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Dokumentenidentifikation DE102005061286B4 26.06.2008
Titel Umlaufkolbenmaschine mit zwei auf einer Achse angeordneten Kolbenträgern
Anmelder Schwäbisch, Reiner, 15345 Altlandsberg, DE;
Manthey, Reinhard, 13629 Berlin, DE
Erfinder Schwäbisch, Reiner, 15345 Altlandsberg, DE;
Manthey, Reinhard, 13629 Berlin, DE
Vertreter Burghardt & Burghardt, 12524 Berlin
DE-Anmeldedatum 20.12.2005
DE-Aktenzeichen 102005061286
Offenlegungstag 28.06.2007
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 26.06.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.06.2008
IPC-Hauptklasse F01C 1/077(2006.01)A, F, I, 20051220, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F01C 1/063(2006.01)A, L, I, 20051220, B, H, DE   F02B 53/00(2006.01)A, L, I, 20051220, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine sowohl als Kraft- als auch als Arbeitsmaschine einsetzbare Umlaufkolbenmaschine mit zwei auf einer Achse zentrisch gelagerten und gegeneinander eine Relativbewegung ausübbaren Kolbenträgern, die mit mindestens zwei um 180° versetzt auf einer definierten Kreisbahn mit einem konstanten Durchmesser angeordneten Kolbenlaufbuchsen und mit darin vorgesehenen Arbeitskolben versehen sind, wobei diese Kolbenträger über jeden dieser mit einem Gelenkhebel versehenen Arbeitskolben miteinander verbunden sind und die Kolbenträger durch je ein Zahnradgetriebe, das je zwei Zahnräder mit einer elliptischen Ausbildung aufweist, die im Schnittpunkt ihres kleinsten und mit ihrem größten Durchmessers mit einem Achsabstand, dessen Summe aus dem kleinsten und größten Durchmessers immer konstant ist, einerseits mit einer An-/Ab-triebswelle je nach Ausführung als Kraft- oder Arbeitsmaschine und andererseits mit je einem der Kolbenträger verbunden sind.

In der FR 2617 905 A1 ist eine Umlaufkolbenmaschine offenbart. Diese besteht aus zwei als Module A und B bezeichnete und voneinander getrennte Kolbenträger. Jeder Kolbenträger ist mit zwei Kolben und zwei Zylinderlaufbuchsen vetrsehen, die auf einer Kreisbahn konzentrisch angeordnet sind. Die Zylinderlaufbuchsen weisen die Form von zylindrischen und konzentrisch zu einer Mittelachse gebogenen Röhren auf. Der Form der Kolbenlaufbuchsen entsprechend ist die Form der Kolben ausgebildet.

Jeder Kolbenträger ist mit zwei Kolben und mit zwei Kolbenlaufbuchsen versehen, wobei jeweils auf den dem jeweiligen Kolben abgewandten Teilen des Kolbenträgers eine Kolbenlaufbuchse vorgesehen ist, in der der Kolben des anderen Kolbenträgers arbeitet. Für den Fachmann ist nicht erkennbar, wie die Kolben, die zwar in der jeweiligen Ebene in den entsprechenden Kolbenlaufbuchsen angeordnet dargestellt sind, auch in der dritten Dimension, d. h. bei ausgeformten Kolben und geschlossenen Kolbenlaufbuchsen, in die Kolbenlaufbuchsen eingeführt (montiert) werden können.

Aus der FR 2873 401 A1 ist gleichfalls eine Umlaufkolbenmaschine bekannt, die zwei voneinander getrennte Kolbenträger mit je zwei Kolbenlaufbuchsen mit einer Form von zylindrischen und konzentrisch zu einer Mittelachse gebogenen Röhren aufweist, in denen in der Form angepasste Arbeitskolben angeordnet sind.

Auch dieser Lehre nach der FR 2873 401 A1 haftet der Nachteil an, dass dieselbe wegen der Ausbildung der Kolbenlaufbuchsen und der Arbeitskolben in der Praxis nicht realisierbar ist.

Nach der DE 197 53 134 A1 ist ein Kreiskolbenmotor bekannt, der zwei in einem Zylinder mit kreisförmigem Querschnitt angeordnete, rotierende Drehkolben nach Art des sogenannten Wankel-Motors aufweist. Diese Drehkolben sind mit koaxial angeordneten umlaufenden Antriebsachsen verbunden, wobei jede Antriebsachse eines Drehkolbens ein Ovalzahnrad aufweist. Diese mit den Antriebsachsen der Drehkolben verbundenen Ovalzahnräder sind gegeneinander um einen Winkel von 90° verdreht angeordnet. Jedes dieser Ovalzahnräder steht mit je einem gegeneinander um einen Winkel von 90° verdrehten mit einer Antriebs-/Abtriebswelle verbundenen Ovalzahnrad im Eingriff, wobei die im Eingriff stehenden Ovalzahnräder auch um einen Winkel von 90° zueinander verdreht angeordnet sind.

Jeder Ovalzahnradantrieb für einen Drehkolben ist über die Antriebs-/Abtriebswelle Bestandteil eines Zahnradgetriebes mit Ovalzahnrädern. Dieses Ovalzahnradgetriebe bestimmt den Bewegungsablauf der Drehkolben. Jeder Drehkolben weist zwei als Kolbenflügel bezeichnete Kolbenteile mit je einem radialen Querschnitt eines Kreissegments auf, wobei jede Kreissegmentfläche kleiner als die Fläche eines Viertelkreises ist.

Zwischen je einem Kolbenflügel des einen und des anderen Drehkolbens befindet sich ein Verdichtungsraum, in dem das angesaugte Kraftstoff-/Luftgemisch in dem Moment zur Explosition gebracht wird, in dem die größte Verdichtung des angesaugten Treibstoff-Luftgemisches vorliegt.

An diesem Kreiskolbenmotor treten Abdichtungsprobleme auf. Das sind die Mängel, die jede Variante eines Kreiskolbenmotors, der nach dem Grundprinzip des Wankel-Motor arbeitet, aufweist.

Nach der DE 35 21 593 A1 ist eine als Stator-Rotor-Gruppe für eine drehkolbenartige Maschine mit Kompressions- und Exspansionskammern bezeichnete Umlaufkolbenmaschine bekannt. Die in diesem Dokument beschriebene Maschine verfügt über zwei auf einer Achse gelagerte rotationssymmetrische Kolbenträger, die mittels Ringsegment-Kolben in zylindrischen Ringkanälen in Umlauf gebracht werden, wobei dieser Umlaufbewegung eine vorwärts und rückwärts gerichtete Teilbewegung überlagert ist und die Kolben auf gegeneinander beweglichen Kolbenträgern angeordnet sind, die vollscheibenartig oder ringscheibenartig ausgebildet sein können. Diese überlagerte Teilbewegung wird durch einen Kurbeltrieb in einem als Planetengetriebe bzw. Umlaufgetriebe ausgebildeten Antrieb zur Übertragung einer Umdrehungsbewegung aus einer gleichförmigen in eine ungleichförmige Bewegung für die Umlaufkolbenmaschine erzeugt. Hierzu sind die Kolbenträger mit dem Umlaufgetriebe gekoppelt, wobei bei einer Drehung des Umlaufgetriebes im Zuge des Ablaufs der Planetenräder auf einem Kernzahnrad ein Paar von Kurbelblockscheiben bei einer Drehung von Exzenterscheiben wegen der damit verursachten Verschiebung auf dem Umfang mit ungleichförmiger Geschwindigkeit gedreht werden, so daß die Kolbenträger in dem einen etwa halben Umdrehungsbereich schneller und in dem anderen langsamer gedreht werden als die Kurbelblockscheiben. Bei dieser Umwandlung der Umdrehungsbewegung aus einer gleichförmigen in eine ungleichförmige Bewegung werden die Kolbenträger und die mit diesen verbundenen Ringsegmentkolben in dem konzentrischen zylindrischen Ringkanal auf der kreisförmigen Umlaufbahn pendelnd vorwärts bewegt. Diese pendelnde Umdrehung wird im Falle eines ungleichförmigen Antriebs der Ringsegmentkolben, wie bei Kolben-Verbrennungs-Motoren, auf eine Welle übertragen.

Dieser technischen Lösung haftet der Nachteil an, daß das zur Erzeugung einer Relativbewegung der Kolbenträger eingesetzte Umlaufgetriebe im Aufbau sehr aufwendig ist. Hierdurch ist das Masse-/Leistungsverhältnis sehr ungünstig. Außerdem ist die Ausführung eines in einem Ringkanal arbeitenden Ringsegmentkolbens sehr störanfällig und in der Praxis nicht realisierbar.

Nach der DE 38 04 411 A1 ist eine mittelachsige drehkolbenartige Umlaufkolbenmaschine mit zwei mittelachsig gelagerten Läufern (Kolbenträgern), an denen ringförmig gebogene Kolben vorgesehen sind, die in ringförmig gebogene Zylinder und mit einem kreisförmigem Querschnitt eintauchen, bekannt, wobei diese Läufer (Kolbenträger) zur Erzielung eines periodisch wechselnden Verhältnisses ihrer Winkelgeschwindigkeit mit je aus einem, um 90° versetzt angeordneten und mit einander verbundenen, mit einem aus einem zweifachen Exzenterhebelantrieb bestehenden Geradschubkurbelgetriebe, das in diesem Dokument mit dem technisch fehlerhaften Begriff Ovalzahnradgetriebe bezeichnet wird, verbunden sind.

Jeder dieser Exzenterhebelantriebe des Geradschubkurbelgetriebes für diese Umlaufkolbenmaschine besteht aus zwei elliptischen Ovalzahnrädern. Alle steuernden Ovalzahnräder sind in den Brennpunkten, d. h. nicht in ihren Mittelpunkten, dem Schnittpunkt des kleinen und großen Durchmesser ihrer Ellipsen fest mit einer gemeinsamen Achse verbunden und sind um einen definierten Winkel gegeneinander verdreht angeordnet. Die beiden anderen Ovalzahnräder jedes Exzenterhebelantriebes sind fest mit je einem als Läufer bezeichneten Kolbenträger verbunden, sie kämmen mit den beiden ersten Ovalzahnrädern.

Auch die mit den beiden Kolbenträgern verbundenen Ovalzahnräder sind exzentrisch in den Brennpunkten ihrer Ellipsen an diesen Kolbenträgern befestigt. Bei der Dimensionierung des mit Ovalzahnrädern versehenen Exzenterhebelantriebes ist von den geometrischen Besonderheiten der Ellipsen ausgegangen worden. Da die Ellipse der geometrische Ort aller Punkte ist, für die die Summe der Abstände von den beiden Brennpunkten konstant ist und diese Summe der Länge der großen Achse der Ellipse entspricht, ist der Abstand zwischen der gemeinsamen "Achse" (gemeint ist hier jedoch eine Welle) der fest verbundenen Ovalzahnräder und der Mittelachse der Kolbenträger entsprechend der Länge der großen Achse der Ellipse gewählt worden.

Wird die als "Achse" bezeichnete Welle mit den damit fest verbundenen beiden Ovalzahnrädern gedreht, so bewegen sich – angetrieben über die Exzenterhebelantriebe – die beiden Kolbenträger (Läufer) ständig in derselben Richtung, jedoch mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten, so daß diese mit einem sich ständig abwechselnden Beschleunigungs-Verzögerungs-Rhythmus rotieren, d. h. sich also gegenseitig einholen, wodurch der Kolbenhub entsteht.

Die Verdichtungs- und Expansionsräume entstehen durch unterschiedliche, durch die Exzenterhebelantriebe erzeugte Relativgeschwindigkeiten zwischen dem Kolben im Zylinder des einen Kolbenträgers und des anderen Kolbenträgers. Die Maschine enthält vier, sechs oder mehr Zylinder und die gleich Anzahl Kolben. Dabei kann entweder ein Läufer (Kolbenträger) alle Zylinder und der andere Läufer alle Kolben tragen, oder jeder Läufer (Kolbenträger) trägt die gleiche Anzahl von Zylindern und Kolben, also zwei, drei oder mehr Zylinder und Kolben. In einem Läufer mit zwei n(n = 1, 2...) Zylindern und Kolben sind sowohl die Zylinder als auch die Kolben um 180°:n versetzt.

Eine nach dieser Lehre aufgebaute Umlaufkolbenmaschine weist den Mangel auf, daß diese nicht arbeitsfähig ist, weil diese nach den Informationen aus der Erfindungsbeschreibung nicht realisiert werden kann.

Ziel der Erfindung besteht darin, die sowohl die Funktionsfähigkeit einer Umlaufkolbenmaschine zu sichern, als auch eine Fertigung mit einem vertretbaren Aufwand zu gewährleisten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wahlweise als Kraft- oder Arbeitsmaschine auszubildende Umlaufkolbenmaschine mit einem großen Wirkungsgrad zu entwickeln.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 offenbarten technischen Mittel gelöst. Die in den abhängigen Ansprüchen offenbarten Merkmale beziehen sich auf eine Ausgestaltung der Mittel des unabhängigen Anspruches.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

1 eine Umlaufkolbenmaschine in einer perspektivischen Darstellung ohne Maschinengehäuse,

2 eine Draufsicht der erfindungsgemäß ausgebildeten Umlaufkolbenmaschine,

3 eine Seitenansicht aus Richtung A nach 2,

4 eine Anordnung der Kolbenträger im Radialschnitt,

5 eine perspektivische Darstellung der Anordnung der Kolbenträger zueinander nach 4,

6 eine perspektivische Darstellung der Anordnung der Kolbenträger zueinander vor der Montage,

7 einen Kolbenträger im Schnitt B-B nach 4,

8 zwei im Eingriff stehende Zahnräder mit einer elliptischen Formgebung,

9 schematische Darstellung der Kolbenträger der Umlaufkolbenmaschine in vier, um jeweils 90° gedrehten Positionen mit der entsprechenden Stellung der elliptischen Zahnräder des mit Ovalzahnrädern versehenen Getriebes zur Erzwingung einer Relativbewegung der Kolbenträger.

In einem nicht dargestellten Maschinengehäuse befindet sich die erfindungsgemäß ausgebildete Umlaufkolbenmaschine mit einem die erforderliche Relativbewegung zwischen zwei Kolbenträgern 1; 2 steuernden Ovalzahnradgetriebe. Die Umlaufkolbenmaschine besteht aus zwei getrennten rotationssymmetrischen Kolbenträgern 1; 2 mit jeweils zwei um einen Winkel von 180° versetzt zueinander angeordneten Kolbenlaufbuchsen 3; 4. Jeder Kolbenträger 1; 2 besteht aus zwei eine Baueinheit bildenden Teilen, einem Aufnahmeteil 5 und aus zwei um einen Winkel von 180° versetzt angeordneten, kreissegmentartig ausgebildeten Kopfteilen 6, wobei sich an das scheibenförmige Aufnahmeteil 5 mit einer geringen axialen Erstreckung in radialer Richtung zwei um einen Winkel von 180° versetzt angeordnete, kreissegmentartig ausgebildete Kopfteile 6 mit einer durch die Kolbenlaufbuchsen 3; 4 bestimmten axialen Erstreckung anschließen. Das Kopfteil 6 wird in radialer Richtung von zwei sich gegenüber liegenden, in axialer Richtung sich erstreckenden und sich unter einem Spreizwinkel von ca. 45°, schneidenden Stirnflächen 7; 8 begrenzt. In einer der einen Stirnflächen 7 jedes Kopfteils 6 ist je eine Kolbenlaufbuchse 3; 4 angeordnet. Die andere Stirnfläche 8 weist eine mit einer Querbohrung 9 versehene schlitzförmige Ausnehmung 10 zur Aufnahme eines einseitig mit einem Arbeitskolben 11 verbundenen Zug- und Druckkräfte aufnehmenden Gelenkhebels 12 auf. Jede Mittelachse 13 der Kolbenlaufbuchsen 3; 4 schneidet senkrecht einen Durchmesser des Kolbenträgers 1; 2. Die Kolbenlaufbuchsen 3; 4 sind damit tangential im Kolbenträgers 1; 2 angeordnet.

Die Kolbenträger 1; 2 sind auf einer gemeinsamen Achse 14 unabhängig voneinander drehbar und spiegelbildlich zueinander mit 180° versetzten Kopfteilen 6 angeordnet, wobei die Mittelachsen 13 aller Kolbenlaufbuchsen 3; 4 auf einem Teilkreis mit einem konstanten Durchmesser 15 liegen. Diese Anordnung ist darin begründet, daß das Aufnahmeteil 5 jedes Kolbenträgers 1; 2 eine gegenüber dem Kopfteil 6 geringere axiale Erstreckung aufweist, wobei das Kopfteil 6 einseitig mit dem Aufnahmeteil 5 bündig abschließt und auf der Gegenseite zu diesem bündigen Abschluß überkragend ausgeführt ist.

Jeder Kolbenträger 1; 2 ist auf der bündigen Abschlußfläche 16 von Kopfteil 6 und Aufnahmeteil 5 mit je einem, eine elliptische Formgebung aufweisenden Zahnrad 17; 18 mit der Umlaufkolbenmaschine kraftschlüssig verbunden, wobei das mit dem Kolbenträger 1 verbundene Zahnrad 17 gegenüber dem mit dem Kolbenträger 2 verbundenen Zahnrad 18 um einen Winkel von 90° versetzt angeordnet ist. Beide Zahnräder 17; 18 sind in der Ausführung identisch.

Die eine elliptische Form aufweisenden Zahnräder 17; 18 der Umlaufkolbenmaschine stehen im Eingriff mit Zahnrädern 19; 20, die kraftschlüssig in ihren Schnittpunkten des jeweiligen größeren mit dem kleineren Durchmesser mit einer Abtriebswelle 21 verbunden sind, wobei die mit der Abtriebswelle 21 verbundenen Zahnräder 19; 20 um einen Winkel von 90° gegeneinander verdreht auf der Abtriebswelle 21 angeordnet sind. Die mit der Abtriebswelle 21 verbundenen Zahnräder 19; 20 weisen eine elliptische Form auf und sind mit den Zahnrädern 17; 18 der Umlaufkolbenmaschine in der äußeren Form und den Abmessungen identisch.

In 8 sind zwei identische, um 90° verdreht zueinander angeordnete Zahnräder mit einer elliptischen Form, die im Eingriff stehen, mit einem Verhältnis des kleinen Durchmesser zum großen Durchmesser von 1:1,2 dargestellt. Die Zahnflanken der Zahnräder mit einer elliptischen Form weisen eine Zahnflankenkorrektur auf, die von dem drehwinkelabhängigen Zahnraddurchmesser abhängig ist und sich damit über den Zahnradumfang ständig und stetig ändert.

Die als Kraft- oder Arbeitsmaschine einsetzbare Kolbenumlaufmaschine ist nur mit dem vorgeschlagenen Ovalzahnradgetriebe vorgenannter Ausgestaltung funktionsfähig.


Anspruch[de]
Umlaufkolbenmaschine bestehend aus zwei zentrisch auf einer Achse unabhängig voneinander drehbar gelagerten und eine Relativbewegung zu einander ausübbaren Kolbenträgern (1; 2), wobei diese an-/abtriebsseitig zu einem Doppelantrieb mit einer An-/Abtriebwelle winkelversetzt verbunden sind und jeder Kolbenträger (1; 2) mindestens zwei um 180° versetzt, auf einer definierten Kreisbahn mit einem konstanten Durchmesser angeordnete Kolbenlaufbuchsen (3; 4) mit je einem darin vorgesehenen Arbeitskolben (11) aufweist, wobei die Kolbenträger (1; 2) über die Arbeitskolben (11) miteinander verbunden sind, wobei je eine Mittelache (13) jeder Kolbenlaufbuchse (3; 4) rechtwinklig auf einem Durchmesser (15) des jeweiligen Kolbenträgers (1; 2) steht und jeder Kolbenträger (1; 2) mit um 90° zueinander verdreht, die Form einer Ellipse aufweisenden Zahnrädern (17; 18) verbunden ist, wobei die Zahnräder (17; 18) um 90° gegeneinander verdreht mit dem jeweiligen Kolbenträger (1; 2) verbunden sind und die als Gegenräder um 90° zu den Zahnrädern (17; 18) gegeneinander verdreht eingesetzten Zahnräder (19; 20) mit einer Abtriebswelle (21) fest verbunden sind und damit Bestandteile eines Ovalzahnradgetriebes sind, wobei die elliptischen Zahnräder (17; 18; 19; 20) im Schnittpunkt des kleinsten Durchmessers und des größten Durchmessers einerseits drehbar auf der Achse (14) gelagert und andererseits auf der Abtriebswelle (21) fest verbunden sind und die Arbeitskolben (11), die in Kolbenlaufbuchsen (3) des einen Kolbenträgers (1) angeordnet sind, über Gelenkhebel (12) mit dem anderen Kolbenträger (2) und die Arbeitskolben (11), die in Kolbenlaufbuchsen (4) des anderen Kolbenträgers (2) angeordnet sind, über Gelenkhebel (12) mit dem ersteren Kolbenträger (1) verbunden sind, wobei die Kolbenlaufbuchsen (3; 4) geradlinig ausgebildet sind. Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kopfteile (6) begrenzenden Stirnflächen (7; 8) einen Winkel von ca. 45° einschließen und zwischen den Kopfteilen (6) des Kolbenträgers (1) und den Kopfteilen (6) des Kolbenträgers (2) ein Bewegungsraum besteht, der eine Relativbewegung zwischen den Kolbenträgern (1; 2) ermöglicht. Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kolbenträger (1; 2) aus einem scheibenförmigen Aufnahmeteil (5) und einem zweiteiligen Kopfteil (6.1; 6.2)) besteht, wobei in jedem Kopfteil (6.1; 6.2) je eine Kolbenlaufbuchse (3; 4) vorgesehen ist. Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder in den Kolbenlaufbuchsen (3; 4) angeordnete Arbeitskolben (11) mit einem Zug- und Druckkräfte übertragenden Gelenkhebel (12) verbunden ist. Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenträger (1; 2) mindestens zwei Kolbenlaufbuchsen (3; 4) oder ein Vielfaches von zwei Kolbenlaufbuchsen (3; 4) aufweisen. Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß diese sowohl als Kraft- als auch als Arbeitsmaschine einsetzbar ist.






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