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Vorrichtung zur Umwandlung einer hin- und hergehenden Bewegung in
eine Drehbewegung und umgekehrt, insbesondere für Brennkraftmaschinen Die Erfindung
bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Umwandlung einer hin- und hergehenden Bewegung
in eine drehende Bewegung und umgekehrt, insbesondere für Brennkraftmaschinen, bei
der ein mit dem hin- und hergehenden Maschinenteil zusammenwirkender Hubverdränger
und ein mit dem sich drehenden Maschinenteil verbundener, sich drehender Verdränger
über ein hydraulisches Gestänge miteinander verbunden sind. Unter einem hydraulischen
Gestänge versteht man hierbei eine Flüssigkeitssäule, die in einer Verbindungsleitung
zwischen dem Zylinder eines Hubverdrängers und dem Gehäuse eines sich drehenden
Verdrängers im Takt der Bewegung des Hubverdrängerkolbens hin- und herschwingt.
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Bei den bisher bekannten Vorrichtungen der genannten Art, z. B. nach
der britischen Patentschrift 345 667 und nach der USA.-Patentschrift 2 658 486,
ist der sich drehende Verdränger mit einem exzentrisch zu der Welle dieses Verdrängers
gelagerten Drehkolben ausgerüstet. Dieser ist im allgemeinen als eine exzentrisch
auf der Abtriebswelle befestigte kreisförmige Scheibe ausgeführt. An deren Umfangsfläche
liegen zwei Dichtungselemente an, die in dem Verdrängergehäuse beweglich geführt
sind. Hierdurch wird das Innere des Verdrängergehäuses in zwei Räume unterteilt,
die bei allen Stellungen der Exzenterscheibe gegeneinander abgedichtet sind. In
einem dieser beiden Räume oder in jedem befindet sich eine Flüssigkeitssäule, die
als hydraulisches Gestänge bei jedem Umlauf der Exzenterscheibe einmal hin- und
herschwingt und so einen Doppelhub des betreffenden Hubverdrängerkolbens bewirkt.
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Nachteilig ist es hierbei, daß der Druck, den jeweils eine Flüssigkeitssäule
auf die Exzenterscheibe ausübt, die Lager der die Scheibe tragenden Welle belastet.
Wenn diese Lagerbelastung nicht größer sein soll als die Lagerbelastung, die bei
einem herkömmlichen Pleuel-Kurbel-Triebwerk bei gleicher Kolbenkraft auftritt, muß
die Exzentrizität der Scheibe so groß gewählt werden wie der Kurbelhalbmesser des
herkömmlichen Triebwerkes. Das bedeutet aber eine außerordentlich große Breitenausdehnung
des Verdrängergehäuses und damit ein überaus großes Gewicht des Gehäuses. Hierzu
trägt der Umstand bei, daß das Gehäuse wegen des Druckes der in ihm befindlichen
Flüssigkeit eine beträchtliche Wandstärke haben muß. Wenn andererseits zur Vermeidung
übermäßiger Gehäuseabmessungen die Exzentrizität der Scheibe kleiner ausgeführt
würde als der Kurbelhalbmesser des entsprechenden Pleuel-Kurbel-Triebwerkes, müßte
zur Erzielung des gleichen Drehmomentes die von der Flüssigkeit auf die Exzenterscheibe
wirkende Kraft erhöht werden. Man erhielte dann sogar eine größere Lagerbelastung
und demgemäß größere Lagerabmessungen als bei Anwendung des herkömmlichen Pleuel-Kurbel-Triebwerkes,
was sich wiederum in einer Erhöhung des Gesamtgewichtes der Maschine auswirken würde.
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In jedem Fall sind sonach alle bisher bekannten, mit einem hydraulischen
Gestänge arbeitenden Vorrichtungen zur Umwandlung einer hin- und hergehenden Bewegung
in eine drehende Bewegung mit dem Nachteil behaftet, daß sie schwerer sind und mehr
Platz beanspruchen als die herkömmlichen Pleuel-Kurbel-Triebwerke. Aus diesem Grund
hat sich die hydraulische Kraftübertragung insbesondere für große Schiffs-Dieselmotoren
gegenüber der bisherigen rein mechanischen Kraftübertragung bisher nicht durchsetzen
können, obwohl auf die theoretische Entwicklung hydraulischer Vorrichtungen der
genannten Art große Anstrengungen gerichtet worden sind.
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Besonders eingehende Untersuchungen auf diesem Gebiet sind in der
USA.-Patentschrift 2 658 486 behandelt, die verschiedene Ausführungsbeispiele für
Brennkraftmaschinen mit hydraulischer Kraftübertragung von jeweils zwei Zylindern
auf eine Exzenterscheibe in allen Einzelheiten zeigt. Diese Bauarten haben die Besonderheit,
daß an einem die Exzenterscheibe umgebenden Zylinder nicht nur die beiden obenerwähnten
Dichtungselemente, sondern außerdem - gegebenenfalls zeitweilig - zwei an dem Gehäuse
angelenkte Schilde anliegen. Diese bewirken,
daß bei der oberen
Totpunktlage jedes Kolbens, wenn der hohe Explosionsdruck auftritt, die Resultierende
aus dem Flüssigkeitsdruck auf die Exzenterscheibe mit einem möglichst großen Hebelarm
wirkt. Hierdurch wird aber nichts daran geändert, daß diese nicht ausgeglichene
Kraft eine große Belastung der Wellenlager verursacht.
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Die Nachteile der bekannten Bauarten werden durch die vorliegende
Erfindung vermieden. Diese besteht darin, daß bei einer Vorrichtung der eingangs
genannten Art die vom Hubverdränger geförderte Druckflüssigkeit in mindestens zwei
Teilströme aufgespalten ist, die auf den sich drehenden Verdränger, wie an sich
bei hydrostatischen Maschinen mit kontinuierlicher Förderung bekannt, derart einwirken,
daß sich die von der Druckflüssigkeit auf den sich drehenden Verdränger in radialer
Richtung wirkenden Druckkräfte gegenseitig aufheben. Dies bedeutet, daß erstmalig
die Umwandlung einer hin-und hergehenden Bewegung in eine zwangläufig von dieser
abhängige Drehbewegung ohne nennenswerte Lagerbelastung verwirklicht wird. Hierdurch
wird die hydrostatische Kraftübertragung für große Kolbenmaschinen erst praktisch
anwendbar, da - im Gegensatz zu den bisherigen Vorschlägen zur hydrostatischen Kraftübertragung
zwischen Kolben und Welle einer solchen Maschine - eine bedeutende Gewichtsersparnis
und eine erhebliche Verminderung des Platzbedarfs gegenüber den herkömmlichen Pleuel-Kurbel-Triebwerken
erzielt wird.
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Darüber hinaus bringt die Erfindung gegenüber den erwähnten bekannten
Bauarten noch den weiteren Vorteil, daß zwischen dem Hubverdränger und dem sich
drehenden Verdränger eine Untersetzung im Verhältnis von wenigstens 2:1 verwirklicht
wird. Wie erwähnt, ist bei den bekannten Vorrichtungen jeder Doppelhub des Hubverdrängerkolbens
mit einer vollen Umdrehung der Exzenterscheibe verbunden, was einem Obersetzungsverhältnis
1:1 entspricht. Hingegen ergibt sich bei einer Vorrichtung nach der Erfindung zwangläufig
eine Untersetzung, da der sich drehende Verdränger während eines Umlaufs das Hubvolumen
des Hubverdrängers zwei- oder mehrmals verdrängt. Wenn der sich drehende Verdränger
z. B. als elliptischer Drehkolben ausgeführt wird, ist jedem Doppelhub des Hubverdrängerkolbens
nur eine halbe Umdrehung des Drehkolbens zugeordnet, so daß sich eine Untersetzung
im Verhältnis 2:1 ergibt. Doch können durch entsprechende Gestaltung des sich drehenden
Verdrängers auch stärkere Untersetzungen erzielt werden. So kann einem Doppelhub
des Hubverdrängerkolbens ein Drehwinkel entsprechen, der beispielsweise gleich ist
360°, dividiert durch 2 oder eine größere ganze Zahl, z. B. 4, 6, 8, 10. Die Untersetzung,
die sonach zwangläufig mit der Anwendung der Erfindung verbunden ist, hat zur Folge,
daß die Maschinenzylinder nur für ein entsprechend kleines Hubvolumen bemessen werden.
Dieses ist nur ein Bruchteil, und zwar höchstens die Hälfte des Hubvolumens einer
Kolbenmaschine mit einem herkömmlichen Pleuel-Kurbel-Triebwerk oder mit einem eine
Exzenterscheibe aufweisenden hydrostatischen Triebwerk, wobei gleiches Abtriebsmoment
und gleicher mittlerer indizierter Druck vorausgesetzt sind. Die erfindungsgemäß
ohne Anwendung eines mechanischen Getriebes erzielte Untersetzung ist vor allem
bei niedrigen Abtriebsdrehzahlen von großer Bedeutung. Man gewinnt also durch die
Erfindung in doppelter Hinsicht eine Verminderung der Abmessungen und eine Gewichtsersparnis:
einmal, weil das hydrostatische Gestänge zur Umwandlung einer hin- und hergehenden
Bewegung in eine drehende Bewegung ohne nennenswerte Lagerbelastung arbeitet, und
zum andern, weil ohne Anwendung eines mechanischen Getriebes eine Untersetzung zwischen
dem Hubverdränger und dem sich drehenden Verdränger erzielt wird.
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Aus dem Buch von Dr.-Ing. Hans Krug, »Flüssigkeitsgetriebe bei Werkzeugmaschinen«,
1959, A b b. 44 b und 44 f auf den S. 89 und 90, sind Flügelpumpen bekannt, deren
umlaufende Teile druckentlastet sind. Hierbei sind nämlich der Flüssigkeitszufluß
und der Abfluß in je zwei Teilströme aufgespalten, die auf den umlaufenden Pumpenteil
derart einwirken, daß sich die von der Druckflüssigkeit auf den umlaufenden Pumpenteil
in radialer Richtung wirkenden Druckkräfte gegenseitig aufheben. Doch strömt bei
diesen Pumpen die Flüssigkeit unter Vermittlung eines Zufiußstutzens und eines Abflußstutzens
in einem stetigen Strom durch das Pumpengehäuse hindurch. Es handelt sich also nicht
wie beim Erfindungsgegenstand darum, daß immer nur ein und dieselbe Flüssigkeitsmenge
als hydraulisches Gestänge zwischen einem Hubverdränger und einem sich drehenden
Verdränger hin- und herschwingt.
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Gegenüber diesen Pumpen mit Druckausgleich ist die Erfindung aber
nicht nur neu, sondern auch fortschrittlich.
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Hierbei ist zu berücksichtigen, daß die Anwendung des Druckausgleichs
bei Pumpen und hydrostatischen Motoren mit stetig durch das Gehäuse fließendem Flüssigkeitsstrom
auch schon durch Veröffentlichungen aus dem Anfang des Jahrhunderts bekanntgeworden
ist. Hierzu sei beispielsweise auf die Pitt-Ier-Maschine mit kreisendem Kolben verwiesen,
die in der Zeitschrift des Vereins deutscher Ingenieure vom Jahre 1906 auf
den Seiten 1066 ff. sowie in der deutschen Patentschrift 229 667 aus dem Jahre 1911
behandelt worden ist. Jedoch sind durch das Bekanntsein derartiger Maschinen seit
einem halben Jahrhundert die Fachleute, die sich darum bemüht haben, das Pleuel-Kurbel-Triebwerk
von Kolbenmaschinen durch eine hydrostatische Kraftübertragung zu ersetzen, nicht
zu der Lösung nach der Erfindung gelangt. Vielmehr ist man auf diesem Gebiet trotz
vielseitiger und gründlicher Entwürfe, wie sie z. B. die erwähnte britische Patentschrift
345 667 offenbart, nicht über den Entwicklungsstand nach der USA.-Patentschrift
2 658 486 hinausgekommen. Diese Patentschrift zeigt zwar in allen Einzelheiten durchgearbeitete
Bauformen von Kolbenmaschinen mit hydrostatischer Kraftübertragung, doch wird hiermit
im Endergebnis keine brauchbare Lösung erzielt, weil die betreffenden Maschinen,
wie erwähnt, sogar größere Abmessungen und Gewichte haben als die herkömmlichen
Maschinen mit rein mechanischer Kraftübertragung.
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Diese Fehlentwicklung beruht offenbar darauf, daß die Konstrukteure
in der Vorstellung befangen blieben, daß bei einer hydrostatischen Kraftübertragung
zwischen Kolben und Welle ebenso wie bei dem herkömmlichen Pleuel-Kurbel-Triebwerk
einem Doppelhub des Kolbens immer eine volle Umdrehung der Abtriebswelle zugeordnet
sein müsse. Man hielt daher an der Exzenterscheibe zur Bildung des hydraulischen
Gestänges
fest, womit die obenerwähnten schweren Nachteile verbunden sind. Dieses Vorurteil
mußte durch die Erfindung erst überwunden werden. Auf jeden Fall haben die altbekannten
Pumpen und Motoren mit stetigem Flüssigkeitsstrom, obwohl sie schon einen Ausgleich
des Flüssigkeitsdruckes aufweisen, der Fachwelt keine Anregung zu der Lösung nach
der Erfindung gegeben, durch die erst das Problem der hydrostatischen Kraftübertragung
zwischen Hubverdränger und dem sich drehenden Verdränger befriedigend gelöst und
damit ein erheblicher technischer Fortschritt gegenüber der Anwendung von Pleuel-Kurbel-Triebwerken
erzielt worden ist.
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Bei einer Vorrichtung nach der Erfindung werden durch geeignete Formgebung
eines Drehkolbens und des zusammen mit diesem den sich drehenden Verdränger bildenden
Gehäuses sowie durch Verwendung von Dichtungselementen Druckkammern gebildet, in
die bzw. aus denen beim Umlaufen des Drehkolbens wechselweise Druckflüssigkeit einströmt
und verdrängt wird. Hierbei sind diejenigen Druckkammern, die jeweils mit dem Druckraum
ein und desselben Hubverdrängers verbunden sind, so daß in ihnen jeweils gleicher
Druck herrscht, radial einander gegenüber oder in den Ecken eines gleichseitigen
Vielecks angeordnet. Durch die Wahl einer entsprechenden Zahl von Druckkammern kann
man erreichen, daß jedem einfachen Hub des Hubverdrängers eine Drehung des sich
drehenden Verdrängers um einen entsprechenden Bruchteil von 360° zugeordnet ist.
Die Zuführungsleitungen zu den Druckkammern werden zweckmäßig in dem Maschinenteil
untergebracht, das auch die die Druckkammern bildenden Dichtungselemente aufnimmt.
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Die Hubverdränger können in einfachster Form als zylindrische Hubkolben
oder als Plunger ausgebildet sein. In der Gestaltung der sich drehenden Verdränger
bestehen vielfältige Möglichkeiten. Beispielsweise können Drehkolben Verwendung
finden, die als kreisrunde, scheibenförmige Rotoren in einem elliptischen Raum umlaufen
und bei denen die Abdichtung der einzelnen Druckkammern durch Dichtungselemente
bewirkt wird, die sich unter Feder-und/oder Flüssigkeitsdruck radial in Schlitzen
verschieben, welche in dem Rotor vorgesehen sind.
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Eine Vorrichtung nach der Erfindung kann beispielsweise so ausgeführt
werden, daß mehrere parallel. nebeneinander wirksam werdende Hubverdränger auf einen
sich drehenden Verdränger einwirken. Es ist aber auch möglich, daß ein Hubverdränger
mit mehreren sich drehenden Verdrängern in Wirkungsverbindung steht.
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Nach einem weiteren Schritt der Erfindung sind die Druckkammern, aus
denen die vom Hubverdränger verdrängte Druckflüssigkeit auf den sich drehenden Verdränger
einwirkt, in dem diesen umgebenden Gehäuse derart einander gegenüber angeordnet
und mit dem Hubverdränger verbunden, daß die auf den sich drehenden Verdränger einwirkenden,
axialen Druckkräfte sich gegenseitig aufheben. Das ist insbesondere von Bedeutung,
wenn die Druckkammern durch Ausnehmungen in Seitenwänden des Gehäuses und durch
in axialer Richtung verschiebbare Dichtungselemente gebildet werden.
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Zwecks Umschaltung der Drehrichtung des sich drehenden Verdrängers
können Mittel zum Umschalten der Verbindungskanäle zwischen den auf den sich drehenden
Verdränger arbeitenden Hubverdrängern und den Druckkammern im Drehkolbengehäuse
vorgesehen sein.
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Es können auch Mittel zum Ablassen der Druckflüssigkeit angewendet
werden. Dann kann die Vorrichtung als Schaltkupplung dienen, weil nach dem Ablassen
der Flüssigkeit die Kraftübertragung zwischen dem hin- und hergehenden und dem sich
drehenden Maschinenteil entfällt. Die einzelnen Druckkammern, die wechselweise unter
verschiedenen Drücken stehen, werden gegeneinander durch Dichtungselemente abgedichtet,
die auf der Stirnfläche oder auf den Seitenflächen des den sich drehenden Verdränger
bildenden Drehkolbens oder auf der inneren Stirnfläche oder den Seitenflächen des
Drehkolbengehäuses gleiten. Die . Dichtungselemente können derart von der Druckflüssigkeit
beaufschlagt werden, daß sie durch den Flüssigkeitsdruck an die Dichtfläche angepreßt
werden. Wenn mehrere Hubverdränger einen sich drehenden Verdränger beaufschlagen,
können Leckverluste teilweise dadurch ausgeglichen werden, daß die Leckflüssigkeit
des einen Systems in das andere System eindringt.
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Als Kraftübertragungsmittel kann jede beliebige Flüssigkeit, vorzugsweise
Öl und -Glyzerin Verwendung finden. Die Flüssigkeit soll gute Schmiereigenschaften
haben, damit gleichzeitig sämtliche bei der Vorrichtung nach der Erfindung bewegten
Teile ohne besonderes Zutun 'geschmiert werden. Das flüssige Kraftübertragungsmittel
ist auch geeignet, die in der Vorrichtung etwa erzeugte Wärme abzuführen. In Fällen;
in denen es erforderlich ist, verhältnismäßig große Wärmemengen abzuleiten; muß
an beliebigen Stellen für ausreichende Kühlring gesorgt werden.
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Die Erfindung gibt im übrigen dem Konstrukteur weitgehende Freiheit
in der Anordnung von hin-und hergehenden und sich drehenden Maschinenteilen. Dabei
ist es durch entsprechende Formgebung des sich drehenden Verdrängers und des ihn
aufnehmenden Gehäuses möglich, den die Drehbewegung abgebenden Teil der Vorrichtung
dem Verlauf der auf den hin- und hergehenden Teil einwirkenden Kräfte anzupassen
und auf diese Weise günstigste Geschwindigkeitg- und Beschleunigungsverhältnisse
zu erzielen.
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Die Zeichnung zeigt Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes,
und zwar zeigt F i g. 1 eine einzylindrische Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung
zur Umwandlung der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung
nach dem ersten Ausführungsbeispiel in einem Schnitt nach der Linie I-I in F i g.
2, F i g. 2 den Schnitt nach der Linie II-11 in F° i g. 1, F i g. 3 einen Querschnitt
durch einen sich drehenden Verdränger nach dem zweiten Ausführungsbeispiel nach
der Linie 111-HI in F i g. 4, F i g. 4 den Schnitt nach der Linie IV-IV in F i g.
3, F i g. 5 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung nach dem dritten Ausführungsbeispiel
nach der Linie V V V in F i g. 6, F i g. 6 den Schnitt nach der Linie VI-VI in F
i g. 5, F i g. 7 einen Querschnitt durch den sich drehenden Verdränger einer Vorrichtung
nach dem vierten Ausführungsbeispiel nach der Linie VII-VII in F i g. 8, F i g.
8 den Schnitt nach der. Linie VIII-VIII in F i g. 7 und , . -:
F
i g. 9 die Abwicklung eines Zylinderschnittes der mit dem Radius r in F i g. 8 durch
den sich drehenden Verdränger nach F i g. 7 und 8 gelegt ist.
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Bei der in F i g. 1 und 2 dargestellten Brennkraftmaschine ist mit
1 der Zylinder bezeichnet, der oben durch den Zylinderdeckel 2 abgeschlossen ist
und in dem der Hubkolben 3 gleitet. Dieser besitzt einen als Plunger ausgebildeten
Ansatz 4, der in das Plungergehäuse 5 eintaucht. Der Ringspalt zwischen dem Ansatz
4 des Hubkolbens 3 und dem oberen Teil des Plungergehäuses 5 ist durch eine Stopfbüchse
6 abgedichtet, die eine Dichtung 7 gegen die entsprechenden Dichtungsflächen anpreßt.
Im Raum unterhalb des Hubkolbens 3 befinden sich in der Wandung des Zylinders 1
Öffnungen 8, die der Be- und Entlüftung des Zylinderraumes unterhalb des Hubkolbens
3 beim Auf- und Abgang des Kolbens dienen. Der Innenraum 9 des Plungergehäuses 5,
in dem sich eine Druckflüssigkeit befindet, steht über eine Leitung 10 und zwei
Zweigleitungen 11, 12 mit Kanälen 13 und 14 bzw. 15 und 16 in einem Drehkolbengehäuse
17 in Verbindung. In diesem ist der Drehkolben 18 gelagert, der mit einem Keil 19
auf der Abtriebswelle 20 befestigt ist. Der Drehkolben 18 hat im Querschnitt eine
etwa elliptische Form und gleitet mit seinen Flächen 21, die Teile einer kreiszylindrischen
Fläche sind, auf der hohlzylindrischen Innenfläche des Drehkolbengehäuses 17. Zwischen
den abgeplatteten Seitenflächen 22 des Drehkolbens 18 und der Innenfläche des Drehkolbengehäuses
17 befinden sich im Querschnitt sichelartige freie Räume, die beim Umlauf des Drehkolbens
wechselweise mit den Kanälen 13, 14 bzw. 15, 16 in Verbindung kommen. Der Drehkolben
18 wirkt ferner mit den Dichtungselementen 25, 26, 27 und 28 zusammen,
die gegen den Druck von Federn 29, 30, 31, 32 in im Gehäuse 17 eingearbeiteten Schlitzen
33, 34, 35 und 36 radial verschieblich gelagert sind. Durch diese Dichtungselemente
werden die sichelartigen Räume in je zwei Teile unterteilt, von denen einer, 23
bzw. 24, eine Druckkammer bildet und mit den Kanälen 13, 14 bzw. 15, 16 in Verbindung
steht. In den Druckkammern 23, 24 wird daher der Druck der Druckflüssigkeit periodisch
wechselnd wirksam.
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Die Dichtungselemente 25, 26, 27 und 28 sind mit Kanälen versehen,
durch die ein Teil der in den Druckkammern befindlichen Druckflüssigkeit in die
Schlitze 33, 34, 35 und 36 fließen kann. Seitlich ist das Drehkolbengehäuse
17 mit Deckeln 38, 39 abgeschlossen, die durch nicht dargestellte
Zuganker mit dem Drehkolbengehäuse 17 fest verbunden sind und deren Stirnflächen
40, 41 mit den seitlichen Stirnflächen des Drehkolbens 18 nur so viel Laufspiel
bilden, daß der Drehkolben 18 frei umlaufen kann. Durch Wahl entsprechender Passungen
kann erreicht werden, daß an diesen Flächen eine so weitgehende Dichtung hergestellt
wird, daß nennenswerte Flüssigkeitsverluste nicht auftreten. Erforderlichenfalls
können zusätzlich Dichtungsmittel vorgesehen werden. Die Abtriebswelle
20 ist im übrigen nach außen durch Stopfbüchsen 42, 43 mit Dichtungen
44, 45 abgedichtet. Zur Erhöhung der Schwungmasse ist auf der Abtriebswelle
20 eine Schwungscheibe 46 angebracht.
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Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist folgende: Beim Arbeitshub
der Brennkraftmaschine bewegt sich der Hubkolben 3 und mit ihm der plungerartige
Ansatz 4 nach unten, wobei der Ansatz 4 die im Innenraum 9 des Plungerzylinders
befindliche Druckflüssigkeit über die Leitung 10, 11 und 12 in die
Kanäle 13, 14 bzw. 15, 16 verdrängt. Der hydrostatische Druck der Druckflüssigkeit
wirkt nun auf den Drehkolben 18 und setzt ihn im Sinne des Pfeiles in Drehung.
Hat nun der Drehkolben 18
eine Drehung von 90° vollendet, sind die Dichtungselemente
25 und 27 gegen den Druck der Federn 29 und 31 radial in die zugehörige Schlitze
33 und 35 im Gehäuse 17 hineingeschoben, so daß die zylindrische Fläche 21
des Drehkolbens 18 mit der Innenfläche des Gehäuses 17 abschließt. Gleichzeitig
sind die Dichtungselemente 26 und 28 in radialer Richtung aus den zugehörigen Schlitzen
34 und 36 des Gehäuses 17 herausgetreten. Bei der weiteren Drehung des Drehkolbens
18 wird das in den Druckkammern 23, 24 befindliche Öl in den Innenraum
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des Plungerzylinders gedrückt. Damit wird der plungerartige Ansatz 4 und
mit ihm der Kolben 3 der Brennkraftmaschine in die Ausgangsstellung zurückgeführt.
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Der Rauminhalt der Druckkammern 23, 24 im Drehkolbengehäuse
17 muß, wenn er vollkommen gefüllt ist, d. h. wenn der Kolben 3 und der plungerartige
Ansatz 4 den unteren Totpunkt erreicht haben, gleich dem aus dem Plungerzylinder
5 verdrängten Flüssigkeitsvolumen sein. Ist aus den Druckkammern 23, 24 nach
einer Drehung des Drehkolbens um 135° gegenüber der in F i g. 1 dargestellten Stellung
die gesamte Druckflüssigkeit wieder in den Innenraum 9 des Plungerzylinders zurückgefördert,
so muß der Kolben 3 den oberen Totpunkt erreicht haben. Einer Umdrehung des Drehkolbens
18 entsprechen bei dieser Ausgestaltungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung
also zwei volle Hin-und Hergänge des Hubkolbens 3.
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Wie für alle hydrostatischen Antriebe gilt auch bei der Vorrichtung
nach der vorliegenden Erfindung bei Vernachlässigung der Strömungs- und Reibungsverluste,
daß in jedem Augenblick für das durch den Kolben 3 im Zylinder 1 bestrichene Hubvolumen,
für das durch den plungerartigen Ansatz 4 im Plungerzylinder 5 bestrichene Hubvolumen
und für das vom Drehkolben jeweils gebildete und zugeordnete Volumen der Druckräume
im Drehkolbengehäuse das Integral aus der über dem Volumen aufgetragenen Druckfunktion
das gleiche sein muß. Strömungs-, Reibungs- und Leckverluste bestimmen den Wirkungsgrad
einer Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
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Bei der in F i g. 3 und 4 dargestellten Ausführungsform des sich drehenden
Verdrängers einer Vorrichtung nach der Erfindung läuft ein kreisrunder Drehkolben
47 in einem Innenraum des Drehkolbengehäuses 48 um, der im Querschnitt eine
ovale Form hat. In den auf der Antriebswelle 49 aufgeschrumpften Drehkolben
47 gleiten in Schlitzen 50, 51, 52, 53 in radialer Richtung Dichtungselemente
54, 55, 56 und 57, die sich auf dem Drehkolben über nicht dargestellte
Federn abstützen.
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Die Dichtungselemente 54, 55, 56 und 57 teilen die sich zwischen dem
im Querschnitt ovalen Innenraum des Drehkolbengehäuses 48 und dem kreiszylindrischen
Drehkolben 47 bildenden sichelartigen Druckkammern 58 und 60 über die Bohrungen
67 und 68, den Ringkanal 69 und den Kanal 70 mit einem zweiten, nicht
dargestellten Hubverdränger in
Hohlräume in vier Druckkammern, von
denen die Druckkammern 59 und 61 über die Bohrungen 62 und 63, den Ringkanal 64
und den Kanal 65 mit einem nicht dargestellten Hubverdränger und die Verbindung
stehen. Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist die gleiche wie die der in F i
g. 1 und 2 dargestellten Vorrichtung.
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Bei der in F i g. 5 und 6 dargestellten Ausführungsform der Erfindung
wirken ebenfalls zwei Hubverdränger auf einen Drehkolben ein. Bei der dargestellten
Zweizylinderbrennkraftmaschine gleitet in dem Zylinder 71 der Kolben 72 und in dem
Zylinder 73 der Kolben 74. Dabei ist der Kolben 72 mit dem in deni Druckzylinder
75 gleitenden Hubkolben 76 und der Kolben 74 mit dem in dem Druckzylinder 77 gleitenden
Hubkolben 78 verbunden, die ihrerseits auf einen Drehkolben 79 wirken. Dabei hat
der Kolben 72 des Zylinders 71 den unteren Totpunkt erreicht, während der Kolben
74 im oberen Totpunkt angelangt ist. Die Druckräume 80 und 81 der Zylinder
75 und 77 stehen über Leitungen 82 und 83 und die Zweigleitungen 84, 85 bzw. 86,
87 mit den Zuführungskanälen 88,-89 bzw. 90, 91 des Drehkolbengehäuses 92 in Verbindung.
Der Drehkolben 79 läuft in einem kreiszylindrischen Innenraum des Drehkolbengehäuses
92 um. Er ist auf der Abtriebswelle 93 zentrisch gelagert und mit einem Keil 94
befestigt. Der Drehkolben 79 hat eine Gestalt, die der des in F i g. 1 und 2 dargestellten
Drehkolbens 18 entspricht, und wirkt mit vier jeweils um 90° zueinander versetzten
Dichtungselementen 95, 96, 97 und 98 zusammen, die in entsprechenden Schlitzen im
Gehäuse 92 radial zum Drehkolben 79 durch den Druck von Federn 99 und den diesen
Druck überlagernden Flüssigkeitsdruck der durch nicht dargestellte Kanäle in die
erwähnten -Kammern gelangenden Druckflüssigkeit gegen die Umfangsfläche des Drehkolbens
angedrückt werden. Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 und 2 ist das Drehkolbengehäuse
seitlich durch Deckel 100, 101 abgeschlossen, die durch nicht dargestellte
Spannschrauben mit dem Gehäuse 92 verbunden sind. Die Abtriebswelle 93 ist,
gegen das Innere des Gehäuses durch Stopfbüchsen 102, 103 und Dichtungen 104 und
105 abgedichtet. Eine Schwungscheibe 106 auf der Antriebswelle 93 dient zur Aufrechterhaltung
des notwendigen Gleichförmigkeitsgrades des Drehkolbens 79.
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Bei der in F i g. 5 und 6 gezeigten Stellung des Drehkolbens 79 und
der Hubkolben 76 und 78 ist die vom Hubkolben 76 verdrängte Druckflüssigkeit in
die mit den Zuführungskanälen 88 und 89 verbundenen Druckkammern gefördert worden,
während die Druckflüssigkeit aus den mit den Kanälen 90 und 91 verbundenen Druckkammern
über die Zweigleitungen 86 und 87 und die Leitung 83 in den
Druckraum 81 des Zylinders 77 verdrängt worden ist. Das Volumen der Druckkammern
entspricht dabei dem durch die Hubkolben verdrängten Hubvolumen.
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Dreht sich beispielsweise infolge der in der Schwungscheibe 106 gespeicherten
Energie der Drehkolben 79 im Sinne des Pfeiles weiter, so wird die Druckflüssigkeit
aus den mit den Zuführungskanälen 88 und 89 verbundenen Druckkammern an den Dichtungselementen
96 und 98 abgestreift und in den Hubzylinder 75 zurückgedrückt. Gleichzeitig wird
beim Abwärtshub des Hubkolbens 78 Druckflüssigkeit aus dem Zylinder 77 in die mit
den Zuführungskanälen 90 und 91 verbundenen, nunmehr um 90° verdreht sich bildenden
Druckkammern gedrückt. Nach einer Drehung des Drehkolbens 79 um 90° ist das gesamte
,Hubvolumen des Zylinders 77 in diese Druckkammern eingetreten. Dabei steht der
Hubkolben 78 im unteren und' der Hubkolben 76 im oberen Totpunkt. ° Diese Ausführungsform
der", Erfindung hat den Vorteil, daß Flüssigkeitsverluste, ,die durch unvollständige
Abdichtung des Tretkolbens 79 entstehen, beispielsweise aus, dem Systeri.des Hubkolbens
76 nur in das Systemdes Hübkoltieus.78 gelangen können, und umgekehrt. Da die' 'beiden
Zylinder 75 und 77 einem Drehkolben zugeordnet sind, werden, die Leckverluste für
beide. Z#tridereinheiten praktisch die gleichen sein und sich, gbgenseitig weitgehend
ausgleichen. ' In Fällen; in" `denen eine verhältnismäßig .große Erwärmung der Druckflüssigkeit
erfolgt, können die Zylinder 75 und 77 oder die'Lciturigen 82 und 83 mit Kühleinrichtun.versehdn
sein.
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Auch kann der Drehkolben, , und/oder das Drehkolbengehäuse 92 eine
besondere. Kühleinrichtung besitzen. In manchen Fället Xä, es zur Erzielung einer
verlustarmen Bauart der gesäiriten Vorrichtung zweckmäßig sein, die Hubverdränger
auch in das Gehäuse des sich drehenden Verdrängers einzubauen, um möglichst kurze'
u4d damit verlustarme Verbindungsleitungen zwischen' den Hubverdrängern und dem
sich drehenden Verdränger zu erhalten. Als Druckflüssigkeit 'wird zwecäßiig öl oder
eine sonstige Flüssigkeit mit güteriSchmiereigenschaften gewählt, wobei die Kotnpressibihtät
der Druckflüssigkeit und zur Verringerung, der hin- und hergehenden Massen' auch
das spezifische Gewicht möglichst klein sein -soll.
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Die bisher beschriebenen Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes
sind so ausgebildet, daß sich die Hohlräume in den Schlitzen;" die in dem Drehkolbengehäuse
oder dem Drehkolben angebracht sind und sich hinter den Dichtungselementen bilden,
beim Herausgleiten der Dichtungselemente aus diesen Schlitzen vergrößern `und mit
Druckflüssigkeit füllen. Dadurch geht aber ehi,'"Teil .des Flüssigkeitsvolumens,
das zur Arbeitsleistung von den Hubkolben verdrängt wird, zur Leistung von Nutzarbeit
verloren, wodurch ;der Wirkungsgrad ungünstig .beeinflußt wird. Diese ung'ünstige
Wirkungsgradbeeinflussung wird bei dem'in F i g'.: 7, 8 und 9 dargestellten Ausführungsbeispiel
des hrehkolbenteiles einer Vorrichtung nach der Erfindung vermieden.
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In diesen Figuren ist mit 107 das Drehkolbengehäuse bezeichnet,
das auf der Innenseite radial angeordnete Einfräsungen 10K'besitzt, in denen je
zwei Dichtungselemente 109, 110 gleiten. Diese Dichtungselemente gleiten aber bei
diesem Ausführungsbeispiel nicht in radialer Richtung, sondern in axialer Richtung
des Drehkolbens: Der Drehkolben besteht äus zwei Teilen 111 und 112, die durch nicht
dargestellte Zuganker fest miteinander verbunden und auf der Welle 113 mit einer
Paßfeder 114 befestigt sind. In die Teile 111 und 112 des Drehkolbens sind Taschen
eingefräst, und zwar in der Weise, daß der axiale Abstand der senkrecht zur Achse
stehenden Begrenzungswandung dieser Taschen von der gegenüberliegenden Wandung jeweils
gleich groß ist. Die in axialer Richtung
im Drehkolbengehäuse 107
verschieblich angeordneten Dichtungselemente 109, 110 passen genau zwischen
die beiden zur Achse senkrechten Begrenzungsflächen der eingefrästen Taschen. Bei
einem Umlauf des Drehkolbens 111 und 112 sind die Dichtungselemente durch die aus
den Taschen gebildeten Führungen gezwungen, in axialer Richtung hin und her zu gleiten.
Dabei wird die Bewegung der Dichtungselemente nicht durch eine Federkraft eingeleitet
und zusätzlich noch durch den Flüssigkeitsdruck hervorgerufen, sondern lediglich
durch die Gestaltung der Führungsbahnen beim Umlauf des Drehkolbens herbeigeführt.
Wie aus der in F i g. 9 dargestellten Abwicklung eines Zylinderschnittes durch den
Drehkolben ersichtlich ist, werden auch hier zwischen dem Drehkolbengehäuse 107,
dem Drehkolben 111, 112 und den Dichtungselementen 109, 110 Druckkammern 116, 117
gebildet, in die die Druckflüssigkeit eines nicht dargestellten Hubverdrängers einströmt
und aus der nach beendetem Arbeitshub infolge der Weiterbewegung des Drehkolbens
die Druckflüssigkeit wieder zurückgedrückt wird. Dabei sind die Druckkammern 116
immer gleichzeitig mit der Druckflüssigkeit eines Hubverdrängers und die benachbarten
Druckkammern 117 mit der eines anderen Hubverdrängers beaufschlagt, wodurch wieder
erreicht werden kann, daß Leckverluste weitgehend ausgeschaltet werden. Auf derart
ausgebildete sich drehende Verdränger können sowohl zwei als auch mehrere Hubverdränger
einwirken.
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Das Drehkolbengehäuse 107 ist ebenfalls mit Deckeln 118, 119
geschlossen, die durch nicht dargestellte Zuganker mit diesem derart verbunden sind,
daß sie an den Dichtungsflächen 120, 121 vollkommen dichten, dem Drehkolben 111,
112 jedoch Irin ausreichendes Laufspiel belassen. Gegenüber dem Drehkolbengehäuse
107 muß aber auch der Drehkolben 111, 112 selbst ein möglichst kleines Laufspiel
mit ausreichender Dichtungswirkung haben.
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Während man beim mechanischen Kurbeltrieb in bezug auf den Verlauf
der Geschwindigkeit und der Beschleunigung des Hubgliedes und des Pleuels des Kurbeltriebes
durch das sogenannte Stangenverhältnis, d. h. durch das Verhältnis der Länge des
Pleuels zum Hub des hin- und hergehenden Teils festgelegt ist, kann man bei den
Ausführungsformen von Drehkolben und Drehkolbengehäusen durch die Formgebung der
Druckkammern oder Taschen die Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverhältnisse
bei einer Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung in gewissen Grenzen willkürlich
ändern. Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 7 bis 9 unterliegt der Ablauf der
Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverhältnisse allerdings einem gewissen Zwang,
weil die in das Drehkolbengehäuse 107 eingefrästen Taschen nicht nach einer sinusförmigen
Kurve verlaufen und weil aus konstruktiven Gründen die Spitzen des Kurvenverlaufes
abgeschnitten sind. Es wäre aber beispielsweise möglich, den in das Drehkolbengehäuse
107 eingefrästen Taschen annähernd die Form einer Sinuskurve zu geben, wenn die
Dichtungsschieber 109,110 teleskopartig ausgebildet werden oder aber wenn an ihren
Stirnflächen eingesetzte Dichtungsleisten längsverschieblich und federnd angeordnet
sind, die beim Umlauf des Rotors mehr oder weniger weit hervorgetreten und/oder
auf der der dichtenden Stirnseite gegenüberliegenden Seite mit der Druckflüssigkeit
beaufschlagt werden.
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Wenn in dem Rohrleitungssystem zwischen dem Hubverdränger der Vorrichtung
und dem Drehkolben Mittel zum Ablassen der Flüssigkeit vorgesehen sind, kann die
Vorrichtung gleichzeitig auch als Kupplung benutzt werden. An- und Abtrieb können
dann durch Ablassen der Druckflüssigkeit voneinander getrennt werden. Durch Umschalten
der Verbindungsleitungen zwischen parallel arbeitenden Druckkammern des Drehkolbens
und ihren Hubverdrängern kann im übrigen auch die Drehrichtung des Drehkolbens umgekehrt
oder aber dessen' Drehrichtung bestimmt werden, wenn aus einer beliebigen Stellung
der Vorrichtung angefahren werden soll.
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Für die Merkmale der Ansprüche 2 bis 5 wird nur im Rahmen des Kennzeichens
des Hauptanspruchs Schutz begehrt.