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.