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Rotationskolbenbrennkraftmaschine Gegenstand der Erfindung ist eine
Rotationskolbenbrennkraftmaschine mit einem Gehäuse, das sich aus zwei Seitenteilen
und einem Mantel zusammensetzt und in welchem auf einem Exzenter ein mehreckiger
Kolben drehbar gelagert ist, der mit seinen Ecken an der Innenfläche des Mantels
entlanggleitet, wodurch eine Mehrzahl von volumenveränderlichen Arbeitskammern gebildet
wird.
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Es ist bei Hubkolbemnaschinen allgemein üblich, den Kolben aus Leichtmetall,
beispielsweise einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung, herzustellen. Die Anwendung
von Leichtmetall für den Kolben von Rotationskolbenbrennkraftmaschinen begegnete
bisher erheblichen Schwierigkeiten, da der Kolben drehbar auf einem Stahlexzenter
gelagert ist und durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung dieser beiden Teile
eine beträchtliche Vergrößerung des Lagerspiels bei Erwärmung der Maschine von Raumtemperatur
zu Betriebstemperatur eintrat. Diese Vergrößerung des Lagerspiels kann zur Folge
haben, daß der Kolben unerwünschte Bewegungen ausführt und dabei mit der Mantelinnenfläche
in direkte Berührung kommt, was eine Beschädigung sowohl dieser Fläche als auch
des Kolbens verursachen kann, und daß bei Verwendung eines Gleitlagers der ölfilm
an einigen Stellen abreißt. Diese Nachteile werden gemäß der Erfindung dadurch vermieden,
daß zur Lagerung des Kolbens auf dem Exzenter zwei ineinander angeordnete Lagerbüchsen
vorgesehen sind. Dabei ist die äußere Büchse mit einem Schrumpfsitz im Kolben angeordnet,
der fest genug ist, um bei allen Betriebstemperaturen eine feste Verbindung zwischen
Außenbüchse und Kolben herzustellen. Die innere Büchse ist ebenfalls mit einem Schrumpfsitz
in der äußeren Büchse befestigt, der jedoch weniger fest ist als derjenige zwischen
Außenbüchse und Kolben, so daß bei einer zwischen Raumtemperatur und Betriebstemperatur
liegenden Temperatur der Schrumpfsitz der inneren Büchse aufgehoben wird und die
innere Büchse als schwimmendes Lager zwischen Außenbüchse und Exzenter wirkt. Diese
erfindungsgemäße Lagerausbildung bewirkt wesentlich geringere Änderungen des Lagerspiels
zwischen Kolben und Exzenter bei Erwärmung der Maschine von Raumtemperatur bis Betriebstemperatur
im Vergleich zu einer Konstruktion, bei welcher nur eine einzige Stahlbüchse vorgesehen
ist, die ständig mit Schrumpfsitz im Leichtmetallkolben festsitzt.
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Dadurch, daß das Lagerspiel zwischen Kolben und Exzenter trotz der
unterschiedlichen Wärineausdehnung klein gehalten wird, werden folgende Vorteile
erzielt: 1. Es wird stets ein Ölfilm im Lager aufrechterhalten.
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2. Es wird verhindert, daß der Kolben mit der inneren Mantelfläche
in Berührung kommt, was eintreten könnte, wenn das Lagerspiel zu groß würde.
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3. Die Tragzahl des Lagers wird erhöht.
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Wenn sich bei einer zwischen kaum- und Betriebstemperatur liegenden
Temperatur die Innenbüchse von der Außenbüchse trennt, so füllt sich der dadurch
entstehende Spalt mit Schmieröl. Um ein übertreten dieses Schmieröls entlang einer
Stirnfläche des Kolbens in die Arbeitskammern zu verhindern, ist auf einem Ende
der Innenbüchse eine Mutter aufgeschraubt, welche einen Flansch aufweist, der mit
dem entsprechenden axialen Ende der Außenbüchse zusammenwirkt. Der Flansch ist dabei
so elastisch, daß er eine axiale Wärmedehnung der Außenbüchse zuläßt.
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Bei den meisten Maschinen der angegebenen Art ist zwischen Kolben
und Gehäuse ein Getriebe vorgesehen, welches aus einem am Kolben befestigten Hohlrad
und einem mit diesem im Eingriff stehenden und am Gehäuse befestigten Ritzel besteht.
Dieses Getriebe hat kein Drehmoment zu übertragen, sondem dient lediglich dazu,
die richtige Phasenlage des
Kolbens bezüglich des Gehäuses zu gewährleisten.
Erfindungsgemäß wird das Hohkad von einer an der Innenbüchse angebrachten Innenverzahnung
gebildet. Da diese Büchse jedoch, wie vorher beschrieben, bei bestimmten Temperaturen
als schwimmendes Lager dient, müssen Mittel vorgesehen werden, um eine Verdrehung
der Innenverzahnung gegenüber dem Kolben zu verhindern. Zu diesem Zweck ist die
Innenbüchse mit äußeren Fortsätzen versehen, die mit entsprechenden Nuten im Kolben
zusammenwirken. Da sich der Kolben und die Innenbüchse bei Erwärmung verschieden
ausdehnen, ist zwischen den Fortsätzen und den Nuten sowohl in radialer als auch
in Umfangsrichtung ein Spiel vorgesehen, damit keine Kräfte auf die Fortsätze wirken
können, welche diese verbiegen oder abscheren könnten. Die zusammenwirkenden Flächen
der Fortsätze und der Nuten hegen vorzugsweise in radialen Ebenen durch die Drehachse
des Kolbens, wodurch vermieden wird, daß sich das Spiel der Fortsätze in den Nuten
in Umfangsrichtung bei Erwärmung ändert, denn sowohl der Kolben als auch die Innenbüchse
dehnen sich in radialer Richtung aus.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Die Erfindung ist dabei
an einer Rotationskolbenbrennkraftmaschine erläutert, bei welcher der Kolben auf
einem sich drehenden Exzenter angeordnet ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf
diese Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern auch auf Maschinen anwendbar, bei
denen der Kolben auf einem feststehenden Exzenter drehbar gelagert ist.
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Fig. 1 zeigt eine Rotationskolbenbrennkraftmaschine, bei welcher
ein Seitenteil entfernt ist, um den Kolben in seiner Lage im Gehäuse sichtbar zu
machen; Fig. 2 ist ein Querschnitt gemäß Linie 2-2 in Fig. 1;
Fig.
3 zeigt die Ausbildung des Kolbenlagers im Querschnitt, wobei die Teile des
Lagers zur besseren Veranschaulichung auseinandergezogen sind; Fig. 4 ist ein Diagramm
zur Veranschaulichung der unterschiedlichen Wärinedehnungen des Kolbens, der Lagerbüchsen
und des Exzenters, und Fig. 5 ist eine schematische Ansicht des Kolbens.
In allen Figuren sind die Spiele zur besseren Veranschaulichung erheblich übertrieben
dargestellt.
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Es sei zunächst auf Fig. 1 und 2 Bezug genommen. Das Gehäuse
12 der Rotationskolbenbrennkraftmaschine besteht aus den beiden parallelen Seitenteilen
28 und 30 und dem diese verbindenden Mantel 32. Die Innenfläche
18 des Mantels 32 hat im Querschnitt die Form einer zweibogigen Epitrochoide,
und ihre Mittelachse ist mit 16 bezeichnet. In dem von den Seitenteilen
28 und 30 und dem Mantel 32 begrenzten Innenraum ist ein Kolben
10 um eine Achse 14 drehbar angeordnet. Er ist auf einem Exzenter
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gelagert, der ein Teil einer Welle 34 darstellt, deren Drehachse mit der
Achse 16 des Gehäuses 12 zusammenfällt und die in den Seitenteilen
28 und 30
gelagert ist. Der Kolben 10 weist drei Ecken
38 auf, welche radialbewegliche Dichtleisten 40 tragen. Diese Dichtleisten
gleiten während der Relativbewegung des Kolbens zum Gehäuse ständig an der Innenfläche
18 entlang, wodurch drei volumenveränderliche Arbeitskammern 42 zwischen
den Kolbenflanken 44 mit Kolbenmulden 45 und der Innenfläche 18 des Mantels
32 gebildet werden. Die Relativbewegung wird durch ein Getriebe erzwungen,
das aus einem am Kolben befestigten Hohlrad 54 und einem damit im Eingriff stehenden
Ritzel 58, das am Seitenteil 28 befestigt ist, besteht. Das übersetzungsverhältnis
zwischen Hohlrad 54 und Ritzel 58 beträgt im Ausführungsbeispiel
3: 2, so daß die Welle 34 für jede Umdrehung des Kolbens 10 um seine
Achse 14 drei Umdrehungen in derselben Richtung ausführt. Das Getriebe hat kein
Drehmoment zu übertragen, sondern dient lediglich zur Aufrechterhaltung der richtigen
Phasenlage zwischen Kolben und Gehäuse.
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Im Gehäuse sind ein Einlaßkanal 24 für Frischgase, ein Auslaßkanal
22 für die verbrannten Gase und eine Zündkerze 46 angeordnet.
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Beim Umlauf des Kolbens 10 in Pfeilrichtung wird Frischgas
durch den Einlaßkanal 24 in die Arbeitskammern 42 angesaugt. Diese Gase werden verdichtet,
gezündet, expandiert und schließlich durch den Auslaßkanal 22 ausgeschoben. Diese
vier Takte finden in jeder der Arbeitskammern mit entsprechender Phasenversetzung
während einer vollständigen Umdrehung des Läufers im Gehäuse statt.
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Die Exzentrizität e zwischen der Läuferachse 14 und der Achse
16 des Gehäuses 12 bzw. der Welle 34 bildet den Hebelarm, durch den die Energie
der expandierenden Gase in das auf die Welle 34 wirkende Drehmoment umgeformt wird.
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Wie besonders aus Fig. 3 ersichtlich, besteht die Lagerung
des Kolbens 10 auf dem Exzenter 36 aus zwei Stahlbüchsen
50 und 52. In der Lagerbohrung 48 des Leichtmetallkolbens
10 ist die äußere Büchse 50 mit einem festen Schrumpfsitz befestigt.
Dieser Schrumpfsitz ist so fest, daß er sich der Elastizitätsgrenze des Leichtmetallkolbens
10 nähert, über welche hinaus eine plastische Verformung des Leichtmetalls
eintreten würde. In der Praxis wird die äußere Büchse 50 unter Raumtemperatur
abgekühlt und der Leichtmetallkolben 10 erhitzt, um die Büchse
50 in die Bohrung 48 einsetzen zu können. Wenn die Teile gleiche Temperatur
aufweisen, besteht ein fester Schrumpfsitz. Dieser Schrumpfsitz ist ausreichend,
um auch bei Betriebstemperatur die äußere Büchse 50 in fester Verbindung
mit dem Kolben 10 zu halten, so daß diese beiden Teile über den ganzen Temperaturbereich
eine Einheit bilden.
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Innerhalb der äußeren Stahlbüchse 50 ist eine zweite Stahlbüchse
52 ebenfalls mit Schrumpfsitz angeordnet. Dieser Schrumpfsitz ist beträchtlich
weniger fest als derjenige zwischen der äußeren Büchse 50
und der Lagerbohrung
48, jedoch ausreichend, daß die innere Büchse 52, die äußere Büchse
50 und der Leichtmetallkolben 10 bei Raumtemperatur als eine Einheit
wirken.
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Wenn sich die Maschine im Betrieb erwärmt, wird bei einer Zwischentemperatur
der verhältnismäßig leichte Schrumpfsitz zwischen der inneren Büchse 52
und
der äußeren Büchse 50 durch die radiale Ausdehnung der äußeren Büchse
50 und des Leichtmetallkolbens 10 aufgehoben. Die innere Büchse
52
kann sich dann frei ausdehnen, während die aus der äußeren Büchse und dem
Leichtmetallkolben bestehende Einheit sich stärker ausdehnt, wobei ihr Ausdehnungskoeffizient
etwa zwischen demjenigen für Stahl und demjenigen für Aluminium liegt.
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Bei Temperaturen, die über der Zwischentemperatur liegen, bei welcher
die Trennung erfolgt, wirkt die innere Büchse 52 als ein schwimmendes Lager,
da bei diesen Temperaturen ein Lagerspiel zwischen
den Büchsen
52 und 50 sowie das normale Lagerspiel zwischen Büchse 52 und
Exzenter 36 auftritt.
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Fig. 4 zeigt das Diagramm, aus welchem die verschiedenen Wärmedehnungen
des Kolbens. der Lagerbüchsen und des Exzenters und die daraus sich ergebenden Lagerspiele
zu ersehen sind. Auf der x-Achse ist die Temperatur des Kolbens und auf der y-Achse
ist die Wärmedehnung aufgetragen.
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Die Linien a und b, welche die Wärmedehnung des freien Leichtmetallkolbens
und der freien äußeren Büchse zeigen, sind hypothetisch, da diese beiden Teile über
den ganzen Temperaturbereich als eine Einheit wirken. Die durch die Linie c veranschaulichte
Wärmedehnung dieser Einheit liegt, wie ersichtlich, zwischen der Wärmedehnung des
freien Leichtmetallkolbens und derjenigen der freien Stahlbüchse.
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Von Raumtemperatur (201 C) bis zu ungefähr 700 C besteht
ein Schrumpfsitz zwischen der Innenbüchse 52 und der Außenbüchse
50. Der Verlauf der Wärmedehnung über diesen Temperaturbereich für die aus
Kolben 10, Außenbüchse 50 und Innenbüchse 52 bestehende Einheit
ist durch die gestrichelte Kurve d gekennzeichnet. Bei etwa 70' C
wird dieser Schrumpfsitz aufgehoben, und die innere Büchse kann sich von dieser
Temperatur an frei nach der Wärmedehnungskurve für Stahl ausdehnen. Diese Kurve
ist mit d' bezeichnet. Die Trennung der inneren Büchse 52 beeinflußt
die Dehnung für die aus dem Kolben 10
und der Außenbüchse 50 bestehende
Resteinheit, die durch die Linie c veranschaulicht ist. Die Kurve f der Wärmedehnung
für den Exzenter folgt der normalen Kurve für Stahl über den ganzen Temperaturbereich.
Der Spalt zwischen dem Exzenter und dem Innendurchmesser der inneren Büchse
52 bei Raumtemperatur ist mit R, derjenige bei Betriebstemperatur
(230' Q mit S bezeichnet. Ein Vergleich dieser beiden Spalte zeigt,
daß der Unterschied nur sehr gering ist, also das Spiel zwischen Exzenter und Innenbüchse
52 über den ganzen Temperaturbereich im wesentlichen konstant bleibt.
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Aus Fig. 4 läßt sich auch ersehen, wie das Spiel zwischen der Innenbüchse
und der Außenbüchse von einem Schrumpfsitz bei Raumtemperatur über ein endliches
Spiel bei 70' C bis zu einem Spiel T bei Betriebstemperatur wächst, wobei
das Spiel T etwa dem Spiel S zwischen, Innenbüchse und Exzenter entspricht.
Die Summe der Spiele S und T stellt also das gesamte radiale Lagerspiel dar.
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Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß, nachdem der LeichtmetAkolben
aus einer Anzahl von Teilen besteht, von denen jedes sein eigenes Toleranzfeld hat,
die Summe der Toleranzen, welche das Spiel zwischen dem Exzenter und der Innenbüchse
beeinflussen, verhältnismäßig groß sein kann, wenn die Maschine kalt ist. Bei Betriebstemperatur
jedoch wird die Innenbüchse ein frei schwimmendes Stahlteil, so daß die einzigen
Toleranzen, welche den Spalt zwischen ihr und dem Exzenter beeinflussen, die Toleranz
ihres Innendurchmessers und das Toleranzfeld des Exzenters ist. Alle Auswirkungen
der Toleranzen des Außendurchmessers der lnnenbüchse, des Toleranzfeldes der Außenbüchse
und des Toleranzfeldes des Leichtmetallkolbens, die normalerweise auf die Toleranz
des Innendurchmessers der Innenbüchse Einfluß hätten, werden ausgeschaltet, da die
Innenbüchse frei ist. Demzufolge ist dieToleranz des Laufspieles eine Funktion von
nur zwei Toleranzen, nämlich den Toleranzen des Außendurchmessers des Exzenters
und des Innendurchmessers der Innenbüchse.
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Um zu verhindern, daß Schmieröl aus dem Spalt zwischen den Büchsen
50 und 52 entlang der Stirnfläche 66 des Kolbens
10 zu den Arbeitskammern gelangen kann, wenn sich die Büchse 52 von
der Büchse 50 getrennt hat, ist eine Mutter 62 mit einem nach außen
gerichteten Flansch 64 auf das der Verzahnung 54 gegenüberliegende Ende der Innenbüchse
52 aufgeschraubt. Die Innenbüchse 52 weist eine Schulter
68 auf, die an dem in Fig. 2 und 3 rechten Ende der äußeren Büchse
50 zur Anlage kommen kann, wenn die Mutter 62 festgezogen ist.
Der Flansch 64 ist dünn genug, um eine Wärmedehnung der äußeren Büchse
50 und des Leichtinetallkolbens 10 in axialer Richtung zuzulassen.
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Um eine einwandfreie Funktion der Maschine zu erhalten, muß verhindert
werden, daß das Hohlrad 54 sich gegenüber dem Kolben 10 verdreht. Das Hohlrad
54 ist, wie ersichtlich, ein Teil der inneren Büchse 52, und die Sicherung
gegen Verdrehung erfolgt durch radial gerichtete Fortsätze 56, die mit entsprechend
geformten Nuten 60 im Kolben 10 zusammenwirken. Diese Sicherung tritt
dann in Tätigkeit, wenn der Schrumpfsitz der inneren Büchse 52
in der äußeren
Büchse 50 aufgehoben ist und die innere Büchse 52 als frei schwimmendes
Lager wirkt. Da sowohl die Fortsätze 56 der inneren Büchse 52
als auch
die Nuten 60 im Kolben 10 radiale Seitenflächen aufweisen und beide
Teile thermisch in radialer Richtung wachsen, bleibt das Spiel zwischen den Fortsätzen
56 und den Nuten 60 in Umfangsrichtung unabhängig von der Temperatur
konstant.
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Die Wirkungsweise der Fortsätze 56 wird an Hand der Fig.
5 näher erläutert. Die Spiele zwischen den dargestellten Teilen sind aus
Anschaulichkeitsgründen übertrieben dargestellt. Zur Vereinfachung sind nur vier
Fortsätze 56 in ausgezogenen Linien gezeigt, die n-üt entsprechenden Nuten
60 im Kolben 10 im Eingriff stehen. In der Praxis sind natürlich mehr
als vier Fortsätze vorgesehen. Diese zusätzlichen Fortsätze sind gestrichelt eingezeichnet.
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Die schwimmende Anordnung der Innenbüchse 52
ergibt ein Problem
bezüglich ihrer Festlegung gegen Verdrehung relativ zum Kolben 10, da das
Spiel auf der Seite des Kolbens, auf welcher die Kraft ausgeübt wird, im wesentlichen
aufgehoben wird. In Fig. 5 ist diese Kraft durch den Pfeil F veranschaulicht.
Die Kraft F wird durch den Exzenter 36 aufgenommen, aber der Kolben muß sich
zunächst um die Lagerspiele bewegen, bis die Kraft wirksam aufgenommen werden
kann. Es ergibt sich also eine relative Radialbewegung zwischen dem Kolben
10,
der inneren Büchse 52 und dem Exzenter 36. Wie aus Fig.
5 ersichtlich, stehen die beiden radialen Fortsätze 56a und 56b, die
in der Ebene der Kraft F liegen, der genannten Relativbewegung nicht entgegen. Die
beiden Fortsätze 56 c und 56 d, die senkrecht
zu der Ebene liegen, in welcher die Kraft F wirkt, sind jedoch bestrebt, jede Bewegung
zu verhindern, die eine exzentrische Lage der inneren Büchse 52, des Kolbens
10 und des Exzenters 36 zueinander verursachen würde. Bestünde daher
kein Spiel in Umfangsrichtung zwischen den Fortsätzen 56
und den Nuten
60, so würden die Fortsätze 56 c und 56 d
die ganze Kraft F aufzunehmen haben und bei genügend großer Kraft F abgeschert werden.
Demzufolge
ist ein endlicher Spalt zwischen den Fortsätzen
56 und den Wänden der Nuten 60 vorgesehen, der gleich oder größer
ist als das gesamte radiale Spiel. Durch dieses Spiel der Fortsätze 56 in
den Nuten 60
in Umfangsrichtung wird erreicht, daß die Kraft direkt vom Exzenter
36 aufgenommen wird und nicht auf die Fortsätze 56 wirkt.
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Selbstverständlich muß auch zwischen den Umfangsflächen
76 und 78 der Fortsätze 56 und der Nuten 60 ein Spalt
vorgesehen werden, der größenmäßig dem Spalt zwischen den radialen Flächen
72
und 74 entspricht. Dieses Radialspiel gewährleistet, daß die Lagerspiele
ohne Beeinflussung durch die Flächen 76 und 78 aufgehoben werden können.
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Das Spiel zwischen den radialen Flächen 72 und 74 und den Unifangsflächen
76 und 78 ist so gering gehalten, daß dadurch die Lage der Verzahnung
54 zum Kolben 10 nicht ungünstig beeinflußt wird.