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Antriehczaaschine, insbesondere Brennkraftmaschine, mit kurbeiwellenfreier
Kraftübertragung Die Erfindung betrifft eine Antriebsmaschine, insbesondere Brennkraftmaschine,
mit kurbelwellenfreier Kraftübertragung mit einem zylindrischen Gehäuse und einem
im zylindrischen Gehäuse hin- und hergehenden Kolben.
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Bei herkömmlichen Hubkolbenmotoren wird die hin- und hergehende Bewegung
des Kolbens mit Hilfe einer Pleuelstange und einer Kurbelwelle in eine Drehbewegung
umgesetzt. Bei dieser herkömmlichen Konstruktion von Hubkolbenmotore muß besonderes
Augenmerk auf den Massenausgleich bei der Kurbelwelle gelegt werden um einen ruhigen
und unwuchtfreien Lauf des Motors sicherzustellen. Die bei herköxnmlichen Hubkolbenmotoren
notwendigen Pleuelstangen und Kurbelwellen sind durch die hin-und hergehende Bewegung
des Kolbens einer das Material ermüdenden Wechselbeanspruchung sowie erheblichen
wechselnden Beschleunigungs und Verzögerungskräften ausgesetzt, so daß die Pleuelstaligen
und die Kurbelwellen entsprechend groß dimensioniert werden müssen. Ferner haben
die herkömmlichen Hubkolbenmotore einen erheblichen Platzbedarf, da außer den Zylindern
noch ein entsprechender Raum für die Pleuelstangen und die Kurbelwellen vorgesehen
werden muß.
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Mit der Erfindung sollte daher eine Brennkraftmaschine mit einem in
einem zylindrischen Geiäuse hin- und hergehenden Kolben geschaffen werden, bei welcher
die Umsetzung der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung
ohne Pleuelstange und Kurbelwelle erfolgt.
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Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß der Kolben eine
um den Umfang verlaufende, in der Abwicklung wellenförmige Pührungsrille aufweist,
in welche mindestens zwei gleichmaßig auf den Umfang verteilte Kugeln eingreifen,
die in Kugelpfarìnen ortsfest gelagert sind, und daß der durch die Kugeln und die
Führungsrille in Drehung versetzte Kolben mit einer Antriebswelle drehfest verbunden
ist.
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Bei der erfindungsgelläßen Br ennkraf tmaschinee wird also der hin-
und hergehende Kolben mit Hilfe einer endlosen, wellenfömigen Bahn in eine Drehbewegung
gebracht. Die Drehbewegung des Kolbens wird auf die mit ihm drehfest verbundene
Antriebswelle übertragen, die mit einem nachgeschalteten Getriebe verbunden werden
kann. Da die Antriebswelle zusammen mit dem Kolben sowohl eine Drehbewegung als
auch eine hin- und hergehende Bewegung ausführt, ist an der Verbindungsstelle zwischen
der Antriebswelle und dem nachgeschalteten Getriebe darauf zu achten, daß die Antriebswelle
gegen das erste sich drehende Element auf der Eingangsseite des Getriebes axial
verschieblich, jedoch mit ihm drehfest verbunden ist. Derartige Verbindungen sind
im Maschinenbau allgemein bekannt und von jedem Fachmann ohne weiteres in die Praxis
umzusetzen. Im vorliegen~ den Fall ist es beispielsweise denkbar, daß das freie
Ende der mit dem Kolben verbundenen Antriebswelle in Form einer Keilwelle ausgebildet
ist, welche in eine entsprechend'ausgestal tete Nabe eines Zahnrades oder in eine
entsprechend geformte Hohlwelle des nachgeschalteten Getriebes eingreift.
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Da bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine der Kolben bereits
während seine hin- und hergehenden Bewegung in eine Drehbewegung gebraoht und diese
Drehbewegung durch die mit ihm yer-
@undene Antriebswelle direkt
auf ein nachgeschaltetes Getriebe übertragen werden kann, erhält die erfindungsgemäße
Brennkraftmaschine eine sehr kleine Bauform. Darüberhinaus sind nur @och der Kolben
und die in den Kugelpfannen gel %rtert en Kugeln einer Wechselbeanspruchung ausgesetzt,
während die die Drehbewegung übertragende Antriebswelle nur in einer Richtung beansprucht
wird. Da eine in einer Richtung gerichtete Beanspruchung eines Maschinenteiles in
wesentlich geringerem Maße zu einer Ermündungserscheinung im Werkstoff führt, als
es bei einer Wechselbeanspruchung der Fall ist, können einmal die nur in einer Richtung
beanspruehten Teile leichter und damit kleiner gebaut werden und kann auf der anderen
Seite die Lebensdauer der einzelnen Teile erhöht werden. Da bei der erfindungsgemäßen
Brennkraftmaschine sämtliche sich drehen den Teile rotationssynmetrisch sind, können
zur auch keine Unwuchtkräfte auftreten, die wie bei den herkömmlichen Hubkolbenmotoren
durch konstruktive Maßnahen ausgeglichen werden müssen. Auf diese Weise kann ein
sehr ruhiger Lauf der erfindungsgemß en Brennkraftmaschine erzielt werden. da der
im zylindrischen Gehäuse hin- und hergehende Kolben gleichzeitig eine Drehbewegung
ausführt, wird das in den Arbeitsraum eingesaugte Luft-/Eraftstoffgemisch durchwirbelt,
so daß eine gute Verwirbelung und Durchmischung des Gemisches im Arbeitsraum erzielt
wird. Die gute Verwirbelung und Durchmischung des Luft-/Kraftstoffgemische führt
zu einer sehr guten und sauberen Verbrennung, so daß das den Zylinder verlassende
Abgas wesentlich weniger schädliche Gasbestandteile hat, als es bei Brennkraftmaschinen
ohne Verwirbelung des Gemisches der Fall ist. Hierdurch wirkt die erfindungsgemäße
Brennkraftmaschine bei der Verminderung der im Abgas enthaltenen schädlichten Gasbestandteile
mit. Während bei Brennkraftmaschinen mit einer herkömmlichen Kurbelwelle durch die
Pleueistonge Normalkräfte auf die Wände des Zylinders übertragen werden, können
derartige Normalkräfte bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine nicht auftreten,
da die in der Achse des Kolbens wirkenden Expansionskräfte des verbrennenden Luft-/Kraftstoffgemischers
nicht in Kraftkomponenten zerlegt werden, von denen
eine Komponente
senkrecht zur Zylinderwand gerichtet ist.
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Die wellenförmige Führungsrille weist mindestens zwei Wellenberge
und zwei Wellentäler auf und die Zahl der Kugeln entspricht der Anzahl der Wellenberge.
Wenn z. 3.
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die welenförmige Fiihrungsrille auf 3600 zwei voilsthndige, gleiche
und hintereinander liegende Wellen Irit insgesamt zwei Wellenbergen und zwei Wellentälern
hat, liegen cich die beiden Wellenberge und die beiden Wellentäler einander diametral
gegenüber. Entsprechend der Anzahl der Wellenberge sind in diesem Fall zwei Kugeln
vorgesehen, die gleichmäßig auf dem Umfang verteilt sind und somit ebenfalls einander
diametral gegenüberliegen. Die beiden einander diametral gegenüberliegenden Kugeln
befinden sich somit stets gleichzeitig auf dem Wellenberg oder im Wellental oder
einem dazwischen liegenden Punkt. Hierdurch ist sichergestellt, daß die an jeder
Kugel auftretenden Drehmomente zu jedem Zeitpunkt einander gleich sind, so daß der
Kolben stets gleichmäßig beansprucht und keinen Zerrkräften ausgesetzt wird.
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Es ist jedoch auch möglich, daß die wellenförmige Führungsrille auf
3600 drei vollständige, hintereinander liegende Wellen mit insgesamt drei Wellenbergen
und drei Wellentälern aufweist. In diesem Fall müssen entsprechend der oben angegebenen
Regel insgesamt drei Kugeln vorgesehen sein, die gleichmäßig auf den Umfang verteilt
sind. Hierdurch wird erreicht, daß alle drei Kugeln gleichzeitig auf den Wellenbergen
bzw. in den Wellentälern liegen und zu jedem Zeitpunkt gleichen Betriebsbedingungen
und Kräften ausgesetzt sind. Auch in diesem Fall tritt an jeder Kugel zu jedem Zeitpunkt
das gleiche Drehmoment auf, so daß der Kolben stets gleichmäßig beansprucht wird.
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Die wellenförmige Führungsrille braucht jedoch nicht auf zwei oder
drei hintereinander licgende vollständige Wellen beschränkt
zu
sein. Es ist ebenso möglich, auf 3600 vier oder sechs hintereinander liegende, vollständige
Wellen vorzusehen. Ilierbei können entweder zwei oder vier bzw. drei oder sechs
gleichz.cßig auf den Umfang verteilte Kugeln verwendet werden. Für die ?rnktionsfäliigkeit
der erfindungsgemcißen Brennkraftmaschine ist es gleichgültig, ob einer wellenförmigen
Führungsrille mit vier hintereinander liegenden Wellen zwei oder vier Kugeln zugeordnet
sind. Im allgemeinen dürften bei dem angenommenen Beispiel zwei Kugeln ausreichen.
Bei größeren Bauformen kann es jedoch zwecks mäßig sein, vier gleichmäßig auf den
Umfang verteilte Kugeln anzuordnen, um die Flächenpressung pro Kugel herabzusetzen.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine läßt sich besonders einfach
und billig herstellen, wenn die Kugelpfannen in seitliche Gewindelöcher im zylindrischen
Gehause eingeschraubt sind. Durch das Einschrauben der Kugelpfannen läßt sich der
Abstand zwischen Kugelpfanne und Kolben genau einstellen, der für einen guten Lauf
der Kugel in der Kugelpfanne und der wellenförmigen Führungsrille ausschlaggebend
ist.
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Wenn die Kugelpfanne mit der zugehörigen Kugel so weit in das zylindrische
Gehäuse eingeschraubt worden ist, daß der Abstand zwischen der Kugelpfanne und der
Führungsrille im Kolben genau so groß ist, daß die Kugel ohne unzulässiges Spiel
in dem durch Kugelpfanne und Führungsrille gebildeten Bett abrollen kann, muß dafür
gesorgt werden, daß die Kugelpfanne festlegbar ist. Dies wird beispielsweise dadurch
erreicht, daß die Kugelpfannen mit Sicherungsschrauben zum.Festlegen des eingestellten
Abstandes zwischen Kugelpfanne und Kolben versehen sind.
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Eine gute Schmierung zwischen Kugeln und Führungsrille kann dadurch
erreicht werden, daß jede Kugelpfanne mit einer Bohrung versehen ist, die an den
Ölkreislauf der Brennkraftmaschine anschließbar ist.
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Die erfind.ungsgemäße Brennkraftmaschine weist aufgrund der Rollreibung
zwischen Kugel und Laufbahn geringe Reibverluste und gute Laufeigenschaften auf.
Ferner ist die erfindungsgentäße Brennkraftmaschine aufgrund der einfachen Teile
leicht und billig herzustellen und ebenso einfach zusammenzubauen. Die guten Laufeigenschaft;en
werden noch durch eine gute Schmierbarkeit der beweglichen Teile verbessert.
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Im nachstehenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand
einer Zeichnung erläutert. Die Zeichnung zeigt einen Teilquerschnitt durch eine
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine.
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Die in der Zeichnung dargestellte erfindungsgemäße Brennkraftmaschine
weist ein doppelwandiges zylindrisches Gehäuse 1 mit Kühlräumen 2 auf. Das dem Arbeitsraum
3 zugewandte Ende des zylindrischen Gehäuses 1 ist mit einer.Zylinderlaufbuchse
4 versehen. In der Zylinderaufbuchse 4 ist ein Kolben 5 mit Kolbenringen 6 verschiebbar
gelagert. In den andeutungsweise dargestellten Arbeitsraum münden in herkömmlicher
Weise Ein-und Au£ßventile sowie Zündkerzen für Ottomotore bzw. Vorwärmeinrichtungen
für Dieselmotore.
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Der Kolben 5 weist eine um den gesamten Umfang verlaufende Führungsrille
7 auf, die in der Abwicklung die Form von zwei hintereinanderliegenden, vollständigen
Wellen hat. Wie aus der Zeichnung zu sehen ist, besitzt die Fuhrungsrille 7 einen:
halbkreisförmigen Querschnitt. Die Führungsrille 7 kann beispielsweise eingewalzt
werden. Eine spanabhebende Bearbeitung ist damit nicht mehr erforderlich.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer zwei vollständige
Wellen aufweisenden Führungerille 7 greifen in die Fiihrungsrille 7 zwei einander
diametral gegenüberliegende Kugeln 8 ein, die in Kugelpfannen 9 ortsfest gelagert
sind. Die Kugelpfannen 9 sind in Gewindelöcher 10 im zylindrischen Gehäuse 1 eingeschraubt.
Sowie die Kugelpfannen 9 die richtig.
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Lage erreicht haben, können die in die Gewindelöcher 10 eingeschraubten
Kugelpfannen 9 durch Sicherungsschrauben 10 in ihrer Lege festgelegt werden. Die
Sicherungsschrau ben 10 werden auf das von Kolben radial abstehende freie Ende der
Kugeipfannen 9 aufgeschraubt. Durch die Anordnung der Kugelpfanne ist es ohne weiteres
möglich, beschädi,gte Kugeln und Kugeipfannen ohne großen Aufwand zu ersetzen.
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Es brauchen lediglich die Kugelpfänne 9 herausgeschraubt, die schadhaften
Teile ausgewechselt und die alte bzw. neue Kugelpfanne wieder eingeschraubt zu werden.
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Die Kugelpfanne 9 ist mit einer Bohrung 11 versehen, die an den Olkreislauf
der Brennkraftmaschine angeschlossen ist. Hierdurch wird eine gute Schmierung der
in der Kugel pfanne 9 und in der Führungsrille 7 abrollenden Kugel 8 erreicht.
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Das dem Arbeitsraum abgekehrte Ende des Kolbens 5 ist mit einer Antriebswelle
12 starr verbunden, die in der Achse des Kolbens 5 liegt. Die Antriebswelle 12 kann
in einem Gleitlager 13 mit einer Gleitbuchse 14 geführt sein. Das Gleitlager 13
kann beispielsweise mit einer Reihe von Rippen 15 im zylindrischen Gehäuse 1 abgestützt
sein.
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Die Antriebswelle 12 ist an ihrem freien Ende mit um den Umfang gleichmäßig
verteilten Federn 16 versehen, welche in Nuten eines Antriebsritzels 17 eingreifen.
Das Antriebsritzel 17 kann am Boden des zylindrischen Gehäuses 1 und an dem ihm
zugeordneten Getriebe abgestützt sein. Die Abstützung des Antriebsritzels 17 ist
in der Zeichnung nicht dargestellt, da eine derartige Abstützung im Maschinenbau
allgemein bekannt und jedem Durchschnittsfachmann -gelåuSig ist.
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Im nachstehenden wird die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
beschrieben. Der Kolben 5 wird durch die Verbrennung eines Luft-/Kraftstoffgemisches
im Arbeitsraum 3 in der Art eines herkömmlichen Hubkolbens hin- und herbewegt.
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Da sich der Kolben 5 mit seiner wellenförmigen und endlos um den Unfang
verlaufenden Führungsrille 7 auf mindestens zwei einander diametral gegenüberliegenden
kugeln 8 abstützt, wird der Kolben 5 durch die senkrecht auf ihn einwirkende Kraft
P in Umdrehung versetzt. Der Kolben 5 und die mit ihm starr verbundene Antriebswelle
12 führen somit sowohl eine hin- und hergeliende Bewegung als auch eine Drehbewegung
aus. Da das freie Ende der Antriebswelle 12 über eine Nut-/Federverbindung mit dem
Antriebsritzel 17 axial verschieblich, jedoch drehfest verbunden ist, kann die J)reiìbewegung
des Kolbens 5 und der Antriebswelle 12 auf das Antriebsritzel 17 übertragen werden,
ohne daß dabei die hin-und hergehende Bewegung des Kolbens 5 und der Antriebswelle
12 behindert wird. Die Drehbewegung des Ritzels 17 kann in herkömmlicher Weise über
ein Getriebe an die Antriebsräder eines Fahrzeuges übertragen werden.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich der Kolben
5 iii einem u t l er Totpunkt. Wei entsprechend dem dargestellten Ausführungsbeispie
ein Gleitlager 13 zur Abstützung der Antriebswelle 12 vorgesehen ist, muß dafür
gesorgt werden, daß die Federn 16 der Antriebswelle 12 im oberen Totpunkt des Kolbens
12 noch außerhalb des Gleitlagers 13 liegen. Dies läßt sich beispielsweise dadurch
erreichen, daß der Boden des zylindrischen Gehäuses 1 entsprechend der Darstellung
in der Zeichnung weiter nach unten versetzt wird. Bei kleineren Ausführungsformen
kann jedoch auf das Gleitlager 13 verzichtet werden, da in diesem Fall die Führung
der Antriebswelle 12 in dem gegen axiale Verschiebung gesicherten Antriebsritzel
17 ausreicht. In diesem Fall kann die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine wesentlich
kleiner gebaut werden.
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Neben den eingangs genannten Vorteilen weist die erfindungsgemäß Brennkraftmaschine
noch einen weiteren Vorteil auf.
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Beim herkömmlichen Hubkolbenmotor befindet sich der Kolben
an
seinem oberen und unteren Totpunkt für eine kurze Zeit im Stillstand. Beim übergang
vo Stillstand in die Bewegung nuß der Kolben die Hiftreibung überwinden. Die gesamte
om Kolben zu überwindende Reibung setzt sich somit aus Haftreibung und Gleitreibung
zusammen. Beim neuen kurbelwellenfreien Hubkolbenmotor befindet sich der Kolben
auch in den oberen und unteren Umkebrpunkten in einer Relativbewegung zur Zylinder,
da der Kolben ständig eine Drehbewegung ausführt. Beim neuen kurbelwellenfreien
Hutkolbeninotor kann somit während des sich in Bewegung befindlichen Motors keine
Haftreibung auftreten. Hierdurch kann der Kolben besser geschmiert werden. Berechnungen
haben ergeben, daß der Reibverlust gerade in diesem punkt nur 20 c% gegenüber herkömnlichen
Hubkolbenmotoren beträgt.
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Es gibt somit bei dieser neuen Bauart außer den Tangentialkräften,
die durch die Kolbenringe hervorgerufen werden und somit auch bei den herkömmlichen
Hubkolbenmotoren vorhanden sind, keine weiteren Kräfte wie z. B. Normalkräfte, die
gegen die Zylinderwand einseitig bei herkömmlicher Bauart gerichtet sind. Durch
die schraubenförmige Hubbewegung des rotierenden Kolbens ist ein gleichmäßiger und
nicht wie bei herkömmlicher Bauart einseitiger VerschleiB gewährleistet.