AT511889A1 - Motor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Motor mit einem Zylinder (35), in dem zwei gegenläufig angetriebene Kolben (3, 4) gelagert sind, wobei jeder Kolben (3, 4) über eine Kurbelwelle (7, 8) eine auf der Kurbelwelle (7, 8) aufgesetzte Zahnscheibe (16, 17) antreibt und die beiden Zahnscheiben (16, 17) bezüglich ihrer Drehbewegung miteinander gekoppelt sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die auf die beiden Kurbelwellen (7, 8)aufgesetzten Zahnscheiben (16, 17) miteinander in Eingriff stehen und die Kurbelwellen (7, 8) von den Kolben (3, 4) zu einer Drehbewegung in entgegengesetzte Richtungen angetrieben sind.

Description

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Die Erfindung betrifft einen Motor gemäß dem ößerbegriff des Patentanspruches

Derartige Motoren sind, wie beispielsweise anhand der Fig. 1 im folgenden näher erläutert wird, bekannt. Der in Fig. 1 dargestellte Motor umfasst einen Zylinder 35, in dem zwei Kolben 3, 4 gelagert sind, die über Kolbenstangen 5, 6 und über Pleuelstangen 36, 37 mit jeweils einer Kurbelwelie 7, 8 verbunden sind. Sofern eine Zündung des über Einströmkanäle 31 in den Zylinderraum zugeführten Brennfluids erfolgt, werden die beiden Kolben 3, 4 gleichzeitig auseinander gedrückt und damit die Kurbelwellen 7, 8 rotiert. Die Abgase werden über eine Abgasleitung 32 abgeführt. Auf die Kurbelwellen 7 und 8 sind Zahnscheiben 16, 17 aufgesetzt, die über einen Zahnriemen 40 zu einer gleichsinnigen Drehbewegung angetrieben sind. Abgesehen von Vibrationen treten auch unerwünschte Wechseldrehmomente sowie Kreiseleffekte bei Lageänderung bei einem derartigen Motor aufgrund der gleichsinnig rotierenden Zahnscheiben auf.

Ziel der Erfindung ist es, einen einfach aufgebauten und möglichst vibrationsfreien Motor zu erstellen. Erfmdungsgemäß ist ein Motor mit einem Zylinder, in dem zwei gegenläufig angetriebene Kolben gelagert sind, wobei jeder Kolben über eine Kurbelwelle eine Zahnscheibe antreibt und die Zahnscheiben bezüglich ihrer Drehbewegung miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die Kurbelwellen aufgesetzten Zahnscheiben miteinander in Eingriff stehen und die Kurbelwellen von den Kolben jeweils zu einer in entgegengesetzte Richtung erfolgende Drehbewegung angetrieben sind.

Die Bewegungen der beiden jeweils auf einer der Kurbelwellen aufsitzenden Zahnscheiben sind miteinander gekoppelt und die Zahnscheiben werden in entgegengesetzte Richtungen rotiert. Durch die gegenläufigen Bewegungen treten nach Außen keine freien Massenkräfte oder Momente oder Wechseldrehmomente auf. Da die beiden Zahnscheiben in entgegengesetzte Richtungen rotieren, heben sich die durch die rotierenden Massen bewirkten gyroskopischen Kräfte auf.

Der Aufbau eines derartigen Motors ist insbesondere dann besonders einfach, wenn die beiden Zahnscheiben ident ausgebildet sind.

Durch den direkten und/oder über einen Zahnriemen erfolgenden Eingriff der beiden Zahnscheiben wird ein Spiel zwischen den Zahnscheiben weitgehend vermieden, wodurch ein beträchtlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik erreicht wird, bei dem die Zahnscheiben über einen die beiden Zahnscheiben umschließenden Zahnriemen oder durch zwischengeschaltete Zahnräder gekoppelt sind. Bei derartigen bekannten Kopplungen entstehen durch die zwischengeschalteten Elemente, das heißt durch den umlaufenden Zahnriemen und die zwischengeschalteten Zahnräder, unerwünschte Ungleichmäßigkeiten in der Synchronisation der beiden Kolben, sodass das 2 erfindungsgemäße Ziel, nämlich'einen vl&rationsärmen*'und geräuscharmen Motor zu erstellen, nicht erreicht wird.

Es kann vorgesehen sein, dass die Zahnscheiben gleichen Durchmesser besitzen und direkt miteinander mit den längs ihres Umfangs angeordneten Zähnen in Eingriff stehen oder dass von der einen Zahnscheibe ein Zahnriemen getragen ist, der diese Zahnscheibe umspannt, an seiner Innenseite mit in die Ausnehmungen dieser Zahnscheibe eingreifenden Zähnen versehen ist und an seiner Außenseite Zähne trägt, die in die Vertiefungen zwischen den Zähnen der von der anderen Kurbelwelle getragenen Zahnscheibe eingreifen. Es ist dabei möglich, dass der Zahnriemen wahlweise auf eine der beiden Scheiben aufgesetzt wird, Beide Ausführungsmöglichkeiten ergeben einen direkten Eingriff der beiden Zahnscheiben, womit die Laufruhe des Motors optimiert wird. Die Baulänge des Motors ist gering, weil der Kurbelwellenachsabstand durch Verringerung der Bauhöhe der einzelnen Kurbeltriebe verringert werden kann.

Das Arbeitsprinzip des Motors kann beliebig gewählt werden; derartige Motoren sind als 2-Takt, 4-Takt, 6-Takt-Motor usw. geeignet und können als Saugmotor oder aufgeladener Motor betrieben werden. Die Motoren können fremdgezündet oder selbstgezündet sein; auch alternative Verbrennungskonzepte sind einsetzbar. Es kann eine Direkteinspritzung, semidirekte Einspritzung, eine Kurbelgehäuseeinspritzung, Saugrohreinspritzung oder die Anordnung eines Vergasers vorgesehen sein. Letztlich könnte der Motor auch als Dampfmotor mit Dampfinjektor oder Dampfsteuerventil betrieben werden.

Besonders vorteilhaft sind die Vibrationsfreiheit des Motors und die geringe Bauhöhe.

Ein betriebssicherer und einfacher Aufbau ergibt sich, wenn der Zahnriemen bezüglich seiner sich zwischen den von den gegenüberliegenden Oberflächen abgehenden Zähnen erstreckenden Längsebene symmetrisch aufgebaut ist und/oder wenn die von den gegenüberliegenden Flächen des Zahnriemens abgehenden Zähne längs des Zahnriemens jeweils gleiche Abstände besitzen.

Die Baulänge des Motors wird gering und das Arbeitsverhalten wird verbessert, wenn die Bohrung des Zylinders größer ist als der Hub des Kurbeltriebes, wobei gegebenenfalls das Verhältnis von Hub zu Bohrung 0,4 < V < 0,6 ist und/oder wenn das Schubstangenverhältnis SV des Motors, das heißt das Verhältnis von Kurbelradius zur Pleuellänge, 0,25 £ SV < 0,35 beträgt.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn zumindest eine der Zahnscheiben als Polrad eines Stromgenerators ausgebildet ist und/oder wenn die Zahnscheiben Polschuhe aus magnetischem Material oder magnetflussleitende Bleche oder Stäbe tragen und/oder 3 * * * · ΜΦ ι * · · • · · » · · I · » wenn die Zahnscheiben einen'Zahnkranz *a*ufweisen"und in dem vom Zahnkranz umgebenen Raum bzw. in Ausnehmungen in der Zahnscheibe die Flügel einer Strömungsmaschine, beispielsweise eines Axialgebläses, liegen bzw. ausgebildet sind und/oder wenn die Zahnscheiben in ihrer Scheibenfläche Ausnehmungen bzw. Durchbrechungen aufweisen und/oder wenn der Zahnkranz der Zahnscheiben von von dem Wellenlager der Zahnscheibe radial abgehenden Speichen bzw. Trägern getragen ist.

Diese Ausführungsformen von Motoren zeigen einen kompakten Aufbau und einen hohen Wirkungsgrad zusätzlich zu einem geräuscharmen und vibrationsarmen Betrieb,

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Motors. Fig. 3 zeigt eine Detailansicht von miteinander in Eingriff stehenden Zahnscheiben. Fig. 4 und 5 zeigen schematisch Schnittansichten einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gegenkolbenmotors.

In Fig. 2 ist ein Motor dargestellt, der einen kurz ausgebildeten Zylinder 35 aufweist, in dem, wie in Fig. 1 dargestellt, zwei Kolben 3, 4 angeordnet und gegenläufig angetrieben sind. An das Gehäuse des Zylinders 35 sind Kurbelwellengehäuse 33, 34 angeschlossen, in denen Kurbelweilen 7 und 8 gelagert sind. Jede Kurbelwelle 7, 8 trägt eine Zahnscheibe 16 bzw. 17. Die Zahnscheiben 16, 17 besitzen Vertiefungen 20, zwischen denen die Zähne 19 ausgebildet sind. Diese Zahnscheiben 16, 17 können direkt miteinander kämmen bzw. ineinander eingreifen oder als Alternative kann vorgesehen sein, dass von der einen Zahnscheibe 17 ein Zahnriemen 18 getragen ist, der diese Zahnscheibe 17 umspannt, an seiner Innenseite mit in die Ausnehmungen 20 dieser Zahnscheibe 17 eingreifenden Zähnen 22 versehen ist und an seiner Außenseite Zähne 21 trägt, die in die Vertiefungen 20 zwischen den Zähnen 19 der von der anderen Kurbelwelle 8 getragenen Zahnscheibe 16 eingreifen. Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, dass zumindest eine der Zahnscheiben 16, 17 als Polrad eines Stromgenerators ausgebildet ist,

In Fig. 3 ist die Kopplung bzw. der direkte Eingriff der Zahnscheiben 16, 17 im Detail dargestellt. Man erkennt, dass die Zähne 21, 22 des Zahnriemens 18 in die Ausnehmungen 20 der Zahnscheiben 16, 17 eingreifen. Damit wird einerseits eine aufgrund des Materials des Zahnriemens 18 gedämpfte Kopplung der Zahnscheiben 16, 17 erreicht, was zur Unterdrückung von Geräuschen und Vibrationen beiträgt. Ein derartiger Zahnriemen besteht aus elastischem, gegebenenfalls faserverstärktem, Kunststoffmaterial und bewirkt aufgrund seiner Elastizität sowohl eine Geräuschdämpfung als auch eine Vibrationsdämpfung. Geräusche, die durch das Aufeinandertreffen der metallischen Zahnräder verursacht werden, werden durch den Riemen gedämpft. Der Zahnriemen 18 sitzt fest bzw. gespannt auf der Zahnscheibe 17. Günstig für das Betriebsverhältnis ist es, wenn das Schubstangenverhältnis SV des Motors, das heißt das Verhältnis von Kurbelradius R zur Pleuellänge L, 0,25 < SV < 0,35 beträgt. Die Zahnscheiben 16, 17 Können einen Zahnkranz 50 aufweisen und in dem vom Zahnkranz 50 umgebenen Raum bzw. einer Ausnehmung können die Flügel einer Strömungsmaschine, beispielsweise eines Axialgebläses, angeordnet sein.

Zumindest eine der Zahnscheiben 16, 17 kann als Polrad eines Stromgenerators ausgebildet sein. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Zahnscheiben 16, 17 Polschuhe aus magnetischem Material oder magnetflussleitende Bleche oder Stäbe tragen.

Durch das Ineinandergreifen der Zahnscheiben 16, 17 werden die Bewegungen der Kolben 3, 4 synchronisiert. Es ist allerdings auch möglich, die Zahnscheiben 16, 17 auf den beiden Kurbelwellen 7, 8 gegeneinander winkelversetzt anzuordnen oder einzustellen, sodass die Kolben 3, 4 nicht mehr im Gleichtakt, sondern phasenverschoben arbeiten. Diese Phasenverstellung kann mitunter für den Betrieb des Motors vorteilhaft sein. Soferne die Zahnscheiben 16, 17 mechanisch auf den Kurbelwellen 7, 8 aufgesetzt werden, derart, dass sich die Kolben in einer definierten unterschiedlichen Hublage befinden, z.B. durch Festschrauben in unterschiedlichen Winkelstellungen der Kurbelwellen, so kann damit eine fixe Phasenverschiebung der Kolbenbewegungen erreicht werden. Es ist allerdings auch möglich, eine Zahnscheibe über ein Differential mit ihrer Kurbelwelle zu koppeln, sodass durch eine Verstellung des Differentials eine kontinuierliche Phasenverschiebung der Arbeitshübe der beiden gegenläufig arbeitenden Kolben erreicht werden kann.

Die Ausbildung der Zahnscheiben 16, 17 zur Abnahme der Leistung des Motors kann in beliebiger Weise erfolgen. Die Zahnscheiben 16, 17 können als Teil eines elektrischen Generators oder als Teil eines mechanischen Antriebs oder als Teil eines Gebläses oder als Antrieb eines Getriebes eingesetzt werden. Auch die von den beiden Zahnrädern angetriebenen Gerätschaften profitieren von der vibrationsfreien und synchron ablaufenden Bewegung der beiden Zahnscheiben.

Die beiden Zahnscheiben 16, 17 können vorteilhafterweise als Polräder eines Generators ausgebildet sein und können Polschuhe aus permanent magnetischem Material tragen, beispielsweise aus seltenen Erdmetallen wie Neodym, Kobalt oder Samarium. Diese Polschuhe können in die Zahnscheiben eingelegt oder eingegossen sein. Die Zahnräder 16, 17, insbesondere wenn sie als Polrad fungieren, können aus Leichtmetall oder aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet sein. In die Polräder können Plastoferritstreifen eingelegt werden, die durch Spritzen hergestellte Kunststoffbänder darstellen, in die kleine Eisenteile eingespritzt sind, die nach dem 5 • ι · · *« * « · * · • · f * ♦ ♦ * φ «

Einbringen bzw. Anordnen der Streifen im Polrad "magnetisiert werden. Es besteht des weiteren auch die Möglichkeit, die Generatoren als Kurzschlussläufer eines Asynchronmotors zu erstellen, bei dem die flussleitenden Bleche oder Stäbe in das Polrad eingegossen werden.

Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Gegenkolbenmotors senkrecht zur Rotationsachse der Zahnscheiben 16, 17. Der Zahnriemen 18 besitzt im Querschnitt annähernd kreisförmig ausgebildete Zähne, die beidseits der Riemenoberfläche in Form von Halbzylindern vorstehen. Diese Vorsprünge bzw. Zähne 21, 22 werden in entsprechenden halbzylindrische Vertiefungen bzw. Ausnehmungen 20 der beiden Zahnscheiben 16, 17 aufgenommen. Auch elliptische oder trapezförmig geformte Zähne sind möglich.

Die beiden Zahnscheiben 16, 17 können auf der jeweiligen Kurbelwelle 7, 8 mittels Speichen 40 gelagert bzw. getragen werden, um das Gewicht des Motors zu verringern. Man erkennt des weiteren in Fig. 4 die im Mittenbereich des Motors gelegene Zündeinheit 45 bzw. eine Einspritzeinheit 41 für Kraftstoff.

Fig. 5 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Gegenkolbenmotor. Die Pleuelstangen 37 der beiden Kolben 3, 4 sind jeweils in einer Führung 46 gelagert, die die beiden Enden des Zylinders 35 verschließt. Die Pleuel 37 sind bei dieser Ausführungsform starr mit dem jeweiligen Kolben 3, 4 verbunden. Im zylinderfernen Endbereich tragen die Pleuel 37 jeweils ein Querlager 38, in dem ein Gleitstein 39 auf Rollen 47 hin- und herbewegbar gelagert ist. Der Gleitstein umfasst ein Lager 41, in dem die jeweils vom Kolben 3, 4 über das Pleuel 37 angetriebene Kurbelwelle 7, 8 aufgenommen ist.

Der Vorteil der Anordnung von großen Zahnscheiben als Polräder besteht darin, dass bei großen Durchmessern die Leistung der elektrischen Maschine verbessert wird, da die Leistung von der Geschwindigkeit abhängt, mit der die Magnete oder die Leiter an den Spulen vorbeilaufen. Daher ist bei dem erfindungsgemäßen Motor keine Übersetzung der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwellen 7, 8 in Richtung auf höhere

Winkelgeschwindigkeiten erforderlich.

Einen Vorteil stellt es dar, dass der erfindungsgemäße Motor über die Zahnscheiben gestartet werden kann, wenn die elektrische Maschine bzw. der Generator z.B. von einer Batterie mit Strom versorgt bzw. für den Motorstart in Bewegung gesetzt werden.

Es kann ferner vorgesehen sein, dass der Kurbeltrieb zur Verringerung der Kolben - Seitenkraft geschränkt ausgeführt ist. Zur Verbesserung der Kinematik und der Verringerung des Biegemomentes im Bereich des Pleueilagers kann der Zylinder 6 geschränkt angeordnet werden, Bas fteißtVdie’2ylin3efmiftellinie liegt in Drehrichtung vor der Kurbelwellenmittellinie etwa 4 bis 10 % der Zylinder-Bohrung versetzt.

Gemäß Fig. 2 zeigt der Zahnriemen 18 an beiden Seiten gleich ausgebildete Zähne 21, 22. Gemäß Fig. 3 sind die der Zahnscheibe 17 zugewandten Zähne 22 größer ausgebildet als die Zähne 21, die der Zahnscheibe 16 zugewandt sind. Auch ein derartiger Zahnriemen 18 kann wahlweise auf beide Zahnscheiben 16, 17 aufgesetzt werden, wenn er entsprechend gewendet wird.

Bei den Zahnrädern 16, 17 handelt es sich im einfachsten Fall um Stirnräder mit längs des Umfanges angeordneten Zähnen. Die Zahnräder 16, 17 rotieren in einer Ebene, die senkrecht zu den Kurbelwellen 7, 8 verläuft.

Claims (15)

1. ......7...... • ? » * · * · ·· «fr * « « « * * «fr ·«· * fr* ·«··· · · * • ·* · · * · » i Patentansprüche: 1. Motor mit einem Zylinder (35), in dem zwei gegenläufig angetriebene Kolben (3, 4) gelagert sind, wobei jeder Kolben (3, 4) über eine Kurbelwelle (7, 8) eine auf der Kurbelwelle (7, 8) aufgesetzte Zahnscheibe (16, 17) antreibt und die beiden Zahnscheiben (16, 17) bezüglich ihrer Drehbewegung miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die beiden Kurbelwellen (7, 8) aufgesetzten Zahnscheiben (16, 17) miteinander in Eingriff stehen und die Kurbelwellen (7, 8) von den Kolben (3, 4) zu einer Drehbewegung in entgegengesetzte Richtungen angetrieben sind.
2. 2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnscheiben (16, 17) gleichen Durchmesser besitzen und mit längs ihres Umfangs angeordneten oder ausgebildeten Zähnen (18) miteinander in direktem Eingriff stehen,
3. 3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Zahnscheiben (16, 17) ident oder mit gleichem Durchmesser ausgebildet sind.
4. 4. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass von der einen Zahnscheibe (17) ein Zahnriemen (18) getragen ist, der diese Zahnscheibe (17) umspannt, an seiner Innenseite mit in die Ausnehmungen (20) dieser Zahnscheibe (17) eingreifenden Zähnen (22) versehen ist und an seiner Außenseite Zähne (21) trägt, die in die Vertiefungen (20) zwischen den Zähnen (19) der von der anderen Kurbelwelle (8) getragenen Zahnscheibe (16) eingreifen.
5. 5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahnriemen (18) bezüglich seiner sich zwischen den von den gegenüberliegenden Oberflächen abgehenden Zähnen (21, 22) erstreckenden Längsebene symmetrisch aufgebaut ist und/oder dass die von den gegenüberliegenden Flächen des Zahnriemens (18) abgehenden Zähne (21, 22) längs des Zahnriemens (18) jeweils gleiche Abstände besitzen.
6. 6. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Zahnscheiben (16, 17) als Polrad eines Stromgenerators ausgebildet ist. 8 • *· * *·* · » « · • · « · · · · * »«
7. 7. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6* dVdurch gekennzeichnet, dass die Zahnscheiben (16, 17) Polschuhe aus magnetischem Material oder magnetflussleitende Bleche oder Stäbe tragen.
8. 8. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung des Zylinders (35) größer ist als der Hub des Kurbeltriebes, wobei gegebenenfalls das Verhältnis (V) von Hub (H) zu Bohrung (B) 0,4 < V < 0,6 ist.
9. 9. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schubstangenverhältnis (SV) des Motors, das heißt das Verhältnis von Kurbelradius (R) zur Pleuellänge (L), 0,25 < SV i 0,35 beträgt.
10. 10. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Zahnscheibe (16, 17) einen Zahnkranz (50) aufweist, wobei in dem vom Zahnkranz (50) umgebenen Raum die Flügel einer Strömungsmaschine, beispielsweise eines Axialgebläses, ausgebildet sind.
11. 11. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnscheiben (16, 17) in ihrer Scheibenfläche Ausnehmungen bzw. Durchbrechungen aufweisen und/oder dass der Zahnkranz (50) der Zahnscheiben (16, 17) von, von dem Wellenlager der Zahnscheibe (16, 17) radial abgehenden Speichen oder Trägern (40) getragen ist.
12. 12. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurbeltrieb zur Verringerung der Kolben-Seitenkraft geschränkt ausgeführt ist.
13. 13. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurbeltrieb zur Verringerung eines Kippens des Kolbens bezüglich des Kolbenbolzens desaxiert angeordnet ist.
14. 14. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnscheiben (16, 17) auf der sie tragenden Kurbelwelle (7, 8) in wählbaren Winkelpositionen aufsetzbar und festlegbar ausgebildet sind.
15. 15. Motor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung einer vorgegebenen Phasenverschiebung der gekoppelten Bewegung der beiden Kolben (3, 4) zumindest eine der Zahnscheiben (16, 17) bezüglich der sie tragenden Kurbelwelle (7, 8) winkelverstellbar gelagert ist. Wien, am 5. September 2011