DE1551082B2 - Schraegachsige rotationskolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine schrägachsige Rotationskolbenmaschine mit beidseitigen feststehenden Gehäuseteilen, die zwischen ihren Stirnflächen Arbeitsräume begrenzen, in denen ein Kolben umläuft, der beidseitig von Dichtkanten begrenzte Arbeitsflächen aufweist, wobei die Arbeitsräume radial außen und innen durch konzentrische Kugelflächen begrenzt sind.

Eine derartige Rotationskolbenmaschine, bei der eine Schwenkachse für den Kolben senkrecht zur Drehachse verläuft, ist aus der USA.-Patentschrift 683 406 bekannt. Bei dieser bekannten Maschine sind in einem kugeligen Außengehäuse zwei feststehende Gehäuseteile angeordnet, die zwischen zwei gegeneinander gerichteten, kreiskegeligen Wandflächen mit zueinander parallelen, gegen die Drehachse geneigten Grundkreisen den Kolben einschließen. Der Kolben läuft um die Drehachse mit der Winkelgeschwindigkeit der An- bzw. Abtriebswelle um und vollführt dabei um die Schwenkachse, die an der An- bzw. Abtriebswelle angeordnet ist, eine Schwingbewegung, die sich in einer Nutationsbewegung seiner Arbeitsflächen äußert. Die bekannte Maschine ist in erster Linie als Dampfmaschine gedacht, die wegen der dafür vorgesehenen Drehschiebersteuerung mit ihren begrenzten Durchtrittsquerschnitten keine hohe Umlaufgeschwindigkeit erwarten läßt. Anderenfalls würde der mit der Winkelgeschwindigkeit der Welle umlaufende Kolben eine hohe Relativgeschwindigkeit erfahren, wodurch seine Dichtflächen und -kanten wie auch seine Lagerung auf der Schwenkachse einem hohen Verschleiß unterworfen wären. Ohnehin ergibt die Lagerung auf der konstruktionsbedingt verhältnismäßig schwachen Schwenkachse keine hohe Führungsgenauigkeit. Im übrigen aber ist die Zahl der Arbeitsräume auf nur vier pro Einheit beschränkt.

Eine von vorneherein niedrigere Relativgeschwindigkeit an den radialen Dichtkanten ergibt sich mit einer schrägachsigen Rotationskolbenmaschine, wie sie aus der deutschen Auslegeschrift 1 011 896 als

ίο bekannt hervorgeht. Bei dieser Maschine sind die Arbeitsräume ebenfalls radial außen und innen durch konzentrische Kugelflächen begrenzt. Im übrigen aber werden sie von den Stirnflächen zweier um ihre Achsen unterschiedlich schnell umlaufender Wandteile eingeschlossen. Hiermit ist zwar weiterhin auch die Führungsgenauigkeit verbessert, und es können beispielsweise drei Arbeitsräume auf einem Umfang auftreten, doch ist die Umfangsgeschwindigkeit jedenfalls eines der beiden umlaufenden Teile gegenüber den inneren und äußeren Kugelflächen erheblich, so daß die dort eingesetzten Dichtungen keine hohe Lebensdauer erwarten lassen. Auch stehen die beiderseitigen Lagerstellen einer beidseitigen Anordnung der Arbeitsräume entgegen, so daß deren Gesamtzahl letzten Endes kleiner ist als bei der vorbeschriebenen Ausführung.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer schrägachsigen Rotationskolbenmaschine obengenannter Art trotz hoher Umlaufgeschwindigkeit der"•-.Welle an sämtlichen Abdichtungen verhältnismäßig niedrige Relativgeschwindigkeiten und dabei noch eine optimale Führungsgenauigkeit zu erhalten. Zusätzlich soll die Zahl der Arbeitsräume erhöht werden können.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kolben auf einer von der Welle drehfest getragenen Taumelscheibe drehbar gelagert ist und die beidseitigen Gehäuseteile je zwei bogenförmige Vorsprünge und Einbuchtungen aufweisen, während der Kolben auf jeder Seite drei Dichtkanten hat.

Insgesamt sind also in einer Einheit sechs Arbeitsräume vorhanden, je drei auf jeder Kolbenseite, und der Kolben bleibt auf Grund seines Eingriffes mit den beidseitigen Gehäuseteilen hinter der Umlaufbewegung der Taumelscheibe zurück. Damit und weil die an den radialen Dichtkanten auftretenden Dichtleisten wechselnden Anlagewinkels — im Gegensatz etwa zu den Dichtleisten an den axialen Dichtkanten bekannter Rotationskolbenmaschinen mit trochoidenförmigem Kolben — in ihrer Anpreßrichtung keiner Zentrifugalkraft ausgesetzt sind, verringert sich die Abnützung der Dichtleisten.

Zur Kolbenführung kann in an sich bekannter Weise ein Hohlrad-Ritzel-Getriebe dienen, wobei sich nun allerdings das Hohlrad an dem Kolben befindet und das Ritzel drehfest die Welle umgibt. Bei der gegebenen Ausbildung der Gehäuseteile und Kolbenstirnflächen ist dieses Getriebe so auszulegen,

öo daß auf je drei volle Umdrehungen der Welle nur eine solche des Kolbens entfällt.

Bei Ausführung der erfindungsgemäßen Maschine als Brennkraftmaschine, die nach dem Viertakt-Prinzip arbeitet, finden bei jedem Kolbenumlauf sechs Arbeitstakte statt. Je nach Bauart der Maschine können Arbeitstakte auf den beiden entgegengesetzten Kolbenseiten gleichzeitig oder abwechselnd auftreten. Dementsprechend sind zwei Zündkerzen ent-

weder diagonal gegenüberliegend oder aber einander benachbart in den beidseitigen Gehäuseteilen angeordnet. In letzterem Falle werden Rundlaufeigenschaften einer Zwölfzylinder-Viertakt-Hubkolbenmaschine erreicht, während sich im ersteren ein vollkommener Axialschubausgleich erzielen läßt.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes als Brennkraftmaschine dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die betreffende Maschine unter Weglassung des kugeligen Außengehäuses, und

Fig. 2, 3 sowie 4 entsprechend der Schnittlinie IV-IV der F i g. 1 jeweils schematisch die wichtigsten Teile der Maschine, wobei der Kolben um jeweils 30 Winkelgrade in bezug auf seine Drehachse voneinander abweichende Stellungen einnimmt. Dabei steht die Zeichnungsebene senkrecht zu der Schnittebene nach Fig. 1, wie insbesondere aus Fig. 4, Schnittlinie I-I erkennbar, bei welcher der Kolben die gleiche Stellung wie in F i g. 1 einnimmt.

Wie F i g. 1 zeigt, befindet sich auf der Welle 1, die in diesem Fall die Abtriebswelle der Maschine bildet, die Taumelscheibe 2, die axial und radial unverrückbar über ein Axialkugellager 3 und beiderseitige Kegelrollenlager 4 den ihr gegenüber drehbaren Kolben 5 trägt. Der Kolben 5 besteht im wesentlichen aus einer Kugelschale 6 mit einem radial darüber hinausragenden Kranz 7, dessen vor der Schnittebene liegender, weggeschnittener Teil durch gestrichelte Linien ergänzt ist. Seine Form geht deutlicher aus den F i g. 2 und 3 hervor. Beiderseits des Kranzes 7 ist die Kugelschale 6 von feststehenden Gehäuseteilen 8 und 9 umgeben, die zur Abdichtung gegenüber der Kugelschale 6 in entsprechenden Nuten geeignete Dichtungen 10 aufnehmen. Ähnliche Dichtungen, 11, befinden sich in einer entsprechenden Nut am Außenumfang des Kranzes 7, um mit dem nicht dargestellten Außengehäuse abzudichten. Nach der Darstellung sind die Dichtungen 11 durch Ausgleichsgewichte 12 fliehkraftentlastet. Stirnseitig sind in den Kranz 7, wie ebenfalls besser aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, an denjenigen Stellen, an denen er an den Stirnflächen der Gehäuseteile 8 und 9 abzudichten hat, radial verlaufende Dichtleistenträger 13 eingesetzt, die um eine Achse 14 schwenkbar sind.

Zur Kühlung sind in den Gehäuseteilen 8 und 9, deren Stärke im wesentlichen der Höhe des Kranzes 7 entspricht, Kühlmittelkanäle 15 vorgesehen. Auf ihrer Außenseite sind die Gehäuseteile 8 und 9 dicht von dem nicht dargestellten Außengehäuse umgeben zu denken. Durch entsprechende Bohrungen des letzteren hindurch ist in jedes der Gehäuseteile 8 und 9 eine Zündkerze 16 eingesetzt, die über einen Kanal an einer der beiden engsten Stellen mit der Stirnseite des betreffenden Gehäuseteils in Verbindung steht. Bei der gezeigten Anordnung in Fig. 1, bei der sich die beiden Zündkerzen 16 diametral gegenüberliegen, erfolgen Zündungen auf beiden Seiten des Kolbens gleichzeitig, womit ein vollkommener Axialschubausgleich erzielt wird. Es könnten aber auch die beiden Zündkerzen 16, wie in F i g. 1 gestrichelt angedeutet, einander auf derselben Seite der Maschine gegenüberliegen, wobei die Zündungen und Expansionstakte nacheinander zu erfolgen hätten. In letzterem Falle wird ein gleichmäßigeres Drehmoment erhalten, wie es etwa einem Zwölfzylinder-Viertakt-Hubkolbenmotor entspricht.

In der Figur sind weiterhin noch Ein- und Auslaßkanäle 17 bzw. 18 zu erkennen, die außerhalb der Schnittebene in der Stirnfläche der Gehäuseteile 8 und 9 münden. Sofern sie vor der Schnittebene liegen, sind sie gestrichelt, sofern sie der zuletzt beschriebenen Lage der Zündkerzen entsprechen, strichpunktiert bzw. punktiert eingezeichnet.

ίο Die Welle 1 ist in der Mittelebene der Taumelscheibe 2 geteilt, um den Kolben samt den Lagern auf die Taumelscheibe aufbringen zu können. Sie ist in den Gehäuseteilen 8 und 9 vermittels feststehender Büchsen 19 gelagert, an deren der Taumelscheibe zugewandten Stirnseiten sie sich durch Axialkugellager 20 abstützt. Den Axialkugellagern 20 wie auch den Kegelrollen- und Axialkugellagern 4 bzw. 3 auf der Taumelscheibe wird Schmier- und/oder Kühlmittel durch Kanäle 21 in der Welle 1 zugeführt, das über Kanäle 22 aus dem Innenraum des Kolbens 5 und der Gehäuseteile 8 und 9 abfließen kann. Über weitere Kanäle 23 in dem Kolben gelangt das gleiche Schmier- bzw. Kühlmittel auch an die Dichtungen und aufeinander gleitenden Wandflächen.

Zur Kolbenführung in bezug auf die Stirnflächen der Gehäuseteile 8 und 9 tragen die beiden Büchsen 19 ferner an ihren einander zugekehrten Enden jeweils ein Kegelradritzel 24, das mit einem entsprechenden Hohlrad 25 an dem Kolben kämmt. Genauer gesagt sind die Hohlräder 25 in jeweils einem an den Kolben angeschraubten Ring 26 ausgebildet, der auf seiner Außenseite eine Fortsetzung der Kugelschale 6 bildet. Das Übersetzungsverhältnis beider Hohlrad-Ritzel-Getriebe 24, 25 ist so gewählt, daß der Kolben während jeweils drei Umdrehungen der Welle 1 und damit der Taumelscheibe 2 eine Umdrehung um seine eigene Achse vollführt. Hierdurch erfährt der Kolben während jeder Umdrehung drei Nutationsbewegungen, wie dies sein Ablauf an den Stirnflächen der Gehäuseteile 8 und 9 erfordert. Die Kolbenachse selbst läuft auf einem Kegelmantel um die Mittelachse der Welle 1 um.

Diese Verhältnisse gehen besser aus den Fig. 2 und 3 hervor, in denen auch die damit verbundene, abwechselnde Vergrößerung und Verkleinerung der Arbeitsräume sichtbar ist.

Nach F i g. 2 nimmt der Kolben 5 gleichsam eine Ausgangsstellung ein, bei welcher der rechtsseitig sichtbare Arbeitsraum 27 seine geringste Größe hat, während die beiden linksseitig sichtbaren Arbeitsräume 28 und 29 fast maximal sind. Die Taumelscheibe 2 ist in ihrer betreffenden Stellung gestrichelt angedeutet. Ebenfalls sichtbar sind die Zündkerze 16 auf der linken und die Ein- bzw. Auslaßkanäle 17 und 18 auf der rechten Seite. Der Drehsinn des Kolbens wie der Welle 1 ist durch Pfeile angedeutet. In dieser Stellung ist in dem Arbeitsraum 27 gerade das Ende des Auslaßtaktes, im Arbeitsraum 28 das Ende des Ansaugtaktes und im Arbeitsraum 29 das Ende des Expansionstaktes erreicht.

Nach F i g. 3 ist der Kolben 5 um etwa 30° weitergewandert. Dabei hat der Arbeitsraum 27 eine Vergrößerung erfahren, wobei er Brennstoff-Luft-Gemisch durch den Einlaßkanal 17 aufgenommen hat. Das im Arbeitsraum 28 eingeschlossene Brennstoff-Luft-Gemisch wurde bereits etwas komprimiert, während im Arbeitsraum 29 der Ausschubtakt begonnen hat. In einem weiteren nun in Erscheinung

getretenen Arbeitsraum, 30, findet gerade die Expansion statt.

Als nächstes tritt im Arbeitsraum 27 die Kompression und im Arbeitsraum 28 die Zündung ein, während der Arbeitsraum 29 auf der Rückseite neues Brennstoff-Luft-Gemisch aufzunehmen beginnt. Diesen Zustand läßt Fig. 4 erkennen, nach welcher sich der Kolben um weitere 30° gedreht hat. Der Raum 30 hat seine maximale Größe überschritten und entläßt nun die expandierten Gase in den Auslaßkanal 18.

Wie ersichtlich, ist auf diese Weise ein Viertaktarbeitsverfahren verwirklicht, wobei bei jedem Umlauf des Kolbens auf jeder Seite drei, insgesamt also sechs Arbeitstakte stattfinden. Da die Kolbengeschwindigkeit wesentlich geringer als diejenige der Abtriebswelle ist und auf Grund der präzisen Kolbenführung werden die Dichtungsmittel geschont. Die Stirnflächen der Gehäuseteile 8 und 9 weisen nur sanfte Krümmungen auf, so daß die radial angeordneten Dichtleisten nicht zum Springen neigen, wodurch auch Rattermarken vermieden werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1 551 802 Patentansprüche:

1. Schrägachsige Rotationskolbenmaschine mit beidseitigen feststehenden Gehäuseteilen, die zwischen ihren Stirnflächen Arbeitsräume begrenzen, in denen ein Kolben umläuft, der beidseitig von Dichtkanten begrenzte Arbeitsflächen aufweist, wobei die Arbeitsräume radial außen und innen durch konzentrische Kugelflächen begrenzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (5) auf einer von der Welle (1) drehfest getragenen Taumelscheibe (2) drehbar gelagert ist und die beidseitigen Gehäuseteile (8,9) je zwei bogenförmige Vorsprünge und Einbuchtungen aufweisen, während der Kolben auf jeder Seite drei Dichtkanten (Dichtleistenträger 13) hat.

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein an sich bekanntes Hohlrad-Ritzel-Getriebe (24, 25) zur Kolbenführung vorgesehen ist.

3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, als Viertakt-Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Zündkerzen (16) diagonal gegenüberliegend in den beidseitigen Gehäuseteilen (8, 9) angeordnet sind.

4. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, als Viertakt-Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Zündkerzen (16) einander benachbart in den beidseitigen Gehäuseteilen (8, 9) angeordnet sind.