 100 zur Erzeugung eines Drehmomentes, die beispielsweise als Verbrennungsmotor eingesetzt werden kann, ist in Fig. 9 bis 13 dargestellt. Die Wirkweise der Vorrichtung 100 ist dabei im Prinzip gleich der vorangehend anhand von Fig. 3 bis 8 beschriebenen Vorrichtung. Entsprechend sind für Bauteile gleicher Funktion, soweit zweckdienlich, die gleichen Bezugszeichen verwendet worden.
Fig. 9 zeigt eine perspektivische Ansicht zweier Vorrichtungen 100, die parallel zueinander angeordnet sind und nach Art einer Vierzylinderanordnung zusammenwirken. Im Unterschied zu der Anordnung gemäß Fig. 3 bis 8 ist bei den Vorrichtungen 100 gemäß Fig. 9 bis 13 ein als Hohlwelle ausgebildetes Abtriebselement 150 jeweils in einem Führungselement 160 angeordnet und geführt. Das Führungselement 160 ist hierbei als Rohrabschnitt ausgebildet und nimmt das Abtriebselement 150 in seinem Inneren auf. Eine Seitenansicht und eine Vorderansicht des Führungselements 160 ist in Fig. 10A bzw. Fig. 10B dargestellt. Das Führungselement 160 ist über einen Fuß 161 feststehend montiert.
Fig. 1 1 zeigt eine Teilschnittansicht des als Hohlwelle ausgebildeten Abtriebselementes 150.
Fig. 12A bis 12E zeigen in unterschiedlichen, teilweise geschnittenen Ansichten eine einzelne Vorrichtung 100 mit ihren zusammenwirkenden Bauteilen. Das Abtriebselement 150 ist als Hohlwelle ausgebildet. Der Innenraum der Hohlwelle ist dabei über eine Wand 153 geteilt und bildet zusammen mit zwei in den Innenraum eingreifenden Kolbenelementen 122 (siehe Fig. 12D) zwei Kammern W1 , W2 aus, die als Brennräume des Verbrennungsmotors dienen. Die Kolbenelemente 122 sind über feststehende Abriebswellen 120 (auch als Pleuel bezeichnet) und Fü ße 121 montiert und befinden sich damit in vorgegebener Lagebeziehung zu dem Führungselement 160. Außenseitig an dem Abtriebselement 150 sind zwei Nuten 151 a, 151 b ausgebildet (siehe Fig. 1 1 ), in die am Führungselement 160 fest angeordnete Bolzen 123a, 123b, 124a, 124b eingreifen. Über die Nuten 151 a, 151 b, die au ßenseitig um das zylindrische Abtriebselement 150 umlaufen und jeweils eine Sinuskurve nachbilden, und den Eingriff der Bolzen 123a, 123b, 124a, 124b ist das Abtriebselement 150 derart mit dem Führungselement 160 zwangsgekoppelt, dass bei einer Drehbewegung T um die der Längsachse des Abtriebselementes 150 entsprechende Drehachse D das Abtriebselement 150 gleichzeitig eine lineare Bewegung entlang der Drehachse D ausführt. Auf diese Weise verwirklicht die Vorrichtung 100 eine Zweizylinderanordnung, bei der sich bei Drehbewegung T des Abtriebselements 150 ein Raum W1 bzw. W2 verkleinert und gleichzeitig der andere Raum W2 bzw. W1 vergrößert, so dass über geeignete Fluidzufuhr eine Fluidverdichtung und Zündung erfolgen kann, um einen Verbrennungsmotor zu verwirklichen.
In Fig. 9 und Fig. 13A bis 13D sind zwei zusammenwirkende Vorrichtungen 100 dargestellt, die über je eine Verzahnung 152 an dem Abtriebselement 150 miteinander in Eingriff stehen und eine Vierzylinderanordnung ausbilden. Fig. 9 zeigt hier eine perspektivische Ansicht dieser Vierzylinderanordnung und Fig. 13A bis 13D unterschiedliche, teilweise geschnittene Ansichten. Die Vorrichtungen 100 wirken derart zusammen, dass die eine (in Fig. 9 vordere) Vorrichtung 100 eine Drehbewegung T um die Drehachse D und die andere Vorrichtung 100 eine entgegen gesetzte Drehbewegung T um eine parallele Drehachse D' ausführt. Über eine der Verzahnungen 152 kann eine Welle oder ein anderes anzutreibendes Bauteil angetrieben und ein Drehmoment abgegeben werden.
Bei der Vorrichtung 100 gemäß Fig. 9 bis 13 sind Einlassventile und Auslassventile in das Führungselement 160, das das Abtriebselement 150 aufnimmt, integriert. Die Einlassventile und Auslassventile sind hier durch schlitzartig ausgebildete Durchlassöffnungen 162a, 163a, 162b, 163b verwirklicht, die am äußeren Umfang des Führungselements 160 ausgebildet sind. Die Durchlassöffnungen 162a, 163a, 162b, 163b des Führungselementes 160 wirken mit Durchlassöffnungen 154a, 154b des Abtriebselementes 150 zur Verwirklichung von Einlassventilen und Auslassventilen zusammen derart, dass keine separate Steuerung und keine separaten Verschlussmechanismen für die Ventile erforderlich sind. Dadurch, dass die Durchlassöffnungen 154a, 154b (siehe Fig. 1 1 ) des Abtriebselementes 150 bei einer Drehbewegung T, T des Abtriebselementes 150 in den Bereich der Durchlassöffnungen 162a, 163a, 162b, 163b gelangen, wird bei der Drehbewegung T, T ein Durchlass geschaffen, durch den ein Fluid in die Räume W1 , W2 des Abtriebselements 150 geleitet und - bei Ausbildung als Verbrennungsmotor - nach Zündung wieder entfernt werden kann.
Die Durchlassöffnungen 162a, 163a, 162b, 163b sind so am Führungselement 160 angeordnet, dass sie die Bewegungsbahn der Durchlassöffnungen 154a, 154b des Abtriebselementes 150 abschnittsweise überdecken und die Bewegungsbahn abschnittsweise nachzeichnen. Die Durchlassöffnungen 162a, 163a sind hierbei dem Raum W2 und der Durchlassöffnung 154a des Abtriebselements 150 zugeordnet, während die Durchlassöffnungen 162b, 163b des Führungselementes 160 dem Raum W1 und der Durchlassöffnung 154b des Abtriebselements 150 zugeordnet sind. Fig. 12A zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie l-l gemäß Fig. 12D in einer Stellung des Abtriebselements 150, bei der der Raum W1 maximal verkleinert und der Raum W2 maximal vergrößert ist. Die dem Raum W1 zugeordnete Durchlassöffnung 154b des Abtriebselementes 150 befindet sich hierbei in einer oberen Position (siehe Fig. 12A), in der sie gerade zwischen den dem Raum W1 zugeordneten Durchlassöffnungen 162b, 163b des Führungselementes 160 angeordnet ist. Führt das Abtriebselement 150 nun eine Drehbewegung T um die Drehachse D aus, so gelangt die Durchlassöffnung 154b des Abtriebselementes 150 in den Bereich der Durchlassöffnung 163b am Führungselement 160, so dass der Durchlass zwischen Führungselement 160 und Abtriebselement 150 geöffnet ist und - zur Verwirklichung eines Einlassventils - ein Fluid in den Raum W1 geleitet werden kann.
Nach weiterer Drehbewegung T gelangt die Durchlassöffnung 154b schließlich aus dem Bereich der Durchlassöffnung 163b am Führungselement 160. Das Einlassventil ist damit geschlossen; ein Durchgang durch Führungselement 160 und Abtriebselement 150 hindurch besteht nicht mehr. Während des Einlassvorgangs hat sich der Raum W1 vergrößert und entsprechend der Raum W2 verkleinert. Nach Beendigung des Einlassvorgangs und weiterer Drehbewegung T um die Drehachse D verkleinert sich der Raum W1 nunmehr wieder, das darin befindliche Fluid wird verdichtet und kann gezündet werden, wenn sich die Durchlassöffnung 154b in einer unteren Position befindet (also entgegen gesetzt der in Fig. 12A gezeigten Position). Hierzu kann am Führungselement 160 eine Zündkerze oder andere Zündvorrichtung vorgesehen sein. Auch eine Selbstzündung ist möglich.
Durch die Zündung des Fluids wird das Abtriebselement 150 zur weiteren Drehbewegung T angetrieben; der Raum W1 vergrößert sich.
Nach Vergrößerung gelangt die Durchlassöffnung 154b in den Bereich der Durchlassöffnung 162b am Führungselement 160, das als Auslassventil dient. Bei weiterer Drehbewegung T bewegt sich die Durchlassöffnung 154b entlang der Durchlassöffnung 162b und schafft somit einen Durchgang, durch den das verbrauchte Fluid aus dem Raum W1 ausgelassen werden kann, analog wie dies von herkömmlichen Viertaktanordnungen bekannt ist.
Entsprechend läuft der Vorgang auch in dem zweiten Zylinder (Raum W2) der Vorrichtung 100 ab, wobei die entsprechenden Durchlassöffnungen 162a, 163a am äußeren Umfang des Führungselements 160 versetzt sind und dadurch der Vorgang phasenversetzt abläuft.
Entsprechend läuft weiterhin auch der Vorgang in einer weiteren Vorrichtung 100 ab, wenn mehrere Vorrichtungen 100 parallel zueinander angeordnet sind, wie dies Fig. 9 und Fig. 13 zeigen. Die Durchlassöffnungen am Führungselement 160 und am Abtriebselement 150 sind hierbei gerade so angeordnet, dass die einzelnen Einlass-, Verdichtungs-, Brenn- und Auslassvorgänge zueinander phasenversetzt sind, so dass im Betrieb während der Drehbewegung T, T in den vier Kammern W1 , W2 der Anordnung phasenversetzte Brennvorgänge stattfinden.
Wie aus Fig. 9 und Fig. 13 ersichtlich, sind die Abtriebselemente 150 der Vierzylinderanordnung so angeordnet, dass sie sich synchron entlang der Drehachse D bewegen, also im Betrieb der Anordnung sich nicht relativ zueinander verschieben. Bei anderer Anordnung und Ausgestaltung wäre auch möglich, dass die einzelnen Vorrichtungen 100 einer Vierzylinderanordnung im Betrieb relativ zueinander verschieblich sind und sich linear gegeneinander bewegen. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 9 bis 13 kann das als Hohlwelle ausgebildete Abtriebselement 150 mit einer am Führungselement 160 anliegenden Außenwand und einer mit den Kolbenelementen 122 zusammenwirkenden Innenwand ausgebildet sein, die beispielsweise über Stege miteinander verbunden sind und zwischen denen sich ein Hohlraum befindet. Im Betrieb der Vorrichtung 100 kann durch diesen Hohlraum, also zwischen den Wandungen der Hohlwelle hindurch, Luft oder ein anderes geeignetes Kühlmittel wie Wasser oder eine Kühlflüssigkeit zur Kühlung geleitet werden.
Ein Vorteil der Anordnungen gemäß Fig. 9 bis 13 ist, dass keine separaten Einlass- und Auslassventile mit zusätzlicher Steuerung und zusätzlichen Verschlussmechanismen vorgesehen werden müssen. Die Einlassventile und Auslassventile werden durch Durchlassöffnungen 162a, 163a, 162b, 163b und 154a, 154b gebildet und öffnen und verschließen sich selbsttätig bei Drehung des Abtriebselements 150.
Die vorangehend beschriebenen Vorrichtungen 100 sind als Verbrennungsmotoren beispielsweise in der Fahrzeugtechnik vorteilhaft einsetzbar, aber auch überall dort, wo Verbrennungsmotoren zum Antreiben von Bauteilen verwendet werden können. Die Vorrichtungen 100 können aber auch als Pumpen oder Kompressoren zur Förderung oder Verdichtung eines Fluid eingesetzt werden. Erfindungsgemäß sind das Kolbenelement 122 bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 und 2 sowie die Kolbenelemente 122 bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 3 bis 13 über eine (in den Figuren nicht im Einzelnen dargestellt) Einsteilvorrichtung in der axialen Position einstellbar. Die Einsteilvorrichtung kann hierbei grundsätzlich beliebig ausgestaltet sein, solange sie die Einstellbarkeit der Kolbenelemente 122 axial entlang der Drehachse D, D' relativ zu einem feststehenden Basisteil (bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 beispielsweise die Füße 121 ) ermöglicht.
Durch die axiale Einstellbarkeit des Kolbenelements 122 wird die Möglichkeit geschaffen, die Position des Kolbenelements 122 im Betrieb der Vorrichtung 100 relativ zu dem Abtriebselement 150 zu variieren. Die Einstellung der axialen Position des Kolbenelements 122 erfolgt hierbei auf quasistatische Weise im Vergleich zur Bewegung des Abtriebselements 150, das im Betrieb der Vorrichtung 100 mehrere hundert oder tausend Umdrehungen pro Minute ausführen kann. Durch die Einstellbarkeit des Kolbenelements 122 kann das Minimalvolumen und das Maximalvolumen des durch das Abtriebselement 150 und das Kolbenelement 122 begrenzten Raum W, W1 , W2 eingestellt werden und somit die Betriebsweise, insbesondere der Komprimierungsgrad eines Fluids in dem Raum W, W1 , W2, angepasst werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 100 ist in Fig. 14 bis 22 dargestellt. Die Vorrichtung 100 weist ein Abtriebselement 150 (siehe Fig. 16 und Fig. 21 A bis 21 C) auf, das in einem als zylindrische Hohlwelle ausgestalteten Führungselement 1 16 geführt ist. Das Abtriebselement 150 weist eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt auf und ist durch ein Hohlwellenelement 155 sowie beidseitig axial daran anschließende Endstücke 156a, 156b gebildet. Wie aus Fig. 21 A - 21 C ersichtlich, ist das Hohlwellenelement 155 hierbei über Formschlusselemente 159 in fester Weise mit den Endstücken 156a, 156b verbunden, so dass sich ein einheitliches Abtriebselement 150 ergibt.
Das Hohlwellenelement 155 des Abtriebselements 150 dient zur Ausbildung zweier Räume W1 , W2, die z. B. bei Ausgestaltung der Vorrichtung 100 als Verbrennungsmotor als Brennräume dienen. In die Räume W1 , W2 (siehe Fig. 21 B) ragt jeweils ein Kolbenelement 122 hinein, das über eine Welle 120 mit einer Halterung 121 verbunden und darüber an einem Basisteil 125 gehalten ist. Die Kolbenelemente 122 ragen hierbei von unterschiedlichen Seiten in das Hohlwellenelement 155 hinein, so dass sich im Inneren des Hohlwellenelements 155 zwei durch eine quer zur Drehachse D erstreckte Wand 153 des Abtriebselements 150 getrennte Räume W1 , W2 ergeben.
Das Abtriebselement 150 ist in dem Führungselement 160 geführt. Die Führung des Abtriebselements 150 in dem Führungselement 160 ist dabei - wie vorangehend bereits anhand der Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 1 bis 13 beschrieben - derart, dass eine lineare Hubbewegung des Abtriebselements 150 relativ zu den Kolbenelementen 122 von einer Drehbewegung des Abtriebselements 150 um die Drehachse D überlagert wird. Hierzu ist das Abtriebselement 150 mit dem Führungselement 160 aufgrund Wechselwirkung der Endstücke 156a, 156b mit zwei Führungsabschnitten 164a, 164b des Führungselements 160 zwangsgekoppelt.
Zur Herstellung der Zwangskopplung wirken die Endstücke 156a, 156b des Abtriebselements 150 über jeweils eine stirnseitig an den Endstücken 156a, 156b gebildete Führungskontur 157 mit jeweils einer stirnseitigen Führungskontur 164 der Führungsabschnitte 164a, 164b zusammen. Die Führungsabschnitte 164a, 164b sind fest mit dem Führungselement 160 verbunden und an einer inneren Wandung des als zylindrische Hohlwelle ausgestalteten Führungselements 160 angeordnet. Axial zwischen den Führungsabschnitten 164a, 164b ist das Abtriebselement 150 angeordnet derart, dass es über die Führungskonturen 157 der Endstücke 156a, 156b mit den Führungskonturen 164 der Führungsabschnitte 164a, 164b in Wechselwirkung ist.
Im Betrieb führt das Abtriebselement 150 eine periodische Hubbewegung entlang der Drehachse D relativ zu dem feststehend an dem Basisteil 125 angeordneten Führungselement 160 aus. Bei dieser periodischen Hubbewegung entlang der Drehachse D gleiten die Führungskonturen 157 der Endstücke 156a, 156b an den Führungskonturen 164 der Führungsabschnitte 164a, 164b entlang, so dass das Abtriebselement 150 in eine gleichzeitige, überlagerte Drehbewegung um die Drehachse D versetzt wird. In zwangsgekoppelter Weise führt das Abtriebselement 150 somit eine periodische Hubbewegung und eine überlagerte Drehbewegung um die Drehachse D aus.
Die Endstücke 156a, 156b tragen eine Innenverzahnung 158, deren Zähne axial entlang der Drehachse D gerichtet sind. Über die Innenverzahnung 158 steht das Endstück 156b mit einem Abtriebsrad 170 in Wirkverbindung derart, dass das Abtriebselement 150 axial zu dem Abtriebsrad 170 bewegbar ist, eine Drehbewegung des Abtriebselements 150 aber in synchroner Weise auf das Abtriebsrat 170 übertragen wird. Das Abtriebsrad 170 ist hierzu an der Welle 120 des Kolbenelements 122 drehbar gelagert und steht über eine Au ßenverzahnung 172 einer fest mit dem Abtriebsrad 170 verbundenen Kopplungshülse 171 mit der Innenverzahnung 158 des Endstücks 156b in Eingriff (siehe Fig. 19 sowie Fig. 20A bis 20D).
Über das Abtriebsrad 170 kann - bei Verwendung der Vorrichtung 100 als Verbrennungsmotor - die Drehbewegung des Abtriebselements 150 abgeleitet werden, um ein anzutreibendes Bauteil, beispielsweise Räder eines Fahrzeugs, anzutreiben. Ebenso ist denkbar, das Abtriebselement 150 - bei Verwendung der Vorrichtung 100 als Kompressor oder als Pumpe - über das Abtriebsrad 170 (das in diesem Fall als Antriebsrad fungiert) anzutreiben, um eine periodische Hubbewegung zur Komprimierung eines Fluids oder zum Bewirken eines Pumpvorganges zu erzeugen. Das Kolbenelement 122, das an seiner äußeren, zylindrischen Mantelfläche umlaufende Dichtungsringe 128 zur Abdichtung des zugeordneten Raums W1 , W2 trägt, ist wie gesagt über die Welle 120 mit einer Halterung 121 verbunden und über die Halterung 121 an dem Basisteil 125 gehalten. Die Halterung 121 ist hierbei, wie aus Fig. 19 ersichtlich, über Führungsstege 127 axial entlang der Drehachse D verstellbar an dem Basisteil 125 geführt und steht über einen Gewindeabschnitt 126 mit einem Außengewinde 182 einer Spindel 181 einer Einsteilvorrichtung 180 in Wirkverbindung (siehe Fig. 18B). Die Einsteilvorrichtung 180 dient zum Einstellen der axialen Position der Kolbenelemente 122. Die Einsteilvorrichtung 180 weist eine Spindel 181 (siehe Fig. 18B und Fig. 22) auf, die drehbar an dem Basisteil 125 gelagert ist. Die Spindel 181 weist hierzu Lagerabschnitte in Form von ringförmigen Stegen 183 auf, über die die Spindel 181 drehbar und dabei axial festgelegt an dem Basisteil 125 angeordnet ist.
Die Spindel 181 trägt an ihren beiden Enden ringförmige Stege 183, an denen Außengewinde 182 angeordnet sein können. An jeweils den äu ßeren beiden dieser ringförmigen Stege 183 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel Au ßengewinde 182 angeordnet, die jeweils einer Halterung 121 und darüber einem Kolbenelement 122 zugeordnet sind. Die Außengewinde 182 an den beiden Enden der Spindel 181 sind hierbei gegenläufig, so dass bei einer Drehbewegung der Spindel 181 in eine Drehrichtung S1 (siehe Fig. 22) sich ein gegenläufiges Verstellen der Halterungen 121 und darüber der Kolbenelemente 122 beispielsweise nach innen in eine Verstellrichtung S2 ergibt.
Die Spindel 181 trägt weiterhin einen Verzahnungsabschnitt 184, der mit einer Schneckenverzahnung 185 eines Betätigungsmittels in Form einer Kurbel 186 in Eingriff steht. Wird das Betätigungsmittel in eine Drehrichtung SO verdreht, so wird die Spindel 181 verdreht, und darüber werden die Kolbenelemente 122 in ihrer axialen Position verstellt.
Durch axiales Verstellen der Kolbenelemente 122 können das Minimalvolumen und das Maximalvolumen der Räume W1 , W2 im Betrieb der Vorrichtung 100 vorgegeben werden. Auf diese Weise kann der Komprimierungsgrad (entsprechend dem Verhältnis zwischen dem Maximalvolumen und dem Minimalvolumen) vorgegeben werden, um eine gewünschte Betriebsweise der Vorrichtung 100 einzustellen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind an den Kolbenelementen 122 jeweils eine Einspritzdüse 104 und eine Zündkerze 103 (siehe Fig. 20E) angeordnet, die zum Einspritzen eines Brennstoffs in den zugeordneten Raum W1 , W2 sowie zum Zünden des Brennstoffs in dem Raum W1 , W2 dienen. Die Vorrichtung 100 verwirklicht somit einen Verbrennungsmotor zur Erzeugung eines Drehmoments und zum Antreiben beispielsweise eines Fahrzeugs oder eines anderen zu verstellenden Bauteils oder Geräts, z.B. einer Maschine.
Zuleitungen zu der Zündkerze 103 und der Einspritzdüse 104 können jeweils in der dem jeweiligen Kolbenelement 122 zugeordneten Welle 120 verlegt werden und erstrecken sich dann in einer inneren, zentralen Bohrung 129 der zugeordneten Welle 120. Dies ermöglicht eine platzsparende, bauraumeffiziente Anordnung der Zündkerze und der Einspritzdüse sowie damit verbundener Zuleitungen. Grundsätzlich ist denkbar, an dem Kolbenelement 122 auch ein Einlassventil und ein Auslassventil zum Einlassen eines Fluids, beispielsweise Luft, und zum Auslassen eines Fluids, beispielsweise der Abgase nach erfolgter Verbrennung eines Brennstoffs, vorzusehen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind Einlassventile und Auslassventile für die Räume W1 , W2 jedoch durch Durchlassöffnungen 162a, 162b, 163a, 163b an dem Führungselement 160 verwirklicht, die bei der Bewegung des Abtriebselements 150 im Betrieb der Vorrichtung 100 phasenweise in Wirkverbindung mit Durchlassöffnungen 154a, 154b des Abtriebselements 150 (siehe Fig. 21 A - 21 C) treten. Die Durchlassöffnung 154a ist hierbei dem ersten Raum W1 zugeordnet und öffnet sich in diesen Raum W1 hinein. Die zweite Durchlassöffnung 154b hingegen ist dem zweiten Raum W2 zugeordnet und öffnet sich in diesen hinein. Bei der Bewegung des Abtriebselements 150 im Betrieb der Vorrichtung 100 fluchten die Durchlassöffnungen 154a, 154b phasenweise mit den Durchlassöffnungen 162a, 162b, 163a, 163b, die schlitzartig an dem Führungselement 160 ausgebildet sind. Die Durchlassöffnungen 162a, 162b sind hierbei beispielsweise der Durchlassöffnung 154b des zweiten Raums W2 zugeordnet und dienen zum Einlassen von Luft sowie zum Auslassen der Abgase nach dem Verbrennen des Brennstoffs in dem Raum W2. Entsprechend sind die Durchlassöffnungen 163a, 163b der Durchlassöffnung 154a des ersten Raumes W1 zugeordnet. Aufgrund der um 90° um die Drehachse D versetzten Anordnung der Durchlassöffnungen 154a, 154b an dem Abtriebselement 150 erfolgt das Einlassen und Auslassen des Fluids aus den Räumen W1 , W2 in phasenversetzter Weise derart, dass beim Einlassen von Fluid in den einen Raum gleichzeitig Fluid aus dem anderen Raum ausgelassen wird. Die Funktionsweise zum Einlassen von Luft und zum Auslassen von Abgasen sowie zum Zünden eines eingespritzten Brennstoffs ist grundsätzlich wie oben für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 bis 13 beschrieben.
Bezugszeichenliste
100 Vorrichtung
101 Einlassventil
102 Auslassventil
103 Zündkerze
104 Einspritzdüse
120 Welle
120a Abschnitt
121 Halterung
122 Kolbenelement
122a, 122b Abschnitt
123, 124 Bolzen
123a, 123b, 124a, 124b Bolzen
125 Basisteil
126 Gewindeabschnitt
127 Führungsstege
128 Dichtungsringe
129 Bohrung
150 Abtriebselement
151 , 151 a, 151 b Nut
152 Verzahnung
153 Wand
154a, 154b Durchlassöffnung
155 Hohlwellenelement
156a, 156b Endstück
157 Führungskontur
158 Innenverzahnung
159 Formschlusselemente
160 Führungselement
161 Fu ß
162a, 162b, 163a, 163b Durchlassöffnung
164a, 164b Führungsabschnitt
164 Führungskontur
170 Abtriebsrad
171 Kopplungshülse
172 Außenverzahnung 180 Einsteilvorrichtung
181 Spindel
182 Außengewinde
183 Ringförmige Stege
184 Verzahnungsabschnitt
185 Schneckenverzahnung
186 Betätigungsmittel
A Ausschnitt
C Bewegung
D, D' Drehachse
SO, S1 , S2 Verstellrichtung
T, T Drehbewegung
W, W1 , W2 Raum

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung (100) zum Erzeugen oder Wandeln eines Drehmoments, mit
- einem Basisteil (125),
- einem an dem Basisteil (125) angeordneten Kolbenelement (122) und
- einem relativ zum Kolbenelement (122) um eine Drehachse (D, D') drehbaren Abtriebselement (150), das derart mit dem Kolbenelement (122) zwangsgekoppelt ist, dass das Abtriebselement (150) im Betrieb der Vorrichtung (100) bei Antreiben des Abtriebselements (150) gleichzeitig eine Drehbewegung (T, T) um die Drehachse (D, D') und eine lineare Bewegung (C) in Form einer periodischen Hubbewegung axial entlang der Drehachse (D, D') ausführt, wobei das Kolbenelement (122) und das Abtriebselement (150) einen Raum (W, W1 , W2) begrenzen, dessen Volumen sich bei der linearen Bewegung (C) des Abtriebelementes (150) relativ zum Kolbenelement (122) periodisch verändert, gekennzeichnet durch eine Einsteilvorrichtung (180), mittels derer das Kolbenelement (122) axial entlang der Drehachse (D, D') in seiner axialen Position relativ zu dem Basisteil (125) einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Raums (W, W1 , W2) sich bei der linearen Bewegung des Abtriebselements (150) periodisch zwischen einem Minimalvolumen und einem Maximalvolumen ändert, wobei durch Einstellen der axialen Position des Kolbenelements (122) das Minimalvolumen und das Maximalvolumen verstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsteilvorrichtung (180) eine drehbar an dem Basisteil (125) angeordnete Spindel (181 ) aufweist, die zum Einstellen der axialen Position des Kolbenelements (122) mit dem Kolbenelement (122) in Wirkverbindung steht derart, dass bei einer Drehbewegung der Spindel (181 ) die axiale Position des Kolbenelements (122) entlang der Drehachse (D, D') verstellt wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (181 ) an zumindest einem Abschnitt (183) ein Außengewinde (182) trägt, das mit einem dem Kolbenelement (122) zugeordneten Gewindeabschnitt (126) in Eingriff steht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (186) über einen Verzahnungsabschnitt (184) mit einem Betätigungsmittel (186) in Eingriff steht und mittels des Betätigungsmittels (186) verdrehbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein in dem Raum (W, W1 , W2) befindliches Fluid bei einer Verkleinerung des Volumens des Raums (W, W1 , W2) aufgrund der linearen Bewegung (C) des Abtriebelementes (150) relativ zum Kolbenelement (122) komprimiert wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100, 100, 100) zur Erzeugung eines Drehmoments ausgebildet ist, wobei der Raum (W, W1 , W2) als Brennraum dient und aufgrund der Zwangskopplung eine angetriebene lineare Bewegung (C) des Abtriebselementes (150) relativ zum Kolbenelement (122) in eine Drehbewegung des Abtriebselementes (150) umgesetzt wird.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Kolbenelement (122) ein Einlassventil (101 ) und/oder ein Auslassventil (102) zum Einlassen und/oder Auslassen des Fluids angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Kolbenelement (122) eine Zündkerze (103) zum Zünden eines Fluids, eine Glühkerze und/oder eine Einspritzdüse (104) zum Einspritzen eines Fluids angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenelement (122) über eine axial entlang der Drehachse (D, D') erstreckte Welle (120) mit einer Halterung (121 ) verbunden und über die Halterung (121 ) an dem Basisteil (125) gehalten ist, wobei die Welle (120) eine Bohrung zur Anordnung einer oder mehrerer Zuleitungen für ein Einlassventil (101 ), ein Auslassventil (102), eine Zündkerze (103), eine Glühkerze und/oder einer Einspritzdüse (104) an dem Kolbenelement (122) aufweist.
1 1 . Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen der Zwangskopplung das Abtriebselement (150) an einem mit dem Basisteil (125) verbundenen Führungselement (160) geführt ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebselement (150) und/oder das Führungselement (160) eine Führungskontur (157, 164) aufweisen, die bei linearer Bewegung des Abtriebselements (150) entlang der Drehachse (D, D') das Abtriebselement (150) in eine Drehbewegung um die Drehachse (D, D') zwingt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement (160) als zylindrische Hohlwelle ausgestaltet ist, in der das zylindrisch ausgebildete Abtriebselement (150) geführt ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebselement (150) axial zwischen zwei an dem Führungselement (160) angeordneten Führungsabschnitten (164a, 164b) angeordnet ist, wobei jeder Führungsabschnitt (164a, 164b) an einer dem Abtriebselement (150) zugewandten Stirnseite eine Führungskontur (164) ausbildet, die mit einer zugeordneten Führungskontur (157) an einer Stirnseite des Abtriebselements (150) in Anlage ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Führungselement (160) ein Einlassventil zum Einlassen eines Fluids und/oder ein Auslassventil zum Auslassen eines Fluids angeordnet sind, die jeweils durch eine Durchlassöffnung (162a, 162b, 163a, 163b), die bei einer Drehbewegung (T, T) des Abtriebselementes (150) relativ zum Führungselement (160) mit einer zugeordneten Durchlassöffnung (154a, 154b) an dem Abtriebselement (150) in Wirkverbindung tritt, ausgebildet sind.
16. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebselement (150) zum Übertragen der Drehbewegung mit einem Abtriebsrad (170) in Wirkverbindung steht.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebsrad (170) an dem Basisteil (125) um die Drehachse (D, D') des Abtriebselements (150) drehbar gelagert ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebsrad (170) axial feststehend zu dem Basisteil (125) angeordnet und derart mit dem Abtriebselement (150) in Verbindung steht, dass das Abtriebsrad (170) axial bewegbar zu dem Abtriebselement (150) und zur Übertragung einer Drehbewegung drehfest mit dem Abtriebselement (150) gekoppelt ist.
19. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebselement (150) als zylindrische Hohlwelle ausgebildet ist, in die das Kolbenelement (10, 120, 120) eingreift.
20. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebselement (150) mit zwei Kolbenelementen (122) zusammenwirkt und zusammen mit den zwei Kolbenelementen (122) zwei Räume (W1 , W2) ausbildet.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Kolbenelement (122) zusammen mit dem Abtriebselement (150) einen ersten Raum (W1 ) und ein zweites Kolbenelement (122) zusammen mit dem Abtriebselement (150) einen zweiten Raum (W2) begrenzt, wobei bei der linearen Bewegung des Abtriebselements (150) entlang der Drehachse (D, D') sich die Volumen der Räume (W1 , W2) periodisch und entgegengesetzt zueinander ändern.
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