DE1750425A1

DE1750425A1 - Triebwerke fuer Kolbenmaschinen

Info

Publication number: DE1750425A1
Application number: DE19681750425
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Willi Salzmann
Original assignee: SALZMANN DIPL ING WILLI
Current assignee: SALZMANN DIPL ING WILLI
Priority date: 1967-05-01
Filing date: 1968-04-30
Publication date: 1971-01-28
Also published as: GB1197002A; FR1581517A

Description

DIPL.-ING. A. GRÜNECKER - DR.-ING. H. KINKELDEY

PATENTANWÄLTE * 7 5 Ω Α 2

8000 MÜNCHEN 22, 3 0. ApHl 1968

Mixtailtanitrafi« 43, Telefon 297100/296744 Telecrimm-AdrefM: Monapat München

PH 1941 - 10/R

Dipl.-Ing.W.Salzmann, Touringhaus, Solothurn, SCHWEIZ

Triebwerke für Kolbenmaschinen

Die Erfindung betrifft Triebwerke für Kolbenmaschinen (Motoren, Kompressoren und Pumpen), insbesondere Verbrennungsmotoren mit wenigstens einem Zylinder und mit darin hin- und hergehenden Hubkolben, mit einer Pleuelstange und einer rotierenden Antriebswelle (Kurbelwelle, Soheibenwelle oder Exzenterwelle).

Aufgabe der Erfindung ist es, den Lauf solcher Triebwerke zu verbessern und die Lebensdauer zu verlängern.

Hauptmerkmal dtr erfindungsgemäßen Lösung dieser Aufgabt Jet die Verwendung eines sphärischen (statt zylindrischen) Gttlenkee in Γοπη eines (KLtIt- oder Välilageis »waschen dtr Pleuelstange und dtr lubelwelle

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("bzw. der Scheiben- oder Exzenterwelle), welches Lager die Pleuelstange in radialer und axialer Richtung führt. Das sphärische Pleuellager erlaubt, die Pleuelstange gegenüber der Zylinderachse seitlich leicht schräg zu neigen (O bis 5°)i wobei erfindungsgemäß das Gelenk zwischen Pleuelstange und Hubkolben ein ebenfalls leicht schräg geneigtes Zapfengelenk (oder ein sphärisches Gelenk) ist, Beide Ausführungen von Schrägpleueln sind funktionell korrekt (kein Verkanten oder Verklemmen) und fabrikatorisch einfach, zum Unterschied von früheren Veröffentlichungen des gleichen Verfassers. Die Verwendung eines Schrägpleuels bewirkt, .a£ der Kolben im Bereich seiner Totpunkte nicht schlagartig von der einen Zylinderseite zur anderen wechselt (Kolbenkippschlag), sondern daß er unter Wirkung der auftretenden Querkräfte und eventuell der Kohäsion des Schmieröls der Krümmung der Zylinderwand folgt. Diese neuartigen Kolbenlaufbahnen ergeben folgende bedeutende Vorteile: geräuscharmer Lauf des Triebwerks; verbesserte Kolbenkühlung und Kolbenschmierung| automati sche Rotation der Kolbenringe} automatische Oszillation oder Rotation des Kolbens um seine Längsachse; größere zulässige Spiele (Herstellungstoleransen oder Abnützung) zwischen Kolben und Zylinder; gleichmäßigere Abnützung * .J aller Teilet bei Dieselmotoren außerdem Wegfall des Vas* serkavitation der lylindexbttohaen und venutlioh geringere Kolbenreibung. ' ' ' 009885/08U

Schrägpleuel sind beispielsweise für Reihen-, V- oder Boxermotoren vorgesehen und können durch entsprechende Einbaulage die Zylinderabstände oder die Breite der Zwischenlager der Antriebswelle in günstigem Sinne beeinflussen (beispielsweise ergibt sich bei einem Sechszylinder-Reihenmotor mit konstanten Zylinderabständen ein breiteres Mittellager der Kurbelwelle, wenn die unter sich gleichen Schrägpleuel jeder Motorhälfte gegeneinander geneigt sind). Außerdem erlauben Schrägpleuel eine ganz besonders günstige Anordnung von je zwei Zylindern in einem engen V-Winkel. Einige Ausführungsbeispiele (Einzelzylinder-Hubvolumen beispielsweise 500 bis 1000 cnr) sind in Fig. 1 bis 6 dargestellt und nachfolgend kurz erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Hubkolben 1 mit Schrägpleuel 2 und Kurbelwelle 3 im oberen Totpunkt. Die Kolbenkraft 4-(Resultierende aus Gas- und Massenkraft) wird vektoriell zerlegt in eine Stangenkraft 5 und eine Querkraft 6. Außerhalb der Totpunktlagen treten im oberen PleuelstäPgengelenk noch die üblichen Seitenkräfte auf, welche zusammen mit den Querkräften (6) die resultierenden Normalkräfte zwischen Kolben und Zylinder ergeben. Das große Pleuelauge läuft mittels spezieller Lagerschalen 7 (profilgewalzt, außen zylindrisch, innen sphärisch) auf dem ßphärischen Hubzapfen 8 (geschliffen oder feingerollt). Zur Vergrößerung der Tragfähigkeit dieses Larerc

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ist es günstig, den Krümmungsradius 9 der Lagerschalen etwas enger zu wählen als den Krümmungsradius des Hubzapfens 8. Das kleine Pleuelauge trägt den eingepreßten (oder auch gleitgelagerten) Kolbenbolzen 10, wobei erfindungsgemäß auch der Kolberbolzen 10 leicht schräg geneigt (und nicht rechtwinklig) im Kolben 1 angeordnet ist. Tatsächlich beträgt der Winkel zwischen der Längsachse des Schrägpleuels 2 und der Längsachse des Kolbenbolzens 10 wenigstens angenähert 90°» wodurch eine seitliche Führung zwischen Schrägpleuel 2 und Kolbenaugen 11 entfällt. Dadurch wirken sich axiale Verschiebungen der Kurbelwelle 3 auf den Kolben 1 nicht aus (kein Verklemmen oder Verkanten). Schrägpleuel 2 und KLbenbolzen 10 können somit von ganz normaler Bauart sein wie bei geraden Pleuelstangen, doch haben die Lagerschalen 7 innen sphärische Laufflächen, und die Kolbenaugen 11 weisen eine leicht schräge Bohrung auf für den Kolbenbolzen 10. Schrägpleuel 2 mit Kolbenbolzen 10 bewirken bei der Rotation der Kurbelwelle 3 aus kinematischen Gründen eine geringfügige Oszillation des Kolbens um seine Längsachse (Totpunkt· bei rechtwinkliger Stellung zwischen Pleuelstange und Kurbelarmen 12). Diese zwangsläufige Bewegung beschränkt die Rotation d·· Bohrägpleuels 2 um seine Längsachse.

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Fig. 2 zeigt ein analoges Triebwerk, jedoch mit Scheibenwelle 13( einem Mittelding zwischen einer Kurbelwelle und einer Exzenterwelle) und mit unsymmetrischem (U-förmigem) Schrägpleuel 14-, dessen großes Auge gegenüber dem Pleuelschaft geringfügig abgeknickt ist. Dadurch können die Lagerschalen 15 gleiche Breite haben wie die sphärische Hubscheibe 16, jedoch ist ihre Belastung unsymmetrisch. Als Variante ist in Fig. 2 unten eine Wälzlagerung (Pendelrollen 17) eingetragen.

Fig. 3 zeigt verschiedene Varianten eines vorzugsweise für Dieselmotoren geeigneten Triebwerks, bei dem das Schrägpleuel 18 unter rechtem Winkel einen Kolbenbolzen trägt (Flg.3 rechts), der in einem inneren Kolben 20 gelagert ist. Der eigentliche (äußere) Kolben 21 ist darauf teleskopisch verschiebbar (B.I.C.E.H.I.-Kolben mit hydraulisch verstellbarem Kompressionaverhältnis) und frei drehbar{ er rotiert automatisch aufolge des Schrägpleuela um lein· Längsachs·. Dies ist auch der Fall bei Anlenkung dee ßchrägpleuels 18 vermittele eines Kugelkopfeβ 22 am Kolben 2$ (Fig. 3 links). Dabei ist dieser Kugelkopf 22 tu· Montagegründen mit den ßchrägpleuel 18 verschraubt und hat au· Oewiohts- und Seibungegründen, wie skizziert,

▼onugeweiae iwei verschiedene Badien. Die Lagerschalen 2fr haben konstant· Vanditärke, was jedooh «In sphärisch aue- getoent·* große· Pleuelauge erfordert, gleioh wie bei-•pieleweiae bei Leiohtmetall-Iehrlgpleueln ohne Lager-

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ill!.

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schalen. Der Kugelkopf 22 bedingt eine Verdrehsicherung des Schrägpleuels 18 mittels seitlicher Führungsnocken 25 oder dergleichen sowie bearbeitete Stirnflächen 26 der Kurbelarme, die gemäß Fig. 3 rechts auch als Wälzlagerschiben 27 ausgebildet sein können. Bei Verwendung des Kolbens 21 in einem Engwinkel-V-Motor (beispielsweise gemäß untenstehenden Figuren) ist ein um den Winkel T/2 konischer Unterteil 28 vorgesehen zur Reduktion des V-Winkels.

Fig. 4 zeigt das !Triebwerk von zwei Zylindern eines neuartigen Engwinkel-V-Motors in halber Längsanaicht und Fig. 5 im Querschnitt A-A; ein Horizontalschnitt BB ist in Fig. 6 ersichtlich. Je zwei Zylinder sind um einen Winkel V ■ 45° (odr etwa 30 bis 60°) gegeneinander geneigt und liegen angenähert in einer Ebene A-A. Aus Festigkeitsgründen (Mittelschnitt 29» eventuell verstärkt durch Zwischenwange) sind die zwei benachbarten, sphärischen Hubsoheiben 30 und y\ um den Winkel X - 37° (möglich ist 0 bia ±V) gegeneinander verdreht, was beispielsweise bei einem ßeoheiylinder-YiiPtakfmotor in Verhältnis von 720/6 £ (45-37)-8ι7 schwankende Zündabetänd· ergibt. Gleiohmäßige Zündabatände sind b«i Viertaktmotoren mit btliebigen

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geraden Zylinderzahlen möglich bei Y-V (außerdem bei Y « O⁰ und 720/V -16 Zylindern). Analoges gilt für Zweitaktmotoren (und Pumpen), jedoch mit 360 statt 720⁰. Auf den vorzugsweise hohlgegossenen Hubscheiben 30 und 31 mit Entlastungskehlen 32 laufen die unter sich gleichen, gegeneinander geneigten Schrägpleuel 33· Ihre Lagerdeckel 34· sind beispielsweise unter 270 (oder auch 180° schräg) geteilt (die Montage durch seitliches Einfahren zeigt 34·' in Fig. 6), was auch bei Fig. 2 möglich ist. Die öffnungen 35 der Schrägpleuel 33 ersparen Sacklöcher für die Paßschrauben Der Schwerpunkt 37 des symmetrischen Schrägpleuels 33 ist gegenüber seinem Gelenkzentrum 38 etwas desachsiert, was unter Wirkung der Massenkräfte zu Querbewegungen des Pleueloberteils führt. Dies läßt sich vermeiden durch unsymmetrische Ausbildung des kleisn Pleuelauges (Ansatz 39) oder des eingepreßten Kolbenbolzens 40 oder durch exzentrische Montage desselben.

Die unter sich gleichen Kolben 41 (oder Varianten 42iisw.) haben unsymmetrisch angeordnete Führungen 43, die im unteren Totpunkt aneinander vorbeigehen zwecks Verkleinerung des Winkels V. Im gleichen Sinne wirken Zylinderachsen, die sich im Querschnitt unterhalb der Kurbelwellen-Längsachse schneiden. Zum Ausgleich der äußeren Massenmomente 1. Ordnung, die beispielsweise

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bei -Engwinkel-V-Motoren gemäß Fig. 4 und 5 mit 4, 6, und 10 Zylindern auftreten, dient eine mit Kurbelwellendrehzahl entgegengesetzt laufende Ausgleichswelle 44, die vorzugsweise senkrecht oberhalb der Kurbelwelle angeordnet ist und die oszillierenden Massenmomente zur Hälfte ausgleicht (die andere Hälfte und die rotierenden Massenmomente werden von den Kurbelwellen-Gegengewichten 45 ausgeglichen). Der Antrieb der Ausgleichswelle 44 erfolgt vorzugsweise durch ein daran festes, großes Zahnrad, dessen Plastikzähne mit einem Zahnkranz des Motorschwungrades oder Drehmomentwandle» usw. kämmen, wobei dieser Zahnkrane der Anlasserkranz sein kann. Als Variante ist auf der Ausgleichs- "*" welle 44 ein kleines, gezahntes Bad vorgesehen (entsprechend demjenigen auf der Kurbelwelle), das von außen her (wie eine Spanrolle) in eine Kette (oder einen beidseitig gezahnten Zahnriemen) eingreift, die eine oder mehrere Nockenwellen (HC oder OHO) antreibt. Engwinkel-V-Motoren mit Triebwerken etwa gemäß Fig.4 bis 6 sind außerordentlich kompakt (kubisches Außenvolumen mit Zubehör nur das 20- bis 30-fache des Hubvolumens) und insbesondere für Land- und Wasserfahrzeuge beliebiger Größe geeignet.

Triebwerke mit Bohrägpleueln analog zu fig. 1 bis sind vorgesehen für kleinste bis größte Verbrennungsmotoren (vom Modellflug-Selbstzünder bis zum Schiffs-

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diesel) irgendwelchen Systems (auch Dampfmotoren, Stirling-Motor usw.) mit belM>iger Zylinderzahl, Einbaulage und Kühlungaart, außerdem für Kompressoren und Pumpen. Der optimale Schrägwinkel der S_chrägpleuel (gezeichnet ist 3° hei Tig. 1 und 1° bei Fig. 2 Ms 4) kann versuchsweise ermittelt werden, beispielsweise mit Kugelkopf 22 oder dergleichen und mit axial verschiebbarer Antriebswelle. Schließlich können Schrägpleuel auch sinnvoll sein bei Kreuzkopf-Triebwerken zur Verbesserung der Laufeigenschaften und insbesondere der Schmierung des Kreuzkopfes. Analog zu einem Tauchkolben ist auch ein Kreuzkopf vermittels eines leicht schräg geneigten Zapfengelenks an der Pleuelstange anzulenken, das heiidt die Längsachse des Gelenkzapfens muß rechtwinklig zur Längsachse der Pleuels bange sein.

Zur Erläuterung liegt eine zubätzliche Zeiohnungskizze bei, die die in Jig. 4- bis 6 beschriebener JUitriebe der Aueglelchswelle sowie an. Ver^nfueh^e Kreuzkopftrieberk darstell

t.

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Claims

- ίο - Patentansprüche:

1. Triebwerke für Kolbenmaschinen (Motoren, Kompressoren und Pumpen), insbesondere Verbrennungsmotoren mit wengistens einem Zylinder und mit darin hin- und hergehenden Hubkolben, mit einer Pleuelstange und einer rotierenden Antriebswelle (Kurbelwelle, Scheibenwelle oder Exzenterwelle), dadurch g e kennzeichnet , daß der Kolbenbolzen um einen kleinen Winkel (0 bis 5°) schräg geneigt im Kolben angeordnet ist (das heißt nicht rechtwinklig zu dessen Längsachse) und unter wenigstens angenähert rechtem Winkel eine hi^elE^arj trägt (Schrägpleuel), die vermittels eines sphärischen Gelenks (Gleitlager oder Wälzlager) an der Antriebswelle angelenkt ist.

2. Triebwerke für Kolbenmaschinen (Motoren, Kompressoren und Pumpen), insbesondere Verbrennungsmotpren mit wenigstens einem Zylinder und mit darin hin- und hergehenden; Hubkolben, mit einem Kolbenbolzen, einer Pleuelstange und einer rotierenden Antriebswelle (Kurbelwelle, Soheibenwelle oder Σχζenterweil«), d a d u r cn gekennzeichnet , daß die Pleuelstange um einen kleinen Winkel (0 bis 5°) sohräg geneigt zu einer Ebene angeordnet ist, die duroh die Längeachee des Zylinders geht und die Längtaohae der Antriebewelle

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rechtwinklig schneidet (Schrägpleuel), sowie dadurch, daß die Pleuelstange am Kolben mittels eines sphärischen Gelenks (beispielsweise Kugelkopf) und an der Antriebswelle mittels eines sphärischen Gelenks (Gleitlager oder Wälzlager) angelenkt und nötigenfalls gegen Verdrehung geführt ist.

3. Triebwerke nach Anspruch 1 oder/und 2, insbesondere für Viertakt-Verbrennungsmotoren in V-Anordnung (Winkel etwa 30 bis 60°) mit einer beliebigen, geraden Zylinderzahl Z, wobei jeweils zwei Pleuelstangen an zwei nebeneinander angeordneten Hubscheiben (mit sphärischen Außenflächen) der Antriebswelle angelenkt sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermöglichung gleichmäßiger Zündabstände jeweils zwei nebeneinander angeordnete Hubscheiben um den Winkel Y gegeneinander verdreht angeordnet sind, wobei bei kleinen Zylinderzahlen (bis etwa 8) Y ■ V, bei größeren Zylinderzahlen Y _s (720/Z)-V ist.

4-. Triebwerke nach Anspruch 1 mit einer Ausgleichswelle für die Kräfte oder Momente 1. Ordnung, dadurch gekennzeichnet, daß diese Ausgleichswelle parallel zur Antriebswelle und möglichst in der Symmetrjaebeue des 5Sylinder-V angeordnet ist und in der beschriebenen Weise von der Antriebswelle im Verhältnis 1:1 rückwärts angetrieben wird.

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5. Triebwerke nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, mit im großen Auge geteilten Pleuelstangen, dadurch gekennzeichnet, daß der am Pleuelstangenoberteil angeschraubte Lagerdeckel die sphärische Hubscheibe der Antriebswelle um einen Winkel von mehr als 180° umfaßt und durch seitliches Verdrehen (gemäß J4¹, Fig. 6) darauf montiert wird.

6. Triebwerke für Kolbenmaschinen mit wenigstens einem Kolben, der mittels einer Kolbenstange an einem Kreuz kopf befestigt ist, der vorzugsweise in einer Kreisbogen- oder U-förmigen Führung läuft, dadurch gekennzeichnet , daß eine Pleuelstange um einen kleinen Winkel (0° bis 5°) zur Kolbenstange seitlich geneigt ist und daran mittels eines Zapfengelenkes angelenkt ist, wobei die Längsachse des Gelenkzapfens zur Längsachse der Pleuelstange rechtwinklig steht, sowie dadurch, daß die Pleuelstange mittels \ eines sphärischen Gelenkte an der Kurbelwelle angelenkt ist.

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