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Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenmaschine mit im Bereich der Verbindung jedes Kolbens mit der Kurbelwelle vorgesehenen zusätzlichen Führungseinrichtungen zur Aufnahme der bei der Schwenkbewegung des Pleuels auftretenden Querkräfte.
Kolbenmaschinen mit einem oder mehreren Zylindern, deren Kolben über Pleuel mit der Kurbelwelle verbunden sind, sind in verschiedensten Ausführungen im Einsatz. U. a. sind entsprechende Kolbenmaschinen als Brennkraftmaschinen, Heissgasmotoren (Stirlingmaschinen), Kühlmaschinen und Kompressoren bekannt.
Bei der Kraftübertragung zwischen Kolben und Kurbelwelle schwenkt das Pleuel ausserhalb der beiden Totstellungen gegenüber der Kolbenachse, wodurch Querkräfte entstehen, für deren Aufnahme Führungsflächen am Kolben notwendig sind oder eben zusätzliche Einrichtungen erforderlich werden. Nach einer Ausführung werden Führungen in Form eines Kreuzkopfes vorgesehen. Abgesehen von einem unvermeidlichen Verschleiss durch die Querkräfte, die beträchtliche Werte annehmen konnen, leidet der Wirkungsgrad der jeweiligen Maschine durch die Rei- bungsverluste zwischen den meist in gleitendem Eingriff stehenden Flächenpaarungen, wobei diese Reibung zwar durch Flüssigkeitsschmierung verringert, aber nicht vermieden werden kann.
Bei einer weiteren bekannten Kolbenmaschine der eingangs genannten Art wird ein sogenanntes Knickpleuel verwendet, das zwischen dem Kurbelzapfen der Kurbelwelle und dem Kolbenbolzen mit einem Gelenk versehen Ist, an dem ein etwa senkrecht zur Zylinderachse angelenkter und im Abstand von dieser Zylinderachse im Kurbelgehäuse drehbar gelagerter Lenkarm angreift, der die Quer-
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kräfte des der Kurbelwelle zugewandten Pleuelteils zum Tell aufnimmt. Eine vollständige Aufnahme ist nicht möglich, da das Gelenk zwischen Lenkarm und Knickpleuel wegen der ortsfesten Lagerung des Lenkarmes einem Bogenweg folgt, der von der Zylinderachse abweicht, so dass trotz dieser Konstruktion Restkräfte übrig bleiben, die Verlustleistung und zusätzliche Reibung verursachen.
Aufgabe der Erfindung ist demnach die Schaffung einer Kolbenmaschine der eingangs genannten Art, bei der die erwähnten Querkräfte praktisch vollständig und unter geringstmöglichen Reibungsverlusten aufgenommen werden können.
Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die zusätzlichen Führungseinrichtungen aus gegengleich am Kolbenbolzen gelagerten Lenkarmen bestehen, die sich an seitlichen Führungen z. B. der Zylinderwand oder des Kurbelgehäuses mit zur Achse des Kolbenbolzens konzentrischen Kreisabschnitten folgenden Abstützungen abwälzen.
Die Lenkarme erzwingen eine exakte Führung des Kolbens und damit des Kolbenbolzens entlang der Zylinderachse. Da sich die Abstützungen an den Führungen abwälzen, kommt es zwischen diesen beiden Elementen nur zu einer rollenden, also äusserst verlustarmen Reibung. Die Lagerung der Lenkarme am Kolbenbolzen kann, je nach Art der Maschine, über dem Verbindungslager zwischen Kolben und Pleuel entsprechende Lager, also Gleitlager oder Wälzlager, erfolgen, wobei lebensdauergeschmierte Wälzlager bevorzugt werden. Im letzteren Fall wird durch die erfindungsgemässe Einrichtung die Voraussetzung für einen ölfreien Betrieb des Kurbeltriebes geschaffen, was besonders im Bereich der Kompressortechnik und bei anderen Kolbenmaschinen, z. B. Stirlingmotoren oder Kältemaschinen, neue Gestaltungsmöglichkeiten erlaubt.
Die seitlichen Führungen können auch durch eigene Einbauteile realisiert werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind zusätzliche form- oder kraftschlüssige Führungen zur Einhaltung gleichbleibender Eingriffslagen der Abstützungen mit Ihren Fuhrungen in den jeweiligen Kolbenstellungen vorgesehen. Hier bieten sich
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verschiedene Möglichkeiten an. Nach einer dieser Möglichkeiten welsen die Abstützungen und die Führungen ineinander eingreifende Verzahnungen auf.
Nach einer noch einfacheren Ausgestaltung bestehen die zusätzlichen Führungen aus selbst elastisch biegsamen, dehnbaren oder federbelasteten Spannbändern oder-seilen ausserhalb des Bewegungsbereiches jeder Abstützung verankert und von da entlang der Abwälzführung zur Auflagestelle der Abstützung und weiter entlang der Abstützung bis zu dem von ihrer Verankerung abweisenden Ende über den Wölbungsbereich der Abstützung gespannt und dort befestigt sind. Hier ergibt sich ein spielfreier und äusserst reibungsarmer Bewegungsablauf.
Weitere Vorteile des Erfindungsgegenstandes entnimmt man der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen in jeweils schematisch vereinfachter Darstellungsweise Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemässen Maschine bei nur teilweise dargestelltem Kurbelgehäuse im Längsschnitt, Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 11-11 der Fig. 1, Fig. 3 in einer der Fig. 2 entsprechenden Darstellungsweise eine Maschine, bei der Abstützungen und Führungen verzahnt sind, Fig. 4 als Detail zu Fig. 3 den Eingriff eines Lenkarmes mit seiner Führung und Fig. 5 in der Fig. 4 entsprechenden Darstellungsweise eine Ausführung mit die
Verzahnung ersetzenden Spannbändern oder-seilen.
Die gezeigte Maschine besitzt ein Kurbelgehäuse 1, an das ein oder mehrere Zylinder 2 - beim Ausführungsbeispiel der oder die Zylinder einer Stirlingamschine - anschliessen, wobei in dem bzw. jedem Zylinder ein Kolben 3 arbeitet, dessen Kolbenbolzen 4 über ein Pleuel 5 mit einem Kurbelzapfen 6 der Kurbelwelle 7 verbunden ist.
Im Kurbelgehäuse sind einander gegenüber zur Zylinderachse und zum Kolbenbolzen 4 parallele Führungsflächen 8 vorgesehen, an denen sich gegengleich
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angeordnete Lenkarme 9 mit verbreiterten Abstützungen 10 abwälzen, wobei die für den Eingriff mit der Führung 8 bestimmte Seite der Abstützung einem zur Achse des Kolbenbolzens 4 konzentrischen Kreisbogen folgt. In den Fig. 2 - 4 wurde angedeutet, dass die Abstützungen 10 und die Führungen 8 ineinandergreifende Verzahnungen 11,12 aufweisen können.
Der Unterschied zwischen den Ausführungen nach den Fig. 2 und 3 besteht darin, dass nach Fig. 2 das Pleuel 5 in der Mitte des Kolbenbolzens 4 gelagert ist und die Lenkarme 9 zu beiden Seiten des Pleuels mit Gabelenden am Kolbenbolzen 4 gelagert sind, wobei für die Gabelenden und das Pleuel 5 Lager 13,14 Verwendung finden, wogegen bei der Ausführung nach Fig. 3 die Lenkarme 9 wieder mit Gabelenden aussen auf einer für sich mit 14 gelagerten Endbuchse 15 des Pleuels gelagert werden.
Nach Fig. 5 sind zwei verschiedene Ausführungen der zusätzlichen Führungen für die Lenkarme 9 dargestellt, welche Führungen nach einer ersten Variante paarweise gleich verwendet werden. Das eine Führungselement besteht aus einem Seil 16, das unter Vorspannung einer Feder 17 steht und das zweite Führungselement aus einem biegeelastischen Spannband 18. Die Elemente 16 bzw. 18 sind mit Abstand vom möglichen Verstellbereich der Abstützung 10 befestigt und werden entlang der Führung 8 bis zum momentanen Auflagebereich der Abstützung 10 geführt, von wo an sie der Wölbung der Abstützung 10 selbst folgend wenigstens bis zu deren von ihrer Verankerung abweisenden Ende geführt und dort befestigt sind.
Die bei der Abwälzung der Abstützung auf der Führung 8 auftretenden Längenänderungen werden durch die Elastizität des Bandes 18 bzw. der Feder 17 ausgeglichen. Nach einer Veriante liegt die Abstützung 10 mit ihrer kreisförmig gewölbten Stützfläche direkt an der Führung 8 an und besitzt ebenfalls der Kreisform folgende Aufnahmenuten für die Seile 16 bzw. Bänder 18.
Nach einer weiteren Variante werden pro Lenkarm 9 nicht zwei gleiche Seile 16 bzw. Spannbänder 18 verwendet, sondern es kommt nur ein hinreichend steifes Spannband 18, z. B. ein Stahlfederband, zum Einsatz, das auch wie das Seil 16 angebracht sein kann
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The invention relates to a piston machine with additional guide devices provided in the region of the connection of each piston to the crankshaft for absorbing the transverse forces occurring during the pivoting movement of the connecting rod.
Piston engines with one or more cylinders, the pistons of which are connected to the crankshaft by connecting rods, are used in a wide variety of designs. Among other things Corresponding piston machines are known as internal combustion engines, hot gas engines (Stirling machines), cooling machines and compressors.
When the power is transmitted between the piston and the crankshaft, the connecting rod swivels outside the two dead positions relative to the piston axis, as a result of which transverse forces arise, for which guide surfaces on the piston are necessary or additional devices are required. After execution, guides in the form of a cross head are provided. Apart from the inevitable wear caused by the transverse forces, which can take on considerable values, the efficiency of the respective machine suffers from the frictional losses between the surface pairings, which are usually in sliding engagement, although this friction can be reduced by liquid lubrication, but cannot be avoided.
In another known piston engine of the type mentioned, a so-called articulated connecting rod is used, which is provided with a joint between the crank pin of the crankshaft and the piston pin, on which a steering arm which is articulated approximately perpendicular to the cylinder axis and rotatably mounted at a distance from this cylinder axis in the crankcase acts who the cross
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absorbs forces of the connecting rod part facing the crankshaft to the tell. A complete inclusion is not possible because the joint between the steering arm and the articulated connecting rod follows an arc path due to the fixed mounting of the steering arm, which deviates from the cylinder axis, so that despite this construction, residual forces remain which cause power loss and additional friction.
The object of the invention is therefore to provide a piston machine of the type mentioned, in which the lateral forces mentioned can be absorbed practically completely and with the least possible frictional losses.
The object is achieved in that the additional guide devices consist of steering arms mounted in opposite directions on the piston pin, which are attached to lateral guides, for. B. roll the cylinder wall or the crankcase with concentric circular sections to the axis of the piston pin following supports.
The steering arms force an exact guidance of the piston and thus the piston pin along the cylinder axis. Since the supports roll on the guides, there is only a rolling, ie extremely low-loss, friction between these two elements. Depending on the type of machine, the steering arms can be mounted on the connecting bearing between the piston and the connecting rod, corresponding bearings, that is, plain bearings or roller bearings, with lifetime-lubricated roller bearings being preferred. In the latter case, the prerequisite for oil-free operation of the crank mechanism is created by the device according to the invention, which is particularly important in the field of compressor technology and in other piston machines, e.g. B. Stirling engines or chillers, new design options allowed.
The side guides can also be implemented with their own installation parts.
According to a development of the invention, additional positive or non-positive guides are provided to maintain the engagement positions of the supports with their guides in the respective piston positions. Here offer themselves
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different options. According to one of these possibilities, the supports and the guides intermesh gear teeth.
According to an even simpler design, the additional guides consist of self-elastic, stretchable or spring-loaded tensioning straps or ropes anchored outside the range of movement of each support and from there along the roller guide to the support contact point and further along the support to the end that is repellent from its anchoring stretched over the arch area of the support and fastened there. This results in a play-free and extremely low-friction movement.
Further advantages of the subject matter of the invention can be found in the following description of the drawings.
The subject matter of the invention is shown in the drawing, for example. 1 shows the basic structure of a machine according to the invention with the crankcase only partially shown in longitudinal section, FIG. 2 shows a section along the line 11-11 of FIG. 1, FIG. 3 corresponds to one of FIG. 2 Representation of a machine in which supports and guides are interlocked, Fig. 4 as a detail to Fig. 3 the engagement of a steering arm with its guide and Fig. 5 in Fig. 4 corresponding representation of an embodiment with the
Tensioning straps or ropes replacing teeth.
The machine shown has a crankcase 1 to which one or more cylinders 2 - in the exemplary embodiment the cylinder or cylinders of a Stirling engine - are connected, a piston 3 working in the or each cylinder, the piston pin 4 of which is connected to a crank pin 6 via a connecting rod 5 the crankshaft 7 is connected.
In the crankcase 4 parallel guide surfaces 8 are provided opposite each other to the cylinder axis and to the piston pin, on which mutually opposite
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Roll the arranged steering arms 9 with widened supports 10, the side of the support intended for engagement with the guide 8 following a circular arc concentric with the axis of the piston pin 4. 2-4 it was indicated that the supports 10 and the guides 8 can have interlocking teeth 11, 12.
The difference between the designs according to FIGS. 2 and 3 is that according to FIG. 2 the connecting rod 5 is mounted in the middle of the piston pin 4 and the steering arms 9 are mounted on both sides of the connecting rod with fork ends on the piston pin 4, whereby for the fork ends and the connecting rod 5 bearings 13, 14 are used, whereas in the embodiment according to FIG. 3 the steering arms 9 are again supported with fork ends outside on an end bushing 15 of the connecting rod 15 which is supported by itself.
5 shows two different designs of the additional guides for the steering arms 9, which guides are used in pairs according to a first variant. One guide element consists of a rope 16, which is pretensioned by a spring 17 and the second guide element consists of a flexible elastic tensioning band 18. The elements 16 and 18 are fastened at a distance from the possible adjustment range of the support 10 and are along the guide 8 to current contact area of the support 10, from where they follow the curvature of the support 10 itself at least up to its end facing away from its anchoring and are fastened there.
The changes in length that occur when the support is passed on the guide 8 are compensated for by the elasticity of the band 18 or the spring 17. According to a variant, the support 10 lies with its circularly curved support surface directly on the guide 8 and likewise has receiving grooves for the cables 16 or tapes 18 following the circular shape.
According to a further variant, two identical ropes 16 or tensioning straps 18 are not used per steering arm 9, but only a sufficiently rigid tensioning strap 18, e.g. B. a steel spring band, which can also be attached like the rope 16