DE19700939A1 - Kurbeltrieb für Kraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kurbeltrieb für Kraftmaschinen, mit mindestens einem linear geführten Kolben, einer an diesem angelenkten Pleuelstange, die mit ihrem Lager den Kurbelzapfen einer Kurbelwelle umgreift.

Bei solchen Kurbeltrieben, die z. B. für Arbeitsmaschinen, wie Brennkraftmaschinen und Dampfmaschinen aber auch für Pumpen eingesetzt werden, besteht das Problem, daß die am Kurbelzapfen wirkende Tangentialkraft sich ständig ändert und zwar in Abhängigkeit vom Winkel, den der Pleuelstangenschaft mit der Kolbenrichtung bildet und vom Drehwinkel des Kurbelzapfens. Dabei treten sich ständig verändernde Unwuchten auf, die sich mit einem festen Massenausgleich nur unvollkommen beseitigen lassen. Die Folge sind Schwingungen, die nur mit aufwendigen Maßnahmen begrenzt gedämpft werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, den bekannten Kurbeltrieb dahingehend zu verbessern, daß eine bessere Kraftumsetzung und ein besserer Massenausgleich erreicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf dem Kurbelzapfen eine erste Exzenterbuchse gelagert ist, die ihrerseits vom Pleuelstangenlager relativ drehbar umgriffen wird und daß die Exzenterbuchse mittels einer Steuerpleuelstange mit dem Kolben verbunden ist.

Dank dieser Steuerpleuelstange und der Exzenterbuchsenlagerung der Pleuelstange am Kurbelzapfen läßt sich einmal erreichen, daß der Drehmomentenverlauf während des Arbeitshubes des Kolbens positiv beeinflußt wird, indem nämlich das Zentrum der Exzenterbuchse an Stelle des Kurbelzapfens für die Stellung der Pleuelstange verantwortlich ist. Die Exzenterbuchse läßt sich nun sehr leicht so mit dem Steuerpleuel ansteuern, daß das Zentrum der Exzenterbuchse z. B. beim Arbeitshub weiter nach außen gelangt als der Kurbelzapfen, so daß quasi der Kurbelradius vergrößert wird. Damit steht auch ein größeres Drehmoment zur Verfügung. Darüber hinaus ist es aber auch möglich, der Bahn des Pleuelstangenlagers eine von der Kreisform abweichende Form zu geben, diese Bahn beispielsweise oval auszubilden.

Für viele Anwendungen wird es vorteilhaft sein, eine Relativbewegung zwischen Exzenterbuchse und Pleuelstangenlager während gewisser Drehwinkelbereiche geringer auszubilden oder sogar ganz auszuschalten, dafür aber in anderen Umdrehungs­ bereichen der Kurbelwelle für beschleunigte Relativdrehungen der Exzenterbuchse im Pleuelstangenlager zu sorgen.

Somit bestehen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung darin, daß die Steuerpleuelstange mit ihrem Kopf um eine Achse am Kolben schwenkbar gelagert ist, die von der Kolbenachse beabstandet ist, daß die Schwenkachse des Kopfes der Steuerpleuelstange möglichst nahe der Kolbenwandung liegt und daß das Lager der Steuerpleuelstange mit einem Zapfen eines nach außen weisenden Verlängerungsarms der Exzenterbuchse verbunden ist. Je größer also der Abstand der Gelenkachse des Kopfes der Steuerpleuelstange von der Kolbenachse ist, umso größere Exzentrizitäten lassen sich für das Zentrum der Exzenterbuchse erzielen.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht nun darin, daß das Lager der Steuerpleuel­ stange und das Zentrum der Exzenterbuchse auf verschiedenen Seiten des Kurbelzapfens und mit diesem vorzugsweise wenigstens angenähert in geradliniger radialer Ausrichtung liegen.

Bevorzugt wird weiterhin eine Ausführung, bei der die Dimensionen und Anlenkstellen der Steuerpleuelstange so gewählt sind, daß während einer Halbdrehung der Kurbelwelle in einem mittleren Kolbenhubbereich das Lager der Steuerpleuelstange und der Kurbelzapfen wenigstens angenähert in vertikaler Ausrichtung verharren. Kumulativ oder alternativ lassen sich diese Dimensionen so wählen, daß in dieser oder der anderen Halbdrehung der Kurbelwelle in einem mittleren Kolbenhubbereich das Lager der Steuerpleuelstange und der Kurbelzapfen wenigstens angenähert in horizontaler Ausrichtung verharren. Dieser mittlere Kolbenhubbereich während der mindestens einen Halbdrehung der Kurbelwelle liegt mindestens zwischen etwa 60° nach U.T. bis etwa 60° vor O.T. Dieser relative Verharrungsbereich läßt sich aber ohne weiteres auf 90° Kurbelwinkel und sogar darüber hinaus vergrößern.

Auch wenn also das Lager der Steuerpleuelstange z. B. während des Arbeitshubes in einem mittleren Kolbenhubbereich mit dem Kurbelzapfen horizontal und während des Kolbenrückhubes in diesen oder einem etwas anderen mittleren Hubbereich vertikal ausgerichtet bleibt, beträgt dennoch der Winkel der Relativdrehung der Exzenterbuchse im Pleuelstangenlager ca. 45°.

Eine besonders wichtige Weiterbildung der Erfindung besteht noch darin, daß benachbart der ersten Exzenterbuchse eine zweite Exzenterbuchse an dieser fest angeordnet, insbesondere verschraubt ist, daß beide Exzenterbuchsen koaxiale Kurbelzapfenbohrungen aufweisen, ihre Buchsenzentren jedoch um 180° versetzt sind und daß die zweite Exzenterbuchse von einem Lager eines Massenausgleichsarmes umgriffen wird, der eine Schiebeführung aufweist, in die ein koaxialer Stutzen eines Kurbelwellenzapfens eingreift.

Mit dieser Ausgestaltung wird ein dynamischer Massenausgleich erreicht im Gegensatz zu dem bisher üblichen unveränderbaren festen Massenausgleich. Die Folge ist, daß in jeder Drehstellung der Kurbelwelle dank der gegenläufigen Verschiebung des Massenausgleichsarmes ein absoluter Massenausgleich stattfindet mit der Folge, daß die Kraftmaschine nahezu vibrationsfrei arbeitet.

Dieser dynamische Massenausgleich erlaubt es, die Achse des Pleuelstangenlagers zur Achse des Pleuelstangenschaftes versetzt anzuordnen, so daß z. B. beim Arbeitshub des Kolbens einer Brennkraftmaschine das Zentrum der Exzenterbuchse auf einer noch weiter nach außen führenden Bahn bewegt wird. Mit einem festen Massenausgleich gemäß Stand der Technik wäre eine solche unsymmetrische Ausbildung der Pleuelstange nicht möglich.

Anhand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel darstellt, wird die Erfindung näher beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte schematische Ansicht eines Kolbens mit Pleuelstange, Kurbelzapfen, Steuerpleuelstange und Massenausgleichsarm,

Fig. 2 eine Ansicht der Anordnung gemäß Fig. 1, jedoch im Axialschnitt der Kurbelwelle, und

Fig. 3 eine Ansicht der Anordnung gemäß Fig. 1 mit Darstellung der Exzenterbuchse in verschiedenen Drehstellungen während einer Kurbelwellendrehung.

Der in den Figuren dargestellte Kurbeltrieb umfaßt die folgenden Standardbauteile:
Kolben 10, Pleuelstange 12 mit Kolbenbolzen 14 im Pleuelstangenkopf sowie einem Pleuelstangenlager 16 am anderen Pleuelstangenende sowie dem sich zwischen Kopf und Lager 16 erstreckenden Pleuelstangenschaft 18. Weiterhin ist eine Kurbelwelle 20 mit Kurbelwellenzapfen 22 und einem Kurbelzapfen 24 dargestellt, der vom Pleuelstangenlager 16 umgriffen wird.

Das Neue besteht darin, daß im Pleuelstangenlager 16 eine Exzenterbuchse 26 relativ drehbar gelagert ist, die eine zu ihrem Zentrum radial versetzte Bohrung 28 für den Kurbelzapfen 24 aufweist. An der Exzenterbuchse 26 greift ein radialer Verlängerungsarm 30 an, der einen Zapfen 32 trägt, an dem eine Steuerpleuelstange 34 schwenkbar gelagert ist, deren Kopf an einer nach innen weisenden Nase 36 des Kolbens 10 dicht benachbart der Kolbenwandung angelenkt ist.

Die Exzenterbuchse 26 ist mit einer zweiten, zu ihr um 180° versetzten Exzenterbuchse 38 verschraubt, die ebenfalls eine Kurbelzapfenbohrung hat, die mit der Kurbelzapfenbohrung 28 der ersten Exzenterbuchse 26 koaxial liegt und vom Kurbelzapfen 24 durchsetzt wird. Die zweite Exzenterbuchse 38 kann wesentlich schmaler ausgebildet sein, da sie an der Kraftübertragung nicht teilnimmt. Die zweite Exzenterbuchse 38 wird von einem Lager 40 eines Massenausgleichsarmes 42 umgriffen, der eine radiale Längsführung 44 aufweist, in die ein koaxialer Fortsatz 48 eines der Kurbelzapfen 22 eingreift. Am Ende des Massenausgleichsarmes 42 befindet sich eine Ausgleichsmasse 46 entsprechender Größe.

Wie sich aus Fig. 3 ergibt sorgt die Steuerpleuelstange 34 dafür, daß die Exzenterbuchse 26 während des Umlaufes des Kurbelzapfens 24 in dem Lager 16 der Pleuelstange 12 gedreht wird. Diese Relativdrehung findet hauptsächlich in den den Nachbarbereichen des oberen und des unteren Totpunktes des Kolbens 10 entsprechenden Drehbereichen der Kurbelwelle statt. In der oberen Totpunktstellung des Kolbens 10 liegen das Zentrum der Exzenterbuchse 26, die Achse des Kurbelzapfens 24 und der Bolzen 32 der Steuerpleuelstange 34 etwa auf einer 45°-Li­ nie. Bei Drehung der Kurbelwelle im Uhrzeigergegensinn dreht sich die Exzenterbuchse im Uhrzeigersinn und gelangt nach etwa 30°-Kurbelwellendrehung in eine Stellung, in der das Zentrum der Exenterbuchse 26 mit dem Kurbelzapfen 24 horizontal ausgerichtet ist. Diese Relativstellung behält die Exzenterbuchse 26 während des weiteren Arbeitshubes des Kolbens 10 bei. Sie ist in Fig. 3 mit 26' bezeichnet. In einem Abstand von etwa 45° vor dem unteren Totpunkt des Kolbens 10 beginnt sich die Exzenterbuchse 26 im Gegenuhrzeigersinn aus ihrer Relativstellung 26' in die Stellung 26'' zu bewegen, in welcher ihr Zentrum unterhalb des Kurbelzapfens 24 mit diesem im wesentlichen vertikal ausgerichtet ist.

Der Abstand des Zentrums der Exzenterbuchse 26 von der Achse des Kurbelzapfens 24 verändert sich also während des Umlaufes der Kurbelwelle, wobei in diesem Aufführungsbeispiel während des Abwärtsganges des Kolbens 10 in einen mittleren Kolbenhubbereich das Zentrum der Exzenterbuchse 26 gegenüber dem Kurbelzapfen 24 horizontal nach außen versetzt ist. Damit wird der effektive Radius, an dem die Tangentialkraft des Pleuels 12 angreift, vergrößert, was einer Drehmomentzunahme gleichkommt. Beim Rückhub des Kolbens 10 verharrt das Zentrum der Exzenterbuchse 26 während eines mittleren Kolbenhubbereiches unterhalb des Kolbenzapfens und bewegt sich daher auf einer Kreisbahn mit kleinerem Durchmesser als beim Abwärtshub des Kolbens 10.

Die Funktion des beschriebenen Kurbeltriebes ist nur beispielhaft erläutert, so ist es ohne weiteres auch möglich, die Dimensionen und Anlenkpunkte des Verlängerungsarms 30 und der Steuerpleuelstange 34 so zu wählen, daß z. B. während der oberen Hälfte des Arbeitshubes das Zentrum der Exzenterbuchse 26 bezüglich des Kurbelzapfens 24 radial zur Kurbelwellenachse liegt.

Für das Schwingungsverhalten ist nun wesentlich, daß die zweite Exzenterbuchse 38 aufgrund ihres 180°-Versatzes zur ersten Exzenterbuchse 26 den Massenausgleichsarm 42 gegenläufig zur ersten Exzenterbuchse 26 radial verschiebt. Dieser Massenaus­ gleichsarm 42 dreht sich mit der Kurbelwelle und verschiebt sich dabei in radialer Richtung vor und zurück, womit ein dynamischer Massenausgleich 46 geschaffen wird.

Aufgrund dieses Massenausgleichs braucht die Pleuelstange 12 nicht symmetrisch, wie in den Fig. 1-3 dargestellt, ausgebildet zu sein, vielmehr kann das Lager 16 zur Achsrichtung des Pleuelstangenschaftes 18 nach außen versetzt sein, so daß das Zentrum der Exzenterbuchse 26 während des Arbeitshubes noch weiter nach außen zu liegen kommt. Beim Rückhub bewegt sich das Exzenterbuchsenzentrum dann auf einer Bahn, die sogar innerhalb der Umlaufbahn des Kurbelzapfens 24 liegen kann. Gleichwohl ermöglicht eine entsprechende Dimensionierung der Ausgleichsmasse 46 am Massenausgleichsarm 42 einen vibrationsfreien Lauf des Kurbeltriebes.

Claims (13)

1. Kurbeltrieb für Kraftmaschinen, mit mindestens einem linear geführten Kolben (10), einer an diesem angelenkten Pleuelstange (12), die mit ihrem Lager (16) den Kurbelzapfen (24) einer Kurbelwelle (20) umgreift, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Kurbelzapfen (24) eine erste Exzenterbuchse (26) gelagert ist, die ihrerseits vom Pleuelstangenlager (16) relativ drehbar umgriffen wird und daß die Exzenterbuchse (26) mittels einer Steuerpleuelstange (34) mit dem Kolben (10) verbunden ist.

2. Kurbeltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerpleuelstange (34) mit ihrem Kopf um eine Achse am Kolben (10) schwenkbar gelagert ist, die von der Kolbenachse beabstandet ist.

3. Kurbeltrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkachse des Kopfes der Steuerpleuelstange (34) nahe der Kolbenwandung liegt.

4. Kurbeltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager der Steuerpleuelstange (34) mit einem Zapfen (32) eines nach außen weisenden Verlängerungsarms (30) der Exzenterbuchse (26) verbunden ist.

5. Kurbeltrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager der Steuerpleuelstange (34) und das Zentrum der Exzenterbuchse (26) auf verschiedenen Seiten des Kurbelzapfens (24) und mit diesem wenigstens angenähert in radialer Ausrichtung liegen.

6. Kurbeltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimensionen und Anlenkstellen der Steuerpleuelstange (34) so gewählt sind, daß während einer Halbdrehung der Kurbelwelle in einem mittleren Kolbenhubbereich das Lager der Steuerpleuelstange (34) und der Kurbelzapfen (24) angenähert in vertikaler Ausrichtung verharren.

7. Kurbeltrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich der mittlere Kolbenhubbereich mindestens zwischen etwa 60° nach U.T. bis etwa 60° vor O.T. erstreckt.

8. Kurbeltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimensionen und Anlenkstellen der Steuerpleuelstange (34) so gewählt sind, daß während einer Halbdrehung der Kurbelwelle (20) in einem mittleren Kolbenhubbereich das Lager der Steuerpleuelstange (34) und der Kurbelzapfen (24) wenigstens angenähert in horizontaler Ausrichtung verharren.

9. Kurbeltrieb nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich der mittlere Kolbenhubbereich in wenigstens einer der beiden Hubrichtungen mindestens zwischen etwa 45° nach O.T. bis etwa 45° vor U.T. erstreckt.

10. Kurbeltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel, der Relativdrehung der Exzenterbuchse (26) im Pleuelstangenlager (16) höchstens etwa 50° beträgt.

11. Kurbeltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Pleuelstangenlagers (16) von der Längsachse des Pleuelstangenschaftes (18) beabstandet ist.

12. Kurbeltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß benachbart der ersten Exzenterbuchse 26 eine zweite Exzenterbuchse (38) an dieser fest angebracht ist, daß beide Exzenterbuchsen (26, 38) koaxiale Kurbelzapfenbohrungen (28) aufweisen, ihre Buchenzentren jedoch um 180° versetzt sind, und daß die zweite Exzenterbuchse (38) von einem Lager (40) eines Massenausgleichsarmes (42) umgriffen wird, der eine Schiebeführung (44) aufweist, in die ein koaxialer Stutzen (46) eines Kurbelwellenzapfens (22) eingreift.

13. Kurbeltrieb nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Lager (40) entfernt liegende Ende des Massenausgleichsarmes (42) eine konzentrierte Masse (46) aufweist.