DE102011110037A1

DE102011110037A1 - Hubkolbenmaschine mit einem Kurbeltrieb

Info

Publication number: DE102011110037A1
Application number: DE201110110037
Authority: DE
Inventors: Ulrich Wittwer
Original assignee: Neander Motors AG
Current assignee: Neander Motors AG
Priority date: 2011-08-12
Filing date: 2011-08-12
Publication date: 2013-02-14

Abstract

Diese Hubkolbenmaschine mit einem Kurbeltrieb umfasst zwei parallel sich zueinander erstreckende über Synchronisationszahnräder gegenläufig bewegliche Kurbelwellen, die unter Vermittlung von zwei Pleueln mit einem Hubkolben in Wirkverbindung stehen, welcher Hubkolben in einer eine Mittellängsachse aufweisenden Zylinderbohrung eines Zylindergehäuses zwischen Totlagen des Kurbeltriebs hin und her bewegt wird, wobei die Pleuel einerseits an Pleuellagern des Hubkolbens und andererseits an Kurbelzapfen der mit Wellenzapfen versehenen Kurbelwellen angelenkt sind. Um diese Hubkolbenmaschine zu optimieren, sind die Kurbelwellen an zu den Kurbelzapfen winkellageversetzten Kurbelwangen mit Gegengewichten versehen, die Kräfte und Drehmomente ausgleichend definiert zu Verbindungsebenen zwischen Kurbelzapfen und Wellenzapfen angeordnet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hubkolbenmaschine mit einem Kurbeltrieb, umfassend zwei parallel sich zueinander erstreckende mit Synchronisationszahnräder gegenläufig bewegliche Kurbelwellen, die unter Vermittlung von zwei Pleueln mit einem Hubkolben in Wirkverbindung stehen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Es ist ein massereduziertes Gegengewicht für Kurbelwellen von Brennkraftmaschinen bekannt, DD 215 368 B1 . Die Kurbelwelle des darin offenbarten Dieselmotors weist mehrere Gegengewichte auf, die gegenüber einem Kurbelzapfen versetzt angeordnet sind. Jedes Gegengewicht ist asymmetrisch zu einer Mittenachse und Befestigungsflanschen der Kurbelwelle angeordnet.
Aus der DE 739 696 geht eine Kolbenmaschine mit zwei nebeneinander liegenden Kurbelwellen hervor, die synchron in gleiche Drehrichtungen laufen. Jede Kurbelwelle umfasst Wellenzapfen und Kurbelzapfen; letztere wirken mit Pleueln zusammen. Um 180° winkelversetzt zu den Kurbelzapfen sind Gegengewichte vorgesehen, die nach Art eines Kreissektors geformt sind.
Die DE 10 2005 048 681 B4 gibt eine Kolbenarbeitsmaschine mit einer ersten und einer zweiten Kurbelwelle wieder. Enden der Kurbelwellen sind mit Zahnrädern verbunden, die miteinander kämmen, wodurch die Kurbelwellen gegenläufige Drehbewegungen ausüben. Über die Kurbelwellen wird unter Zwischenschaltung von zwei Pleueln ein Kolben in einer Zylinderbohrung eines Zylindergehäuses hin und her bewegt. Dabei durchlaufen der Kolben, die Pleuel und die Kurbelwellen, die einen Kurbeltrieb bilden, eine obere und eine untere Totpunktlage.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Hubkolbenmaschine mit einem Kurbeltrieb, umfassend wenigstens einen Hubkolben und daran angelenkte zwei Pleueln, die mit synchron, jedoch gegenläufigen Kurbelwellen in Wirkverbindung stehen, solche Vorkehrungen zu treffen, dass Kräfte und Momente gezielt ausgeglichen werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere, die Erfindung ausgestaltende Merkmale sind in den Unteransprüchen enthalten.
Die mit der Erfindung hauptsächlich erzielten Vorteile sind darin zu sehen, dass die mit den ausgeklügelt angeordneten Gegengewichten versehenen Kurbelwellen, die über die zwei Pleuel mit dem Hubkolben zusammenwirken, schwingungstechnisch einen relativ ausgeglichenen Lauf des Kurbeltriebs bzw. der Hubkolbenmaschine ermöglichen. Bei dieser Hubkolbenmaschine, die z. B. als Brennkraftmaschine für den Außenbordantrieb von Schiffen geeignet ist, werden dank der asymmetrisch ausgelegten Gegengewichte an den Kurbelwellen Kräfte und Drehmomente definiert getilgt. Dabei lassen sich die Gegengewichte in der Weise optimieren, dass sie bei vertretbarer Schwere eine gute Funktion sichern und das Gewicht der Hubkolbenmaschine allenfalls in unerheblichem Umfang erhöhen.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, die nachstehend näher erläutert werden.
Es zeigen
1 eine Ansicht einer Hubkolbenmaschine in Richtung Stirnseiten von Kurbelwellen,
2 eine Teilansicht der 1 mit einer ersten Ausführungsform von Gegengewichten an den Kurbelwellen,
3 eine Ansicht entsprechend 2 mit einer zweiten Ausführungsform Gegengewichten an den Kurbelwellen.
Eine Hubkolbenmaschine 1, die bspw. als Brennkraftmaschine für den Außenbordantrieb einsetzbar ist, umfasst wenigstens einen Hubkolben 2, der in einer Zylinderbohrung 3 mit einer Mittellängsachse 4 hin und her bewegbar ist, und er durchläuft einen oberen Totpunkt To und einen unteren Totpunkt Tu – 2 und 3 –. Der Hubkolben 2 ist unter Vermittlung eines ersten Pleuels 5 und eines zweiten Pleuels 6 mit einer ersten Kurbelwelle 7 und einer zweiten Kurbelwelle 8 gekoppelt. in ein Zylindergehäuse Zyg, das einen Zylinderkopf Zyk mit Gaswechsel steuernden Einlassventilen Ev und Auslassventilen AV besitzt, ist die Zylinderbohrung 3 eingearbeitet.
Die Pleuel 5 und 6 stehen über Kolbenbolzenlager 9 und 10 mit dem Hubkolben 2 in Wirkverbindung. Die Kolbenbolzenlager 9 und 10 verlaufen mit Abständen AsI und AsII die gleich oder unterschiedlich zur Mittellängsachse 4 der Zylinderbohrung 3 bzw. dem Hubkolben 2 sich erstrecken. An den parallel zueinander ausgerichteten ersten und zweiten Kurbelwellen 7 und 8 sind die Pleuel 5 und 6 mittels Hubzapfenlagern 11 und 12 gelenkig angebracht.
Die Kurbelwellen 7 und 8 sind beispielsweise benachbart von Endbereichen Eb1 und Eb2 mit Synchronisationszahnrädern 13 und 14 versehen, die miteinander kämmen, eine Art Stirnradgetriebe 15 bilden und die beiden Kurbelwellen 7 und 8 synchron, jedoch in entgegen gesetzte Drehrichtungen Dr1 und Dr2 bewegen. Der Hubkolben 2, die Pleuel 5 und 6 und die Kurbelwellen 7 und 8 stellen einen Kurbeltrieb 16 der Hubkolbenmaschine 1 dar. In die Kurbelwellen 7 und 8 integriert sind Kurbelzapfen 17 und 18 mit Kurbelzapfenmittelachsen 19 und 20 sowie Wellenzapfen 21 und 22 mit Wellenzapfenmittelachsen 23 und 24 – 2 –. Zwischen den Kurbelzapfenmittelachsen 19 und 20 erstrecken sich radiale Verbindungsebenen 25 und 26.
Zu den Kurbelzapfen 17 und 18 der Kurbelwellen 7 und 8 um bspw. 180° versetzt angebracht sind Kurbelwangen 27 und 28 und Gegengewichte 29 und 30 – 2 – vorgesehen. In Richtung der Stirnseiten der Kurbelwellen 7 und 8 betrachtet besitzen die Gegengewichte 29 und 30 die Form von Kreissektoren 31 und 32. Jeder Kreissektor z. B. 31 wird von einem Kreissektorbogen 33 und Kreisradienseiten 34 und 35 begrenzt. Ein Schnittpunkt 36 der Kreisradienseiten 34 und 35 und des Kreissektorbogens 31 liegen auf der Verbindungsebene 25; eine Winkelhalbierende Sektormittellinie 37 zwischen den Kreisradienseiten 34 und 35 erstreckt sich auf der Verbindungsebene. Die Form und das Gewicht der Gegengewichte 27 und 28 lassen sich unter Berücksichtigung von Parametern der Hubkolbenmaschine 1 – z. B. Hub, Pleuellänge, Abstand der Kurbelwellen zueinander, Drehzahl oder dgl. – iterativ und/oder rechnerisch festlegen.
In 3 sind Kurbelwellen 38 und 39 mit ähnlichen Gegengewichten 40 und 41 wie die Gegengewichte 29 und 30 der Kurbelwellen 7 und 8 dargestellt. Allerdings sind die Gegengewichte 40 und 41 winkellageversetzt oder asymmetrisch zu Verbindungsebenen 42 und 43 ausgerichtet, die sich zwischen Kurbelzapfen 44 und 45 und Wellenzapfen 46 und 47 der Kurbelwellen 38 und 39 erstrecken. Winkelhalbierende Sektormittellinien 48 und 49 der als Kreissektoren 31' und 32' ausgeführten Gegengewichte 40 und 41 liegen auf Schnittpunkten 50 und 51 der Wellenzapfen 46 und 47 bzw. deren Kurbelwellenzapfenmittelachsen 52 und 53; die Schnittpunkte 50 und 51 und die Kurbelzapfenmittelachsen 52 und 53 liegen auf einer gemeinsamen Achse.
In Totpunktlagen nahen Gebieten GTL eines Kurbeltriebs 55 sind Sektormittelinien 48 und 49 der Gegengewichte 40 und 41 zu einer Mittellängsachse 55 einer Zylinderbohrung 56 ausgerichtet, wobei sich die Sektormittellinien 48 und 49 außerhalb von Kreissektorbögen 57 und 58 in einem Schmittpunkt Sp kreuzen. Darüber hinaus schließen die Sektormittellinien 48 und 49 im Wesentlichen gleiche spitze Winkel α und β ein, so dass sie winkelsymmetrisch zu der Mittellängsachse 55 der Zylinderbohrung ausgerichtet sind. Die spitzen Winkel α und β betragen zwischen 24° und 32°, wobei diese Winklegrade in Abhängigkeit von Parametern der Hubkolbenmaschine 1 iterativ und/oder rechnerisch ermittelbar sind.
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

DD 215368 B1 [0002]
DE 739696 [0003]
DE 102005048681 B4 [0004]

Claims

Hubkolbenmaschine mit einem Kurbeltrieb, umfassend zwei parallel sich zueinander erstreckende über Synchronisationszahnräder gegenläufig bewegliche Kurbelwellen, die unter Vermittlung von zwei Pleueln mit einem Hubkolben in Wirkverbindung stehen, welcher Hubkolben in einer eine Mittelängsachse aufweisenden Zylinderbohrung eines Zylindergehäuses zwischen Totlagen des Kurbeltriebs hin und her bewegt wird, wobei die Pleuel einerseits an Pleuellagern des Hubkolbens und andererseits an Kurbelzapfen der mit Wellenzapfen versehenen Kurbelwellen angelenkt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwellen (7 und 8; 38 und 39) an zu den Kurbelzapfen (17 und 18; 44 und 45) winkellageversetzten Kurbelwangen (27 und 28) mit Gegengewichten (29 und 30; 40 und 41) versehen sind, die Kräfte und Drehmomente ausgleichend definiert zu Verbindungsebenen (25 und 26) zwischen den Kurbelzapfen (17 und 18; 44 und 45) und Wellenzapfen (21 und 22; 46 und 47) angeordnet sind.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegengewichte (29 und 30) symmetrische zu den Verbindungsebenen (25 und 26) angeordnet sind.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegengewichte (40 und 41) asymmetrisch zu den Verbindungsebenen (42 und 43) angeordnet sind.
Hubkolbenmaschine nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegengewichte (19 und 30; 40 und 41) – in Richtung der Stirnseiten der Kurbelwellen (7 und 8; 38 und 39) gesehen – nach Art von Kreissektoren (31 und 32; 31' und 32') geformt sind, dergestalt, dass jeder Kreissektor (z. B. 31 oder 31') von einem Kreissektorbogen (33; 57 und 58) und Kreisradienseiten (34 und 35; 34' und 35') begrenzt wird, deren Schnittpunkt (36; 50 und 51) auf der Verbindungsebene (25 und 26; 42 und 43) zwischen Kurbelzapfen (17 und 18; 44 und 45) und Wellenzapfen (21 und 22; 46 und 47) der jeweiligen Kurbelwelle (7 und 8; 38 und 39) liegt.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kreisradienseiten (34 und 35) als Winkelhalbierende ausgeführte Sektormittellinien (48 und 9) verlaufen, die ausgehend von Schnittpunkten (50 und 51) der Kreissektoren (31' und 32') winkellageversetzt zu den Verbindungsebenen (42 und 43) zwischen Kurbelzapfen (44 und 45) und Wellenzapfen (46 und 47) verlaufen.
Hubkolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Totlagen nahen Gebiet (TLG) des Kurbeltriebs (54) die Sektormittellinien (48 und 49) der Gegengewichte (40 und 41) zu der Mittellängsachse (55) der Zylinderbohrung (56) hin ausgerichtet sind.
Hubkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Sektormittellinie (48 oder 49) eines jeden Gegengewichts (40 oder 41) zu der Verbindungsebene (42 oder 43) zwischen Kurbelzapfen (44 oder 45) und Wellenzapfen (46 oder 47) einen spitzen Winkel (α oder β) einschließt.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der spitze Winkel (α oder β) bspw. zwischen 24° und 32° beträgt.