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Rotationskolbenmaschine Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine,
bei der in einem mit Ein- und Auslaßöffnungen für ein Strömungsmedium versehenen,
zylindrischen Gehäuse mindestens zwei Paare von kreissegmentartig ausgebildeten,
einander diametral gegenüberliegenden Kolben vorgesehen sind, die von einem Exzenterzapfengetriebe
angetrieben werden, 0
welches mindestens eine mit zwei Kröpfungen von
180 versehene Kurbelwelle aufweist und bei dem jede Kröpfung mit einem Kolbenpaar
verbunden ist.
De.i Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotationskolbenina.icliiiii-,
der genannten Art möglichst einfach und robust auszubildt.ii und einen guten Wirkungsgrad
zu erzielen, wobei eine Verwendung als Motor oder als Pumpe oder auch als Motorpumpe
möglich sein soll. Diese A-uf&abe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
eine Hälfte von Kolbenpaaren mit einer Nabe fest verbunden ist, die auf einem mit
dem einen Ende des zylindrischen Gehäuses drehfest verbundenen, zentralen Zapfen
drehbar gelagert ist und daß die andere Hälfte von Kolbenpaaren mit zwei ringfürmigen
Scheiben fest verbunden ist, die ebenfalls fest auf dem zentralen Zapfen drehbar
gelagert sind. Eine erfindungsgemäß ausgebildete Rotationskolbenmaschine weist vor
allem den Vorteil eines sehr einfachen und robusten Aufbaues auf, was insbesondere
auf die Anordnung des zentralen Zapfens zurückzuführen ist, der mit dem Gehäuse
fest verbunden ist. Sehr günstig Ist insbesondere auch die Tatsache, daß die Kurbelwellen
nur sehr kurz sind, was eine gute Torsionsfestigkeit und eine geringe Anfälligkeit
gegen Torsionsschwingungen bedingt. Aufgrund der beiden, einander genau gegenüberliegenden,
d. h. um 180 0 versetzten Kräpfungen der Kurbelwellen ergibt sich
ferner ein sehr ruhiger Lauf.
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Durch den einfachen Aufbau der erf IndungsgemäUn Rotationskolbenmaschine
werden die Montage und die Schmierung der einzelnen Drehteile sehr erleichtert.
Außerdem Ist eine gute Abdichtung gewährleistet. Dies betriffi insbesondere die
Verbindung der einen Hälfte von Kolben mit den beiden ringförmigen Scheiben" so
daßy
zurrial weniger Dichtflächen vorhanden sind als bei der bekannten
Rotationskolbenmaschine, ohne Schwierigkeit hohe Drücke erreicht "--erden können,
die sich innerhalb der Maschine in allen Richtungen ausgleichen. Dieser innere Kräfteausgleich
reduziert die in den Lagern dür Kurbelwellen auftre tenden Kräfte auf ein Minimum,
d. h. flie. Lager sind praktisch keinen Radialkräften ausgesetzt.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind aus der nach-folgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und anhand der beiliegenden Zeichnung
ersichtlich, Es zeigen-.
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F ig. 1 einen Längsschnitt längs Linie I-1 in Fig.
6 einer bevorzugten Ausführungsf orm einer erf indungsgemäßen Pumpe; Fig.
2 einen Längsschnitt längs Linie II-11 in Fig. 6;
F ig. 3 Querschnitte
längs den Linien III-III, IV-IV, V-V und Lis 6. VI-VI in Fig. 1;
Fig-.
7 eine schematische, perspektivische Darstellung der Kinematik der Pumpe
nach den Fig, 1 bis 6,-Fig. 8 eine Teilansicht der Kinematik nach
Fig. 7,-
Fig. 9a eine schematische Darstellung der einzelnen
auf einanderbis - 91 folgenden Phasen eines Arbeitszyklus der Pumpe nach
den Fig. 1-8;
F i#:. 1 Oa eine schematische Darstellung der einzelnen
Phasen bis 101 eines Arbeitszyklus eines Verbrennungsmotors , der
aus einer Abwandlung der Pumpe nach den Fig. 1 bis 8
der Zeichnung
hervorgeht; Fig. 11 eine graphische Darstellung eines Arbeitszyklus der Pumpe
nach den Fig. 1 bis 8;
Fig. 12 eine graphische Darstellung eines Arbeitszyklus
einer abgewandelten Ausführungsform der Pumpe nach den Fig. 1 bis
8;
Fig. 13 eine graphische Darstellung der einzelnen Phasen des Funktionsablaufs
des Motors nach den Fig. 10a bis 101;
F lg. 14 einen Querschnitt durch die
Kolben einer kombinierten Maschine, einer Motorpumpe; Fig. 15 einen Querschnitt
durch die Kolben einer abgewandelten Ausführungsf orm der Motorpumpe nach F lg.
14; Fig. 16 einen Längsschnitt durch eine Zwillingsmaschine;
F
ig, 17 einen Längsschnitt durch eine abgewandelte Ausfilhrungsform einer
Zwillingsmaschine; Fig. 18 einen Längsschnitt und einen Querschnitt längs
und 19 Linie XIX-XIX einer Ausführungsform, die im Vergleich zu der nach
Fig. 1 etwas abgewandelt Ist; Fig. 20 einen Querschnitt durch eine weitere
Ausführungsform der Maschine nach den Fig. 6 und 19.
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Die Maschinen nach den Fig. 1, 14, 15, 16 und
17 sind mit einer geradzahligen Anzahl von segmentartigen Kolben versehen,
deren Winkelabschnitte einem Basiabogen plus einem Halbbogen minus der Hälfte der
maximalen Änderuftg des Winkels zwischen zwei Kolben entsprechen. Bei der Maschine
nach den Fig. 18 und 19 weist jeder Kolben einen Winkel auf, der einem
halben Basiebogen minus der Hälfte der maximalen Winkeländerung zwischen zwei Kolben
entspricht. Hierbei ist n gleich Null. Die Rotationspumpe nach den Fig.
1 bis 6 der Zeichnung Ist mit einem feststehenden" dichten, zylindrischen
Gehäuse 1 versehen, das an seiner einen Seite durch eine Wandung 2 abgeschlossen
ist und an seiner anderen Seite einen Flansch 3 aufweist. Eine zentrale Welle
5
ist in einer Nabe 6 der Wandung 2 gelagert und mit Ihrem Inneren
Ende 7 in dem Ende eines Bolzens 8 des Flansches 3 zentriert.
Der Bolzen 8 Ist zylindrisch ausgebildet und koaxial zu dem Gehliuse
1
angeordnet.
Die Pumpe ist mit einer gewissen geradwAllgen-Anzahl
von Kolben, im vorliegenden Beispiel 4, versehen, die die Form von zylindrisehen
Segmenten aufweisen und in zwei Gruppen eingeteilt werden können. Zwei Kolben
11 und 12 sind mit einer zylindrischen Nabe 14 fest verbunden, die sich auf
dem Bolzen 8 frei drehen kann. Die beiden anderen Kolben 15 und
16 sind mit Hilfe von Bolzen 21 zwischen zwei Scheiben 18 und
19 angeordnet, die sich ebenfalls auf dem Bolzen 8 frei drehen können.
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Auf dem innen gelegenen Ende der Welle 5 kann eine Scheibe
31 frei drehbar angeordnet werden.
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Die Kolben 11 und 12 weisen zusammen mit der Nabe 14 dasselbe
Produkt aus Masse und Trägheitsmoment auf wie die Kolben 15 und
16 zusammen mit den Scheiben 18 und 19.
Der Außendurchmesser
sämtlicher Kolben ist so bemessen, daß dieselben sich in der Bohrung des zylindrischen
Gehäuses 1 frei drehen können. Der Innendurchmesser der Kolben
15 und 18 ist so bemessen, daß diese sich auf der zylindrischen Oberfläche
der Nabe 14 frei drehen können. Die Länge der Kolben 11 und 12 und der Nabe
14 ist so bemessen, daß diese Teile sich zwischen den Scheiben 18 und
19
frei drehen können. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Bogenlänge
sämtlicher vier Kolben kleiner als 360 0 , damit sich die Kolben
15 und 16 Im Verhältnis zu den Kolben 11 und 12 verdrehen können.
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Das Kolbenpaar 11 und 12 und das Kolbenpaar 15 und
16 drehen sich in dem Gehäuse 1 mit perlödisch veränderlicher Geschwindigkeit.
Die
Änderungen sind hierbei sinusförmig, was auf zwei gleiche Kurbelwellen 24 und 24'
zurückzuführen ist. Jede der beiden Kurbelwellen weist zwei zylindrische Lagerzapfen
26 und 27 auf, die sich in Bohrungen 28 und 29 der Scheibe
31 drehen können. Die Kurbelwelle 24 ist mit zwei diametral einander genau
gegenüberliegenden Exzeilterzapfen 33 und 34 versehen. Der Exzenterzapfen
33. ist in einer Bohrung 40 eines Gleitsteines 35 drehbar angeordnet,
- der in einer radialen Ausnehmung 36 der Scheibe 18 gleiten
kann. Der Exzenterzapfen 34. ist in einer Ausnehmung 38 eines weiteren Gleitsteines
39 drehbar angeordnet, der radial in einer Ausnehmung 41 der Nabe 14 gleiten
kann, Die Kurbelwellen 24 und 241 werden durch ein Sonnenrad 45 und zwei Planetenräder
46 und 46' angetrieben. Die Planetenräder 46 und 46' sind mit den Kurbelwellen 24
und 24' jeweils fest verbunden. Die Planetenräder 46 und 46' stehen mit der Innenverzahnung
eines Außenrades 48 in Eingriff. Zur Einsparung des Sonnenrades 45 ist es möglich,
die Achsen der Planetenräder 46 direkt mit der Welle 5 zu verbinden. Eine
derartige Lösung ist in Fig. 7 der Zeichnungen bei 10
mit strichlierten
Linien angedeutet.
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Der Durchmesser der Innenverzahnung 48 verhält sich zu dem Durchmesser
der Planetenräder 46 und 46' wie 6:1. Die zylindrische Wandung des Gehäuses
1 weist sechs Einlaßöffnungen 51a-f auf, sowie sechs Auslaßöffnungen 52a-f.
Zwischen den Öffnungen 51a und 52f
51b und 52a, 51c und 52b, 51d
und 52e, 5le und 52d, 51f und 52e sind Zwischenwände 55a-f vorgesehen,
-die mit Platten 56a-f versehen sind.
Ir. den Fig. 7 und
8 ist schematisch die Kinematik der Pumpe dargestellt. Bei einer Drehung
der Welle 5 in Richtung des Pfeiles Fl %.gt,setzt das Sonnenrad 45 die Planetenräder
46 und 46' in Drehung, d. li. das Planetenrad 46 dreht sich in Richtung des
Pfeiles F2 und somit entgegengesetzt zur Drehrichtung des Sonnenrades 45.
Der von den vier Kolben 11, 12, 15, 16 gebildete Rotor wird somit
In Drehung versetzt. Aufgrund der Rotation der Kurbelwelle 24 und der Exzenterzapfen
33 und 34 ist die Winkelgeschwindigkeit der Kolben 15, 16 und
11 1 12 sinusf örmigen Schwankungen unterworfen. Hierdurch wird der Abstand
zwischen den radialen Flächen der Kolben 15, 16
und der Kolben 11,
12 ebenfalls sinusförmig geändert, was eine Änderung des Volumens der Kammern bedeutet,
die voneinander gegen-Überliegenden radialen Flächen der verschiedenen Kolben gebildet
werden. Hierdurch ist eine Kompression und Expansion eines Arbeitsmediums möglich.
Im Fall einer Öldruckpumpe entsteht auf -grund von Leckströmen Im abgedichteten
Gehäuse ein Gegendruck. Bei einer Anwendung als Saugpumpe wird die Dichtheit durch
eine Zirkulation des Öles zwischen dem Gehäuse und den Arbeitskammern sichergestellt.
Die Pumpe ist bezüglich ihrer Achse symmetrisch ausgebildet, weshalb die Maäsenkräfte
sämtlicher rotierender Teile vollständig ausgeglichen sind.
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Wenn die Ebene der beiden Kurbelzapfen 33 und 34 zu dem durch
das Planetenrad 46 gehenden Durchmesser OC des Gehäuses 1 senkrecht ist,
weist der Winkel zwischen den beiden Gleitsteinen 35
und 39 einen Maximalwert
A auf. Hierbei sind z. B. zwei radiale
Flächen eines Kolbenpaares
In Berührung mit den beiden gegenüberliegenden Flächen des anderen Kolbenpaares,
während die beiden anderen radialen Flächen der. Kolben einen maximalen Abstand
voneinander aufweisen und den Winkel b bilden. Wenn das Planetenrad 46 eine
halbe Umdrehung um seine Achse ausgeführt hat, hat sich die relative Lage der Gleitsteine
35 und 39 geändert, wobei der Winkel a auf den Wert von Null zurückgegangen
ist und sodann wieder den Wert a, jedoch in entgegengesetzter Richtung, erreicht.
Hierbei führen die Kolben eine Drehung aus, deren Amplitude gleich dem Doppelten
des Wertes des Winkels a ist, d. h. der Winkel b ist gleich 2a. Es
ist jedoch auch möglich, die Pumpe so auszubilden, daß der Winkel b kleiner
ist als 2a. Hierbei wird die Differenz von 2a-b durch einen elastischen Werkstoff
ausgeglichen, der in den Ausnehmungen für die Gleitsteine angeordnet ist. In diesem
Fall ist das Kompressionsverhältnis unendlich und nicht etwaigen Ab-
nützungen
der Maschine unterworfen. Ein vollständiger Arbeitszyklus, bei dessen Ende die Kolben
wieder in ihre Ausgangslage zurückgekehrt sind, Ist dann vollzogen, wenn das Planetenrad
46 eine ganze Umdrehung ausgeführt hat, d. h. seine Achse hat sich um
60o verlagert.
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In den Fig. 9a-1 ist schematisch ein derartiger Zyklus dargestellt.
In Fig. 9a liegen die radiale Fläche 12a des Kolbens 12 und die radiale Fläche 15a
des Kolbens 15 aneinander an. Diese Berührungsfläche liegt mit der linken
radialen Fläche der Trennwand 55a In einer Ebene. Durch die Trennwand 55a werden
die Auslaßöff -nung 52f und die Einlaßöffnung 51a voneinander getrennt. Die
olben
drehen sich in Richtung den Pfeiles f 1. Hierbei entfernen sich die beiden
Flächen 12a und 15a und gelangen in den Bereich der Einlaßöffnung 51a, wie Fig.
9b zu entnehmen ist. Es wird somit eine Arbeitskammer 57 gebildet,
die bei fortschreitender Bewegung der Kolben in ihrem *Volumen immer größer wird.
Diese Vergrößerung des Volumens erfolgt sinusförmig und ist in den Fig. 9c-f dargestellt.
Bei der Stellung nach Fig. 9f erreicht die Fläche 50a den rechten Rand der Einlaßöffnung
51a, die hierdurch geschlossen wird.
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Die Arbeitskammer 57 ist somit vollständig geschlossen und
bei fortschreitender Bewegung wird die Fläche 12a an der linken Kante der Auslaßöff
nung 52a vorbeigeführt. Das Druckmedium kann somit, wie Fig. 9g-1 zu entnehmen
ist, durch die Auslaßöffnung 52a entweichen. Bei der Stellung nach Fig.
91 liegen die beiden Flächen 12a und 15a wieder aneinander an, wobei die
Ber(Ihrungsfläche mit dem linken Rand der Trennwand 55b in einer Ebene liegt,
die die Auslaßöff -nung 52a und die Einlaßöffnung 51b voneinander trennt.
Die Einlaßöffnung 52a ist hierbei vollständig geschlossen und ein Arbeitszyklus
beendet. Während dieses Arbeitszyklus hat sich das Planetenrad um 60 0 längs
des Umfanges des Außenzahnrades 48 weiter bewegt.
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Während dieses ersten Arbeitszyklus des Ansaugens und Wiederausstoßens
durch die Öffnungen 51a und 52a findet gleichzeitig ein identischer Zyklus aufgrund
der Öffnungen 51b und 52b statt. Während der ersten Hälfte dieses Arbeitszyklus
findet ilber die Öffnungen 52b
und 52e ein Ausstoßen statt und während der
zweiten Hälfte den vorgenannten Arbeitszyklus über die Öffnungen 51 c und'51f
Je ein weiterer Ansaugvorgang, Ein Zyklus weist somit vier Ansaug- und
vier
Ausstoßvorgänge auf. Während einer Umdrehung der Kolben drehen sich die Planetenräder
sechsmal um ihre eigene Achse, was gleichbedeutend mit sechs Arbeitszyklen ist,
d. h. während einer Umdrehung der Kolben wird 24-mal angesaugt und ausgestoßen,
Bezogen auf eine Öffnung finden während einer Motorumdrehung somit vier Arbeitstakte
statt.
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Entsprechend der Ausbildung der einzelnen Behälter für das Druckmedlum
kann der Durchsatz einer einzelnen Elementarpumpe den Durchsätzen der anderen Elementarpumpen
hinzügeführt oder aber getrennt weitergeleitet werden. Weiterhin ist es möglich,
mehrere Elementarpumpen hintereinander zu schalten.
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Die tatsächliche momentane Durchtrittsfläche der Ein- und Austrittsöff
nungen ist nicht gleich der geometrischen Durchtrittsfläche der Öffnungen in der
Wandung des Gehäuses 1, da ein Teil dieser Öffnungen durch den Kolben versperrt
ist. Wie schon vorstehend dargelegt, ändert sich das Volumen einer je-
den
Arbeitskammer #sinusförtnig. Das gleiche gilt auch in etwa für die Änderung der
Durchtrittsfläche der einzelnen Ein- und Auslaßöffnungen. Deshalb ist das Verhältnis
des momentanen Durcheatzes zu der momentanen Durchtrittsfläche in etwa konstant,
was für einen guten Abfluß des Druckmediums sehr günstig ist. Durch eine Umkehr
der Drehrichtung der Welle 5 kann die Strömungsrichtung des Druckmediums
ebenfalls umgekehrt werden.
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In der graphischen Darstellung nach Fig. 11 der Zeichnung sind
auf der Abszisse die Winkelgrade von 0 bis 360 der Drehung des
Planetenrades
46 und die Winkelgrade von 0 bis 60 der Winkelver schlebung des Mittelpunktes
des Planetenrades 46 aufgetragen, Auf der Ordinate sind die Winkel von
0 bis 60 0 der Lage der beiden Flächen zweier benachbarter Kolben
aufgetragen. Die beiden Kurven C 1 und C' 1 geben die Lage des vorderen
und hinteren Randes des benachbarten Kolbens für eine bestimmte Exzentrizität der
Kurbelzapfen 33 und 34, z. B. entsprechend einem Winkel a = 12
0
an. Die Ordinate des Punktes A entspricht der Länge in Umfangsrichtung
der Einlaßöff nung, d . h. dem Halbwert des Basisbogens minus dem Halbwert
der maximalen Winkeländerung zwischen zwei Abschnitten. Der Unterschied der Ordinatenwerte
der Punkte A
und B gibt den maximalen Abstand der beiden Kolben an und somit
das Maximalvolumen der Arbeitskammer zwischen zwei Kolben. Die Differenz der Ordinatenwerte
der Punkte B und C entspricht der Länge in Umfangsrichtung der Auslaßöffnung,
d. h. dem Halbwert des Basiebogens minus der halben Änderung des maximalen
Winkels zwischen zwei Abschnitten. Die Maxima und Minima des Arbeitskammervolumens
sind um 180 0 (Winkelgrade des Planeten-0 rades) voneinander entfernt. Dieser
Wert von 180 entspricht 0
einem Wert von 30 , gemessen in Umfangsrichtung
des äußeren Zahnkranzes 48. Ein Zyklus ist nach einer Drehung von 360 0 des
0
Planetenrades beendet, was einem Wert von ß0 , bezogen auf die Umfangerichtung
des Außenrades 48, entspricht.
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Wenn die Exzentrizität der Kurbelwellen vergrößert wird, z. B, auf
einen Wert von a = 20 0 , erhält man die Kurven C2 und C'2,
was einer Vergrößerung des Volumens der Arbeitskammer gleichkommt. Dieses entspricht
nunmehr der Strecke EF, während die
4 Längen in Umfangsrichtung
der Einlaß- und der Auslaßöffnung den Strecken AE und BF entsprechen und somit kleiner
geworden sind. Bei noch größerer Exzentrizität, beispielsweise entsprechend einem
Winkelwert a = 28 0 , erhält man die Kurven C3 und C3. Hierbei Ist.
das Volumen der Arbeitskammer ebenfalls vergrößert und entspricht der Strecke
GH. Die Längen in Umfangsrichtung der Einlaß- und der Auslaßöffnung sind
durch die Strecken KG und HC dargestellt. Der gesamte effektive Winkel, bezogen
auf den Umfang des Gehäuses, ist pro Rotorumdrehung gleich dem 24-fachen
des Winkels b oder gleich dem 48-fachen des Winkels a.
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Eine obere Grenze stellt der Wert von "Unendlich" des Kompressionsverhältnisses
dar, wobei die Einlaßöffnungen nur während der Zeitdauer der Vergrößerung des entsprechenden
Volumens offen sind und die Auslaßöffnungen lediglich während der Zeitdauer der
Verringerung des entsprechenden Volumens geöffnet werden. Bei gewissen Anwendungeformen
empfiehlt sich ein endliches Kompressionsverhältnis. In diesem Fall sind die beiden
radialen Flächen eines Kolbenpaares mit Ihrem minimalen Abstand x gegenüberliegend
zu den beiden benachbarten Flächen des anderen Kolbenpaares angeordnet, wobei die
beiden anderen Flächen ihren maximalen Abstand von b + x aufweisen. Wenn
das Planetenrad 46 eine halbe Umdrehung ausführt, drehen-sich die Kolben mit einer
Amplitude, die der Summe von b und dem Kompressionsverhältnie entspricht
und durch
bestimmt Ist.
Die graphische Darstellung nach Fig. 12 ähnelt der
nach Fig. 11.
0
Der Winkel b weist jedoch einen Wert von 24 auf.
Flir Werte der Winkel x entqprechend Winkelgraden von 5 0 , 2,5 0 und OP
ergeben sich Kompressionaverhältnisse von 5,8, 10 und »Unendlich". Die Punkte
M, P, S und N, Q, T geben die Lage der in Drehrichtung hinteren Ränder
der Ein- und Auslaßöffnungen itir die drei Kompreasionsverhältnisse an, wobei das
Schließen bei maximalemund minimalem Volumen erfolgt. Der Winkel eines jeden Abschnittes
Ist um den Winkel verringert, der den Differenzen der Ordinatenwerte der Punkte
S, M und S, P der Komprenstonsverhältnisse 5, 8
und 10 entspricht.
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Bei manchen Anwendungsfällen ist es notwendig, das Öffnen oder das
Schließen der Einlaß- oder AuslaßÖffnungen vorzuverlegen, Indem die Ordinaten, die
den vorderen und hinteren Rändern dieser Öff -nung entsprechen, vergrößert oder
verringert werden. Bei einer Vakuumpumpe z. B., bei der das Ausschieben nach dem
Totpunkt und maximalem Volumen erfolgt, ermöglichen Ventil)dappen beim Anfahren
die Evakulerung des Gehäuses von Öl, das In die Arbeitskammern eingedrungen
Ist.
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Wie schon vorstehend erwähnt, entsprechen W, bezogen auf das Außenzahnrad
48 oder das zylindrische Außengehäuse einem Arbeitszyklus der Pumpe, wobei die Sunune
der Inffeen von Ein- und Auslaßöffnung und der Arbeitskammer gleich 609 sein
muß. Wie ebenfalls schon dargelegt, wird die Auslaßöffnung 52f von der Einlaßöffnung
51a durch die Trenovand 55a getrennt, deren stromaufwärts gelegener Rand mit dem
lßnlmalvolumen
und dem stromabwärts gelegenen Rand der Auslaßöff
-nung 52f zusamm-enfällt.
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Zwischen-der Zahl der Kolben und Ein- und Auslaßöffnungen und zwischen
den Durchmesserverhältnissen von Außenrad und Satellitenrad bestehen folgende allgemeine
Beziehungen:
| Kolbenzahl 2 4 6 8 |
| Verhältnis der Durchmesser von 3 6 9 12 ..... |
| Au@enrad zu Satellitenrad |
| Zahl der Ein- und Auslaßöffnungen 3 6 9 12
..... |
| Zahl der Elementarpumpen 3 6 9 12 ..... |
| Zahl der Arbeitszyklen einer 2 4 6 8 ..... |
| Elementarpumpe pro Rotorumdrehung |
| Zahl der gesamten Arbeitszyklen 6 24 54 96 ..... |
| pro Rotorumdrehung |
Die vorstehend beschriebene Pumpe kann selbstverständlich auch als Motor arbeiten,
wobei es lediglich notwendig ist, ein Druckmedlum zuzuftihren.
Es kann sodann
an der Welle
5 ein Drehmoment abgenommen werden. Es ist dabei darauf zu achten,
daß das Außenrad 48
Im Gehäuse
1 so verschoben wird, daß das Minimumvolumen
der Arbeitskammer mit dem stromabwärts liegenden Rand der Auslaßöffnung zusammenfällt.
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Weiterhin ist eine Anwendung als Verbrennungsmotor möglich, wie dies
in den Fig. 10a-1 der Zeichnung näher dargestellt ist, Diese Ausführungsform unterscheidet
sich von der zuvor beschriebenen Pumpe hauptsächlich dadurch, daß das Kompressionsverhältnis
einen endlichen Wert aufweist. Die beiden gegenUberliegenden Seiten
zweier
benachbarter Kolben bilden einen Explosionsraum 61. Zündkerien 62a-t sind in geeigneter
Weise am Außenrand des Gehäuses angeordnet und weisen einen Abstand von 120
0 voneinander auf.
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Bei einer Umdrehung der Planetenräder verschieben sich dieselben um
60 0 im Außenrad. Wie Fig. 10a zu entnehmen ist, erfolgt In der Kammer 61a
die Zündung deiVerbrennungsgase. Die Expansion ist In den Fig. 10b-d dargestellt.
Der Auslaß öffnet sich bei einer Stellung gemäß Fig. 10e.. Die Verbrennungsgase
werden während der Stellungen nach den Fig. 10f -k weiter ausgeschoben und
der Auspuff Ist in einer Stellung nach Fig. 10 1 vollstäMig beendet. Der
Motor arbeitet somit wie vorstehend beschrieben, nach dem Zweitaktverfahren. Während
einer Periode findet in der Kammer 61b ein Aneaughub (Fig. 10a-f) und ein Kompreasionehub
(Fig. 10g-1)
statt, wobei die Zündung am Ende der Kompression (Fig.
10 1) erfolgt. Während einer Umdrehung eines Planetenrades erfolgt in der
Kammer 61a ein Expansions- und Auslaßtakt, in der Kammer 61b ein Ansaug-
und ein Kompreasionstald, in der Kammer 6le ein Kompressions- und ein Expansionstakt,
in der Kammer 61b ein Auslaß-und ein Ansaugtakt. Die Zündung erfolgt bei
einer Stellung nach Fig. 10f.
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In Fig. 13 der Zeichnung bezeichnen L die Änderungen des Volumens
einer Kammer, P und R die Lage den hinteren und des vorderen Randes der Kolben,
die die Öffnungen freigeben oder versperren, S
und T die Abezissenwerte des
maximalen und minimalen Volumens der Kammern, U, V und W, X die Lage der
stromauf - und stromabwärtsgelegenen
Kanten der Ein- und
Auslaßöffnungen. Aufgrund der graphischen Darstellung nach Fig. 13 ist es
in sehr einfacher Weise möglich, eine an sich bekannte Überschneidung von Ein- und
Auslaßöffnung in gewünschter Weise zu.erztelen.
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Allgemein gelten folgende Beziehungen fUr einen wie vorstehend beschriebenen
Motor:
| Kolbenzahl 4 8 12 16 .... |
| Verhältnis des Durchmessers von |
| Außenrad zu Planetenrad 6 12 18 24
.... |
| Zahl der Ein- und Auslaßöffnungen 3 6 9 12
.... |
| Zahl der Zündungen pro Rotorumdrehung 12 48 108 192 .... |
| Zahl der Zündkerzen 3 6 9 12.... |
Weiterhin ist es möglich, zusätzliche Dichtelemente vorzugehen, sowie eine Kühlung
des Gehäuses.
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In Fig. 14 ist Im Querächnitt eine kombinierte Maschine dargestellt,
bei der die einzelnen Arbeitskammern aufeinanderfolgend als Verbrennungernotor,
Pumpe oder als Kompressor dienen. Hierzu sind lediglich zwei Kolben 171 und
172 vorgesehen, die in einem zylindrischen Gehäuse 173 drehbar angeordnet
sind und kinematisch miteinander über wenigstens ein Planetenrad In Verbindung stehen,
das in einem Außenrad umläuft , welches *mit dem zylindrischen Gehäuse fest
verbunden ist. Das Verhältnis des Durchinesters den Außenrades zu dem des Planetenrades
beträgt 3-.l. In-der Verbrennungskammer 175 Ist eine Zündkerze
176 vorgesehen. Der Ein- und Auslaß
erfolgt über Öffnungen
177 und 178. Die Ein- und Auslaßöffnungen der Pumpe sind mit
181 und 182 bezeichnet. Bei der In der Zeichnung dargestellten Stellung
erfolgt gerade die Zündung des in der Verbrennungskammer 175 eingeschlossenen
Gases. Hierdurch wird der Expansionshub des Motors eingeleitet, der gleichzeitig
mit dem Kompressionshub der Pumpe zusammenfällt. Die Arbeitskammer der Pumpe ist
von den beiden Kölbenflächen 171b und 172a eingeschlossen. Das Ausschieben
des Druckmediums aus der Arbeitskammer der Pumpe ist dann beendet, wenn das Arbeitskammervolumen
gleich Null wird, wobei gerade der stromabwärts gelegene Rand 182b der Auslaßöffnung
182 erreicht wird.In diesem Moment hat die von den beiden Flächen 171a und
172b gebildete Kammer den Motors gerade ihren maximalen Volumenwert erreicht.
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Während des zweiten Taktes entweichen die Verbrennungsgase durch die
Öffnung 178 und es wird gleichzeitig frischen Gas In die Kammer 184 durch
die Motoreinlaßöffnung 177 eingelassen. Während des zweiten Taktes vergrößert
sich ständig das Volumen der Kammer 184 und erreicht seinen maximalen Wert, wenn
die vordere Fläche 171 b des Kolbens 171 mit der Kante 177b
und der Motoreinlaßöffnung 177 zusammenfällt.
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Während des nachfolgenden Taktes findet im Motor die Kompreasion statt,
während der Pumpe das zu fördernde Druckmedium zuströmt. Als Motor betrachtet
nähern sich die beiden Flächen 171b und 172a der beiden Kolben einander immer
mehr, bis sie schließlich am Ende des Kompreiisionahubea" wie bei 171a und
172b dargestellt, aneinander anliegen. Hierbei entfernen sich die beiden
Flächen 171a
und 172b allmählich voneinander und bilden
eine Kammer, die mit der Pumpeneinlaßöffnung 181 In Verbindung steht. Am
Ende diedritten Taktes Ist das durch die Einlaßöffnung 181 eingeströmte Druckmedium
in der von den Flächen 171a und 172b gebildeten Kammer eingeschlossen, wie
dies in Fig. 14 der Zeichnung durch die Flächen 171b und 172a dargestellt
ist. Die Maschine Ist somit wieder in ihrer Ausgangestellung wie zu Beginn des ersten
Zyklus.
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Für eine wie vorstehend beschriebene Maschine gelten folgende allgemeine
Beziehungen:
| Kolbenzahl 2 4 6 8 .... |
| Durchmesserverhältnis von Außen- |
| rad und Planetenrad 3 6 9 12 |
| Zahl der Pumpeneinlaß- und 1 2 3 4 |
| äuslaßöffnungen |
| Zahl der Motoreinlaß- und 1 2 3 4.... |
| äuslaßöffnungen |
| Zahl der Zündkerzen des Motors 1 2 3 4
.... |
In Fig.
15 der Zeichnung Ist eine weitere Ausführungsform dargestellt,
die gegenüber der nach Fig, 14 In einigen Punkten abge-
.
wandelt ist. Der
Motor arbeitet hierbei wie der nach den Fig. 1.0a-1 und die Pumpe wie die nach den
Fig. 9a-l. Die Zwischenräume, die zwischen den einzelnen Abschnitten eingeschlossen
sind, dienen aufeinanderfolgend als Motor und als Pumpe.
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Der Durchmesser der Planetenräder Ist 1/12 des Durchmessers des Außenrades.
Bei der in der Zeichnung gezeigten Stellung der
Maschine findet
gerade die Zündung mittels einer ZUndkerze 276
statt, wodurch das in einer
Kammer 202 eingeschlossene Verbrennungsgas verbrannt wird. Hieran schließt sich
die Expansion der Verbrennungsgase an. Gleichzeitig wird das frische Gas in einer
Kammer 212 komprimiert und aus einer weiteren Kammer 222 entweichen durch eine Öffnung
201 die verbrannten Verbrennungsgase. In einer Kammer 232 wird frisches Gas
durch eine Öffnung 211 eingesaugt. Das zu komprimlerende Druckmedium wird In Kammern
242 und 252 durch Öffnungen 221 und 231 angesaugt, während das in
Kammern 262 und 272 komprimierte Druckmedium durch Öffnungen 241 und
251 wieder ausgeschoben wird. Sämtliche im vorstehenden beschriebenen Arbeitstakte
finden gleichzeitig statt und entsprechen der In Fig. 15 der Zeichnung
dargestellten Lage.
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Der Hauptunterschied dieser Maschine im Vergleich zu der vorhergehenden
liegt im wesentlichen darin, daß eine halbe Umdrehung des Planetenrades einem Motortakt
entspricht. Bei der einfachsten Maschine dieser Art ist das Verhältnis der Durchmesser
von Planetenrad und Außenrad gleich 1:9.
In Fig. 16 der Zeichnung ist
eine Zwillingsmaschine dargestellt, die aus zwei aneinandergefügten Einzelmaschinen
besteht und zu der Ebene X-Y symmetrisch ausgebildet Ist. Die beiden Einzelmaschtnen
entsprechen der Maschine nach den Fig. 1 bis 6 der Zeichnung.
Auf einer Welle 305 ist ein Sonnenrad 345 angeordnet, das mit zwei
Planetenrädern 346 und 346' In Eingriff steht, die wiederum Ihrerseits mit einem
Außenrad 348 in Eingriff stehen, das mit dem Gehäuse 301 der Maschine fest
verbunden Ist. Das eine Ende der
Welle 305 ist mit einem
Zapfen 307 versehen, der in einem Zapfen 308 eines Flansches
303 zentriert ist. Das Planetenrad 346 Ist mit Hilfe von Kurbelzapfen
333 und 334 mit einer ersten Kurbelwelle fest verbunden, sowie mit einer
zweiten kurbelwelle, die zwei Kurbelzapfen 333a und 334a aufweist, die gegenüber
den Kurbelzapfen 333
und 334 um 90 0 verschoben sind. Hierdurch werden
zwei weitere Kolbenpaare gesteuert. Die Kurbelwelle ist an zwei Stellen
327 und 327a in Lagern 329 und 329a drehbar gelagert. Die Lager
329 und 329a sind in zwei Scheiben 331 und 331a angeordnet, die drehbar
auf dem Bolzen 308 und dessen Gegenbolzen 308a angeordnet sind. Der Gegenbolzen
308a ist In der Mitte eines breiteren Flansches 303a angeordnet, der die Maschine
am anderen Ende abschließt.
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Das zweite Planetenrad 3461 ist völlig analog mit Hilfe einer weiteren
Kurbelwelle 333-', 3341 P 3331 a und 3341 a im Gehäuse angeordnet.
Mit den Kolben 311a arbeitet eine Ein- und Auslaßöffnung zusammen, die ähnlich den
Öffnungen 51a bis 511 und 52a bis 52f nach Fig. 1 bis 6
der Zeichnung
ausgebildet sind. Aufgrund der Verdrehung der Kurbelzapfen weist eine derartige
symmetrische Zwillingsmaschine den Vorteil auf, daß kein Totpunkt vorhanden ist
und daß der Förderstrom nahezu völlig konstant Ist" wenn die Welle 305 mit
konstanter Geschwindigkeit angetrieben wird. Weiterhin verteilen sich die Antriebsleistung
und die Kräfte völlig gleichmäßig auf die verschiedenen Antriebomittel-und Verzahmmgen.
Die Summe der momentanen Beschleunigungen der von demselben Planetenrad gesteuerten
Kolben ist Im wesentlichen konstant.
Die Förderung von zwei verschiedenen
Druckmedien in zwei vergehiedenen Strömungskreisen ist ohne weiteres möglich. Weiterhin
ist es möglich, daß ein Teil der Kolben von einem Druckmedium angetrieben wird,
während der andere Teil ein anderes Druckmedium fördert. In diesem Fall wird das
Ende der Welle 305 nicht benötigt" und die Verzahnungen sind frei von Kräften
und dienen praktisch lediglich zur Steuerung des Bewegungsablaufs der Kolben.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht eine er -findungsgemäße
Zwillingsmaschine aus zwei gleichen Motoren gemäß Fig. 10 der Zeichnung.
Eine derartige Maschine ist ebenfalls zu der Ebene X-Y symmetrisch und weist den
Vorteil auf, daß der Totpunkt in Fortfall kommt.
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In Fig. 17 der Zeichnung ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform
dargestellt, die gegenUber der Pumpe nach den Fig. 1 bis 6
der Zeichnung
In einigen Punkten abgewandelt Ist. Bei der Ausführungsform nach Fig.
17 sind zusätzlich zwei Kolbenpaare 411, 412 und 411 by 412b vorgesehen,
die mit einer Nabe 414 fest verbunden sind. Die Kolben.. die mit den Kolben 411b
und 412b zusammenarbeiten, sind mit zwei Scheiben 419 und 419b fest verbunden. Die
Scheibe 419 entspricht der Scheibe 19 nach Fig. 1 und eine weitere
Scheibe 418 entspricht der Scheibe 18 nach Fig. 1.
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Der Vorteil einer derartigen Konstruktion liegt darin daß die Pumpe,
die nur einen Steuermechanismus aufweist, aufgrund Ihrer beiden
verschiedenen
Kölbenanordnungen zwei verschiedene Druckmedien gefrennt voneinander fördern kann.
Es ist jedoch auch möglich, ähnlich wie bei der Ausführungsform nach
Fig. 16, die vorgenannte DrehkoIbenmaschine gleichzeitig als Motor und als
Pumpe zu benutzen,' indem ein Teil der Kolben unter der Einwirkung eines Druckinediums
steht und somit angetrieben wird, während der andere Teil der Kolben die Förderung
eines weiteren Druckmedlums als Pumpe übernimmt. Auf das eine Ende der Welle 405
kann in diesem Fall verzichtet werden.
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Es ist weiterhin möglich, bei einer derartigen Motorpumpe, die vom
Motor auf die Pumpe zu übertragende Leistung direkt durch die Nabe 414 und die Scheibe
419 zuzuführen, so daß die Verzahnungen nur zur Steuerung des Bewegungsablauf s
dienen. In den Fig.
18 und
19 der Zeichnung ist eine weitere bevorzugte
Ausführungsform dargestellt, die von der Drehkolbenmaschine nach Fig.
1 der Zeichnung abgeleitet ist. Die Pumpenarbeitstakte entsprechen hierbei
den Arbeitstakten nach den Fig. 9a bis
9 1 der Zeichnung. Die Kolben entsprechen
jedoch einem halben Basisbogen plus dem Wert des Winkels
A. Es gelten folgende
allgemeine Beziehungen:
| Kolbenzahl 2 4 6 8 10 12 ..... |
| Durchmesserverhältnis von 1 2 3 4 5 6 ..... |
| Außenrad und Planetenrad |
| Zahl der Ein- und Auslaß- 1 2 3 4 5 6 ..... |
| öffnungen |
| Zahl der Elementarpumpen 1 2 3 4 5 6 ..... |
| Zahl der Arbeitszyklen einer 2 4 6 8 10 12 |
| Elementarpumpe pro Rotor- |
| umdrehung |
| Gesamtzahl der Arbeitszyklen 2 8 18 32 50 72 ..... |
| pro Rotorumdrehung |
Bei kleinen Durchmesserverhältnissen von Außenrad und Planetenrad gelten die vorstehenden
allgemeinen Darlegungen bezüglich der Ausbildung der Verzahnungen nicht mehr. So
empfiehlt es sich, bei Wer -ten von
1 und -2 des Durchmesserverhältnisses
das Sonnenrad fest auf dem Ende des Bolzens
8 anzuordnen und die Planetenräder
durch ein Außenrad anzutreiben, das mit der Welle
5 fest verbunden ist.
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In den vorstehenden Durchmesserverhältnissen taucht sodann anstelle
des Durchmessers des Planetenrades der des Sonnenrades auf. Die Exzentrizität wird
sodann auf einen Wert begrenzt, der eine sinusförmige Änderung der Geschwindigkeiten
der Kolben gewährleistet.
| Die vorstehend beschriebene Maschine unterscheidet sich von
der |
| nachydd'ger Zeichnung im wesentlichen dadurch, daß die radialen
Aus- |
nehmungen 41 nicht Innerhalb der Abschnitte angeordnet sind. Die Bezugszeichen in
den Fig.
18 und
19 sind dieselben, wie In den Fig.
1 bis
5.'
Eine Arbeitsweise als Motor Ist ohne weiteres möglich. Das Volumen der
Arbeitskammer verändert sich entsprechend der Darstellung In den Fig. 10a-1 der
Zeichnung. Bei einer Arbeitsweise als Motor muß das Verhältnis des Durchmessers
des Außenrades zu dem des Planetenrades geradzahlig sein. Die Kombinationen
nach
den Fig. 14 bis
17 sind ebenfalls ohne weiteres mit der Maschine nach den
Fig.
18 und
19 möglich.
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In Fig. 20 der Zeichnung Ist eine Drehkoibenmaschine dargestellt,
bei der die einzelnen Abschnitte verschiedene Winkel aufweisen. Hierbei weisen einige
Abschnitte die Form der Abschnitte der Maschine nach den Fig. 1 bis
6 auf und andere eine Form nach den Fig. 18 und 19. Hierdurch
kann das Öffnen und Schließen der Ein-und Auslaßöffnungen in gewünschter Weise verändert
werden.
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Mit einer erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine werden im wesentlichen
folgende Vorteile erzielt: Umschaltbare Drehrichtung, Fortfall von jeglichen Ventilen,
einfache Montage, Ausgleich sämtlicher Massenkräfte, geringe Abnutzung und hohe
Lebensdauer, einfache Verzahnungen, hohe Dreh- und Umgangsgeschwindigkeiten, einfache
Schmterung, unverschiebliche Einstellung der Totpunkte, hoher Wirkungsgrad, einfache
Zuführung der Antriebaleistung auch bei kombinierten Maschinen und Zwillingsmaschinen,
sinusförmige Geschwindigkeitsänderungen und Beschleunigungen. Weitere Vorteile sind
in folgenden Merkmalen zu sehen: Sämtliche beweglichen Teile können sehr leicht
gebaut werden, so daß aufgrund der geringen Massen die Trägheitsmomente klein
sind. Die In entgegengesetzter Richtung beschleunigten Teile haben dasselbe
Produkt aus Masse und Trägheitsmoment. Das Kompressionsverhältnis kann auf einen
beliebigen Wert sehr einfach eingestellt werden. Es Ist kein toter Raum vorhanden.
Eine Anwendung
als Vakuumpumpe ist ohne weiteres möglich.
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Folgende Merkmale wirken sich weiterhin sehr günstig aus: Hoher erreichbarer
Druck bei einstufiger Förderung, gute Förderung auch von sehr viskosen Strömungemedien,
Proportionalität der momentanen Durchtrittsöffnungen zu dem momentanen Durchfluß,
drehungsfreie Durchströmung des Motors, konstanter Durchfluß bei Verwendung einer
Zwillingsmaschine, große Zahl von Arbeitszyklen pro Rotorumdrehung, Trennung der
Durchflüsse der einzelnen Elementarpumpen, geringe Innere Leckströme, einwandfreie
Betriebsweise auch bei geringer Geschwindigkeit., geringe dynamische Strömungsverluste,
Trennung von Hoch- und Niederdruck bei jeder Winkelstellung des Rotors, einfache
Abdichtung des Gehäuses, Ölströmung zwischen dem Gehäuse und den Arbeitskammern
zur Gewährleistung der erforderlichen Dichtheit bei einer Anwendung als Vakuumpumpe,
Eirdachheit der Dichtelemente und der Kolben des Rotors im Gehäuse, Verwendung als
Zweitakt- und gegebenerialle als Viertaktmotor, einfache innere und äußere Kühlung,
Vielzahl an Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen verschiedenen Maschtnentypen.