DE20011259U1

DE20011259U1 - Hubkolbenmaschine

Info

Publication number: DE20011259U1
Application number: DE20011259U
Authority: DE
Original assignee: NAICHTOUT DMITRI
Current assignee: NAICHTOUT DMITRI
Priority date: 2000-06-27
Filing date: 2000-06-27
Publication date: 2000-10-12
Anticipated expiration: 2010-06-28

Description

Hubkolbenmaschine

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine, wie einen Motor oder eine Pumpe.

Bei den herkömmlichen Hubkolbenmaschinen mit der Kurbelwelle entspricht ein Kolbenhub nur der ^&Lgr;&Lgr; Umdrehung der Kurbelwelle (Abtriebwelle ). Die Kraftwirkende Bewegung der einzelnen Kolben verbreitet sich auf etwa 130° - 160° der Umdrehung der Abtriebwelle. Zum Nachteil von diesen Kraftmaschinen gehört auch selbst die Kurbelwelle mit ihren Lagerungen und Gegengewichten, die relativ große Baumaße und Gewicht von der gesamten Hubkolbenmaschine verursacht.

Es sind die kurbelwellenlose Hubkolbenmaschinen mit der Kurvenmechanik durch Motortechnische Zeitschrift 58 ( 1997 ) 11, Seite 663, Bilder 4, S, 6 und auch durch US Patent 5, 813, 372 bekannt geworden. Ein schwaches Glied von diesen Kraftmaschinen ist die Kurvenrollenbefestigung, die meistens durch eine Achse und eine Buchse, oder durch die Wälzlager erfolgt. Ein relativ kleiner Durchmesser von der Achse verringert die kraft übertragend en Fähigkeiten der Rollen. Der Außendurhmesser der Rollen hat starke negative Auswirkung auf die Baumaße der Hubkolbenmaschine. Bei diesen Maschinen entspricht ein Kolbenhub etwa einem Viertel der Umdrehung der Abtriebwelle, was schießlich unvollwertige Energieumwandlung verursacht.

Durch die Offenlegungsschrift DE3301271 A1 ( F 01B9 / 06 ) ist eine kurbelwellenlose Brennkraftmaschine bekannt geworden, die einen Kolben aufweist, der durch zwei gegenüberliegenden Rollen, deren Drehachse senkrecht zur Drehachse des Kolbens angeordnet ist, die in einer in einem kreisförmigen Gehäuse umlaufendangeordneten wellenförmigen Nut so geführt werden, daß der Kolben beim Drehen eine in Längsrichtung seiner Drehachse hin-und hergehende

Bewegung macht. Die umlaufende Nut weist wenigstens zwei Wellenberge und zwei Wellentäle auf.

Als Nachteile von dieser Konstruktion werden die rotierenden Kolben und die Kraftübertragung durch die Rollen mit den Drehachsen betrachtet. Ein Kolbenhub entspricht etwa einem Viertel der Umdrehung von der Abtriebweife, was schließlich die unvoHwertige Energieumwandlung verursacht.

Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde eine Hubkolbenmaschine mit der verbesserten Energieumwandlung zu schaffen.

Dieses Problem wird mit den im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Die erfindungsgemäße Hubkolbenmaschine weist ein Zylindergehäuse mit wenigstens zwei gegenliegenden, mittels einer Stangen starr ver bundenen Kolben auf, wobei jeder Kolben an seiner inneren zylindri sehen Oberfläche wenigstens zwei spurartige wellenförmige gegen steigende geschlossene Laufbahnen aufweist. Jede Laufbahn der Kolben Kontaktiert durch die Wälzkörper, beispielweise Kugel, mit der gegensteigenden Laufbahn des kraftaufnehmenden Ringes, wobei der Außendurchmesser des kraftaufnehmenden Ringes kleiner, als der Innendurchmesser des Kolbens ist. Die Steigungen von den Laufbahnen sind so kombiniert, daß die Laufbahnen von den Kolbeh und die Laufbahnen von den kraftaufnehmenden Ringen eine gleiche gestreckte Länge haben, wobei jede Laufbahn nur ein Wellenberg und ein Wellental aufweist. Jeder kraftaufnehmende Ring ist im gemeinsamen Zylindergehäuse achsial gelagert und weist ein Zahnrad auf, das mit dem Zahnrad der Abtriebwelle verkoppelt ist. Die Wälzkörper für

jeden Kolben sind in einem gabelförmigen achsial gelagerten Käfig gefast. Jeder Käfig weist ein Zahnrad auf, das mit dem Ritzel von der Abtriebwelie verkoppelt ist. Die Abtriebweiie weist ein Schwungrad auf.

Ist die erfindungsgemäße Hubkolbenmaschine als ein Verbrennugsmotor ausgebildet, so wird die durch eine des Kraftstoff-Luft-Gemisches Expiosion auf der Kolben wirkende Kraft durch die wellenförmigen Laufbahnen und die Wälzkörper auf den kraftaufnehmenden Ring übertragen. Das auf dem Ring erzogene Drehmoment wird durch die entsprechenden Zahnräder auf die Abtriebwelie übertragen. Ist die Übersetzung zwischen diesen Zahnräder 1:1, so wird ein Kolbenhub einer vollen Umdrehung der Abtriebwelie entsprechen, wobei jeder gabeiförmige Käfig nur Yz Umdrehung erfüllen wird. Die Übersetzung zwischen dem Abtriebwelleritzel und dem Käfigzahnrad muß in diesem Fall 1:2 sein. Eine Sicherung gegen das Kolbenverdrehung in dem Zylindergehäuse erfolgt durch die gegenlaufende Umdrehung der kraftaufnehmenden Ringen und durch die relativ kleine Mittenversetzung der gegenliegenden Zylinderbohrungen, inneren zylindrischen Oberflächen von der beiden Kolben sind trotz der Mittenversetzung der Zylinderbohrungen konzentrisch ausgeführt.

Die als Verbrennungsmotor ausgebildete Hubkolbenmaschine kann mit dem Benzin- oder Dieselkraftstoff nach Vier- oder Zweitaktverfahren betrieben sein. Ist die Hubkolbenmaschine beispielweise mit den zwei Zylindern als ein Viertaktmotor ausgebildet, so wird die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches nur ein Mall pro Zwei Umdrehungen der Abtriebweile folgen. Bei den herkömmlichen Zweizylinder-Verbrennungsmotoren erfolgt die Zündung mindestens ein Mail pro eine Umdrehung der Abtriebwelie. Dieser Unterschied begründet eine sparsame Energieumwandlung für erfindungsgemäße Hubkolbenmaschine. Auch das

Ladungswechsel {oder Spülung) wird sich vergleichsweise verbessern. Das bedeutet, daß bei den gleichen Umdrehungen der Abtriebwelle die erfindungsgemäße Maschine bessere Abgaswerte zeigen wird.

Die erfindungsgemäße Hubkolbenmaschine kann auch als Vier- oder Mehrzylinder-Motor ausgeführt sein. Bei der Vierzylinder-Ausführung werden zwei obenbeschriebene Einheiten (Hubkolbenmaschinen ) in einem gemeinsamen Gehäuse hingebracht, wobei das Zahnrad von der Abtriebweüe das Drehmoment von beiden Einheiten übernimmt. Dieses Zahnrad und die vier Zahnräder von den kraftaufnehmenden Ringen bilden zusammen ein Kegelradgetriebe mit den versetzten Kegelräder. Diese Mittenversetzung gewährleistet den Durchgang der Abtriebwelle zwischen beiden Kolbenstangen, was eine weitere Kombination mit mehreren Zylindern ermöglicht. Das Drehmoment an der Abtriebwelle wird in diesem Fall wesentlich größer, wobei die Baumaße der Maschine relativ klein bleiben.

Die kraftübertragenden Wälzkörper können auch beispielweise als faßförmigen Rollen ausgeführt sein. Das gewährleistet eine größere Kraftübertragung. Die Rolle kann auch eine Verzahnung aufweisen, die gleichzeitig mit der verzahnten Laufbahnen von den Kolben und von den kraftaufnehmenden Ringen verkoppelt. Allerdiengs den Druck von der Kolben übernimmt die RoI le no be rf fache. Die Verzahnungen dienen nur für die Synchronisierung von der umlaufenden Bewegung der Rollen. Bei dieser Ausführung sind die Käfige und die entsprechenden Zahnräder nicht vorhanden.

Um noch größere Kräfte zu übertragen, können die Kolben und die Ringe mehr als zwei gegensteigende Laufbahnen aufweisen, wobei die Anzahl von der Kraftübertragenden Rolien steigt.

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Die Steuerung der Ventile erfolgt beispielweise durch die Nockenwellen, die von der Abtriebwelle durch den Zahnriemen angetrieben werden. Ähnlicher Antrieb kann auch die Kühimittelpumpe, Ölpumpe und Lichtmaschine versorgen.

Wird die erfindungsgemäße Hubkolbenmaschine als Pumpe eingesetzt, so ist, verglichen mit herkömmfichen Kolbenpumpen, ein geringeres Drehmoment erforderlich, um dieselbe Pumpenleistung zu erzeugen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig.1 eine schematische Schnittansicht der ersten Ausführungsform der Hubkolbenmaschine,

Fig.2 eine Prinzipskizze einer Hubkolbenmaschine mit der Mehr zylinderanordnung,

Fig.3 eine Ausführungsform von dem Wälzkörper und der Laufbah nen,

Fig.4 eine Prinzipskizze von der Zylinder- und Kolbenausführung.

Bei der in der Fig.1 dargestellten ersten ausführungsform der Hubkolbenmaschine handelt es sich um einen benzinbetriebenen, wassergekühlten Viertaktmotor, bei dem die zwei gegenliegende KoI -

ben 1,2 mittels einer Stange 3 starr miteinander verbunden. Jeder Kolben 1,2 und beide im Zylindergehäuse 4 achsial gelagerten kraftaufnehmenden Ringe 5,6 weisen zwei spurartige geschlossene wellenförmige gegensteigende Laufbahnen 7,8,9,10 auf, die alle gleiche gestreckte Länge haben. Die kraftaufnehmende Ringe 5,6 durch die Zahnräder 11,12 und 13 mit der Abtriebwelle 14 ,die ein Schwungrad 15 aufweist, verkoppelt. Die Laufbahne 7,8 kontaktieren mit den Laufbahnen 9,10 durch die Wälzkörper 16, deren Umlauf mittels der gabelförmigen achsial gelagerten Käfige 17,18 und Zahnräder 19, 20, 21 synchronisiert. Eine gleiche gestreckte Länge der Laufbahnen 7,9 und 8,10 gewährleistet ein abwechselndes Zusammentreffen von den Wellenbergen und Wellentälen. Die Zylinder 22,23 sind mit der Einlaß- 24,25 und Auslaßventilen 26, 27 ausgestattet. Die Steuerung der Ventile, so wie die Zündanlage sind auf der Fig. 1 nicht dargestellt. Die Schrauben 28 dienen für die Montage- und für die entsprechende Lufteinstellung. Die Kanä Ie 29 sind für das flussige Kühlmittel vorgesehen.

Das Arbeitsspiel erfolgt in vier Vorgänge. Im ersten Takt wird das Kraftstoff-Luft- Gemisch beispielweise in den Zylinder 22 durch das Einlaßventil 24 eingesaugt, wobei das Auslaßventil 26 geschlossen bleibt. Der Kolben 2 bewegt sich in Richtung a, der kraftaufneh mende Ring 6 dreht sich in Richtung b und die Abtriebwelle 14 dreht sich in Richtung c . Im zweiten Takt wird das Kraftstoff-Luft Gemisch im Zylinder 22 verdichtet, wobei der Kolben 2 sich in Richtung d bewegt. Beide Ventile 24 und 26 bleiben geschlos sen. Im dritten Takt entsteht durch die Zündung ( in der Fig. 1 nicht dargestellt ) eine Gasexplosion, was ein Arbeitshub der Kolben 2 in Richtung a gewährleistet. Ein Teil von Dieser Energie wird in dem Schwungrad 15 gespeichert. In dem vierten Takt werden die verbrannten Gase durch das Auslaßventil 26 gestoßen, wobei der

Kolben 2 in Richtung b sich bewegt. Dieselbe Vorgänge entstehen in dem Zylinder 23 , wobei der Arbeitstakt im Zylinder 22 mit dem Verdichtungstakt im Zylinder 23 übereinstimmt und der kraftaufnehmende Ring 5 sich in Richtung e dreht. Jeder Takt entspricht einem Kolbenhub und jeder Kolbenhub entspricht einer Umdrehung der Abtriebwelle 14 in Richtung c. In dem Schwungrad 15 wird während des Arbeitsspiels ein Teil der Bewegungsenergie gespeichert, die während der Leertakte ( Ladungswechsel, Verdichten ) wieder abgegeben wird.

Die Fig. 2 ist eine Darstellung von der Hubkolbenmaschine mit der Mehrzylinderanordnung. Alle vier Kolben 1, 2, 1a, 2a liegen in einer gemeinsamen Ebene, und sind paarweise miteinander durch die Stangen 3, 3a fest verbunden. Ein gemeinsames Zahnrad 13 , das zu der Abtriebwelle 14 gehört, ist mit kraftaufnehmenden Ringen 5, 6, 5a, 6a durch die Kegelräder 11, 12, 11a, 12a so verkoppelt, daß es in der Zusammenstellung ein Kegelradgetriebe mit den versetzten Kegelräder bildet. Das Rad 13 kann als eine Schwungscheibe dienen. Die Verzahnung 21 ist für die Synchronisierung von dem Umlauf der Käfige 17, 18, 17a, 18a ( gleichzeitig der Wälzkörper 16) zuständig und die ist mit den Kegelzahnräder 19, 20, 19a, 20a verkoppelt. Da die Übersetzung zwischen diesen Zahnräder und dem Zahnrad 13 weniger als 1:1 ist, macht die Abtriebwelle 14 weniger als 1 Umdrehung pro 1 Kolbenhub. Aber dafür bekommt die Abtriebwelle 14 ein verstärktes Drehmoment.

Die Achsen von der Stangen 3, 3a liegen nicht in der Mitte von dem Zahnrad 13 , was eine Verlängerung der Abtriebwelle 14 ermöglicht. Damit kann man die Abtriebwelle 14 mit mehreren Zahnräder 13 belasten und schließlich MehrzylinderanOrdnung schaffen. Das Rad 13 kann auch beidseitig verzahnt sein, was eine kompakte Konstruktion von der Hubkolbenmaschine mit 8 Zylinder ermöglicht. Das Arbeits-

spiel ist für jede Kolbenpaar mit den in der Fig. 1 beschriebenen Vorgängen identisch.

Um eine große Kraftübertragung zu realisieren, können die Wälzkörper 16 als faßförmigen Rolfen ausgeführt sein. Fig. 3 zeigt diese Ausführungsform. Die Rolle 30 weist eine Verzahnung 31 auf, die gleichzeitig mit der verzahnten Laufbahnen 32, 33 von der Kolben 1 und von dem kraftaufnehmenden Ring 5 verkoppelt . Den Druck von der Kolben 1 übernimmt die Rollenoberfläche 34. Die Verzahnungen 31, 32, 33 dienen nur für die Synchronisierung von dem Rollenumlauf. Bei dieser Ausführung sind die Käfige und die entsprechenden Zahnräder nicht vorhanden.

Eine weitere Möglichkeit zur Vergrößerung der Kraftübertragung besteht durch in der Fig. 4 dargestellten Ausführungsform. Die Kolben 1, 2 (so wie die kraftaufnehmende Ringe ) weisen mehr als zwei gegensteigende Laufbahnen 7, 8, 7a, 8a auf, wobei die Anzahl von der kraftübertragenden Rollen entsprechend steigt. Die gegenliegende Zylinderbohrungen 22 und 23 sind mit einer relativ kleiner Mittenversertzung ausgeführt. Inneren zylindrischen Oberflächen 35 und 36 von der beiden Kolben 1 und 2 sind trotz der Mittenversetzung der Zylinderbohrungen 22 und 23 konzentrisch ausgeführt. Diese Ausführung zusammen mit der gegenlaufenden Umdrehung der kraftaufnehmenden Ringen dient als eine Sicherung gegen das Kolbenverdrehung in dem Zylindergehäuse 4.

Claims

1. Hubkolbenmaschine mit der Kurvenmechanik und wenigstens zwei gegenliegenden, mittels einer Stange (3) starr verbundenen Kolben (1, 2) die sich in einem Zylindergehäuse (4) hin und her bewegen, wobei jeder Kolben (1, 2) eine wellenförmige geschlossene Laufbahn aufweist, die mit der Laufbahn des kraftaufnehmenden Ringes durch die Wälzkörper kontaktiert, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kolben (1, 2) an seiner inneren zylindrischen Oberfläche und beide kraftaufnehmenden Ringe (5, 6) an der zylindrischen Außenfläche wenigstens zwei spurartige geschlossene wellenförmige gegensteigende Laufbahnen aufweisen, wobei jede Laufbahn nur ein Wellenberg und ein Wellentat hat.

2. Hubkolbenmaschine nach Schutzanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des kraftaufnehmenden Ringes kleiner, als der Innendurchmesser des Kolbens ist, wobei alte geschlossenen Laufbahnen eine gleiche gestreckte Länge haben.

3. Hubkolbenmaschine nach Schutzansprüche 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß jeder kraftaufnehmende Ring (5, 6) im Zylindergehäuse (4) achsial gelagert ist und ein Zahnrad (11, 12) aufweist, das mit dem Zahnrad (13) der Abtriebwelle (14) verkoppelt ist.

4. Hubkolbenmaschine nach Schutzansprüche 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper (16) für jeden Kolben (5, 6) in einem gabelförmigen, achsial gelagerten Käfig (17, 18) gefast sind, der ein Zahnrad (19, 20) aufweist, das mit dem Ritzel (21) von der Abtriebwelle (14) verkoppelt ist.

5. Hubkolbenmaschine nach Schutzansprüche 1, 2, 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderbohrungen (22, 23) für die gegenliegenden Kolben (5, 6) mit einer Exzentrizität ausgeführt sind.