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Eine der Varianten der Gestaltung der modernen Verbrennungsmotoren sind die Boxermotoren, wo zwei gegenüberliegende Zylinder mithilfe eines Kurbelgehäuses vereinigt werden. Dabei verwendet man einen Kurbeltrieb für die Umwandlung der hin- und hergehenden Bewegung der Kolben in eine Drehung der Antriebswelle.
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Dieser ist schon ein Klassiker, ungeachtet der offensichtlichen Mängel des Kurbeltriebs, wie zum Beispiel die große Seitenreibung der Kolben mit der Wandung des Zylinders, die Vibration, die ziemlich großen Abmessungen und die großen Herstellungskosten (wegen der Notwendigkeit, eine hoch exakte Ausrüstung zu verwenden).
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Außerdem verwendet man gewöhnlich die Boxermotoren zusammen mit einem Getriebe, das es erlaubt, in jeder konkreten Situation die Charakteristiken des Motors besser zu verwenden. Jedoch haben beide diese Geräte ziemlich große Abmessung und ein großes Gewicht. Deswegen existiert natürlich die ständige Tendenz, diese Parameter zu verringern.
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Als Beispiel einer Teillösung dieser Probleme ist es möglich, die Dokumente
DE 202 18 731.4 und
DE 203 04 487.8 zu nennen, wo Zweittakt-Boxermotoren ohne Kurbeltrieb offenbart sind.
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Anstelle eines Kurbeltriebs werden dort andere Mechanismen verwendet, welche die gleiche Funktion erfüllen, sowie die Funktion des stufenartigen Getriebes, ohne dass sich dabei die Abmessungen und das Gewicht des Motors vergrößern.
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Außerdem fehlt in diesen Motoren der starke Seitendruck der Kolben auf die Wände des Zylinders, was für Motoren mit Kurbeltrieb so charakteristisch ist.
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Zudem erlauben es solche Mechanismen, ein wirksamen hybriden Zweitakt-Boxer-VerbrennungsDampfmotor
zu schaffen (siehe Dokument
DE 203 15 098 U1 ), was mit einem Kurbeltrieb einfach unmöglich ist.
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Ungeachtet der angegebenen Vorzüge haben auch diese Motoren Mängel. Einer der Hauptmängel ist die Komplexität des kinematischen Schemas der Mechanismen, wo viele Zahnräder verwendet werden.
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Die
DE 100 28 738 A1 beschreibt einen Freikolbenmotor mit einem Feder-Masse-System. Die
DE 43 03 692 A1 befasst sich mit einem Freikolben-Exergie-Verbrennungsmotor mit verringertem Brennstoffbedarf. Die
DE 2 201 944 A betrifft einen Linearmotor für hohe Kolbengeschwindigkeiten. Hier wird ein anderer Motor vorgestellt, welcher alle Vorzüge der oben genannten Motoren hat, aber der einen wesentlich einfacheren Mechanismus der Umwandlung der Bewegungsarten hat. Außerdem leistet dieser Mechanismus gleichzeitig die Funktion eines stufenlosen automatischen Getriebes innerhalb desselben Motors, und dies praktisch ohne Vergrößerung der Abmessungen und des Gewichts.
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Konkret werden wir beispielhaft den Ottomotor betrachten, obwohl es für andere Arten der Motoren zutrifft.
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In diesem Motor sind zwei entgegengesetzt aufgestellte Zylinder, wie üblich, mithilfe eines Gehäuses verbunden, was den Zylinderblock schafft. Jedoch sind hier die Kolben mithilfe einer Stange starr verbunden. Diese Stange hat in der Mitte einen Finger, welcher sich frei in dem oberen Langloch einer Schwinge bewegen kann. Die Schwinge ist mit einem Rundloch an ihrem anderen Ende auf die Arbeitswelle des Motors frei aufgesetzt.
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Auf diese Weise ist bisher vom bekannten Schwingemechanismus die Rede, welcher die hin- und hergehende Bewegung der Kolben in die Schwingung der Schwinge umwandelt, relativ zur Arbeitswelle des Motors.
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Zur Umwandlung der Schwingungsbewegung der Schwinge in die Drehung der Arbeitswelle ist es einfacher, ein Freilaufgetriebe zu verwenden, welches auf der Arbeitswelle aufsetzt, wobei hier starr verbunden sind: das Ende der Schwinge mit dem Eingangsteil des Freilaufgetriebes und die Arbeitswelle mit dem Ausgangsteil des Freilaufgetriebes.
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Solch ein Mechanismus wird die Umwandlung der Bewegung der Kolben in eine Drehung der Abgabewelle aber leider abgebrochen gewährleisten, da die Freilaufkupplung die Bewegung der Kolben nur in eine Richtung übergeben wird.
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Um das Drehen der Abgabewelle ununterbrochen zu machen, muss man darauf noch eine ähnliche Freilaufkupplung aufstellen, deren Eingangsteil sich in der Richtung entgegengesetzt der Drehrichtung des Eingangsteils der ersten Freilaufkupplung immer drehen wird.
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Es sind hier zwei Weisen angeboten, es zu machen:
- Die erste Weise ist, Zahnräder auf dem arbeitsfreien Teil der Welle mithilfe zweier zylindrischer Zwischenzahnräder zu verbinden.
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Die zweite Weise ist, eine Kettenübertragung zu verwenden, sowie noch ein gewöhnliches Zahnrad. Bei der zweiten Weise kann man natürlich andere Arten der flexiblen Verbindung, zum Beispiel einen gezahnten Gummiriemen (mit den entsprechenden Zahnrädern) verwenden.
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Zur Erleichterung der weiteren Erklärung erfolgt nun die Beschreibung der entsprechenden Figuren.
- 1 ist ein allgemeiner Blick des Motors im Schnitt.
- 2 ist die Variante der Verbindung der Eingangsteile der Freilaufkupplungen unter Ausnutzung zweier zylindrischer Zwischenzahnräder.
- 3 ist die Variante der Verbindung der Eingangsteile der Freilaufkupplungen unter Ausnutzung der Kettenübertragung.
- 4 zeigt die Abhängigkeit des Winkels α von der Entfernung zwischen Stange und der Drehachse der Schlitzschwinge.
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In den Figuren sind gezeigt:
- 1 der Zylinder des Motors;
- 2 das Motorgehäuse;
- 3 die Kolben des Motors;
- 4 die Stange;
- 5 der Finger;
- 6 die Schlitzschwinge;
- 7 die Abgabewelle des Motors;
- 8 das freie Zahnrad auf dem arbeitsfreien Teil der Motorwelle;
- 9 die zylindrischen Zwischenzahnräder;
- 10 die Grundplatte des Motors;
- 11 die Ausrichter für die Einfassung des Motorzylinderblocks (1,2), befestigt auf der Motorgrundplatte 10;
- 12 die Begrenzer der Einfassung des Motorzylinderblocks (1,2);
- 13 die Anlagefedern des Motorzylinderblocks (1,2) in Ober/Ausgangslage;
- 14 die Umlenkrollen;
- 15 die Platte der Umlenkrollen 14, die auf der Grundplatte 10 des Motors befestigt ist;
- 16 das Seil zur Umstellung des Motorzylinderblocks (1,2);
- 17 die Trommel für die Wicklung des Seils 16;
- 18 das Pedal;
- 19 die zylindrischen Drehachsen der Zahnräder 9;
- 20 die Platten des Mechanismus des Motors, die auf der Motorgrundplatte 10 befestigt sind;
- 21 der Eingangsteil der Freilaufkupplung;
- 22 der Abgabeteil der Freilaufkupplung;
- 23 die Zahnräder der Kettenübertragung;
- 24 die Kette;
- 25 das Zahnrad auf der Zwischenwelle 19.
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In den 1-3 sieht man von den Mechanismen des Motors die Lage der Abgabewelle 7 des Motors und der Drehachsen der zylindrischen Zwischenzahnräder 9, sowie die vordere Platte 20. Auch sind solche Teile wie die Zündkerzen, die Brennstoffeinspritzdüse, die Ventile zur Ausgabe des verbrauchten Brennstoffs usw. nicht dargestellt.
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Zur Verkleinerung der Reibungskräfte kann sich die Stange 4 mit einem Lager auf dem Finger 5 befinden (1), dass sich in der Längsnut der Schlitzschwinge 6 befinden kann, deren Breite zur Vermeidung seines Einkeilens etwas mehr als der Durchmesser des Lagers sein soll.
In 1 ist auch vorgeführt, dass die Achse des Pedals 18 auf der Motorgrundplatte 10 aufgestellt ist, und die Trommel 17 für die Wicklung des Seils 16 befindet sich auf dieser Achse. In Wirklichkeit kann sich auf der Motorgrundplatte 10 nur die Trommel 17 befinden, und die Verbindung mit dem Pedal 18 ist kinematisch. Im Gehäuse 2 befinden sich außer den notwendigen Öffnungen oben und unten zwei zusätzliche längs verlaufende Spalten für den Durchgang der Schlitzschwinge 6.
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Wir betrachten jetzt, wie hier die Funktion des integrierten stufenlosen Getriebes realisiert wird. Bei einem gewöhnlichen (klassischen) Schlitzschwingenmechanismus, dessen Funktionsweise höher beschrieben wurde, befindet sich das Drehzentrum der Schlitzschwinge in einer ständigen unveränderlichen Entfernung von der Stange. Im vorliegenden Mechanismus sind Maßnahmen zur Veränderung dieser Entfernung vorgesehen. Dazu gibt es die Motorgrundplatte 10, auf der die Abgabewelle 7 des Motors aufgestellt ist, die, wie weiter oben gesagt ist, ein Drehzentrum der Schlitzschwinge 6 ist. Die Stange 4, die die beiden Kolben 3
steif verbindet, wechselt den Platz zusammen mit dem Zylinderblock 1, 2 in einer Richtung orthogonal zur Motorgrundplatte 10. Was geschieht dabei?
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Wir werden für diesen Fall den Ottomotor betrachten, wobei der Lauf des Kolbens 10 cm bildet, und der Finger 5 auf der Stange 4 nach links maximal 5 cm von der senkrechten Linie verschieblich ist, die durch die Drehachse der Schlitzschwinge 6 geht. Wir nehmen auch an, dass bei der untersten Lage des Zylinderblocks 1, 2, wenn er tatsächlich auf der Motorgrundplatte 10 liegt, die Entfernung vom Drehzentrum der Schlitzschwinge 6 bis zur Längsachse der Stange 4 am kleinsten ist.
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Jetzt werden wir das rechtwinklige Dreieck betrachten, das von der längsverlaufenden Symmetrieachse der Stange 4, der Schlitzschwinge 6 und der angegebenen senkrechten Linie gebildet wird. Die Katheten dieses Dreiecks sind untereinander gleich (5 cm), also bildet der Winkel α, dessen Scheitelpunkt die Drehachse der Schlitzschwinge 6 ist, 45°.
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Jetzt werden wir den Zylinderblock 1, 2 nach oben verschieben. So wird die Gegenkathete des Winkels α (mit h bezeichnet) bei 5 cm bleiben, da der Lauf des Kolbens 3 im Motor unveränderlich ist. Dafür wird sich die andere Kathete um das Doppelte auf 10 cm vergrößern. Die Länge der Katheten des Dreiecks wissend, kann man den Tangens des Winkels α und dann den Winkel α ausrechnen. In diesem Fall bekommen wir etwa α = 25°. Und die weitere Verstellung des Zylinderblocks 1, 2 wird proportional Tangens α (nicht umsonst wird der Schlitzschwingenmechanismus auch Tangentialmechanismus genannt).
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Wir werden jetzt den Motorzylinderblock 1, 2 nach oben auf 20 cm bezüglich der Drehachse der Schlitzschwinge 6 verschieben. Dabei ergibt der Winkel α 13°. Was ergibt sich im Endeffekt? Bei der unveränderlichen Geschwindigkeit der Bewegung, d. h., die ständige Laufzeit des Kolbens 3, werden die Schlitzschwinge 6, und zusammen mit ihr die Abgabewelle 7 bei der Verkleinerung der Höhe des Zylinderblocks 1, 2 über der Motorgrundplatte 10 sich auf den immer größeren Winkel umdrehen. Mit anderen Worten wird die Drehgeschwindigkeit der Abgabewelle 7 vergrößert. In diesem Fall, die Größe des Winkels α und der Entfernung der Stange 4 von der Drehachse der Schlitzschwinge 6 (20 cm) wissend, bekommt man ganz unten 45°/13° ist ungefähr gleich 3,5. D. h., dass sich die Drehgeschwindigkeit der Abgabewelle 7 ums 3,5-Fache vergrößert. Deshalb wird der Unterschied in den minimalen und maximalen Geschwindigkeiten wesentlich höher.
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Hier entsteht die beiläufige Frage: hat es Sinn, die Höhe des Aufstiegs des Zylinderblocks 1, 2 noch mehr zu vergrößern, um im stufenlosen Integralgetriebe die Beziehung der maximalen und minimalen Geschwindigkeiten des Drehens der Abgabewelle 7 zu vergrößern? 4 führt klar vor, dass es keinen Sinn hat, da die Abhängigkeit des Winkels α von der Höhe des Aufstiegs des Zylinderblocks (1,2) einen nichtlinearen Charakter hat, sodass eine bedeutende weitere Vergrößerung dieser Höhe eine unbedeutende Verkleinerung des Winkels α mit sich bringt.
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Beim halbautomatischen Getriebe (siehe den Wikipedia-Eintrag „Fahrzeuggetriebe“) ist es ähnlich, jedoch wesentlich einfacher realisiert.
Beim vorliegenden Mechanismus fehlt der starke Seitendruck der Kolben auf die Wände des Zylinders, der für die Motoren mit Kurbeltrieb charakteristisch ist. Dieser Mechanismus ist wesentlich einfacher als bei den Prototypen, die in den Druckschriften
DE 202 18 731.4 ,
DE 203 04 487.8 und
DE 203 15 098.8 beschrieben ist, da darin nur vier Zahnräder verwendet sind. Er lässt auch zu, einen Zweitakt-Boxer-Hybrid-Verbrennungsdampfmotor zu realisieren, wie in der Druckschrift
DE 203 15 098.8 beschrieben.
Schließlich ist beim vorliegenden Motor das stufenlose Integralgetriebe mit dem originellen Prinzip der Veränderung der Drehgeschwindigkeit der Abgabewelle des Motors realisiert.
Für unseren Fall, bei einer beliebigen Lage des Zylinderblocks
1,
2, bei Umstellung des Kolbens
3, bildet sich die harte geometrische Figur, d. h., das rechtwinklige Dreieck (wie wir es im obigen Teil detailliert betrachteten, der die Realisierung der Funktion des stufenlosen Getriebes betraf), das es dem Kolben
3 nicht weiter gestattet, den Platz zu wechseln, wie beim Kurbelgetriebe. Dabei ermöglicht die Abwesenheit der harten Rückkopplung zwischen Abgabewelle
7 und dem Kolben
3, die Verstärkung des Motors ohne Vergrößerung der Vibrationen. Dies ist noch ein Vorteil des angegebenen Motors.
