DE102005047634A1

DE102005047634A1 - Die Doppelkurbel

Info

Publication number: DE102005047634A1
Application number: DE200510047634
Authority: DE
Inventors: Georg Schreiber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-10-05
Filing date: 2005-10-05
Publication date: 2007-05-24

Abstract

Die lineare Hubbewegung eines Kolbens wird in verschiedenen Maschinen durch Einsatz einer Pleuelstange in Rotation der Kurbel um ihre Achse umgewandelt (oder auch umgekehrt). Die zweidimensionalen Schwingungen der Pleuelstange und unharmonischen Schwingungen des Kolbens bewirken gewisse Nachteile dieses Mechanismus, die mit der hier vorgeschlagenen doppelkurbeligen Umwandlung behoben werden können. DOLLAR A Die Doppelkurbel wird aus zwei Kurbeln dem gleichen Radius "r" zusammgengebaut, und zwar so, dass "Kopf" der Innenkurbel als Drehachse für die Außenkurbel dient. Falls die Innenkurbel um einen Winkel "alpha" gedreht wird, dann dreht sich die Außenkurbel um den gleichen Winkel "alpha" in die Gegenrichtung, dadurch wird "Kopf" der Außenkurbel in eine lineare Hubbewegung gesetzt, die einer harmonischen Formel entspricht: DOLLAR A x = 2 È r È cosalpha. DOLLAR A Also, eine Doppelkurbel besteht aus zwei Kurbeln des gleichen Radius, die mit gleichen Winkelgeschwindigkeiten in Gegenrichtung zueinander rotieren. Diese Gegenrotation der beiden Kurbeln mit den gleichen Winkelgeschwindigkeiten ist am Einfachsten durch Einsatz eines Zahnrades und eines Zahnkranzes zu erzielen.

Description

Um eine geradlinige Bewegung in Rotation umzuwandeln wird in verschiedenen Maschinen eine Kurbel benutzt. Das übliche Schema einer solchen einkurbeligen Umwandlung ist auf der 1. gezeigt. Hier wird die lineare Hubbewegung des Kolbens „K" entlang der Koordinatenachse „x" mit Hilfe einer Pleuelstange „l" in Rotation der Kurbel „A" um die Achse „O" umgewandelt. Die Einfachheit ist der offensichtliche Vorteil dieses Schema. Ebenso offensichtlich sind auch seine Nachteile. Durch die Wirkungskraft „F →_x(α)" entsteht eine entsprechende Querkraft „F →_y(α)", die sowohl den Reibungswiderstand des Mechanismus erhöht, als auch zum zusätzlichen Verschleiß führt. Außerdem, eine gleichmäßige Rotation der Kurbel „A" führt zur komplizierten zweidimensionalen Schwingungen der Pleuelstange „l" und entsprechend zur unharmonischen Schwingungen des Kolbens „K", wodurch zusätzliche Trägheitskräfte entstehen. Um diese Nachteile zu beheben wird hier eine doppelkurbelige Umwandlung vorgeschlagen. Das zweidimensionale Schema der Doppelkurbel ist auf der 2. dargestellt.

Die Doppelkurbel wird aus zwei Kurbeln „A" und „B" dem gleichen Radius „r" zusammengebaut, und zwar so, dass „Kopf" der Kurbel „A" als Drehachse für die Kurbel „B" dient. Dabei, falls die innere Kurbel „A" um einen Winkel „α" um die Achse „O" in eine Richtung gedreht wird, dann dreht sich die äußere Kurbel „B" entsprechend um den gleichen Winkel „α" um die Achse „A" in die Gegenrichtung. Um eine solche entsprechende Rotation der Kurbel „B" in Gegenrichtung zur Rotation der Kurbel „A" zu gewährleisten, ist die Kurbel „B" mit einem Zahnrad „P" versehen, das sich im Innen eines Zahnkranz „Q" wälzt (siehe 2). Also, eine so zusammengebaute Doppelkurbel („A"–„B") besteht aus einer Innenkurbel „A" und einer Außenkurbel „B" dem gleichen Radius „r", die mit der gleichen Winkelgeschwindigkeiten in Gegenrichtung zueinander rotieren. Diese Gegenrotation der beiden Kurbeln mit den gleichen Winkelgeschwindigkeiten ist am einfachsten durch Einsatz eines Zahnrades und eines Zahnkranzes zu erzielen.
Aus dem grafischen Schema einer solchen Doppelkurbel (siehe 2) ist es leicht zu sehen, dass der Punkt „B" in einer Dimension entlang der Koordinatenachse „x" schwingt, und seine Bewegung einer harmonischen Formel entspricht: xB = 2·r·cosα. (1)
Die eindimensionalen harmonischen Schwingungen des „Kopfes" der Außenkurbel „B" werden durch Einsatz einer Stoßstange „m" für Antrieb einen Kolben „K" benutzt. Damit sind die oben genannten Nachteile der einkurbeligen Umwandlung beseitigt.
Das dreidimensionale Schema der Doppelkurbel ist auf der 3. dargestellt. Hier schwingt der „Kopf" der Außenkurbel „B" in einer Dimension entlang der Linie „L", die parallel zur Koordinatenachse „x" liegt.
Allgemein, für Antrieb von mehreren Kolben in einer mehrzylinder Maschine wird entsprechende Menge Kurbeln benutzt, die aus konstruktiven Gründen öfters entlang einer Achse ausgerichtet werden. So entsteht eine Kurbelwelle. Der gleiche Zugang ist auch für die hier vorgeschlagene Doppelkurbel gültig. Dabei bietet die Doppelkurbel reichlich Möglichkeiten für konstruktive Gestaltungen von mehrzylinder Maschinen.
Ein mögliches Beispiel ist auf der 4. dargestellt. Hier bilden die Kurbeln „B₁" und „B₂" eine Kurbelwelle („B₁"–„B₂"), die als Antrieb für vier Kolben dient. Für Vereinfachung des Schemas sind auf der 4. keine Zahnräder „P" und Zahnkränze „Q" gezeigt. Die Hubbewegung der Kolben („K₁", „K₂") und („K₃", „K₄") folgt entlang der Linien „L₁" und „L₂", die auf der 4. senkrecht zueinander orientiert sind, weil der Winkel zwischen Kurbeln „B₁" und „B₂" als 180° bestimmt ist. Durch Ändern diesen Winkels können Linien „L₁" und „L₂" unter einem beliebigen Winkel gekreuzt werden. Eine synchrone Rotation der Kurbeln „A₁" und „A₂" soll offensichtlich durch eine zusätzliche Synchronisierungswelle gewährleistet werden (ist auf der 4 nicht gezeigt). Damit scheint die Beschreibung der 4. ausreichend zu sein, weil es hier nicht um Entwicklung einer neuen Maschine, sondern lediglich um einen Beispiel für eine mögliche Anwendung der doppelkurbeligen Umwandlung geht.
Eine wichtige Charakteristik für die Kolbenmotoren ist deren Drehmoment. Aus allgemeinen kinematischen Vorstellungen folgt, dass bei übrigen gleichen Bedingungen wird der Motor über ein höheres Drehmoment verfügen, der die kürzeren Pleuelstangen hat. Diese Behauptung ruht auf nächsten Überlegungen (siehe 1). Auf den Kolben „K" mit einer Querfläche „S" wirkt der Gasdruck „P(α)", der vom Drehwinkel „α" abhängig ist. Dadurch entsteht eine Wirkungskraft: F →x(α) = S·P(α). (2)
Daraus ergibt sich die Kraft „F →(α)":
die durch die Pleuelstange „l" auf den effektiven Radius „r_ef" wirkt:
Die Formeln (3) und (4) bestimmen den Drehmoment „M(α)":
Der Winkel „β" ist durch Länge der Pleuelstange „l" definiert: r·sinα = l·sinβ (7) sinβ = rl ·sinα (8)
Aus Formeln (6) und (8) folgt:
oder:
Es ist bequemer die Länge „l" in Maßeinheiten „r" darzustellen: l = k·r, (k ≥ 1). (11)
Jetzt hat die Formel (10) folgendes Aussehen:
Die Formel (12) zeigt, dass je länger die Pleuelstange „l" ist (d.h. „k" ist entsprechend größer), desto kleiner ist der Wert „M(α)", und sein Minimum beträgt: Minimum M(α) = r·S·P(α)·sinα. (13)
Umgekehrt, bei der möglichst kürzeren Pleuelstange: „l" = „r" (d.h. „k" = 1), erreicht der Wert „M(α)" seinen Maximum: Maximum M(α) = 2·r·S·P(α)·sinα. (14)
Das mittlere Drehmoment „M" für einen Zweitakt-Motor ergibt sich durch Ausmittlung den Werten „M(α)" für eine Umdrehung:
Die Formeln (13), (14) und (15) zusammengefasst:
Für einen Viertakt-Motor soll die Ausmittlung den Werten „M(α)" für die zwei Umdrehungen des Motors durchgeführt werden:
Das mittlere Drehmoment eines Viertakters liegt in folgenden Grenzen:
Hier soll es noch bemerkt werden, dass das auf der Achse „O" vermessene „Ist-Drehmoment" wird etwas kleiner, als der nach Formeln (12) und (15), beziehungsweise (12) und (17), berechneter Wert. Dafür ist der Reibungswiderstand verantwortlich, der durch Wirkung der Querkraft „F →_y(α)" entsteht (siehe 1).
Im Falle einer Doppelkurbel gibt es keine Pleuelstangen (siehe 2 und 3). Die Innenkurbel „A" wird durch Außenkurbel „B" angetrieben, die in diesem Sinne als eine möglichst kürzere Pleuelstange dient (siehe 2 und 3). Das heißt, ein Motor mit einer Doppelkurbel würde das maximale Drehmoment aufweisen, das mit Formeln (14) und (15), beziehungsweise (14) und (17), zu berechnen ist. Es ist hier noch zu ermahnen, dass in diesem Mechanismus keine Querkraft „F →_y(α)" entsteht, deren Einfluss zur Verminderung des berechneten Wertes bei der Einzelkurbel führte. Dies führt sowohl zur Erhöhung des „Ist-Drehmomentes", als auch zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Motors.

Claims

Einleitung (Stand der Technik). Die lineare Hubbewegung eines Kolbens wird in verschiedenen Maschinen durch Einsatz einer Pleuelstange in rotation der Kurbel um ihre Achse umgewandelt (oder auch umgekehrt). Eine gleichmäßige Rotation der Kurbel führt zur zweidimensionalen Schwingungen der Pleuelstange und unharmonischen Schwingungen des Kolbens. Die dementsprechend entstehende Kräfte sowohl den Reibungswiderstand des Mechanismus erhöhen, als auch zum zusätzlichen Verschleiß führen.
Patentanspruch. Die Beseitigung dieser Nachteile ist durch Anwendung der hier vorgeschlagenen Doppelkurbel möglich, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie aus zwei Kurbeln dem gleichen Radius „r" zusammengebaut wird, und zwar so, dass „Kopf" der Innenkurbel „A" als Drehachse für die Außenkurbel „B" dient, wobei falls eine von diesen Kurbeln in Rotation gesetzt wird, dies bewirkt eine Rotation in die Gegenrichtung mit der gleichen Winkelgeschwindigeit der Anderen.
Die nicht Patentanspruchsgeltende Bemerkungen. Die Gegenrotation der beiden Kurbeln mit den gleichen Winkelgeschwindigeiten ist am einfachsten durch Einsatz eines Zahnrades und eines Zahnkranzes zu erzielen. Die Anwendung der Doppelkurbel in den Kolbenmotoren ermöglicht den maximalen Drehmoment zu erreichen und den Wirkungsgrad des Motors zu erhöhen.