DE2940386A1

DE2940386A1 - Hubkolbenmotor

Info

Publication number: DE2940386A1
Application number: DE19792940386
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr.-Ing. 3180 Wolfsburg Dankert
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1979-10-05
Filing date: 1979-10-05
Publication date: 1981-04-16

Description

VOLKSWAGENWERK

AKTIENGESELLSCHAFT 5180 Wolfsburg

Unsere Zeichen: K 2772
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Hubkolbenmotor

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hubkolbenmotor mit mehreren in Zylindern gleitenden Kolben, die jeweils über eine fest mit dem Kolben verbundene Kolbenstange auf einen Hubzapfen einwirken, der auf einer exzentrisch um eine raumfeste Achse umlaufenden und sich dabei drehenden Welle angeordnet ist und dessen Exzentrizität und Anordnung so getroffen ist, daß er beim Umlauf der Welle eine lineare Bewegung in Richtung der Zylinderachse ausführt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen derartigen, unter der Bezeichnung Parsons-Trieb bekannten Hubkolbenmotor zu schaffen, bei dem der Aufwand für die Lagerung und Momentenübertragung der exzentrisch umlaufenden Welle bei sicherer Gewährleistung der Funktion möglichst gering ist.

Sie Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß die exzentrisch umlaufende Welle an beiden Enden in exzentrischen, zylindrischen Ausnehmungen von als Lagerscheiben ausgebildeten Wellenbünden von zur raumfesten Achse zentrisch gehaltenen Abtriebswellen

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gelagert ist.

Durch die Erfindung wird eine sichere Lagerung der exzentrisch umlaufenden Welle in den beiden an ihren Enden anschließenden Abtriebswellen und gleichzeitig eine sichere Momentenübertragung von der exzentrisch umlaufenden Welle auf die Abtriebswellen gewährleistet. Um dabei den Gleichlauf der beiden Abtriebswellen sicherzustellen, können an beiden Enden der exzentrisch umlaufenden Welle Zahnräder vorgesehen sein, deren Teilkreisdurchmesser dem halben Kolbenhub entspricht und die mit je einem am feststehenden Gehäuse gehaltenen, innenverzahnten Hohlrad kämmen, dessen Zähnezahl doppelt so groß ist wie die des Zahnrades. Anstelle zweier solcher Zahnräder kann auch nur eines an einem Ende der exzentrisch umlaufenden Welle vorgesehen sein, das dann durch einen die als Hohlwelle ausgebildete exzentrisch umlaufende Welle durchdringenden Torsionsstab ergänzt wird, der die beiden Abtriebswellen miteinander verbindet.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, die im folgenden näher erläutert werden. Dabei zeigen in teils schematischer Darstellungsweise

Figur 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform

eines erfindungsgemäßen Hubkolbenmotors, Figur 2 einen Querschnitt durch eine Lagerstelle gemäß den

Schnittlinien II-II nach Figur 1 und

Figur 3 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform der Erfindung.

In der Zeichnung wird die Erfindung jeweils anhand eines Vier- bzw. Sechs-Zylindermotors gezeigt, wobei der gesamte Motor mit 1 bezeichnet ist. Mit 2a und 2b sind zwei bezüglich der raumfesten Systemachse diametral gegenüberliegende Zylinderblöcke mit jeweils zwei nebeneinanderliegenden Zylindern angegeben, die auf einem zentralen Gehäuse 3

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befestigt sind. 4 stellen die in den Zylindern gleitenden Kolben dar, von denen die jeweils einander gegenüberliegenden zusammen mit den zugeordneten Kolbenstangen 5 und einem den zugeordneten Hubzapfen 9 der exzentrisch umlaufenden Welle θ umgreifenden Kolbenstangenauge 6 aus einem Stück gebildet sind. Zwischen dem Kolbenauge 6 und dem Hubzapfen 9 ist eine geteilte Lagerschale 7 vorgesehen.

Sie exzentrisch umlaufende Welle 8 weist an ihren beiden Enden einen Lagerzapfen 10 auf, der in Form einer kombinierten Roll- und Gleit lagerung gelagert ist. Me Gleitlagerung erfolgt dabei in einer mit einer Lagerschale 17 versehenen exzentrischen, zylindrischen Ausnehmung einer Lagerscheibe 11, die ihrerseits über eine fest an der Lagerscheibe gehaltene Lagerschale 18 in einem Lagerring 19 gelagert ist. Sie Lagerechale 17 der Lagerscheibe 11 umfaßt dabei den Lagerzapfen 10 der exzentrisch umlaufenden Welle 8 nur auf einem Teil ihres Umfangs, beispielsweise nur auf dem halben Umfang, und die Abmessungen des La- gerrings 19, der Lagerscheibe 11 und des Lagerzapfens 10 sind so ge-· troffen, daß der Lagerzapfen in dem nicht von der Lagerscheibe umfaßten Bereich unmittelbar an dem Innenumfang des in dem Gehäuse 3 gehaltenen Lagerrings 19 anliegt und bei dem Umlauf der exzentrischen Welle 8 um die Systemachse 38 an diesem abrollt.

Zur Zwangsführung der beiden Enden der exzentrisch umlaufenden Wel le 8 ist an ihren Endzapfen 15a jeweils ein Zahnrad 15 befestigt, das mit einem fest am Gehäuse 3 gehaltenen, innenverzahnten Hohlrad 16 kämmt. Um die gewünschten Bewegungsabläufe sicherzustellen, das heißt zu erreichen, daß der Hubzapfen 9 eine im wesentlichen lineare Bewe gung in Richtung der Achsen der Zylinder ausführt, ist der TeilkreisdurchmesBer des Zahnrades 15 gerade halb so groß wie der des Hohlra- des 16 und weist dementsprechend die halbe Zähnezahl des Hohlrades auf· Ser Teilkreisdurchmesser des Hohlrades entspricht andererseits gerade dem Surchmesser der Lagerscheibe 11, während der Durchmesser des Lagerzapfens 10 dem Teilkreisdurchmesser des Zahnrades 15 gleich kommt. Vie aus der Figur 1 der Zeichnung weiter ersichtlich ist, ent spricht die Exzentrizität des Hubzapfens 9 bezogen auf die Achse 39 der exzentrisch umlaufenden Welle 8 dem halben Surchmesser des

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Hubzapfens 10, so daß die Mittelachse 40 des Hubzapfens 9 den Außenumfang des Hubzapfens 10 tangiert. Beim Umlauf der exzentrischen Welle 8 um die Systemachse 38 entsprechend dem Pfeil 50 in der Figur 2 ergibt sich ein Abwälzvorgang entsprechend der Pfeilrichtung 51 für den Lagerzapfen 10 der Welle 8, wobei die in der Figur 2 mit einem Punkt angedeutete Hubzapfenachse 40 eine lineare Bewegung in Richtung des Pfeiles 52 ausführt. Dabei entspricht die gesamte Hublänge dem Durchmesser der Lagerscheibe 11 bzw. dem Teilkreisdurchmesser des Hohlrades 16. Beim Umlauf der exzentrischen Welle 8 gleitet diese im übrigen in der Lagerschale 17 der Lagerscheibe 11 und überträgt auf diese das von den Kolben 4 erzeugte Drehmoment, das eine Bewegung der Lagerscheibe 11 in Richtung des Pfeiles 53 verursacht. Bei dieser Bewegung ist die Lagerscheibe 11 ihrerseits gegenüber dem Lagerring 19 gleitend geführt, wozu an der Lagerscheibe 11 eine Lagerschale 18 befestigt ist. Zur Druckmittelversorgung der mit 54 und 55 bezeichneten, und untereinander durch eine Bohrung 56 verbundenen Schmiertaschen kann ein hier nicht weiter gezeigtes, durch die exzentrische Welle 8 geführtes Druckölversorgungssystem vorgesehen sein.

Wie aus der Figur 1 der Zeichnung weiter hervorgeht, sind die Lagerscheiben 11 Teile von zwei jeweils stirnseitig aus dem Gehäuse 3 herausgeführten Abtriebswellen 12a und 12b, von denen die Abtriebswelle 12a zum Antrieb der dem Motor zugeordneten Nockenwellen und Hilfsaggregate dient. Zu diesem Zweck ist mit 13 eine auf der Abtriebswelle 12a befestigte Zahnriemenscheibe angedeutet. Die andere Abtriebswelle 12b übernimmt die Abführung der Nutzleistung des Motors und weist zum Zwecke des Ausgleichs der Ungleichförmigkeiten des Drehkraftdiagramms ein Schwungrad 14 auf.

Die beiden Abtriebswellen 12a und 12b weisen im übrigen noch zentrische Lager 27 bzw. 25 sowie diese Lagerstellen abdichtende Dichtringe 28 und 26 auf. Die Abtriebswelle 12a enthält darüberhinaus noch eine Scheibe 24 mit einer exzentrischen Masse zum Ausgleich der durch die exzentrisch umlaufende Welle 8 verursachten Unwucht.

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Auch in dem Schwungrad I4 könnten zum Ausgleich dieser Unwuchtkräfte exzentrische Massen integriert sein.

Die Lagerung der exzentrisch umlaufenden Welle 8 erfolgt nun nicht nur im Bereich ihrer beiden Enden, sondern zusätzlich auch noch in einem Zwischenlager 29, das allerdings ähnlich wie die Endlager, nämlich in Form einer kombinierten Roll- und Gleitlagerung ausgebildet ist. Dazu ist der Lagerzapfen 31 einerseits in einer exzentrischen Ausnehmung einer Lagerscheibe 32 unter Zwischenschaltung einer den Lagerzapfen 31 nur auf dem halben Umfang umgreifenden Lagerschale 34 gehalten und ist so bemessen, daß er in der in der Zeichnung gezeigten Position mit einer oben liegenden Umfangslinie den Innenumfang des in dem Gehäuse 3 gehaltenen Lagerbocks 30 berührt und an diesem beim Umlauf der Welle 8 abrollt. Die Lagerscheibe 32 ist ihrerseits mittels einer an der Lagerscheibe befestigten Lagerschale 33 gegenüber dem Lagerbock 30 in Form einer Gleitlagerung drehbar gelagert. Um die Druckmittelzufuhr zu den Lagerstellen von einer hier nicht gezeigten zentralen Bohrung der exzentrisch umlaufenden Welle aus zu erreichen, wird der Lagerzapfen 31 seitlich neben dem Lagerbock 30 von einem Deckel 35 umgriffen, der an einem seitlichen Kragen der Lagerscheibe 32 befestigt ist und eine Ringnut 36 aufweist, die mit einer in der Lagerschale 34 angebrachten Ringnut korrespondiert. Diese Ringnut kann dann, wie hier nicht weiter gezeigt ist, einerseits über Querbohrungen mit der zentralen Druckmittelleitung in der Exzenterwelle 8 und andererseits über eine Längsnut mit einer Schmiertasche in der Lagerschale 34 verbunden sein, die ähnlich ausgebildet ist, wie die in der Figur 2 mit 54 bezeichnete Schmiertasche der Lagerschale 17·

An der Lagerscheibe 32 dieses Zwischenlagers 29 können, wie aus der Zeichnung weiter ersichtlich ist, ebenfalls noch exzentrische Massen 37a und 37b zum Ausgleich der durch die exzentrisch umlaufende Welle erzeugten Unwucht gehalten sein.

Eine weitere Ausgleichsmasse ist in der Figur 1 mit 23 bezeichnet und ist in Form einer exzentrischen Wellenscheibe an der exzentrisch

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umlaufenden Welle 8 befestigt und dient dem Ausgleich der exzentrisch an dem Hubzapfen 9 angreifenden Massen.

Mit 20 sind in der Zeichnung noch zwei weitere Hubzapfen neben den Hubzapfen 9 angedeutet, an denen hier nicht weiter dargestellte Kolbenpaare über Kolbenstangen angreifen. Diese Kolbenpaare gleiten in Zylindern, deren Achsebene senkrecht zu der in der Zeichnung dargestellten Zylinderebene stehen und die eine Erweiterung des Hubkolbenmotors 1 auf sechs oder acht Zylinder ermöglichen. Dabei sind mit 21 die diesen Hubzapfen 20 zugeordneten Lagerschalen und mit 22 die die Hubzapfen umgreifenden Kolbenstangenaugen angedeutet.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, bewegen sich die jeweils nebeneinanderliegenden Kolben 4 des erfindungsgemäßen Hubkolbenmotors gleichsinnig, während die einander gegenüberliegenden Kolben aufgrund der prinzipiellen Gestaltung als Doppelkolben gegensinnig gleiten. Bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Motors mit vier Zylindern, also unter Weglassung der Hubzapfen 20 ergeben sich gleiche Zündabstände, wobei einander gegenüberliegende Kolben jeweils nacheinander zünden. Bei Erweiterung des Motors auf sechs Zylinder wurden sich zwar ungleiche Zündabstände, aber dennoch eine gegenüber dem Vierzylinder-Motor nochmals verbesserte Gleichförmigkeit im Lauf ergeben. Auch lassen sich Motoren mit ungerader Zylinderzahl ohne weiteres verwirklichen, wobei allerdings die Zündabstände dann ebenfalls unglei chmäßg sein würden.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Motors besteht zum einen darin, daß infolge der Möglichkeit eines vollständigen Massenausgleichs eine außerordentlich große Laufruhe des Motors erzielt werden kann, zum anderen in einer geringen Reibleitung, da das dem Abtriebsmoment des Motors entsprechende Reaktionsmoment nicht mehr durch Seitenkräfte der gleitenden Kolben, sondern durch die Zahnkräfte in den aufeinander abwälzenden Zahnrädern auf das Gehäuse übertragen wird. Infolge des Fehlens von Seitenkräften auf die Kolben, können diese ohne ein Kolbenhemd ausgebildet werden. Der Gleichlauf der beiden Abtriebswellen wird in dem in der Figur 1 gezeigten Ausführungsbeiepiel dadurch erreicht, daß an beiden Enden der exzentrisch umlau-

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fenden Welle Zahnradgetriebe 15» 16 vorgesehen sind, die eine Zwangsführung der Welle bedingen. Die Lagerung der exzentrisch umlaufenden Welle in den beiden Abtriebswellen erfolgt vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, nach Art der gezeigten RoIl-Gleitlager, die den besonderen Vorteil einer relativ geringen Reibleistung bringen, da einerseits das Abrollen der Lagerzapfen relativ reibungsarm ist und zum anderen die Lagerzapfen auch nur auf einem Teil ihres Umfangs von der Lagerscheibe umgeben sind.

In der Figur 3 der Zeichnung ist eine Ausführung gezeigt, die im wesentlichen derjenigen der Figur 1 entspricht, die aber in einigen Punkten, insbesondere in der Art der Herbeiführung eines Gleichlaufs der beiden Abtriebswellen, Unterschiede zeigt. So ist dort anstelle zweier Zahnradgetriebe nur deren eines am rechten Ende der exzentrisch umlaufenden Welle 8· vorgesehen, indem dort wiederum ein auf der Welle 8· befestigtes Zahnrad 15* mit einem gehäusefesten, innenverzahnten Hohlrad 16' kämmt. Dieses innenverzahnte Hohlrad 16* ist dort mit dem Lagerring 19' zu einem Teil verbunden. Anstelle eines zweiten Zahnradgetriebes ist dort jedoch ein Torsionsstab 41 vorgesehen, der durch eine zentrale Bohrung 4I der exzentrisch umlaufenden Welle 8' führt und die beiden Abtriebswellen 12a¹ und 12b· miteinander verbindet. Dazu ist in der Abtriebswelle 12a¹, und zwar in einer als Träger einer Ausgleichsmasse dienenden Wellenscheibe 45 eine exzentrische Bohrung 44 und in der Abtriebswelle 12b¹ eine exzentrische Bohrung 43 vorgesehen, in denen jeweils die Enden des Torsionsstabes 4I festgelegt sind.

Die Ausführung nach der Figur 3 unterscheidet sich von derjenigen der Figur 1 weiterhin dadurch, daß eine andere Möglichkeit der Ölzufuhr zu den Gleitlagerstellen, beispielsweise an dem Zwischenlager, angedeutet wird. Dort erfolgt nämlich die Druckölzufuhr nicht über die exzentrisch umlaufende Welle 8¹, sondern vom Gehäuse her, indem ein seitlich an der Lagerscheibe 32' befestigter kreissektorförmiger Träger 58 mit einem Ring 59 verbunden ist, der eine Ringnut 60 aufweist.

Diese Ringnut 60 erhält dann Drucköl von einer in dem Gehäuse 30a bzw. in dem Lagerring 30b verlegten Bohrung und steht ihrerseits

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über in dem Steg 58 und der Lagerscheibe 32 angeordnete Ölbohrungen mit den Öltaschen der Lagerstellen in Verbindung, die ähnlich wie in der Figur 2 ausgebildet sein können.

Bei der Ausführung nach der Figur 3 weist im übrigen die exzentrisch umlaufende Welle 8¹ noch in Form von exzentrischen Wellenscheiben ausgebildete Ausgleichsmassen 46 und 47 auf, die der exzentrischen Ausgleichsscheibe 23 bei der Ausführung nach der Figur entsprechen. Auch ist bei der Figur 3 in sofern eine andere Konstruktion gewählt worden, als hier das feststehende Gehäuse aus lediglich zwei Teilen besteht, die sowohl den Zylinderblock als auch den WeI-lengehäuseraum umfassen.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß bei beiden Ausführungen eine Ausführung von Doppelkolben, das heißt aus einem Teil bestehenden Kolben und Kolbenstangen der beiden einander gegenüberliegenden Zylinder, bei gleichzeitiger Ausgestaltung der exzentrisch umlaufenden Welle aus einem Stück nur dann sichergestellt werden kann, wenn die exzentrisch umlaufende Welle und deren Hubzapfen so bemessen sind, daß die Doppelkolben mit ihren Kolbenstangenaugen auf die Welle aufgefädelt werden können. Selbstverständlich müssen dazu die den Hubzapfen zugeordneten Lagerschalen geteilt ausgebildet sein und erst nach dem Positionieren der Kolben montiert werden.

Die Zahnräder der Zahnradgetriebe können geradeverzahnt ausgeführt werden; zur Verbesserung der Laufruhe können aber auch schrägverzahnte Räder vorgesehen werden. Dann ist auf einer Seite eine Pfeilverzahnung zweckmäßig, damit nicht freie Axialkräfte durch eine Axiallagerung der Exzenterwelle aufgenommen werden müssen.

Schließlich sei noch darauf hingewiesen, daß bei der Ausführung nach der Figur 3 auch die Möglichkeit besteht, auf der dem Schwungrad gegenüberliegenden Abtriebswelle einen Torsionsschwingungsdämpfer anzuordnen, um so eine reduzierte Steifigkeit des Torsionsstabes zu ermöglichen und damit den Torsionsstab selbst und die Exzenterwelle, sowie das gesamte Triebwerk weniger stark auslegen zu müssen.

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Claims

VOL K S W AGE N WERK

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ANSPRÜCHE

f1.)Hubkolbenmotor mit mehreren in Zylindern gleitenden Kolben, die jeweils über eine fest mit dem Kolben verbundene Kolbenstange auf einen Hubzapfen einwirken, der auf einer exzentrisch um eine raumfeste Achse umlaufenden und sich dabei drehenden Welle angeordnet ist und dessen Exzentrizität und Anordnung so getroffen sind, daß er beim Umlauf der Welle eine lineare Bewegung in Richtung der Zylinderachse ausführt, dadurch gekennzeichnet, daß die exzentrisch umlaufende Welle (8, 8·) an beiden Enden in exzentrischen, zylindrischen Ausnehmungen von als Lagerscheiben (11_t 11') ausgebildeten Wellenbünden von zur raumfesten Achse (38) zentrisch gehaltenen Abtriebswellen (I2a, 12b, 12a·, 12b¹) gelagert ist.

2. Hubkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Enden der exzentrisch umlaufenden Weite (θ) Zahnräder (15) vorgesehen sind, deren TeilkreiBdurchmesser den: halben Kolbenhub entspricht und die mit je einem am feststehenden Gehäu-

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se (5) gehaltenen, innenverzahnten Hohlrad (16) kämmen, dessen Zähnezahl doppelt so groß ist wie die des Zahnrades.

3. Hubkolbenmotor nach Anspi-uch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die exzentrisch umlaufende Welle (8¹) an einem Ende ein mit einem gehäusefesten, innenverzahnten Hohlrad (16¹) kämaendes Zahnrad (15¹) aufweist, dessen Teilkreisdurchmesser dem halben Kolbenhub entspricht und dessen Zähnezahl halb so groß ist wie die des Hohlrades, und daß ein die als Hohlwelle ausgebildete, exzentrisch umlaufende Welle durchdringender, die beiden Abtriebswellen (I2a·, 12b¹) miteinander verbindender Torsionsstab (41) vorgesehen ist.

4. Hubkolbenmotor nach Anspruch 3i dadurch gekennzeichnet,daß an wenigstens einer der Abtriebswellen (12a¹, 12b¹) ein Torsionsschwingungsdämpfer vorgesehen ist.

5. Hubkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils in einem Lagerring (19) des Gehäuses (3) drehbar gelagerten Lagerscheiben (11, 11') der Abtriebswellen (12a, 12b, 12a¹, 12b¹) die zugeordneten Lagerzapfen (1O) der exzentrisch umlaufenden Welle (8) nur auf einem Teil des Umfangs umschließen und daß die Lagerzapfen auf der der Lagerscheibe abgewandten Seite direkt am Innenumfang des Lagerrings abrollen.

6. Hubkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5i dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder jeweils paarweise nebeneinanderliegend und in einer Ebene bezüglich der raumfesten Achse einander gegenüberliegend angeordnet sind.

7· Hubkolbenmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (4) der einander gegenüberliegenden Zylinder zusammen mit den zugeordneten Kolbenstangen (5) als ein Bauteil ausgebildet sind.

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8. Hubkolbenmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Zylinder paarweise in einer zur Ebene der ersten Zylinder senkrechten Ebene durch die raumfeste Achse (38) angeordnet sind.

9. Hubkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschalen (7) der Kolbenstangen (5) die Hubzapfen (9) der exzentrisch umlaufenden Welle (8) nur auf einem Teil des Umfangs als Traglager umschließen und auf dem übrigen Teil des Umfangs als Ölkanäle ausgebildet sind.

10. Hubkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Kolbenstangen (5) als auch die Exzenterwelle (8, 8¹) ungeteilt ausgebildet sind und daß die Lagerschalen (7) nach Positionierung von Kolben und Exzenterwelle zueinander montierbar sind.

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