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Ventilsteuerung für Kolbendampfmaschinen, insbesondere Lokomotivdampfmaschinen und Schiffs- dampfmasehinen.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Ventilsteuerung für Kolbendampfmaschinen, insbesondere Lokomotivdampfmaschinen und Schiffsmaschinen, bei der die Ein-und Auslassventile durch umlaufende, axial verschiebbare Steuernocken angetrieben werden.
Bei den bisher bekannten Ventilsteuerungen dieser Art steigt die Anhubfläche der Einlassnocken über ihre ganze axiale Länge mit zur Drehachse parallelen Erzeugenden auf die durchwegs gleiche Höhe an, um dann zur Einstellung der verschiedenen Füllungen nach einer Schraubenfläche wieder abzufallen. Durch axiale Verstellung der Nocken kann daher die Fiillung und damit die Leistung der Maschine geändert werden. Diese Ausbildung der Nocken hat jedoch den Nachteil, dass sie und die von ihnen betätigten Organe einer starken Abnützung unterliegen, weil die Steuernocken und die von ihnen angetriebenen Organe nur Punktberührung miteinander haben.
Dieser Nachteil kann auch durch sanft ansteigende Anhubflächen der Steuernocken nur in geringem Mass behoben werden, abgesehen davon, dass sich dann schleichende, d. h. zu langsame Ventileröffnungen ergeben.
Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, die rotierenden Antriebsnocken von Ventilsteuerungen
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können aber auch nur eine sehr geringe Breite erhalten. Dessen ungeachtet wird die Gesamtlänge der Steuernocken sehr gross und es sind infolgedessen auch grosse Verschiebungen des Nockens, insbesondere beim Umsteuern der Maschine erforderlich. Hinsichtlich der Abnützung ergeben sich nur geringe Vorteile und ausserdem sind nur wenige, voneinander verschiedene Füllungen einstellbar. Ferner ist keine kontinuierliche Änderung der Füllungen möglich und beim Übergang von einer Füllung auf die andere muss das von dem Steuernocken angetriebene Organ abgehoben werden.
Den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet eine Ventilsteuerung mit rotierenden Steuernocken, durch welche nicht nur die oben geschilderten Nachteile der bekannten Steuerungen vermieden werden, sondern auch eine weitgehende Anpassung der Nocken an den normalen oder Dauerbetrieb der Maschine erreicht wird. Die Erfindung geht hiebei von der Erkenntnis aus, dass Kolbendampfmaschinen, die zum Antrieb von Lokomotiven, Schiffen u. dgl. dienen, während des grössten Teiles ihrer Betriebszeit mit einer bestimmten kleinsten oder normalen Füllung arbeiten, während grössere Füllungen nur ausnahmsweise, z. B. beim Anfahren, Manövrieren u. dgl. eingestellt werden.
Demzufolge weist die Erfindung gemäss der Einlassnocken zwei unterschiedliche Teile auf. Der eine Teil, dessen Anhub-und Ablaufflächen parallel zur Drehachse liegende Erzeugende besitzen, ist für die Fahrt der Lokomotive auf ebener Strecke oder für die Marschgeschwindigkeit der Schiffe bestimmt. Für diesen Teil ist die Füllung so gewählt, dass während dieser weitaus längsten Betriebszeit die günstigste Maschinenleistung erzielt wird, also während dieses ganzen Betriebes die Steuerteile mit voller Linienberührung an-und ablaufen.
Der zweite Teil des Steuernocken, der für die übrigen Füllungen bestimmt ist, kommt dagegen nur beim Anfahren, Manövrieren oder Bergfahrten zur Wirkung. Er wird daher immer nur zeitweise und auf kürzere Zeit beansprucht, wobei auch bei ihm das Steuerglied bis zur vollen Ventileröffnung mit voller Linienberührung aufläuft und bis zum Ablauf Linienberührung beibehält.
Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf die weitere Ausbildung einer derartigen Nockenventilsteuerung.
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In den Zeichnungen ist als Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung eine dieser entsprechend ausgebildete Steuerung einer Lokomotivdampfmasehine veranschaulicht.
Die Fig. 1 stellt eine teilweise Seitenansicht der Lokomotive dar ; die Fig. 2 zeigt eine Oberansieht der Fig. 1 samt dem Steuerungsantrieb ; die Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch die Steuernockenkammer und die Ventilgehäuse beider Zylinder ; die Fig. 4 ist ein horizontaler Schnitt nach
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welle der Steuerung im Schnitt nach der Linie e-t der Fig. 1 ; die Fig. 5 zeigt einen Teil der Verstelleinriehtung im Schnitt nach der Linie geh der Fig. 4 ; die Fig. 6 und 7 zeigen die Einlasssteuernoeken in Seitenansicht und Grundriss ; die Fig. 8 und 9 zeigen die Auslasssteuernocken in Seitenansicht und
Grundriss ; die Fig. 10 zeigt die Ausbildung und Lagerung der Wälzhebel in der Nockenwellenkammer in Seitenansicht ; die Fig. 11 ist ein Querschnitt durch den einen Wälzhebel nach der Linie i-lc der Fig. 10.
Zu beiden Seiten des Untergestelles 1 der Lokomotive sind Dampfzylinder 2 angeordnet, an denen oben Ventilgehäuse 3 angegossen sind. Diese enthalten die Zu- und Abführungskanäle für den Dampf, die Einlassventile 4 und die Auslassventile 5. Die Spindeln der Steuerventile beider Zylinder liegen in einer horizontalen Ebene quer zur Lokomotive, wobei die Spindelenden nach der Mitte zu gerichtet sind und bei jedem Zylinder die Einlassventile 4 innen und die Auslassventile 5 aussen liegen (Fig. 3 und 4). Die Spindeln sind in Büchsen 6 geführt, die das Ventilgehäuse 3 mit einem die Noekenwellenkammer 7 enthaltenen Gehäuse 8 verbinden. Die Ventilspindeln ragen mit ihren Enden in die Nockenwellenkammer ? hinein.
In dieser Kammer 7 ist eine Einsatzbüchse 9 angeordnet, in welcher die rotierende Steuer-oder Nockenwelle 10 in der Längsachse der Lokomotive gelagert ist. Auf dieser Welle 10 sind die Einlass- nocken 11 und die Auslassnocken 12 für die Vorwärtsfahrt, sowie die Einlassnoeken 11'und die Auslassnocken 12'für die Rückwärtsfahrt aufgekeilt (Fig. 4). Mit diesen Steuernocken wirken, wie die Fig. 3 und 10 zeigen, gekrümmte Hebel 13 zusammen, die um eine gemeinsame Achse 14 schwingen und mit ihren freien Enden an den Enden der Ventilspindeln anliegen. Die zusammenwirkenden Steuerteile werden durch den auf die Ventilspindeln einwirkenden Dampfdruck stets in Anlage gehalten.
Zu diesem Zwecke sind in den Gehäusedeckels 15 (Fig. 4), welche die zum Einsetzen der Ventile dienenden Öffnungen des Ventilgehäuses 3 abschliessen, Bohrungen 16 vorgesehen, in denen Druckkolben 17 geführt sind. Diesen Bohrungen 16 wird durch angeschlossene Leitungen 18 Kesseldampf zugeführt, der die Kolben 17 gegen die Ventilspindeln presst und dadurch die Ventile geschlossen und die in der Noekenkammer 7 befindlichen Steuerungsteile miteinander in Anlage hält.
Jedes der beiden zur Betätigung der Einlassventile 4 dienenden Steuerorgane 11 besteht aus zwei ohne Zwischenraum nebeneinander angeordneten Teilen 11a und llb. Der Teil lla trägt eine Anhubfläehe A, deren Erzeugende zur Drehachse des Nockens parallel liegen. Eine gleich ausgebildete Anhubfläche A'besitzt der zweite Teil llb des Einlassnockens 11, wobei die Flächen A und A'der
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und 7).
Mit dem Einlassnocken 11 wirken die oben erwähnten gekrümmten den Einlassnocken bogenförmig umschliessenden Zwisehenhebel 13 zusammen (Fig. 10). Jeder der beiden Zwischenhebel 13 ist mit einer vorgewölbten Fläche D versehen, die mit den Flächen A, A', B und C bzw. 0'des Steuer- nockens 11 zusammenwirken. Die Arbeitsflächen D der beiden Zwisehenhebel. M berühren die Flächen des Steuernockens 11 an Stellen, welche entsprechend dem Kurbelwinkel der beiden Maschinenzylinder um 900 gegeneinander versetzt sind.
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sie ist so gewählt, dass die Einlassventile auf die volle Höhe geöffnet werden.
Die Einlassventile werden daher auch bei der kleinsten Füllung, bei welcher die Maschine normalerweise arbeitet (bei Lokomotiven beispielsweise bei einer Füllung von 10%) voll eröffnet. Zur Betätigung der Einlassventile bei dieser Füllung dient der Noekenteil lla. Behufs Einstellung grösserer Füllungen, welche bei Lokomotivmaschinen behufs Überwindung des Anfahrwiderstandes und bei Bergfahrt bis ungefähr 72% betragen, werden die Steuernocken axial derart verschoben, dass ihr Teil llb auf die Zwisehenhebel 13 einwirkt.
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gleiche Weise und auf die gleiche Höhe wie bei der kleinsten Füllung. Nur laufen jetzt die Zwischenhebel 13 bzw. ihre Arbeitsflächen D auf der zylindrischen Fläche B des Nockenteiles llb, wodurch die Ventile kürzere oder längere Zeit offengehalten werden.
Da die Anhubfläehe A, A'mit zur Drehachse parallelen Erzeugenden bis zur vollen Höhe ansteigt, können die Arbeitsflächen D der Zwischenhebel 13 bis zu ihrer vollen Breite (Fig. 11) in Linienberührung mit der Fläche. A bzw. A'stehen. Dasselbe ist der Fall, wenn die Arbeitsflächen D der Zwisehenhebel 13 über die Zylinderfläche B des Nockenteiles 11b hinweg gehen. Dadurch werden Abnützungen der zusammenarbeitenden Flächenteile weitgehend verringert.
Hiezu kommt aber noch,
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dass die Flächen D der Zwischenhebel13 mit der Anhubfläehe Ader Nockenteile 11 a und 11 b ungefähr nach Art von Wälzhebeln zusammenwirken, wodurch die Abnützung beinahe vollkommen hintangehalten wird.
Bei der Normalfüllung der Masehinenzylinder, bei welcher die Zwischenhebel13 von dem Nockenteil 11 a betätigt werden, besteht die Linienberührung auch beim Schliessen der Ventile, indem die Arbeitsflächen D der Zwischenhebel auf der Fläche C des Nockenteiles 11 a ablaufen. Nur bei grösseren Füllungen tritt während des Schliessens der Ventile, d. h. beim Ablauf der Arbeitsflächen D über die Schraubenfläche C'des Noekenteiles 11b eine blosse Punktberührung auf. Da aber beim Schliessen der Ventile keinerlei Beschleunigungskräfte mehr wirksam sind, ist der Druck an den Berührungspunkten nur gering, so dass auch an der Ablauffläche C'des Nockenteiles 11b auch nach sehr langem Betrieb keine nennenswerten Abnützungen auftreten.
Das Einstellen noch kleinerer Leistungen der Maschinenzylinder als jene, welche durch den Nockenteil11 a bewirkt werden, was jedoch nur sehr selten und für kurze Zeit, z. B. bei Leerfahrt der Lokomotive notwendig ist, wird mittels des Reglers, d. h. durch Drosselung des Dampfes, vorgenommen.
Wie die Fig. 10 und 11 zeigen, schliessen sieh an die Arbeitsfläche D der Zwisehenhebel 13 beiderseits abgeschrägte Seitenflächen E an. Diese dienen dazu, beim Umsteuern der Maschine von Vorwärtsfahrt auf Rückwärtsfahrt und umgekehrt die Zwischenhebel 13, ohne vorher den Regler oder den Schliessdruck der Ventile abstellen zu müssen, zwanglos auf die andern Steuernocken überzuleiten. Um dies noch mehr zu erleichtern, sind auch die gegeneinander gerichteten Stirnflächen der Nockenteile 11 a und 11 b mit Schrägflächen F versehen, welche die gleiche Neigung wie die erwähnten Flächen E der Zwischenhebel 73 haben.
Bei einer axialen Verschiebung der Steuernocken wird daher durch die Keilwirkung dieser Flächen die Überleitung des Wälzhebels von einer Steuerfläche auf die andere ermöglicht.
Durch die Unterteilung des Einlasssteuernockens 11 in die Teile 11 a und 11 b wird seine Her-
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da der hiefür bestimmte Nocken 11', wie die Fig. 7 zeigt, nur entgegengesetzt wie der Nocken 11 auf dieselbe glatt durchgehende Keilnut 19 der Nockenwelle 10 aufgesetzt werden muss.
Der Auslassnocken 12, der in den Fig. 8 und 9 dargestellt ist, hat für alle Füllungen das gleiche Profil. Bei ihm sind die gegeneinander gerichteten Stirnflächen gleichfalls durch Schrägflächen G begrenzt, um auch hier bei der axialen Verschiebung die Zwischenhebel von dem einen der beiden Nocken 12 und 12'auf den andern überzuleiten.
Da der grösste Ventilhub bei allen Füllungen von 10 bis 72% derselbe ist und die Nocken sich mit gleicher Winkelgeschwindigkeit drehen, ist auch die Ventilbeschleunigung beim Anhub für alle Füllungen die gleiche und nur abhängig von der Drehzahl der Lokomotivachse. Sie kann also leicht für alle Fälle so bestimmt werden, dass keine Stösse und übermässige Abnützung in der Steuerung auftreten.
Bei dem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel wirken die Zwisehenhebel llj' unmittelbar nach Art von Wälzhebeln mit den Steuerungsnocken zusammen ; die Vermeidung von Rollen ist zwar ein grosser Vorteil, selbstverständlich können aber mit der Erfindung gemäss ausgebildeten Steuerungsnocken auch Laufrollen zusammenwirken. Hiebei gewährt die Erfindung den Vorteil, dass die Rollen sehr breit gehalten werden und bis zu ihrer vollen Breite in Linienberührung mit den rotierenden Steuerungsnocken stehen können.
Der Antrieb der Nockenwelle 10 erfolgt von einer der Treibachsen 21 der Lokomotive aus (Fig. l und 2). Auf dieser Achse 21 sitzt ein Schraubenrad 22, das in ein auf einer Längswelle 25 befestigtes Schraubenrad 23 eingreift. Beide Räder sind öl-und staubdicht in einem um die Achse 21 schwingbaren Gehäuse 24 eingebaut. Die Längswelle 25 ruht hiebei in einem Lagerbügel 26, der in senkrechten Führungen ausschwingbar ist (Fig. 4 a).
Am vorderen Ende der Längswelle 25 ist ein Kardangelenk 27 (Fig. 4) vorgesehen, dessen vorderer hohler Stummel 28 das Ende der Nockenwelle 10 umfasst und mit dieser durch Längsrippen 29 gekuppelt ist, welche eine axiale Verschiebung der Nockenwelle 10 gestatten, ohne deren Antrieb zu unterbrechen.
Der Kardanstummel 28 ist hiebei in einer in das rohrförmige Ende der Einsatzbüchse 9 eingesetzten Büchse 30 gelagert. Bei dieser Anordnung kann die Längswelle 25 jeder räumlichen Bewegung der Lokomotivachse nachgeben. Hiebei werden die kleinen Längsverschiebungen der Längswelle infolge der Federspiele der Treibachsen dadurch ausgeglichen, dass sich die Längswelle im oberen Schraubenrad 23 verschieben kann.
Die Umsteuerung sowie die Änderungen der Füllung der Maschine erfolgen durch axiale Verschiebung der Nockenwelle 10. Zu diesem Zwecke ist am andern Ende der Nockenwelle 10, gegenüber dem Kardangelenk 27 ein zweiteiliges Gleitstück 31 vorgesehen (Fig. 4), welches das abgesetzte und mit einem Bund 32 versehene Ende der Nockenwelle 10 so umfasst, dass diese sich in dem Gleitstück 31 frei drehen kann, jedoch bei einer Verschiebung dieses Gleitstückes von diesem in axialer Richtung mitgenommen wird (Fig. 5). Die Verschiebung des Gleitstüekes 31 erfolgt durch einen auf einer Querwelle 34 sitzenden Arm 33, der in eine Ausnehmung des Gleitstückes eingreift.
Das andere Ende der
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Querwelle trägt einen zweiten Arm 35, der durch ein Gestänge 36 vom Führerstand aus verstellt werden kann (Fig. 5).
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Ventilsteuerung für Kolbendampfmasehinen, insbesondere Lokomotivdampfmasehinen und Schiffsdampfmasehinen mit umlaufenden, axial verlaufenden Steuerungsnocken, wobei die Anhubfläche der Einlassnoeken über ihre ganze axiale Länge mit zur Drehachse parallelen Erzeugenden auf die durchweg gleiche Höhe ansteigt, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Einstellung der kleinsten Füllung (oder Normalfüllung) dienende Teil (0) der Ablauffläche des Einlassnoekens (11, 11') wieder mit zur Drehachse parallelen Erzeugenden abfällt, während der übrige zur Einstellung der grösseren Füllungen dienende Teil in eine Zylinderfläche (B) übergeht,
die mit einer ungefähr schraubenförmigen Ablauffläche (0') nach der Drehachse hin abfällt und sich an die zur Einstellung der kleinsten Füllung dienenden Ablauffläehe (0) anschliesst.