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Für Brennkraftmaschinen bestimmter Schaltkolben mit Speicherfeder
Die Erfindung betrifft einen sogenannten »Schalt«-Kolben für eine Brennkraftmaschine,
d. h. einen Kolben, welcher während seiner Bewegung im Zylinder eine fortschreitende
Drehbewegung um seine Achse ausführt.
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Es ist bekannt, daß Brennkraftmaschinen, bei welchen die Kolben neben
ihrer axialen Bewegung im Zylinder gleichzeitig eine langsame, fortschreitende Drehbewegung
um ihre Achse ausführen, eine bedeutend geringere Abnützung der Kolben und der Zylinder
aufweisen, als solche, bei welchen sich die Kolben nur in Achsenrichtung bewegen.
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Es sind bereits verschiedene Mechanismen zur Ausübung einer derartigen
Drehbewegung des Kolbens vorgeschlagen worden. Diese haben sich jedoch nicht bewährt,
da sie entweder zu kompliziert waren oder ihre Funktion nicht mit genügender Sicherheit
bzw. Lebensdauer ausübten. Insbesondere ist eine Ausführung vorgeschlagen worden,
welche eine Speicherfeder aufweist, die durch die Relativbewegung der Kolbenstange
zum Kolben gespannt wird und ermöglicht, daß der Kolben seine Drehbewegung nicht
ausführen muß, wenn der Widerstand, z. B. die durch die Querkomponente der Gasdruckkraft
verursachte Reibungskraft, zu groß ist, und diese Bewegung erst in einem Augenblick
ausführen kann, in welchem der Widerstand geringer wird. Auch diese Einrichtung
ist jedoch in der vorgeschlagenen Form zu kompliziert gewesen und ist nicht für
alle Motoren geeignet, da insbesondere die Unterbringung einerSpeicherfeder mit
größerer Energieaufnahme platzmäßige Schwierigkeiten bereitet.
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Die Erfindung hat die Schaffung einer einfach gestalteten, robusten
und platzmäßig im Kolben leicht unterzubringenden Speicherfeder zum Ziel; die Lösung
der Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherfeder in Form eines geschlitzen
Ringes ausgeführt und im Kolben gleichachsig mit diesem angeordnet ist, wobei ein
Ende der Speicherfeder kraftschlüssig mit dem Kolben und deren anderes Ende ebenfalls
kraftschlüssig mit einem durch den Schaltmechanismus betätigten, mit dem Kolben
und der Speicherfeder gleichachsigen Schaltring verbunden ist.
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Die Erfindung darf nicht verwechselt werden mit einem bekannten Schaltkolben,
bei welchem die drehende Bewegung des Kolbens unter Zuhilfenahme von Sprengringen
erfolgte, welche ebenfalls gleichachsig mit dem Kolben angeordnet waren. Diese Sprengringe
arbeiteten nach dem Prinzip der Bandreibung; sie wurden während des Schaltschrittes
gespannt und nahmen den Kolben mit. Bei der rückwärtigen Schaltbewegung waren die
Sprengringe entspannt, ohne den Kolben dabei zu bewegen. Dieser Schaltmechanismus
arbeitete demnach - im Gegensatz zur Erfindung - nach dem bloßen Reibungsprinzip.
Der hierdurch bedingte Verschleiß führte zu dem Resultat, daß die Kolbendrehung
sich während des Betriebes mehr und mehr verlangsamte und schließlich nach längerer
Laufzeit ganz aufhörte. Auch bestand bei diesem bekannten Schaltkolben nicht die
Aufgabe der besonders günstigen Unterbringung einer Speicherfeder; die Funktion
einer solchen hatten die bekannten Sprengringe nicht.
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Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten
Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen Teilschnitt des
erfindungsgemäßen Kolbens, F i g. 2 den Schnitt II-11 in F 1 g. 1,
F
i g. 3 die Speicherfeder aus F i g. 1,
F i g. 4 eine Teilansicht
der Befestigung der Enden der Speicherfeder, gesehen in Pfeilrichtung
A in Fig. 1,
Fig.5 einen Teilschnitt des Kolbenmantels nach der Linie
V-V in F i g. 4, F i g. 6 eine andere Ausführung der Befestigung der
Speicherfeder nach den F i g. 3 und 4.
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In F i g. 1 ist der Kolben 1 einer weiter nicht dargestellten
Brennkraftmaschine mit einer Kolbenstange 2 versehen, deren anderes Ende eine Kurbelwelle
umfaßt,
um die bei der in dieser Figur gewählten Darstellung ihre Schwenkbewegung relativ
zum Kolben in einer zur Bildebene der F i g. 1 senkrechten Ebene ausführt.
Die Kolbenstange2 hat einen Kopf 3 mit kugelförmigen Lagerflächen 4, welche
mit entsprechenden Lagerschalen 5, 6 des Kolbens zusammenwirken. Die Lagerschalen
5 und 6
sind durch einen Distanzteil 7 und einen Distanzring
8 in entsprechendem Abstand voneinander gehalten. Die Teile 5, 6, 7, 8
sind durch nicht dargestellte Schrauben im Kolben befestigt und zusammengehalten.
Im Distanzteil 7 ist ein Schaltring 9 drehbar gelagert, welcher eine
Innenverzahnung 10
(F i g. 4) aufweist. Der Kolbenstangenkopf
3 ist unterhalb des Zentrums Z seiner kugeligen Lagerflächen mit einer Bohrung
versehen, in welcher in einer Büchse 11 zwei Schaltschieber 12 (F i
g. 2) geführt sind. Die Schaltschieber werden durch eine Feder
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auseinander gedrückt und sind an ihrem Ende jeder mit einem Schaltzahn
14 versehen. Der Schaltring 9
hat einen Vorsprung 15, welcher in eine
entsprechende Ausnehmung 16 einer Speicherfeder 17 eingreift (F i
g. 4, 5). Das andere Ende der Speicherfeder 17 hat eine Öffnung
18, die zur Aufnahme des Zapfens 20 einer im Distanzteil 7 eingeschraubten
Schraube 21 dient (F i g. 5).
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Die Schwenkbewegung der Kolbenstange 2, welche relativ zum Kolben
um das Zentrum Z der kugeligen Lauffläche, senkrecht zur Bildebene der F i
g. 1
erfolgt, hat eine Bewegung der Schaltschieber 12 relativ zum Schaltring
9 zur Folge. Durch gegenseitige Wirkung der Zähne 14 der Schaltschieber 2
und der Verzahnung 10 des Schaltringes wird bei jeder Schwenkbewegung der
Schaltring 9 um ein geringes Maß im Kolben um seine Achse gedreht. Bei dieser
Drehbewegung wird durch den Vorsprung 15 das Ende 16 der Feder
17 in F i g. 2 im Gegenuhrzeigersinn mitgenommen und da das andere
Ende der Feder 17 mit dem Kolben mittels des Zapfens 20 der Schraube 21 verbunden
ist, wird durch die Feder eine Kraft in dieser Drehrichtung auf den Kolben ausgeübt.
Ist der Widerstand des Kolbens gegen diese Drehbewegung gering, so wird die Feder
17 nur geringfügig gespannt und der Kolben 1 wird sofort mitbewegt.
Sollte hingegen der Drehwiderstand des Kolbens im Augenblick größer sein als die
Kraft der Feder 17, so wird er sich vorerst nicht bewegen, sondern erst,
wenn eine Entlastung eintritt. Der am Kolben wirkende Widerstand gegen eine Drehbewegung
besteht nämlich hauptsächlich aus Reibung, die durch die periodischen Gaskräfte
hervorgerufen ist und sich während des Arbeitszyklus des Motors stark verändert.
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Es ist dabei möglich, als Sicherung für den Fall, daß der Widerstand
des Kolbens gegen Drehung zu groß werden sollte, den Zapfen 20 der Schraube 21 als
Scherbolzen auszubilden, wie es durch die Einschnürung22 in Fig. 5 dargestellt
ist. Es könnte nämlich vorkommen, daß aus irgendeinem Grunde der Widerstand des
Kolbens gegen Drehung so groß ,wird, daß eine Beschädigung des Schaltmechanismus
eintreten könnte. In diesem Falle wird dann der entsprechend dimensionierte Zapfen
20 der Schraube 21 abgeschert und damit die kraftschlüssige Verbindung des Schaltmechanismus
mit dem Kolben unterbrochen. Der Kolben 1 wirkt dann weiter wie ein normaler
Kolben, welcher keine Drehbewegung ausübt. Die Fig. 6 zeigt eine andere Ausführung
einer Sicherung des erfindungsgemäßen Mechanismus gegen überlastung. In dieser Figur,
in welcher nur die Enden der Speicherfeder 17 dargestellt sind, entspricht
die übrige Anordnung im wes entlichen der F i g. 4. Der Zapfen, in F i
g. 6 mit 25 bezeichnet, ist auf der Feder 17 angeordnet und
greift in eine entsprechende Öffnung im Kolbenteil 7 ein. Die Feder
17 ist an ihren Enden mit Abschrägungen 26,
27 versehen.
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Stoßen nun bei erhöhtem Drehwiderstand des Kolbens 1 bei dieser
Ausführung die beiden abgeschrägten Flächen 26, 27 der Speicherfeder
17 aufeinander, so gleitet bei einer weiteren Spannung der Feder die Fläche
26 auf der Fläche 27, wodurch das eine Ende der Speicherfeder angehoben
und der Zapfen 25 aus seiner Öffnung im Kolben herausbewegt wird. Bewegt
sich inzwischen der Kolben, so gehen die beiden Flächen 26, 27 auseinander
und der Zapfen 25
gleitet durch die Spannung der Feder 17 wieder in
die ursprüngliche Lage zurück. Steigt jedoch die Spannung der Feder weiter, so wird
der Zapfen aus der Öffnung herausgezogen, wodurch die Verbindung der Feder
17 mit dem Kolben 1 unterbrochen wird und die Feder sich entspannt.
Durch den Schaltmechanismus wird jedoch die Speicherfeder 17 zusammen mit
dem Schaltring 9 weitergedreht, und der Zapfen 25 kommt nach einer
Umdrehung wieder in seine Öffnung. Bei weiterer Drehung des Schaltringes
9 wird wieder die Feder 17 gespannt, und, je
nach der Größe
des Widerstandes der Kolben mitbewegt, oder es erfolgt nach kurzer Zeit wieder eine
Ausklinkung.
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Bei dieser Ausführung wird bei einer eimnaligen überlastung des Schaltmechanismus
die Verbindung zwischen Speicherfeder und Kolben nicht dauernd unterbochen, und
es erfolgt nach jeder Umdrehung des Schaltringes ein Versuch, den Kolben weiter
zu bewegen.