DE2723269A1

DE2723269A1 - Mehrzylindrige hubkolbenmaschine

Info

Publication number: DE2723269A1
Application number: DE19772723269
Authority: DE
Inventors: Alfred Dr Ing Gerber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-05-11
Filing date: 1977-05-24
Publication date: 1978-11-23
Also published as: DE2723269C2; CH620738A5

Description

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Patentanwalt BE 18 207

DIPL.-ING. B. SCHMID

7 Stuttgart 1, Falbenhennenstr. 17

Dr.Ing. Alfred Gerber, Zürich

Mehrzylindrige Hubkolbenmaschine

Die Erfindung betrifft eine mehrzylindrige Hubkolbenmaschine, insbesondere eine Brennkraftmaschine, deren Kolben in kraftübertragender Verbindung mit einem Endbereich eines in einer Ebene schwenkbar gelagerten Hebels stehen.

In der Anfangszeit der technischen Entwicklung, die zu den heute allgemein üblichen und zu vielen Millionen hergestellten modernen Kraftfahrzeugmotoren geführt hat, sind verschiedene andere Konstruktionsprinzipien, z.B. auch entsprechend der eingangs genannten Art, bekannt geworden, die sich jedoch aufgrund von unausgeglichenen Massenkräften und ihrer Eignung für nur damals übliche geringe Drehzahlen in der weiteren Entwicklung nicht durchsetzen konnten. Trotz dem

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ständigen Streben nach einer Leistungserhöhung bzw. Erhöhung der möglichen Drehzahl beziehen sich die neusten Verbesserungen an Kraftfahrzeugmotoren überwiegend auf Motoren, deren Kolben über Pleuelstangen eine Kurbelwelle antreiben. Lediglich der Wankelmotor hat einen ernsthaften Versuch gezeigt, die zahlreichen Nachteile eines üblichen Kurbelwellenmotors zu vermeiden.

Bekanntlich hat erst eine lange technische Entwicklung und ein hoher Herstellungsaufwand zu einer Kurbelwelle geführt, bei der die dynamischen Kräfte bei üblichen Drehzahlen einigermassen beherrscht werden. Weiterhin ist die Kraftübertragung von den Kolben über Pleuelstangen auf die Kurbelwelle mit einer Geräuscherzeugung sowie mit erheblichen Reibungsverlusten und entsprechend starkem Verschleiss verbunden, so dass die Kolbengeschwindigkeiten begrenzt werden müssen. Dabei erfordert die Geradeführung der Kolben in den Zylindern aufgrund der auftretenden Querkräfte einen besonderen konstruktiven Aufwand. Die Grosse der bei Kurbelwellenmotoren durch die Kolben, die Pleuel- und Kurbelwellenlager auftretenden Reibungsverluste in Abhängigkeit von der Motordrehzahl ist beispielsweise in dem Fachbuch "Hütte" HA, 28. Auflage, auf Seite 730 in Bild 24 graphisch dargestellt. Die Geräuscherzeugung aufgrund des Anlagewechsels und der Kippbewegung der Kolben ist in einem Artikel "Minderung des Motorgeräusches bei Personenwagen" von M. Paletschek, Weissach, beschrieben, der in der Zeitschrift "Automobil-

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Revue", Nr. 13 vom 24. März 1977 auf Seite 45/46, veröffentlicht wurde.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile eines üblichen Kurbelwellenmotores zu vermeiden und eine Hubkolbenmaschine zu finden, die gegenüber bekannten Hubkolbenmaschinen eine wesentlich grössere Laufruhe, geringe Reibungsverluste und geringen Verschleiss aufweist, so dass sie hohe Kolbengeschwindigkeiten ermöglicht und ein entsprechend günstiges Leistungsgewicht. Diese Aufgabe wird mit einem überraschend geringen konstruktiven Aufwand dadurch gelöst, dass mit einander gegenüberliegenden Endbereichen eines zweiarmigen Hebels jeweils gleichachsig geführte Arbeitskolben gleicher Grosse verbunden sind und dass die Drehmomententnahme bzw. -einleitung über einen Exzenteroder Kurbelmechanismus erfolgt, dessen Stange zwischen der Lagerstelle des Hebels und einem der Hebelendbereiche an einem Hebelarm angelenkt ist, wobei zum Massenausgleich ein gleichartiger Exzenter- oder Kurbelmechanismus inbezug auf die Lagerstelle des Hebels symmetrisch mit dem gegenüberliegenden Hebelarm verbunden ist, so dass der gemeinesame Schwerpunkt sämtlicher bewegter Teile der Maschine in der Hebelachse liegt.

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Eine Hubkolbenmaschine dieser Art hat somit keine Kurbelwelle mit zahlreichen Kröpfungen, die der Zylinderzahl entsprechen, und aus der genannten Definition ergibt sich, dass die auf die Hebelendbereiche wirkenden Arbeitskolben zusammen mit dem Hebel in einer gemeinsame Ebene liegen. Auf diese Weise hat die erfindungsgemässe Hubkolbenmaschine in Richtung der Hebelachse bzw. einer möglichen Antriebswelle nur eine geringe Ausdehnung, so dass mehrere Maschineneinheiten mit je vier Zylindern an einer gemeinsamen Welle arbeiten können und sich ohne konstruktive Schwierigkeiten ein kompakter 8-Zylinder-, 12-Zylinder- oder 16-Zylinder-Motor verwirklichen lässt. Es bereitet insbesondere keine konstruktiven Schwierigkeiten, eine entsprechend stark ausgebildete Hauptwelle vorzusehen, da diese zylindrisch oder sogar hohlzylindrisch ausgebildet werden kann und lediglich einen entsprechend grossen Durchmesser aufweisen muss.

Ein weiterer bedeutender Vorteil ergibt sich dadurch, dass jeweils zwei gleichachsig geführte Arbeitskolben so miteinander verbunden werden können, dass sie sich gegenseitig führen und entsprechend kurz und leichtgewichtig ausgebildet werden können, da sie lediglich in Richtung der Zylinderachse wirkende Kräfte aufnehmen und den Zylinderraum abdichten müssen. Da somit auch jeweils die Zylinder der gleichachsig geführten und gleichgrossen Arbeitskolben gleichachsig den gleichen Durchmesser aufweisen, lassen sie sich in einem Arbeitsgang aus einem Werkstück

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gemeinsam herstellen.

Da jeweils zwei Arbeitskolben unter Vermeidung von Kolbenbolzen auch starr miteinander verbunden sein können und durch den nicht erforderlichen Pleuelmechanismus an den Arbeitskolben keine wesentlichen Querkräfte auftreten, sind die Geräuschentwicklung, die Reibungsverluste und der Verschleiss entsprechend gering, und es können wesentlich höhere Kolbengeschwindigkeiten und damit höhere Leistungen verwirklicht werden als bisher möglich war.

Durch die Drehmomententnahme bzw. -einleitung an einer Stelle zwischen der Hebellagerung und einem der Hebelendbereiche ergibt sich eine Hebelwirkung, durch die sich an dem an dem Hebel angreifenden Exzenter- oder Kurbelmechanismus entsprechend geringere Geschwindigkeiten ergeben als bei einer Anordnung eines Pleuelmechanismus an den Arbeitskolben. Weiterhin müssen durch den Exzenter- oder Kurbelmechanismus nur die resultierenden Kräfte bzw. die Nutzleistung übertragen werden, da die Kraftübertragung von dem den Arbeitshub ausführenden Kolben auf die übrigen Kolben über den zweiarmigen Hebel erfolgt. Es versteht sich auch, dass diese Kraftübertragung zwischen den Kolben über den Hebel mit wesentlich weniger Reibungsverlusten verbunden ist als bei der bisher üblichen Kraftübertragung über die Kurbelwelle und die Pleuelmechanismen der Kolben. Durch die Konstruktion der erfindungsgemässen Hubkolbenmaschine sind somit weniger Hindernisse gegeben,

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die eine Drehzahlbegrenzung der Maschine erforderlich machen, und es können hohe Drehzahlen gewählt werden, die lediglich durch die gewählte Ventilkonstruktion und durch Massenkräfte begrenzt sind. Für höhere Drehzahlen bzw. Kolbengeschwindigkeiten kann z.B. auch eine an sich bekannte Ventilkonstruktion mit Drehschiebern verwendet werden.

Im folgenden wir die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine durch die vier Zylinder geführte Querschnittsdarstellung einer Hubkolbenmaschine, und

Fig. 2 einen Querschnitt in Richtung der Exzenterwelle durch eine Hubkolbenmaschine mit zwei parallel zueinander angeordneten Maschineneinheiten entsprechend der Darstellung in Fig. 1.

Wie der Darstellung in Fig. 1 zu entnehmen ist, sind jeweils zwei gleichachsige Arbeitskolben 1, 2 bzw. 3, 4 über eine Kolbenstange 5 bzw. 6 starr miteinander verbunden. Die Kolben haben eine im Vergleich zu bisher üblichen Kolben geringe Höhe, da durch die starre Verbindung über die Kolbenstange die beiden gleichachsigen Kolben 1, 2 bzw. 3, 4 sich gegenseitig in den zugehörigen Zylindern 7 bis 10 führen. Durch die gleichachsige Anordnung von jeweils zwei Kolben gleicher

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Grosse können jeweils zwei folglich ebenfalls gleichachsige Zylinder 7, 8 bzw. 9, 10 aus einem Werkstück gemeinsam gefertigt werden, das die Form eines Hohlzylinders 11 bzw. aufweist. Beide Hohlzylinder sind im Bereich ihrer Enden fest in dem Maschinengehäuse 13 gehalten, so dass ihre Aussenflachen 14, 15 durch OeI gekühlt werden können, das über ein nicht dargestelltes Verteilsystem, ausgehend von einer Oelpumpe, auf die Zylinderwände gespritzt wird. Im mittleren Bereich der Hohlzylinder 11, 12 sind in der Zylinderwand jeweils zwei diametral einander gegenüberliegende Oeffnungen 16, 17 bzw. 18, 19 vorgesehen, so dass Schmieröl auch an die Innenfläche der Hohlzylinder 11, 12 bzw. die Laufflächen der Zylinder 7 bis 10 gelangen kann.

Beide Doppelkolben 1, 2 bzw. 3, 4 sind über ihre Kolbenstange 5 bzw. 6 mit den Enden 20, 21 eines zweiarmigen Hebels 22 verbunden, der in seiner Mitte auf einer Achse 23 gelagert ist. Die hin. und hergehende Bewegung der Kolbeneinheiten 1, 2 bzw. 3, 4 bewirkt somit eine Pendelbewegung des Hebels 22 um die Achse 23. Da dabei die Hebelenden 20, 21 gegenüber den Kolbenstangen 5, 6 sich ändernde Winkelpositionen einnehmen, ist im dargestellten Beispiel in einer Querbohrung 24, 24 eines erweiterten mittleren Bereiches 26, 27 der Kolbenstange 5, 6 ein Pendellager 28, 29 für die Stangenenden 20, 21 vorgesehen. Hierfür eignet sich beispielsweise das unter der Handelsbezeichnung "SKF GE 25ES" bekannte Lager. Für diese Verbindung zwischen den Stangenenden und

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den Kolbenstangen sind verschiedene Gelenkkonstruktionen geeignet, wobei die geringe Querbewegung ausführbar sein muss, die durch die Bewegung der Armenden 20, 21 auf einer Kreisbahn entsteht. Aufgrund der Länge des Hebels 22 liegt die Grosse dieser Querbewegung jedoch nur im Bereich von einem Millimeter, so dass sie durch das ohnehin vorhandene Spiel eines Pendellagers aufgenommen werden kann.

Es ist auch eine Konstruktion möglich, bei der die Doppelkolben nicht starr über die Kolbenstange 5, 6 miteinander verbunden sind, indem jeder Kolben eine eigene Kolbenstange hat, die durch ein Bolzenlager mit dem Armende 20 bzw. 21 verbunden ist. Dabei ergibt sich infolge der Bewegung der Armenden 20, 21 auf einer Kreisbahn eine Kippbewegung der Kolben, die jedoch so gering ist, dass die Abdichtung der Kolben nicht beeinträchtigt wird.

Die Zylinderköpfe 30 bis 33 sind dem jeweiligen Maschinentyp angepasst und entsprechen beispielsweise dem Zylinderkopf eines üblichen Viertaktmotors oder eines Dieselmotors, so dass sie in der Zeichnung nicht mit allen Einzelheiten dargestellt sind. Bei der achtzylindrigen Ausführung eines Viertaktmotors, d.h. mit jeweils senkrecht zur gleichen Ebene parallel nebeneinander angeordneten Zylindern, können beispielsweise Zylinderköpfe eines Alfasud-Motors verwendet werden. Die an den Zylinderköpfen sichtbaren Schraubbolzen

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JH

34 dienen der Befestigung der nicht dargestellten Nockenwelleneinheit für die Ventilsteuerung und der Befestigung der Ansaug- und Auslassleitungen.

Die Drehmomententnahme bzw. -einleitung erfolgt über einen Exzentermechanismus 35 und/oder 36, von denen je einer an einem der Arme 37, 38 des Hebels 22 angelenkt ist. Einer der beiden Exzentermechanismen dient dem dynamischen Ausgleich der Masse des anderen Exzentermechanismus, so dass der auf der angetriebenen bzw. antreibenden Exzenterwelle 39 bzw. vorgesehene Exzenter 41 bzw. 42 eine um 180 verdrehte Position inbezug auf den Exzenter des anderen Exzentermechanismus hat. Auf diese Weise liegt der gemeinsame Schwerpunkt sämtlicher bewegter Teile der Kolbenmaschine in der geometrischen Achse der Hebelachse 23, so dass die Laufruhe der Hubkolbenmaschine gewährleistet ist.

Die Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die Maschine, der durch die Exzenterwelle 39 und den in dem Hebelarm 37 gelagerten Gelenkbolzen 4 3 geführt ist. Die Antriebsverbindung zwischen dem Hebelarm 37 bzw. dem Gelenkbolzen 4 3 und dem Exzenter erfolgt über eine gegabelte Exzenterstange 44, durch deren Gabelschenkel 45, 46 der Gelenkbolzen 43 geführt ist, so dass die Gabelschenkel den Hebelarm 37 beidseitig umfassen. Bei der achtzylindrigen Ausführung der Maschine ist die Exzenterwelle 39 und entsprechend auch die Exzenterwelle 40 des anderen Exzentermechanismus zu einem zweiten Exzenter

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47 hin verlängert, an dem der Exzentermechanismus 36' bzw. 35' der zweiten Vierzylindermaschineneinheit angreift. Durch das Uebersetzungsverhältnis entsprechend dem Hebelverhältnis an der Anlenkstelle des Exzentermechanismus 36 am Hebelarm 22 sind durch den Exzentermechanismus wesentlich grössere Kräfte bei geringerer Geschwindigkeit zu übertragen als an den Hebelenden 20, 21 wirken, und da die Exzentrizität der Exzenter 41, 47 verhältnismässig klein ist, wird das an der Exzenterwelle 39 wirkende Drehmoment mit einer verhältnismässig grossen Kraft übertragen, die sich durch entsprechende Dimensionierung der einfach gestalteten Welle und ihrer Lager 48, 4 9 und 50 ohne Schwierigkeiten beherrschen lässt. Am einen Ende der Exzenterwelle 39 befindet sich ein Wellenzapfen 51 für den Antrieb der Nebenaggregate der Maschine, wie z.B. bei einer Brennkraftmaschine des Lüfters, der Lichtmaschine u.a. Am anderen Ende der Exzenterwelle ist ein Schwungrad 52 befestigt, in dessen Zahnkranz 53 das Ritzel eines nicht dargestellten Anlassers eines Kraftfahrzeugmotors eingreifen kann.

Da an jedem Hebelarm 37, 38 ein Exzentermechanismus 36, 35 angreift, aber nur einer von beiden der Entnahme bzw. Einleitung des Nutzdrehmomentes dient, kann die Exzenterwelle des anderen Exzentermechanismus dem Antrieb der nicht dargestellten Nockenwellen für die Ventilsteuerung oder von Nebenaggregaten dienen.

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Um beim Anlauf der Maschine den Totpunkt des dabei nicht unmittelbar angetriebenen anderen Exzentermechariismus zu überwinden, kann zwischen beiden Exzentermechanismen z.B. durch Zahnräder oder einen Riemenantrieb eine Antriebsverbindung vorgesehen sein. Diese Antriebsverbindung kann aus drei Zahnrädern bestehen, die in Fig. 1 durch Strich-Punkt-Linien 55, 56 und 58 angedeutet sind. Die Zahnräder 55 und 58 sind auf den Exzenterwellen 39 und 40 befestigt, während das Zahnrad 56 mit der Hebelachse 23 fest verbunden ist, um diese mitanzutreiben. Hierfür sind die beiden Enden der Hebelachse 23 in nichtdargestellten Lagern drehbar gelagert. Da somit die Hebelachse 23 kontinuierlich in Drehbewegung versetzt wird, kann sich zwischen der Hebelachse 23 und dem Hebel 22 ein kontinuierlicher ilm aufbauen.

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Claims

Patentansprüche

1.jMehrzylindrige Hubkolbenmaschine, insbesondere Brennkraftmaschine, deren Kolben in kraftübertragender Verbindung mit einem Endbereich eines in einer Ebene schwenkbar gelagerten Hebels stehen, dadurch gekennzeichnet, dass mit einander gegenüberliegenden Endbereichen (20, 21) eines zweiarmigen Hebels (22) jeweils gleichachsig geführte Arbeitskolben (1, 2} 3, 4) gleicher Grosse verbunden sind und dass die Drehmomententnahme bzw. -einleitung über einen Exzenter- oder Kurbelmechanismus (36) erfolgt, dessen Stange (44) zwischen der Lagerstelle (23) des Hebels und einem der Hebelendbereiche (20) an einem Hebelarm (37) angelenkt ist, wobei zum Massenausgleich ein gleichartiger Exzenter- oder Kurbelmechanismus (35) in bezug auf die Lagerstelle (23) des Hebels symmetrisch mit dem gegenüberliegenden Hebelarm (38) verbunden ist, so dass der gemeinsame Schwerpunkt sämtlicher bewegter Teile der Maschine in der Hebelachse (23) liegt.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in mehreren Ebenen jeweils vier Kolben-Zylindereinheiten (1, 7; 2, 8; 3, 9; 4, 10) angeordnet sind, wobei die Exzenter- oder Kurbelmechanismen (36, 36' usw.) auf einer gemeinsamen Welle (39) arbeiten.

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3. Maschine nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch beide Exzenter- oder Kurbelmechanismen (35, 36; 35', 36') jeweils eine Welle (39, 40) angetrieben wird.

4. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden mit einem Exzenter- oder Kurbelmechanismus in Antriebsverbindung stehenden Wellen (39, 40) die An- bzw. Abtriebswelle der Maschine bildet und die Welle (40) des anderen Exzenter- oder Kurbelmechanismus (35) in Antriebsverbindung mit mindestens einer Nockenwelle zum Antrieb der Zylinderkopfventile oder mit Nebenaggregaten der Maschine steht.

5. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gleichachsig geführten Arbeitskolben (1, 2 bzw. 3, 4) starr miteinander verbunden sind, so dass sie sich gegenseitig in ihren zugehörigen Zylindern (7-10) führen, wobei die Verbindung zwischen einem Endbereich (20, 21) des zweiarmigen Hebels (22) und einer Doppelkolbeneinheit (1, 2 bzw. 3, 4) über ein Pendellager (28, 29) erfolgt.

6. Maschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die einem Doppelkolben (1, 2 bzw. 3, 4) zugehörigen

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Zylinder (7, 8 bzw. 9, 10) aus einem gemeinsamen Hohlzylinder (11, 12) gefertigt sind, in dessen mittlerem Bereich sich mindestens eine Durchführungsöffnung (16-19) befindet.

7. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Totpunktüberwindung die Wellen beider Exzenteroder Kurbelmechanismen miteinander in Antriebsverbindung stehen.

8. Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Antriebsverbindung (55, 56, 58) zwischen beiden Exzenter- oder Kurbelmechanismen die Hebelachse (23) mit angetrieben wird.

17.5.1977
QU/ae/lf

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