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Dokumentenidentifikation DE10001962B4 22.07.2004
Titel Rotationskolbenmaschine
Anmelder Hüttlin, Herbert, Dr.h.c., 79539 Lörrach, DE
Erfinder Hüttlin, Herbert, Dr.h.c., 79539 Lörrach, DE
Vertreter Witte, Weller & Partner, 70178 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 18.01.2000
DE-Aktenzeichen 10001962
Offenlegungstag 26.07.2001
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.07.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.07.2004
IPC-Hauptklasse F01B 13/06
IPC-Nebenklasse F01B 9/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine, mit einem Gehäuse, in dem in einem umlaufenden Rotor eine Mehrzahl an Kolben umfänglich um eine Gehäusemittelachse verteilt angeordnet sind, wobei jedem Kolben eine separate Arbeitskammer zwischen einem Kolbenboden und einer Gehäuseinnenwand zugeordnet ist, deren Volumen sich beim Umlaufen der Kolben periodisch ändert, wobei die Kolben als Hubkolben ausgebildet und radial beweglich gelagert sind, und wobei ein Steuermechanismus vorgesehen ist, der die hin- und hergehende Hubbewegung der Kolben aus der Umlaufbewegung der Kolben ableitet.

Eine derartige Rotationskolbenmaschine ist aus der DE 26 16 370 C2 bekannt. Eine solche Rotationskolbenmaschine wird speziell als Rotationshubkolbenmaschine bezeichnet, da die Kolben in einem umlaufenden Rotor eine radiale Hubbewegung ausführen.

Ausgehend von herkömmlichen bekannten Hubkolbenmotoren sind die Hubkolben anstatt in einer Reihe nun rotationssymmetrisch in einem Gehäuse angeordnet und laufen in einem Rotor zusätzlich in dem Gehäuse um. Die Änderung der Volumina der einzelnen Arbeitskammern und damit der Arbeitstakte des Ansaugens, Verdichtens, Expandierens und Ausstoßens wird bei einer solchen Rotationskolbenmaschine durch die radialen hin- und hergehenden Hubbewegungen der einzelnen Kolben realisiert. Gegenüber herkömmlichen Hubkolbenmotoren besteht der Vorteil einer solchen Rotationskolbenmaschine mit Hubkolben darin, daß die Kraftausleitung aus der Maschine auf eine Abtriebswelle aus der Rotationsbewegung der Hubkolben erfolgen kann, während klassische Hubkolbenmotoren entsprechende Mechanismen zur Umformung der Hubbewegung in die Rotationsbewegung der Abtriebswelle erfordern.

Aus der eingangs genannten DE 26 16 370 C2 ist eine Rotationshubkolbenmaschine mit einer geraden Anzahl von in einem innerhalb eines stationären bzw. sich drehenden Gehäuses befindlichen Rotor bzw. stationären Bauteil sternförmig angeordneten Kolben-Zylinder-Einheiten bekannt, deren jeweils diametral gegenüberliegende Kolben über Stangen mit Gleitzapfen, die in gleichartige Führungsnuten von zwei Steuerplatten eingreifen, die beidseitig des mit einer Abtriebswelle verbundenen Rotors bzw. stationären Bauteils an dem Gehäuse befestigt sind, zu Kolbenpaaren verbunden sind. Dabei sind jeweils zwei unmittelbar benachbarte Kolbenpaare jeweils einer anderen Führungsnut zugeordnet, so daß sie nicht dieselben, sondern gegeneinander winkelversetzte, aus Oszillation und Rotation zusammengesetzte Bewegungsbahnen durchlaufen. Diese Art des Steuermechanismus der einzelnen Rotationshubkolben ist vergleichsweise aufwendig.

Eine weitere Rotationshubkolbenmaschine ist aus der DE 2 406 855 A bekannt. Diese bekannte Maschine weist zumindest einen Hubkolben und einen Zylinderblock auf, wobei der zumindest eine Hubkolben und der Zylinderblock gemeinsam bezüglich eines Stators drehbar sind. Des weiteren weist diese Maschine eine Nockenvorrichtung auf, die die hin- und hergehende Bewegung des zumindest einen Kolbens oder Zylinderblocks in eine Drehbewegung der Kolben-Zylinderblock-Anordnung umwandelt, wobei der Kolben oder Zylinderblock auf oder in einer Führung geführt ist, die die seitlichen Belastungen des hin- und hergehenden Kolbens oder Zylinderblocks aufnimmt. Jedem Kolben ist demnach eine Führung in einer Zylinderbohrung zugeordnet. Dadurch, daß jeder Kolben in einer eigenen Führung läuft, kann der innerhalb des Gehäuses für die einzelnen Kolben vorgesehene Raum nicht optimal genutzt werden, da die einzelnen Führungen, in denen die Kolben aufgenommen sind und laufen, einen entsprechenden Platz benötigen.

Bei einer aus der WO 98/13583 A1 bekannten Rotationskolbenmaschine handelt es sich um eine Art einer Rotationskolbenmaschine, die als Schwenkkolbenmaschine bzw. Rotationsschwenkkolbenmaschine bezeichnet wird.

Bei dieser bekannten Schwenkkolbenmaschine führen die Kolben in dem Gehäuse bei ihrer Umlaufbewegung zusätzlich wippenartig hin- und hergehende Schwenkbewegungen aus. Der Rotationsbewegung der einzelnen Kolben ist demnach eine Schwenkbewegung der einzelnen Kolben überlagert. Die Überlagerung aus der Rotationsbewegung und der Schwenkbewegung ändert dabei periodisch das Volumen der jedem einzelnen Kolben zugeordneten Arbeitskammer zwischen dem jeweiligen Kolbenboden des Kolbens und der Innenwand des Gehäuses, um so die zuvor genannten einzelnen Arbeitstakte auszuführen.

Zur Steuerung der Schwenkbewegungen der einzelnen Kolben beim Umlaufen in dem Gehäuse ist etwa gehäusemittig ein ortsfestes Kurvenstück vorgesehen, dessen Außenkontur eine Steuerkurve bildet, entlang der die einzelnen Kolben mit an ihren der Gehäusemittelachse zugewandten Seiten vorgesehenen Laufflächen geführt sind. Die Steuerkurve weist dazu entsprechende konkave und konvexe Bereiche auf. Des weiteren stehen jeweils benachbarte der Kolben an ihren beidseitigen Stirnflanken paarweise miteinander in Wälzeingriff, wobei der Wälzeingriff im Zusammenwirken mit der Führung der Kolben entlang der Steuerkurve des Kurvenstücks die hin- und hergehende Schwenkbewegung der einzelnen Kolben steuert.

Diese bekannte Rotationsschwenkkolbenmaschine ist hinsichtlich ihrer Funktion, Konstruktion und ihres Leistungsverhaltens vielversprechend, insbesondere ist die zylindersymmetrische Ausgestaltung des Gehäuseinnenraums, in dem die Kolben umlaufen, hinsichtlich der Konstruktion und der Laufeigenschaften dieser Maschine vorteilhaft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotationskolbenmaschine der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß eine verbesserte Art der Führung der einzelnen Hubkolben erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich der eingangs genannten Rotationskolbenmaschine dadurch gelöst, daß die Kolben an ihren in Umlaufrichtung der Kolben vorauslaufenden und nachlaufenden Stirnflanken jeweils eine Verzahnung aufweisen, und daß zwischen den Stirnflanken jeweils benachbarter Kolben jeweils eine mit einer Verzahnung versehene mit umlaufende Welle angeordnet ist, die mit den Verzahnungen der beiden benachbarten Stirnflanken der Kolben kämmend in Eingriff steht.

Bei der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine wird über die zuvor genannten Wellen eine Synchronisierung der mitunter auch entgegengesetzt gerichteten Hubbewegungen der einzelnen Kolben erreicht. Bei dieser Ausgestaltung entsteht eine Bewegungskopplung zumindest zwischen jeweils benachbarten Kolben. Der Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, daß die über die mit der Verzahnung versehene Welle miteinander in Wälzeingriff stehenden Kolben radial geführt werden und somit nicht verkippen können, insbesondere wenn jeder Kolben nur eine Lauffläche aufweist, mit der er entlang des Kurvenstücks geführt ist. Eine Tendenz zum Verkippen der Kolben kann nämlich durch die radialen und asymmetrisch auf die Längsachse der Kolben wirkenden Roll- oder Reibungskräfte zwischen den Laufflächen der Kolben und dem Kurvenstück hervorgerufen werden. Die Kopplung der einzelnen Hubkolben über die zwischengeordneten Wellen gewährleistet eine exakte radiale Führung der einzelnen Kolben.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Steuermechanismus ein etwa gehäusemittig angeordnetes ortsfestes Kurvenstück auf, das zumindest eine konkave und konvexe Bereiche aufweisende Steuerkurve aufweist, und weisen die Kolben auf ihrer der Gehäusemittelachse zugewandten Seite jeweils zumindest eine Lauffläche auf, die an der Steuerkurve anliegend geführt ist.

Diese Art eines Steuermechanismus, der an sich aus der bereits genannten WO 98/13583 A1 bekannt ist, und der sich gegenüber Nockensteuerungen mit sich bewegenden Nocken bewährt hat, stellt eine auch bei der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine mit Hubkolben vorteilhaft einfache und funktionssichere Art eines Steuermechanismus dar, um die Hubbewegungen der einzelnen Kolben zu steuern. Während bei der bekannten Schwenkkolbenmaschine die Kolben als zweiarmige Hebel ausgebildet sind, die Schwenkbewegungen ausführen, so daß die Laufflächen bei diesen Kolben außermittig angeordnet sind, kann bei den Hubkolben der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine die zumindest eine Lauffläche kolbenmittig angeordnet sein, mit dem Vorteil, daß jeder Kolben für sich eine symmetrische Massenverteilung besitzt. Die Steuerung der Hubbewegungen der einzelnen Kolben mittels eines etwa gehäusemittigen ortsfesten Kurvenstückes führt zu einer ausgeprägten Laufruhe der Rotationskolbenmaschine.

Dabei kann es bevorzugt sein, die zumindest eine Steuerkurve als Außenkontur an dem Kurvenstück auszubilden, an der die zumindest eine Lauffläche der Kolben zentripetal abgestützt geführt ist, oder als Innenkontur, an der die zumindest eine Lauffläche der Kolben zentrifugal abgestützt geführt ist.

Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn das Kurvenstück zwei Steuerkurven aufweist, von denen die eine als die Innenkontur und die andere als die Außenkontur ausgebildet ist.

Diese Ausgestaltung des Kurvenstücks mit zwei Steuerkurven, von denen die eine als Innenkontur und die andere als Außenkontur ausgebildet ist, bietet den weiteren Vorteil, daß es möglich ist, die Hubbewegung jedes einzelnen Kolbens ohne eine Bewegungskopplung, wie einem Wälzeingriff bei der bekannten Schwenkkolbenmaschine, unabhängig von den übrigen Kolben exakt zu steuern. Es wird auf diese Weise eine schienenartige Führung der einzelnen Kolben erreicht.

Dabei ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Innenkontur und die Außenkontur radial voneinander beabstandet kurvenparallel verlaufen.

Diese Maßnahme führt zu einer vorteilhaft einfachen Bauweise und zu einer vorteilhaft einfachen Ausgestaltung des Steuermechanismus, weil prinzipiell an jedem Kolben eine Lauffläche ausreicht, die sowohl entlang der Außenkontur als auch an der Innenkontur geführt wird. Die Innenkontur ist dabei an dem Kurvenstück die radial außen liegende Steuerkurve, während die Außenkontur die radial innen liegende Steuerkurve bildet.

An dieser Stelle sei erwähnt, daß die Laufflächen der Kolben sowohl als Gleitflächen als auch als Oberflächen von Laufrollen ausgebildet sein können, wobei im letzteren Fall die Reibung reduziert wird. Im Fall der Ausgestaltung der Laufflächen als Oberflächen von Laufrollen ist allerdings pro Kolben zumindest je eine Laufrolle erforderlich, von denen die eine an der Innenkontur und die andere an der Außenkontur entlang geführt ist.

Auch versteht es sich, daß sich die Außenkontur und/oder die Innenkontur nicht über den vollen Umfang und die volle axiale Länge des Kurvenstücks erstrecken muß, sondern auf Umfangs- oder axiale Teilbereiche begrenzt sein kann. Die Innenkontur kann beispielsweise an solchen Bereichen des Kurvenstücks fehlen, an denen bei der Umlaufbewegung in Überlagerung mit der Hubbewegung keine Fliehkräfte auftreten.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Steuermechanismus derart ausgebildet, daß jeweils benachbarte Kolben eine gegensinnige Hubbewegung ausführen.

Im Fall, daß die Rotationskolbenmaschine vier Kolben aufweist, führt dies dazu, daß sich jeweils die beiden gegenüberliegenden Kolben gleichsinnig bewegen, was wiederum den Vorteil einer nahezu symmetrischen Massenverteilung beim Umlauf der Kolben in dem Gehäuse mitbringt. Auf diese Weise können Unwuchten weitestgehend ausgeschlossen werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Steuermechanismus derart ausgebildet, daß jeder Kolben bei einem vollen Umlauf in dem Gehäuse zwei volle Hübe ausführt.

Bei dieser Ausgestaltung des Steuermechanismus führt die erfindungsgemäße Rotationskolbenmaschine im Falle, daß sie vier Hubkolben aufweist, über einen vollen Umlauf von 360° gesehen, vier volle Arbeitszyklen aus, oder, mit anderen Worten, bei einem Umlauf der Kolben über 90° findet ein voller Arbeitszyklus statt. Dies ermöglicht es, daß der Hub der Hubkolben im Vergleich zu einem herkömmlichen Hubkolbenmotor wesentlich geringer sein kann, um die gleiche Arbeit zu verrichten.

Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Verzahnung an den Stirnflanken der Kolben und die damit kämmende Verzahnung der Welle axial begrenzt sind, und wenn in den verbleibenden axialen Bereichen die Welle und die Stirnflanke aneinander anliegende glatte Wälzflächen aufweisen, die zwischen der Fußhöhe und der Kopfhöhe der Verzahnung liegen.

Hierbei ist von Vorteil, daß die einzelnen miteinander kämmenden Verzahnungen der Kolben und der die Synchronisation bewirkenden Wellen durch die aneinander anliegenden glatten Wälzflächen entlastet werden.

Dabei ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Wellen an einem ihrer axialen Enden über Verbindungswellen paarweise miteinander drehgekoppelt sind.

Hierbei wird eine Bewegungskopplung der Hubbewegungen der Kolben nicht nur zwischen jeweils benachbarten Kolben erreicht, sondern zwischen allen in dem Gehäuse umlaufenden Hubkolben, wodurch eine gleichmäßige Aufteilung der Kräfte an den Hubkolben erzielt wird. Der nun vollkommen synchronisierte Wälzeingriff zwischen allen Kolben verhindert wirksam ein unerwünschtes Verkippen der Kolben und bewirkt eine besonders gleichmäßige Kräfteverteilung an allen Teilen der Maschine beim Umlaufen in dem Gehäuse.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist jedem Kolben zumindest eine Gewichtsmasse zugeordnet, die bei einer radial nach innen gerichteten Hubbewegung des Kolbens radial nach außen verfahrbar ist und umgekehrt.

Diese Maßnahme ist insbesondere bei einer Ausführung der Rotationskolbenmaschine mit vier Kolben von Vorteil, wenn sich die jeweils beiden gegenüberliegenden Kolben gleichsinnig zu einander und gegensinnig zu den beiden anderen Kolben bewegen. Dabei erfahren die beiden Kolben, die sich gerade in der radial ausgefahrenen Stellung befinden, höhere Fliehkräfte als die beiden radial eingefahrenen Hubkolben. Die vorgesehenen Gewichtsmassen wirken als Massenausgleich zwischen den eingefahrenen und den ausgefahrenen Kolben, der sich entlastend auf die gesamte Mechanik der Rotationskolbenmaschine auswirkt.

Dabei ist es bevorzugt, wenn die Gewichtsmassen an den Verbindungswellen angebracht sind und durch die Drehbewegung der Verbindungswellen verfahren werden.

Durch diese Maßnahme wird die hin- und hergehende Drehbewegung der Verbindungswellen vorteilhaft dazu ausgenutzt, die zuvor genannten Gewichtsmassen radial nach innen bzw. radial nach außen im Gegensinn zu der Hubbewegung des jeweiligen Kolbens zu verfahren.

Der Ringkörper bildet demnach mit den darin vorgesehenen Öffnungen vorteilhafterweise einen einzigen Kolbenzylinder für die vorhandenen Hubkolben, wobei der Ringkörper vorteilhafterweise mit einer Abtriebswelle gekoppelt sein kann, um die Drehbewegung des Ringkörpers auf die Abtriebswelle abzuleiten.

Dabei ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Öffnungen und die Kolben im Querschnitt rund sind.

Die Ausgestaltung der Kolben als im Querschitt runde oder mit anderen Worten als zylindrische Kolben eröffnet die Möglichkeit, jeden Kolben und damit jede Arbeitskammer auf einfache Weise gegen die Gehäuseinnenwand abzudichten, und zwar, wie in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen ist, indem in die Außenumfangsseite des Ringkörpers im Bereich des Randes der Öffnungen jeweils zumindest ein Dichtring eingelassen ist.

Diese in die Außenumfangsseite des Ringkörpers im Bereich des Randes der Öffnung eingelassene Dichtung kann sich nämlich dann entsprechend einer im Querschnitt bevorzugt runden Ausgestaltung der Gehäuseinnenwand durch die bei der Rotation des Ringkörpers auftretenden Zentrifugalkräfte selbsttätig abdichtend gegen die Gehäuseinnenwand andrücken.

Es kann jedoch ebenso bevorzugt sein, die Öffnungen und die Kolben im Querschnitt rechteckig auszugestalten.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird mit Bezug auf diese hiernach näher beschrieben. Es zeigen:

1 eine Rotationskolbenmaschine im Querschnitt;

2 einen Längsschnitt durch die Rotationskolbenmaschine entlang der Linie II-II in 3;

2a) einen Endabschnitt der Rotationskolbenmaschine in einem Längsschnitt mit einer gegenüber 2 um 45° veränderten Drehstellung der Kolben;

3 einen Schnitt durch die Rotationskolbenmaschine entlang der Linie III-III in 2, allerdings mit um gegenüber 1 45° verdrehter Drehstellung der Kolben;

4 einen Schnitt durch die Rotationskolbenmaschine entlang der Linie IV-IV in 2;

5 einen Schnitt durch die Rotationskolbenmaschine entlang der Linie V-V in 2;

6 einen Schnitt durch die Rotationskolbenmaschine entlang der Linie VI-VI in 2;

7 einen Schnitt entlang der Linie VII-VII in 1; und

8 einen 7 vergleichbaren Schnitt durch eine Rotationskolbenmaschine, bei der die Kolben im Querschnitt rechteckig ausgebildet sind.

In 1 bis 7 ist eine mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehene Rotationskolbenmaschine dargestellt.

Die Rotationskolbenmaschine 10 ist eine Brennkraftmaschine, die mit einem Verbrennungsgemisch aus Luft und einem Brennstoff, wie Benzin oder Diesel oder auch Gas, betrieben werden kann.

Die Rotationskolbenmaschine 10 weist ein Gehäuse 12 auf, das ein zylindrisches Mittelsegment 14 sowie zwei endseitige Stirnsegmente 16 und 18 aufweist.

Die Stirnsegmente 16 und 18 sind mittels Schrauben 17 bzw. 19 mit dem Mittelsegment 14 dicht verschraubt.

In dem Gehäuse 12 ist eine Mehrzahl von Kolben 20, 22, 24, 26 angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind demnach vier Kolben vorgesehen.

Die Kolben 20 bis 26 sind um eine Gehäusemittelachse 29 umfänglich verteilt angeordnet. Die Rotationskolbenmaschine 10 ist insgesamt zylindersymmetrisch ausgestaltet.

Zwischen einer Gehäuseinnenwand 28 des Gehäuses 12, die entsprechend der Zylindersymmetrie des Gehäuses 12 im Querschnitt rund ist, und einem jeweiligen Kolbenboden 30 jedes Kolbens 20 bis 26 ist eine jeweilige Arbeitskammer 32 definiert, deren Volumen sich beim Umlaufen der Kolben 20 bis 26 periodisch ändert, wie hiernach noch näher beschrieben wird. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde in 1 nur eine mit 32 bezeichnete Arbeitskammer für den Kolben 26 näher bezeichnet, es versteht sich jedoch, daß die Rotationskolbenmaschine 10 entsprechend der Anzahl der Kolben 20 bis 26 vier derartige Arbeitskammern 32 aufweist.

Die Kolben 20 bis 26 sind bei der Rotationskolbenmaschine 10 als Hubkolben ausgebildet, d.h. jeder Kolben 20 bis 26 führt bei seinem Umlauf in dem Gehäuse 12 hin- und hergehende Hubbewegungen aus, wie dies bei Hubkolbenmotoren an sich der Fall ist. Im Unterschied zu einem herkömmlichen Hubkolbenmotor ist die Hubbewegung der Kolben 20 bis 26 jedoch in jeder Umlaufstellung radial gerichtet. Die Kolben 20 bis 26 sind in dem Gehäuse 12 entsprechend radial beweglich gelagert. Die Aufnahme der Kolben 2026 in dem Gehäuse 12 wird später noch näher beschrieben.

1 und 3 zeigen die Kolben 20 bis 26 im gleichen Schnitt, jedoch haben sich die Kolben 20 bis 26 in 3 gegenüber 1 um 45° in der Umlaufrichtung 27 weiter gedreht. Die Kolben 22 und 26 haben sich dabei aus ihrer in 1 gezeigten maximal radial eingefahrenen Stellung bei ihrer Drehung um 45° um die Gehäusemittelachse 29 radial etwas nach außen bewegt, während sich die Kolben 20 und 24 aus ihrer in 1 dargestellten radial maximal ausgefahrenen Stellung bei der Drehung um 45° in 3 etwas radial nach innen bewegt haben.

Die Hubbewegung der einzelnen Kolben 20 bis 26 wird dabei mittels eines Steuermechanismus aus der Umlaufbewegung der Kolben 20 bis 26 abgeleitet.

Der Steuermechanismus weist dazu etwa gehäusemittig ein ortsfestes Kurvenstück 34 auf, das mit dem Gehäuse 12 fest verbunden ist. Das Kurvenstück 34 weist dazu einen Fortsatz 35 auf, der in dem Stirnsegment 18 des Gehäuses 12 gelagert ist. Unter ortsfest ist zu verstehen, daß das Kurvenstück 34 nicht an der Umlaufbewegung der Kolben 20 bis 26 in dem Gehäuse teilnimmt. Es kann jedoch vorgesehen sein, die Winkellage des Kurvenstücks 34 veränderbar zu gestalten, um beispielsweise den Zündzeitpunkt durch Verstellen des Kurvenstücks 34 zu verändern.

Das Kurvenstück 34 erstreckt sich in dem Gehäuse 12 axial über im wesentlichen die gesamte Länge des Gehäuses 12.

Das Kurvenstück 34 weist eine Außenkontur 36 und eine Innenkontur 38 auf (vgl. insbesondere 2 und 4). Die Außenkontur 36 liegt dabei radial innerhalb der Innenkontur 38. Die Innenkontur 38 ist in Endbereichen des Kurvenstücks 34 auf der Innenseite von L-förmigen Taschen oder Flanschen 39 des Kurvenstücks 34 ausgebildet.

Während hier eine einstückige Ausgestaltung des Kurvenstücks 34 mit der Außenkontur 36 und der Innenkontur 38 dargestellt ist, kann jedoch auch eine zweiteilige Ausgestaltung des Kurvenstücks in Betracht gezogen werden.

Die Außenkontur 36 und die Innenkontur 38 verlaufen kurvenparallel zueinander, wie aus 4 hervorgeht.

Die Außenkontur 36 und die Innenkontur 38 bilden jeweils eine Steuerkurve für die Kolben 20 bis 26. Die Kolben 20 bis 26 weisen dazu jeweils auf ihrer der Gehäusemittelachse 29 zugewandten Seite zumindest eine Lauffläche 40 auf, die entlang der Steuerkurve bzw. Steuerkurven an diesen anliegend geführt sind.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist jeder Kolben 20 bis 26 insgesamt vier derartiger Laufflächen 40, 40', 40'' und 40''' auf, wobei die Laufflächen 40 und 40' entlang der die eine Steuerkurve bildenden Außenkontur 36 und die Laufflächen 40'' und 40''' entlang der die zweite Steuerkurve bildenden Innenkontur 38 geführt sind. Die Laufflächen 40, 40', 40'' und 40''' sind als Oberflächen von Laufrollen 42, 42', 42'' und 42''' ausgebildet.

Die Laufflächen 40 bzw. die Laufrollen 42 sind an den Kolben 20 bis 26 jeweils kolbenmittig angeordnet, so daß die Kolben 20 bis 26 eine symmetrische Massenverteilung bezüglich ihrer Achse in Längsrichtung des Gehäuses 12 besitzen.

An der Außenkontur 36 sind die Kolben 20 bis 26 zentripetal abgestützt, während die Kolben 20 bis 26 an der Innenkontur 38 zentrifugal abgestützt sind. Die Innenkontur 38 erstreckt sich, wie aus 2 hervorgeht, axial lediglich über Teilbereiche des Kurvenstücks 34.

Die die Steuerkurven bildende Außenkontur 36 und Innenkontur 38 sind hinsichtlich ihres Kurvenverlaufs derart ausgebildet, daß die sich jeweils gegenüberliegenden Kolben 20 und 24 bzw. 22 und 26 sich gleichsinnig bewegen, d.h. die Kolben 20 und 24 bewegen sich entweder gemeinsam radial nach innen oder radial nach außen, und ebenso die Kolben 22 und 26. Jeweils benachbarte Kolben führen dagegen eine gegensinnige Bewegung aus, d.h. die Kolben 20 und 24 beispielsweise bewegen sich radial nach außen, wenn sich die Kolben 26 und 22 radial nach innen bewegen, wie sich aus einem Vergleich der 1 mit der 3 ergibt.

Die durch die Außenkontur 36 und die Innenkontur 38 gebildeten Steuerkurven weisen abwechselnd konkave und konvexe Bereiche auf, wobei in 3 mit dem Bezugszeichen 44 ein konvexer Bereich und mit dem Bezugszeichen 46 ein konkaver Bereich bezeichnet ist.

Aufgrund des in den Figuren dargestellten Kurvenverlaufs der Außenkontur 36 und der Innenkontur 38 führen die Kolben 20 bis 26 bei einem vollen Umlauf über 360° in dem Gehäuse 12 zwei vollständige Hübe aus.

Die Kolben 20 bis 26 sind in einem in dem Gehäuse 12 mit den Kolben 20 bis 26 umlaufenden Rotor aufgenommen, der einen mittleren Ringkörper 48 (vgl. 7) aufweist, in dem entsprechend der Anzahl an Kolben 20 bis 26 vier jeweils in einem Winkelabstand von 90° umfänglich verteilte Öffnungen 50 mit im Querschnitt runder Form ausgespart sind. In den Öffnungen 50 sitzen die ebenfalls im Querschnitt rund ausgebildeten Kolben 20 bis 26.

Die runde Form der Kolben 20 bis 26 ermöglicht es, die Öffnungen 50 und damit die Kolben 20 bis 26 und damit wiederum die Arbeitskammern 32 gegen die Gehäuseinnenwand 28 mittels Dichtringen 52 abzudichten, die in eine entsprechende Nut in den mittleren Ringkörper 48 eingesetzt sind, und die beim Umlaufen der Kolben 20 bis 26 aufgrund von Fliehkräften gegen die Gehäuseinnenwand 28 gedrückt werden.

Die Dichtung ist insgesamt als Doppeldichtung ausgeführt, indem ein weiterer Dichtring 54 um den Rand der jeweiligen Öffnungen angeordnet ist.

Der mittlere Ringkörper 48 bildet, wie bereits erwähnt, einen Teil eines insgesamt zylindrischen Rotors, der gemäß 2 einen weiteren, mit dem mittleren Ringkörper 48 drehfest verbundenen Ringkörper 56 und einen mit diesem weiterhin drehfest verbundenen stirnseitigen Ringkörper 58 aufweist, an dessen äußerem stirnseitigen Ende mittig eine Abtriebswelle 60 ausgebildet ist. Auf diese Weise wird die Rotationsbewegung der Kolben 20 bis 26 über die Ringkörper 48, 56 und 58 unmittelbar in eine Rotation der Abtriebswelle 60 übertragen.

Am der Abtriebswelle 60 gegenüberliegenden Ende weist der Rotor einen weiteren Ringkörper 62 auf, der an dem Stirnsegment 18 über ein Lager 64 gelagert ist. Der gegenüberliegende Ringkörper 58 ist entsprechend über ein Lager 66 an dem Kurvenstück 34 und über ein weiteres Lager 68 an dem Stirnsegment 16 des Gehäuses 12 drehbar gelagert.

In Längsrichtung des Rotors erstrecken sich in diesem vier Achsstäbe 70, 72, 74 und 76, die mit den Ringkörpern 48, 56 und 58 fest verbunden sind.

Die Achsstäbe 70 bis 76 sind jeweils zwischen den Kolben 20 bis 26 angeordnet.

In jedem der Achsstäbe 70 bis 76 ist jeweils eine Welle 78 gelagert, d.h. es sind vier derartiger Wellen 78 vorgesehen. Jede der Wellen 78 erstreckt sich in Längsrichtung des Gehäuses 12 und läuft zusammen mit den Kolben 20 bis 76 in dem Gehäuse 12 in der Umlaufrichtung 27 mit um.

Jede der Wellen 78 weist eine Verzahnung 80 auf.

Diese Verzahnung 80 kämmt mit Verzahnungen 82 und 84 (vgl. 3), die an jedem Kolben 20 bis 26 an deren in der Umlaufrichtung 27 vorauslaufenden Stirnflanken und nachlaufenden Stirnflanken ausgebildet sind. Im Bereich dieser Stirnflanken sind die Kolben 20 bis 26 in Umfangsrichtung gesehen geringfügig eingezogen, so daß zwischen jeweils zwei Stirnflanken der Kolben 20 bis 26 eine der Wellen 78 Platz findet.

Die Verzahnungen 80 der Wellen 78 und die Verzahnungen 82 bzw. 84 der Kolben 20 bis 26 erstrecken sich jedoch nicht über die gesamte axiale Länge der Kolben 20 bis 26 und der Wellen 78, sondern sind axial auf Teilbereiche begrenzt.

In den axialen Teilbereichen außerhalb der Verzahnungen 80 bzw. 82 und 84 weisen die Wellen 78 jeweils eine glatte, im Querschnitt runde Wälzfläche 86 und die Stirnflanken der Kolben 20 bis 26 glatte Wälzflächen 87 auf. Die Wälzflächen 86 der Wellen 78 und die Wälzflächen 87 der Kolben 20 bis 26 wälzen bei der Hubbewegung der Kolben 20 bis 26 aneinander ab, ebenso wie die Verzahnungen 80 an den Verzahnungen 82 und 84.

Wie aus 6 hervorgeht, sind die Wälzflächen 86 bzw. 87 so ausgebildet, daß sie zwischen der Fußhöhe und der Kopfhöhe der Verzahnungen 80 und 82 bzw. 84 liegen.

An ihrem dem Stirnsegment 18 des Gehäuses 12 zugewandten Ende steht jede der Wellen 78 über eine Kegelradverbindung mit zwei Verbindungswellen 88 und 90 drehgekoppelt in Verbindung. Es sind insgesamt vier derartiger Verbindungswellen 88, 90 vorgesehen, wobei es auch in Betracht gezogen werden kann, nur drei derartiger Verbindungswellen 88, 90 vorzusehen.

Über die Wellen 78 und die Verbindungswellen 88, 90 sind alle Kolben 20 bis 26 in ihrer Bewegung miteinander synchronisiert. Die Synchronisation der Hubbewegungen der Kolben 20 bis 26 über die Wellen 78 und die Verbindungswellen 88, 90 dient dazu, ein Verkippen der Kolben 20 bis 26 um ihre in Längsrichtung des Gehäuses 12 verlaufenden Achsen zu vermeiden.

Gemäß 5 und 2a) ist jedem Kolben 20 bis 26 des weiteren eine Gewichtsmasse 92 zugeordnet. Die Gewichtsmassen 92 sind jeweils an den Verbindungswellen 88 bzw. 90 befestigt und damit aufgrund der hin- und hergehenden Drehbewegung der Verbindungswellen 88 und 90 relativ zu den Kolben 20 bis 26 beweglich. Durch die hin- und hergehende Drehbewegung der Verbindungswellen 88 bzw. 90 werden die Gewichtsmassen 92 zwischen einer radial ausgefahrenen und einer radial eingefahrenen Stellung hin- und herverfahren. Die jeweilige Bewegungsrichtung ist dabei derart, daß, wenn der entsprechende Kolben 20 bis 26 sich radial nach innen bewegt, die diesem Kolben zugeordnete Gewichtsmasse 92 radial nach außen verfahren wird, und umgekehrt.

Auf diese Weise wird beim Umlaufen der Kolben 20 bis 26 in den Drehstellungen, in denen sich zwei der Kolben 20 bis 26 in ihrer radial maximal eingefahren Stellung und die beiden anderen der Kolben 20 bis 26 in ihrer radial maximal ausgefahrenen Stellung befinden, durch die entsprechend gegensinnig verfahrenen Gewichtsmassen 92 eine dennoch symmetrische Massenverteilung bewirkt, wodurch eine Unwucht der Rotationskolbenmaschine 10 vermieden wird.

Die Rotationskolbenmaschine 10 weist neben den bereits erwähnten Dichtringen 52 und 54 folgende weitere Dichtungen auf.

Die Kolben 20 bis 26 sind jeweils über Dichtungen 94 und 96 an ihren Stirnflanken gegen die Achsstäbe 70 bis 76 abgedichtet (vgl. 6). Die Achsstäbe 70 bis 76 selbst sind mittels sich axial erstreckender Dichtungen 98 und 100 gegen die Gehäuseinnenwand 28 abgedichtet. Die Dichtungen 98 und 100 werden beim Umlaufen der Achsstäbe 70 bis 76 aufgrund der auftretenden Fliehkräfte gegen die Innenwand 28 des Gehäuses 12 gedrückt.

Der Ringkörper 56 des Rotors ist über eine Dichtung 102 und der Ringkörper 62 über eine Dichtung 104 gegen das Kurvenstück 34 abgedichtet. Die Dichtungen 102 und 104 sind Öldichtungen.

Die Kolben 20 bis 26 sind ferner über einem der jeweiligen Arbeitskammer 32 benachbarten Ende über einen Dichtring 106, der in den Kolben 20 bis 26 eingelassen ist, gegen die Ringkörper 56 bzw. 62 abgedichtet.

Im folgenden wird nun die Funktionsweise der Rotationskolbenmaschine 10 näher beschrieben.

Betrachtet man den Kolben 24 in 3, der sich bezüglich seiner Drehstellung in der Umlaufstellung 27 einem Einlaßkanal 108 in Gegenüberstellung befindet, so wird in die zugehörige Arbeitskammer 32 des Kolbens 24 durch den Einlaßkanal 108 gerade ein Verbrennungsgemisch angesaugt. Beim Vorbeilaufen des Kolbens 24 vergrößert sich das Volumen der Arbeitskammer 32 bis zu ihrem maximalen Volumen, das dann erreicht ist, wenn der Kolben 24 gerade vollständig den Einlaßkanal 108 passiert hat. Beim Vorbeilaufen des Kolbens 24 an dem Einlaßkanal 108 führt der Kolben 24 demnach eine radial nach innen gerichtete Hubbewegung aus, was dadurch erreicht wird, daß der Kolben 24 mit seiner Lauffläche 40 in den konkaven Bereich 46 der Steuerkurven des Kurvenstücks 34 fährt.

Von dieser Stellung aus kehrt sich die Hubbewegung des Kolbens 24 um, d.h. der Kolben 24 beginnt nun, sich radial nach außen zu bewegen, wodurch das in der Arbeitskammer 32 vorhandene Verbrennungsgemisch verdichtet wird. Die radial nach außen gerichtete Hubbewegung des Kolbens 24 wird dadurch erzielt, daß die Lauffläche 40 des Kolbens 24 auf den konvexen Bereich des Kurvenstücks 34 läuft. Sobald der Kolben 24 die Zwölfuhr-Stellung (unterhalb einer Zündkerze 110 in 3) erreicht hat, wird das maximal verdichtete Verbrennungsgemisch gezündet. Bei seinem weiteren Umlauf in der Umlaufrichtung 27 kehrt sich die Hubbewegung des Kolbens 24 wieder um, d.h. der Kolben 24 führt nach dem Zünden des Verbrennungsgemisches eine radial nach innen gerichtete Hubbewegung aus. Sobald der Kolben 24 eine Drehstellung erreicht hat, in der er sich auf Höhe eines Auslaßkanals 112 befindet, wird das verbrannte und expandierte Verbrennungsgemisch durch den Auslaßkanal 112 ausgestoßen.

Da insgesamt vier Kolben in einer Versatzstellung von 90° vorgesehen sind, führt die Rotationskolbenmaschine 10 bei einem vollen Umlauf über 360° insgesamt vier vollständige Arbeitszyklen aus. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Hubkolbenmotor ist der Hub der einzelnen Kolben 20 bis 26 der Rotationskolbenmaschine 10 klein im Verhältnis zur Fläche der Kolbenböden 30.

Die Kolbenböden 30 weisen die Kontur eines Kugeloberflächenabschnitts auf, wobei in den Kolbenböden 30 etwa mittig eine Mulde 114 ausgebildet ist, in der der Kolbenboden 30 der Kolben 20 bis 26 abgeflacht ist.

Beim Ausführen der hin- und hergehenden Hubbewegungen der Kolben 20 bis 26 sorgen die Wellen 78 in Verbindung mit den Verbindungswellen 88, 90 für eine Synchronisation der Bewegung der einzelnen Kolben 20 bis 26, die für eine gleichmäßige Kräfteverteilung an den Kolben 20 bis 26 sorgt. Eine Steuerfunktion besitzen die Wellen 78 bzw. die Verbindungswellen 88, 90 jedoch nicht, vielmehr werden die Hubbewegungen der Kolben 20 bis 26 beim Umlaufen in dem Gehäuse 12 durch das Kurvenstück 34 allein vermittelt. Die Synchronisierung der Bewegungen der Kolben 20 bis 26 durch die Wellen 78 bzw. die Verbindungswellen 88, 90 dient lediglich dazu, ein Verkippen der Kolben 20 bis 26 zu vermeiden.

In 8 ist in einem geringfügig abgewandelten Ausführungsbeispiel eine Rotationskolbenmaschine 120 dargestellt, bei der im Unterschied zur Rotationskolbenmaschine 10 die Kolben 122 im Querschnitt rechteckig ausgebildet sind. Anstelle der Dichtringe 52 und 54 der Rotationskolbenmaschine 10 ist es hier erforderlich, andere Dichtungen zu verwenden, die sich in Umfangsrichtung und in axialer Richtung erstrecken. Im übrigen entspricht die Rotationskolbenmaschine 120 der Rotationskolbenmaschine 10.

Es kann auch in Betracht gezogen werden, die Rotationskolbenmaschine dahingehend weiterzugestalten, daß in dem Gehäuse 12 bei entsprechender Vergrößerung in axialer Richtung eine weitere Anordnung von Kolben vorgesehen ist, so daß die Maschine insgesamt acht Kolben bzw. acht Zylinder aufweist. In einem solchen Fall würden die beiden Anordnungen zu je vier Kolben hinsichtlich ihrer Drehstellung um 45° zueinander versetzt angeordnet werden.


Anspruch[de]
  1. Rotationskolbenmaschine, mit einem Gehäuse (12), in dem in einem umlaufenden Rotor eine Mehrzahl an Kolben (2026) umfänglich um eine Gehäusemittelachse (29) verteilt angeordnet sind, wobei jedem Kolben (2026) eine separate Arbeitskammer (32) zwischen einem Kolbenboden (30) und einer Gehäuseinnenwand (28) zugeordnet ist, deren Volumen sich beim Umlaufen der Kolben (2026) periodisch ändert, wobei die Kolben (2026) als Hubkolben ausgebildet und radial beweglich gelagert sind, und wobei ein Steuermechanismus vorgesehen ist, der die hin- und hergehende Hubbewegung der Kolben (2026) aus der Umlaufbewegung der Kolben (2026) ableitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (2026) an ihren in Umlaufrichtung der Kolben (2026) vorauslaufenden und nachlaufenden Stirnflanken jeweils eine Verzahnung (82, 84) aufweisen, und daß zwischen den Stirnflanken jeweils benachbarter Kolben (2026) jeweils eine mit einer Verzahnung (80) versehene mitumlaufende Welle (78) angeordnet ist, die mit den Verzahnungen (82, 84) der beiden benachbarten Stirnflanken der Kolben (2026) kämmend in Eingriff steht.
  2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuermechanismus ein etwa gehäusemittig angeordnetes ortsfestes Kurvenstück (34) aufweist, das zumindest eine konkave und konvexe Bereiche (44, 46) aufweisende Steuerkurve aufweist, und daß die Kolben (2026) auf ihrer der Gehäusemittelachse (29) zugewandten Seite jeweils zumindest eine Lauffläche (40) aufweisen, mit der die Kolben (2026) an der Steuerkurve anliegend geführt sind.
  3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Steuerkurve als Außenkontur (36) an dem Kurvenstück (34) ausgebildet ist, an der die zumindest eine Lauffläche (40) der Kolben (2026) zentripetal abgestützt geführt ist.
  4. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Steuerkurve als Innenkontur (38) an dem Kurvenstück (34) ausgebildet ist, an der die zumindest eine Lauffläche (40) der Kolben (2026) zentrifugal abgestützt geführt ist.
  5. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenkontur (38) und die Außenkontur (36) radial voneinander beabstandet kurvenparallel verlaufen.
  6. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuermechanismus derart ausgebildet ist, daß jeweils benachbarte Kolben (2026) eine gegensinnige Hubbewegung ausführen.
  7. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuermechanismus derart ausgebildet ist, daß jeder Kolben (2026) bei einem vollen Umlauf über 360° in dem Gehäuse (12) zwei volle Hübe ausführt.
  8. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzahnungen (82, 84) an den Stirnflanken der Kolben (2026) und die damit kämmenden Verzahnungen (80) der Wellen (78) axial begrenzt sind, und daß in den verbleibenden axialen Bereichen die Wellen (78) und die Stirnflanken aneinander anliegende glatte Wälzflächen (86, 87) aufweisen, die zwischen der Fußhöhe und der Kopfhöhe der Verzahnungen (80, 82, 84) liegen.
  9. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen (78) an einem ihrer axialen Enden über Verbindungswellen (88, 90) paarweise miteinander drehgekoppelt sind.
  10. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Kolben (2026) zumindest eine Gewichtsmasse (92) zugeordnet ist, die bei einer radial nach innen gerichteten Hubbewegung des Kolbens (2026) radial nach außen verfahrbar ist und umgekehrt.
  11. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtsmassen (92) an den Verbindungswellen (88, 90) angebracht sind und durch die Drehbewegung der Verbindungswellen (88, 90) verfahren werden.
  12. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (2026) in Öffnungen (50) eines Ringkörpers (48) des in dem Gehäuse (12) um die Gehäusemittelachse (29) umlaufenden Rotors angeordnet sind.
  13. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (50) und die Kolben (2026) im Querschnitt rund sind.
  14. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß in die Außenumfangsseite von an dem mittleren Ringkörper (48) seitlich anliegenden Ringkörpern (56, 62) im Bereich des Randes der Öffnungen (50) jeweils zumindest ein Dichtring (52, 54) eingelassen ist.
  15. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (50) und die Kolben (2026) im Querschnitt rechteckig sind.
Es folgen 8 Blatt Zeichnungen






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