DE3237302A1 - Kolbenmaschine - Google Patents

Description

Beschreibung

c Diese Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine mit vermindertem Reibungswiderstand zwischen einem Kolben und einem Zylinder.

Kolbenmaschinen wie beispielsweise Kolbenmotoren, Kolbenkompressoren oder Kolbenpumpen sind an sich bekannt.

Bei einer Kolbenmaschine, beispielsweise einem Kolbenmotor, führt eine Pleuelstange, die einen Kolben mit einer Kurbelwelle verbindet, eine seitliche Pendelbewegung aus, während eine Hin- und Herbewegung eines Kolbens innerhalb eines Zylinders zur Übertragung der Drehkraft auf die Kurbelwelle erfolgt, wobei aufgrund der seitlichen Pendelbewegungen der Pleuelstange von dem Kolben ein seitlicher Druck auf den Zylinder ausgeübt wird. Der seitliche Druck wird von der äußeren Mantelfläche des Kolbens auf die innere Umfangsoberflache des Zylinders in einer Ebene ausgeübt, die durch diese seitliche Pendelbewegung der Pleuelstange beschrieben wird. Die Wirkung des Seitendrucks erzeugt eine beträchtliche Reibung zwischen der „p. inneren Umfangsoberf lache des Zylinders und der äußeren Mantelfläche des Kolbens, wodurch ziemlich große Reibungsverluste auftreten.

Um solche Reibungsverluste aufgrund der Wirkung des Seitendrucks zu verhindern, sind verschiedene Gegenmaßnahmen ergriffen worden, wie z.B. die Versetzung des Kolbenbolzens, der den Kolben und die Pleuelstange verbindet, oder die Verringerung des Zwischenraumes zwischen Kolben und Zylinder auf ein Minimum. Aber keine dieser Maßnahmen konnte eine wirksame Verminderung der Reibungsverluste bewirken.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kolbenmaschine zu schaffen, bei der der Reibungswiderstand zwischen der inneren Umfangsoberflache des Zylinders und der äußeren Mantelfläche des Kolbens verringert ist, so daß Reibungs-Verluste wesentlich kleiner als beim Stand der Technik sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
10

Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine weist eine Führung, ein Kolbenelement, das eine Hin- und Herbewegung innerhalb der Führung ausführt, eine Kurbelwelle, die eine Drehbwegung ausführt, eine Pleuelstange, die an ihrem einen Ende drehbar mit der Kurbelwelle und an ihrem anderen Ende mit dem Kolbenelement verbunden ist, und Rollvorrichtungen auf, die an der Seite des Kolbenelementes befestigt sind, auf der das Kolbenelement mit der Führung über die Rollvorrichtungen im Rolleingriff steht.

Bei der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine wird, also der Reibungswiderstand zwischen Führung und Kolbenelement sicher reduziert, da sich das Kolbenelement über die Rollvorrichtung in Rolleingriff mit der Führung befindet, wodurch eine wesentliche Reduktion der Reibungsverlust erreicht wird.

Das Kolbenelement kann ein Kolben oder ein Kreuzkopf sein, der als Hilfskolben mit dem Kolben verbunden ist und die Führung kann ein Zylinder sein, in dem sich der Kolben hin- und herbewegt oder ein Führungselement, in dem sich der Kreuzkopf hin- und herbewegt.

3237382

Die Erfindung kann bei einem Kolbenmotor, Kolbenkompressor, Kolbenpumpe oder ähnlichem angewandt werden.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen

Figur 1 einen Längsschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels, bei dem ein Kolben teilweise als Quei— schnitt gezeigt ist;

Figur 2 eine Draufsicht des in Figur 1 dargestellten Kolbens, bei dem ein Zylinderkopf entfernt und der Kolben teilweise im Schnitt dargestellt ist;

Figur 3 einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel, wobei ein Kolben teilweise im Schnitt gezeigt ist;

Figur 4 eine Draufsicht des Ausführungsbeispiels nach Figur 3, bei dem ein Zylinderkopf entfernt und ein Kolben teilweise im Schnitt dargestellt ist;

Figur 5 einen Längsschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem ein Kolben teilweise im Schnitt dargestellt ist;

Figur 6 eine Draufsicht des Ausführungsbeispiels nach Figur 5, bei dem ein Zylinderkopf entfernt und ein Kolben teilweise im Schnitt dargestellt ist;

Figur 7 einen vergrößerten Querschnitt eines Teils des in Figur 6 dargestellten Zylinders; und

Figur 8 eine erläuternde Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels.

Figur 1 zeigt einen Zylinder 1 als Führung,- eine Zylindei— laufbuchse oder Innenwand 2 des Zylinders 1, eine Pleuelstange 3, und einen Kolben 4 als hin- und hergehendes Teil. Der Kolben 4 ist mit Aussparungen 6 an seinen Seitenteilen 5 versehen. Die Aussparungen 6 sind paarweise oben und unten auf beiden Seiten des Kolbens 4 in der Wirkungsebene der Pleuelstange 3 angebracht, d.h. in der Ebene 12, die durch die seitliche Pendelbewegung der Pleuelstange 3 beschrieben wird und durch die strichpunktierte Linie in Figur 4 dargestellt ist. In jede der vier Aussparungen 6 ist eine Rolle 9 als Rollvorrichtung mit einem Stift 8 drehbar am Kolben 4 befestigt, wobei die Enden der Stifte 8 an den Seitenwänden 7 der Aussparungen 6 gesichert sind. Jede Rolle 9 ist an der Kolbenwand 11 des Kolbens 4 unterhalb der Kolbenringe 10 dort befestigt, wo der Seitendruck des Kolbens 4 auf die Innenwand 2 übertragen wird. Alle Rollen 9 ragen radial etwas über die äußere Mantelfläche 13 des Kolbens 4 hinaus und stehen in Rollkontakt mit der Innenwand 2 des Zylinders

1. Jede der Rollen 9 umfaßt ein Wälzlager, beispielsweise ein Kugellager, ein Nadellager oder ein Tonnenlager und das Querschnittsprofil der Rolle 9 ist in Längsrichtung des Stiftes 8 entsprechend der Form der inneren Umfangsfläche der Innenwand 2 gewölbt. Alle Rollen 9 haben eine hinreichende Festigkeit gegen Schlagbeanspruchung oder große Trägheitskräfte und übermäßige Hitze. Die Pleuelstange 3 ist an ihrem einen Ende drehbar mit der Kurbelwelle 19 und mit ihrem anderen über den Kolbenbolzen 14 mit dem kolben 4 verbunden. Mit 37 ist das Kurbelgehäuse bezeichnet. Das Schmiermittel wird den Rollen 9, der äußeren Umfangsoberflache 13 des Kolbens 4, der Innenwand 2 und dem Kolbenbolzen 14 zugeführt, während der Kolben 4 sich im Zylinder 1 hin- und herbewegt.

Bei dem Kolbenmotor der obengenannten Bauart bewegt sich der Kolben 4 innerhalb des Zylinders 1 hin und her, während die Pleuelstange 3 seitliche Pendelbewegungen in der Ebene 12 ausführt, wodurch der seitliche Druck des Kolbens 4 auf die Innenwand 2 des Zylinders Ί ausgeübt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind mehrere Rollen auf dem Seitenteil 5 des Kolbens 4 in der Ebene 12 befestigt und alle Rollen 9 stehen in Rollkontakt mit der Innenwand 2, wodurch die Rollen 9 wirksam verhindern, daß die äußere Mantelfläche 13 des Kolbens 4 aufgrund der Wirkung des Seitendrucks des Kolbens 4 in wesentlichen Reibkontakt mit der Innenwand 2 des Zylinders 1 kommen. Dadurch vermindern die Rollen 9 den Reibwiderstand zwischen der äußeren Mantelfläche 13 und der Innenwand 2, wodurch eine wesentliche Abnahme der Reibungsverluste erreicht wird.

Straßentests, die mit einem Wagen, in den ein erfindungsgemäßer Kolben eingebaut wurde, ergaben, daß die Benzinkosten wesentlich reduziert werden konnten.

Figuren 3 und 4 zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung in dem Teile, die mit dem vorherigen Ausführungsbeispiel übereinstimmen, die gleichen Bezugszeichen tragen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Kolben 4 mit zwei seitlichen Aussparungen 15 versehen, die in der Ebene 12, die durch die seitliche Pendelbewegung der Pleuelstange 3 beschrieben und in Figur 4 von der strichpunktierten Linie dargestellt wird, in der Kolbenwand 11 des Kolbens 4 angeordnet sind, wobei die bevorzugte Lage der Aussparungen 15 etwas unterhalb des Kolbenbolzens 14 ist. In jede der Aussparungen 15 ist ein Stift 16, der sich in Längsrichtung des Kolbenbolzens 14 erstreckt, beidseitig an den Seitenwänden 17 der Aussparung 15 befestigt und eine Rolle 18 ist als Rollvorrichtung drehbar

auf dem Stift 16 montiert. Alle Rollen 18 ragen etwas über die äußere Umfangsoberflache 13 des Kolbens 14 hinaus und sind dafür bestimmt, in Rollkontakt mit der Innenwand 2 des Zylinders 1 zu stehen. Die ₍Rollen 18 umfassen ein Kugellager, ein Nadellager oder Wälzlager, die eine zuverlässige Beständigkeit gegen Schlagbeanspruchung oder starke Trägheitskräfte und übermäßige Hitze haben.

Figuren 5, 6 und 7 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel in dem Teile, die denen früherer Ausführungsbeispiele entsprechen, die gleichen Bezugszeichen tragen. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfassen alle Rollvorrichtungen einen Stift 20, ein Paar Rollen 21 und 22, die

drehbar auf dem Stift 20 befestigt sind und mehrere Blattfedern 23 als nachgiebige Druckvorrichtung, die drehbar auf dem Stift 20 zwischen den Rollen 21 und 22 montiert sind. Zwei Aussparungen 24 sind in dem umlaufenden Teil der Kolbenwand 11 des Kolbens 4 in der Ebene 12,

die durch die strichpunktierte Linie in Figur 6 dargestellt ist, ausgebildet und beide Stifte 20 sind beidseitig an den Seitenwänden 25 der Aussparung 24 befestigt. Der Stift 20 erstreckt sich in Längsrichtung des Kolbenbolzens 14 und die Rollen 21, 22 und ein Blattfederhalter

26 sind drehbar auf der äußeren Umfangsoberflache des Stiftes 20 befestigt. Beide Rollen 21 und 22 umfassen ein Nadellager oder Wälzlager mit einem Innenring 27, Rollvorrichtungen 28 und einen Außenring 29. Der Innenring 27 ist auf der äußeren Umfangsoberflache des Stiftes 20

befestigt. Der ·Innenring 27 und der Außenring 29 drehen sich gegeneinander aufgrund der Rollvorrichtung 28 und bewegen sich relativ zueinander aufgrund der Rollvorrichtung 28 auch in Längsrichtung des Stiftes 20. Der Blattfederhalter 26 ist auf dem Stift 20 drehbar. Mehrere Blattfedern 23 werden an ihrem einen Ende von dem Blatt—

- 11 -

federhalter 26 gehalten und drängen mit ihren anderen Enden die Außenringe 29 der Rollen 21 und 22 nach außen in Längsrichtung des Stiftes 20. Der Blattfederhalter 26

und die Blattfedern 23 werden gemeinsam mit dem Außenring 5

29 gedreht. Das Querschnittsprofil eines jeden Außenringes 29 der Rollen 21 und 22 ist in Längsrichtung des Stiftes 20 gewölbt entsprechend der Form der inneren Umfangsoberflache der Innenwand 2 und die Außenringe 29 stehen in einem relativ weiten Bereich mit der Innenwand 2 in Rollkontakt. Alle Außenringe 29 der Rollen 21 und 22 ragen etwas über die äußere Mantelfläche 13 des Kolbens 4 und werden nachgiebig nach außen in Längsrichtung des Stiftes 20 von den Blattfedern 23 und gegen die Innenwand 2 des Zylinders 1 gedruckt. Deswegen rollen die Rollen 21

und 22 sicher auf der Innenwand 2 während der Hin- und Herbewegung des Kolbens 4 und bleiben in Rollkontakt mit der Innenwand 2 selbst dann, wenn sie durch den Kolben 4 und den Zylinder 1 Schlagbelastungen ausgesetzt sind.

Darüber hinaus können die Rollen 21 und 22 aufgrund der

Rückstellkraft der Blattfedern 23 den Druck von der Innenwand 2, der als Reaktion auf den Seitendruck und die thermische Ausdehnung des Kolbens 4 auf sie ausgeübt wird, aufnehmen und dadurch wirksam den Rollkontakt mit der Innenwand 2 aufrechterhalten. Dadurch können sie wirk-

sam starke Reibungsberührung zwischen der äußeren Mantelfläche 13 des Kolbens 4 und der Innenwand 2 verhindern und eine wesentliche Verminderung des Reibwiderstandes zwischen der äußeren Mantelfläche 13 und der Innenwand 2 bewirken. Darüber hinaus können sie unerwünschte Erschei-

nungen wie Kratzer auf der inneren Umfangsoberflache der Innenwand 2 verhindern.

Die Blattfedern 23 können durch ein Paar Tellerfedern ersetzt werden.

Figur 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei Teile, die vorangegangenen Ausführungsbeispielen entsprechen, die gleichen Bezugszeichen tragen. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Kreuzkopf 31 über eine Kolbenstange 30 mit einem Kolben 4 verbunden, der sich innerhalb eines Zylinders 1 hin- und herbewegt, während sich der Kreuzkopf 31 innerhalb eines Führungselementes 32 als Führung bewegt. Die Pleuelstange 3 ist an ihrem einen Ende drehbar über einen Bolzen 33 mit dem Kreuzkopf 31 verbunden und auf ihrem anderen Ende mit der Kurbelwelle

. 19. Rollen 35 sind als Rollvorrichtungen drehbar jeweils

über einen Stift 36 an dem Seitenabschnitt 34 des Kreuzkopfes 31 in der Ebene, die durch die seitliche Pendelbewegung der Pleuelstange beschrieben wird, befestigt, wobei diese Ebene der Ebene 12 der vorangegangenen Ausfüh-' rungsbeispiele entspricht. Die Rollen 35, im ganzen vier, sind jeweils oberhalb und unterhalb von dem Bolzen 33 auf beiden Seiten des Kreuzkopfes 31 vorgesehen. Alle Rollen 35 sind dazu bestimmt, in Rollkontakt mit den Führungselement 32 zu stehen, um einen wesentlichen" Reibkontakt zwischen dem Kreuzkopf 31 und dem Führungselement 32 zu

verhindern. Jeder der Stifte 36 erstreckt sich in Längsrichtung des Bolzens 33 und ist beidseitig an den Seitenwänden der Vertiefung oder Aussparung, die in den Seitenabschnitten 34 des Kreuzkopfes 31 vorgesehen ist, befestigt. Die Rollen 35 sind drehbar auf dem Stift 36 befestigt und umfassen ein Kugellager, ein Wälzlager oder ein Nadellager, wobei die äußere Umfangsoberflache der Rollen 35 etwas über den Seitenabschnitt 34 des Kreuzkopfes 31 hinausragt. Das Führungselement 32 ist an dem Zylinder oder dem Kurbelgehäuse 37 befestigt. Die Rollvor-

richtungen sind nicht wie bei den vorhergehenden Ausfüh-

■ »ο-

- 13 -

rungsbeispielen an den Seitenabschnitten 5 des Kolbens 4 befestigt, sondern die Rollen 35 sind als Rollvorrichtungen am Kreuzkopf 31 als Hilfskolben, der in diesem Ausführungsbeispiel mit dem Kolben 4 verbunden ist, angebracht. Dieses Ausführungsbeispiel ist besonders für Kolbenmaschinen geeignet, bei denen die Wärmeausdehnung des Kolbens 4 relativ groß und der Seitendruck stark ist, beispielsweise für große Dieselmotoren oder ähnliche Vorrichtungen. Aber jedes der Ausführungsbeispiele in Figur 1 bis 7 kann auch für den in Figur 8 dargestellten Motor verwendet werden, beispielsweise wird der Kolben 4 über eine Kolbenstange mit einem Kreuzkopf als Hilfskolben verbunden, der Kreuzkopf und die Kurbelwelle werden über eine Verbindungsstange verbunden, so daß die Hin- und

Herbewegung des Kreuzkopfes in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umgesetzt werden kann. Dadurch, daß Rollvorrichtungen auch in diesem Fall am Kreuzkopf vorgesehen sind, so daß der Seitendruck des Kreuzkopfes über die Rollvorrichtungen an das Führungselement weitergegeben

werden kann, kann der Reibungswiderstand zwischen Kreuzkopf und Führungselement wesentlich verringert werden, wodurch im Ergebnis der Reibungswiderstand zwischen Kolben und Zylinder reduziert wird und Reibungsverluste

wesentlich vermindert werden.
25

Obwohl sich die Ausführungsbeispiele auf Kolbenmotoren bezogen, ist die Erfindung nicht auf solche Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann auch in anderen Kolbenmaschinen, beispielsweise bei Kolbenkompressoren, Kolben-

pumpen und ähnlichen Maschinen verwendet werden. Beispielsweise können bei Kolbenkompressoren oder Kolbenpumpen die gleichen Rollvorrichtungen, die in Figuren 1 und 2, Figuren 3 und 4 oder Figuren 5 und 7 dargestellt sind,

an den Seitenabschnitten der Kolben befestigt sein, so 35

- 14 -

daß die Kolben über die Rollvorrichtungen mit den Zylindern in Rollkontakt stehen, während sich die Kolben in dem Zylinder hin- und herbewegen. Andererseits können die in Figur 8 dargestellten Rollvorrichtungen auf dem Kreuzkopf, der. als Hilfskolben mit dem Kolben verbunden ist, befestigt werden, so daß der Kreuzkopf über die Rollvorrichtungen mit dem Führungselement in Rollkontakt steht, während er sich in dem Führungselement hin- und herbewegt. Die Rollvorrichtung kann die in Figur 2 dargestellten Rolle 9, die in Figur 4 dargestellten Rollen 18 oder die in Figur 7 dargestellten paarweisen Rollen 21 und 22 umfassen.

hu/gl/do
5

Leerseite

Claims (17)

1. Ansprüche

   Kolbenmaschine mit einer Führung, einem hin- und herbewegbaren Element (4), das eine Hin- und Herbewegung innerhalb der Führung ausführt, mit einer Kurbelwelle (19), die eine Drehbewegung ausführt, mit einer Pleuelstange (3), die drehbar an ihrem einen Ende mit der Kurbelwelle (1.9) verbunden ist und an ihrem anderen Ende mit dem hin- und herbewegbaren Element (4) dadurch gekennzeichnet, daß eine Rollvorrichtung (9) in den Seitenabschnitten (5) des hin- und herbewegbaren Elements (4) vorgesehen ist und daß das hin- und herbewegbare Element (4) über die Rollvorrichtung (9) in Rollkontakt mit der Führung steht.
2. 2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollvorrichtung (9) auf beiden Seiten des hin- und herbewegbaren Elementes (4) befestigt ist, wobei sich die beiden Seiten in einer Ebene (12) befinden, die durch die seitliche Pendelbewegung der Pleuelstange (3) beschrieben wird.
3. 3. Kolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollvorrichtung (9) mindestens eine über einen Stift (8) drehbar mit dem hin- und herbewegbaren Element (4) befestigte Rolle (9) aufweist, die in Rollberührung mit der Führung steht.
4. 4. Kolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet·, daß das Querschnittsprofil der Rolle (9) in Längsrichtung des Stiftes (8) eine der inneren Umfang;; oberfläche (13) der Führung (1) entsprechende Form aufweist.
5. 5.. Kolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das hin- und herbewegbare Element ein Kolben (4) und die Führung ein Zylinder (1) ist.
6. 6. Kolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das hin- und herbewegbare Element ein Kreuzkopf (31) ist, der mit dem Kolben (4) verbunden ist und sich entlang der Führung hin- und herbewegt.
7. 7. Kolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollvorrichtung einen Stift (20), ein Paar drehbar auf dem Stift (20) befestigte Rollen (21,22) und drehbar auf dem Stift (20) zwischen den

   Rollen (21,22) befestigte Federvorrichtungen (23,26) aufweist, welche die Rollen (21,22) in Längsrichtung des Stiftes (20) federnd nach außen drücken.
8. 8. Kolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Querschnittsprofil der Rollen (21,22) in Längsrichtung des Stiftes (20) eine der Form der inneren Umfangsoberflache der Führung entsprechende Form aufweist.
9. 9. Kolbenmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das hin- und herbewegbare Element ein Kolben (4) und die Führung ein Zylinder (1) ist.
10. 10. Kolbenmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das hin- und herbewegbare Element einen mit dem Kolben (4) verbundenen Kreuzkopf (31) aufweist, der sich entlang der Führung hin- und herbewegt.
11. 11. Kolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollvorrichtung mehrere in Längsrichtung des hin- und herbewegbaren Elementes angeordnete Rollen aufweist, die alle mit einem Stift drehbar an dem hin- und herbewegbaren Element befestigt sind.
12. 12. Kolbenmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Querschnittsprofil der Rollen (35) in Längsrichtung des Stiftes (36) eine der Form der inneren Umfangsoberflache der Führung (32) entsprechende Form aufweist.
13. 13. Kolbenmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das hin- und herbewegbare Element ein Kolben (4) und die Führung ein Zylinder (1) ist.
14. 14. Kolbenmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich

    net, daß das hin- und herbewegbare Element einen mit dem Kolben (4) verbundenen Kreuzkopf (31) aufweist, der sich entlang der Führung hin- und herbewegt.
15. 15. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine ein Kolbenmotor ist.
16. 16. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine ein Kolbenkompressor ist.
17. 17. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine eine Kolbenpumpe ist.