DE2446609A1

DE2446609A1 - Engine with reciprocating piston - turns reciprocating into rotary motion by means of spiral grooves in piston

Info

Publication number: DE2446609A1
Application number: DE19742446609
Authority: DE
Inventors: Christian Puchas
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-09-30
Filing date: 1974-09-30
Publication date: 1976-04-08

Abstract

The engine contains a piston in line with and directly coupled to the output shaft. Guide pins between the piston and the cylinder slide in axial grooves in the cylinder walls. They also fit into grooves which run in sinusoidal spirals round the outside of the piston. The resulting constraint on the piston causes it to rotate as it reciprocates and thus to turn the output shaft. The construction is useful for small engines of low power ratings which it enables to be built compactly and with low weight. The out of balance forces are very small and can be eliminated altogether in a two cylinder engine.

Description

Kolbenmaschine mit hin- und hergehender Kolbenbewegung Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine, die insbesondere für kleinere Leistungen zur Verwendung beispielsweise als Verbrennungs-oder Druckmittelmotor sowie als Luftverdichter oder Flüssigkeits= puppe geeignet ist, uit mindestens einem Zylinder, der mindestens einen Tolben enthalt, welcher in dem Zylinder hin- und herbewegbar ist. Reciprocating piston engine The invention relates to a piston machine that is used in particular for smaller powers for example as a combustion or pressure medium engine and as an air compressor or Liquid doll is suitable uit at least one cylinder that is at least Contains a Tolben, which is reciprocable in the cylinder.

Be derartigen Kolbenmaschinen ist es erforderlich, daß die hin-und hergehende Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung übergeführt wird.In such piston machines it is necessary that the back and forth subsequent movement of the piston is converted into a rotary movement.

Es ist bekannt, daß der Kurbeltrieb als häufigst gebrauchte Antriebs= form die hin- und hergehende Kolbenbewegung in Drehbewegung umwandelt.It is known that the crank mechanism is the most frequently used drive = shape converts the reciprocating piston movement into rotary movement.

Beim eniger eingesetzten Taumelscheibentrieb, bei de die Kolben achsparallel mit einem wellenförmigen Kurvenstück gekuppelt sind, bewirkt die hin- und hergehende Bewegung der Kolben ebenfalls eine Drehbewegung der Welle.With the little swash plate drive used, where the pistons are axially parallel are coupled with a wave-shaped curve piece, causes the reciprocating Movement of the piston is also a rotary movement of the shaft.

In beiden Fällen ist es dabei allerdings nötig, daß zur Bewegungsum= wandlung eine Vielzahl von Bauteilen verwendet wird, sodaß Raumbedarf, Gewicht und Herstellungskosten ungünstig beeinflußt erden. Hohe ean= spruchung einzelner Bauteile, nachteilige kinematische Bewegungsver= hältnisse, unbefriedig-ender Gleichlauf und Massenkräfte führe zu mehrzylindrigen Agoregaten, die den baulichen Aufwand noch beträcht= lich erhöhen.In both cases, however, it is necessary that for movement around = conversion a variety of components is used, so that space requirements, weight and Earth manufacturing costs adversely affected. High stress on individual components, disadvantageous kinematic movement conditions, unsatisfactory synchronization and Mass forces lead to multi-cylinder agoregates, which still require the structural effort increase considerably.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit geringem baulichen Aufwand eine vorteilhafte Bewegungsumwandlung von hin- wi'd hergehen= der Kolbenbewegung in Wellendrehbewegung zu erreichen, Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelost, daß die Achse der Antriebswelle in der Zylinderachse liegt und der Kolben durch ein oder mehrere Führungselemente derart mit dem Zylinder und der Antriebswelle gekupplet ist, daß die Hubbewegung des Kolbens eine Frehbewegung der Antriebswelle bewirkt.The invention is based on the object with little structural effort an advantageous conversion of motion from backward = the piston motion to achieve in shaft rotary motion, this object is achieved according to the invention, that the axis of the drive shaft lies in the cylinder axis and the piston through one or more guide elements such with the cylinder and the drive shaft It is coupled that the stroke movement of the piston causes the drive shaft to move freely causes.

Ein oder mehrere Führungselemente greifen an mindestens einer Führungs= kurve, welche als schrägführung dient, kraftübertragend an.One or more guide elements engage at least one guide = curve, which serves as an inclined guide, transmits force.

Die Führungskurve weist eine in sich geschlossene, wellenförmig um= laufende Bahn auf und ist auf der Antriebswelle oder auf dem Kolben angebracht.The guide curve has a self-contained, undulating around = running track and is mounted on the drive shaft or on the piston.

Mindestens eine Geradführung führt den Kolben is Zylinder oder auf der Antriebswelle drehfest.At least one linear guide guides the piston as a cylinder or the drive shaft rotatably.

Die eine oder mehreren Geradfuhrungen sind achsparallel zur' Zylinder= achse angeordnet.The one or more straight guides are axially parallel to the cylinder = arranged axis.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteil bestehen insbesondere darin, daß zur Beregungsumwandlung nur wenige und einfache Bauteile erforder= lich sind, sodaß der notwendige Bauraum, das Gewicht und die Herstel= lungskosten sehr günstig gehalten werden können. Die geringe Bean= spruchung der Bauteile ergibt Verschleiß- und Lebensdauervorteile.The advantages achieved with the invention are in particular that only a few and simple components are required to convert irrigation, so that the necessary installation space, the weight and the manufacturing costs are very cheap can be held. The low stress on the components results in wear and lifetime benefits.

Je nach gewunschtem Einsatzgebiet ist durch eine besondere Formgebung der Führungskurve eine weitgehende kinematische Anpassung bezuglich maximaler Kolbenbeschleunigung oder maximaler Kolbengeschwindigkeit möglich. Die erreichbare Verbesserung des Gleichlaufs und der Abbau der Massenkräfte erhöhen die Laufkultur und erübrigen aufwendige, viel= zylindrige Aggregate.Depending on the desired area of application is through a special shape of the guide curve an extensive kinematic adjustment with regard to the maximum piston acceleration or maximum piston speed possible. The achievable improvement in synchronism and the reduction of the inertia forces increase the running smoothness and eliminate the need for complex, a lot = cylindrical aggregates.

In der Zeichnung ist die Erfindung in schematischer Form in einem Ausführungsbeispiel dargestellt, Es zeigen: Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitt durch einen Einzylinder-Zwei taktmotor, Fig. 2 einen teilweisen Schnitt durch die Fuhrungselemente in rig. 1 und Fig. 3 einen Kräfteplan.In the drawing the invention is in schematic form in one Exemplary embodiment shown, FIG. 1 shows a partial longitudinal section by a single-cylinder two-stroke engine, Fig. 2 is a partial section through the Guide elements in rig. 1 and 3 show a plan of forces.

In Fig. 1 ist als Ausführungsbeispiel schematisch ein Einzylinder--Zweitaktmotor dargestellt. Es ist zu ersehen, daß im Zylinder, der vom Zylinderkopf 2 und vom Zylinderabschlußdeckel 3 begrenzt wird, sich der Kolben 4 befindet. Wie Fig. 1 und Fig. 2 zeigen, sind beim gezeigten Ausführungsbeispiel im Kolben 4 zwei sich gegenüberliegende, radial angeordnete FUhrungselemente 5 verankert. Diese greifen in zwei in dem Zylinder 1 eingearbeitete, zur Zylinderachse 10 achsparallele Geradführungen 6 ein, welche hier in Erweiterung ihrer Aufgabe zu= -gl-eich- als Überströmkanäle fungteren. Durch -die ührungselemente 5 und die Geradführungen 6 wird der Kolben 4 während seiner Hubbewegung im Zylinder 1 drehfest geführt. Die Führungselemente 5 greifen hier gleich= zeitig in eine Führungskurve 7 kraftübertragend ein, die in sich ge= schlossen, wellenförmig umlaufend auf der Antriebswelle 8 eingearbei= tet ist. Diese Antriebswelle 8 liegt mit ihrer Achse in der Zylinder= achse 10 und ist nach Fig. 1 im Zylinderabschlußdeckel 3 durch- das Lager 9 drehbar jedoch in axialer Richtung fixiert, gelagert. Bei zwei Führungselementen 5 weist die Führungskurve 7 zwei volle Sinus-oder sinusähnliche- Linien auf. Wie aus Fig. 1 weiter entnommen werden kann, verursacht die auf den Kolbenboden des Kolbens 4 einwirkende Gasdruckkraft P keine Normalkraft zwischen Kolben4 und Zylinder 1, sondern Wirkt während des Kolbenhubes als reine Axialkraft und stützt sich zu gleichen Anteilen auf die gleichmäßig am Umfang verteilten P'ührungselemente 5 ab. Durch den Wegfall der Normalkraft vermindert sich die Reibung zwischen Kolben 4 und Zylinder 1, woraus sich Ver= schleiß- und Lebensdauervörteile ergeben. Aus Fig. 3 ist zu ersehen, daß jedes Führungselement 5 seinen Anteil von der Gasdruckkraft P als senkrechte Stützkräfte auf die Geradführung 6 und auf die Füh= rungskurve 7 abstützt. Die Stützkraft G wird über die Geradführung 6 direkt als innere Kraft vom Zylinder 1 aufgenommen. Die Richtung der Stützkraft F ist durch die Führungskurve 7 gegeben, die ja zwischen oberem und unterem Kolbenumkehrpunkt als Schräg führung ausgebildet ist. Die in jeder Kolbenstellung senkrecht auf die Führungskurve 7 stehende Stützkraft F koniint als Lagerkraft L und als Umfangskraft U zur Wirkung. Dle Lagerkraft L wird über die Bauteile Antriebswelle 8, Lager 9 und Zylinderabschlußdeckel 3 - der am Zy,liiider 1-befestigt ist -ebenfalls als innere Kraft von Zylinder 1 auggenommen, während die Umfangskraft U die Antriebswelle 8 in Drehung versetzt und damit als äußere Kraft zur Wirkung kommt.A single-cylinder two-stroke engine is shown schematically in FIG. 1 as an exemplary embodiment shown. It can be seen that in the cylinder, from the cylinder head 2 and from Cylinder cover 3 is limited, the piston 4 is located. Like Fig. 1 and Fig. 2 show, in the embodiment shown in the piston 4 two opposite, radially arranged guide elements 5 anchored. These engage in two in the cylinder 1 incorporated, to the cylinder axis 10 axially parallel straight guides 6, which functioned here as overflow channels in expansion of their task to = -gl-eich-. By -die guide elements 5 and the straight guides 6 is the piston 4 during his Stroke movement in cylinder 1 non-rotatably guided. The guide elements 5 take effect here at the same time into a guide curve 7 in a force-transmitting manner, which are closed in themselves, is incorporated in a wave-shaped circumferential manner on the drive shaft 8. This drive shaft 8 lies with its axis in the cylinder = axis 10 and is according to Fig. 1 in the cylinder cover 3 through the bearing 9 rotatably but fixed in the axial direction, stored. At two Guide elements 5, the guide curve 7 has two full sine or sine-like- Lines up. As can be seen from Fig. 1, the causes on the Piston head of the piston 4 acting gas pressure force P no normal force between Piston 4 and cylinder 1, but acts as a pure axial force during the piston stroke and is based in equal proportions on the guide elements evenly distributed around the circumference 5 from. The absence of normal force reduces the friction between pistons 4 and cylinder 1, which results in wear and service life advantages. the end Fig. 3 can be seen that each guide element 5 its share of the gas pressure force P as vertical supporting forces on the straight-line guide 6 and on the guide curve 7 supports. The supporting force G is transmitted directly as an internal force via the straight-line guide 6 absorbed by cylinder 1. The direction of the supporting force F is indicated by the guide curve 7 given that yes between the upper and lower piston reversal point as an inclined guide is trained. The one that is perpendicular to the guide curve 7 in each piston position Support force F koniint as bearing force L and as circumferential force U to the effect. The bearing force L is driven by the components drive shaft 8, bearing 9 and cylinder cover 3 - which is attached to the Zy, liiider 1 - also assumed as an internal force of cylinder 1, while the circumferential force U sets the drive shaft 8 in rotation and thus as external force comes into play.

Bei einem Drehwinkel der Antriebswelle 8 von 360 Grad durchlaufen in diese Beispiel die Führungselemente 5 zwei volle sinusähnliche Wellen= linien. Dies bewirkt vier Kolbenhübe und damit zwei Arbeitstakte. Damit wird eine erhebliche Verbesserung im Gleichlaufverhalten erreicht denn der erfindungsgemäße Einzylinder-Zweitaktmotor entspricht in seinem Ungleichförniigkeitsgrad einem konventionellen Zweitaktmotor mit Kurbel= trieb in Zweizylinderausführung.Run through at an angle of rotation of the drive shaft 8 of 360 degrees In this example the guide elements 5 have two full sinusoidal waves = lines. This results in four piston strokes and thus two work cycles. This will be a significant The single-cylinder two-stroke engine according to the invention achieves an improvement in the synchronization behavior corresponds in its degree of irregularity to a conventional two-stroke engine with crank drive in two-cylinder design.

Wie aus Fig. 1 weiters ersichtlich, sind die hin- und hergehenden Massen des Motors sehr klein. Lediglich der Kolben4 und die FUhrungselemente 5 zahlen dazu. Die sich daraus ergebenden beschleunigungsabhängigen Mass senkräfte können fUr dieses Ausführunssbeispiel durch günstige Ausge= staltung der Führungskurve 7 weiter verringert werden, da ja die FUh= rungskurve 7 die Funktion einer Hubkurve erfüllt und bei der Auswahl von sinusähnlichen Hubkurven eine Form verwendet werden kann, welche die Hubbewegung des Kolbens 4 mit geringer Kolbenhöchstbeschleunigung ausführt.As can also be seen from Fig. 1, the reciprocating Masses of the engine are very small. Only the piston 4 and the guide elements 5 pay to. The resulting acceleration-dependent mass forces can for this exemplary embodiment through a favorable design of the guide curve 7 can be further reduced, since the FUh = approximately curve 7 has the function of a lift curve and a shape can be used when selecting sinusoidal lift curves can, which the stroke movement of the piston 4 with low maximum piston acceleration executes.

In folge der kleinen hin- und hergehenden Massen und der Führungekurve 7 mit spezieller Hubcharakteristik kann in diesem Beispiel auf einen ge= sonderten Massenausgleich verzichtet werden.As a result of the small reciprocating masses and the lead curve 7 with special stroke characteristics can be separated in this example Mass balancing can be dispensed with.

Ein natürlicher, vollkommener Massenausgleich ergäbe sich für die er= findungsgemäße Kolbenmaschine bereits mit einer Zweizylinderausführung, bei der die beiden Zylinder sich gegenüber liegen und die Kolben gegen läufig auf eine gemeinsame Antriebswelle wirken.A natural, perfect mass balance would result for them he = piston machine according to the invention already with a two-cylinder version which the two cylinders are opposite each other and the pistons in opposite directions on one act common drive shaft.

Diese Vorteile der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine erbringen nicht nur.The piston machine according to the invention does not provide these advantages only.

diverse bauliche und technische Verbesserungen, sondern erlauben auch eine Ifostensenkung gegenüber den bisher bekannten und gebauten Kolben= maschinen in den verschiedensten Anwendunbereichen.various structural and technical improvements, but also allow a reduction in costs compared to the previously known and built piston machines in the most diverse areas of application.

Claims

Patent and protection claims

1. Piston machine, which is especially suitable for smaller performances = Turn, for example, as an internal combustion or pressure engine and as an air compressor or liquid pump is suitable, with at least one cylinder, the at least contains a piston which is reciprocable in the cylinder, thereby g e = k e n n n z e i c h n e t that the axis of the drive shaft (8) in the cylinder axis (10) and the piston (4) by one or more guide elements (5) in such a way with the cylinder (1) and the drive shaft (8) is coupled that the stroke movement of the piston (4) causes the drive shaft (8) to rotate.

2. Piston engine according to claim 1, characterized in that it is e k e n n z e i c h = n e t that one or more guide elements (5) on at least one guide curve (7), which serves as an inclined guide, attack in a force-transmitting manner.

3. Piston machine according to claim 1 or 2, characterized in that g e k e n n = z e i c h n e t that the guide curve (7) is a self-contained, wellenföniig Has circumferential track and mounted on the drive shaft (8) or on the piston (4) is.

4. Piston machine according to one or more of claims 1 to 3, in that at least one straight line (6) denotes The piston (4) in the cylinder (1) or on the drive shaft (8) is non-rotatable.

5. Piston machine according to one or more of claims 1 to 4, in that one or more straight guides (6) are arranged axially parallel to the cylinder axis (io).

6. Piston machine according to one or more of claims 1 to 5, in that one or more guide elements (5) of Piston (4) or from the cylinder (1).

7. Piston machine according to one or more of claims 1 to 6, in that one or more guide elements (5) are perpendicular are arranged to the cylinder axis (10).