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Vorrichtung zum Umwandeln einer Rota-
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tionsbewegung in eine hin- und hergehende Bewegung und umgekehrt
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln einer Rotationsbewegung in eine
hin- und hergehende Bewegung mit veränderlichem Hub und umgekehrt.
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Eine derartige Vorrichtung kann beispielsweise bei Wärmekraftmaschinen,
Verdrängerpumpen etc. eingesetzt werden.
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Häufig müssen derartige Maschinen mit zusätzlichen Vorrichtungen elektrischer,
elektronischer oder mechanischer Bauart ausgerüstet sein, um den Energiefluß bezüglich
der abzugebenden oder umzuformenden Arbeit optimal auszunutzen; derartige Zusatzeinrichtungen
können beispielsweise ein Wechselgetriebe bei Kraftfahrzeugen oder ein Getriebe
bei Pumpen für Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte sein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
erläuterten Gattung zu schaffen, mit deren Hilfe rasch und unmittelbar auf die Betriebsweise
der Maschine Einfluß genommen werden kann, um deren Kapazität durch geometrische
Veränderungen variieren zu können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Anspruchs
1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich
aus den Unteransprüchen.
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Für die erfindungsgemäße Vorrichtung ergeben sich zahlreiche Anwendungsgebiete.
An dieser Stelle sei nur auf einige hingewiesen, nämlich Motoren, die mit einer
Verdrängermaschine konstanten oder variablen Durchsatzes von Fltssigkeiten verbunden
sind, welche auch unterschiedliche Dichte oder regelbare Fördermenge von Flüssigkeiten
gleicher Dichte haben können, wobei die Drehzahl des Motores konstant gehalten wird,
um dadurch die Antriebsenergie optimal auszunutzen und die Installation komplizierter
und teurer elektrischer
oder elektronischer Zusatzeinrichtungen
oder mechanischer Getriebe oder dgl. zu vermeiden; alternierende Elektromotoren
der neuen Generation, die unmittelbar die elektromagnetische Zugkraft zwischen den
Polenden eines Elektromagneten und eines ferromagnetischen Stabes ausnutzen, wobei
der Luftspalt zwischen Null und einem Maximalwert variabel ist und nur von den Betriebsgrenzen
abhängig ist; alle Maschinen mit hin- und hergehender Bewegung und variablem Schub,
beispielsweise Werkzeugmaschinen, Bagger usw.; Verbrennungskraftmaschinen mit variablem
Hubraum und konstantem Verdichtungsverhältnis und dgl.
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mehr.
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Die Erfindung ist nachstehend im Prinzip und an einem Ausführungsbeispiel
anhand der Zeichnung erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 eine schematische Ansicht eines Kurbeltriebes,
auf dem die erfindungsgemäße Vorrichtung beruht, Figur 2 eine schematische Ansicht
zur Darstellung der gurven für die Veränderung des Hubes und der Kurve konstanter
Kompression bei der Anwendung der Vorrichtung in einer Verdrängermaschine, Figur
3 eine schematische Ansicht der Vorrichtung bei Anwendung in einer Verdrängermaschine
und Figuren 4 und 5 perspektivische Darstellungen der erfindungs gemäßen Vorrichtung
in zwei unterschiedlichen Stellungen bei der Anwendung in einem Verbrennungsmotor,
von dem nur die hier interessierenden Teile dargestellt sind.
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In Fig. 1 ist der grundsätzliche Kurbeltrieb für die erfindungsgemäße
Vorrichtung dargestellt, wobei mit 1 eine Kurbelscheibe bezeichnet ist, die möglichst
reibungsfrei und in einer horizontalen Ebene in einer inneren Ringnut eines Lagers
2 rotiert. Das Lager 2 ist mit dem vom Betrachter aus gesehenen Bezugssystem fest
verbunden und erlaubt der Kurbelscheibe 1 nur einen Freiheitsgrad, nämlich eine
Rotation um die eigene Achse, die rechtwinklig auf der Rotationsebene steht.
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Auf der Oberfläche der Kurbelscheibe 1 ist in einem Punkt 3, der nicht
mit dem Zentrum übereinstimmt und vorzugsweise nahe des Randes angeordnet ist, ein
Ende einer Pleuelstange 4 angelenkt, deren Länge größer ist als der Durchmesser
der Kurbelscheibe 1 und deren anderes Ende in einem Gelenkpunkt 5 am unteren Ende
eines Schiebers 6 angelenkt ist. Der Schieber 6 ist vertikal und reibungsarm in
einer durchgehenden Längsbohrung eines Fuhrungsorgans 7 verschiebbar angeordnet.
Das Führungsorgan 7 ist mit dem oberen Ende einer Stütze 8 verbunden, deren unteres
Ende am Lager 2 der Kurbelscheibe 1 befestigt ist.
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Bei der beschriebenen Vorrichtung wird eine Drehbewegung der Kurbelscheibe
1 in eine hin- und hergehende Bewegung des Schiebers 6 im Führungsorgan 7 umgewandelt,
wobei der Schieber 6 mit größer werdender Neigung der Pleuelstange 4 beim Durchlaufen
eines Kreisbogens von 1800 nach unten gezogen wird, während er beim Durchlaufen
des folgenden Kreisbogens von 1800 wieder nach oben gedrückt wird.
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Wenn man beispielsweise mit 0° einen Punkt bezeichnet, in dem sich
die Kurbelscheibe 1 befindet, wenn die Pleuelstange 4 mit dem Schieber 6 in Achsrichtung
fluchtet, befindet sich der Gelenkpunkt 5 des Schiebers 6 im oberen otpunkt x,
während
nach einer Drehung der Kurbelscheibe 1 um 1800 der Gelenkpunkt 5 des Schiebers 6
im unteren Totpunkt liegt, der mit y bezeichnet ist. Der Hub des Schiebers 6 entspricht
daher dem Abstand zwischen x und y.
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Es soll nun angenommen werden, daß durch geeignete Abänderung der
Befestigungseinrichtung und unter Beibehaltung der Länge der Pleuelstange 4 die
Achse des Schiebers 6 nach rechts verschoben wird, so daß sie mit der strichpunktierten
Linie a zusammenfällt, deren Verlängerung nach unten die Kurbelscheibe 1 in einem
Punkt zwischen deren Drehachse b und dem Gelenkpunkt 3 der Pleuelstange 4 trifft.
Unter diesen Bedingungen ergeben sich dieselben mechanischen Verhältnisse mit dem
Unterschied, daß die Totpunkt des Gelenkpunktes 5 nicht mehr mit den Punkten x und
y übereinstimmen, sondern daß der neue obere Tot ~ punkt weiter nach unten (z' auf
der Kurve c) und der untere Totpunkt weiter nach oben (y' auf der Kurve d) verschoben
sind. Der Hub des Schiebers 6 ist auf diese Weise merklich verkürzt und entspricht
dem Abstand zwischen x' und y'.
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In Fig. 2 kann bei gleichbleibendem Radius der Kurbelsoheibe 1, gleichbleibender
Länge der Pleuelstange 4 und gleichbleibender Lage des Gelenkpunktes 3 die Rubänderung
des Schiebers 6 besser verfolgt werden, wobei der Schieber 6 hier nicht eingezeichnet
und punktförmig angenommen ist, der nacheinander mehrmals mit seiner Achse - wie
anhand von Fig. 1 beschrieben - verschoben worden ist. Die verschiedenen Hublängen
sind als zueinander parallele Strekken zwischen den Kurven c und d dargestellt,
auf denen die oberen bzw. die unteren Totpunkt liegen und die durch Kreisbögen gebildet
sind, deren Mittelpunkte in.den zuvor definierten Punkten bei Oo bzw. 1800 liegen,
welche
den Gelenkpunkten 3 auf der Kurbelscheibe 1 entsprechen.
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Man erkennt, daß die Hublänge immer kürzer wird, Je mehr sich die
Achse des punktförmig angenommenen Schiebers der Drehachse der Kurbelscheibe 1 nähert,
bis sie zu Null wird, wenn diese beide Achsen zusammenfallen und die Kurven c und
d einander schneiden.
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Aus dem Vorstehenden läßt sich ableiten, daß sich die Abmessungen
einer angenommenen Maschine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie die Einstellung
der Hublänge des Schiebers ergeben in Abhängigkeit vom Rotationsradius des Gelenkpunktes
3 der Pleuelstange 4, von der Länge der Pleuelstange 4 und von der Verschiebestellung
des Bührungsorgans des Schiebers aus der der Stellung Oo entsprechenden, äußersten
Lage der Kurbelscheibe 1 bis zur mit der Rotationsachse übereinstimmenden Lage.
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Der Fig. 2 kann weiterhin entnommen werden, daß beispielsweise beim
Entwurf einer Wärmekraftmaschine mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung die Möglichkeit
besteht, das Kompressionsverhältnis konstant zu halten, während die Lage der Schieberachse
zur Hubveränderung verstellt wird.
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Aus geometrischen Gründen ergibt sich, daß die Gesamtheit der Punkte,
in der sich der Zylinderkopf 9 der Verdrängermaschine oberhalb des Schiebers bzw.
Kolbens (der, wie erwähnt, punktförmig gedacht ist,) befinden kann, so daß ein bestimmter
Wert eines Verdichtungsverhältnisses konstant bleibt, von den Extrempunkten des
Kolbenhubes abhängt, d. h., von der Gesamtheit der oberen und unteren Totpunkte,
die Kreisbögen bilden, welche eine analytische Bestimmung der Kurve konstanter Kompression
zulassen, die eine einem Kreisbogen angenäherte Kurve ist.
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Im Fall der Fig. 2 ist die Gesamtheit der Punkte der Stellung des
Zylinderkopfes 9 zur Konstanthaltung des Verdichtungsverhältnisses durch einen Kreisbogen
e mit einem Radius f dargestellt.
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In Fig. 3 ist schematisch ein Anwendungsbeipiel des der Erfindung
zugrunde liegenden Kurbeltriebes dargestellt, der in einer Verdrängermaschine eingesetzt
ist.
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Wie sich aus der Fig. 3 ergibt, ist es für diesen Anwendungszweck
ausreichend, die starre Befestigung, d. h., die Stütze 8 der Fig. 1, vom Führungsorgan
7 des Schiebers 6 zu lösen, so daß im dargestellten Fall der Zylinderkopf 9, der
Zylinder 10 und der Kolben 11 nicht mehr starr mit dem Lager 2 der Kurbelscheibe
1 verbunden sind, sondern mittels einer beliebigen Anzahl von Stangen 12 - im Ausführungsbeispiel
sind es 2 - eine Verbindung herzustellen. Dabei ist ein Ende jeder Stange 12 im
Punkt 13 an einem Hauptlager 14 und das andere Ende der Stange 12 im Punkt 15 am
Zylinderkopf 9 angelenkt. Auch bei diesem Beispiel gilt das zum konstanten Verdichtungsverhältnis
Gesagte, d. h.
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zur Verschiebung des Zylinderkopfes 9 auf dem Ereisbogen e mit Radius
f bei der Verstellung des Hubes des Kolbens 11 entsprechend der Verschwenkung der
Stangen 12 um ihre Gelenkpunkte.
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Wenn beispielsweise ein Hubkolben-Kompressor konstruiert werden soll,
werden die Stangen 12 so ausgelegt, daß der Zylinderkopf 9 entsprechend der Kurve
der oberen Totpunkte verdreht wird, während bei einer Wärmekraftmaschine die Stangen
12 den Zylinderkopf entsprechend der Kurve e für konstante Verdichtung verschwenken
müssen. Im ersten Fall haben die Stangen 12 dieselbe Länge wie die Pleuelstangen,
während im zweiten Fall die Stangen 12 die Abmessungen des
Radius
f haben.
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Anschließend wird nun ein praktisches Anwendungsbeispiel anhand der
Figuren 4 und 5 erläutert, bei dem die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Verbrennungsmotor
mit Hubkolben veränderlichen Hubes und konstanten Verdichtungsverhältnisses eingesetzt
ist. Dabei sind übereinstimmende Teile mit denselben Bezugsziffern wie in den Figuren
1 bis 3 bezeichnet.
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Wie sich aus den Figuren 4und 5 ergibt, sind zwei erfindungsgemäße
Vorrichtungen in vertikaler Richtung mit ein ander vereinigt und mit 16 bzw. 16'
bezeichnet, so daß sich eine Gesamtvorrichtung ergibt, mit deren Hilfe die durch
die Bewegung verursachten Belastungen optimal ausgeglichen werden können. Da die
beiden Mechanismen 16 und 16' übereinstimmen, gelten die folgenden Ausführungen
für beide gleichermaßen.
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Wie bei den vorangegangenen Betrachtungen ist mit 9 ein Zylinderkopf
bezeichnet, der in den Figuren 4 und 5 nur schematisch angedeutet ist und keinerlei
konstruktive Einzelheiten zeigt. Mit dem Zylinderkopf 9 ist ein Zylinder 10 verbunden,
in dem ein Kolben 11 hin- und herbeweglich gelagert ist. Der Kolben 11 ist über
ein Kugelgelenk 5 mit einem Ende der Pleuelstange 4 verbunden, deren anderes Ende
über ein weiteres Kugelgelenk 3 mit der verzahnten Kurbelscheibe 1 in Verbindung
ist. Die Kurbelscheibe 1 ist drehbar im Hauptlager 14 angeordnet, das für beide
Mechanismen 16 und 16' gemeinsam vorgesehen ist. flber das Hauptlager 14 ist die
Kurbelscheibe 1 des einen Mechanismus 16 mit der Kurbelscheibe des anderen Mechanismus
16' mittels eines axialen Verbindungsorgans, das nicht dargestellt ist, verbunden.
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Um den beiden beweglichen Zylinderköpfen 9 eine ausreichende Längssteifigkeit
zu verleihen und gleichzeitig deren Horizontalverschiebung sowie deren Feststellung
bei einem gewünschten Kolbenhub zu ermöglichen, sind zwei zylindrische Stangen 17
vorgesehen, von denen jede abgedichtet und mit geringster Reibung in einem Rohrstück
18 verschiebbar ist, das mit dem entsprechenden Zylinderkopf des Mechanismus 16
bzw. 16' verbunden ist. Die Stangen 17 sind durch Langlöcher 26, die in das Hauptlager
14 eingearbeitet sind, hindurchgeführt, wobei die Langlöcher 26 als Führungen dienen,
in denen die Stangen 17 zwischen zwei Endlagen verschoben werden können. Dabei entspricht
die eine Endlage der Position des Zylinderkopfes 9 bei maximalem Hub der Kolben
11 (in den Fig. 4 und 5 die nach links gerichtete Lage), während die andere Endstellung
der Position des Zylinderkopfes 9 entspricht,in der der Hub der Kolben 11 Nüll ist
(in den Fig. 4 und 5 die zur rechten Seite hin verschobene Lage).
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Um jede Stange herum sind zu jeder Seite der Langlöcher 26 und in
deren Nähe zwei Ringe 19 gelegt, von denen jeder mit einem Zuganker 20 verbunden
ist, der in horizontaler Richtung verläuft und verschiebbar durch eine Platte 21
hindurchgeführt ist, die an einer Endfläche des Hauptlagers 14 mit diesem verbunden
ist.
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Zur Er&eugung einer ausreichenden Quersteifigkeit des Mechanismus
und zur Durchführung der vertikal -Verschiebung der beweglichen Zylinderköpfe 9
sind jedem Zylinderkopf 9 vier Schwenkstangen 22 zugeordnet, von denen jede mit
ihren beiden Enden an einem Schwenkpunkt 23 bzw. 24 mit dem Zylinderkopf 9 bzw.
dem Hauptlager 14 verbunden ist. Die Schwenkstangen 22 sind dabei so angeordnet,
daß sie bei der Stellung des Zylinderkopfes 9 entsprechend dem maximalen Hub des
Kolbens 11 bereits bezüglich der Vertikalen
geneigt sind und parallel
zu dem Radius des Bogens e für konstante Kompression verlaufen, während sie am Punkt
des maximalen Hubes verharren. Außerdem ist ein Zahnrad 25 vorgesehen, das mit der
Außenverzahnung der Kurbelscheibe 21 kämmt, wodurch eine schematisch dargestellte
Anlaßvorrichtung gebildet wird.
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In der in Fig. 4 dargestellten Stellung befinden sich die beiden Mechanismen
16 und 16 der Erfindung in einer Stellung eines maximalen Hubes der Kolben 11, die
im oberen Totpunkt mit durchgehenden Linien und im unteren Totpunkt mit gestrichelten
Linien dargestellt sind. Nach dem Anlassen fuhrt jeder Kolben 11 während seiner
Hin- und Herbewegung zwischen den Totpunkten die bekannten thermodynamischen Arbeitszyklen
einer Verbrennungskraftmaschine -aus, deren Einzelteile hier nicht weiter dargestellt
sind.
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Über die Pleuelstange 4 werden die hin- und hergehenden Bewegungen
auf die Eurbelscheibe 1 übertragen, welche ihrerseits die Rotationsbewegung über
bekannte und nicht weiter dargestellte Übertragungssysteme an einen Verbraucher
weiterleitet. Bei der dargestellten Vorrichtung sind die Stangen 17 über die zugehörigen
Ringe 19 und Zuganker 20 beispielsweise mit Hilfe eines nicht dargestellten Servomechanismus,
der von der Bedienungsperson betätigt wird, am linken Ende der Langlöcher 26 auf
dem Hauptlager 14 festgelegt und sorgen dafür, daß gemeinsam mit den Rohrstücken
18 die Kräfte aufgenommen werden, die den Motor in Längsrichtung beanspruchen. In
der erläuterten Stellung haben die Schwenkstangen 22 ihre geringste Neigung und
verlaufen parallel zum Radius des Bogens e konstanter Kompression, während der Punkt
des größten Hubes eingestellt ist, wobei die Schwenkstangen 22 die Kräfte aufnehmen,
die den Motor in Querrichtung belasten.
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Um den Hub der Kolben 11 und damit den Hubraum des Motors zu verringern,
betätigt die Bedienungsperson den erwähnten Servomechansimus und bewirkt dadurch,
daß die Zuganker 20 sich bezüglich der Platte 21 verschieben und damit über die
Ringe 19 die Stangen 17 in den Langlöchern 26 des Hauptlagers 14 nach rechts drücken,
bis sie die in Fig. 5 gezeigte Position erreichen. In dieser Lage hat der Hub nur
noch eine Größe, die durch die gestrichelten Linien (unterer Totpunkt) und die durchgezogenen
Linien (oberer Totpunkt) der Kolben 11 dargestellt ist, während der Zylinderkopf
9 entsprechend verlagert worden ist. Während die Stangen 17 diese Verschiebung ausführen,
erhöht sich die Neigung der Schwenkstangen 22, wodurch sich der Zylinderkopf 9 dem
Hauptlager 14 nähert. In der Praxis bewirkt die Eombination der beiden Bewegungen
der Zylinderköpfe 9, daß diese dieselbe Kurve e konstanter Kompression durchlaufen,
so daß in allen Fällen die Kolben 11 den oberen Totpunkt bei einem solchen Abstand
vom Kolbenboden der entsprechenden Zylinder 10 erreichen, daß das Verdichtungsverhältnis
konstant bleibt.
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Wenn der gewünschte Hubraum erreicht ist, beispielsweise entsprechend
der in Fig. 5 gezeigten Stellung, werden die Zuganker in der erläuterten Weise erneut
blockiert.
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Die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung für einen Verbrennungsmotor
vermeidet den Nachteil, daß dieser ständig bei hohen Drehzahlen betrieben wird.
Damit wird das Bedürfnis nach einer Erforschung höherer Leistungen erfüllt, weil
die erforderliche Leistung von einer Menge eines Arbeitsmediums zur Verfügung gestellt
wird, die nach der Entscheidung des Benutzers bei ganz bestimmten Betriebsbedingungen
bei jedem Zyklus des Motors angesaugt wird. Neben einem geringeren Verschleiß aufgrund
reduzierter Beanspruchungen
ergibt sich als unmittelbare Folge
aus der Erfindung, daß ein Wechselgetriebe entfallen kann, was den Gesamtwirkungsgrad
erhöht. Auch wenn der Motor bei minimalen Drehzahlen läuft, liefert er immer eine
ausreichende Energie, weil nach Wahl des Benutzers oder durch einen automatischen
Servomechanismus der Hubraum variiert werden kann. Selbstverständlich wird ein Motor
mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung einen maximalen Hubraum und damit auf einen
weiten Bereich optimaler Leistungen ausgelegt.
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