Kreiskolbenmaschine Es sind bereits Kreiskolbenmaschinen mit einem läng lichen, zwei gegenüberliegende Kreisbogen aufweisenden Kolben bekannt, bei denen der Kolben eine zentrale, mit ihrem Zentrum im Symmetriezentrum des Kolbens liegen de Öffnung aufweist und bei denen die innere Umfangs fläche dieser Kolbenöffnung auf dem Umfang eines Rades abrollt, welches auf einer durch das Symmetriezentrum der Maschine gehenden Achse angeordnet ist, wobei das Kolbenzentrum und das Symmetriezentrum der Maschine nicht zusammenfallen.
Dieser Kolben bewegt sich in einer dreibogigen Kammer, welche drei den Kolbenumfang ständig berührende Zylinder aufweist, deren Mittelpunkte mit den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks zusammen fallen, dessen Zentrum im Symmetriezentrum der Ma schine liegt.
Bei dieser Kreiskolbenmaschine führt der Kolben un- tzr stetiger Berührung mit den drei erwähnten, die Dich tungen zwischen den drei Teilkammern des Gehäuses bildenden Zylindern eine rotierende Taumelbewegung derart aus, dass während der Rotation des Kolbens um sein Zentrum dieses Kolbenzentrum gleichzeitig um das Symmetriezentrum der Maschine mit einem sich perio disch ändernden Abstand kreist.
Derartige Kreiskolbenmaschinen können entweder als Pumpen oder Kompressoren verwendet werden, wenn die das zentrale Rad tragende Achse angetrieben wird und daher dieses Rad den Kolben in die beschriebene rotie rende Taumelbewegung versetzt, oder aber auch als Ex plosionsmotor; in diesem Falle dient die das zentrale Rad tragende Achse als Abtriebswelle.
Zur Realisierung der erwähnten rotierenden Taumel bewegung des Kolbens ist es bisher bekannt, das zentrale Rad mit einer gewissen Exzentrizität auf der zentralen Achse derart anzuordnen, dass der Abstand zwischen der Drehachse und dem Mittelpunkt des Rades gerade die periodischen Abstandsschwankungen kompensiert, die das Kolbenzentrum beim Umkreisen des Symmetriezen trums der Maschine erfährt. Als zentrales Rad wurde bisher ein Zahnrad verwendet, das mit einer entsprechen den Innenverzahnung der Kolbenöffnung kämmt. Durch die Verwendung eines exzentrisch auf der zentralen Welle sitzenden Zahnrades ist man gezwungen, den Teilkreis durchmesser des Zahnrades genau gleich dem Radius des Teilkreises der Kolbeninnenverzahnung zu wählen.
Das hat wiederum zur Folge, dass das Übersetzungsverhältnis der Winkelgeschwindigkeiten zwischen Kolben und Zahn rad 1 : 4 beträgt.
Dieses Übersetzungsverhältnis von 1 : 4 der Rotations geschwindigkeiten von Kolben und Zahnrad einerseits und der bei gegebenen Maschinenabmessungen verhält- nismässig klein zu wählende Durchmesser des zentralen Zahnrades und damit der An- bzw. Abtriebswelle sind jedoch für verschiedene Anwendungen sehr ungünstig und beschränken die Kräfte, welche über das zentrale Zahnrad und die zentrale Welle übertragen werden kön nen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde. eine Kreis kolbenmaschine des eingangs beschriebenen Typs zu schaffen, bei welcher der Durchmesser des zentralen Ra des im Verhältnis zum Durchmesser der Kolbenöffnung beliebig wählbar ist und insbesondere grösser als der halbe Durchmesser der Kolbenöffnung gemacht werden kann. Man kann auf diese Weise bei gegebenen Maschi nenabmessungen, je nach den Anwendungen der Maschine und nach der Grösse der aufzubringenden bzw. zu über tragenden Kräfte, ein hinreichend starkes zentrales Rad und eine hinreichend starke zentrale Welle wählen, wobei gleichzeitig auch das Übersetzungsverhältnis der Rota tionsgeschwindigkeiten zwischen zentralem Rad und Kol ben kleiner als 4 : 1 wählbar ist.
Anstatt notwendiger weise, wie bisher, ein Durchmesserverhältnis zwischen Kolbenöffnung und zentralem Rade von 2 : 1 wählen zu müssen, kann man nunmehr beispielsweise Durchmesser verhältnisse von 3 : 2 oder 4 : 3 vorsehen. Entsprechend reduziert sich das Übersetzungsverhältnis.
Um im folgenden die allgemeine, auch der Erfindung zugrundeliegende Geometrie der bekannten Kreiskolben maschine formelmässig angeben zu können, sollen die fol genden, später bei der Beschreibung der Erfindung eben falls benutzten Bezeichnungen verwendet werden:
O = Symmetriezentrum der Maschine G = Symmetriezentrum des Kolbens S,, S._., S.: = die an den Ecken eines gleichseitigen Drei ecks liegenden Mittelpunkte der den Kol benumfang berührenden Zylinderflächen des Gehäuses s = Radius dieser Zylinder r = Teilkreisradius des zentralen Rades R = Radius der Kolbenkreisbogen A, und B_. = Mittelpunkte der beiden Kolbenkreisbogen x = Abweichung der von G beschriebenen Bahn um O von der Kreisbahn, bei der bekannten Maschine mit Exzentrizität bezeichnet.
Die grundlegende Geometrie der bekannten Kreis kolbenmaschine ist im wesentlichen durch folgende Be ziehungen gegeben: OS, = 0S_ = 0S_., = a = 7,94 r R+s=a-r Radius der Kolbenöffnung = 2 r x = 0.016 r.
Da bei der Kreiskolbenmaschine nach der Erfindung keine Zwangsbeziehung mehr zwischen den Durchmessern des zentralen Rades und der zentralen Kolbenöffnung besteht, mit anderen Worten also der mittlere Abstand zwischen dem Kolbenzentrum G und dem Symmetrie zentrum O der Maschine nicht notwendig gleich dem Ra dius r des Teilkreises des Rades ist, soll im Folgenden noch der mittlere Abstand OG =e zwischen Kolbenzentrum und Symmetriezentrum der Ma schine eingeführt werden.
Ausgehend von einer Kreiskolbenmaschine mit einem länglichen zwei gegenüberliegende Kreisbogen vom Ra dius R aufweisenden Kolben, welcher eine zentrale, mit ihrem Zentrum im Symmetriezentrum G des Kolbens liegende Öffnung aufweist, mit einem Rade vom Radius r.
dessen Umfang auf der Innenwand der Kolbenöffnung abrollt und das auf einer durch das Symmetriezentrum O der Maschine gehenden Achse angeordnet ist, wobei G und O nicht zusammenfallen, sowie mit drei den Kolben umfang berührenden Zylindern mit dem Radius s, deren Mittelpunkte S1, S@, S3 mit den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks mit dem Zentrum bei O zusammenfallen, wobei der Kolben unter stetiger Berührung mit den drei erwähn ten Zylindern eine rotierende Taumelbewegung derart ausführt, dass während der Rotation des Kolbens um sein Zentrum G dieses Kolbenzentrum um das Symmetrie zentrum O der Maschine mit einem sich periodisch zwi schen e + x und e - x ändernden Abstand kreist,
wo bei e der mittlere Abstand zwischen O und G ist, ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass das Rad kon zentrisch auf der durch das Symmetriezentrum O gehen den Achse sitzt und dass zur Kompensation der erwähnten Abweichung der Kolbenzentrumbewegung von einer exak ten Kreisbahn der Innenumfang der Kolbenöffnung in entsprechender Weise von einer exakten Zylinderfläche abweicht.
Unter Beibehaltung der allgemeinen Geometrie der be kannten Kreiskolbenmaschine gelten für die Kreiskolben maschine nach der Erfindung vorteilhaft folgende, wesent lich durch den mittleren Abstand e bestimmte Beziehun gen: OS,=OS.,=OS,=a=7,ö4e, R+s=a-e Abstand der Mittelpunkte der Kolbenkreisbogen vom Symmetriezentrum des Kolbens A,G = BIG = 2e + x;
der Durchmesser der Kolbenöffnung in Längsrichtung des Kolbens wird denn zu 2 (r + e + x), in Quer richtung des Kolbens zu 2 (r + e - x) und in der Diagonalen unter 45 zu 2 (r + e) gewählt; den ge nauen Verlauf der inneren Umfangsfläche der Kolben öffnung in den Zwischenbereichen erhält man zweck mässigerweise durch eine punktweise Konstruktion, derart, dass bei gleichmässiger Dreipunktberührung der Kolbenumfangsfläche mit den drei Zylindern die während des Abrollens des Rades auf der inneren Umfangsfläche der Kolbenöffnung auftretende Ra dialkraft in allen Kolbenstellungen gleichmässig kon stant ist.
Auf optimale Weise lässt sich diese Forderung dadurch erfüllen, dass man x = 0,016 e wählt.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen an drei schematischen Darstellungen erläutert, von denen Fig. 1 den Kolben in einer Stellung zeigt, in welcher seine Längs achse mit einer Winkelhalbierenden des Dreiecks zusam menfällt, und von denen die Figuren 2 und 3 den Kolben nach einer Drehung von 30 bzw. 60 im Uhrzeigersinne aus der Stellung nach Fig. 1 veranschaulichen. In diesen schematischen Zeichnungen sind die drei Bogen der Zy- linderkammerwand exakte Kreisbogen, deren Radius dem Radius R der Kolbenkreisbogen entspricht. Alle konstruk tiven Einzelheiten sowie alle in den Zylinderkammerwän- den angeordneten Ventile bzw.
Ein- und Austrittsöffnun gen bzw. Zündkerzen bei Verwendung als Motor sind nicht dargestellt.
Nach Fig. 1 ist der längliche Kolben 4, dessen Symme triezentrum bei G liegt, zwischen die drei Zylinder 1, 2 und 3 eingesetzt. Mit O ist das Symmetriezentrum der gesamten Maschine bzw. das Zentrum des gleichschenk ligen Dreiecks bezeichnet, dessen drei Ecken S" S., und S3 die Mittelpunkte der drei Zylinder 1, 2 und 3 bilden, die den gleichen Halbmesser s besitzen.
Der Kolben 4 weise eine zentrale Öffnung mit dem Mittelpunkt G auf, deren Umfangswand auf einem zentra len Rade 6 abrollt, dessen stationäre Drehachse und Mit telpunkt mit dem Symmetriezentrum O der Maschine zusammenfallen. Das Rad 6 sitzt also konzentrisch auf einer zentralen Welle und hat den Radius r. Es kann sich um ein Zahnrad mit dem Teilkreisdurchmesser r handeln, welches mit einer entsprechenden Innenverzahnung auf die Umfangswand der Öffnung 5 kämmt. Wenn die vom Kolben auf das Rad (oder umgekehrt) zu übertragenden Kräfte nicht zu gross sind, kann das Rad 6 auch eine glatte Zylinderfläche haben, die unter Rollreibung auf der ebenfalls glatten Umfangswand der Öffnung 5 abrollt.
Wenigstens eine der beiden Kontaktflächen wird dann vorzugsweise aus einem etwas elastisch nachgiebigen Ma terial gebildet.
Die Zylinderkammer, in welcher der Kolben 4 rotiert, ist mit 7 bezeichnet und besteht aus drei, durch Umfangs abschnitte der erwähnten Zylinder 1, 2 und 3 stetig mit einander verbundenen Kreisbogen, durch welche drei Teil kammern 10, 11 bzw. 12 definiert werden.
Der Kolben 4 besteht aus einem länglichen Körper, der von zwei diametral gegenüberliegenden Kreisbogen TU und VZ mit den Mittelpunkten A1 bzw. B1 und dem Ra dius R sowie zwei die Kreisbogen verbindenden, nähe rungsweise geraden Kurvenabschnitten UV und ZT be grenzt wird, welche die Breitseiten des Kolbens bilden und symmetrisch in bezug auf die durch A, und B, gehen de Längsachse des Kolbens sind.
Die Länge dieser Kreisbogen TU und VZ sowie die genaue Form der erwähnten Verbindungsabschnitte UV und ZT lässt sich, wie später noch gezeigt wird, genau und eindeutig aus der Forderung erfüllen, dass der Kol benumfang während der Rotation des Kolbens eine stän dig gleichbleibende dreifache Berührung mit je einem der Zylinder 1, 2 und 3 erfährt und damit eine zuver lässige Dichtung der Teilkammern 10, 11 und 12 gewähr leistet wird.
Ausgangspunkt für die Konstruktion des Kolbens und die Anordnung der drei Zylinder bilden folgende Erkennt nisse: Damit der Kolben 4 aus der auf Fig. 1 gezeigten Stel lung unter stetiger gleichmässiger Berührung seiner bei den Kreisbogenflächen mit den Zylindern S, und S2 in die auf Fig. 3 gezeigte Stellung gelangen kann, muss das Kolbenzentrum G das Symmetriezentrum O der Maschine auf einer Bahn umkreisen, deren Abstand von Symme triezentrum O periodisch um einen kleinen Betrag plus od. minus x von mittleren Abstand GO = e abweicht.
Um diese Bewegung zu realisieren bzw. diese Abweichungen des Kolbenzentrums G v. einer exakten Kreisbahn um das Symmetriezentrum O zu kompensieren, muss die Gestalt der inneren Umfangsfläche der Kolbenöffnung 5 entspre chend von einer reinen Zylinderfläche abweichend aus gebildet werden.
Und zwar muss immer dann, wenn die Kolbenlängsachse durch die Punkte A,13, mit einer Win kelhalbierenden des Dreiecks S,, S_, S3 zusammenfällt (Stellung nach Fig. 1 und nach Fig. 3), der Abstand zwi schen dem Symmetriezentrum O und dem Kolbenzen trum G ein Maximum e + x betragen, während in der auf Fig. 2 gezeigten Lage, wenn also die Querachse des Kolbens mit einer Winkelhalbierenden des Dreiecks S,, S2, S3 zusammenfällt, der Abstand OG ein Minimum e - x betragen muss.
Daraus folgt, weil ja das zentrale Rad 6 konzentrisch in bezug auf das Symmetriezentrum O angeordnet ist, dass der Durchmesser der zentralen Kolbenöffnung 6 in Längsrichtung des Kolbens 2 (r + e + x), in Querrichtung des Kolbens 2 (r + e - x) und in den Diagonalen unter 45 2 (r + e) sein muss. Die genaue Gestalt der Zwischenbereich der inneren Um fangsfläche der Kolbenöffnung lässt sich einfach aufgrund geometrischer bzw. trigonometrischer Beziehungen punkt weise bestimmen, was hier nicht näher erläutert werden soll.
Durch diese punktweise Konstruktion. der inneren Umfangsabschnitte der Kolbenöffnung, die sich praktisch unter Verwendung von vier Schablonen herstellen lässt, kann erreicht werden, dass bei einer vollständig gleich- mässigen Dreipunktberührung der Kolbenumfangsfläche mit den drei Zylindern die während des Abrollens des Rades auf der inneren Umfangsfläche der Kolbenöffnung bzw. während des Kämmens des Zahnrades 6 mit dem inneren Zahnkranz des Kolbens auftretende Radialkraft in allen Kolbenstellungen gleichmässig konstant ist.
Für die Festsetzung der Länge des Kolbens 4 ist es ferner wesentlich, dass der Abstand zwischen den Punk ten A, und B,, also zwischen den Mittelpunkten der bei den Kolbenkreisbogen, A,B, = 4 e + 2 x beträgt.
Zur Konstruktion der Kreiskolbenmaschine sind also sechs Bestimmungsstücke (OS, = 0S_ = OST = a, R, r, e, s und x) erforderlich, von denen beispielsweise die drei Grössen R, r und e frei gewählt werden können, während die anderen drei Grössen a, s und x dann mit Hilfe dreier Bestimmungsgleichungen beispielsweise als Funktion von e fest gegeben sind.
Die erste dieser Bestimmungsgleichungen kann man direkt aus Fig. 1 ablesen und lautet: R + s = a - e. Eine zweite Gleichung zwischen den Grössen a, e und x erhält man, wenn man den Lehrsatz des Pythagoras auf das Dreieck DS,A, (nach Fig. 1) anwendet, wobei D der Schnittpunkt der Kolbenlängsachse mit der Verbindungs linie zwischen den Punkten S1 und S3 ist.
Wie hier nicht näher gezeift zu werden braucht, lassen sich alle drei Sei ten dieses Dreiecks, nämlich DS,, S,A, und<B>AD</B> ohne weiteres durch die drei Bestimmungsstücke a, e und x ausdrücken. Es sei nur erwähnt, dass ja S,A, = R + s = a - e ist.
Zur Aufstellung der dritten erforderlichen Bestim mungsgleichung sei die auf Fig. 2 dargestellte Kolben lage betrachtet, in welcher der Kolben um 30 im Uhr zeigersinn gegenüber der Stellung zur Verbindungslinie S,S_ orientiert ist. In diesem Falle wendet man den Lehr satz des Pythagoras auf das Dreieck S,LA, an, wobei L der Fusspunkt der durch den Punkt A, gezogenen Senk rechten auf die Verbindungslinie S,S., ist.
Die Lage des Punktes A,, also des Zentrums des oberen Kolbenkreis bogens, hat sich bei der Drehung des Kolbens in die auf Fig. 2 dargestellte Lage längs des mit t bezeichneten Kreis bogens bewegt, der auf dem Kreis mit dem konstanten Radius R + s -um den Punkt S, liegt, da ja der Kolben 4 bei seiner Bewegung den Zylinder 1 ständig mit seinem oberen Kreisbogen berührt hat.
Wiederum lassen sich die drei Seiten des erwähnten Dreiecks, nämlich S,L, LA, und A,S,, durch die Be stimmungsstücke a, e und x ausdrücken.
Hinsichtlich der erwähnten Dreieckseiten sei lediglich bemerkt, dass A,S, = a - e und LS, = ES, - EL ist, wobei EL = GA, = 2 e + x, während A,L = S3E - S,G = a/2 + e - x ist.
Durch die oben erwähnten drei Gleichungen lässt sich sowohl a als auch x als Funktion von e ausdrücken: a = 7,94e und x = 0,016 e wobei das die für die Praxis ausreichenden abgerundeten Werte sind.
Für die Abstände zwischen den Umkehrpunkten der Mittelpunkte A,, B, der Kolbenkreisbogen gilt, wie aus einer Betrachtung des Dreiecks OA,A 3 (Fig. 1) folgt, A,A3 = A,A., = A_A, = (3 e + 2 x) - 1/ 3.
Gleichzeitig ist damit auch die genaue Grösse der Kol benkreisbogen TU und VZ bestimmt, längs deren der Kolbenumfang durch einen echten Kreisbogen gege ben ist; grafisch sind die Enden dieser Kreisbogen T und U bzw. V und Z durch die Schnittpunkte der Verbin dungslinien A,S, und A,S3 mit dem Kolbenumfang gege ben, wenn sich der Kolben in der auf Fig. 1 dargestellten Lage befindet. Trigonometrisch sind die Endpunkte der erwähnten Kolbenkreisbogen durch den Winkel y nach Fig. 1 gegeben, für den gilt: cos y = 'V 3 a/2 (R + s).
Diese Beziehung folgt direkt aus dem Dreieck S,DA,. Der bisher noch nicht bestimmte Umfangsabschnitt TZ bzw. UV des Kolbenumfangs lässt sich nun durch punktweise Konstruktion bzw. punktweise Rechnung der art ermitteln, dass man den Kolben 4 aus der in Fig. 1 dargestellten Lage sukzessive um beliebig kleine Winkel im Uhrzeigersinne dreht, wobei diese Kolbenbewegung eindeutig durch die ständige Berührung mit den Zylindern 1 und 2 definiert ist.
Man sieht ohne weiteres, dass mit Ausnahme der auf Fig. 1 dargestellten Kolbenstellung (und den entsprechenden analogen Stellungen nach jeweils einer Drehung von 60 ), in der sich zwei der Zylinder mit dem einen Kolbenkreisbogen und der dritte Zylinder mit dem Scheitelpunkt des anderen Kolbenkreisbogens in Berührung befinden, in jeder anderen Kolbenstellung je- weils einer der Zylinder mit einem Punkt auf dem einen Kolbenkreisbogen und ein zweiter Zylinder jeweils mit einem Punkt auf dem anderen Kolbenkreisbogen in Be rührung steht.
Während einer 60 -Drehung des Kolbens im Uhrzeigersinne aus der auf Fig. 1 dargestellten in die auf Fig. 3 dargestellte Lage verschiebt sich der Berüh rungspunkt U' auf dem Zylinder 1 mit dem Kolbenbogen TU längs des Zylinderbogens U'U"' und längs des Kol benkreisbogens von U bis zum Scheitelpunkt dieses Bo- (tens: gleichzeitig wandert der Berührungspunkt des an deren Kolbenkreisbogens mit dem Zylinder 2 vom Schei telpunkt bis zum Endpunkt dieses Bogens V.
Da also zwei Berührungsprofilpaare feststehen, ist die Lage des Kolbens immer exakt bestimmt, und man hat in einer b; !iebi±,en Anzahl von Zwischenstellungen lediglich je weils die durch den Mittelpunkt des dritten Zylinders (im b; trachteten Ausführungsbeispiel also durch S3) gehende Senkrechte auf der Kolbenlängsachse zu errichten. Dann ist jeweils die Grösse der halben Kolbenquerachse, die ja das Profil der Umfangsabschnitte TZ bzw. UV bz stimmt, durch die Differenz dieser Senkrechten und des Halbmessers s des Zylinders gegeben.
Selbstverständlich uenügt es. beispielsweise den Umfangsabschnitt TF nach Fig. 1 punktweise zu ermitteln, da aus Symmetriegründen dann auch der Abschnitt FZ und der Abschnitt UV be- @:annt ist.
Aufgrund einer derartigen Konstruktion stellt man dann fest, dass die Umfangsabschnitte TZ und UV um sehr geringe Beträge von der geraden Linie abweichen. So hat beispielsweise die halbe Kolbenquerachse durch den Punkt A, (Fig. 1) den Wert A, K .; R + x; die halbe Kolbenquerachse durch den Punkt H nach Fig. 1, der etwa in der Mitte zwischen den Punkten K und F liegt, hat ungefähr den Wert R + 2 x, während die halbe Kol benquerachse durch das Kolbenzentrum G genau den Wert GF = R + x hat.
Die Abweichung von der geraden Linie beträgt also höchstens das Doppelte von x = 0,016 e.
Zur Veranschaulichung der Kolben- und Radbewe gung sollen im Folgenden anhand der Figuren 1. 2 und 3 drei besondere Punkte in ihrer Bewegung verfolgt wer den. wobei angenommen wird. dass sich Kolben und Rad im Uhrzeigersinn (Pfeil f l) drehen.
Bewegung <I>der Mittelpunkte A,</I> bzw. B, <I>der Kolben-</I> <I>kreisbogen</I> Wenn sich der Berührungspunkt von Kolben 4 mit dem Zylinder 1 nach Fig. 1 längs des Zylinderbogens von U' nach U" bewegt. dann beschreibt der Mittelpunkt Al des Kolbenkreisbogens TU einen Kreisbogen von A1 nach A._ um den Punkt S, mit dem Radius R + s = konstant.
Die auf Fig. 1 eingezeichneten drei Kreisbogen A,A.,, :,X-A.; und A:,A, bilden also die geschlossene Bahn der Punkte A, bzw. B, während einer Kolbendrehung. Nach einer 30'@- bzw. 60 -Drehung des Kolbens durchläuft also der Punkt A, nach den Figuren 2 bzw. 3 die Bogen t bzw. t'.
Bewegung <I>des</I> Kolbeiiniittelpunktes <I>G</I> Das Kolbenzentrum G beschreibt eine zur Drehrich tung des Kolbens entgegengesetzt gerichtete Drehung um (las Symmetriezentrum O der Maschine. Und zwar hat der Punkt G nach einer 30 - bzw. einer 60 -Kolbendrehung die Kurve g bzw. g' nach den Figuren 2 und 3 im ent gegengesetzten Drehsinne durchlaufen. wobei der zurück gelegte Winkel doppelt so gross wie der Kolbendrehwin- kel ist, also nach Fig. 2 60 und nach Fig. 3 120 beträgt. Dabei ist zu beachten, dass der Punkt G den Punkt O mit wechselndem Abstand umkreist.
Und zwar pendelt die Bahn von G zwischen einem maximalen Abstand e + x (in den der Fig. 1 oder 3 entsprechenden Kolbenstellun gen) und einem minimalen Abstand e - x (in den der Fig. 2 entsprechenden Kolbenstellungen) hin und her, wo bei die Periode dieser Pendelbewegung 120 beträgt, was also einer Periode der Kolbenbewegung von 60 ent spricht.
<I>Bewegung des</I> Berührungspunktes <I>zwischen Rad 6 und</I> Innenwand <I>der Kolbenöffnung 5</I> Wie aus den Figuren 1, 2 und 3 zu ersehen, wandert der Berührungspunkt P zwischen Rad 6 und Innenwand der Kolbenöffnung 5 - bzw. bei Zahnrädern die Ein griffsstelle - bei einer Drehung der Kolbenlängsachse von 30 bzw. 60 um den Kolbenmittelpunkt G längs der Innenwand der Kolbenöffnung um einen Bogen PP, von insgesamt 90 bzw. 180 , bezogen auf das Kolben zentrum G.
Diese Umlaufbewegung des Kontaktpunktes zwischen Rad 6 und Innenwand der Kolbenöffnung 5 re sultiert aus der Addition zweier Teilbewegungen: Erstens aus der Drehung des Kolbens im Uhrzeigersinne (Pfeil f l) um sein Zentrum G um 30 nach Fig. 2 bzw. 60 nach Fig. 3; zweitens aus der Umlaufbewegung des Kolben zentrums G um das Maschinenzentrum O entgegengesetzt zum Uhrzeigersinne (Pfeil f2) mit der doppelten Ge schwindigkeit, also um 60 nach Fig. 2 und um 120 nach Fig. 3.
Die Winkelgeschwindigkeit des Kontaktpunktes P des Rades 6 ist also, relativ zur Innenwand der Kolbenöff nung 5, dreimal so gross wie die Winkelgeschwindigkeit des Kolbens relativ zum Gehäuse. In bezug auf das Ge häuse jedoch läuft der Kontaktpunkt P entgegengesetzt zur Drehrichtung des Kolbens nur mit der doppelten Win kelgeschwindigkeit um, da die gleichzeitig erfolgende, entgegengesetzt gerichtete Kolbendrehung dann abzuzie hen ist.
Wohlbemerkt gelten obige Betrachtungen in jedem Falle und unabhängig davon, wie gross das Durchmesser verhältnis von Rad und zentraler Kolbenöffnung gewählt wurde. Dieses Durchmesserverhältnis bestimmt seinerseits lediglich das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeiten von Kolben und zentralem Rade, also das eigentliche Über setzungsverhältnis zwischen Kolbendrehzahl und Dreh zahl der zentralen Abtriebs- bzw. Antriebswelle. Im be trachteten Ausführungsbeispiel wurde das Durchmesser verhältnis vom Rad zur zentralen Kolbenöffnung 3 : 4 ge wählt. d.h., das Rad 6 hat den Durchmesser 2 r = 6 e und die Kolbenöffnung 5 hat den mittleren Durchmesser 8 e. Daher entspricht einem Abrollwinkel von 90 bzw.
180 auf der Wand der Kolbenöffnung 5 ein um den Fak tor 4 : 3 grösserer Abrollwinkel des Rades 6 selber, d.h., der Bogen PP_ auf dem Rade 6 beträgt nach Fig. 2 bzw. Fig. 3 120 bzw. 240 . Von diesen Abrollwinkeln müssen, wenn man die echte Rotationsgeschwindigkeit des Rades 6 relativ zum Gehäuse betrachtet, die in entgegengesetz tem Sinne vom Kolbenzentrum G durchlaufenden Winkel von 60 bzw. 120 (Pfeile f2) abgezogen werden.
Das heisst, im betrachteten Ausführungsbeispiel ist bei einem Verhältnis 3 : 4 der Durchmesser von Rad 6 und Kolben öffnung 5 das Untersetzungsverhältnis der Winkelge schwindigkeiten von Kolben und Rad 6 gerade 1 : 2.
Allgemein gilt folgende Beziehung: Wenn der Kolben relativ zum Gehäuse eine Drehung um den Winkel y aus führt. dann dreht sich das Rad 6 in der gleichen Richtung relativ zum (iehMll.e nm einen Winkelwel@her der <B>Diffe-</B> renz 3 x üd minus 2 x entspricht, wobei ü, = Durchmes serverhältnis Kolbenöffnung zu Rad ist.
Diese Differenz folgt aus den obigen Betrachtungen und entspricht der mit dem Durchmesserverhältnis multiplizierten dreifachen Kontaktpunktbewegung zwischen Rad und Innenwand der Kolbenöffnung, vermindert um den doppelten Winkel der Kolbenzentrumbewegung. Allgemein gilt also für das Ver hältnis der Winkelgeschwindigkeiten uh und a" des Rades die Beziehung <I>ah /</I><B>up,</B><I>=</I> 1 / (3 üd - 2).
Beispielsweise gilt also für die Durchmesserverhält nisse üd = 2 : 1 bzw. 3 : 2 bzw. 4 : 3 bzw. 5 : 4 ein Unter setzungsverhältnis der Winkelgeschwindigkeiten von 1 : 4 bzw. 2 : 5 bzw. 1 : 2 bzw. 3 : 5,25.
Die Kreiskolbenmaschine nach der Erfindung ermög licht also eine zweckmässige Anpassung sowohl des Rad durchmessers als auch der Übersetzungsverhältnisse an die jeweiligen Anwendungen der Maschine. Durch die Möglichkeit einer punktweisen Konstruktion der Gestalt der Innenwand der Kolbenöffnung kann, wie bereits er wähnt, ein für alle beliebigen Kolbenstellungen vollständig gleichmässiger Eingriff des Rades 6 in eine entsprechende Innenverzahnung der Kolbenöffnung 5 erzielt werden;
diese Forderung ist bei der bekannten Kreiskolbenma- schine, die mit einem exzentrisch auf der zentralen Welle sitzenden Rade und einer exakten Kreisöffnung im Kol ben arbeitet, nicht genau erfüllbar, da sich tatsächlich in diesem Falle bei stetiger gleichmässiger Dreipunktberüh- rung des Kolbenumfangs mit den drei Zylindern der Ab stand zwischen dem Mittelpunkt des zentralen Rades und dem Kolbenzentrum G im Laufe der Bewegung ein wenig ändert.
Die Abstützung des Kolbens in allen seinen Stellun gen erfolgt ausschliesslich durch die Dreipunktberührung mit den drei Zylindern, und nicht etwa durch die Berüh rungsstelle zwischen zentralem Rad und Innenwand der Kolbenöffnung, so dass die antreibende bzw. angetrie bene, das Rad 6 tragende Welle keiner Radialbelastung unterliegt, sondern lediglich das reine Abtriebs- bzw. An triebsdrehmoment aufzunehmen braucht. Dadurch werden gleichzeitig die Lager dieser Welle entlastet.
Wenn mit grossen Kompressionsdrucken in den Teil kammern 10, 11 und 12 gearbeitet wird, dann empfiehlt es sich, die Zylinder 1, 2 und 3 mit einem verhältnismässig grossen Durchmesser zu wählen und gemäss der Bezie hung R + s = a - e den Kolben entsprechend klein zu gestalten, während bei geringeren Kompressionsdruk- ken ein grösserer Kolben bei entsprechend kleineren Zy lindern 1, 2 und 3 gewählt werden kann.
Abgesehen von der einfachen geometrischen Ausbil dung des Kolbens und der einfachen Lösung des Dich tungsproblems weist die Kreiskolbenmaschine nach der Erfindung noch weitere technische Vorzüge auf: Da ein und derselbe Arbeitstakt nacheinander in jeder der drei symmetrisch angeordneten Teilkammern 10, 11 bzw. 12 stattfindet, wird eine sehr gleichmässige Erwär mung des Zylinderblocks gewährleistet, und es ist ferner genügend Raum vorhanden, um die Kammerwände hin reichend zu kühlen.
Ausserdem ist das Kraft-Weg-Verhältnis während der Kompression in einer der Teilkammern besonders günstig. Es ist ohne weiteres klar, dass die Kreiskolbenma- schine nach der Erfindung als Kompressor, Pumpe, Va kuumpumpe oder Motor verwendet werden kann, wobei man im letzten Falle die Explosionskammern entweder getrennt von den Teilkammern 10, 11 und 12 anordnen oder aber diese Teilkammern selber abwechselnd als Explosionskammern verwenden kann.
Wenn man ausser- halb der Teilkammern liegende, getrennte Explosions kammern verwendet, dann finden während einer vollen Kolbenumdrehung sechs vollständige Arbeitszyklen statt, wobei in jeder der drei Teilkammern zweimal eine An- saugung und zweimal eine Kompression stattfindet. Im anderen Falle finden während einer vollen Kolbendre hung drei vollständige Arbeitszyklen statt.
Bei Pumpen und Kompressoren kann man vorteilhaf- terweise ohne jede Verzahnung zwischen Rad und Kol ben unter Verwendung einer reinen Rollreibung arbeiten, was den Aufbau der Maschine sehr vereinfacht.
Rotary piston machine There are already rotary piston machines with a longitudinal union, two opposing circular arcs having piston, in which the piston has a central opening with its center in the center of symmetry of the piston and in which the inner circumference surface of this piston opening rolls on the circumference of a wheel , which is arranged on an axis passing through the center of symmetry of the machine, the piston center and the center of symmetry of the machine not coinciding.
This piston moves in a three-arched chamber, which has three cylinders in constant contact with the piston circumference, the centers of which coincide with the corners of an equilateral triangle, the center of which is in the center of symmetry of the machine.
In this rotary piston machine, the piston executes a rotating tumbling motion in constant contact with the three mentioned cylinders that form the seals between the three sub-chambers of the housing, so that during the rotation of the piston around its center, this piston center simultaneously around the center of symmetry of the machine circles with a periodically changing distance.
Such rotary piston machines can be used either as pumps or compressors when the axle carrying the central wheel is driven and therefore this wheel puts the piston in the described rotating tumbling motion, or as an explosion engine; In this case, the axle carrying the central wheel serves as the output shaft.
To realize the mentioned rotating tumbling movement of the piston, it is previously known to arrange the central wheel with a certain eccentricity on the central axis in such a way that the distance between the axis of rotation and the center of the wheel just compensates for the periodic fluctuations in distance that circle the piston center the center of symmetry of the machine. A gear was previously used as the central wheel, which meshes with a corresponding internal toothing of the piston opening. By using a gear seated eccentrically on the central shaft, you are forced to choose the pitch circle diameter of the gear exactly equal to the radius of the pitch circle of the internal piston toothing.
This in turn means that the transmission ratio of the angular velocities between the piston and the gear wheel is 1: 4.
This transmission ratio of 1: 4 of the rotational speeds of piston and gear on the one hand and the relatively small diameter of the central gear and thus of the input and output shaft, which can be selected for given machine dimensions, are very unfavorable for various applications and limit the forces which can be transmitted via the central gear and the central shaft.
The invention is based on the object. to create a circular piston machine of the type described in the opening paragraph, in which the diameter of the central Ra can be arbitrarily selected in relation to the diameter of the piston opening and, in particular, can be made larger than half the diameter of the piston opening. In this way, given machine dimensions, depending on the applications of the machine and the size of the forces to be applied or transmitted, a sufficiently strong central wheel and a sufficiently strong central shaft can be selected, with the transmission ratio of the rotation speeds at the same time between the central wheel and the piston less than 4: 1 can be selected.
Instead of necessarily having to choose a diameter ratio between the piston opening and the central wheel of 2: 1, as was previously the case, you can now provide for example diameter ratios of 3: 2 or 4: 3. The transmission ratio is reduced accordingly.
In order to be able to specify in the following the general geometry of the known rotary piston machine on which the invention is based, the following terms, also used later in the description of the invention, should be used:
O = center of symmetry of the machine G = center of symmetry of the piston S ,, S._., S .: = the center points of the cylinder surfaces of the housing touching the piston circumference, lying at the corners of an equilateral triangle s = radius of these cylinders r = pitch circle radius of the central one Rades R = radius of the piston arcs A, and B_. = Midpoints of the two piston arcs x = deviation of the path described by G by O from the circular path, referred to in the known machine as eccentricity.
The basic geometry of the known circular piston machine is essentially given by the following relationships: OS, = 0S_ = 0S_., = A = 7.94 r R + s = a-r radius of the piston opening = 2 r x = 0.016 r.
Since in the rotary piston machine according to the invention there is no longer a forced relationship between the diameters of the central wheel and the central piston opening, in other words the mean distance between the piston center G and the symmetry center O of the machine does not necessarily equal the radius r of the pitch circle of the Wheel, the mean distance OG = e between the center of the piston and the center of symmetry of the machine will be introduced below.
Starting from a rotary piston machine with an elongated piston having two opposite circular arcs from the radius R, which has a central opening located with its center in the center of symmetry G of the piston, with a wheel of radius r.
the circumference of which rolls on the inner wall of the piston opening and which is arranged on an axis passing through the center of symmetry O of the machine, G and O do not coincide, as well as with three cylinders with the radius s in contact with the piston circumference, the centers of which are S1, S @, S3 coincide with the corners of an equilateral triangle with the center at O, with the piston in constant contact with the three mentioned cylinders executing a rotating tumbling motion in such a way that during the rotation of the piston about its center G this piston center about the symmetry center O der Machine circles with a periodically changing distance between e + x and e - x,
where at e is the mean distance between O and G, the invention is characterized in that the wheel concentrically sits on the axis going through the center of symmetry O and that to compensate for the mentioned deviation of the piston center movement from an exact circular path, the inner circumference of the Piston opening deviates in a corresponding manner from an exact cylinder surface.
While maintaining the general geometry of the known rotary piston machine, the following advantageously apply to the rotary piston machine according to the invention, depending on the mean distance e: OS, = OS., = OS, = a = 7, ö4e, R + s = ae distance of the center points of the piston arcs from the center of symmetry of the piston A, G = BIG = 2e + x;
the diameter of the piston opening in the longitudinal direction of the piston is chosen to be 2 (r + e + x), in the transverse direction of the piston to 2 (r + e - x) and in the diagonal under 45 to 2 (r + e); The exact course of the inner circumferential surface of the piston opening in the intermediate areas is expediently obtained by a point-by-point construction, in such a way that, with even three-point contact of the piston circumferential surface with the three cylinders, the radial force occurring during the rolling of the wheel on the inner circumferential surface of the piston opening is uniformly constant in all piston positions.
This requirement can be optimally fulfilled by choosing x = 0.016 e.
The invention is explained with reference to the drawings of three schematic representations, of which Fig. 1 shows the piston in a position in which its longitudinal axis coincides with an angle bisector of the triangle, and of which Figures 2 and 3 show the piston after one rotation illustrate from 30 and 60 clockwise from the position of FIG. In these schematic drawings the three arcs of the cylinder chamber wall are exact arcs of a circle, the radius of which corresponds to the radius R of the arcs of the piston. All structural details as well as all valves or valves arranged in the cylinder chamber walls.
Inlet and outlet openings or spark plugs when used as an engine are not shown.
According to Fig. 1, the elongated piston 4, the Symme triezentrum is at G, between the three cylinders 1, 2 and 3 is used. With O the center of symmetry of the entire machine or the center of the isosceles triangle is referred to, the three corners of which S "S., and S3 form the centers of the three cylinders 1, 2 and 3, which have the same radius s.
The piston 4 has a central opening with the center G, the peripheral wall of which rolls on a zentra len wheel 6, the stationary axis of rotation and center point coincide with the center of symmetry O of the machine. The wheel 6 is seated concentrically on a central shaft and has the radius r. It can be a gear with the pitch circle diameter r, which meshes with a corresponding internal toothing on the peripheral wall of the opening 5. If the forces to be transmitted from the piston to the wheel (or vice versa) are not too great, the wheel 6 can also have a smooth cylinder surface which rolls on the likewise smooth peripheral wall of the opening 5 with rolling friction.
At least one of the two contact surfaces is then preferably formed from a somewhat elastically resilient material.
The cylinder chamber in which the piston 4 rotates is denoted by 7 and consists of three circular arcs continuously connected by circumferential sections of the aforementioned cylinders 1, 2 and 3, through which three sub-chambers 10, 11 and 12 are defined.
The piston 4 consists of an elongated body, which is bordered by two diametrically opposed circular arcs TU and VZ with the centers A1 and B1 and the radius R and two approximately straight curve sections UV and ZT connecting the circular arcs, which are the broad sides of the piston and are symmetrical with respect to the longitudinal axis of the piston going through A and B.
The length of these circular arcs TU and VZ as well as the exact shape of the mentioned connecting sections UV and ZT can, as will be shown later, be met precisely and clearly from the requirement that the piston circumference has constant three-fold contact during the rotation of the piston each one of the cylinders 1, 2 and 3 experiences and thus a reliable seal of the sub-chambers 10, 11 and 12 is guaranteed.
The starting point for the design of the piston and the arrangement of the three cylinders are the following: So that the piston 4 moves from the position shown in Fig. 1 with constant, even contact of its at the circular arc surfaces with the cylinders S and S2 in the position shown in Fig. 3 can reach the position shown, the piston center G must circle the center of symmetry O of the machine on a path whose distance from the center of symmetry O periodically deviates by a small amount plus or minus x from the mean distance GO = e.
In order to realize this movement or these deviations in the piston center G v. To compensate for an exact circular path around the center of symmetry O, the shape of the inner peripheral surface of the piston opening 5 must accordingly be formed differently from a pure cylinder surface.
Whenever the piston longitudinal axis through points A, 13, coincides with a corner bisecting triangle S ,, S_, S3 (position according to FIG. 1 and according to FIG. 3), the distance between the center of symmetry O and the piston center G be a maximum e + x, while in the position shown in Fig. 2, when the transverse axis of the piston coincides with an angle bisector of the triangle S ,, S2, S3, the distance OG must be a minimum e - x .
Since the central wheel 6 is arranged concentrically with respect to the center of symmetry O, it follows that the diameter of the central piston opening 6 in the longitudinal direction of the piston 2 (r + e + x), in the transverse direction of the piston 2 (r + e - x ) and must be below 45 2 (r + e) in the diagonals. The exact shape of the intermediate area of the inner circumferential surface of the piston opening can be easily determined point by point on the basis of geometric or trigonometric relationships, which will not be explained in more detail here.
Through this point-by-point construction. of the inner circumferential sections of the piston opening, which can practically be produced using four templates, can be achieved with a completely even three-point contact of the piston circumferential surface with the three cylinders that during the rolling of the wheel on the inner circumferential surface of the piston opening or during the meshing of the gear 6 with the inner ring gear of the piston occurring radial force is uniformly constant in all piston positions.
For the determination of the length of the piston 4 it is also essential that the distance between the points A, and B ,, ie between the centers of the piston arcs, A, B, = 4 e + 2 x.
For the construction of the rotary piston machine, therefore, six determinants (OS, = 0S_ = OST = a, R, r, e, s and x) are required, of which, for example, the three variables R, r and e can be freely selected, while the other three The quantities a, s and x are then given with the help of three determining equations, for example as a function of e.
The first of these determining equations can be read off directly from FIG. 1 and reads: R + s = a - e. A second equation between the quantities a, e and x is obtained if the Pythagorean theorem is applied to the triangle DS, A, (according to FIG. 1), where D is the intersection of the piston longitudinal axis with the connecting line between the points S1 and S3 is.
As need not be shown here, all three sides of this triangle, namely DS ,, S, A, and <B> AD </B> can easily be expressed by the three defining pieces a, e and x. It should only be mentioned that yes S, A, = R + s = a - e.
To set up the third required equation, consider the piston position shown in FIG. 2, in which the piston is oriented clockwise at 30 o'clock in relation to the position of the connecting line S, S_. In this case, the Pythagorean theorem is applied to the triangle S, LA, where L is the base of the perpendicular drawn through point A on the connecting line S, S.
The position of point A, ie the center of the upper piston circle, has moved along the arc of the circle marked with t when the piston is rotated into the position shown in FIG. 2, which is on the circle with the constant radius R + s - is around the point S, since the piston 4 has constantly touched the cylinder 1 with its upper circular arc during its movement.
Again, the three sides of the triangle mentioned, namely S, L, LA, and A, S ,, can be expressed by the pieces a, e and x.
With regard to the triangle sides mentioned, it should only be noted that A, S, = a - e and LS, = ES, - EL, where EL = GA, = 2 e + x, while A, L = S3E - S, G = a / 2 + e - x.
Using the three equations mentioned above, both a and x can be expressed as a function of e: a = 7.94e and x = 0.016e, these being the rounded values sufficient for practical use.
For the distances between the reversal points of the centers A ,, B, the piston arc, as follows from a consideration of the triangle OA, A 3 (Fig. 1), A, A3 = A, A., = A_A, = (3 e + 2 x) - 1/3.
At the same time, the exact size of the piston arc TU and VZ is determined along which the piston circumference is given by a real arc; graphically, the ends of these circular arcs T and U or V and Z through the intersection of connec tion lines A, S, and A, S3 with the piston circumference are given when the piston is in the position shown in FIG. Trigonometrically, the end points of the mentioned piston arcs are given by the angle y according to FIG. 1, for which applies: cos y = 'V 3 a / 2 (R + s).
This relationship follows directly from the triangle S, DA ,. The not yet determined circumferential section TZ or UV of the piston circumference can now be determined by point-by-point construction or point-by-point calculation such that the piston 4 is successively rotated clockwise through any small angle from the position shown in FIG Piston movement is clearly defined by constant contact with cylinders 1 and 2.
It can readily be seen that with the exception of the piston position shown in FIG. 1 (and the corresponding analogous positions after each rotation of 60), in which two of the cylinders with one piston arc and the third cylinder with the apex of the other piston arc in Are in contact, in every other piston position one of the cylinders is in contact with a point on one arc of the piston and a second cylinder is in contact with a point on the other arc of the piston.
During a 60 clockwise rotation of the piston from the position shown in Fig. 1 to the position shown in Fig. 3, the contact point U 'moves on the cylinder 1 with the piston arc TU along the cylinder arc U'U "' and along the Piston circular arc from U to the apex of this bottom (tens: at the same time the point of contact of the other piston arc with cylinder 2 moves from the apex to the end point of this arc V.
Since two contact profile pairs are fixed, the position of the piston is always exactly determined, and one has in a b; ! iebi ±, en number of intermediate positions only ever to establish the perpendicular to the longitudinal axis of the piston, which passes through the center point of the third cylinder (in the example shown in the embodiment, ie through S3). Then the size of half the piston transverse axis, which is the profile of the circumferential sections TZ or UV bz, is given by the difference between this perpendicular and the radius s of the cylinder.
Of course it is not enough. for example, to determine the circumferential section TF according to FIG. 1 point by point, since the section FZ and the section UV are then also included for reasons of symmetry.
On the basis of such a construction, it is found that the circumferential sections TZ and UV deviate from the straight line by very small amounts. For example, half the transverse axis of the piston through point A, (FIG. 1) has the value A, K .; R + x; the half piston transverse axis through the point H of Fig. 1, which is approximately in the middle between the points K and F, has approximately the value R + 2 x, while half the Kol benquerachse through the piston center G exactly the value GF = R + x has.
The deviation from the straight line is therefore at most twice x = 0.016 e.
To illustrate the piston and wheel movement, three particular points in their movement will be followed in the following on the basis of FIGS. 1, 2 and 3. where is assumed. that the piston and wheel turn clockwise (arrow f l).
Movement <I> of the centers A, </I> or B, <I> of the piston </I> <I> circular arc </I> when the contact point of piston 4 with cylinder 1 according to FIG. 1 is longitudinal of the cylinder arc moved from U 'to U ". Then the center point A1 of the piston circular arc TU describes a circular arc from A1 to A._ around the point S, with the radius R + s = constant.
The three arcs A, A. ,,:, X-A .; and A:, A, thus form the closed path of points A and B, respectively, during one piston rotation. After a 30 'or 60' rotation of the piston, point A passes through, according to FIGS. 2 and 3, the arc t or t '.
Movement <I> of </I> the center of the piston <I> G </I> The piston center G describes a rotation in the opposite direction to the direction of rotation of the piston (read center of symmetry O of the machine a 60-piston rotation through the curve g or g 'according to FIGS. 2 and 3 in the opposite direction of rotation, the angle covered being twice as large as the piston rotation angle, i.e. according to FIG. 2 60 and according to FIG 120. It should be noted that point G circles point O with varying distances.
The path of G oscillates back and forth between a maximum distance e + x (in the piston positions corresponding to FIG. 1 or 3) and a minimum distance e - x (in the piston positions corresponding to FIG. 2), where at the period of this pendulum movement is 120, which corresponds to a period of the piston movement of 60 ent.
<I> Movement of </I> point of contact <I> between wheel 6 and </I> inner wall <I> of piston opening 5 </I> As can be seen from FIGS. 1, 2 and 3, point of contact P moves between wheel 6 and inner wall of the piston opening 5 - or with gears the A handle point - with a rotation of the piston longitudinal axis of 30 or 60 about the piston center point G along the inner wall of the piston opening around an arc PP, of a total of 90 or 180, based on the piston center G.
This orbital movement of the contact point between wheel 6 and the inner wall of the piston opening 5 results from the addition of two partial movements: First, from the clockwise rotation of the piston (arrow f l) about its center G by 30 in FIG. 2 or 60 in FIG. 3; Secondly, from the orbital movement of the piston center G around the machine center O counterclockwise (arrow f2) at twice the speed, i.e. by 60 according to FIG. 2 and by 120 according to FIG. 3.
The angular speed of the contact point P of the wheel 6 is therefore, relative to the inner wall of the piston opening 5, three times as large as the angular speed of the piston relative to the housing. With respect to the Ge housing, however, the contact point P runs opposite to the direction of rotation of the piston only with twice the Win angle speed, since the simultaneously occurring, opposite piston rotation is then to be withdrawn.
It should be noted that the above considerations apply in any case and regardless of how large the diameter ratio of the wheel and the central piston opening was selected. This diameter ratio in turn only determines the ratio of the angular velocities of the piston and the central wheel, i.e. the actual transmission ratio between the piston speed and the speed of the central output or drive shaft. In the embodiment under consideration, the diameter ratio of the wheel to the central piston opening 3: 4 was selected. i.e., the wheel 6 has the diameter 2 r = 6 e and the piston opening 5 has the mean diameter 8 e. Therefore, a roll angle of 90 resp.
180 on the wall of the piston opening 5, a rolling angle of the wheel 6 itself which is larger by the factor 4: 3, i.e. the arc PP_ on the wheel 6 is 120 or 240 according to Fig. 2 and Fig. 3. If one considers the real rotation speed of the wheel 6 relative to the housing, the angles of 60 and 120 (arrows f2) which run through from the piston center G in the opposite sense must be deducted from these rolling angles.
This means that in the exemplary embodiment under consideration, with a ratio of 3: 4, the diameter of wheel 6 and piston opening 5, the reduction ratio of the angular speeds of piston and wheel 6 is just 1: 2.
In general, the following relationship applies: When the piston rotates through the angle y relative to the housing. Then the wheel 6 rotates in the same direction relative to (iehMll.e nm an angular range of <B> Difference </B> corresponds to 3 x üd minus 2 x, where ü, = diameter ratio of piston opening to wheel .
This difference follows from the above considerations and corresponds to the three-fold contact point movement between the wheel and the inner wall of the piston opening, multiplied by the diameter ratio, reduced by twice the angle of the piston center movement. In general, the relationship <I> ah / </I> <B> up, </B> <I> = </I> 1 / (3 üd - 2 applies to the ratio of the angular speeds uh and a "of the wheel ).
For example, for the diameter ratio üd = 2: 1 or 3: 2 or 4: 3 or 5: 4, a reduction ratio of the angular speeds of 1: 4 or 2: 5 or 1: 2 or 3: 5.25.
The rotary piston machine according to the invention thus made light an appropriate adaptation of both the wheel diameter and the gear ratios to the respective applications of the machine. Due to the possibility of a point-wise construction of the shape of the inner wall of the piston opening, as already mentioned, a completely uniform engagement of the wheel 6 in a corresponding internal toothing of the piston opening 5 can be achieved for any piston position;
This requirement cannot be met precisely in the known rotary piston machine, which works with a wheel seated eccentrically on the central shaft and an exact circular opening in the piston, since in this case, with constant, even three-point contact of the piston circumference with the three Cylinders from the stand between the center point of the central wheel and the piston center G changes a little in the course of the movement.
The piston is supported in all its positions exclusively by the three-point contact with the three cylinders, and not by the contact point between the central wheel and the inner wall of the piston opening, so that the driving or driven shaft carrying wheel 6 does not have any radial load is subject, but only needs to absorb the pure output or drive torque. This also relieves the load on the bearings of this shaft.
If you work with high compression pressures in the sub-chambers 10, 11 and 12, then it is advisable to choose cylinders 1, 2 and 3 with a relatively large diameter and, according to the relationship R + s = a - e, the piston accordingly To be made small, while at lower compression pressures a larger piston can be selected with correspondingly smaller cylinders 1, 2 and 3.
Apart from the simple geometrical formation of the piston and the simple solution to the sealing problem, the rotary piston machine according to the invention has other technical advantages: Since one and the same work cycle takes place in succession in each of the three symmetrically arranged sub-chambers 10, 11 and 12, respectively a very uniform warming of the cylinder block ensures, and there is also enough space to cool the chamber walls out enough.
In addition, the force-displacement ratio is particularly favorable during compression in one of the sub-chambers. It is readily apparent that the rotary piston machine according to the invention can be used as a compressor, pump, vacuum pump or motor, with the explosion chambers either being arranged separately from the sub-chambers 10, 11 and 12 or these sub-chambers themselves can be used alternately as explosion chambers.
If separate explosion chambers located outside of the sub-chambers are used, then six complete working cycles take place during one full piston revolution, with two suction and two compression taking place in each of the three sub-chambers. Otherwise, three full work cycles take place during a full piston rotation.
In the case of pumps and compressors, it is advantageous to work without any gearing between the wheel and the piston using pure rolling friction, which greatly simplifies the structure of the machine.