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Kolbenmaschine mit oszillierenden Kolben
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und Umsteuerungsvorrichtung zur Umwandlung in eine Rotationsbewegung
Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine mit in Zylinderbüchsen oszillierenden
Kolben, von denen jeder mit einer Kolbenstange verbunden ist, deren freie, vom Kolben
abgewandte Seite mit einer Umsteuerungsvorrichtung zusammenwirkt, welche die oszillierende
Kolbenbewegung in eine Rotationsbewegung umsetzt und auf eine rotierende Welle leitet.
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Eine eingangs genannte Kolbenmaschine ist in vielfältigen Ausführungsformen
bekannt geworden. Allen Ausführungsformen ist gemeinsam, daß die Umsteuerungsvorrichtung
relativ aufwendig, mit großen Leistungsverlusten behaftet und schwierig herzustellen
ist.
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So ist beispielsweise als Umsteuerungsvorrichtung das Arbeiten von
Kolbenstangen auf Pleuel bekannt, die ihrerseits auf exzentrische Abkröpfungen einer
Kurbelwelle arbeiten. Aufgrund der ungleichmässigen Kraftaufgabe kommt es zu Massenschwingungen
und der bekannte Motor muß relativ groß dimensioniert werden, um solche Massenschwingungen
zu beherrschen.
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Außerdem ist die Höchstdrehzahl bekannter Motoren durch die im Grenzbereich
auftretenden Seitenschwingungen begrenzt.
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Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Kolbenmaschine
der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß bei wesentlich gerinqeren Abmessungen
eine wesentlich bessere Leistung bei geringeren Herstellungskosten ermöglicht wird.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet,
daß die frei vom Kolben abgewandte Seite der Kolbenstange mit einem radial abstehenden
Zapfen verbunden ist, der in eine Nut in der Mantelfläche einer drehbar gelagerten
Walze längsverschiebbar eingreift und daß die Nut in der ebenen Abwicklung der Mantelfläche
der Walze eine V-Form aufweist.
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Anwendungsgebiet einer Kolbenmaschine nach der vorliegenden Erfindung
sind sowohl Verbrennungsmaschinen, als auch Kolbenpumpen und Kolben-Kompressoren,
und damit artverwandte Maschinen.
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Die in axialer Richtung gehende, oszillierende Bewegung der Kolbenstangen
wird nach der Erfindung durch eine in der Mantelfläche einer sich drehenden Walze
eingearbeiteten Nut in eine drehende Bewegung umgesteuert.
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Hierdurch kommt es zu einer wesentlich vergleichmässigten Kraftabgabe,
weil die Massenschwingungen im Vergleich zu den herkömmlichen Pleueltrieben sehr
gering sind.
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Es müssen daher nicht groß-dimensionierte Lager verwendet werden,
und Gegengewichte entfallen.
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Eine Energie-Einsparung findet auch dadurch statt, daß bei der Zündung
herkömmlicher Motoren die drei Lagerstellen (Kolbenlager, Pleuellager und Kurbelwellenlager)
gerade gegenüberstehen und daher ein relativ großer Energieaufwand notwendig ist,
diese Massen die gerade den oberen Totpunkt überwunden haben, wieder entsprechend
zu beschleunigen.
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Bei der Erfindung hat die in der Mantelfläche der Walze eingearbeitete
Nut einen festen Winkel zur Kolbenstange, der bis zum Erreichen des unteren Totpunktes
immer gleich bleibt.
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Damit ist ein geringerer Energieverbrauch verbunden, weil der Hebelarm
(Kraftangriffspunkt) zur Bewegung der Massen günstiger ist.
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An den Totpunkten erfolgt die Umkehrung von einer Nutrichtung in die
andere schwingungsfrei, da der Partnerkolben mit Kolbenstange linear in die entgegenqesetzte
Richtung arbeiten und sämtliche Schwingungen aufheben, wodurch ein bisher unerreicht
ruhiger Lauf gewährleistet wird.
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Mit einer Verbrennungsmaschine nach der Erfindung lassen sich auch
höhere Drehzahlen erreichen, weil praktisch keine Seitenkräfte vorhanden sind und
das Kolben- und Pleuelgewicht auf die Hälfte im Vergleich zu herkömmlichen Pleuelantrieben
reduziert ist.
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Durch die Energie-Einsparung ist eine größere Literleistung gegeben.
Außerdem wird mit dem Motor nach der Erfindung eine bessere Beschleunigung erreicht,
weil reduzierte, bewegte Massen vorhanden sind.
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Der Winkel, den die beiden Nuten miteinander einschließen, ergibt
die Steigung der Steuerkurve und dies ergibt den Durchmesser der Walze, bezogen
auf einen gleichbleibenden Hub. Ein spitzer Winkel bedingt daher einen geringen
Walzendurchmesser und ergibt beim Gaswegnehmen ein starkes Motorbremsvermögen.
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Nach dem Gegenstand des Anspruches 2 wird es hierbei bevorzugt, wenn
die Kolbenstangen bei der Verwendung geradzahliger Kolben in Boxerform gegeneinander
arbeiten, weil hierdurch geringe Massenschwingungen qegeben sind.
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Ebenso ist es jedoch nach dem Gegenstand des Anspruches 3 möglich,
die Kolbenstangen auch parallel und gleich-5 innig anzutreiben.
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Ein besonders kompakter Aufbau ergibt sich nach dem Gegenstand des
Anspruches 4 dadurch, daß die Kolbenstangen axial verschiebbar in den Nuten einer
gehäusefesten Welle geführt sind und auf der Welle die Walze drehbar gelagert ist,
in deren Mantelfläche die V-förmige Nut eingefräst ist.
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Weitere Merkale der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
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Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht
nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination
der einzelnen Patentansprüche untereinander.
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Alle in den Unterlagen offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere
die in den Zeichnungen dargestellte, räumliche Ausbildung werden als erfindungswesentlich
beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik
neu sind.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von mehrere Ausführungswege
darstellenden Zeichnungen näher erläutert.
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Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche
Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
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Es zeigen: Figur 1: schematisiert gezeichneter Längsschnitt durch
einen Kolbentrieb nach der Erfindung in einer ersten Ausführungsform; Figur 2: Schnitt
gemäss der Linie II-II in Figur 1; Figur 3: Abwicklung der Mantelfläche der Walze
mit der darin eingearbeiteten, V-förmigen Nut
Figur 4: schematisiert
gezeichneter Schnitt durch einen Kolbentrieb nach der Erfindung in einer zweiten
Ausführungsform; Figur 5: Schnitt durch einen Kolbentrieb in einer dritten Ausführungsform;
Figur 6: Schnitt durch einen Kolbentrieb in einer vierten Ausführungsform; Figur
7: Schnitt gemäss der Linie VII-VII in Figur 6.
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In einem nicht näher dargestellten Zylindergehäuse sind Kolben 6,16
oszillierend angeordnet. Jeder Kolben 6,16 ist mit einer Kolbenstange 5,15 in bekannter
Weise verbunden; die Kolben 6,16 oszillieren hierbei in den Pfeilrichtungen 17.
Damit die oszillierende Bewegung in den Pfeilrichtungen 17 in eine Drehbewegung
umgesetzt wird, ist es vorgesehen, daß am freien,hinteren Ende jeder Kolbenstange
5,15 jeweils ein Zapfen 2,12 angeordnet ist; die Zapfen 2,12 greifen in eine V-förmige
Nut 18 ein, die im gezeichneten Ausführungsbeispiel am Innenumfang einer Walze 1
angeordnet ist. Die Abwicklung der V-förmigen Nut 18 auf die Fläche ist in Fig.3
gezeigt; ebenso ist gezeigt, daß die Zapfen 2,12 an verschiedenen Teilen der Nut
18 eingreifen.
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Am Aussenumfang der Walze 1 ist ein Zahnkranz 7 angeordnet, so daß
die Walze sich aufgrund der hin- und hergehenden Bewegung in den Pfeilrichtungen
17 der Kolbenstange 5,15 in einer Drehrichtung, z.B. Drehrichtung 19, dreht. Die
Kolbenstangen 5,15 sind hierbei nicht frei gelagert, sondern sie sind in einer Nut
20,21 einer Welle 3 verschiebbar geführt.
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Die Welle 3 steht fest und ist mit dem Maschinengehäuse 4 verbunden.
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Wesentlich bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 ist,
daß die zwei Kolben 6,16 gegeneinander arbeiten und hierdurch ein ausgezeichneter
Massenausgleich erreicht wird.
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Im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 4 arbeiten die Kolben 6,16 nicht
gegeneinander, sondern parallel zueinander.
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Wenn der eine Kolben eine Aufwärtsbewegung durchführt, führt der andere
Kolben eine Abwärtsbewegung durch.
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An den freien Enden der Kolbenstangen 5,15 sind wiederum die Zapfen
2,12 angeordnet, die wiederum in der V-förmigen Nut 18 sich abwälzen und hierdurch
die Walze 11 drehen.
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Die Geradführung der Kolbenstangen 5,15 ist im Ausführungsbeispiel
der Fig.4 nicht näher dargestellt.
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Die Kraftabnahme von der Walze 11 erfolgt über eine Abtriebswelle
8 mit entsprechend darauf angeordneten Zahnrädern, was nicht näher dargestellt ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist die Nut 28 in einer Kolbenstange
9, die zwei gegeneinander arbeitende Kolben 6,16 miteinander verbindet,angeordnet.
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Der Zapfen 13 ist in einem Ringlager lo angeordnet, das hierdurch
in eine drehende Bewegung versetzt wird.
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Der Zapfen 13 hat hierbei eine V-förmige Formgebung entsprechend der
Nut 18; er stellt die kinematische Umkehrung zu dieser Nut 18 dar.
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Das Ringlager 10 ist in einem Gehäuse 14 drehbar gelagert, wobei das
Gehäuse 14 in nicht näher dargestellter Weise einem Maschinengehäuse zugeordnet
ist.
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Der Motor nach der Ausführungsform der Fig. 5 baut sehr klein, weil
die Nut 28 in der Kolbenstange 9 eingebaut ist, und hierdurch die Kolbenstange der
beiden gegenüberliegenden Kolben hindurch verbunden sind.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 und 7 laufen in einem Gehäuse
4 wiederum in entsprechenden Zylinderbüchsen die Kolben 6,16, wobei die Kolben durch
eine gemeinsame Kolbenstange 22 miteinander verbunden sind.
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Am Aussenumfang der Kolbenstange ist ein radial abragender Zapfen
23 vorhanden, wobei die Kolbenstange in Längsrichtung in einer Welle 24 gerade geführt
ist. Der Zapfen 23 der Kolbenstange 22 greift wieder in eine V-förmige Nut 38 ein,
die in dem Innenumfang einer Walze 31 eingearbeitet ist und die Formgebung hat,
wie sie in Fig. 3 gezeigt ist.
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Am Aussenumfang der Walze 31 ist wiederum ein Zahnkranz 7 angeordnet,
über den der Abtrieb der drehenden Bewegung der Walze 31 erfolgt.
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ZEICHNUNGS-LEGENDE 1 Walze 2 Zapfen 3 Welle 4 Gehäuse 5 Kolbenstange
6 Kolben 7 Zahnkranz 8 Abtriebswelle 9 Kolbenstange 10 Ringlager 11 Walze 12 Zapfen
13 Zapfen 14 Gehäuse 15 Kolbenstange 16 Kolben 17 Pfeilrichtungen 18 Nut 19 Drehrichtung
20 Nut 21 Nut 22 Kolbenstange 23 Zapfen 24 Welle 28 Nut 31 Walze 38 Nut
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