DE102007058995A1 - Axialkolbenmotor - Google Patents

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung soll ein Axialkolbenmotor bereitgestellt werden, bei dem das Trägheitsmoment der drehenden Teile kompensiert und ein dynamischer Unwuchtausgleich realisiert wird. Der erfindungsgemäße Axialkolbenmotor umfasst eine sphärische Hauptkurbelstange (5) auf der Kurbelkröpfung einer zur Drehachse der Motorwelle geneigten Kurbel (7) einer zweifach gestützten Kurbelwelle (8), wobei die Kurbelwelle (8) ein diametral gegenüber der Kurbelkröpfung der Kurbel (7) angeordnetes, axial verschobenes Gegengewicht (9) aufweist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Axialkolbenmotor, der eine Hubbewegung in eine Drehbewegung umwandelt und insbesondere für Maschinen- und Fahrzeugantriebe verwendet wird.
• Axialkolbenmotoren und ihre Arbeitsweise sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. So wird z. B. in der WO 97/19254 eine Vorrichtung dieser Art zur Umwandlung einer Hub- in eine Drehbewegung beschrieben, die einen Motorblock mit einem versetzten Auflagepunkt, der sich zwischen einer Schrägscheibe und den mit den Kolben verbundenen Kurbelstangen befindet, umfasst. Die Wirkungslinie von der Kurbelstange zur Schrägscheibe hat eine zentripetale und eine tangentiale Komponente, wodurch die durch die Schrägscheibe gerichtete Kraftkomponente verringert und die entlang der Schrägscheibe gerichtete Kraftkomponente vergrößert wird. Die Kurbelstangen sind mit der Schrägscheibe und mit den Kolben jeweils mit sphärischen Lagern gekoppelt. Nachteil dieser Lösung ist, dass der versetzte Auflagepunkt auf die Motorwelle ein größeres Lager bedingt, da die Peripheriegeschwindigkeit des Lagers zunimmt. Daneben wirken die Kurbelstangen nicht im Mittelpunkt des Lagers auf die Schrägscheibe, was zu gravierenden Kippmomenten führt und eine Vergrößerung des Auflagepunktes erforderlich macht. Bei einer Hubbewegung der Kolben und Kurbelstangen und einem Schwingen der Schrägscheibe wirken Trägheitsmomente, die zu einer Innen- und Außenunwucht des ganzen Motors führen.
• Ebenso ist in der Patentschrift WO 97/10415 ein Kolbenmotor mit einer schwenkbaren Platte beschrieben, der einen Flansch mit den in Kreisrichtung verteilten Zylindern, einen Träger der Hauptwelle und ein Gehäuse mit einem an ihm befestigten zentralen Gelenkblock umfasst. Die schwenkbare Platte bewegt sich um den Gelenkblock herum. Die Stirnfläche der Welle der schwenkbaren Platte überträgt die Rotation auf die Hauptwelle des Motors durch einen Gelenkblock. Die schwenkbare Platte ist mit den in den Zylindern untergebrachten Kolbenstangen verbunden. Koaxial mit der Hauptwelle des Motors ist eine Steuerscheibe mit Nocken, die die Ventile in den Zylinderköpfen steuern, im Motor angeordnet. Ein Nachteil dieser Vorrichtung ist, dass der zentrale Gelenkblock (Kardangelenk) durch die Axialkräfte der Kolben, durch die Momente dieser Kräfte relativ zum Gelenkzentrum und durch ein vom Motor entwickeltes Trägheitsmoment sehr stark belastet wird. Das auskragende Aufstellen der Hauptwelle führt zu der Notwendigkeit, die Basis zwischen den Stützen zu verlängern. Die gelenkte, auskragende Verbindung der Hauptwelle mit der Stirnfläche der Welle der schwenkbaren Platte erhöht die Steifigkeit der Welle der schwenkbaren Platte. Auch dieser Motor ist sowohl durch eine innere als auch durch eine äußere Unwucht gekennzeichnet. Mit einer gelenkten Verbindung zwischen der Hauptwelle des Motors und der Welle der schwenkbaren Platte ist es schwierig, einen dynamischen Unwuchtausgleich zu gewährleisten.
• In der europäischen Patentschrift DE 691 20 587 T2 ist eine andere Variante des Motors vorgeschlagen, die einen Zylinderblock mit einer Vielzahl von im wesentlichen axialparallelen Zylindern mit sich hin und her bewegenden Kolben, und eine im Zylinderblock angeordnete Antriebswelle, mit einem versetzten Teil, welches außerhalb über den Zylinderblock hinausragt, wobei die Zylinder im wesentlich parallel um die Antriebswelle angeordnet sind, aufweist. Außerdem hat der Motor eine drehbar auf dem versetzten Teil gelagerte Taumelscheibe, ein Verbindungspleuel für jeden Zylinder, welches jeden Kolben mit der Taumelscheibe verbindet, Gleitlagermittel zum Tragen von radialen Belastungen und Rollenlagermittel zum Tragen von Schubbelastungen. Die Nachteile des hier beschriebenen Motors liegen in der komplizierten Ventilsteuerung, d. h. in der komplizierten Konstruktion der Antriebswelle und darin, dass keine Maßnahmen für die dynamische Auswuchtung der gesamten Vorrichtung vorgesehen sind. Mit der vorgeschlagenen Anordnung der Kegelräder kann nicht gewährleistet werden, dass das Gelenk zwischen dem Verbindungspleuel und der Taumelscheibe eine planparallele Bewegung vollzieht. Zur Entlastung der Antriebswelle ist eine erhöhte Anzahl von Lagermitteln notwendig.
• Eine ähnliche Wirkungsweise hat die Motorkonstruktion aus der WO 88/04359 , bei der ein Taumelscheibenantrieb mit einer im Wesentlichen kegelstumpfförmigen, an ihrem äußeren Rand Pleuel tragenden Taumelscheibe zur Kraftübertragung vorgesehen ist. Die Taumelscheibe ist mittels eines am breiten Ende mittig befestigten Kardangelenkes am Motorblock gelagert und auf der schmalen Seite mit einem in einer zentrierten Bohrung gehaltenen Schrägkurbelzapfen versehen, der in einer mit der Welle fest verbundenen Schwungscheibe befestigt ist. Zu den Nachteilen des in der WO 88/04359 vorgestellten Motors zählt die hohe Belastung, die mit dem Kardangelenk aufgenommen werden muss und das Fehlen einer Einrichtung, die das Trägheitsmoment der drehenden Teile abfangen kann. Dabei beeinflusst das Trägheitsmoment das dynamische Gleichgewicht der gesamten Vorrichtung. Dieselben Nachteile weist auch die in der US 2004/0060562 A1 beschriebene Motorausführung auf. Dieser Motor besteht aus einem Zylinderblock, mehreren Kolben, einer Masse, einem schwankenden Teil, mehreren Stangen, die die Kolben mit dem schwankenden Teil verbinden, einem Paar der Kegelräder und mehreren Scheibenlagermitteln. Die Scheibenlagermittel sind am Zylinderblock und am schwankenden Teil vorgesehen, um die Tragwelle, die Masse und die Schrägwelle zu unterstützen und die resultierende Drehgeschwindigkeit zu verringern. Zusätzlich zu den schon genannten Nachteilen hat die in der Patentschrift US 2004/0060562 A1 beschriebene Vorrichtung den Nachteil, dass die auskragende Kurbel (die Schrägwelle) eine ergänzende Halterung an der Tragwelle erfordert, was jedoch wiederum zu einem erhöhten Konstruktionsaufwand führt.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die genannten Nachteile zu überwinden und einen Axialkolbenmotor bereitzustellen, bei dem das Trägheitsmoment der drehenden Teile kompensiert wird und ein dynamischer Unwuchtausgleich realisiert werden kann.
• Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Axialkolbenmotors sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
• 1 – eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Axialkolbenmotors
• Der erfindungsgemäße Axialkolbenmotor besteht aus einem Zylinderblock (1), in dem Zylinderlaufbuchsen (2) mit Kolben (3) axial mit durchlaufenden Aushöhlungen für das Kühlmittel angeordnet sind. Die Kolben (3) sind durch Nebenkurbelstangen (4) mit einer sphärischen Hauptkurbelstange (5) gelenkig verbunden. Die mit der sphärischen Hauptkurbelstange (5) gekoppelten Gelenke der Nebenkurbelstangen sind in der Äquatorialebene angeordnet. Die sphärische Hauptkurbelstange (5) ist durch ein Kegelradgetriebe (6) mit dem Zylinderblock (1) verbunden. Die sphärische Hauptkurbelstange (5) ist auf der Kurbelkröpfung der Kurbel (7) mit der Möglichkeit einer ebenen Drehung untergebracht. Die Kurbelkröpfung ist mit einem flachen Winkel zur Drehachse der Kurbelwelle (8) ausgeführt. Die Kurbelwelle (8) ist in zwei Lagern geführt, die auf beiden Seiten der Kurbel (7) im Zylinderblock (1) angeordnet sind. Die Kurbelwelle (8) hat ein Gegengewicht (9), das auf der diametralen Gegenseite relativ zur Kurbelkröpfung mit einer axialen Verschiebung angeordnet ist. Am Wellenstumpf der Kurbelwelle (8) ist ein Kurbelrad (10) befestigt. An der Kurbelwelle (8) zwischen dem Kurbelrad (10) und der Kurbelkröpfung ist ein Rad (11) eines Getriebes (12) für den Nebenantrieb vorgesehen. Am zweiten Wellenstumpf der Kurbelwelle (8) ist das mit der Kupplung (14) gekoppelte Getriebe (13) angebracht. Die Kupplung (14) weist an der Stirnfläche eine zur Motorwelle koaxial angeordnete Steuerscheibe (15) mit zwei Reihen profilierter Nocken, die mit Kipphebeln (16), die die im Zylinderblockkopf (19) angeordneten Einlassventile (17) und Auslassventile (18) steuern, in Kontakt stehen. Der Zylinderblockkopf weist in seinem Inneren eine Ringnut (20) auf, die die Einlasskanäle aller Zylinder umfasst.
• Der erfindungsgemäße Axialkolbenmotor arbeitet auf folgende Weise: Bei einer Drehung der Kurbelwelle (8) folgt die Achse der Kurbel (7) der Bewegung eines Kegelpendels, und die sphärische Hauptkurbelstange (5) wird vom Mitlaufen durch das Kegelradgetriebe (6) abgehalten. Durch das Abwälzen des Kegelradgetriebes (6) und folglich das Mitlaufen der sphärischen Hauptkurbelstange (5) mit der Achse der Kurbel (7) realisieren alle Punkte in der Äquatorialebene eine meridionale Hubbewegung. Dabei realisieren die in der Äquatorialebene angeordneten Gelenke der Nebenkurbelstangen (4) eine ebene meridionale Bewegung, wodurch die Kolben (3) ebenfalls eine Hubbewegung in den Zylinderlaufbuchsen (2) ausführen. Die Hubbewegung der Kolben (3), Nebenkurbelstangen (4) und die pendelnde Bewegung der sphärischen Hauptkurbelstange (5) entwickeln ein trägheitsbehaftetes Drehmoment, welches durch das trägheitsbehaftete Drehmoment infolge der zentrifugalen Trägheitskräfte des Gegengewichts (9) und des Massenzentrums der Kurbel (7), der sphärischen Hauptkurbelstange (5) und der Nebenkurbelstangen (4) ausgeglichen wird. Die Drehung der Kurbelwelle (8) wird über das Getriebe (13) auf die Kupplung (14) und die Steuerscheibe mit profilierten Nocken (15) übertragen. Mit Hilfe der Kipphebel (16) erfolgt nun das Öffnen und Schließen der Einlassventile (17) und der Auslassventile (18) in einer vorgegebenen Reihenfolge. Dabei wird die Auffüllung der Zylinder über eine Ringnut (20), die alle Einlasskanäle umfasst, realisiert.
• Um den Aufbau des Zylinderblockkopfes (19) und seine Wartung zu vereinfachen, kann das Getriebe (13) durch eine Welle ersetzt werden.
• Um die gleichen Bewegungen für den unteren Fußpunkt der sphärischen Hauptkurbelstange (5) an der Meridianebene in Bezug auf die Ebene, die normal zur durch das Kegelschwingungszentrum verlaufenden Motorachse ist, zu erhalten, kann die sphärische Hauptkurbelstange (5) mit dem Zylinderblock (1) durch einen Kegelzahnstangeneingriff anstelle des Kegelradgetriebes (6) mechanisch verbunden werden.
• Die Kopplung mit einem oder mehreren Nebenantrieben kann mittels Durchführung durch ein Rad (11) an ein Getriebe (12) erfolgen.
• Mit dem erfindungsgemäßen Axialkolbenmotor kann somit die Umwandlung einer Hubbewegung in eine dynamisch ausgewuchtete Drehbewegung realisiert werden.

1

Zylinderblock

2

Zylinderlaufbuchsen

3

Kolben

4

Nebenkurbelstangen

5

sphärische Hauptkurbelstange

6

Kegelradgetriebe

7

Kurbel

8

Kurbelwelle

9

Gegengewicht

10

Kurbelrad

11

Rad

12

Getriebe für einen Nebenantrieb

13

Getriebe

14

Kupplung

15

Steuerscheibe mit profilierten Nocken

16

Kipphebel

17

Einlassventil

18

Auslassventil

19

Zylinderblockkopf

20

Ringnut

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• - WO 97/19254 [0002]
• - WO 97/10415 [0003]
• - DE 69120587 T2 [0004]
• - WO 88/04359 [0005, 0005]
• - US 2004/0060562 A1 [0005, 0005]

Claims (6)

1. Axialkolbenmotor bestehend aus einem Zylinderblock (1), mit axial angeordneten Zylinderlaufbuchsen (2) und dazugehörigen, durchlaufende Aushöhlungen aufweisende Kolben (3), wobei die Kolben (3) über Nebenkurbelstangen (4) mit einer sphärischen Hauptkurbelstange (5), die über ein Kegelradgetriebe (6) mit dem Zylinderblock (1) verbunden ist, gekoppelt sind dadurch gekennzeichnet, dass die sphärische Hauptkurbelstange (5) auf der Kurbelkröpfung einer zur Drehachse der Motorwelle geneigten Kurbel (7) einer zweifach gestützten Kurbelwelle (8) angeordnet ist und die Kurbelwelle (8) ein diametral gegenüber der Kurbelkröpfung der Kurbel (7) angeordnetes, axial verschobenes Gegengewicht (9) aufweist.
2. Axialkolbenmotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenkurbelstangen (4) über Gelenkkopplungen mit den Kolben (3) und der sphärischen Hauptkurbelstange (5) verbunden sind.
3. Axialkolbenmotor nach einem der Ansprüche 2 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die sphärische Hauptkurbelstange über ein Kegelzahnstangeneingriff mit dem Zylinderblock (1) verbunden ist.
4. Axialkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass an der dem Zylinderblock (1) abgewandten Seite der Kurbelwelle (8) ein Rad (11) vorgesehen ist, welches über ein Getriebe (12) einen oder mehrere Nebenantriebe antreibt.
5. Axialkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass Ein- bzw. Auslassventile (17, 18) vorgesehen sind, die über sich auf einer Steuerscheibe (15) befindliche profilierte Nocken und Kipphebel (16) geöffnet oder geschlossen werden, und zur Übertragung der Drehbewegung der Kurbelwelle (8) auf die profilierte Nocken aufweisende Steuerscheibe (15) ein Getriebe (13) und eine Kupplung (14) vorgesehen sind.
6. Axialkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass zur Übertragung der Drehbewegung der Kurbelwelle (8) auf die profilierte Nocken aufweisende Steuerscheibe (15) eine Welle vorgesehen ist.