DE19931673A1 - Reciprocating piston engine with reduction gearing - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine mit Untersetzungsgetriebe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere für Luft- und Wasserfahrzeuge.The invention relates to a reciprocating piston machine with a reduction gear according to the Preamble of claim 1, in particular for aircraft and water vehicles.
Die Notwendigkeit von einstufigen Untersetzungsgetrieben bei Hubkolbenmotoren ergibt sich aus der physikalischen Wirkungsweise von Propellerantrieben.There is a need for single-stage reduction gears in reciprocating engines from the physical mode of operation of propeller drives.
Bei Luftantrieben stellt die Luftschraube oder das Rotorblatt einen rotierenden Tragflügel dar, dessen Auftrieb als Vortrieb wirksam wird. Die Luftschraube soll sich theoretisch in die Luft hineinschrauben, wobei deren Steigung pro Umdrehung, in Vortrieb umgesetzt werden soll. Dabei wird ein Teil der Luft nach hinten weggedrückt. Diesen unerwünschten Effekt nennt man Schlupf. Entgegen landläufiger Meinung ist also der Teil der Luft, der nach hinten weggedrückt wird, als Verlustenergie und nicht als Propellerschub zu betrachten. Der Schlupf nimmt mit steigender Drehzahl zu. Außerdem steigt die Geräuschemission mit der 5. Potenz der Anströmgeschwindigkeit. Je größer der Durchmesser der Luftschraube gestaltet werden kann, desto langsamer die Drehzahl, desto geringer der Luftreibungswiderstand und desto höher der Wirkungsgrad. Besonders deutlich kann man dies bei Hubschraubern oder Windrädern beobachten, die mit großen, langsam drehenden Rotorblättern ausgestattet sind. Sogar neuere Düsentriebwerke werden zunehmend vom reinen Rückstoßtriebwerk in Turboprop- oder Turbofantriebwerke umgewandelt.In the case of air drives, the propeller or the rotor blade represents a rotating wing, whose buoyancy is effective as propulsion The propeller is theoretically in the air screw in, the pitch of which is to be converted into propulsion per revolution. Part of the air is pushed backwards. Calls this undesirable effect one slip. Contrary to popular belief, the part of the air that is to the rear is pushed away as a loss of energy and not as a propeller thrust. The slip increases with increasing speed. In addition, the noise emission increases with the 5th power the flow velocity. The larger the diameter of the propeller can be designed can, the slower the speed, the lower the air friction resistance and the higher the efficiency. This can be seen particularly clearly with helicopters or Observe wind turbines that are equipped with large, slowly rotating rotor blades. Even newer jet engines are increasingly being used by the pure recoil engine in Turboprop or turbofan engines converted.
Bei Wasserantrieben entsteht der Schub hingegen durch die Menge und Geschwindigkeit des nach hinten gedrückten flüssigen Mediums nach dem Düsenprinzip. Um den gleichen Schub zu erzeugen muß eine kleine Schraube eine kleine Menge Wasser stark beschleunigen oder eine große Schraube eine große Menge Wasser weniger stark beschleunigen. Die aufzuwendende Arbeit wächst mit der 2. Potenz der Geschwindigkeitssteigerung. Daraus ergibt sich, daß man einer großen Schraube für den gleichen Schub weniger Arbeit zuführen muß, als einer kleinen. Eine schnelldrehende, kleine Schraube drückt einen dünnen Wasserstrahl nach hinten, wodurch große Reibungsverluste gegenüber dem ruhenden Wasser entstehen. Die Reibungswärme und der Unterdruck an den Blattspitzen führt zu unerwünschter Bildung von Dampfblasen, der sogenannten Kavitation, die zur Blattzerstö rung führen kann.In the case of water drives, on the other hand, the thrust arises from the quantity and speed of the liquid medium pushed backwards according to the nozzle principle. For the same boost To generate a small screw must accelerate a small amount of water or a large screw accelerate a large amount of water less strongly. The Work to be done grows with the 2nd power of speed increase. Out of it the result is that a large screw does less work for the same thrust must, as a small one. A fast rotating, small screw presses a thin one Water jet to the rear, causing great friction losses compared to the still water arise. The frictional heat and the negative pressure at the blade tips leads to undesirable formation of vapor bubbles, the so-called cavitation, which leads to leaf destruction tion can lead.
Verbrennungsmotoren benötigen aber relativ hohe Drehzahlen, um eine optimale Leistungsabgabe zu erzielen. Hohe Drehzahlen sind nur dann mit großen Propellerdurch messern aufzubringen, wenn der Motor-Hubraum entsprechend hoch ist. Dies führt zu einer unvertretbaren Erhöhung von Kraftstoffverbrauch, Motorengewicht und Propellerreibung, also zu einem schlechten Gesamtwirkungsgrad.However, internal combustion engines require relatively high speeds in order to achieve an optimal one Achieve power output. High speeds are only possible with large propellers knives when the engine displacement is high. This leads to a unacceptable increase in fuel consumption, engine weight and propeller friction, so to a poor overall efficiency.
Um diese, auf den ersten Blick unvereinbaren Gegensätze zu umgehen, werden seit den
zwanziger Jahren bei Flugmotoren und schubstarken Bootsantrieben Untersetzungsgetriebe
verwendet. Dadurch wird die Motordrehzahl bei Flugantrieben erfahrungsgemäß im
Verhältnis 1 : 1,5 bis 1 : 3,5 und bei Wasserantrieben im Verhältnis 1 : 2 bis 1 : 8 untersetzt.
Wenn man die Steigung unberücksichtigt läßt und von der reinen Drehmomentabgabe einer
Antriebswelle ausgeht, gilt die Faustformel (nach Denzin):
To avoid these contradictory contradictions at first glance, reduction gears have been used for aircraft engines and high-thrust boat drives since the 1920s. Experience has shown that the engine speed is reduced in the ratio 1: 1.5 to 1: 3.5 for flight drives and in the ratio 1: 2 to 1: 8 for water drives. If the slope is not taken into account and the pure torque output of a drive shaft is assumed, the rule of thumb applies (according to Denzin):
Durchmesser einer Luftschraube = 8 × Durchmesser einer Wasserschraube
Diameter of an air screw = 8 × diameter of a water screw
Bei symmetrischen Flugmotoren haben sich Planetenradgetriebe oder Farman-Kegelradge triebe durchgesetzt, und bei sonstigen Antrieben separate. Auch spezielle Kleinmotoren in Gartengeräten und Flugmodellen sind oft mit separaten Stirnrad- oder Riemengetrieben ausgestattet. Planetary gearboxes or Farman bevel gearboxes have symmetrical aircraft engines drives enforced, and separate for other drives. Also special small engines in Garden tools and model aircraft are often with separate spur gear or belt drives fitted.
Der im Schutzanspruch 1 beschriebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß Planetenradgetriebe zwar große Momente ohne Achsversatz übertragen können, aber ihre Herstellung sehr aufwendig und teuer ist. Die rotationssymmetrische Anordnung führt dabei zu einer Minimierung der Lagerkräfte der An- und Abtriebswelle. Eine größtmögliche Anzahl von Planetenrädern erlaubt eine hohe Anzahl von Zahneingriffen zum selben Zeitpunkt. Dies ist aber nur dann wirklich gewährleistet, wenn die Fertigungstoleranzen aller, im Eingriff befindlichen Zahnräder sehr genau eingehalten werden. Hinzu kommt der hohe dynamische Innenwiderstand dieser Getriebeart, weil jedes der kleinen Planetenräder durch immens hohe Lagerkräfte, in Kombination mit sehr hohen Drehzahlen belastet ist. Aufgrund der kleinen Krümmungsradien der Planetenräder sind deren Zahnfußquerschnitte sehr klein und damit sinkt das übertragbare Moment pro Zahnradpaarung.The invention described in protection claim 1 is based on the problem that Planetary gearboxes can transmit large moments without axis offset, but theirs Manufacturing is very complex and expensive. The rotationally symmetrical arrangement leads to minimize the bearing forces of the input and output shaft. The greatest possible number of planet gears allows a high number of meshes at the same time. This is only really guaranteed, however, if everyone's manufacturing tolerances are involved gears located are observed very precisely. Add to that the high dynamic Internal resistance of this type of gearbox, because each of the small planet gears is extremely high Bearing forces, in combination with very high speeds. Because of the small Radii of curvature of the planet gears are very small and therefore their tooth cross sections the transferable torque per gear pair decreases.
Außenverzahnte Stirnradgetriebe sind zwar einfach und reibungsarm aufgebaut, dafür sind sie aber relativ groß und schwer weil oft nur ein großes Zahnradpaar im Eingriff steht.External gear helical gears are simple and low-friction, but are for that but they are relatively large and heavy because often only a large pair of gears meshes.
Bei Riemen- oder Kettengetriebe gilt dasselbe, weil die Raddurchmesser relativ groß gehalten werden müssen um Krümmungsradius und Zugbelastung in der Kette/Riemen günstig zu beeinflussen. Durch die Abroll- bzw. Riemenzugkraft und die hohe Masse des Radpaars entstehen hohe dynamische Lagerkräfte an der An- und Abtriebswelle.The same applies to belt or chain gears because the wheel diameter is kept relatively large around the radius of curvature and tensile load in the chain / belt influence. Due to the rolling or belt pulling force and the high mass of the wheel pair high dynamic bearing forces arise on the input and output shaft.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, die beschriebenen einstufigen Untersetzungsgetriebe so zu verbessern, daß sie die Vorteile von Planetenradgetrieben, wie Kompaktheit bei großer Momentübertragung und zentrischen An- und Abtrieb mit denen der Außen-Stirnradgetriebe, wie Einfachheit und Reibungsarmut in sich vereinen.The object of the invention is now to the single-stage reduction gear described improve that they take advantage of planetary gearboxes, such as compactness at large Torque transmission and centric input and output with those of the external spur gear, how simplicity and low friction come together.
Diese Aufgabe wird durch Ausbildung gemäß den Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Grundsätzlich ist davon auszugehen, daß das Übersetzungsverhältnis von Planetenradge trieben mit stehendem Planetenradkranz allein vom Verhältnis der Zähnezahlen zwischen Zahnring und Sonnenrad abhängt, wobei die Planetenräder Übertragungsglieder darstellen, welche die zentrische Achsanordnung von An- und Abtrieb gewährleisten.This object is achieved by training according to the characterizing part of claim 1. Basically, it can be assumed that the gear ratio of planetary gear driven with the planetary gear ring standing alone on the ratio of the number of teeth between Depends on the toothed ring and sun gear, the planet gears being transmission elements, which ensure the central axis arrangement of the input and output.
Aus der geschilderten Eingangsproblematik wird ersichtlich, daß die Planetenräder das schwächste Glied der Übertragungskette von Planetenradgetrieben darstellen. Würde man diese weglassen, so entsteht ein Achsversatz zwischen Zahnring und Sonnenrad. Ein Berechnungsbeispiel ist anhand der Darstellung in Fig. 1 im Folgenden beschrieben. In Fig. 1 ist unter Version A ein Innenzahnradgetriebe mit Achsversatz ohne Planetenräder, einem Planetenradgetriebe unter Version B gegenübergestellt.From the input problem described it can be seen that the planet gears represent the weakest link in the transmission chain of planet gear transmissions. If these were omitted, there would be an axis offset between the toothed ring and the sun gear. A calculation example is described below with reference to the illustration in FIG. 1. In Fig. 1, version A compares an internal gear transmission with an axis offset without planet gears and a planet gear transmission under version B.
Antriebsdrehzahl an Rad Z2: 6000 min-1
Drive speed on wheel Z2: 6000 min -1
Motorleistung an Rad Z2: 3,6 kW
Betriebsfaktor: 1,25 (für Mehrzylindermaschinen)
Stoßbeiwert: 1,1
Antriebs-Untersetzung: 2 : 1
Zähnemodul: 2,0
Zahnbreite: 14 mm
Normaleingriffswinkel 20°
Profilverschiebung: 0 mm
Verzahnungsart: gerade Motor power on wheel Z2: 3.6 kW
Service factor: 1.25 (for multi-cylinder machines)
Impact coefficient: 1.1
Drive reduction: 2: 1
Teeth module: 2.0
Tooth width: 14 mm
Normal pressure angle 20 °
Profile shift: 0 mm
Gear type: straight
Entscheidend für die Festigkeit eines Getriebes ist die Sicherheit gegenüber Zahnbruch. Ist sie kleiner als "1", brechen die Zähne und das Getriebe ist unbrauchbar. Eine Sicherheit kleiner als "1" gegenüber Flankenpressung weist darauf hin, daß sich bei Belastung Druckstellen an den Zahnflanken ergeben, die zur Kaltverfestigung des Materials führen. Dies läßt sich durch Vergrößerung der Zahnbreite, durch Schräg- oder Kegelradverzahnung vermindern. Härten oder Nitrieren der Zahnflankenoberfläche führt ebenfalls zu einer merklichen Verbesserung, wie es bei der letzten Berechnung zu Version A ersichtlich ist. Eine Flankenhärtung hat allerdings zur Folge, daß sich das Getriebe nicht mehr einlaufen kann um die Fertigungsfehler auf alle Zähne zu verteilen. Ein Planetenradgetriebe der Version B muß daher sehr genau gefertigt werden und alle Zahnräder müssen nach dem Härten geschliffen werden. Dies ist bei Version A nicht erforderlich, da keine Überbestimmung der Zahneingriffe und Achsabstände vorliegt.Safety against tooth breakage is decisive for the strength of a gear. Is she less than "1", the teeth break and the gear is unusable. A security smaller as "1" compared to flank pressure indicates that pressure points appear when loaded the tooth flanks that lead to the work hardening of the material. This can be done through Increase the tooth width by reducing helical or bevel gear teeth. Hardening or nitriding the tooth flank surface also leads to a noticeable improvement, as can be seen in the last calculation for version A. Has a side hardening however, the consequence is that the gearbox can no longer break in around the manufacturing errors spread over all teeth. A version B planetary gearbox must therefore be very precise are manufactured and all gears have to be ground after hardening. This is at Version A is not required because there is no overdetermination of tooth meshes and center distances is present.
Aus den Berechnungen ist weiterhin ersichtlich, daß die Sicherheit gegenüber Flankenpressung bei Version B im ungünstigsten Fall (Zahnradpaarung: Z3/Z2) sogar geringer ist, als bei Version A. Das hängt nachweislich mit den kleinen Krümmungsradien und der kleinen Zähnezahl der Zahnräder Z3 zusammen. Dies läßt sich konstruktiv nur durch Verkleinerung des Zahnmoduls, also Erhöhung der Zähnezahlen verbessern. Geringere Moduln bedeuten aber im allgemeinen immer eine Verminderung der Sicherheit gegen Zahnbruch und eine Erhöhung der Fertigungskosten, insbesondere wenn die Zähne geschliffen werden müssen.From the calculations it can also be seen that the security against Flank pressure in version B in the worst case (gear pair: Z3 / Z2) even is lower than with version A. This demonstrably depends on the small radii of curvature and the small number of teeth of the gears Z3 together. This can only be done constructively Reduction of the tooth module, i.e. improving the number of teeth. Lesser However, modules generally always mean a reduction in security against Tooth breakage and an increase in manufacturing costs, especially if the teeth have to be sanded.
In Fig. 2 ist die weitere Ausgestaltung der Erfindung schematisch dargestellt.In FIG. 2, another embodiment of the invention is shown schematically.
Erfindungsgemäß läßt sich beschriebene Getriebeversion A durch integrierte Bauweise in Hubkolbenmaschinen dahingehend modifizieren, daß ein zentrischer An- und Abtrieb ohne Achsversatz entsteht. Dies ist deshalb so vorteilhaft, weil bereits alle benötigten Komponenten zur Lagerung, zum Unwuchtausgleich und zur Momentenabstützung eines exzentrisch kreisenden Sonnenrades vorhanden sind.According to the invention, the transmission version A described can be integrated into by Modify reciprocating piston machines so that a centric input and output without Axis misalignment arises. This is so advantageous because all of them are already required Components for storage, balancing and torque support eccentric orbiting sun gear are present.
Ein Nachteil dieser Anordnung gegenüber dem Planetenradgetriebe sind die höheren radialen Lagerkräfte in der An- und Abtriebswelle. Sie sind aber durch die Innenkrümmung von Z1 geringer als bei außengekrümmten Stirnrad- und Riemengetrieben. Außerdem besitzen Hubkolbenmaschinen ohnehin stabile Kurbelwellenlager aufgrund der stoßartigen und wechselnden Belastungscharakteristik, sodaß dieser Nachteil weniger entscheidend ist. A disadvantage of this arrangement compared to the planetary gear is the higher radial Bearing forces in the input and output shaft. But they are due to the inner curvature of Z1 less than with externally curved spur gear and belt drives. Also own Reciprocating engines anyway stable crankshaft bearings due to the shock-like and changing load characteristics, so that this disadvantage is less critical.
Schwerwiegender könnte das Pendeln des Hauptpleuels um die Hauptkolbenachse während der Drehbewegung sein. Die sich ergebende auf und abschwellende Rotations geschwindigkeit der untersetzten Hauptwelle kann zu Resonanzen führen. Mit zunehmender Umlaufgeschwindigkeit oder mit zunehmender Masse von Hauptpleuel und Z2 nimmt dadurch auch die Zahnflankenbeanspruchung zu. Bei größeren oder sehr schnellen Hubkolbenmaschinen gewinnt dieser Faktor zunehmend an Bedeutung und muß bei Versuchen überprüft werden.The oscillation of the main connecting rod around the main piston axis could be more serious the rotational movement. The resulting swelling up and down speed of the reduced main shaft can lead to resonances. With increasing Orbital velocity or with increasing mass of main connecting rod and Z2 increases this also increases the tooth flank stress. For larger or very fast ones Reciprocating machines are becoming increasingly important and must be considered Try to be checked.
Nachfolgend sollen an den Ausführungsbeispielen Fig. 3 bis 5 die Einsatzmöglichkeiten und spezifische Vorteile der Erfindung beschrieben werden.The possible uses and specific advantages of the invention will be described below using the exemplary embodiments FIGS. 3 to 5.
In Fig. 3 ist ein Verbrennungsmotor in V-Bauart gemäß den Ansprüchen 4 bis 6 beschrieben. Das Kurbelzahnrad (3) ist mit dem Hauptpleuel (4) drehfest verbunden. Diese Einheit ist zusammen mit dem Nebenpleuel (4a) drehbar auf dem Kurbelzapfen der Kurbelwelle (2) gelagert. Die Kurbelwelle ist hinter der Hauptwelle (1) separat in der Rückwand des Kurbelgehäuses gelagert. Am Wellenausgang können problemlos Zusatzaggregate (10), wie Lichtmaschine, Kraftstoffpumpe, Ölpumpe, Kompressor oder Anlasser angekuppelt werden, obwohl die Kurbelwelle nur einfach gekröpft ist. Da sich das Kurbelzahnrad zentrisch auf dem Kurbelzapfen befindet, lassen sich bei identischer Ausbildung beider Pleuel, alle Unwuchten durch eine entsprechende Anpassung des Gegengewichtes (3) fast vollständig ausgleichen.In Fig. 3, a V-type internal combustion engine according to claims 4 to 6 is described. The crank gear ( 3 ) is rotatably connected to the main connecting rod ( 4 ). This unit is rotatably mounted together with the secondary connecting rod ( 4 a) on the crank pin of the crankshaft ( 2 ). The crankshaft is mounted separately behind the main shaft ( 1 ) in the rear wall of the crankcase. Additional units ( 10 ), such as an alternator, fuel pump, oil pump, compressor or starter, can be easily connected to the shaft output, even though the crankshaft is only cranked. Since the crank gear is centered on the crank pin, if both connecting rods are designed identically, all imbalances can be almost completely compensated for by adjusting the counterweight ( 3 ) accordingly.
In Fig. 4 ist ein "echter" Boxermotor gemäß den Ansprüchen 2, 6 und 7 dargestellt, bei dem die Kurbelwelle durch eine, im Gehäuse gelagerte Scheibe (2) ohne Gegengewicht ersetzt ist. Die Kegelradverzahnung hat den Vorteil, daß besonders bei kleinen Zahnmoduln, die Zahnbreite ohne Verlängerung der Kurbelzapfen erhöht werden kann. Außerdem bewirkt die Schrägstellung der Zähne, daß die Abrollkraft, der Scheibenverkippung durch die Kolbenkräfte im O. T., entgegenwirkt. Die axiale Komponente der Abrollkraft erfordert allerdings eine Axialabstützung der Hauptwellen (1) z. B. durch Schrägkugellager oder Axiallager.In FIG. 4 a "real" Boxer engine is shown according to claims 2, 6 and 7, wherein the crankshaft is replaced by a, mounted in the housing plate (2) without counterweight. The bevel gear toothing has the advantage that, especially with small tooth modules, the tooth width can be increased without extending the crank pin. In addition, the inclined position of the teeth has the effect that the rolling force counteracts the tilting of the discs by the piston forces in the TDC. The axial component of the rolling force, however, requires axial support of the main shafts ( 1 ) z. B. by angular contact ball bearings or thrust bearings.
Fig. 5 zeigt einen Sternmotor gemäß den Ansprüchen 3, 6 und 8. Die Drehmomentabstützung über das Hauptpleuel hat sich in Versuchen sogar noch bei einem 9-Zylinder-Sternmotor als unkritisch erwiesen. Der betreffende Hauptkolben (7) erfährt über den relativ langen Hebelarm des Hauptpleuels, im Verhältnis zum Durchmesser des Zahnrades (5) nur eine zusätzliche seitliche Flächenpressung von weniger als 0,1 N/mm2. Die dargestellte Anordnung ist ebenso auf Einzylinder-, V- und Boxermotore mit zentraler Gemischansaugung durch das Kurbelgehäuse übertragbar. Fig. 5 shows a radial engine according to claims 3, 6 and 8. The torque support via the main connecting rod has proven to be uncritical in tests even with a 9-cylinder radial engine. The relevant main piston ( 7 ) experiences only an additional lateral surface pressure of less than 0.1 N / mm 2 via the relatively long lever arm of the main connecting rod, in relation to the diameter of the gear wheel ( 5 ). The arrangement shown can also be transferred to single-cylinder, V and boxer engines with central mixture intake through the crankcase.
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