DE2004283B2

DE2004283B2 - Kolben-Kurbelmechanismus mit Trägheitskraftaus gleich

Info

Publication number: DE2004283B2
Application number: DE2004283A
Authority: DE
Inventors: Haruo Hamamatsu Kinoshita; Isao Inasa Shirayanagi
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 1969-01-30
Filing date: 1970-01-30
Publication date: 1974-08-01
Also published as: DE2004283A1; DE2004283C3; US3626786A; SE355649B

Description

mB ■ RB

• mA 4- mD ■ r

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genügt, worin RB der Abstand der Ausgleichsmasse (mB) für die Drehbewegung vom Mittelpunkt (Q) des Umlaufzahnrads (2). / der Kurbelradius der Kurbelwelle (3), /■ der relativ zum Umlaufzahnrad (2) exzentrische Abstand des Punktes (P) der Schwenkverbindung zwischen der Pleuelstange und dem Umlaufzahnrad. mA die Masse für die Hin- und Herbewegung, mD die Drehmasse ist, und daß die Ausgleichsmasse (mC) für die UmlaufbcwcBune als Ganzes der Gleichung

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mC ■ RC = mB ■ I ■'- ■ ■'- - -'- · ιηΛ ^Λ- mD ■ I

der Innendurchmesser des Innenzahnkranzes (25) ist und der Kurbelwangenteil (33) in den Innenzahnkranz (25) eingesetzt ist sowie einen Hohlraum (35) aufweist, der in einer Seitenfläche desselben zur Aufnahme des Umlaufzahnrads (27) gebildet ist.

5. Auswuchtverfahren für eine Ausgleichsmechanik bei einer Kolben-Kurbelanordnung mit einer in einem exzentrischen Abstand vorgesehenen Kurbelwelle mit einem Kurbelzapfen, einem am Kurbelzapfen drehbar gelagerten Umlaufzahnrad, einem Innenzahnkranz mit einer Zähnezahl, die donpelt so groß wie die Zähnezahl des Umlaufzahnrads ist, wobei der Innenzahnkranz mit dem Umlaufzahnrad in Eingriff steht, einem auf dem Umlaufzahnrad in einem exzentrischen Abstand angeordneten Drehzapfen und einer diesen mit dem Kolben verbindenden Pleuelstange, wobei die mit dem Drehzapfen verbundenen Massen aus einer Masse für die Hin- und Herbewegung und einer Drehmasse bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleichgewicht um den Kurbezapfen herum bzw. der am Kurbelzapfen drehbar gelagerten Teile hergestellt wird, indem die Drehmasse mD an dem Drehzapfen koaxial zu ihv,\

und eine Masse ~—^r ■ mA an dem Drehzapfen ir.

einem exzentrischen Abstand l~r von seiner Achse in Richtung der Exzentrizität des Drehzapfens angeb^r3cht wird, wobei / der Kurbelradius der Kurbelwelle und r der relativ zum Umlaufzahnrad exzentrische Abstand des Punkts (P) der Schwenkbewegung zwischen der Pleuelstange und dem Umlaufzahnrad ist und wobei mA die Masse für die Hin- und Herbewegung L,t. worauf die Anordnung auf die Kurbelwelle gebracht und dann das Gleichgewicht der Kurbeiwelle um die Kurbelwellenlager herum hergestellt wird.

6. Auswuchtvorrichtung für einen Kolben-Kurbelmechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 5. gekennzeichnet durch einen ersten Ausgleichsring (F) mit einer Masse (mD) und einem innendurchmesser, der dem Durchmesser eines Drehzapfens gleich ist und durch einen zweiten Ausgleichsring (W) mit einer Masse mA ₇' '

sowie mit zwei Löchern oder Öffnungen (14). deren Durchmesser dem Außendurchmesser des ersten Ausgleichsringes (V) gleich ist, wobei diese Öffnungen (14. 14) zu in einem Abstand / —;■ vom Mittelpunkt des ersten Ausgleichsringes (V) in entgegengesetzten Richtungen in bezug auf den Mittelpunkt des ersten Ausgleichsringes (V) lieaenden Punkten konzentrisch sind.

genügt, worin RC der exzentrische Abstand der Ausgleichsmasse (mC) für die Umlaufbewegung als Ganzes ist.

4. Kolben-Kurbelmechanismus mit einer Kurbelwelle mit einem Kurbelwangenteil und einem Kurbelzapfen, nach mindestens einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlaufzahnrad (27) am Kurbelzapfen (28) der Kurbelwelle (31) drehbar gelagert ist und daß der Kurbelwangcnteil (33) wesentlich kleiner als Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben-Kurbclmechanismus mit Trägheitskraftausgleich, mit einem Zylinder hin- und hergehenden Kolben, einer in einem Kurbelkasten drehbar gelagerten Kurbelwelle, einem an der Innenwand des Kurbclkastens befestigten Inncnzuhnkranz, einem mit dem Innenzahnkranz in Eingriff stehenden Umlaufzahnrad,

dessen Zähnezahl gleich der halben Zähnezahl des Innenzahnkranzes ist und das an der Kurbelwelle drehbar, exzentrisch zur Drehachse der Kurbelwelle gelagert ist, und einer Pleuelstange, die mit einem Ende mit dem Kolben und mit ihrem anderen Ende schwenkbar mittels eines Drehzapfens mit dem Umlaufzahnrad verbunden ist.

Aus der DT-PS 271 755, den CH-PS 263 377 und 231 110, und der FR-PS 583 682 ist jeweils ein Kolben-Kurbelmechanismus der genannten Art bekannt, to Bei allen diesen Mechanismen ist das eine Ende der Pleuelstange jeweils mit einem Kolben starr verbunden. Das andere Ende der Pleuelstange ist an einer Stelle auf dem Teilkreis des Umlaufzahnrads schwenkbar an dem Umlaufzahnrad angelenkt, welches exzentrisch zur Drehachse der Kurbelwelle an dieser drehbar gelagert ist und mit einer in dem Kurbelkasten angeordneten Innenverzahnung in Eingriff steht.

Durch diesen Aufbau ergibt sich ein Kolben-Kur- ao belmechanismus. bei welchem der Kolben und die daran starr befestigte Pleuelstange auf einem geradlinigen Weg ohne seitliche Auslenkung hin- und herbewegt werden.

Bei dieser bekannten Anordnung ist der Teilkreis- as durchmesser des innenverzahnten, im Kurbelkasten befestigten Zahnrades gleich groß wie der Hub des Kolbens. Es ist daher nicht möglich, sehr kurzhubige Motoren zu bauen, da unterhalb einer bestimmten Hubgröße der Teilkreisdurchmesser der Innenverzahnung so klein wird und der Verzahnungsrrodul von Innenverzahnung und Ritzel so klein gewählt werden muß. daß das Getriebe nicht hoch belastbar und störanfällig wird, so daß die gesamte Maschine nicht für hohe Leistungen ausgelegt werden kann. Die bekannte Anordnung erlaubt daher nur den Bau von relativ großräumigen, langhubigen Maschinen mit geringer Leistung und großem Kolbenhub: Kolbendurchn:sser-Verhältnis.

Aus der GB-PS 457 053 ist ein Kolben-Kurbelmechanismus mit mehreren in Zylindern hin- und hergehenden Kolben und einer drehbar gelagerten Kurbelwelle bekannt, der ein an einer Innenwand eines Gehäuses drehbar gelagertes Zahnrad mit Innenverzahnung und ein damit in Eingriff stehendes Umlaufzahnrad aufweist, wobei das Zähnezahlverhältnis von Innenverzahnung und Umlaufzahnrad 7:5 beträgt. Das Umlaufzahnrad ist exzentrisch zur Drehachse des Artriebs drehbar gelagert. Je eine Pleuelstange ist mit einem Ende mit je einem Kolben und mit ihrem anderen Ende schwenkbar mittels einer Drehlagerung mit dem Umlaufzahnrad verbunden. Bei dem bekannten Mechanismus liegen sich jeweils zwei Zylinder diametral gegenüber. Die Pleuelstangc der in diesen Zylindern hin- und hergehenden Kolben sind als ein einziges Plcuclstangenteil mit zwei sich in die beiden Zylinder hincinerstreckenden Plcuclstangenarmcn ausgebildet. Dieses Pleuclstängeiitei! ist in seiner Bewegung durch diesen Aufbau so festgelegt, daß es sich längs einer geraden Linie hin- und herbewegt. Daher wird die Kurbelwelle und eine darauf gelagerte exzentrische Hülse veranlaßt, mit einem festgelegten Geschwindigkeitsverhältnis zu rotieren. Diese Anordnung dient dazu, einen vorderen u.id einen hinteren Propeller einer Tandempropelleranordnung mit der gleichen Geschwindigkeit, jedoch in entgegengesetzten Richtungen zu drehen. Bc; diesem bekannten Mechanismus ist eine Vielzahl von sich relativ zueinander drehenden Teilen gegeben. Der Mechanismus ist daher infolge seines komplizierten Aufbaus sehr empfindlich und störanfällig. Ein Massenausgleich in der gleichen Größenordnung wie bei den vorher beschriebenen bekannten Mechanismen, die der Gattung des Anmeldungsgegenstandes angehören, is: bei dem Mechanismus gemäß der GB-PS 457 053 infolge des dort gegebenen Aufbau:: und des Zähnezahlverhältnisses zwischen Umlaufzahnrad und innenverzahntem umlaufendem Zahnrad nicht erreichbar. Insgesamt gesehen, läßt auch dieser bekannte Mechanismus den Bau eines kompakten, weitgehend massenausgeglichenen und für Hochleistungen heranziehbaren Mechanismus nicht zu.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuen Mechanismus der eingangs erläuterten Art zu schaffen, der bei einfachem Aufbau und wirtschaftlicher Herstellung weitgehend massena"sgcelichen ist. kompakt gebaut werden kann und hoch belastbar ist, sowie im Betrieb robust ι; ;d zuverlässig ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das eine Ende der Pleuelstange schwenkbar an den Kolben angelenkt ist. und das andere Ende an einer Stelle innerhalb des Teilkreises des U-nlaufzahnrads an diesem schwenkbar angelenkt ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Mechanismus ist das eine Ende jeder Pleuelstange an einer Stelle innerhalb des Teilkreises des Umlaufzahnrads schwenkbar angelenkt. Bei der Hin- und Herbewegung des Kolbens im Zylinder bewegt sich diese Anlenkstelle des unteren Endes der Pleuelstange an dem Ritzel entlang eines elliptischen Pfades in Form einer langgestreckten Ellipse. Diese Anordnung bietet gegenüber den eingangs diskutierten bekannten Mechanismen der Gattung des Anmeldungsgegenstandes folgende Vorteile:

Die Summe der großen und kleinen Durchmesser des elliptischen Pfades, der von der Anlenkstelle der Pleuelstange am Umlaufzahnrad während einer vollen Hubbewegung des Kolbens durchlaufen wird, ist gleich groß wie der Teilkreisdurchmesser des Innenzahnkranzes, so daß der giuße Durchmesser der Ellipse immer kleiner ist als der Teilkreisdurchmesser des Innenzahnkranzes. Der große Durchmesser des elliptischen Pfades entspricht andererseits einem vollen Hub des Kolbens. Werden daher die bekannten Mechanismen mit dem erfindungsgemäßen Mechanismus unter der Voraussetzung gleichen KoI-bciihubs verglichen, kann bei dem erfindungsgemäßen Mechanismus der Teilkreisdurchmesser de^c Innenzahnkranzes und des Umlaufzahnrads größer gewählt werden als die entsprechenden Durchmesser bei den bekannten, eingangs diskutierten Mechanismen.

Aus diesem Grunde ist die Festigkeit und Belastbarkeit ties erfindungsgemäßen Mechanismus bei gleichem Hub weit größer als bei den bekannten Mechanismen. Bei den eingangs diskutierten bekannten Mechanismen besteht das Problem, einen ausreichend großen Kurbelwellcnzapfendurchmesser zu erhalten. Um bei diesen bekannten Mechanismen eine ausreichende Festigkeit zu erreichen, muß das Verhältnis .on Kolbenhub zu Kolbendurchmessei normalerweise sehr groß gehalten werden, so daß e< nicht möglich ist. eine kompakte Hochgeschwindigkcits- und Hochleistungsmaschine zu erhalten. Demgegenüber kann bei dem erfindungsgemäßen Mechanismus das Verhältnis von Kolbenhub zu Kolben-

durchmesser stark reduziert werden, und es ist daher möglich, kompakte Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungsmaschinen zu erhalten.

Infolge de; erfindungsgemäßen Aufbaus ist es möglich, bei gleichem Hub die Durchmesser des Innen-Zahnkranzes und des Umlaufzahnrades größer als bei den bisher bekannten Mechanismen zu halten. Außerdem kann der Verzahnungsmodul vergrößert werden, um hochbelastbare Getriebe zu bekommen.

Im Vergleich zu den bisher bekannten Mechanismen kann die Exzentrizität des Umlaufzahnrads und des Schwenkzapfens, an dem die Pleuelstange am Umlaufzahnrad angelenkt ist, reduziert werden und der Schwenkzapfen einen kleineren Durchmesser aufweisen. Daher kann das korrespondierende Ende »5 der Pleuelstange einen kleineren Durchmesser aufweisen. Hieraus ergibt sich für den erfindungsgemäßen Mechanismus eine Reduzierung der rotierenden Massen, und die Gegengewichte können daher ebenfalls reduziert werden. ao

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Mechanismus ist es möglich, einen Teil der Reaktionskräfte gegen das Ausgangsdrehmoment auf den Kolben und den Zylinder zu übertragen, so daß die Belastung der Getriebezähne im Vergleich zu der Belastung der Getriebezähne bei den bekannten Mechanismen verringert werden kann.

Insgesamt gesehen ist der erfindungsgemäße Mechanismus somit einfach aufgebaut, er kann sehr raumsparend ausgebildet sein, und er ist bei ausgezeichnetem Massenausgleich für hohe Drehzahlen und hohe Belastungen geeignet.

Die Erfindung wird an Hand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Im einzelnen zeigen

F i g. 1 und 2 Bewegungsdiagramme zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung im Vergleich zu dem in F i g. 1 angegebenen Stand der Technik.

Ferner zeigt

F i g. 3 eine senkrechte Querschnittsansicht einer Anordnung nach dem bekannten Prinzip der F i g. 1 bei einem Zweitaktverbrennungsmotor,

Fig. 4 eine Querschnittsansicht entlang der Linie IV-IV in Fig. 3.

Fig.5 eine der Fig. 3 ähnliche Querschnittsansicht, wobei der Kolben in eine Stellung unter den oberen Totpunkt bewegt ist,

F i g. 6 eine Querschnittsansicht eines Teils der Vorrichtung auf Grund des erfindungsgemäßen Prinzips nach Fi g. 2,

F i g. 7 eine senkrechte Querschnittsansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform,

F i 2. 8 eine Querschnittsansicht entlang der Linie VIII - VTII in F i g. 7,

Fig. 9 eine Querschnittsansicht zur Erläuterung des bekannten Ausgleichsverfahrens;

Fig. 10 und 11 zeigen Querschnittsansichten zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Ausgleichsverfahrens, und

Fig. 12 zeigt eine Draufsicht auf ein beim Verfahren nach Fig. 10 und 11 verwendetes Werkzeug.

F i g. 1 zeigt schematisch einen Innenzahnkranz 1 und ein mit diesem im Eingriff stehendes Umlaufzahnrad 2 mit einer Anzahl Zähne, die gleich der halben Zähnezahl des Innenzahnkranzes 1 ist. Das Umlaufzahnrad 2 ist am Kurbelzapfen 4 einer Kurbelwelle 3 drehbar gelagert und an seinem Teilkreis einstückig mit einem Drehzapfen 5 ausgebildet. Eine Pleuelstange 6 ist an einem Ende mit dem Drehzapfen 5 und am anderen Ende mit dem Kolbenbolzen des Kolbens 7 vchwenkbar verbunden. Auf diese Weise wird die Explosionskraft des Kolbens 7 auf die Kurbelwelle 3 übertragen. Die hin- und hergehende Masse des Kolbens 7 und der Pleuelstange 6 ist durch die Masse inA am Kolbenzapfcn dargestellt. Um die Trägheitskraft der Masse inA aufzuheben, ist eine Ausgleichsmasse mC der als Ganzes umlaufenden Masse der Kurbelwelle zum Ausgleich hinzugefügt, die ein sich als Ganzes drehendes Teil bildet, und zwar an einer Stelle, die dem Kurbelzapfen 4 diametral gegenüberliegt, während an einer dem Drehzapfen 5 diametral gegenüberliegenden Stelle dem Umlaufzahnrad 2 eine Ausgleichsmasse inB zum Ausgleich der Drehung zugefügt ist, das ein sich um seine eigene Achse drehendes Teil darstellt. Diese Ausglcichsmassen werden angebracht, nachdem das Drehgleichgewicht von Kurbelwelle 3 und Umlaufzahnrad 2 erzielt ist.

Stellt nun O den Mittelpunkt der Kurbelwelle 3, P den Mittelpunkt der Drehzapfen 5 und Q den Mittelpunkt des Kurbelzapfens 4 dar, so bewegt sich im Betrieb der Vorrichtung der Punkt P entlang einer Linie P_x-O-P₂ hin und her, welche die Diametrallinie rles Teilkreises des Innenzahnkranzes 1 in der Richtung der Kolbenbewegung ist. Ist die senkrechte bzw. die horizontale Trägheitskraft der Massen m/i, mB und mC jeweils mit F _Ακ bzw. F _Ay, F_nx bzw F_l!v und F_(r bzw. F_Cy bezeichnet, so ergeben sich die folgenden Gleichungen mit dem Drehwinkel θ der Kurbelwelle 3 als Parameter:

F₄₁=

F Ay =

\ dt I d/²

,in

F_Bx = (/ - RB)mB [cos Θ ■ (—]-ί- ~~- · sin Θ { \ dt I dt²

I/H<9\² H²ß
sinö·/-·--) - ---cos β \ dt I dt²

F_Cx = -RCmC

cos Θ

dt

d²0
d/²
d²6>

sin θ

cos Θ

Fcy = -RCmC \ sin Θ- (—)*-

I \ ^d' /

worin / der Radius der Kurbelwelle 3 oder der Radius des Teilkreises des Umlaufzahnrads 2, RB die Länge des Armes der Masse mB und RC die Länge der Mas e mC ist.

Ist dabei

ImA = RBmB (mA + mB) 1 = mCRC

F_Ax + F_Bx -1- F_Cx = 0
^r + F_By -f- F_Cv = 0.

Bei der Anordnung nach F i g. 1 werden nämlich unter den oben dargestellten Bedingungen nicht nur die primären Trägheitskräfte, sondern auch Trägheitskräfte höheren Grades vollständig ausgeglichen.

Die erfindungsgemäße Anordnung nach Fig. 2 unterscheidet sich von der zum Stand der Technik gehörenden und in F i g. 1 gezeigten dadurch, daß

so wird

der Drehzapfen 5 nicht auf dem Teilkreis des Umlaiifzahnraiis 2. sondern innerhalb dieses Teilkreises liegt. Die Anzahl der Zähne lies Innenzahnkranzes 1 steht zur Anzahl der Zähne des Umlaufzahnrads 2 in einem Verhältnis von 2:1. ähnlich wie im Fall nach Fig. 1.

In i'icsem Fall bewegt sich der Mittelpunkt P der Drehwelle in einer Ellipse P₁-O₁-P₁-O., mit einem sieh in Richtung der Kolbcnbewegung erstreckenden Hauptdurchmesser, wobei ihr größerer Durchmesser bzw. ihr kleinerer Durchmesser wie folgt definiert sind:

größerer Durchmesser a — I r. kleinerer Durchmesser b = I -+- r

worin r der Abstand zwischen dem Drehzapfen 5 und dem Kurbelzapfen 4 ist.

Durch diese Anordnung kann die primäre Trägheitskraft vollständig ausgeglichen und die sekundäre Trägheitskraft und höhere Trägheitskräfte können zwar nicht vollständig ausgeglichen werden, jedoch immerhin können die Beträge der Trägheitskräfte höheren Grades viel kleiner gemacht werden, als dies bei den herkömmlichen Anordnungen möglich ist.

Im Vergleich mit der bei den herkömmlichen KoI-ben-Kurbelanorclnungen erzeugten sekundären Trägheitskraft, die gewöhnlich ein Viertel der primären Trägheitskraft ausmacht und daher normalerweise vernachlässigt wird, ist nämlich die restliche sekundäre Trägheitskraft bei der Anordnung nach Fig. 2 sehr klein, etwa b-'a-. Ist z. B. 2r = /, so ist die restliche sekundäre Trägheitskraft gegenüber der sekundären Trägheitskraft bei der herkömmlichen Kolben-Kurbelanordnung b-/a² = 1/9. Im Vergleich mit der bei den herkömmlichen Anordnungen verbleibenden primären Trägheitskraft, die etwa viermal so groß wie die sekundäreTrägheitskraft ist, macht die sekundäre Trägheitskraft bei der nrfindungsgemäßen Anordnung etwa ¹Z₁₀ der letzteren aus. Insofern kann also gesagt werden, daß die Anordnung mit der erfindungsgemäßen Ausgleichsmechanik praktisch schwingungsfrei ist.

Die F i g. 3, 4 und 5 zeigen einen Zweitaktmotor, dem das in Fig. 1 gezeigte Prinzip zugrunde liegt, wobei die entsprechenden Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die Bezugszahl 3 bezeichnet nämlich eine Kurbelwelle mit einem Kurbelzapfen 4 und einstückig ausgebildeten Kurbeteilen 3« sowie 3 b. Die Kurbelteile 3 a. 3 h sind jeweils mit einer Ausgleichsmasse mC aus Blei zum Ausgleich der Drehung als Ganzes versehen. An Stelle der Masse mC oder zusätzlich zu ihr kann ein Loch zum Verringern des Gewichts in jedem der Kurbelteile 3 a oder 3 b an der Masse mC diametral gegenüberliegenden Stellen vorgesehen sein. Ein Umlaufzahnrad 2 ist am Kurbelzapfen 4 durch ein Nadellager gelagert. Im Mittelbereich weist das Umlaufzahnrad 2 einen mit ihm einstückigen Drehzapfen 5 auf. der exzentrisch zur Achse des Umlaufzahnrads 2 in einem Abstand liegt, welcher gleich dem Kurbelradius der Kurbelwelle 3 ist. Mit der Bezugszahl 8 sind Stegteile bezeichnet, die an je einer Seite des Drehzapfens 5 befestigt sind. Die Teile 8 sind je mit einer Ausgleichsmasse mB aus Blei zum Ausgleich der Drehbewegung versehen. Bei dieser Ausführungsform handelt es sich um einen Verdichtungs-Zweitaktmotor mit einer Kurbelkammer, wobei die Teile 8 a".s einer Aluminiumlegierung hergestellt sind, um das Volumen der Kurbelkammcr zu verringern. Zwischen dem Kurbelteil 3h und dem Teil 8 ist ein Innenzahnkranz 1 angeordnet und mittels eines Zapfen? 13 am Kurbelkasten 9 befestigt, wobei seine Zähne mit den Zähnen la des Umlaufzahnrads 2 im Eingriff sind. Die Anzahl der Zähne des Innenzahnkranzes 1 ist doppelt so groß wie jene des Umlaufzahnrads 2. Eine Pleuelstange 6 ist an ihrem einen Ende mittels eines Nadellagers an dem Drehzapfen S

ίο schwenkbar gelagert und an ihrem anderen Ende mit einem Kolben 7 verbunden. Die Bezugszahl IC bezeichnet einen Zylinder. 11 einen Zylinderkopi und 12 eine Abtriebsscheibe. Die oben beschriebene Konstruktion ist jener eines Verdichtungs-Zweitaktmotors mit Kurbelkammer im wesentlichen gleich.

F i g. 6 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher das crfindungsgemäße Prinzip nach Fig. 2 verwirklicht ist. Die Konstruktion entspricht jener des in Fig. 3 bis 5 gezeigten Motors, mit der Ausnahme, daß die Stellung des Drehzapfens 5, durch welchen ein Ende der Pleuelstange 6 mit dem Umlaufzahnrad 2 verbunden ist, unterschiedlich ist. Die Konstruktion wird hier nicht näher beschrieben, da entsprechende Teile mit denselben Bezugszahlen bezeichnet sind.

Die Ausführungsform nach den Fig. 2 und 6 ist nicht nur praktisch, sondern sie hat auch gegenüber der in den F i g. 3 bis 5 gezeigten einen positiven Vorteil. Wie sich von selbst versteht, haben die Ausführungsformen nach den Fig. 2 und 6 bei gleichem Kolbenhub insbesondere die folgenden Vorteile:

1. Da der Arm des Drehzapfens 5 kurz ist. ist der Durchmesser dieser Achse klein, so daß auch das große Ende der Pleuelstange 6 und die Kurbelteile 3«, 3 b klein sein können. Der ganze Kurbelkasten kann also kleiner sein.

2. Obwohl der ganze Kurbelkasten — wie oben erwähnt — kleiner gemacht werden kann, sind die Durchmesser des Innenzahnkranzes 1 und des Umlaufzahnrads 2 groß, so daß die Festigkeit dieser Zahnräder und ihre Lebensdauer erhöht ist.

Wenn auch die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Mechanismus dem Fachmann ohne weiteres einleuchtet, wird die Arbeitsweise des Verdichtungs-Zweitaktmotors mit der Kurbelkammer der in Fig. 3 bis 5 gezeigten Konstruktion nachfolgend als typische Ausführungsform erläutert.

Die auf den Kolben 7 ausgeübte Explosionskraft bewirkt eine Abwärtsbewegung des Drehzapfens S durch die Pleuelstange 6. Das mit dem Drehzapfen 5 einstückige Umlaufzahnrad 2 ist mit dem Innenzahnkranz 1 im Eingriff und arbeitet mit ihm so zusammen, daß es als Ganzes entgegen dem Uhrzeigersinn umluft und sich zugleich um seine eigene Achse im Uhrzeigersinn dreht. Dadurch wird bewirkt, daß die Kurbelwelle 3 infolge des Kurbelzapfens 4 entgegen dem Uhrzeigersinn umläuft. In diesem Fall führt der Mittelpunkt P des Drehzapfens 5 eine geradelinige Hin- und Herbewegung entlang des Teilkreis-Durchmessers vom Innenzahnkranz 1 in Richtung der Kolbenbewegung aus.

Die Arbeitsweise bei der Konstruktion nach F i g. 6 ist der oben beschriebenen Funktion im wesentlichen gleich, nur daß sich der Mittelpunkt P des Drehzapfens 5 entlang einer Ellipse mit einem sich in der Richtung der Kolbenbewegung — wie mit Strich-

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punkllinien gezeigt — erstreckenden Hauptdurchmesser bewegt. Bei der Anordnung nach den Fig. 2 und 6 muß dabei die Bewegimgsbahn der Drehwelle 5 nicht unbedingt eine sich einer geraden Linie annähernde Ellipse sein, sondern kann fast auch einen Kreis darstellen, wobei auch dann die Vibration im Vergleich n.it der herkömmlichen Kolben-Kurbelanordnung wesentlich herabgemindert werden kann.

Die F i y. 7 und 8 zeigen eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform, wobei der darin gezeigte Motor so konstruiert ist, daß ein leichtes Einbauen bzw. Auseinandernehmen ermöglich ist. In den Fig. 7 und 8 ist ein Kurbelkasten senkrecht in zwei Abschnitte 21, 21' geteilt. In einem Zylinderkopf 23 befindet sich ein Zylinder 22 mit einem hin und her verschiebbar angeordneten Kolben 24. Die Bezugszahl 25 bezeichnet einen Innenzahnkranz, der mittels Schrauben 26 am Kurbelkasten 21 befestigt und mit einem Umlaufzahnrad 27 im Eingriff ist. Die Zähnezahl des Umlaufzahnrads 27 ist halb so groß wie jene des Innenzahnkranzes 25, wobei das Umlaufzahnrad 27 an einem Kurbelzapfen 28 drehbar gelagert ist. Einstückig mit dem Umlaufzahnrad 27 und konzentrisch zu ihm ist ein Schwenk- bzw. Drehzapfen 29 angeordnet, mit welchem das große Ende einer Pleuelstange 30 durch ein Lager 38 verbunden ist. während das kleine Ende der Pleuelstange mit dem Kolben 24 verbunden ist.

Die Bezugszahl 31 bezeichnet eine Kurbelwelle, die an ihrem Lagerzapfen 32 an den linken Seitenabschnitt 21 des Kurbelkastens mittels eines Lagers 39 angelenkt ist und einen innerhalb der Kurbelkammer befindlichen Kurbelstegteil 33 aufweist. Auf ähnliche Weise ist eine Kurbelwelle 3Γ an ihrem Lagerzapfen 32' an den rechten Seitenabschnitt 2V des Kurbelkastens mittels eines Lagers 39' angeler.kt: sie weist einen innerhalb der Kurbelkammer befindlichen Kurbelstegteil 33' auf. Der Kurbelteil 33 erstreckt sich in den Hohlraum des Innenzahnkranzes 25 hinein und bildet eine Ausnehmung 35 zur Aufnähme des Umlaufzahnrads 27, wobei dieser Kurbelteil 33 mit seinem sich in dem Hohlraum des Innenzahnkranzes erstreckenden Abschnitt eine Ausgleichsmasse 34 für die Umlaufbewegung als Ganzes bildet. Der Kurbelteil 33' weist an einer dem Kurbelzapfen 28 entgegengesetzt liegenden Stelle eine Ausgleichsmasse 34' für die Umlaufbewegung als Ganzes auf. Die Bezugszahl 36 bezeichnet eine Masse für die Umlaufbewegung als Ganzes, die auf solche Weise am Umlaufzahnrad 27 befestigt ist, daß sie zu diesem in einer Richtung exzentrisch ist, die der Richtung der Exzentrizität des Drehzapfens 29 entgegengesetzt ist. Hierbei ist zu beachten, daß die Ausgleichmasse 34 für die Umlaufbewegung als Ganzes mit einer Hilfsmasse 40 versehen ist, die zwischen dem Innenzahnkranz 25 und der Pleuelstange 30 angeordnet ist, so daß das Gleichgewicht beliebig verstellt und darüber hinaus der Wirkungsgrad der Verdichtung in der Kurbelkammer bei einer Vorverdichtungsmaschine mit Kurbelkammer erhöht werden kann. Der Durchmesser des Kurbelteils 33 ist kleiner als der Innendurchmesser des Innenzahnkranzes 25 ohne den Teil der Hilfsmasse 40.

Zum Abmontieren der wie oben beschriebenen konstruierten Maschine wird der Zylinder 22 vom Kurbeikasten 21, 21' abgenommen, worauf der rechte Seitenabschnitt 21' des Kurbelkastens entfernt wird. Dann werden der Kurbelzapfen 28 mit dem Umlaufzahnracl 29, dem Drehzapfen 29 und der voi ihm getragenen Ausgleichmasse 36 sowie die Kurbel wellen 31 bzw. M', die aus den an je einem Ende de Wellen befestigten Kurbelteilen 33. 33' bestehen, fer ner die Ausgleichsmasse 34, 34' für die Umlaufbewe gung als Ganzes sowie die Zapfenlager 32, 32' nacl rechts abgezogen, worauf das Umlaufzahnrad 27 au; dem Eingriff mit dem Innenzahnkranz 25 gelöst, clit auf der linken Seile befindliche Ausgleichmasse M für die Umlaufbewegung als Ganzes aus dem Hohlraum des Innenzahnkranzes 25 herausgezogen unc somit aus dem linksseitigen Kurbclkasten 21 cnifemi wird, während der Innenzahnkranz 25 im linksseitigen Kurbelkastcn 21 befestigt bleibt. Der Zusamnienbau der Maschine kann durch einen Vorgang erfolgen, der umgekehrt verläuft, wie der oben beschriebene Vorgang.

Die Fig. 10 bis 12 zeigen das erfindungsgomäße Ausgleichsverfahren zur Anwendung bei der konstruktion nach den Fig. 2 und 6. Bildet nämlich der hin und her gehende Anteil, Masse des Kolbens, des Kolbenzapfens und seiner Schellen, der Kolbenringe sowie hin und her gehende Masse der Pleuelstange einschließlich Masse des Lagers am kleinen indc, der mit dem Drehzapfen 5 verbundenen Gesamtmasse eine Masse mA am Kolbenzapfen und r.; eine Drehausgleichsmassc mli an dem um seine ei»ene Achse drehbar angeordneten Ritzel an ein.' Zapfen 5 gegenüberliegenden Stelle befestig ferner eine Ausgleichsmasse mC für die "\ hewegung als Ganzes an der Kurbelwelle, d einem sich als Ganzes drehenden Teil, an ein. Kurbelzapfen 4 gegenüberliegenden Stelle ! und ist weiterhin die Drehmasse, Drehnia. Pleuelstange einschließlich der Masse des I .:-.■. großen Ende, durch eine Masse wD an dcv. zapten dargestellt, so sind die senkrecht. waagerechten primären Trägheitskraft F_x,. F ι-Hy, γ,,. Γ,.-,, r_n>. und F_lh. dieser Massen /. mC und niD, die als absoluter Wert uie gröl'.'. durch die folgenden Formeln unter Verwemh . Drehwinkels (-> der Drehwcllc als Paranu' gestellt:

.-.vie

i'auf-

h an

des l:ir-

mA (I - r)

"JB(I - RB)

■ cos (-) - " d/ / <j,-

= mB(l \- RB)

idOV²

■ cos (-) \ dt I

ti-'-/

■--)· sin θ - dt I _t|/-

= -mCRC

d(-JV>

.-■-■ ■ cos ft -\ dt I

dr

^ = mD(/-,)f(^\²._cosft_ I'd/ /

^mD('-r)\l™).sine~

di-

ClI- '"'!

dt-

■— sin i-> dt-

di-

COS i->

Γ⁰'" r^{Ungc dcs Armes} ^d" AusHleichsfur d,e Drehbewegung und RC di,^r Länge

des '\rmes c'vr Ausgleichsmasse m( für clic Urrlaufhev, egung als Ganzes ist.

Unter r'.en Bedingungen

ml! RH

mC ■ RC ==■

mA ' mD·r

I ■■- r

m,-

■ ml) ■ I mli ■ I

(a)

(b)

ergeben sieli die folgenden Beziehungen:

¹ Wx ·
F u. +

,_Jr

= 0.

Mit anderen Worten können bei dieser Konstruktion die primären Triigheitskräfte durch die Eingabe der durch die obigen Gleichungen fa) und ^b) bestimmten Bedingungen voll ausgeglichen werden. Während in diesem Fall der Ausgleich der sekundären und höheren Triigheitskräfte nicht erzielt werden kann, lassen sich jedoch die Beträge dieser Trägheitskräfte im Vergleich mit jenen dei herkömmlichen Kolben-Kurbelanordnung außerordentlich klein machen. Vom praktischen Standpunkt aus kann da-

o her festgestellt werden, daß die vorliegende K-.lben-Kurbelanorclnung schwingungsfrei ist.

Die Gleichung (a) stellt den ausgeglichenen Zustand der sich um ihre eigenen Achsen drehenden Teile, el. h. der am Kurbelzapfen 4 drehbar gelagerten

j Teile dar. Aus dieser Gleichung (a). die wie folgt umgeschrieben werden kann:

inB ■ RB

mA -I- mD ■ r - /

KB ■ mli eingestellt werden muß, indem mA

21

mC ■ RC inB ■ I -

■ mA

den Erfindung werden dabei die Massen ' · mA.

mD und mD den vom Kurbelzapfen 4 getragenen Teilen beigegeben, um der Gleichung (a) zu genügen, wobei jedoch der Schwerpunkt dieser Teile mit jenem des Kurbelzapfens 4 zusammenfällt. Man muß daher nichts anderes tun. als die Anordnung dieser Teile so wie sie ist auf dem Kurbelzapfen 4 anzubringen, und zwar ohne die Masse zu verringern oder eine spezifische Masse beizufügen, worauf RC ■ mC beigegeben wird, um das Gleichgewicht des als Ganzes limlaufenden Teils zu erlangen.

Der Ausgleich der Kolben-Kurbelanordnung kann in der Praxis wie folgt bewirkt werden. Zunächst iverden die mit dem Drehzapfen 5 verbundenen Teile, d. h. die Pleuelstange 6 und die Lager an ihren entgegengesetzten Enden, der Kolben, der Kolbenzapfen und seine Schelle sowie der Kolbenring entfernt, worauf ein Ausgleichring V mit einer Masse, die der Drehmasse ml) gleich ist. auf dem Drehzapfen 5 -— wie in Fig. 10 gezeigt — angebracht wird. Daraufhin wird ein Ausaleichrina W mit einer Masse

in Fig. 12 gezeigt, weist der Ausgleichring W zwei kreisförmige Löcher 14 auf. die zu Punkten konzen-I -^l- r
2/

mA

ml) ■ r

ist ersichtlich, daß zum endgültigen Erhalt des Gleichgewichts um den Kurbelzapfen 4 lediglich

zugegeben wird, und zwar an einer Stelle S. die in einem Abstand / in der Richtung der Exzentrizität des Drehzapfens 5 liegt, sowie mD an einer Stelle P.

die in einem Abstand r in der Richtung der Ex/.entrizitäi des Drehzapfens 5 liegt sowie ferner eine Unwucht RB ■ niB an einer diametral gegenüberliegenden Stelle.

Die Gleichung (b) stellt den ausgeglichenen Zustand der als Ganzes umlaufenden Teile, d. h. der vom Kurbelwellenlager drehbar getragenen Teile dar. Wird nun die Gleichung (b) zu

mD-l = / [mB -■ mA -

^;- r

mD)

umgeschrieben, so sieht man. daß das Kurbelwellenlager 13 endgültig, ausgewuchtet werden kann, indem die Masse RC ■ mC eingestellt wird, und zwar dadurch, daß ■ ' mA. mli und mD dem Kurbelzapfen 4 beigegeben werden, der in einem Abstand / exzentrisch angeordnet ist. sowie dadurch, daß eine Unwucht RC · mC an einer diametral gegenüberliegenden Stelle angebracht wird. Nach der vorliegen-

mA aum den Aussieichrina I' anaeordnet. Wie Irisch sind, die in einem Abstand / λ vom Mittelpunkt des Ausgleichsrings II' in bezug auf den Mittelpunkt des Ausgleichsrings II' einander gegenüberliegen. Jedes dieser Löcher oder Öffnungen hat einen Durchmesser, der dem Aiißendurchmesser des Ausgleichringes I' gleich ist. so daß der Ausgleichring I!' um den Ausglcichripg V satt anliegt, wenn dieser von einer der kreisförmigen Öffnungen aufgenommen ist. Dann wird die Stellung des Ausgleichringe-. iV in bezug auf die Kurbelteile 8 mittels an diesem Ring »Γ vorgesehener Stifte 15 auf solche Weise festgelegt, daß der Mittelpunkt des Ausgleichrint.· (Γ an einem

+5 Punkt liegt, der sich in der Richtung der F.xzentrität des Drehzapfens 5 an einer Linie befindet, die den Mittelpunkt (J des Kurbelzapfens 4 mit dem Mittelpunkt P des Drehzapfens verbindet. Nach alledem wird das Gleichgewicht der mit dem Kurbelzapf·" ' 4 drehbar verbundenen Teile, d. h. des Ritzels 2. des Drehzapfens 5 und der Kurbelteile 8 um den Kurbelzapfen 4 herum hergestellt. Dies wird durch Verwendung eines Auswuchtgerätes und durch Anbringung von Löchern in den Kurbelteilen 8 oder dadurch bewerkstelligt, daß diese Löcher mit einem Metall von großem spezifischem Gewicht, wie Blei, ausgefüllt werden. Der Gleichung (a) der oben angegebenen Bedingungen kann auf die beschriebene Weise genügt werden. Daraufhin wird die auf diest

So Weise erhaltene Anordnung an der Kurbelwelle 2 — wie in F i g. Π gezeigt — angebracht und dai Gleichgewicht um die Kurbelwellenlager 13 auf ähnliche Weise erzielt, wodurch die Gleichung (b) dei oben angegebenen Bedingungen erfüllt wird.

Wie aus dem obigen ersichtlich ist. wird da: Gleichgewicht der drehbaren Teile bei dem erfin dungsgemäßen Auswuchtverfahren erzielt, indem dii Masse mD in der Stellung r und die Masse mA

-^-j- in der Stellung / beigegeben wird, wobei in diesem Zustand gleichzeitig auch das Gleichgewicht der sich als Ganzes drehenden Teile erzielt werden kann. Nachdem das Gleichgewicht auf die oben beschriebene Weise erzielt wurde, werden die am Drehzapfen S angebrachten Massen mD und mA · -^—r

entfernt, worauf an Stelle dieser Teile die Pleuelstange 6 mit dem Drehzapfen 5 an ihrem großen Ende verbunden wird, so daß eine vibrationsfreie Kolben-Kurbelanordnung mit ausgeglichenen Trägheitskräften erhalten wird.

Nach dem erfindungsgemäßen Auswuchtverfahren ist sowohl der Ausgleichring V mit seiner Masse mD ils auch der Ausgleichring W mit seiner Masse -, die zum Erhalt des Gleichgewichtszustandes

2·/

verwendet werden, kreisförmig. Der Ausgleichring If muß lediglich die Löcher oder Öffnungen 14 aufweisen, die zu den in einem Abstand / — r vom Mittelpunkt des Aiisgleichringes W in entgegengesetzten Richtungen — in bezug auf den Mittelpunkt dieses

Ausgleichringes — liegenden Punkten konzentrisch sind. Dies ist insofern vorteilhaft, als die Schwerpunktlaeen der Ausgleichringe V und W genau bestimmt herden können, so daß die Kolben-Kurbelanordnung leicht, einfach und genau ausgewuchtet

is werden kann.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kolben-Kurbelmechanismus mit Trägheitski af tausgleich, mit einem in einem Zylinder hin- und hergehenden Kolben, einer in einem Kurbelkasten drehbar gelagerten Kurbelwelle, einem an der Innenwand des Kurbclkastens befestigten Innenzahnkranz, einem mit dem Innenzahnkranz in Eingriff stehenden Umlaufzahnrad, dessen Zähnezahl gleich der halben Zähnezahl des Innenzahnkranzes ist und das an der Kurbelwelle drehbar, exzentrisch zur Drehachse der Kurbelwelle gelagert ist, und einer Pleuelstange, die mit einem Ende mit dem Kolben und mit ihrem anderen Ende schwenkbar mittels eines Drehzapfens mit dem Umlaufzahnrad verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende der Pleuelstange (6) schwenkbar an den Kolben (7) angelenkt tst und das andere Ende an einer Stelle innerhalb des Teilkreises des Umlaufzahnrads (2) an diesem schwenkbar angelenkt ist.

2. Kolben-Kurbelmechanismus nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (3) mit einer Ausgleichsmasse (mC) für die Umlaufbewegung als Ganzes an einer Stelle versehen ist. die zum Mittelpunkt (O) der Kurbelwelle (3) in einer der Richtung der Exzentrizität des Umlaufzahnrads (2) entgegengesetzten Richtung in bezug 'uf die Kurbelwelle (3) exzentrisch ist, und daß das Umlaufzahnrad (2) mit einer Ausgleichsmafse (mB) für die Drehbewegung an einer zu seinem Mittelpunkt (Q) in einer Richtung exzentrischen Stelle versehen iss. die dem Punkt der Schwenkbewegung zwischen dem Umlaufzahnrad (2) und der Pleuelstange (6) gegenüberliegt.

3. Kolben-Kurbelmechanismus nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsmasse (mB) für die Drehbewegung der Gleichuni;