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Innenachsige Rotationskolbenmaschine der Trochoidenbauweise
Die Erfindung betrifft eine innenachsige Rotationskolbenmaschine der Trochoidenbauweise mit einem zylindrischen Aussenläufer und einem parallelachsig und exzentrisch darin angeordneten zylindrischen Innenläufer sowie einer mit einer in bezug auf den Aussenläufer zentralen Welle fest verbundenen Kurbel und einem innenachsigen Zahnradpaar, dessen Übersetzungsverhältnis vorzugsweise 2 : 3 beträgt und von dem ein Zahnrad mit dem Aussenläufer fest verbunden und das andere auf der Kurbel drehbar gelagert ist.
Es sind schon Maschinen solcher Art bekannt, bei welchen sich Innen-und Aussenläufer gleichsinnig mit verschiedenen Winkelgeschwindigkeiten um parallele Achsen drehen, wobei das Drehzahlverhältnis durch ein Zahnradpaar bestimmt ist, wovon auch die Formen der Läufer - eine Trochoide und eine dazugehörige Hüllkurve - abhängen. Solche Maschinen besitzen meistens einen Exzenter als Lagerung des Innenläufers und ein innenachsiges Zahnradpaar, durch welches die Relativbewegung der beiden Läufer bestimmt wird. Die Relativbewegungen sind einfache Trochoidenbewegungen. Die Innenformen der Aussenläufer sind Parallelkurven zu Trochoiden mit beliebiger Bogenzahl.
Da die Achsen der beiden Läufer eine zueinander unveränderliche Lage besitzen, sind auch ihre Drehzentren zueinander unver- änderlich, und es gibt keine Berührungstangenten zusammengehöriger Läuferkurven, die einem der beiden Läufer starr zugeordnet werden können. Die Berührungstangenten führten vielmehr bei der Relativbewegung der Läufer Schwenkbewegungen gegenüber beiden Läufermittelpunkten aus, wodurch das Abdichten der Arbeitsräume solcher Verbrennungsmaschinen Schwierigkeiten bereitet.
Eine der bekannten Maschinen hat eine besondere Ähnlichkeit mit der anmeldungsgemässen Ausführung. Sie besitzt als Innenform des Aussenläufers eine Parallelkurve zu einer dreibogigen Hypotrochoide und einem Innenläufer von annähernd ellipsenförmigem Querschnitt. Aber auch deren Läuferkonturen sind aus einer einfachen Trochoidenbewegung entstanden und ihre gemeinsamen Tangenten sind nicht systemfest. Ihre Aussenläuferinnenform ist kein Gleichdick und auch keine Parallelkurve einer Hypozykloide, welche nur aus zwei überlagerten Trochoidenbewegungen entstehen kann. Für eine Verbrennungsmaschine dieser Bauart bestehen dieselben Abdichtschwierigkeiten wie für alle übrigen Trochoidenmaschinen.
Aus baulichen Gründen macht man bei Trochoidenmaschinen von der Möglichkeit Gebrauch, den Aussenläufer festzuhalten und als Maschinengehäuse auszubilden, wobei die Ordnungszahl der Bewegung des Innenläufers um Eins zunimmt. Aus zwei Drehbewegungen erster Ordnung, also um feste Achsen, wird eine Drehbewegung zweiter Ordnung, auch kreisende Bewegung oder Planetenbewegung.
Der Innenläufer dreht sich nun um seine eigene Achse, wie auch mit dieser noch um die Achse des Aussenläufers.
Die erfindungsgemässe Maschine weist das Merkmal auf, dass ein Exzenter, auf dem der Innenläufer drehbar gelagert ist, auf der Kurbel drehbar gelagert ist und koaxial zur Kurbel eine Ritzelverzahnung aufweist, die das auf der Kurbel drehbar gelagerte Zahnrad bildet, welches in das mit dem Aussenläufer fest verbundene Innenzahnrad eingreift, und dass ein zweites innenachsiges Zahnradpaar vorgesehen ist, dessen Übersetzungsverhältnis bei einem Übersetzungsverhältnis des ersten Zahnradpaares von 2 : 3, welches eine dreibogige Hypotrochoidenbewegung ergibt, 1 :
2 beträgt und somit zusätzlich eine zweibogige, nämlich gerade Hypozykloidenbewegung ergibt, wobei das kleinere Zahnrad des zweiten
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Paares als zur Kurbel koaxiale, mit der Kurbel fest verbundene Ritzelverzahnung ausgebildet ist und in das am Innenläufer vorgesehene, mit diesem koaxiale Innenzahnrad eingreift, so dass sich der geometrische Mittelpunkt des Innenläufers relativ zu dem des Aussenläufers unter Veränderung des Achsabstandes der Läufer auf einer vorzugsweise dreispitzigen Hypozykloide bewegt, und der im Querschnitt annähernd ellipsenförmige Innenläufer durch die Überlagerung seiner Drehbewegung über seine Mittelpunktbewegung mit seiner Symmetrieachse in jeder Bewegungsphase auf der Hypozykloidenbahn seines Mittelpunktes senkrecht steht, und die Endpunkte dieser Achse die Hüllkurve des Aussenläufers beschreiben,
die als Parallelkurve zur Mittelpunktsbahn ein Gleichdick darstellt, zu dem die Innenläufersym- metrieachse stets einen Durchmesser bildet und in beiden Berührungspunkten ebenfalls senkrecht steht.
Bei der Maschine nach der Erfindung bewegt sich das Innenläufermittel relativ zum Aussenläufermittel auf einer vorzugsweise dreispitzigen Hypozykloide und der ellipsenförmige Innenläufer wird derart geführt, dass die Symmetrieachse durch die relativ schmalen Stirnseiten seiner Mantelfläche immer senkrecht auf diese Hypozykloide und daher auch auf die berührende Innenwandung des Aussenläufers steht.
Der Innenläufer führt dabei relativ zum Aussenläufer eine Drehbewegung dritter Ordnung aus, welche Ähnlichkeit mit einer Schwenkbewegung aufweist. Sie entsteht aus drei Drehbewegungen erster Ordnung, welche um zueinander parallele, durch eine Kurbel und einen Exzenter verbundene Achsen erfolgen, durch Überlagerung und lässt sich durch Festhalten der Kurbel in eine Drehbewegung erster Ordnung, nämlich die des Aussenläufers, und in eine Planetenbewegung des Innenläufers zerlegen. Zwei Zahnradpaare sorgen für die konstruktionsbedingten Drehzahlverhältnisse.
Weil die eine der genannten Ausführungsmöglichkeiten wegen der kreisenden Bewegung des Innenläufers eine Ähnlichkeit mit einer bereits bekannten Bauart aufweist, sei tie in Anlehnung an diese forthin Kreiskolbenmaschine genannt, während die andere Ausführung ihrer völligen Neuheit wegen Schwenkkolbenmaschine genannt wird. Für diese werden im folgenden Konstruktion und Wirkungsweise an Hand der Zeichnungen erläutert. Fig. 1 zeigt eine beispielsweise Ausführungsform der Maschine im Schnitt und das zugehörige Getriebeschema. In den Fig. 2, 3 und 4 ist das geometrische Prinzip'des Getriebes genauer dargestellt. In Fig. 5 ist eine mögliche Anordnung von Wellen, Zahnrädern und Lagerungen im Schnitt dargestellt.
Bei der Anordnung nach Fig. 1 ist der Innenläufer 4 mit der Symmetrieachse 11 im Mittelpunkt 3 am Exzenter 9 gelenkig befestigt. Mit dem Innenläufer 4 ist ausserdem eine zum Mittel 3 konzentrische Innenverzahnung 14 starr verbunden. Diese Innenverzahnung 14 steht im Eingriff mit einem Zahnrad 6', welches starr an einem Ende 7 der Kurbel 8 sitzt, deren anderes Ende an der Welle 1 in der Mittelachse des Aussenläufers 2 befestigt ist. Am Aussenläufer
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drehfest am Exzenter 9 mit 7 als Mittelpunkt sitzt, im Eingriff. Das Verhältnis der Zähnezahlen von 6 und 10 ist 2 : 3, dasjenige von 14 und 6'ist 2 : 1.
Durch die Bewegung des Innenläufers 4 mittels des Exzenters 9 und über die Zahnradübersetzung 14 - 6'ergibt sich eine zwangsläufige Führung, da sowohl die Lage des Mittelpunktes 3 als auch die Winkellage der Symmetrieachse 11 relativ zum Aussenläufer genau bestimmt sind. Die erfindungsgemässe Maschine hat den Vorteil, dass sich die Arbeitsräume durch mehrere, in Gleitrichtung hintereinanderliegende, federnde Dichtleisten abdichten lassen, von welchen jeweils eine in der Mittelebene des Innenläufers befindliche stets auf der Innenfläche des Aussenläufers senkrecht steht. Dadurch wird ein Rattern des Innenläufers im Aussenläufer vermieden.
Bei der Ausführung als Schwenkkolbenmaschine ruht der Aussenläufer 2 ; der An- bzw. Abtrieb erfolgt an der Welle 1.
Bei der Ausführung als Kreiskolbenmaschine ruht die Kurbel 8 und dient als Motorbefestigung bzw. -aufhängung, der An-bzw. Abtrieb erfolgt vom rotierenden Aussenläufer 2. Dabei vollführt der Innenläufer 4 eine Drehbewegung zweiter Ordnung.
Die Konstruktion soll mit den durch sie ermöglichten neuen Bauformen von Verbrennungsmotoren und Pumpen eine verlustarme Arbeitsweise durch gute Abdichtung der Arbeitsräume mit konstruktiver Einfachheit durch die geringe Anzahl von nur drei bewegten Teilen vereinen. Die obendrein durch sie ermöglichte raumsparende und leichte Bauweise begünstigt ihre Anwendungsmöglichkeit beim Bau von beweglichen Antriebseinheiten.
An Hand der Fig. 2-4 werden nachstehend die kinematischen Grundlagen des Getriebes beschrieben. In Fig. 2 ist die Konstruktion der dreispitzigen Hypozykloide 5 und deren Kurvennormalen veranschaulicht. Die geometrischen Kenngrössen der Kurve ergeben sich zwangsläufig aus deren Kon-
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struktion.
Die Kurve entsteht, wenn man einen Kreis 6 mit dem Radius 2a in einem Kreis 10 mit dem Radius 3a abrollen lässt, u. zw. beschreibt jeder Umfangspunkt des inneren Kreises eine solche dreispitzige Hypozykloide, und zwei Punkte, die auf einem Durchmesser des Kreises einander gegenüberliegen, wandern jeweils auf derselben Kurve (die Hypozykloide ist der Sonderfall der Hypo- trochoiden, welch letztere von Punkten erzeugt werden, welche nicht auf dem Kreisumfang, sondern weiter innerhalb oder ausserhalb desselben liegen).
Hält man das System für einen Augenblick fest, und verbindet einen eben beschriebenen Kurven- punkt 3 durch eine Gerade mit jenem Punkt, in welchem sich die beiden Kreise 6,10 soeben berühren, so stellt diese Gerade die Kurvennormale in dem betreffenden Punkt dar. Der Kurvenpunkt ist das Ende des zweiten Kurbelarmes (Exzenters) 9 und die Gerade die Mittellinie des Innen- läufers.
Fig. 3 zeigt, wie die Mittellinie 11 technisch immer in der Normallage auf diese Kurve 5 gehalten wird. Jeder Punkt der Kurvennormalen beschreibt nun definitionsgemäss eine Parallelkurve zu der dreispitzigen Hypozykloide. Zeichnet man sich einige von diesen Parallelkurven, indem man den
Punkt der Normalen, der sie beschreibt, jeweils ein Stück auf der Normalen vom ursprünglichen Kur- venpunkt wegwandern lässt, wie in Fig. 4, so erkennt man, dass die Parallelkurven anfangs eine dreifach geschlungene Form mit sechs Spitzen aufweisen, welche aber immer kleiner werden und schliesslich verschwinden, wenn die Parallelkurve eine bestimmte Grösse (einen bestimmten Durchmesser) erreicht hat.
Sie ist schliesslich ein dreibogiges Gleichdick geworden, in welchem die Kurvennormale in jeder beliebigen Lage den Durchmesser darstellt und in beiden Endpunkten senkrecht auf die Parallelkurve auftrifft (theoretische Dichtstelle). Erst diese Gleichdicke, also die nicht verschlungenen Parallel- kurven der Hypozykloide, kommen als Innenform des Aussenläufers in Frage. Sie stehen grössenmässig in keinem Zusammenhang mit der Grundkurve, können also andern konstruktiven Erfordernissen nach
Belieben angepasst werden.
Der Mechanismus gemäss Fig. 3 weist zwei Kreise (Zahnräder 61 und 14) auf, von welchen der kleinere wieder im grösseren abrollt. Der grössere 14 ist im Innenläufer fest (Fig. 4) und der kleinere
61 fest auf Kurbel 8, so dass er sich also relativ zum Kreis 6 und dem Exzenter 9 dreht. Ihre
Radien verhalten sich wie 1 : 2 und jeder Umfangspunkt des kleineren Kreises beschreibt relativ zum grossen eine Gerade, indem der Punkt stets auf einem Durchmesser des grossen Kreises wandert.
Einer dieser Durchmesser ist aber die Mittellinie 11 des Innenläufers, und ein Punkt von 6 t (in der ge- dachten Verlängerung der Kurbel 8) wandert (in einer Ebene betrachtet) stets am Umfang des Kreises 10 (In Wirklichkeit sind die Zahnräder 61 und 10 nicht miteinander in Eingriff, sondern befindensich in zwei verschiedenen Ebenen, das eine in Eingriff mit 14 und das andere mit 6).
Da der Getriebemechanismus, welcher Innen- und Aussenläufer und deren Relativbewegungen mit- einander verbindet, mechanisch gesehen, in sich selbst kraft- und formschlüssig ist, kann er auch zur technischen Herstellung der Innenform des Aussenläufers und der Aussenform des Innenläufers durch zer- spanende Werkzeuge verwendet werden.
Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch den Motor, aus welchem eine mögliche Anordnung von Zahn- rädern, Lagerungen und Wellen ersichtlich ist. Die Bezeichnungen stimmen mit denen der andern
Figuren überein. Zur Vervollständigung ist hier, da es sich um eine Ein-Läufer-Einheit handelt, auch noch eine Anordnung der Auswuchtmassen eingezeichnet, welche aber nicht mehr zum Getriebeme- chanismus gehören und daher auch nicht näher bezeichnet sind.