CH626141A5

CH626141A5 - Reciprocating piston machine

Info

Publication number: CH626141A5
Application number: CH1255977A
Authority: CH
Inventors: Franz Hillingrathner
Original assignee: Balcke Duerr Ag
Priority date: 1976-10-15
Filing date: 1977-10-14
Publication date: 1981-10-30
Also published as: FR2367951A1; ES463204A1; GB1563754A; BE859659A; ATA738877A; FR2367951B3; DE2646532A1; AT353389B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hubkolbenmaschine mit mindestens einem an einem Kurbelzapfen an einer Abkröpfung einer Kurbelwelle über ein gerade geführtes Gleitgelenk und eine Pleuelstange angreifenden Hubkolben mit einem Ausgleich der Massenkräfte erster und zweiter Ordnung der oszillierenden Massen. Sie findet vorzugsweise, jedoch nicht ausschliesslich, Anwendung als Hubkolbenkompressor für alle Gase. The invention relates to a reciprocating piston machine with at least one reciprocating piston engaging on a crank pin on a cranked crankshaft via a straight slide joint and a connecting rod with a compensation of the first and second order inertial forces of the oscillating masses. It is preferably, but not exclusively, used as a reciprocating compressor for all gases.

Es ist allgemein bekannt, zur Kompensation der freien oszillierenden Massenkräfte ein sogenanntes Ausgleichsgetriebe anzuordnen. Bei dieser Anordnung befinden sich unterhalb der Kurbelwelle zwei Fliehgewichte, von denen eines von der Kurbelwelle angetrieben wird und das koaxial zu ihm liegende Fliehgewicht entgegengesetzt dreht. Es handelt sich um hälftig schwere bzw. unausbalancierte Zahnräder. Da die Fliehgewichte koaxial nebeneinander liegen und entgegengesetzt drehen, heben sich ihre waagerechten Kraftkomponenten auf. Gleichzeitig kompensieren die Fliehgewichte die senkrechten Schwingungen der Kurbelwelle. Das Ausgleichsgetriebe bringt nur einen Ausgleich der freien Massenkräfte I. Ordnung. It is generally known to arrange a so-called differential gear to compensate for the free oscillating mass forces. In this arrangement there are two flyweights below the crankshaft, one of which is driven by the crankshaft and which rotates the flyweight lying coaxially to it in the opposite direction. The gears are half heavy or unbalanced. Since the flyweights are coaxially next to each other and turn in opposite directions, their horizontal force components cancel each other out. At the same time, the flyweights compensate for the vertical vibrations of the crankshaft. The differential gear only balances the free mass forces of the first order.

Es ist weiterhin bekannt, die störenden Auswirkungen von freien Massenkräften I. und II. Ordnung im Kurbeltrieb durch einen Massenausgleich, d.h. durch eine geeignete Anordnung von Gegengewichten zu unterdrücken (Lueger, «Lexikon der Technik», Bd. 1, «Grundlagen des Maschinenbaues», 1960, Seiten 275-280). In der zitierten Abhandlung sind die Formeln für die Drehkraftermittlung bei einer Schubkurbel und auch die Formeln für die Ermittlung der Massenkräfte angegeben. Für die Massgabe, die freien Massenkräfte durch Massenausgleich zu beseitigen, fehlen jedoch nähere konstruktive Angaben. Der beispielsweise genannte Gegenkolbenmotor umfasst einen Ausgleichskolben, was zu einer aufwendigen Konstruktion führt. It is also known to counteract the disruptive effects of free mass forces of the first and second order in the crank mechanism by mass balancing, i.e. suppressed by a suitable arrangement of counterweights (Lueger, "Lexikon der Technik", Vol. 1, "Fundamentals of Mechanical Engineering", 1960, pages 275-280). The formulas for determining the torque with a thrust crank and also the formulas for determining the mass forces are given in the cited paper. However, there is no further design information for the requirement to eliminate the free mass forces by mass balancing. The counter-piston engine mentioned for example comprises a compensating piston, which leads to a complex construction.

Der Erfindung liegt, ausgehend von einer Hubkolbenmaschine der eingangs genannten Gattung, die Aufgabe zugrunde, bei angestrebter Kompaktbauweise eine Kompensation der freien oszillierenden Massenkräfte I. und II. Ordnung zu erreichen. Starting from a reciprocating piston machine of the type mentioned at the outset, the invention is based on the object of achieving a compensation of the free oscillating inertial forces of the 1st and 2nd order with the desired compact design.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass erfindungs- The solution to this problem is that

gemäss symmetrisch zum Angriffspunkt der Pleuelstange ein von der Kurbelwelle entgegengesetzt zum Hubkolben bewegbares, mit seiner Masse auf den Hubkolben und die mit diesem oszillierenden Massen mit Rücksicht auf das Schubstangenverhältnis abgestimmtes Ausgleichsgewicht angelenkt ist. According to symmetrical to the point of application of the connecting rod, a counterweight movable by the crankshaft opposite to the reciprocating piston, with its mass is articulated on the reciprocating piston and the balancing weight coordinated therewith with regard to the connecting rod ratio.

Das Ausgleichsgewicht wird also auf geradliniger Bewegungsbahn, entgegengesetzt zum Hubkolben, mitgeführt. Die Pleuelstangenlänge Ii des Hubkolbens ist gleich der Pleuelstangenlänge h des Ausgleichsgewichtes, ebenso sind die Hubstangenverhältnisse \\ und À.2, d.h. die Quotienten aus der jeweiligen Länge der Pleuel- bzw. Schubstange zum jeweiligen Kurbelradius r, gleich. Durch Wahl des Ausgleichsgewichtes lässt sich somit eine volle Kompensation der freien oszillierenden Massenkräfte I. und II. Ordnung erreichen. The balance weight is therefore carried along in a straight line of motion opposite to the reciprocating piston. The connecting rod length Ii of the reciprocating piston is equal to the connecting rod length h of the counterweight, as are the rod ratios \\ and À.2, i.e. the quotients from the respective length of the connecting rod or push rod to the respective crank radius r are the same. By choosing the balance weight, a full compensation of the free oscillating mass forces of the 1st and 2nd order can be achieved.

Zweckmässig ist die Kurbelwelle im Bereich des Hubkolbens bzw. des Ausgleichgewichtes dreifach abgekröpft, wobei das Ausgleichsgewicht an den beiden äusseren Kurbelzapfen über Pleuelstangen angelenkt ist. Diese Anordnung ist vorteilhaft angebracht bei einem Einkurbelhubkolbenverdichter. The crankshaft is expediently bent three times in the area of the reciprocating piston or the counterweight, the counterweight being articulated on the two outer crank pins via connecting rods. This arrangement is advantageously applied to a single-stroke reciprocating compressor.

Vorzugsweise ist die Kurbelwelle auf den den beiden äusseren Abkröpfungen zugeordneten Kurbelwangen gelagert. Dabei ergibt sich der überraschende Vorteil, dass die bevorzugt in vertikaler Aufstellungsart ausgeführte Hubkolbenmaschine eine extrem kleine Erstreckung in Richtung der Kurbelwelle besitzt. Bekanntlich wächst die Durchbiegung der Welle bei gleichmässiger Belastung mit der dritten Potenz der freien Länge zwischen zwei Stützpunkten. Die Anordnung eines Ausgleichsgewichtes muss daher zunächst wegen möglicher anderer auf den Hubkolben wirkender Störkräfte und unter Berücksichtigung der im vollen Stellbereich evtl. unterschiedlichen Gaskräfte bedenklich erscheinen. Mit der durch die Lagerung auf den Kurbelwagen erreichten extrem kleinen freien Wellenlänge ist dies jedoch unproblematisch. Vielmehr ergibt sich ein vibrationsfreier Lauf, eine Einsparung an Fundamenten, eine Erweiterung des Drehzahlstellbereiches nach oben und folglich ein kleineres Bauvolumen und Baugewicht sowie ein günstiges Leistungs-/Kostenverhältnis. The crankshaft is preferably mounted on the crank webs assigned to the two outer crankings. This has the surprising advantage that the reciprocating piston machine, which is preferably designed in a vertical manner, has an extremely small extension in the direction of the crankshaft. As is well known, the deflection of the shaft increases with the third power of the free length between two support points when the load is even. The arrangement of a balance weight must therefore first appear to be of concern because of possible other disturbing forces acting on the reciprocating piston and taking into account the gas forces which may differ in the full setting range. However, this is not a problem with the extremely small free wavelength achieved by the storage on the crank car. Rather, there is a vibration-free run, a saving on foundations, an expansion of the speed adjustment range upwards and consequently a smaller construction volume and construction weight as well as a favorable performance / cost ratio.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen: The invention is explained below with reference to an embodiment shown in the drawing. Show it:

Fig. 1 schematisch einen Schnitt parallel zur Kurbelwelle einer Hubkolbenmaschine mit einer Ansicht des oberen Teils und Fig. 1 shows schematically a section parallel to the crankshaft of a reciprocating machine with a view of the upper part and

Fig. 2 einen Schnitt quer zur Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine gemäss Fig. 1 mit einer Ansicht des oberen Teils. Fig. 2 shows a section transverse to the crankshaft of the reciprocating piston machine according to Fig. 1 with a view of the upper part.

Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen Einkurbelhubkolbenverdichter vertikaler Aufstellungsart. Es sind nur die für vorliegenden Zusammenhang wesentlichen Elemente dargestellt; der weitere Aufbau eines solchen Einkurbelhub-kolbenverdichters ist z.B. durch den Typ HTS 230 der Firma Maschinenbau-AG Balcke, Wormser Str. 109, 671 Frankenthal/Pfalz, Bundesrepublik Deutschland, bekannt. The exemplary embodiment relates to a single-crank reciprocating compressor of the vertical type. Only the elements essential for the present context are shown; the further construction of such a crank stroke piston compressor is e.g. known by the type HTS 230 from Maschinenbau-AG Balcke, Wormser Str. 109, 671 Frankenthal / Pfalz, Federal Republic of Germany.

Der im oberen Teil 1 der Maschine befindliche Hub- bzw. Verdichterkolben greift über ein Kreuzgelenk 2 mit einem Kreuzkopfbolzen 3 und eine auf letzterem sitzende Pleuelstange 4 an einem mittleren Kurbelzapfen 5 einer mittleren Abkröpfung einer Kurbelwelle 6 an. Ein Ausgleichsgewicht 7 ist über zwei an den beiden äusseren Kurbelzapfen 8 und 9 angelenkte Pleuelstangen 10 und 11 mit der Kurbelwelle 6 gekoppelt. The lifting or compressor piston located in the upper part 1 of the machine engages via a universal joint 2 with a cross-head bolt 3 and a connecting rod 4 seated on the latter on a central crank pin 5 of a central crankshaft 6 crank. A balance weight 7 is coupled to the crankshaft 6 via two connecting rods 10 and 11 articulated on the two outer crank pins 8 and 9.

Die Kurbelwelle 6 ist auf den den beiden äusseren Abkröpfungen der dreifach abgekröpften Kurbelwelle 6 zugeordneten Kurbelwangen 12 und 13 gelagert. The crankshaft 6 is supported on the crank cheeks 12 and 13 assigned to the two outer crankings of the triple cranked crankshaft 6.

Weiterhin befindet sich auf der Welle eine Schwungmasse 14. There is also a flywheel 14 on the shaft.

Für das Ausgleichsgewicht 7 ist eine Gleitführung 15 vorge- A sliding guide 15 is provided for the counterweight 7.

s s

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

sehen (Fig. 2). Die Pleuelstangenlänge h der Pleuelstange 4 ist gleich der Pleuelstangenlänge h der Pleuelstangen 10 und 11. see (Fig. 2). The connecting rod length h of the connecting rod 4 is equal to the connecting rod length h of the connecting rods 10 and 11.

Bei der Bewegung des Hubkolbens wird das Ausgleichsgewicht 7 im entgegengesetzten Sinne mitgeführt. Überträgt man das jeweilige Zeigerbild für die Massenkräfte I. und II. Ord- s nung in ein Zeitdiagramm, z.B. für einen Bewegungsabschnitt zwischen der unteren und der oberen Grenzlage, so erkennt When the reciprocating piston moves, the counterweight 7 is carried in the opposite sense. If you transfer the respective pointer image for mass forces I and II in a time diagram, e.g. for a movement section between the lower and the upper limit position, so recognizes

626141 626141

man bei Überlagerung der jeweiligen Schwingungen, dass eine vollständige Kompensation vorliegt. Die entsprechende rechnerische Ermittlung ergibt sich aus Lueger (s.o.). If the respective vibrations are superimposed, there is complete compensation. The corresponding mathematical calculation results from Lueger (see above).

Aus der Fig. 1 ist ersichtlich, dass sich durch die Lagerung auf den Kurbelwangen 12 und 13 eine minimale Erstreckung der Maschine bzw. der Kurbelwelle in horizontaler Richtung ergibt. From Fig. 1 it can be seen that the bearing on the crank arms 12 and 13 results in a minimal extension of the machine or the crankshaft in the horizontal direction.

B B

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

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1. reciprocating piston machine with at least one reciprocating piston engaging on a crank pin (5) on an offset of a crankshaft (6) via a straight slide joint (2) and a connecting rod (4), with an equalization of the first and second order inertial forces of the oscillating masses, characterized in that a balance weight (7), which is movable by the crankshaft (6) opposite the reciprocating piston with its mass on the reciprocating piston and the masses oscillating therewith in consideration of the connecting rod ratio, is articulated symmetrically to the connecting rod.

2. Reciprocating piston engine according to claim 1, characterized by a cranked crankshaft (6) triple cranked in the area of the reciprocating piston or the counterweight (7), the counterweight (7) on the two outer crank pins (8, 9) via two further connecting rods (10 , 11) is articulated.

2nd

PATENT CLAIMS

3. Reciprocating piston machine according to claim 1 or 2, characterized in that the crankshaft (6) is mounted on the crank cheeks (12, 13) assigned to the two outer crankings.

4. reciprocating piston machine according to one of claims 1, 2 or 3, characterized by vertical installation.