Drehkolbenmaschine mit mit periodisch wechselnder Winkelgeschwindigkeit
umlaufenden Kolben Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehkolbenmaschine, bei der
in einem zylindrischen oder kreisringförmigen Gehäuse zwei Wellen mit je einem Kolbenpaar
drehbar gelagert und mit einer sich gleichmäßig drehenden, außerhalb des Gehäuses
liegenden Hauptwelle durch ein Laufgetriebe so gekuppelt sind, daß sie und die mit
ihnen verbundenen Kolben mit periodisch wechselnder Winkelgeschwindigkeit umlaufen,
mit einem Kupplungsgetriebe, das aus vier nichtkreisförmigen Zahnrädern besteht.Rotary piston machine with periodically changing angular speed
rotating piston The invention relates to a rotary piston machine in which
two shafts, each with a pair of pistons, in a cylindrical or circular housing
rotatably mounted and with a uniformly rotating, outside the housing
lying main shaft are coupled by a running gear so that it and the with
pistons connected to them rotate at a periodically changing angular velocity,
with a clutch gear consisting of four non-circular gears.
Es ist eine Ausführung dieser Art bekannt, bei der das Kupplungsgetriebe
aus einem System von konfokal gelagerten elliptischen Zahnrädern, normalen Zahnrädern
und Nebenwellen besteht und die Hauptwelle mit den Kolbenwellen konzentrisch gelagert
ist.An embodiment of this type is known in which the clutch transmission
from a system of confocally mounted elliptical gears, normal gears
and auxiliary shafts and the main shaft is mounted concentrically with the piston shafts
is.
Es ist ferner eine Drehkolbenmaschine bekannt, bei der die Hauptwelle
auch außerhalb des Gehäuses liegt, aber das Übersetzungsgetriebe aus elliptischen
Zahnrädern, die im Mittelpunkt gelagert sind, oder aus elliptischen Zahnrädern in
Verbindung mit normalen Zahnrädern, die exzentrisch gelagert sind, besteht. Zwei
konzentrisch umlaufende Ellipsen rollen aber nicht richtig aufeinander, da die Punkte
der Ellipse mathematisch nur Bezug auf die Brennpunkte, nicht auf den Mittelpunkt
haben.A rotary piston machine is also known in which the main shaft
also lies outside the housing, but the transmission gear is made of elliptical
Gears that are mounted in the center, or from elliptical gears in
Connection with normal gears that are eccentrically mounted exists. Two
Concentric ellipses do not roll properly on each other, because the points
of the ellipse mathematically only with reference to the focal points, not to the center
to have.
Außerdem ist eine Antriebsvorrichtung bekannt, bei der die beiden
Kolbenwellen mit der Getriebewelle durch zwei Paar nichtkreisförmiger Zahnräder
verbunden sind, deren Teilkurven durch die Gleichung
bestimmt sind, worin o einen Vektorstrahl vom Mittelpunkt eines Zahnrades nach einem
Punkt der Teilkurve, a eine endliche Länge, b eine positive Zahl größer
als 0 und kleiner als 1 und e eine positive ganze Zahl größer als 1 bedeutet. Diese
Gleichung ergibt Räder verschiedener Form, je nach den Werten, welche für die Größen
a, b und e eingesetzt werden.In addition, a drive device is known in which the two piston shafts are connected to the transmission shaft by two pairs of non-circular gears, the partial curves of which are represented by the equation are determined, where o is a vector beam from the center of a gear to a point on the partial curve, a is a finite length, b is a positive number greater than 0 and less than 1 and e is a positive integer greater than 1. This equation gives wheels of different shapes, depending on the values that are used for the quantities a, b and e.
Gemäß der Erfindung besteht das Kupplungsgetriebe aus vier Ovalzahnrädern,
deren Teilkurven der Gleichung genügen
wobei r und 99 Polarkoordinaten, a und b die Halbachsen der
Ovale darstellen. Man erhält geschlossene ovale Radformen, bei denen sich zwei kongruente
Räder mit dem Achsenabstand a + b stets reinabrollend berühren. Der
Vorteil besteht darin, daß neben dem viel einfacheren Aufbau die mit den Kolben
zu beschleunigende Rädermasse erheblich geringer ist, so daß die durch Massenwirkung
bedingte Geschwindigkeitsgrenze wesentlich höher liegt.According to the invention, the clutch transmission consists of four oval gears, the partial curves of which satisfy the equation where r and 99 are polar coordinates, a and b represent the semi-axes of the ovals. Closed oval wheel shapes are obtained in which two congruent wheels with the axis distance a + b always touch each other in a rolling manner. The advantage is that, in addition to the much simpler structure, the wheel mass to be accelerated with the pistons is considerably lower, so that the speed limit caused by the effect of the mass is considerably higher.
In der Zeichnung sind auf Blatt I die Abbildungen enthalten, die zur
Darlegung der Bewegungsvorgänge und Erläuterung der Wirkungsweise dienen. In Blatt
II ist an zwei Ausführungsbeispielen der Erfindungsgegenstand konstruktiv dargestellt.On sheet I of the drawing you will find the illustrations that go with the
Explanation of the movement processes and explanation of the mode of action are used. In sheet
II, the subject matter of the invention is shown constructively in two exemplary embodiments.
In Abb. 1 ist schematisch ein Kupplungsgetriebe in Form eines Ovalzahnradgetriebes
und in Abb. 1 a sind die zugeordneten Kolben und ihre Stellungen gezeichnet. Hierin
bezeichnen allgemein I und II die beiden Kolbenwellen, III die Hauptwelle, Z1, Z2,
Z3 und Z3' die mit diesen Wellen verbundenen Zahnräder, 1-1' und 2-2' die
auf den Kolbenwellen sitzenden Kolben bzw. Kolbenpaare.In Fig. 1, a clutch transmission in the form of an oval gear is shown schematically and in Fig. 1 a, the associated pistons and their positions are drawn. In general, I and II denote the two piston shafts, III the main shaft, Z1, Z2, Z3 and Z3 'the gears connected to these shafts, 1-1' and 2-2 'the pistons or piston pairs seated on the piston shafts.
In Abb. 2 sollen die Übersetzungsverhältnisse und die übertragenden
Kräfte bei einem Ovalzahnradgetriebe näher erläutert werden. Es bezeichnet P die
in einer Kolbenzelle auf die Kolbenfläche wirkende Kraft, r den Radius des mittleren
Kolbenbahnkreises, MI, MII und MIII die Drehmomente der betreffenden Wellen, A den
Berührungspunkt der Räder Z1 und Z3, B den Berührungspunkt der Räder Z2 und
Z,', P1 die in A und P2 die in B wirkende Tangentialkraft,
co, die veränderliche Winkelgeschwindigkeit der Kolbenwelle I, 0o2 die veränderliche
Winkelgeschwindigkeit der Kolbenwelle 1I und c), die konstante Winkelgeschwindigkeit
der Welle III. Setzt man die Abstände der Wellendrehpunkte von den Berührungspunkten
der Räder, 1 von A = r1, 11 von B = r2, 111 von
A=r3undIIIvonB=r3,soistMi=P-r=P,-r"
P,= P@r und Mn=P#r=P2-r2, P,= pr,
r, r2
Mni=pi#r3-P2.r3=p.r(r? und da
l r@ r2
r3 - Wi und ist Mir, = P . r (--''
rl W3 r2 oh (»3
wenn co, größer als (o2, Mm =P - r ( "'2 C''--)
, wenn
w3
co, kleiner als co, ist. Das auf die Welle III übertragene
Drehmoment ist demnach nicht konstant, sondern
veränderlich. In Abb. 3 ist der Verlauf der veränder-
lichen Winkelgeschwindigkeit der beiden Kolben-
wellen bei konstanter Winkelgeschwindigkeit der
Hauptwelle für Ovalzahnräder mit einem Achsen-
verhältnis ab= 2 und-°#- = 1,8 kurvenmäßig dar-
gestellt. In Abb. 6 ist für b = 1,8 der Verlauf des
veränderlichen Faktors `@' w2 gesondert gezeichnet.
Abb.4 gibt die Anfangsstellung und Abb. 5 die
Endstellung der Kolben an bei Drehung der Welle III
um 90° (a3). In dieser Periode hat sich das Kolben-
paar 1-1' um den Winkel a, gedreht und den Weg s,
zurückgelegt, das Kolbenpaar 2-2' hat sich um den
Winkel a, gedreht und den Weg s2 zurückgelegt. Der
wirksame Kolbenhub ist demnach s, - s2 und die
geleistete Arbeit P (s, - s2), entsprechend dem Arbeits-
diagramm in Abb.7. Dieser Arbeit entspricht die
gleich große Arbeit an der Welle III von Pm = S, + S2
2 ,
worin P@ = P a' - °`' = P S' - S2 ist.
Beispielsweise
a3 s3
ist bei Ovalzahnrädern mit einem Achsenverhältnis
b = 1,8 a, = 120°, a2 = 60° und a3 = 90° und
P," = P 120
90 -60 = 3 P. Hier ist Pm der mittlere
Wert der veränderlichen Kraft P' = P In
Abb.8 sind die entsprechenden Arbeitsdiagramme
aufgezeichnet. Die Fläche unter der Kurve P `0' "''
ist inhaltsgleich mit dem Rechteck Pm - s' +
s2 .
2
In Abb. 9 und 10 ist als Ausführungsbeispiel ein Druckluftmotor dargestellt. Das
zylindrische Gehäuse G ist mit den Ansätzen der Zylinderdeckel D, und DZ in den
Lagerböcken L3 und L, nicht drehbar gelagert. Die Welle I ist drehbar gelagert in
dem Zylinderdeckel Dl und dem Lagerbock L,. Sie trägt an der verdickten Stelle die
beiden diametral gegenüberliegenden Kolben 1 und 1' von rechteckigem
Querschnitt und ist außerhalb des Gehäuses mit dem Ovalzahnrad Z, fest verbunden.
Die Hohlwelle 1I, welche die Welle 1 umschließt, ist in dem Zylinderdeckel DZ drehbar
gelagert. Sie trägt die beiden ebenfalls diametral gegenüberliegenden Kolben
2 und 2' und ist außerhalb des Gehäuses mit dem Ovalzahnrad ZZ fest
verbunden. Die Welle 111 ist in den Lagerböcken L, und L2 drehbar gelagert und trägt
die in einem Winkel von 90° versetzten Ovalzahnräder Z, und Z,', die mit den Rädern
Z, und ZZ im Eingriff stehen. Am Ende der Welle III ist das Schwungrad S angebracht.
Die Zu- und Abführung der Luft erfolgt in der durch Pfeile gekennzeichneten Weise.In Fig. 2, the transmission ratios and the transmitted forces in an oval gear transmission are explained in more detail. It denotes P the force acting on the piston surface in a piston cell, r the radius of the central piston path circle, MI, MII and MIII the torques of the respective shafts, A the contact point of the wheels Z1 and Z3, B the contact point of the wheels Z2 and Z, ' , P1 the tangential force acting in A and P2 the tangential force acting in B , co, the variable angular velocity of the piston shaft I, 0o2 the variable angular velocity of the piston shaft 1I and c), the constant angular velocity of the shaft III. If one sets the distances of the shaft pivot points from the contact points of the wheels, 1 from A = r1, 11 from B = r2, 111 from A = r3 and III of B = r3, so isMi = Pr = P, -r "
P, = P @ r and Mn = P # r = P2-r2, P, = pr,
r, r2
Mni = pi # r3-P2.r3 = pr (r? And da
lr @ r2
r3 - Wi and is Me, = P. r (- ''
rl W3 r2 oh (»3
if co, greater than (o2, Mm = P - r ( "'2 C''-) if
w3
co, smaller than co, is. That carried over to wave III
Torque is therefore not constant, but rather
changeable. In Fig. 3 the course of the changing
the angular velocity of the two piston
waves at constant angular velocity of the
Main shaft for oval gears with one axis
ratio a b = 2 and- ° # - = 1.8 curve-like
posed. In Fig. 6 the course of the is for b = 1.8
variable factor `@ 'w2 drawn separately.
Fig.4 gives the starting position and Fig. 5 the
End position of the pistons on rotation of the shaft III
by 90 ° (a3). During this period the piston
couple 1-1 ' rotated by the angle a, and the path s,
covered, the piston pair 2-2 ' has to the
Angle a, rotated and covered the distance s2. Of the
effective piston stroke is therefore s, - s2 and die
work done P (s, - s2), according to the work
diagram in Figure 7. This work corresponds to the
equal work on wave III of Pm = S , + S2 2 ,
where P @ = P a '- °'' = P S' - S2 . For example
a3 s3
is for oval gears with an axis ratio
b = 1.8 a, = 120 °, a2 = 60 ° and a3 = 90 ° and
P, "= P 120
90 -60 = 3 P. Here, Pm is the middle one
Variable force value P '= P In
Fig.8 are the corresponding working diagrams
recorded. The area under the curve P `0 '"''
has the same content as the rectangle Pm - s' +
s2 .
2
In Fig. 9 and 10, a compressed air motor is shown as an embodiment. The cylindrical housing G is not rotatably mounted with the approaches of the cylinder cover D and DZ in the bearing blocks L3 and L. The shaft I is rotatably mounted in the cylinder cover Dl and the bearing block L ,. It carries the two diametrically opposite pistons 1 and 1 ' of rectangular cross-section at the thickened point and is firmly connected to the oval gear Z, outside the housing. The hollow shaft 1I, which encloses the shaft 1, is rotatably mounted in the cylinder cover DZ. It carries the two diametrically opposed pistons 2 and 2 ' and is firmly connected to the oval gear ZZ outside the housing. The shaft 111 is rotatably mounted in the bearing blocks L, and L2 and carries the oval gearwheels Z, and Z, 'which are offset at an angle of 90 ° and which mesh with the gears Z, and ZZ. At the end of the shaft III, the flywheel S is attached. The air is supplied and discharged in the manner indicated by arrows.
Abb. 11 bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor als weiteres Ausführungsbeispiel.
Der Aufbau ist im Grunde derselbe wie bei dem Druckluftmotor, insbesondere ist die
Anordnung der beiden Kolbenwellen und die Kraftübertragung auf die Abtriebswelle
durch Ovalräder die gleiche. Es sind jedoch eventuelle Kolben mit kreisrundem Querschnitt
vorgesehen, die in einem kreisringförmigen Gehäuse umlaufen und durch selbstspannende
Kolbenringe abgedichtet werden. Die Kolben sitzen hier auf zwei Scheiben, die fest
mit der Welle 1 bzw. 1I verbunden sind. Die Zu- und Abführung des Füllstoffes erfolgt
in der durch Pfeile gekennzeichneten Weise. Der Gesamtprozeß im Viertakt (Ladehub,
Verdichtungshub, Arbeitshub, Entladehub) vollzieht sich während einer 90°-Periode,
d. h. bei Umdrehung der Abtriebswelle um 90°, so daß vier Arbeitshübe auf eine volle
Umdrehung kommen.Fig. 11 relates to an internal combustion engine as a further embodiment.
The structure is basically the same as that of the air motor, in particular the
Arrangement of the two piston shafts and the power transmission to the output shaft
by oval wheels the same. However, there are possible pistons with a circular cross-section
provided, which rotate in an annular housing and self-tightening
Piston rings are sealed. The pistons sit here on two discs that are stuck
are connected to shaft 1 or 1I. The filler is fed in and discharged
in the manner indicated by arrows. The overall process in four cycles (loading stroke,
Compression stroke, working stroke, discharge stroke) takes place during a 90 ° period,
d. H. when rotating the output shaft by 90 °, so that four working strokes to one full
Rotation come.