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Die
Erfindung betrifft eine Kolbenarbeitsmaschine nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 sowie eine Kolbenarbeitsmaschine nach des
Oberbegriff des Patentanspruchs 5. Derartige Kolbenarbeitsmaschinen
sind auch als Doppelkurbelwellen-Kolbenarbeitsmaschinen bekannt
und können beispielsweise
Motoren, Pumpen oder Kompressoren sein.
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Eine
Kolbenarbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 ist beispielsweise aus der
DE 10 2005 020 064 A1 bekannt.
Dort sind die beiden Kurbelwellen in einem gemeinsamen Lagerstuhl
gelagert und über
zwei miteinander kämmende
Synchronisationszahnräder
gegenläufig
synchron umlaufend miteinander synchronisiert.
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Wesentlich
für das
perfekte Funktionieren derartiger Doppelkurbelwellen-Kolbenarbeitsmaschinen
ist ein exakt eingestelltes Zahnflankenspiel zwischen den beiden
miteinander kämmenden
Synchronisationszahnrädern.
Ist beispielsweise das Zahnflankenspiel zu groß, so steigt nicht nur der
Geräuschpegel
an, sondern die Synchronisationszahnräder und mit ihnen die Kurbelwellen können sich
geringfügig
aus ihrer Sollposition zueinander verdrehen. Dies wiederum hat zur
Folge, daß die
Pleuel sich nicht exakt gegenläufig
synchron bewegen, sondern das eine Pleuel dem anderen geringfügig hinterherläuft. Das
wiederum führt
zu einem geringfügigen Verkippen
des Kolbens im Zylinder und damit zu einer erhöhten Reibung.
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Die
GB 2 320 058 A offenbart
eine Kolbenmaschine mit zwei gegenläufig rotierenden und über Zahnräder synchronisierten
Kurbelwellen, die im Maschinengehäuse gelagert sind. Wie diese
Lagerung ausgestaltet ist, geht aus dem Dokument nicht hervor.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße Kolbenarbeitsmaschine so
auszugestalten, daß ein
zu großes
Zahnflankenspiel zwischen den Synchronisationszahnrädern aufgrund
von Fertigungstoleranzen im Abstand zwischen den beiden Kurbelwellenachsen
zuverlässig vermieden
oder kompensiert werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Die
besondere Ausgestaltung zumindest eines der Lagerstühle gestattet
es, den lateralen Abstand der Drehachsen der beiden Kurbelwellen
zu verändern
und somit Fertigungstoleranzen zu kompensieren.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn der verstellbare Lagerstuhl zumindest einen
in eine Richtung parallel zur Zylinder-Mittelebene verlaufenden Schlitz
aufweist und wenn der verstellbare Lagerstuhl im Bereich des Schlitzes
von einem sich im wesentlichen rechtwinklig zur Zylinder-Mittelebene
erstreckenden Zuganker durchdrungen ist.
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Durch
den im Lagerstuhl vorgesehenen Schlitz erhält der Lagerstuhl in der Querrichtung (rechtwinklig
zu den Drehachsen der Kurbelwellen) eine geringfügige Elastizität, die eine
geringfügige Kompression
des Lagerstuhls mittels der vom Zuganker auf den Lagerstuhl aufbringbaren
Kraft ermöglicht.
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Vorteilhaft
ist dabei, wenn der Lagerstuhl in einer die beiden Mittelachsen
der Lagersitze verbindenden Ebene in einen unteren Lagerstuhlabschnitt und
einen oberen Lagerstuhlabschnitt geteilt ist und wenn zumindest
einer der beiden Lagerstuhlabschnitte mit zumindest einem Schlitz
und zumindest einem Zuganker versehen ist.
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Eine
besonders gute Querelastizität
des Lagerstuhls wird dadurch erreicht, daß zumindest ein weiterer Schlitz
im Lagerstuhl vorgesehen ist, der sich zumindest abschnittsweise
mit dem ersten Schlitz überlappt
und daß der
Zuganker im Bereich der Überlappung
der beiden Schlitze vorgesehen ist.
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Eine
alternative Lösung
der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Patentanspruch
5 angegeben.
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Bei
dieser Lösung
wird das Zahnflankenspiel nicht durch eine Verstellung des seitlichen
Abstandes der Drehachsen der beiden Kurbelwellen zueinander erzielt,
sondern durch Verdrehung der beiden Zahnradscheiben des einen Synchronisationszahnrads zueinander
um wenige Winkelminuten. Hierdurch wird erreicht, daß die in
Umlaufrichtung vorderen Zahnflanken der ersten Zahnradscheibe und
die in Umlaufrichtung hinteren Zahnflanken der zweiten Zahnradscheibe
spielfrei auf den Zahnflanken des anderen, ungeteilten Synchronisationszahnrads
abwälzen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher
erläutert;
in dieser zeigt:
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1 eine
schematische Stirnansicht auf eine erfindungsgemäße Kolbenarbeitsmaschine in Richtung
der Kurbelwellenachsen;
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2 einen
querelastischen, verstellbaren Lagerstuhl in einer Blickrichtung
entgegengesetzt zu der in 1;
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3 ein
geteiltes, verstellbares Synchronisationszahnrad in perspektivischer
Darstellung; und
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4 eine
perspektivische Darstellung einer ersten Variante des geteilten,
verstellbaren Synchronisationszahnrads aus 3;
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5 eine
teilweise geschnittene Seitenansicht der ersten Variante des geteilten
Synchronisationszahnrads in Blickrichtung des Pfeils V in 1;
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6 eine
Stirnansicht einer zweiten Variante des geteilten, verstellbaren
Synchronisationszahnrads aus 3; und
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7 eine
teilweise geschnittene Seitenansicht der zweiten Variante des geteilten
Synchronisationszahnrads analog 5.
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In 1 ist
eine schematische, teilweise geschnittene Stirnansicht einer erfindungsgemäßen Kolbenarbeitsmaschine
gezeigt. Ein Kolben 10 ist in der Bohrung 20 eines
mit einem Zylinderkopf 24 versehenen Zylinders 2 einer
Kolben-Zylinder-Einheit 1 entlang einer Zylinderachse A
hin- und herbewegbar aufgenommen.
Der Kolben 10 ist in herkömmlicher Weise mit einer Mehrzahl
von Kolbenringen 10' gegen
die Zylinderbohrung 20 abgedichtet. Von der Bohrung 20 und
dem Kolben 10 wird in herkömmlicher Weise ein Kompressionsraum 22 begrenzt.
Die üblicherweise
im Zylinderkopf 24 vorgesehenen Einlaßventile, Auslaßventile,
sowie bei einer Brennkraftmaschine die Zündkerze oder Glühkerze und
die Einspritzvorrichtung sind nicht im einzelnen dargestellt, da
sie der dem Fachmann allgemein bekannten Technologie entsprechen.
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An
seinem vom Kompressionsraum 22 abgewandten Ende ist der
Kolben 10 mit einem Kolbensteg 12 versehen, an
dem bezüglich
der Zylinderachse A seitlich zueinander versetzt zwei Pleuellager 14, 16 vorgesehen
sind.
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Am
ersten Pleuellager 14 ist ein erstes Pleuel 3 mit
einem an seinem ersten Ende vorgesehenen Pleuelauge 30 schwenkbar
angebracht. Am anderen Ende des Pleuels 3 ist ein weiteres
Pleuelauge 32 vorgesehen, welches auf einem ersten Kurbelzapfen 40 einer
ersten um eine Achse X rotierbaren Kurbelwelle 4 drehbar
gelagert ist.
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In
gleicher Weise ist am zweiten Pleuellager 16 des Kolbens 10 ein
zweites Pleuel 5 mit einem ersten Pleuelauge 50 schwenkbar
gelagert. Das Pleuel 5 ist mit einem an seinem anderen
Ende vorgesehenen weiteren Pleuelauge 52 drehbar auf einem
ersten Kurbelzapfen 60 einer zweiten um eine Achse X' rotierbaren Kurbelwelle 6 gelagert.
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Die
beiden Kurbelwellen 4 und 6 stehen über Synchronisationszahnräder bildende
Zahnräder 42 und 62 miteinander
kämmend
in Eingriff. Dieser Eingriff der Zahnräder 42, 62 sorgt
für einen
gegenläufig synchronen
Umlauf der Kurbelwellen 4, 6 in Richtung der Pfeile 4', 6'. Die Lage der
Kurbelzapfen 40, 60 und somit auch die Anordnung
der Pleuel 3, 5 ist bezüglich der Kolbenmittelachse
A beziehungsweise bei einer Mehrzylinder-Kolbenarbeitsmaschine bezüglich einer
aus der Reihe der jeweiligen Zylinderachsen A aufgespannten Zylindermittelebene
Z symmetrisch. Der in 1 dargestellte Aufbau einer
Doppelkurbelwellen-Kolbenarbeitsmaschine mit zwei zueinander parallel
verlaufenden und sich gegensinnig synchron drehenden Kurbelwellen 4, 6 sorgt
dafür, daß der Kolben 10 reibungsarm in
der Zylinderbohrung 20 laufen kann, ohne bezüglich der
Zylinderachse A seitlich zu kippen.
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Die
Kurbelwellen 4, 6 sind in zumindest zwei Lagerstühlen im
(nicht gezeigten) Gehäuse
der Kolbenarbeitsmaschine gelagert. Zumindest einer der Lagerstühle ist
verstellbar ausgestaltet und wird anhand der 2 nachstehend
beschrieben.
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Der
verstellbare Lagerstuhl 7 ist in einer durch die Kurbelwellenachsen
X, X' gehenden Ebene E
geteilt ausgebildet und ist auf diese Weise unterteilt in einen
unteren Lagerstuhlabschnitt 7' und einen oberen Lagerstuhlabschnitt 7''. Die beiden Lagerstuhlabschnitte 7' und 7'' sind über Schraubbolzen 70, 70' und 71, 71' miteinander
verschraubt, wobei die Schraubbolzen 70, 70'; 71, 71' zwei Paare
bilden, die jeweils einer Kurbelwelle 4, 6 zugeordnet
sind.
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Der
verstellbare Lagerstuhl 7 ist mit zwei kreisförmigen Lagerausnehmungen 72, 73 versehen, die
jeweils zur Hälfte
im unteren Lagerstuhlabschnitt 7' und im oberen Lagerstuhlabschnitt 7'' ausgeformt sind und die jeweils
einen Lagersitz für
die zugeordnete Kurbelwelle 4, 6 definieren. In
die jeweilige Lagerausnehmung 72, 73 ist ein Wälzlager 74, 75 eingesetzt,
welches mit seinem radial inneren Lagerring 74', 75' drehfest auf
dem zugeordneten Lagerabschnitt 67, 47 der jeweiligen
Kurbelwelle 6, 4 angebracht ist. Der jeweilige äußere Lagerring 74'', 75'' des
jeweiligen Lagers 74, 75 wird zwischen dem unterem
Lagerstuhlabschnitt 7' und
dem oberen Lagerstuhlabschnitt 7'' drehfest
eingespannt.
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Sowohl
der untere Lagerstuhlabschnitt 7', als auch der obere Lagerstuhlabschnitt 7'' sind in ihrem mittleren Bereich,
also zwischen den beiden Lagerausnehmungen 72, 73 mit
nutenartigen Schlitzen 76, 77; 76', 77' versehen, die
sich jeweils in einer Richtung parallel zur Zylindermittelebene
Z erstrecken und den jeweiligen Lagerstuhlabschnitt 7', 7'' in einer Richtung parallel zu
den Kurbelwellenachsen X, X' durchdringen.
Die ersten nutartigen Schlitze 76, 76' sind jeweils
von außen
in den zugeordneten Lagerstuhlabschnitt 7', 7'' eingebracht.
In dem in 2 gezeigten Beispiel ist der
erste nutartige Schlitz 76 von unten in den ersten Lagerstuhlabschnitt 7' eingeschnitten
und dringt in diesen um etwas mehr als 50% der Höhe des Lagerstuhlabschnitts 7' ein. Die verbleibende
Höhe oder
Dicke des Lagerstuhlabschnitts 7' in diesem Bereich ist ausreichend
dimensioniert, um die dort zwischen den Kurbelwellen auftretenden
Kräfte
beim Betrieb der Kolbenarbeitsmaschine zuverlässig zu übertragen. Der erste nutartige Schlitz 76' des zweiten
Lagerstuhlabschnitts 7'' ist auf analoge
Weise (in 2 von oben) in den zweiten Lagerstuhlabschnitt 7'' eingeschnitten.
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Der
jeweilige zweite nutartige Schlitz 77, 77' ist von der
jeweiligen Innenseite, also der Berührungsfläche, an der die beiden Lagerstuhlabschnitte 7', 7'' aneinander anliegen, in den zugeordneten
Lagerstuhlabschnitt 7', 7'' eingeschnitten. Der zweite nutartige
Schlitz 77, 77' dringt
dabei so tief in den zugeordneten Lagerstuhlabschnitt 7', 7'' ein, daß er sich mit dem jeweiligen
ersten nutartigen Schlitz 76, 76' überlappt, wie in 2 dargestellt
ist. Auch im Bereich des jeweiligen zweiten nutartigen Schlitzes 77, 77' bleibt vom
zugeordneten Lagerstuhlabschnitt 7', 7'' noch
so viel Material stehen, daß eine
zuverlässige Übertragung
der Kräfte
zwischen den beiden Lagersitzen gewährleistet ist.
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Jeder
der beiden Lagerstuhlabschnitte 7', 7'' ist
im Bereich der Überlappung
der ersten und zweiten nutartigen Schlitze 76, 76'; 77, 77' mit einer quer verlaufenden
Durchgangsbohrung 78, 78' versehen, wobei die Querrichtung
eine Richtung parallel zur einer auf beiden Kurbelwellenachsen X,
X' stehenden Senkrechten
ist.
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Durch
die jeweilige Querbohrung 78, 78' ist ein Zuganker 79, 79' hindurchgeführt, der
jeweils an seinem aus dem zugeordneten Lagerstuhlabschnitt 7', 7'' hervorstehenden Ende mit einem
Außengewinde
versehen ist, auf welches eine Mutter 80, 81; 80', 81' aufgeschraubt
ist, die sich jeweils gegen eine Seitenfläche des zugeordneten Lagerstuhlabschnitts 7', 7'' wirksam abstützt.
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Mit
Hilfe der beiden Muttern 80, 81 beziehungsweise 80', 81' und des zugeordneten
Zugankers, 79, 79' kann
auf den jeweils zugeordneten Lagerstuhlabschnitt 7', 7'' eine in der in 2 mit
dem Doppelpfeil D bezeichnete Druckspannung aufgebaut werden, indem
die jeweiligen Muttern 80, 81; 80', 81' gegen den zugeordneten
Lagerstuhlabschnitt 7', 7'' festgeschraubt werden. Dabei wird
der entsprechende Lagerstuhlabschnitt 7', 7'' aufgrund
der durch die Schlitze 76, 77; 76', 77' erzeugten Querelastizität geringfügig komprimiert,
sodaß der
laterale Abstand x zwischen den beiden Kurbelwellenachsen X und
X' geringfügig verkürzt wird.
Hierdurch rücken
die beiden Synchronisationszahnräder 42, 62 etwas
näher aufeinander
zu und ein vorher vorhandenes Zahnflankenspiel zwischen den Zähnen der
miteinander kämmenden
Synchronisationszahnräder 42, 62 wird eliminiert.
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Zur
Erzielung dieses Zweckes kann es auch ausreichend sein, wenn nur
einer der beiden Lagerstuhlabschnitte 7', 7'' mit
den nutartigen Schlitzen versehen ist, insbesondere dann, wenn der
andere Lagerstuhlabschnitt geteilt ausgebildet ist.
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Anstatt
von zwei nutartigen Schlitzen pro Lagerstuhlabschnitt kann auch
nur ein Schlitz vorgesehen sein. Eine verbesserte Querelastizität wird jedoch
dann erreicht, wenn zwei oder mehr erste und zwei oder mehr zweite
nutartige Schlitze abwechselnd in Querrichtung hintereinander gelegen
vorgesehen sind.
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Es
ist auch vorteilhaft, wenn nicht nur einer der zur Lagerung der
Kurbelwellen 4, 6 dienenden Lagerstühle die
vorstehend beschriebene Ausgestaltung aufweist, sondern alle zur
Lagerung der Kurbelwellen dienende Lagerstühle.
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In
den 1 und 2 ist eine Doppelkurbelwellen-Kolbenarbeitsmaschine
mit Stirnkurbelwellen gezeigt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf
diese Art der Kurbelwellen beschränkt, sondern kann auch in einer
Doppelkurbelwellen-Kolbenarbeitsmaschine angewendet werden, die
herkömmliche
gekröpfte Kurbelwellen
aufweist.
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Eine
alternative Ausgestaltungsform der Erfindung, die zusätzlich zu
dem vorstehend beschriebenen verstellbaren Lagerstuhl 7 oder
vorzugsweise mit herkömmlichen
starren Lagerstühlen
einsetzbar ist, wird nachstehend anhand der 3 bis 7 beschrieben.
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Eines
der beiden miteinander kämmenden Synchronisationszahnräder ist
als geteiltes Zahnrad 162 ausgebildet. Das Synchronisationszahnrad 162 ist
in einer Ebene senkrecht zur zugeordneten Kurbelwellenachse X' in zwei aneinander
anliegende Zahnradscheiben 163, 164 geteilt. Die
Zahnradscheiben 163, 164 sind an ihrem jeweiligen
Außenumfang mit
einer Verzahnung versehen, die bei den beiden Zahnradscheiben 163, 164 identisch
ist. Die Breite der beiden Zahnradscheiben 163, 164 gemessen
in Richtung der Kurbelwellenachse X' ist im gezeigten Beispiel gleich, die
Breite der Zahnradscheiben 163, 164 kann aber
auch unterschiedlich sein.
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Die
beiden Zahnradscheiben 163, 164 sind relativ zueinander
um die Kurbelwellenachse X' verdrehbar,
wie durch die Pfeile Y, Y' angedeutet
ist. Durch eine gegensinnige Verdrehung der beiden Zahnradscheiben 163, 164 wird
erreicht, daß auch die
Zähne 165, 166 der
jeweiligen Zahnradscheibe 163, 164 in Umfangsrichtung
relativ zueinander versetzt werden. Beträgt dieser Versatz in Umfangsrichtung
nur wenige Bruchteile eines Millimeters, so läßt sich dadurch ein Zahnflankenspiel
in der Kämmung mit
dem anderen Synchronisationszahnrad eliminieren. Um dies zu erreichen,
werden dann, wenn die beiden Synchronisationszahnräder miteinander
kämmen,
die beiden Zahnradscheiben 163, 164 des geteilten
Zahnrads 162 um wenige Winkelminuten zueinander in Richtung
der Pfeile Y, Y' zueinander
verdreht bis das Zahnflankenspiel in der Kämmung kompensiert ist. Dann
werden die beiden Zahnradscheiben 163, 164 des
geteilten Zahnrads 162 relativ zueinander arretiert. Dazu
ist eine der beiden Zahnradscheiben 163 mit bogenförmigen Langlöchern 167, 168 versehen,
durch die jeweils eine Spannschraube 169, 170 parallel
zur Kurbelwellenachse X' hindurchgeführt und
mit ihrem Gewinde 169' in
eine zugeordnete eine Gewindebohrung 164' eingeschraubt ist und die beiden
Zahnradscheiben 163, 164 im Reibschluß relativ
zueinander arretiert.
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Anstelle
einer Spannschraube kann, wie in den 6 und 7 gezeigt
ist, in dem bogenförmigen
Langloch 267, 268, das sich im gezeigten Beispiel
durch beide Zahnradscheiben 263, 264 erstreckt,
auch eine Feder 269, 270 vorgesehen sein, die
mit ihrem einen Ende an der einen Zahnradscheibe 263 und
mit ihrem anderen Ende an der anderen Zahnradscheibe 264 befestigt
ist und diese in Drehrichtung zug- oder druckbelastet. Auf diese
Weise werden die beiden Zahnradscheiben 263, 264 des geteilten
Zahnrads 262 in eine umfangsmäßig zueinander versetzte Position
gezwungen, sodaß sich beim
kämmenden
Eingriff mit dem anderen Synchronisationszahnrad ein quasi automatischer
Toleranzausgleich ergibt, bei dem die in Umlaufrichtung 206' vorderen Zahnflanken 263' der ersten
Zahnradscheibe 263 und die in Umlaufrichtung hinteren Zahnflanken 264' der zweiten
Zahnradscheibe 264 spielfrei auf den Zahnflanken des anderen,
ungeteilten Synchronisationszahnrads abwälzen.
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Die
Erfindung ist nicht auf das obige Ausführungsbeispiel beschränkt, das
lediglich der allgemeinen Erläuterung
des Kerngedankens der Erfindung dient. Im Rahmen des Schutzumfangs
kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
vielmehr auch andere als die oben beschriebenen Ausgestaltungsformen
annehmen. Die Vorrichtung kann hierbei insbesondere Merkmale aufweisen,
die eine Kombination aus den jeweiligen Einzelmerkmalen der Ansprüche darstellen.
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Bezugszeichen
in den Ansprüchen,
der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren
Verständnis
der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.