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Bei
Kurbeltrieben bekannter Bauart, wie sie hauptsächlich in Hubkolbenmotoren
Verwendung finden, wird eine geradlinige Bewegung über eine
Pleuelstange in eine Drehbewegung auf eine Antriebskurbelwelle übertragen.
Die Antriebskraft wird dabei über
das Lagerauge der jeweiligen Pleuelstange auf den Kurbelwellenzapfen
der Kurbelwelle übertragen.
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Der
im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem des
geringen mechanischen Wirkungsgrades von Hubkolbenmotoren zugrunde,
der auch durch die Bauweise des dabei üblicherweise angewendeten Kurbeltriebs
bedingt ist.
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Der
Wirkungsgrad wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen
verbessert. Die Antriebskraft wird nicht von den Pleuelstangen auf Lagerzapfen
an der Kurbelwelle übertragen,
sondern von Lagerzapfen an den Pleuelstangen auf Lageraugen an der
Kurbelwelle.
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Der
Vorteil dieser Bauart ist, dass der Angriffspunkt der das Drehmoment
erzeugenden Kraft nach außen
verschoben wird und damit auf einem größeren Hebel zur Wirkung kommt.
Da alle technisch bestimmenden Merkmale gegenüber der herkömmlichen
Bauart sonst unverändert
bleiben, geht die Drehmomenterhöhung
nicht zu Lasten der Drehzahl.
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In
der Energiebilanz des Hubkolbenmotor bedeutet das, dass sie sich
deutlich zugunsten der abgegebenen mechanischen Energie verschiebt. Der
Wirkungsgrad des Motors ist verbessert, ein geringerer spezifischer
Treibstoffverbrauch ist die Folge.
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Der
Grundgedanke der Erfindung ist in 1/2,
Vorder- u. Seitenansicht, teilweise im Schnitt, dargestellt und
die Wirkungsweise in den Erläuterungen
zum zugehörigen
Schemabild in 10 erklärt. Er ist im Patentanspruch
1 angegeben.
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1/2 zeigt
ebenso wie in den weiteren Ausführungen
in 2/3, 5, 7/8 die
Bauart der Erfindung am Beispiel einer Zylindereinheit eines Hubkolbenmotors
mit Kolben (8), Pleuelstamge (1) und Kurbelwelle
(4) in den Hauptteilen. An der Pleuelstange befinden sich
beidseitig Hohlzapfen (2), welche die über die Pleuelstange eingeleitete
Antriebskraft auf beidseitig in den Kurbelwellenwangen befindliche
kurze Bohrungen, sogenannte Lageraugen (3) übertragen.
Der Kurbelwellenzapfen (5) ist aus Gründen des Zusammenbaus getrennt
(6) und mit einer Hülse
(7) kraftschlüssig verbunden.
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In
der dargestellten Ausführung
bilden Pleuelstange und Hohzapfen ein Teil, es kann auch ein einzelner
Hohlzapfen durch ein geteiltes Pleuelstangenauge geklemmt werden,
was einen Ausbau des Kolbens nach oben ermöglicht.
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Weitere
Möglichkeiten
sind die Lageraugen als einzelne Teile herzustellen und am Kurbelwellenzapfen
zu zentrieren, werden diese und auch der Hohlzapfen geteilt ausgeführt, so
kann der Kurbelwellenzapfen auch ohne Trennung gefertigt sein.
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Der
Hohlzapfen könnte
vor allem bei kleineren Motoren, bei denen die Antriebskräfte gering
sind auch nur einseitig an der Pleuelstange vorhanden sein.
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3/4 zeigt
in Vorder und Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eine weitere
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung die im Patentanspruch 2,
3 und 4 angegeben ist.
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Im
Unterschied zur Grundausführung 1/2 sind
am Hohlzapfen der Pleuelstange vorzugsweise beidseitig ring- oder
rollenförmige
Teile (10) gelagert die einen etwas geringeren Durchmesser
als die Lageraugen (3) an der Kurbelwelle haben, auf die
sie die eingeleitete Antriebskraft übertragen.
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Diese
Kraftübertragung
auf die Lageraugen der Kurbelwelle erfolgt mit der Besonderheit
dass zwischen Kurbelwellenzapfen (5) und Hohlzapfen (2) der
Pleuelstange ein zusätzliches,
am Kurbelwellenzapfen gelagertes Teil (14) angeordnet ist,
das durch maßliche
Abstimmung mit dem Hohlzapfen bzw. dessen Berührungsfläche (15) den Hohlzapfen
und damit die an ihm gelagerten Rollen (10) zwangsweise auf
die Seite des Arbeitshubs versetzt. Damit sind auch die Berührungslinien
(12) der Rollen an den Lageraugen der Kurbelwelle, und
mit ihnen die Wirklinie der Antriebskraft auf die Seite des Arbeitshubs
versetzt.
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Die
maßliche
Abstimmung des Lagerteils (14) zum Hohlzapfen (2)
erfordert bei der dargestellten Ausführung nach 3/4 eine
unsymmetrische Bauweise eines oder beider genannten Teile.
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Die
Lagerstelle am Kurbelwellenzapfen mit dem Teil (14) hat
hauptsächlich
die Aufgabe die sich ergebenden Reaktionskräfte aufzunehmen und im Ansaughub
die Kraftübertragung
zu übernehmen. Auf
der dem Arbeitshub abgewandten Seite muss zwischen dem Teil (14)
und dem Hohlzapfen der Pleuelstange eine Freistellung (17)
sein, damit von dieser Lagerstelle nur die Reaktions- nicht aber
die eigentlichen Antriebskräfte
aufgenommen werden.
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Da
in den Raum zwischen Rolle und Lagerauge Schmieröl eindringt, ist es notwendig
diesem Ablaufmöglichkeit
zu verschaffen was z. B. durch schräglaufende Rillen an den Laufflächen erreicht werden
kann. Es kann auch vorteilhaft sein die Rolle mit einer Verzahnung
formschlüssig
zum Lagerauge auszuführen,
wobei wenige niedrige Zähne
ausreichen um einen unerwünschten
Schlupf der Abwälzbewegung
zu verhindern. Diese Möglichkeit
ist im Patentanspruch 5 angegeben.
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Wenn
auch die Kraftübertragung über Rollen bei
dieser Ausführung
auch auf Grund genau zu bestimmender Kraftübertragungspunkte günstiger
zu sein scheint, so kann sie auch über Gleitlagerung sinngemäß in der
beschriebenen Art erfolgen. Statt einer Berührungslinie ergibt sich dann
eine auf die Seite des Arbeitshubs verschobene Teilberührungsfläche am Lagerauge
der Kurbelwelle.
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Ziel
dieser Ausführung
ist es, auch bei geringer Drehzahl des Antriebs, bei dem die Fliehkräfte nur
wenig wirksam sind, die Kraftübertragung zwangsweise
auf einen größeren Hebel
zur Kurbelwellenachse zu bringen um Leistungsgewinn zu erzielen.
Im Bereich des oberen Totpunkts ist dabei die auf den Kurbelwellenzapfen
ausgeübte
Gegenkraft und damit das Gegenmoment sehr groß. Mit zunehmendem Drehwinkel
wird diese Gegenkraft jedoch immer mehr in das Kurbelwellenlager
eingeleitet bis seine Wirklinie durch dessen Mitte geht und ganz
von ihm aufgenommen wird. Das zwangsweise Versetzen der Rolle, und
damit des Angriffspunkts der Antriebskraft auf einen größeren Hebel,
wird dann voll wirksam.
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Gegenüber der
Grundausführung 1/2 ergeben
sich auch wesentlich günstigere
Verhältnisse
im Verdichtungshub, da bei diesem die Kurbelwelle nun das auf einem
größeren wirksamen
Hebel antreibende Bauteil ist, was eine Minderung des auf der Seite
des Arbeitshubs gewonnenen Mehrs an Drehmoment bewirkt.
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Die
Berührungs-
und Kraftaufnahmefläche (15)
ist parallel zur Mittelachse gezeichnet. Ihre bestmögliche Winkellage
ist erst durch genaue Untersuchung der Kräftewirkung zu ermitteln, da
sie die Wirkrichtung der Gegenkräfte
und damit die Größe des Gegenmoments
bestimmt, das vor allem im Bereich der höchsten Verbrennungsdrücke bedeutsam
ist. Weitere Erläuterungen
siehe Schemabild 12 mit dazugehörigen Erklärungen.
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5 zeigt
in Vorderansicht, teilweise im Schnitt wie auch in 6,
hier in Draufsicht und den Antrieb um 90° weitergedreht, die im Patentanspruch 7
als weiteren Hauptanspruch angegebene Ausgestaltung der Erfindung.
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Die
Antriebsmechanik ist dabei so ausgeführt, dass der Antriebskurbelwelle
(20) eine weitere Kurbelwelle (21) zugeschaltet
ist und über
Verbindungsteile (22) von dieser eine Seitenkraft auf die Pleuelstange
ausgeübt
wird. Diese Seitenkraft kann durch Tellerfedern (23) ausgeübt und über ein
Gleitlager auf die Pleuelstange übertragen
werden. Wegen des Kräftegleichgewichts
müssen
bei der dargestellten Ausführung
mindestens 2 Pleuelstangen im Motor mit der Seitenkraft beaufschlagt
werden.
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Eine
unerwünschte
Bewegung der Tellerfedern kann verhindert werden, indem in die notwendige
Lagerschalenschmierölbohrung
ein einfaches Rückschlagventil
(24) eingebaut wird, das ein Rückströmen des Schmieröls aus der
kleinen Kammer (25) verhindert.
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Mit
einer Regeleinrichtung, deren Voraussetzung im Patentanspruch 8
angegeben ist, kann die Seitenkraft den jeweiligen Betriebsverhältnissen
angepasst werden, was vor allem beim Start notwendig ist um die
Lager zu entlasten. Eine dargestellte Möglichkeit ist, das ganze Lagergehäuse (26)
der Zweitkurbelwelle schwenkbar um einen Drehpunkt (27)
zu machen und die Zustellbewegung durch eine Exzenterverstellung
(28) zu steuern, wobei deren Drehbewegung durch ein hydraulisches
oder elektromechanisches Bauteil (29) bewirkt werden kann.
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Das
Pleuellager in 5 und 6 ist in
der Bauweise 1/2 dargestellt,
es kann auch nach 3/4 ausgeführt sein
wie nachfolgend noch beschrieben. Nicht ganz auszuschließen ist dass
hier auch ein Pleuellager herkömmlicher
Bauart Vorteile bringt, wobei die Drehrichtung des Antriebs gegenläufig der
in 5 gezeigten sein müsste. Der eigentliche, oder
ausschließliche
Vorteil der Bauart mit Zweitkurbelwelle ist jedoch in Verbindung
mit einem Pleuellager in einer der Ausführungen der Erfindung zu erwarten.
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Die
Ausführung
mit zugeschalteter Kurbelwelle ist am aufwendigsten, der Leistungsgewinn
voraussichtlich am größten. Der
Hauptnachteil herkömmlicher
Bauart, dass im Bereich der oberen Totpunktlage des Antriebs zwar
die höchsten
Verbrennungsdrücke
herrschen, aber kaum ein Hebel für
die einwirkende Kraft da ist, wird deutlich gemindert, da die Seitenkraft
auf die Pleuelstange die Wirklinie ihrer Kraftübertragung auf die Kurbelwelle
auf die Seite des Arbeitshubs versetzt und sie damit bereits in
dieser Phase des Arbeitstakts auf einem größeren Hebel zur Wirkung kommt.
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Weitere
Erläuterungen
siehe Schemabild 14 mit dazugehörigen Erklärungen.
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Andere
mögliche
Ausführungen
bieten sich bei der Bauart mit zugeschalteter Kurbelwelle – nachfolgend
Zweitkurbelwelle genannt – an:
Antriebs-
und Zweitkurbelwelle können
mit einem Zahnradgetriebe verbunden werden und zwischen dem Antriebsrad
der Zweitkurbelwelle und letzterer eine elastische Kupplung mit
sehr starken Federn eingebaut sein. Diese werden so vorgespannt
dass sie in der gleichen Richtung wirken wie die Tellerfedern an
den Verbindungsteilen, die dann entfallen können.
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Wird
bei einer solchen Ausführung
das Pleuellager ganz ähnlich 3/4 gestaltet,
nur die Kraftaufnahmefläche
(15) entfällt,
während
die Fläche
(16) erhalten bleibt und etwa parallel zur Tangente des
Punktes (12) gedreht ist, so könnte die elastische Kupplung
und damit jedes Federelement ganz entfallen. Sie hat jedoch den
Vorteil, dass die Massenträgheit
der Zweitkurbelwelle dem durch den Verbrennungsdruck sehr schnell
ansteigenden Gegenmoment Sg . Z entgegenwirkt, sofern der Pleuestange
durch maßliche
Abstimmung mit dem Lagerteil (14) etwas Bewegungsmöglichkeit
gegeben wird.
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An
der Fläche
(16) wird sich ein geringes Spiel auch durch Fertigungstoleranzen
ergeben, das durch die schon beschriebene Dämpfungseinrichtung der bei
letztgenannter Bauart überflüssigen Tellerfedern
hydraulisch weggedrückt
werden kann.
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Die
Ausführung
mit Zahnradgetriebe und elastischer Kupplung könnte die vorteilhafteste der ganzen
Erfindung sein, da die Kräfte
S und Sg gegenläufig
auf das Getriebezwischenrad wirken und sich damit zum Teil innerhalb
des Getriebes aufheben. Auch kann der Federweg in der elastischen Kupplung
so begrenzt werden, dass im Stillstand keine Kräfte auf die Pleuellager wirken
und damit die aufwändige
Regeleinrichtung der Federkraft entfallen kann.
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Die
im Patentanspruch 6 angegebene Unsymmetrie der Pleuelstange bewirkt
eine Verschiebung des Masseschwerpunkts (32) der Pleuelstamge und
ist in 7/8 dargestellt.
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Da
im Bereich der oberen Totpunktlage beim Beginn des Arbeitshubs die
Fliehkraft (33) die Pleuelstange gegen den Kolbenbolzen
drückt,
wirkt dieser damit als Drehpunkt für den seitlich der Mittelachse liegenden
Schwerpunkt der Pleuelstange, was eine Seitenkraft (34)
in Richtung des Arbeitshubs bedingt. Ein weiterer Leistungsgewinn
ist damit möglich
sofern es gelingt die dabei auftretenden Motorschwingungen wirkungsvoll
zu unterdrücken.
Durch Auswahl von Werkstoffen verschiedener Dichte, z. B. Pleuelstange
aus Leichtmetall, an ihr ein Anbauteil (35) aus Schwermetall,
ist eine deutliche Verschiebung der Schwerpunktlage möglich, ohne
dabei die Gesamtmasse zu erhöhen.
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Grundsätzlich bildet
die Wirklinie der Pleuelstangenkraft Pe bei der Bauart der Erfindung
einen größeren Winkel
zu Mitte Zylinderachse aus, was höhere Seitenkräfte auf
die Zylinderwände
bedingt. Durch Verschiebung der Kurbelwelle etwas auf die Seite
des Verdichtungshubs, wie in 5 dargestellt, können diese
Seitenkräfte
zwischen Arbeits- und Verdichtungshub
ausgeglichen und damit auch ohne Verlängerung der Pleuelstange im
Arbeitshub verringert werden.
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Jede
weitere Vergrößerung des
Pleuellagerdurchmessers vergrößert bei
der Bauart der Erfindung im Gegensatz zur herkömmlichen Bauart das Drehmoment,
vergrößert aber
auch die Seitenkräfte auf
die Zylinderwände,
was die Größe des Pleuellagerdurchmessers
im Verhältnis
zur Pleuelstangenlänge
bestimmt.
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Erläuterungen
zu den Schemabildern 9/10, 11/12, 13/14:
In
diesen Zeichnungen ist zum Vergleich jeweils links – 9/11/13 – die herkömmliche
Bauart dargestellt, rechts – 10/12/14 – die 3 verschiedenen
Ausführungen
der Erfindung. Das Lagerspiel ist zur Verdeutlichung größer gezeichnet.
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P,
Pe = Krafteinwirkung über
Pleuelstange, F = Fliehkraft, S, Sg = andere Seitenkräfte, R,
Re = resultierende Kraft aus P (Pe) u. F (S), A = Angriffspunkt
der Kräfte,
X,Y,Z,Xe,Ye = Hebelarme der Kräfte.
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Schemabild 10,
zugeordnet der Grundausführung
Zeichnung 1/2 zeigt den Vergleich
zur herkömmlichen
Bauart 9, bei der das Drehmoment Md aus der Resultierenden
und deren Wirkabstand gebildet wird, somit Md = R . X.
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Bei
der Bauart der Erfindung 10, kommt nicht
die Resultierende und deren Hebelarm zur Wirkung, da die Kraft Pe
mit ihrem viel größerem Hebelarm
Ye ein wesentlich größeres Drehmoment
ausbildet, somit Md = Pe . Ye.
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Die
vergleichende Berechnung bei den dargestellten Größenverhältnissen
und angenommenen Kräfteverhältnissen
P = 1, F = 1 und der gezeigten Drehwinkellage ergibt bei der Bauart
der Erfindung ein Mehr an Drehmoment von 47%.
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Schemabild 12,
zugeordnet der Ausführung
mit Rolle Zeichnung 3/4 zeigt die
Kräfte
in der statischen Betrachtungsweise ohne die Einwirkung der Fliehkräfte, da
sich hier auch ohne diese eine Vergrößerung des Drehmoments ergibt.
Bei der herkömmlichen
Bauart 11 ergibt sich statisch das
Drehmoment Md = P . Y.
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Bei
der Bauart der Erfindung 12 ist
eine Drehwinkellage dargestellt bei der die Gegenkraft Sg nur noch
ein geringes Gegenmoment ausübt.
Das Drehmoment errechnet sich somit, Md = Pe . Ye – Sg . Z.
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Die
Gegenkraft Sg ergibt sich aus der durch Keilwirkung bedingten Kraft
S.
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Die
vergleichende Berechnung im statischen Zustand bei den dargestellten
Verhältnissen
und der gezeigten Drehwinkellage ergibt bei der Bauart der Erfindung
ein Mehr an Drehmoment von 52%, bei Z = 0 ein Mehr von 66%
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Schemabild 14,
zugeordnet der Ausführung
mit Zweitkurbelwelle Zeichnung 5/6 zeigt
die Kräfte
ebenfalls in der statischen Betrachtungsweise ohne die Einwirkung
der Fliehkräfte,
etwa zum Zeitpunkt des höchsten
Verbrennungsdrucks. Bei der herkömmlichen
Bauart 13 ergibt sich statisch das
Drehmoment Md = P . Y.
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Bei
der Bauart der Erfindung 14 errechnet
sich das Drehmoment
Md = Re . Xe – Sg . Z.
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Mit
Sg ist die Gegenkraft der durch die Tellerfedern ausgeübten Seitenkraft
S bezeichnet. Die vergleichende Berechnung bei den dargestellten
Verhältnissen
im statischen Zustand und der gezeigten Drehwinkellage ergibt bei
der Bauart der Erfindung eine Zunahme des Drehmoments um 18% und
steigt mit zunehmendem Drehwinkel, bei dem der Hebelarm Z der Gegenkraft
ständig
kleiner wird, auf max. etwa +55 % an.