DE3245246A1

DE3245246A1 - Nockenbetaetigte hubkolbenmaschine

Info

Publication number: DE3245246A1
Application number: DE19823245246
Authority: DE
Inventors: Glen Foster 15015 Bradfordwoods Chatfield
Original assignee: Individual
Current assignee: Optimum Power Technology LP
Priority date: 1981-12-07
Filing date: 1982-12-07
Publication date: 1983-06-23
Also published as: DE3245246C2; GB2111158A; DE8234383U1; JPS58102861A; GB2111158B; US4459945A; JPH0627537B2

Description

lA-56 576 D-8000 MÜNCHEN 90

Glen Foster Chatfield, Schweigerstrasse2

Bradfordwoods, PA, USA telefon: (089)6620,!

TELEGRAMM: PROTECTPATENT TELEX: J 24 070

Nockenbetätigte Hubkolbenmaschine

Leistungsfähigere, billige, umweltfreundliche und mit mehreren Kraftstoffen betreibbare Verbrennungsmotoren werden heute allgemein als absolut dringende Notwendigkeit betrachtet. Eine in jüngerer Zeit durchgeführte große Untersuchung kommt zu dem Schluß, daß Hubkolbenmotoren am besten in der Lage sind, die an Kraftfahrzeugantriebe gestellten Anforderungen bis etwa im Jahre 1990 zu erfüllen.

Benzin-, Diesel- und Stirling-Kolbenmotoren besitzen einen guten Teillastwirkungsgrad, der ihnen einen entschiedenen Vorteil gegenüber Kraftfahrzeugturbinen verleiht. Damit jedoch die Leistungsverbesserungen erzielt werden können, die notwendig sind, um die auf den Gebieten Energieeinsparung und Umweltschutz gesteckten Ziele zu erreichen, muß das Problem von Grund auf angegangen und jeder Kolbenmotortyp unter bestmöglicher Ausnutzung jeder sich bietenden Gelegenheit zur Leistungsverbesserung neukonstruiert werden.

Möglicherweise besteht die wichtigste Anwendung der vorliegenden Erfindung in der Verbesserung der Funktions- oder Leistungskennwerte verschiedener Hubkolbenmotoren.

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In der Praxis führen viele Arten von Verlusten zu einer Herabsetzung des thermischen Wirkungsgrades von Kolbenmotoren: Zeitverluste entstehen durch eine Kolbenbewegung während der Verbrennung oder des Wärmeüberganges, Abgasverluste infolge des Öffnens des Auslaßventils oder der Auslaßöffnung vor Erreichen des unteren Totpunktes, Wärmeverluste infolge von Wärmeleitung, -konvektion und -strahlung aus den Arbeitsgasen. Obwohl sich Undichtigkeiten und eine unvollständige Verbrennung nur in geringerem Maße auf den Wirkungsgrad auswirken, bilden sie eine Hauptursache der Luftverschmutzung und müssen folglich sehr sorgfältig bekämpft werden.

Der volumetrische Wirkungsgrad ist ebenfalls ein wichtiger Kennwert von Kolbenmotoren. Beipielsweise ist ein guter volumetrischer.Wirkungsgrad bei hohen Geschwindigkeiten notwendig, um bei Benzin-, Diesel- und Dampfkolbenmaschinen ein hohes Leistungsgewicht zu erzielen. Leider wird durch die langen Ventil- oder Öffnungssteuerzeiten, die für einen guten volumetrischen Wirkungsgrad bei hohen Drehzahlen erforderlich sind, die Leistung dieser Maschinen bzw. Motoren bei niedrigen Drehzahlen beträchtlich verschlechtert. Folglich ist man bei dem Versuch, die bei PKW-Motoren gestellte Forderung nach großen Drehzahlbereichen zu erfüllen, gezwungen, bei den Motorkonstruktionen einen Kompromiß zwischen den volumetrischen Wirkungsgraden für hohe und niedrige Drehzahlen zu suchen.

Das zum Umwandeln der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung benutzte Kurbel- und Stangen-Getriebe war über so viele Jahre hinweg so zufriedenstellend, daß es von den meisten Konstrukteuren nicht als Haupthindernis auf dem Wege zu bedeutenden Leistungsverbesserungen erkannt wird. Dem Bemühen des Konstrukteurs, sowohl den Wirkungsgrad als auch die Leistung zu verbessern, stellt sich die grundsätzliche Bewegung des Kurbel- und Stangen-Getriebes

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insofern entgegen, als sie verantwortlich ist für eine Herabsetzung des effektiven Expansionsverhältnisses des Motors und eine Vergrößerung seiner Zeit-, Abgas- und Wärmeverluste. Sie erzwingt auch den unglücklichen Kompromiß beim volumetrischen Wirkungsgrad im hohen und niedrigen Drehzahlbereich.

Aus einer Betrachtung der Kinematik der über Kurbel und Stange betätigten Kolbenmaschine ergibt sich als Formel für die Kolbenstellung P in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Kurbelwelle cot:

P = | cos cot + VR² - (| sin ω t - 0)² ,

worin S die Hublänge, R die Länge der Stange bzw. Pleuelstange und 0 die Versetzung des Kolbenbolzens ist. Das Kurbel-Pleuelstangen-Getriebe hat als unerwünschtes Merkmal, daß es in beiden Endlagen seines Hubes die Kolben abrupt bewegt.

Eine rasche Kolbenbewegung in der Nähe des oberen Totpunktes (OT) ist besonders nachteilig. Steuerzeitverluste, wie sie weiter oben definiert wurden, sind eine direkte Folge der Bewegung im OT. Charles F. Taylor, Professor am Massachusetts Institute of Technology, schreibt in "The Internal-Combustion Engine in Theory and Practice" (Seite 141):· "Das Nachbrennen ist für einen großen Teil des Unterschiedes verantwortlich, der hinsichtlich Leistungsabgabe und Wirkungsgrad zwischen dem bei begrenztem Druck ablaufenden Kraftstoff-Luft-Verfahren und dem eigentlichen Diesel-Verfahren besteht." Zudem geschieht bei Zweitaktmotoren mit Kurbelgehäusespülung eine beträchtliche Herabsetzung des volumetrischen Wirkungsgrades infolge der sehr kurzen Zeit, die beim Durchgang des Kolbens durch OT für das Ansaugen einer vollen Ladung zur .Verfügung steht.

Ein anderer Mangel des Kurbel-Pleuelstangen-Getriebes ist,· daß die Kolbenbeschleunigung im OT am größten ist. Bei hohen Drehzahlen bewirkt die rasche Beschleunigung des Kolbens,

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daß die Ringe auf dem Kolben sich in ihren Nuten nach oben bewegen und ihre Abdichtungsfähigkeit gerade in dem Zeitpunkt verlieren, in dem die Zylinderdrücke am höchsten sind. Das daraus resultierende Durchblasen erhöht die luftverschmutzenden Emissionen des Motors und kann bei genügender Stärke den Kolben überhitzen und sein Festfressen im Zylinder hervorrufen.

Eine rasche Kolbenbewegung im unteren Totpunkt (UT) ist für die Leistung von Viertakt-Verbrennungsmotoren auf verschiedene Weisen'nachteilig. Am Ende des Ansaughubes pausiert der Kolben nicht lange genug bei größtem Volumen, um die Ausführung von zwei wichtigen Funktionen zu ermöglichen: Der Zylinder muß mit einer neuen Ladung vollständig gefüllt werden, und das Einlaßventil muß vollständig geschlossen werden, so daß die frische Ladung während des Beginns des nachfolgenden Verdichtungshubes nicht verlorengeht. Zur Überwindung dieser Schwierigkeit wird das Einlaßventil häufig so gesteuert, daß es 60 oder mehr Grad nach UT schließt. Durch diese Maßnahme wird der Wirkungsgrad zwar bei hohen Drehzahlen verbessert, bei niedrigen Drehzahlen jedoch verschlechtert. Folglich verhindert eine rasche Bewegung im UT die Erreichung eines hohen volumetrischen Wirkungsgrades. Bei einem Viertaktmotor geht der Kolben am Ende des Ausdehnungshubes und am Beginn des Auspuffhubes erneut durch UT. Zu diesem Zeitpunkt sollten die heißen Gase freigegeben werden, damit sich der Zylinderdruck an den Druck im Auspuffkrümmer annähern kann, so daß während des folgenden Auspuffhubes so wenig Leistung wie möglich verlorengeht. Dies läßt sich nur auf die Weise erreichen, daß das Auslaßventil geöffnet wird, lange bevor der Kolben UT erreicht. Ein frühes Öffnen des Auslaßventils mindert jedoch die Wirksamkeit des Ausdehnungshubes und erhöht die AuspuffVerluste, die ihrerseits den thermischen Wirkungsgrad herabsetzen.

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Eine rasche Kolbenbewegung im UT stellt bei Zweitakt-Verbrennungsmotoren eine noch größere Behinderung dar als bei Viertakt-Verbrennungsmotoren. Wenn sich der Kolben beim Zweitaktmotor dem Boden des Zylinders nähert, laufen folgende Ereignisse ab: Zuerst öffnet sich die Auslaßöffnung und die heißen Gase beginnen auszuströmen. Die Auslaßöffnungen sollten tatsächlich früh genug öffnen, damit sich der Zylinderdruck vor dem Öffnen der Überströmöffnungen auf weniger als den überströmdruck entspannen kann. Sodann öffnen die Überströmöffnungen und die frische Ladung strömt in den Zylinder ein, wobei sie die restlichen Auspuffgase durch die Auslaßöffnung hinausdrängt. Wenn sich dann der Kolben vom UT weg bewegt, müssen die Überströmöffnungen und danach die Auslaßöffnungen rasch geschlossen werden, um die frische Ladung einzufangen, während der nächste Verdichtungshub beginnt. Sowohl der Auspuff- als auch der Ansaughub, die bei Viertaktmotoren zusammen eine Drehung von 3 60° beanspruchen, sollten beim Zweitakter im Idealfalle während der kurzen Zeit stattfinden, in der der Kolben durch UT geht. Die Folge einer raschen Bewegung im UT ist, daß Zweitaktmotoren eher schmale Leistungsbänder besitzen. Ihre Anwendung war somit auf Sonderfälle wie z.B. langsamlaufende Dieselmotoren und schnelldrehende Motorradmotoren beschränkt.

Die vorstehenden Beschreibungen und Untersuchungen machen deutlich, daß die Leistung von Kolbenmaschinen durch eine Vergrößerung des Taktzeitanteils, den die Kolben in der Nähe der oberen und unteren Totpunkte verbrauchen, beträchtlich verbessert werden könnte. Bei kurbelbetätigten Kolben sind für eine vorgegebene Hublänge die Länge der Pleuelstange und die Versetzung des Kolbenbolzens die einzigen Parameter, die vom Konstrukteur geändert werden können. Leider lassen beide Parameter nur sehr geringfügige Änderungen zu, und häufig verursacht eine an einem Ende des Hubes erzielte Vergrößerung eine Verkleinerung am anderen Ende. Es scheint also einleuchtend

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zu sein, daß ein verschiedener Mechanismus benötigt wird, um eine beträchtliche Verbesserung der Leistung zu erzielen.

In der Vergangenheit sind als Ersatz für die über Kurbel und Pleuelstange betätigte Maschine mehrere jochbetätigte Kolbenmaschinen entwickelt worden. Weil keine von ihnen wesentlichen Erfolg hatte, lohnt es sich, näher zu untersuchen, weshalb sich für sie keine Akzeptanz eingestellt hat.

Die älteste und einfachste Vorrichtung ist das Gelenk- oder Kurbelviereck. Ein solcher Mechanismus wurde in dem aus der US-PS 1 774 105 bekannten Verbrennungsmotor verwendet und bestand aus einem Kurbelzapfen und einem ebenwandigen Joch von einer Breite gleich dem Durchmesser des Kurbelzapfens oder, gegebenenfalls, der Breite des Zapfenlagers. Diese Vorrichtung bewegt die Kolben mit einer einfachen Sinusschwingung, die mit der Bewegung einer Kurbel mit einer Pleuelstange von unendlich großer Länge identisch ist. Folglich konnte sich das Kurbelviereck nicht durchsetzen, weil seine Bewegung nur wenig verschieden ist von der des gewöhnlichen Kurbel-Pleuelstangen-Getriebes, an dessen Stelle es tritt.

Aus der US-PS 1 810 688 ist ein Dreifachnocken-Joch bekannt. Wenngleich hier ein Nocken mit drei Höckern bzw. Anläufen benutzt wurde, um sechs Hübe pro Umdrehung zu erzeugen, wurde der Zweck nicht erfüllt, die Zeit zu verlängern, welche von den Kolben im oberen und unteren Totpunkt verbracht wird. Die Konstruktion hat keinen Massenausgleich für'die hin- und hergehende Masse des Jochs. Einfache Gegengewichte auf der Nokkenwelle waren wirkungslos, weil das Joch je Umdrehung der Nockenwelle drei Hin- und Herbewegungen ausführte. Ein anderer Nachteil dieser Konstruktion bestand in der Verwendung von Wälz-, insbesondere Rollenlagern als Hubglieder. Bei einer Erhöhung der Nockenwellendrehzahl nimmt die Beschleunigungsrate der Wälzlager im Hubglied zu und schließlich

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beginnen die Wälzkörper zu gleiten. Dies wird dann zur Ursache von übermäßigem Verschleiß und geringer Betriebssicherheit. Ein noch anderer Nachteil von Wälzkörper-Hubgliedern ist ihr großer Eingriffswinkel. Daraus entstehen übermäßige Seitenkräfte auf das Joch. Zusammengefaßt gesagt, diese Vorrichtung hatte keine Kolbenverzögerung, wies einen schlechten Massenausgleich auf und war mit den Schwierigkeiten behaftet, die sich aus der Verwendung von Wälzkörper-Hubgliedern ergeben.

In der US-PS 2 513 514 ist eine interessante Verbindungsvorrichtung zwischen Kolben und Kurbelwelle beschrieben, die zwar ein Rasten der Kolben im oberen und unteren Totpunkt ermöglichte, aber aus anderen Gründen fehlerhaft war. Anders als das Kurbelviereck war diese Vorrichtung auf den Zylinderdruck angewiesen, um das Joch in ständiger Berührung mit der Wälzkörper-Kurbel zu halten. Wenngleich dieser Zustand bei niedrigen -Betriebsgeschwindigkeiten, bei denen die dynamischen Kräfte kleiner als die Gaskräfte sind, beibehalten werden kann, werden die dynamischen Kräfte bei zunehmender Geschwindigkeit rasch größer als die Gaskräfte. Folglich konnte diese Vorrichtung lediglich für Anwendungsfalle mit niedriger Drehzahl und konstanter Last benutzt werden. Auch hier entstehen durch die Beschleunigung und die Beschleunigungs-Ände-

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rungsrate der Wälzlager Schwxerxgkexten hxnsxchtlxch der Abnutzung und der Betriebssicherheit. Zwar ergeben Gegengewichte bei der Vorrichtung gemäß der US-PS 2.513 514 eine größere Wirkung als beim Dreifachnocken, jedoch entstehen durch die Bewegungspausen und die exzentrische Bewegung dieser Vorrichtung Schwingungsprobleme.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit relativ einfachen Mitteln und wirtschaftlich herstellbare Hubkolbenmaschine "zu schaffen, die unter Vermeidung der vorstehend aufgeführten Nachteile die gestellten Forderungen in besonders zuverlässiger Weise erfüllt.

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Eine die Aufgabe lösende Hubkolbenmaschine ist mit ihren Ausgestaltungen in den Ansprüchen gekennzeichnet.

Gemäß dem Hauptlösungsgedanken der Erfindung sind ein oder mehrere Nocken auf einer Nockenwelle angeordnet, die einem oder mehreren Jochen, Kolben und Zylindern zugeordnet ist. Die Zylinder sind an einem Nockengehäuse starr befestigt, in dem die Nockenwelle drehbar gelagert ist. Die Achse der Nokkenwelle ist zumindest annähernd rechtwinklig zu den Zylinderachsen. In jedem Zylinder ist ein Kolben hin- und herbewegbar angeordnet und über eine Stange mit einem Joch verbunden. Vorzugsweise ist jedes Joch zwei Stangen und Kolben bei entgegengesetzter Zylinderanordnung gemeinsam. Die Joche umschließen die Nockenwelle und weisen Bewegungsabnähme- oder Hubglieder in Form von Nichtwälzkörpern oder aus Nichtwälzkörpern und Wälzkörpern zusammengesetzte Hubglieder auf. Jedes Joch ist in jedem Zeitpunkt durch eine oder mehrere nicht kreisrunde Kurvenscheiben oder Nocken mit endlicher Beschleunigungsänderungsrate zwangläufig gesteuert, wobei die Nocken auf der Nockenwelle starr so befestigt sind, daß jede Kolben-Joch-Baugruppe je Umdrehung der Nockenwelle zwei Hübe ausführt.

"Zwangläufige Steuerung" bedeutet, daß der Nocken und die Bewegungsabnahmeflächen die Position des Joches in jedem Zeitpunkt exakt steuern. Zwangläufige Steuerung bedeutet, daß der Nocken zwischen sich gegenüberliegenden Bewegungsabnahmeflächen so eingeschlossen ist, daß bei Berührung zwischen einer Fläche und dem Nocken die andere Fläche vom Nocken um nicht mehr als das Betriebsspiel von beispielsweise etwa 0,03 bis 0,3 mm entfernt ist. Selbstverständlich gibt es einen Zeitpunkt, nämlich bei der Steuerungsübergabe von der einen auf die andere Fläche, in dem der Nocken keine der beiden Flächen berührt. Somit wird sowohl die Erhebung als auch der Rückgang durch den Nocken betätigt.

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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die sich hin- und herbewegende Masse von zwei Joch-Baugruppen dadurch ausgeglichen, daß die Joche 180° phasenverschoben betätigt werden. Andere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung, nämlich mit zwei sich gegenüberliegenden Zylindern und vier Zylindern in X-Anordnung, sind in idealer Weise für Zweitakt-Verbrennungsmotoren und Pumpen geeignet. Noch andere Ausführungsformen weisen Druckschmieranlagen für Nocken und Hubglieder auf, um die Belastbarkeit der Vorrichtung zu erhöhen.

Die Erfindung schafft somit eine Hubkolbenmaschine, die sich insbesondere durch folgende Vorteile auszeichnet:

- größere Anpassungsfähigkeit der Konstruktion als bei der herkömmlichen Maschine mit Kolben, Kurbel und Pleuelstange;

- erhöhte Betriebssicherheit und Belastbarkeit;

- verbesserter Massenausgleich der hin- und hergehenden Massen;

- wirkungsvollere Schmierung der Nocken und Hubglieder;

- kleinere Zeitverluste und größeres effektives Expansionsverhältnis sowohl bei Kolbenmotoren mit innerer als auch mit äußerer Verbrennung;

- kleinere Auspuffverluste bei verschiedenen Kolbenmotoren;

- verbesserter volumetrischer Wirkungsgrad bei Kolben-'maschinen;

- reduzierte Kolbenringbeschleunigung in der Nähe des oberen Totpunktes;

- verbesserte Leistungskennwerte sowohl im unteren als auch im oberen Drehzahlbereich bei sowohl Zweitakt- als auch bei Viertakt-Otto- und -Dieselmotoren;

- verbesserte Verbrennung und geringere Auspuffemissionen bei Kolben-Verbrennungsmotoren;

- verbesserte Betriebskennwerte bei Mehrstoffbetrieb von Kolbenmotoren und geringerer Kraftstoffverbrauch;

- bessere Anpassungsfähigkeit an die funktionsmäßigen

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Erfordernisse aller nach den Rankine-, Otto-, Diesel- und Stirling-Verfahren arbeitenden Maschinen und Motoren.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Einzylinder-Maschine gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Zweizylinder-Maschine gemäß der Erfindung mit gegenüberliegenden Zylindern,

Fig. 3 eine. Vierzylinder-Maschine gemäß der Erfindung mit T- oder X-förmiger Zylinderanordnung,

Fig. 4 eine zusammengesetzte Joch-Baugruppe gemäß der Erfindung,

einen Schnitt durch ein einfaches Joch, einen Schnitt durch ein zusammengesetztes Joch, ein Joch mit schrägen Bewegungsabnahmeflächen, ein Joch mit eingesetzten Bewegungsabnahmeflächen, sich selbst ausrichtende bzw. pendelnde Hubgliedeinsätze, ■'

Hubgliedeinsätze zur Erhöhung der Belastbarkeit, ein Joch mit einem schwimmend angeordneten·ebenflächigen Hubglied,

Fig. 12 ein Joch mit einem ebenflächigen Hubgliedeinsatz und einem Wälzlagereinsatz,

Fig. 13 einen einzelnen nicht kreisrunden, nicht erfindungsgemäßen Nocken von konstanter Breite,

Fig. 14 einen nicht kreisrunden, nicht erfindungsgemäßen Nocken von konstanter Breite, bei dem der Bogenradius größer ist als das eingeschriebene gleichseitige Dreieck,

Fig. 15 Beschleunigungskurven für die Nocken gemäß Fig. und 14,

Fig. 16 Kurven der Beschleunigungsänderungsrate für die Nocken gemäß Fig. 13 und 14,

Fig. 17, 18 und 19 grafische Darstellungen von Profilen für

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Nocken von konstanter Breite und endlicher Beschleunigungsänderungsrate,

Fig. 20 und 21 Doppelnocken von konstanter Breite, Fig. 22 und 23 konjugierte Nocken,
Fig. 24 kräftepaarfreie konjugierte Nocken, Fig. 25 und 26 Ausgleichsjoche und
Fig. 27 und 28 Schmierkanäle in Nocken von konstanter Breite.

Für jede Ausführungsform der Erfindung gibt es zwei mögliche Varianten. Die in Fig. 1 dargestellte erste Variante wird als Variante mit rotierendem Nocken bezeichnet. In ihrer einfachsten Form weist sie zwei bewegliche Bauteile auf: eine sich drehende Nockenwelle TO, auf der ein Nocken 11 von endlicher Beschleunigungsänderungsrate und konstanter Breite befestigt ist, und eine hin- und herbewegbare Baugruppe, die aus einem Joch 12, einer Stange 13 und einem Kolben 14 zusammengesetzt ist. Die beweglichen Bauteile wirken mit einem ortsfesten Block 15 zusammen, der ein Nockengehäuse 16, Lager .für die Nockenwelle 10 und einen Zylinder 17 aufweist. Bei der anderen Variante ist der Block drehbar. Diese Vorrichtung ist der erstgenannten ähnlich, mit der Ausnahme, daß die Nokkenwelle festgehalten ist und sich die Baugruppe mit dem Block, dem Zylinder, dem Joch, der Stange und dem Kolben um die Nockenwelle dreht. Der Einfachheit halber werden im folgenden nur Varianten mit rotierendem Nocken beschrieben, obgleich beide Varianten im Rahmen der Erfindung in Betracht gezogen sind.

Es lassen sich alle Mehrzylinder-Konfigurationen wie z.B. Reihen- und V-Anordnung, gegenüberliegende und radiale Anordnung etc. konstruieren. Die vorliegende Erfindung kann in der einen oder der anderen Form benutzt werden, um jede bestehende Ein- oder Mehrzylinder-Hubkolbenmaschine zu ersetzen, Es werden zwei Anordnungsformen von speziellem Interesse beschrieben: die Zweizylindermaschine mit gegenüberliegenden

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Zylindern und die Vierzylindermaschine mit radialer T- oder X-Anordnung.

Die in Fig. 2 dargestellte Maschine mit zwei gegenüberliegenden Zylindern hat gegenüber der Einzylindermaschine gemäß Fig. 1 mehrere Vorteile. Sie weist einen zweiten Zylinder 17', einen zweiten Kolben 14' und eine zweite Stange 13* auf, ohne daß weitere bewegliche Bauteile hinzugefügt sind. Die Verdrängung beträgt das Doppelte derjenigen der Ausführungsform gemäß Fig. 1, und dennoch sind die Abmessungen und das Gewicht um nur etwa 30% vergrößert. Weil die Zylinder 17 und 17' dasselbe Joch 12 gemeinsam haben, sind sie nicht gegeneinander versetzt, und es gibt folglich keine durch ein Kippkräftepaar hervorgerufene Schwingungen, die schwierig auszugleichen wären. Die Zylinder 17 und 17' weisen außerdem in bezug aufeinander eine Phasenverschiebung von exakt 180° auf, die für Zweizylinder-Zweitakt-Arbeitszyklen ideal ist. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform ist ihr konstantes Nockengehäusevolumen. Wenn das Nockengehäusevolumen durch eine Stange und einen Kolben verkleinert wird, wird es durch die gegenüberliegenden Bauteile um exakt denselben Betrag vergrößert und bleibt somit konstant. Verluste durch Pumpen des Nockengehäuses 16 sind minimal, und ein kompliziertes Entlüftungssystem für das Nockengehäuse 16 ist nicht nötig. Ein kleines, mit einem Filter versehenes Ventilationsloch, das Wärmeausdehnung und thermische Kontraktion ausgleichen kann, ist normalerweise ausreichend. Die beiden Zylinder 17 und 17' halten das Joch 12 in der zur Achse der Nockenwelle 10 rechtwinkligen Ebene und verhindern ein Schräglaufen beider Kolben 14 und 14" im zugehörigen Zylinder 17 bzw. 17'; somit ermöglichen sie es, daß sich das Joch 12 frei hin- und herbewegt, ohne das Nockengehäuse 10 als Führung zu benutzen. Schließlich wird bei dieser Konfiguration eine optimale Wärmeableitung bei beiden Zylindern 17 und 17' erzielt, die für viele luftgekühlte Ausführungsformen der Er-

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findung in hohem Maße erwünscht ist. Von einem Zweizylinder-Verbrennungsmotor* mit gegenüberliegenden Zylindern wurde unter Anwendung der hier beschriebenen Grundsätze ein Arbeitsmodell gebaut, mit dem sich viele der Merkmale der Erfindung demonstrieren lassen. Dieses Arbeitsmodell ist weiter unten näher beschrieben.

Fig. 3 zeigt eine Vierzylindermaschine in radialer T- oder X-Anordnung, die für solche Anwendungsfälle sehr vorteilhaft ist, in denen zur Erhöhung der Leistung oder zur Erzielung eines weicheren Laufs zusätzliche Zylinder erforderlich sind oder eine kompaktere Ausführung gefordert wird. Durch Anordnen eines weiteren Zwei-Kolben-Jochs 22 hinter das erste Joch 12 am gleichen Nocken 11 mit einer Versetzung um 90° in einer zur Achse der Nockenwelle 10 rechtwinkligen Ebene ist eine Vierzylindermaschine erzielt, die nur drei bewegliche Bauteile aufweist. Jeder der Zylinder 17, 17', 27 und 27' ist von allen Seiten außergewöhnlich bequem zugänglich, wodurch die Wartung und, bei Bedarf, die Kühlung vereinfacht werden. Die Arbeitsspiele der vier Zylinder 17, 17'', 27 und 27' sind gleichmäßig um 90° gegeneinander versetzt, was für einen Vierzylinder-Zweitakt-Betrieb ideal ist.

Obgleich es möglich ist, das Joch, die Stange und den Kolben aus einem Stück herzustellen, ist es wahrscheinlicher, daß in der Konstruktionspraxis ein zusammengesetzter Aufbau ähnlich dem in Fig. 4 dargestellten bevorzugt wird. Die zusammengesetzte Konstruktion vereinfacht verschiedene Montage- und ■Wartungsarbeiten und ermöglicht es, daß jedes Bauteil aus dem Werkstoff hergestellt wird, das für die vom Bauteil geforderten Funktionen am besten geeignet ist. Eine zusammengesetzte Konstruktion kann auch die Wartungskosten in beträchtlichem Maße senken. Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform hat einen Kolben 30, der an einer Stange 31 durch einen Kolbenbolzen 32 befestigt ist. Die Stange 31 ist an

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ein Joch 33 angeschraubt, das zwei Bewegungsabnahme- bzw. Mubgliedeinsätze 34 und 35 aufweist.

Der Kolbenbolzen, der für kurbelbetätigte Kolben wesentlich ist, ist bei der vorliegenden Erfindung ein Bedarfsteil. Die Verwendung eines Kolbenbolzens kann zweckmäßig sein, um das Angebot von ab Lager lieferbaren Kolben auszunutzen oder größere Fertigungstoleranzen bei seriengefertigten Einheiten zu ermöglichen. Wenn jedoch der Kolben wie z.B. in einem Motor beträchtlicher Wärme ausgesetzt ist, kann der Kolbenbolzen weggelassen und ein radial symmetrischer Kolben verwendet werden. Der Vorteil der radialen Symmetrie liegt darin, daß sich der Kolben bei Erwärmung gleichmäßig ausdehnt und dabei seine kreisrunde Gestalt beibehält. Herkömmliche radial unsymmetrische Kolben für Bolzenbefestigung müssen mit großem Kostenaufwand leicht oval geschliffen werden, um zu verhindern, daß sie im erwärmten Zustand in ihren Zylindern fressen.

Zum Befestigen eines Kolbens an der Stange können anstelle eines Kolbenbolzens verschiedene Verfahren angewendet werden, z.B. eine Schraubverbindung oder ein Kugelgelenk, die beide radial symmetrisch sind. Mit der Kugelgelenkverbindung lassen sich Ausrichtungsfehler ausgleichen und eine gleichmäßige Wärmeausdehnung erzielen. Die Befestigung der Stange im Zentrum des Kolbens hat den zusätzlichen Vorteil, daß die Kühlung des Kolbens in diesem Bereich unterstützt wird. Durch Weglassen des Kolbenbolzens wird somit die Zahl der beweglichen Bauteile verringert, die Möglichkeit eines Ausfalls des Kolbenbolzenlagers ausgeschlossen, die Kolbenkühlung verbessert und ein engerer Sitz des Kolbens im Zylinder ermöglicht, wodurch Durchblasen, Kolbengeräusch und Kolbenabnutzung gemildert werden. Der durch die vorliegende Erfindung gebotene Spielraum für die Kolbenausgestaltung kann also für eine beträchtliche Leistungsverbesserung bei Kolbenmaschinen ausgenutzt werden.

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Bei ungeführten Jochen sind viele Ausgestaltungsformen für die Verbindungsstange möglich. Die Stange kann am Kolben durch einen Kolbenbolzen befestigt und am anderen Ende in das Joch eingeschraubt sein. Sie kann an einem Ende mit einem Kugelgelenk versehen und am anderen Ende mit dem Joch verschraubt sein. Die Stange kann hohl sein, um ihre Masse zu verkleinern und ihre Steifigkeit zu vergrößern. Sie kann sowohl mit dem Kolben als auch mit dem Joch verschraubt sein. In den Fällen, in denen hohe Drehmomente auftreten und die daher zusätzliche mechanische Festigkeit erfordern, kann die Stange in' dem am Joch befestigten Abschnitt konisch gestaltet sein. Die Befestigung der Stange sowohl am Kolben als auch am Joch kann mit Kolbenbolzen geschehen, deren Achsen rechtwinklig zueinander sind. Wenn der Kolben in der zur Nockenwelle rechtwinkligen Ebene drehbar ist, sollte die Verbindung zwischen Stange und Joch normalerweise eine Relativbewegung in dieser Ebene verhindern, falls das Joch selbst nicht durch äußere Mittel wie z.B. Führungen im Nockengehäuse gegen Drehung gesichert ist. Die Betriebssicherheit der Vorrichtung wird normalerweise verbessert, wenn die Stange und das Joch so konstruiert sind, daß die Möglichkeit einer Relativbewegung zwischen ihnen so gering wie möglich ist.

Auch für geführte Joche sind viele Ausgestaltungsformen für die Verbindungsstange möglich. Beispielsweise kann zusammen mit einem zwangläufig geführten Joch eine Stange benutzt werden, die an beiden Enden Kugelgelenke aufweist. Die Schwenkbarkeit der Stange in bezug auf das Joch und den Kolben kann zum Ausgleichen einer axialen Versetzung zwischen den Zylindern und dem hin- und herbewegbaren Joch benutzt werden.

Verbindungsstangen mit gleichbleibendem Querschnitt können mit hin- und hergehenden Lagern abgestützt sein, die am Nokkengehäuse befestigt sind. Diese konstruktive Lösung ermöglicht es, daß einem von der Nockenwelle erzeugten Drehmoment

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durch die hin- und hergehenden Lager und die Verbindungsstangen statt durch die Kolben und Zylinder entgegengewirkt wird.

In Fig. 5 ist ein einteiliges Joch dargestellt, das auf seiner linken Seite einen Gewindeansatz zum Befestigen einer Stange trägt. Seine Außenflächen 40 und 41 sind parallel und feinbearbeitet, um ein ruckfreies Gleiten in Jochführungen eines Nockengehäuses sicherzustellen. Das Joch weist Innenberührungsflächen 42 und 43 auf, die eben und parallel gearbeitet sind und als Bewegungsabnahme- bzw. Hubglieder wirken. Im weiteren Verlauf dieser Beschreibung werden die den Nocken berührenden Jochflächen als Hubglied- bzw. Bewegungsabnahmeflächen bezeichnet.

Das in Fig. 6 dargestellte Joch ist aus zwei Hälften 45 und 46 zusammengesetzt, die oben und unten zusammengeschraubt sind. Diese zweiteilige Ausbildung ermöglicht die bequeme Abnahme des Joches von der Nockenwelle, ohne daß letztere aus dem Nockengehäuse ausgebaut werden muß. Das Joch weist innen Vertiefungen 47 und 48 für Hubgliedeinsätze auf und ist zur Verwendung mit zwei sich gegenüberliegenden Stangen ausgebildet. Der Querschnitt der senkrechten Jochwände nimmt zur Mitte hin zu, um eine Durchbiegung bzw. Verformung unter Last zu mildern. In jede Jochhälfte 45 und 46 sind fünf Löcher 49 eingebohrt, um durch Verkleinern der Masse die Lagerbelastungen, Reibung und Abnutzung zu verringern. Dieses Joch ist für ungeführte Bewegung im Nockengehäuse ausgelegt.

Das in Fig. 7 dargestellte Joch hat mehrere interessante Merkmale, unter denen die schräggestellten vertikalen Bewegungsabnahmeflächen ins Auge fallen. Die Schrägstellung bewirkt eine Vergrößerung des Hubes der Vorrichtung um den Faktor 1/sin 06 . Dieses Joch zeigt, daß die Hubglieder nicht rechtwinklig zur Achse der Verbindungsstange sein müssen. Das Joch

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weist ferner Wälzlager auf, die sich in den Jochführungen des Nockengehäuses bewegen.

Zwar ist es möglich, als Hub- oder Bewegungsabnahmeglieder die Innenflächen des Jochs zu benutzen, doch liegen in der Verwendung getrennter Hubgliedeinsätze 49' gemäß Fig. 8 mehrere Vorteile. Ein erster Vorteil getrennter Hubgliedeinsätze besteht darin, daß sie aus abriebfesten Sonderwerkstoffen hergestellt werden können, welche das Gewicht, das hin- und herbewegt werden muß, in unerwünschtem Maße erhöhen oder die mechanische Festigkeit herabsetzen würden, wenn das gesamte Joch aus ihnen hergestellt wäre. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß es sehr viel billiger ist, bei abgenutzten Bewegungsabnahmeflächen nur die Hubglieder statt des gesamten Joches auszuwechseln.

Gemäß Fig. 8 sind in sich gegenüberliegende Wände des Joches zwei rechteckige, ebene Hubgliedeinsätze 49' eingesetzt und verschraubt. Diese Art von Hubglied ist am einfachsten herzustellen und genügt für die meisten Anwendungsfälle, Wenn jedoch Fertigungstoleranzen eine rechtwinklige Berührung zwischen dem Hubglied und der Nockenfläche verhindern, können gemäß Fig. 9 sich selbst ausrichtende bzw. pendelnde Hubgliedeinsätze 49b verwendet werden. In diesem Falle sind sowohl die Außenflächen der Hubgliedeinsätze 49b als auch die Innenflächen des Jochs mit einem zylindrischen Radius R gleich dem halben Abstand D zwischen den Jochflächen fertigbearbeitet. Dabei ist die Achse des Hubgliedzylinders rechtwinklig zu der Ebene, die durch die Achse der Nockenwelle und die durch den Mittelpunkt der Joch-Baugruppe gehende Achse definiert ist.

Bei Anwendungsfällen, in denen hohe Drücke und große Geschwindigkeiten auftreten, können Reibung und Abnutzung zu kritischen Entwurfsfaktoren werden, denen besondere Aufmerksamkeit

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geschenkt werden muß. Wenn der Nocken für eine Rast im OT ausgelegt ist, wie bei Dieselmotoren, kann eine Vergrößerung, der Berührungsfläche zwischen Hubglied und Nocken zweckmäßig sein. Gemäß Fig. 10 weist ein Hubgliedeinsatz 49c in der Mitte eine flache zylindrische Vertiefung auf, deren Radius gleich ist dem größten Nockenradius, der im OT am Joch anliegt, Die mit der Vertiefung erzielte größere Berührungsfläche erhöht die Belastbarkeit des Nockens und des Hubgliedes.

Eine andere Maßnahme zur Erhöhung der Belastbarkeit von Nokken und Joch besteht in der Wegnahme von Material hinter der Bewegungsabnahmefläche, wo die größten Kräfte aufgenommen werden. Dies ermöglicht ein Nachgeben des Hubgliedeinsatzes zur Anpassung an die Nockenfläche, wodurch die Berührungsfläche vergrößert und die Belastbarkeit erhöht wird. Beispielsweise bei einem rechtsdrehenden Zweitakt-Gegenkolbenmotor, bei dem der maximale Zylinderdruck kurz nach OT auftritt, kann der Ort der Materialwegnahme gegenüber der Mitte der Hubglieder versetzt sein.

Die Verwendung eines zweischichtigen Hubgliedeinsatzes ist möglich. Die dünne Innenschicht ist aus einem harten flexiblen Werkstoff, z.B. Stahl, und die dicke Außenschicht ist aus einem weicheren elastischen Werkstoff, der unter Belastung nachgibt, um eine größere Berührungsfläche zwischen dem Nokken und dem Hubglied zu ermöglichen. Durch Kombinieren von zwei oder mehreren der vorstehend angegebenen lasterhöhenden Maßnahmen lassen sich viele andere zuverlässige, hochbelastbare feststehende Hubglieder ausgestalten.

Eine andere Möglichkeit zur Erhöhung der Belastbarkeit und Minderung von Abnutzung und Reibung besteht in der Verwendung eines schwimmend angeordneten ebenflächigen Hubgliedes 50 (s. Fig. 11). Das Hubglied 50 ist ein Parallelogramm mit vier gleichen Seiten, die alle Berührung mit dem Nocken halten.

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Bei dieser Ausbildung wird das Hubglied 50 gezwungen, in dieselbe Richtung zu gleiten wie die Hubfläche des Nockens, wodurch die Relatxvgeschwindigkeit zwischen dem Nocken und dem Hubglied in ihrem Berührungspunkt verringert wird. Anders als beim feststehenden Hubgliedeinsatz, das Berührung in einem einzigen Punkt hält, verteilt das schwimmend angeordnete Hubglied 50 die während der Rast im OT entstehende Abnutzung über eine beträchtliche Länge der Bewegungsabnahmefläche. Schwimmend angeordnete Hubglieder- sind aus einem Werkstoff herzustellen, dessen Wärmeausdehnungsrate sowohl mit dem Nocken als auch dem Joch vereinbar ist, damit bei Temperaturänderungen in der Maschine kein Pressen zwischen dem Hubglied und dem Nocken oder dem Joch auftritt.

In Fig. 12 ist ein Verbundjoch mit einem ebenflächigen Hubglied 49d und einem Wälzlager-Hubglied 51 dargestellt. Wälzlager-Hubglieder werden gewöhnlich benutzt, um die Reibung zu verringern. Sie arbeiten sehr gut in Anwendungsfallen, in denen ihre Drehgeschwindigkeit während des gesamten Arbeitsspiels der Maschine bei einer bestimmten Drehzahl ziemlich konstant ist. Wenn sie jedoch während des Arbeitsspiels beträchtliche Beschleunigungen und Verzögerungen ausführen müssen, bewirkt ihre eigene Trägheit bei hohen Drehzahlen, daß sie auf der Nockenfläche gleiten statt abzurollen. Dieses Gleiten verursacht eine abrupte Erhöhung der Reibung und kann eine rasche Zerstörung sowohl des Wälzlagers als auch des Nockens hervorrufen. Bei der in Fig. 12 dargestellten Ausführungsform ist die Wälzkörperbeschleunigung dadurch begrenzt, daß die Berührung mit den Wälzkörpern auf einen nur kleinen Teil des Arbeitsspiels beschränkt ist.

Das Wälzlager ist in der Jochmitte angeordnet, und der obere Abschnitt seiner zylindrischen Außenfläche ragt beim gezeigten Beispiel etwas über die ebene Fläche des Hubgliedeinsatzes 49d hinaus. Der Nocken ist so ausgelegt, daß er

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das Wälzlager nur dann berührt, wenn sich das Joch in der Nähe vom OT bewegt, und sich frei dreht, bis diese Jochfläche sich wieder dem oberen Totpunkt nähert. Die dem unteren Totpunkt entsprechende Fläche oder Flanke des Nockens muß in der Mitte etwas zurückgenommen sein, um eine Berührung mit dem Wälzlager zu vermeiden, wenn das Joch im UT ist. Statt das Wälzlager überstehen zu lassen und den Nocken zurückzunehmen kann das Wälzlager versenkt angeordnet sein und die dem OT entsprechende Berührungszone des Nockens mit dem Wälzlager hervortreten. Mit beiden Maßnahmen läßt sich das Ziel einer Verringerung der Wälzlagerbeschleunigung erreichen.

Die Wälzlagerberührung kann auf den Stillstand im OT begrenzt oder für einen Teil des Hubes in der Nähe von OT benutzt werden. Beispielsweise kann der Nocken so ausgebildet sein, daß er an beiden ebenen Bewegungsabnahmeflächen während 95% des Hubes anliegt und das Wälzlager und die ihm gegenüberliegende ebene Bewegungsabnahmefläche während 5% des Hubes um den oberen Totpunkt berührt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß die Wälzlagerberührung in dem durch hohen Druck gekennzeichneten Teil des Arbeitsspiels stattfindet, wogegen die Änderung der Wälzlagergeschwxndigkeit auf 5% begrenzt ist.

Der Begriff "Nocken mit Zwanglaufsteuerung" im Sinne der vorliegenden Beschreibung schließt nicht den entarteten Fall einer exzentrischen kreisrunden Kurvenscheibe ein. Da alle exzentrischen kreisrunden Nocken und Joche eine einfache Sinusschwingung erzeugen, fehlt bei ihnen völlig der für die vorliegende Erfindung wesentliche konstruktionsmäßige Spielraum. Jedoch ist der kreisrunde Nocken von Wichtigkeit, wenn es darum geht, ein Leistungsgrunddiagramm für die Beurteilung anderer, nicht kreisrunder Nocken zu erstellen.

Der einfachste nicht kreisrunde Nocken mit Zwanglaufsteuerung

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ist der in Fig. 13 dargestellte Nocken von konstanter Breite. Zu seiner Konstruktion werden ausgehend von den drei Scheiteln eines gleichseitigen Dreiecks Kreisbogen geschlagen. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 13 ist der Bogenradius gleich der Länge einer Seite, wogegen er bei der in Fig. 14 dargestellten abgewandelten Ausführungsform größer als die Länge einer Seite ist. Die langen Bogensegmente sind durch kurze Kreisbogen miteinander verbunden, die vom nächstgelegenen Scheitelpunkt aus geschlagen sind. Wenngleich der Kurvenverlauf des Nockens gemäß Fig. 14 weicher erscheinen mag als bei dem in Fig. 13 dargestellten Nocken, sind die Bewegungen beider Nocken gleich.

In Fig. 15 ist die Beschleuhigungskurve für beide Nocken dargestellt. Die waagerechte Achse stellt den Winkel » t, die vertikale Achse die Beschleunigung des Jochs in Achsenrichtung der Kolbenstange dar. In den Punkten A, B, C, D, E und F ändert sich die Nockenbeschleunigung sprunghaft. Jeder Kurvensprung entspricht in Fig. 16, in welcher die waagerechte Achse den Winkel ω t und die senkrechte Achse die Beschleunigungsanderungsrate darstellt, einem Punkt mit unendlicher Beschleunigungsanderungsrate. Die unendliche Beschleunigungsanderungsrate in diesen Punkten erzeugt ein heftiges Schlagen oder Stoßen, das bei jeder Geschwindigkeit, außer bei der niedrigsten, schließlich zur Zerstörung der Maschine führt. Somit sind alle Nocken mit unendlicher Beschleunigungsanderungsrate wegen der ihnen eigenen geringen Betriebssicherheit zur Verwendung zusammen mit der Erfindung unbrauchbar.

Gemäß der Erfindung sind die Nocken im Hinblick auf eine· zwangläufige Steuerung gestaltet und umfassen nur nicht kreisrunde Nocken mit endlicher Beschleunigungsanderungsrate. Der Nocken von konstanter Breite verlangt, daß die ersten 180° der Bewegung den zweiten 180° der Bewegung exakt entgegengesetzt sind; dies ist für Zweitaktmaschinen mit gegenüber-

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liegenden Zylindern ideal. In technischen Fachbüchern wie z.B. "Mechanism" von Faires und Keown, McGraw-Hill, I960, sind Methoden für die Konstruktion von Nocken von konstanter Breite und endlicher Beschleunigungsänderungsrate beschrieben.

Wenngleich das tatsächliche Profil des Nockens vom Konstrukteur und durch den Anwendungsfall bestimmt wird, führt eine nähere Betrachtung der Profile mehrerer verschiedener Nocken von konstanter Breite zu einer besseren Einschätzung des bei diesem Mechanismus gebotenen konstruktionsmäßigen Spielraums. Im Gegensatz zu dem in Fig. 14 dargestellten einfachen Nocken mit unendlicher Beschleunigungsänderungsrate, der eine Rast von 60° im OT und UT hat, weist das in Fig. 17 grafisch dargestellte Nockenprofil überhaupt keine Rast auf. Fig. 17 zeigt keine Seitenansicht des Nockens, sondern stellt grafisch die Erhebung L einer Bewegungsabnahmefläche über dem Winkelabstand «t dar. An diesem Beispiel wird deutlich, daß gemäß der Erfindung keine Rast erforderlich ist und der Konstrukteur eine unendliche Vielfalt von Nocken ohne Rast gestalten kann.

In Fig. 18 ist ein Nockenprofil mit einer Rast von 5° dar- . gestellt, dessen Beschleunigung und Verzögerung in bezug auf die Hubmitte gleich und entgegengesetzt sind. Dieses Profil ist für eine Pumpe mit doppeltwirkenden Kolben oder für einen Motor mit umkehrbarer Drehrichtung geeignet.

Fig. 19 zeigt ein Nockenprofil mit einer Rast von 16°, das bei Drehung im Uhrzeigersinn während der Annäherung an den OT relativ langsam verzögert und während der Entfernung vom OT relativ rascher beschleunigt. Wenn sich derselbe Nocken im Gegenuhrzeigersinn dreht, ist die Verzögerung des Joches rascher als seine Beschleunigung. Dieser Nocken verdeutlicht, auf welche Weise der Konstrukteur die Verwirbelung in der Brennkammer vor der Zündung beeinflussen und das Joch ent-

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sprechend den Verbrennungskräften nach der Zündung beschleunigen kann, um Schwingungen und Abnutzung bei normalen Betriebsgeschwindigkeiten so gering wie möglich zu halten. Nocken von konstanter Breite mit asymmetrischer Beschleunigung und Verzögerung lassen sich so konstruieren, daß bei Zweitaktmotoren die Zylinderöffnungen langsam geöffnet und rasch geschlossen werden, um den Spülwirkungsgrad und das Einfangverhältnis der Zylinder zu verbessern.

Wenn jedoch der bei Nocken von konstanter Breite bestehende Zwang zur 180"-Symmetrie unerwünscht ist, können zum Betätigen des Jochs zwei oder mehr Kurvenscheiben vorgesehen werden .

In Fig. 20 und 21 ist dargestellt, auf welche Weise sich zwei Nocken von konstanter Breite kombinieren lassen, um verschiedene Hub- und Rückgangbewegungen zu erzeugen. Der Nocken 60 dient zum Steuern des Hubes oder der ersten 180° der Drehung, der zweite Nocken 61 zum Steuern des Rückganges oder der zweiten 180° der Drehung. Die Hubglieder 62 und 63 sind so abgesetzt, daß sie vom Hubnocken 60 während der 180° der Rückgangbewegung und vom Absenknocken 61 während der 180° der Hubbewegung nicht berührt werden.

In Fig. 22 und 23 sind konjugierte Nocken 66 und 68 zum Steuern einer 3 60°-Drehung des Joches dargestellt. Der Nocken 66 hält Berührung mit einem Hubglied 67 während 360°, wogegen der Nocken 68 während 360° Berührung mit einem Hubglied 69 hält.

Gemäß Fig. 24 weisen zwei Nocken 70 und 71 dasselbe Profil für die Absenkbewegung auf und verdeutlichen, wie konjugierte Nocken ohne die Schaukelwirkung ausgelegt werden können, die mit den Nocken 66 und 68 gemäß Fig. 22 und 23 zustande kommt.

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An dieser Stelle sei der wichtige Hinweis gemacht, daß die Hubglieder nicht wirklich eben sein müssen. Mit Rechnerunterstützung in der Konstruktion und numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen ist es möglich, Ein- und Mehrscheibennocken mit Zwanglaufsteuerung zu entwerfen und herzustellen, die zusammen mit gekrümmten Hubgliedern einsetzbar sind. Durch ebene Hubglieder wird lediglich die Herstellung vereinfacht.

Die vom Nocken gemäß der Erfindung erzeugte unregelmäßige Bewegung kann große Schwierigkeiten hinsichtlich des Ausgleichs der hin- und hergehenden Massen bereiten. Da die Nockenwelle eine reine Drehbewegung ausführt, kann sie mittels einfacher Gegengewichte statisch und dynamisch ausgewuchtet werden. Die Joch-Kolben-Baugruppe jedoch führt eine reine Hin- und Herbewegung aus, bei der ein zufriedenstellender Massenausgleich durch Gegengewichte je nach Anwendungsfall und Nockenprofil nicht erreichbar sein kann. In solchen Fällen kann auf Ausgleichsjoche zurückgegriffen werden, die außer Phase mit den KolbenJochen arbeiten.

In Fig. 25 ist eine Nockenwelle mit einem einem Kolbenjoch zugeordneten Nocken 75 und einem einem Ausgleichsjoch zugeordneten Nocken 7 6 dargestellt. Der Nocken 7 6 ist dem Nocken 7 5 gleich, jedoch gegen ihn auf der Nockenwelle um 180° verdreht. Der Massenmittelpunkt des Kolbenjochs liegt auf einer Linie X, der des Ausgleichsjochs auf einer Linie Y. Wenngleich bei dieser Konfiguration die hin- und hergehenden Massen besser ausgeglichen sind, wird durch den Abstand D zwischen den Mittellinien X und Y ein kleines Kippkräftepaar erzeugt. Durch einen möglichst kleinen Abstand zwischen X und Y kann das Kippkräftepaar so reduziert werden, daß diese Nockenwellenkonstruktion mit einem einzigen Ausgleichsjoch für viele Anwendungsfälle gut geeignet ist.

Soll das Kippkräftepaar eliminiert werden, können gemäß

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Fig. 26 zwei Ausgleichsjoch-Nocken 78 und 79 verwendet werden. Wenn die mit den Nocken 78 und 79 betätigten Ausgleichsjoche je mit exakt der halben Masse des Kolbenjochs 77 ausgebildet werden, kann erreicht werden, daß der Massenmittelpunkt der Ausgleichsjoche mit dem des Kolbenjochs 77 zusammenfällt, wodurch das Kippkräftepaar aufgehoben wird.

Die in Fig. 25 und 26 dargestellten Maßnahmen lassen sich' bequem auf Mehrzylinder-Konfigurationen ausdehnen. Mit einem sorgfältig abgestimmten Ausgleichsjoch-System können sogar bei mit großer Rast ausgeführten Nocken gemäß der Erfindung die Schwingungen so reduziert werden, daß sie dem ruhigen Lauf Von Vorrichtungen mit reiner Drehbewegung nahekommen.

Für eine Verringerung der Abnutzung sind das Härten und das Schmieren der Nockenfläche von äußerster Wichtigkeit. In der vorstehenden Beschreibung von Hubgliedern wurde beträchtliche Aufmerksamkeit den auf die Verringerung der Abnutzung gerichteten Maßnahmen bei der mechanischen Konstruktion gewidmet. Um die aus diesen Maßnahmen sich ergebenden Vorteile wahrnehmen zu können, müssen auch die Berührungsflächen, der Nokken und Hubglieder ordnungsgemäß gehärtet werden und es muß für eine ausreichende Schmierung der Nocken und Hubglieder gesorgt werden.

In Fig. 27 sind die Schmierölkanäle eines entsprechenden Schmiersystems dargestellt. Das Schmieröl wird im Mittelpunkt des Grundkreises des Nockens eingeleitet und fließt radial nach außen zur Nockenflanke. Der Nocken selbst wird zu einer Schleudervorrichtung, welche den Schmierstoff gegen die Hubglieder schleudert. Mit zunehmender Drehgeschwindigkeit wird die Menge des an das Hubglied abgegebenen Schmierstoffs großer, Bei dem in Fig. 28 dargestellten Nocken sind einige der Schmierkanäle gekrümmt. Diese Krümmungen sollen eine bessere Hinführung des Schmierstoffs zum Nocken und Hubglied an die am höchsten belasteten Stellen bewirken.

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Wichtig ist auch, daß der Schmierstoff auch als Kühlmittel für die Nocken und Hubglieder wirkt. Dieses Merkmal läßt sich noch besser ausnutzen, wenn zusätzlich ein Ölkühler verwendet und der Schmiermittelfluß zu den Nocken und Hubgliedern verstärkt wird. Durch die daraus sich ergebende verbesserte Kühlung wird die Belastbarkeit des Mechanismus erhöht.

Zur Demonstration der grundsätzlichen Lösungsgedanken der Erfindung wurde ein betriebsfähiger Prototyp gebaut. Dabei handelte es sich um einen benzinbetriebenen Zweizylinder-Zwei takt-Gegenkolbenmotor mit einem Hubvolumen von 110 cm³. Die Nockenwelle war in im Nockengehäuse angeordneten Rollenlagern drehbar gelagert und trug in der Mitte einen Kolbennocken von konstanter Breite und Rast Null und beiderseits des Kolbennockens je einen Ausgleichsnocken von konstanter Breite und Rast Null. Die Ausgleichsnocken wiesen dasselbe Profil wie der Kolbennocken auf, waren jedoch 180° außer Phase mit dem Kolbennocken angeordnet. Der Hub aller Nocken betrug 40 mm. Seitlich von jedem Nocken waren kreisrunde Scheiben angeordnet, die eine Drehung der Joche um ihre Hubachsen verhinderten. Die Nocken und Hubglieder wurden mit Motorenöl 15W4 0 geschmiert, das von der Scheibe und den hin- und hergehenden Jochen im Nockengehäuse durch Schleuderwirkung verteilt wurde. Die Joche aus Aluminium waren mit Stangen aus Stahl verbunden, die durch Öldichtungen hindurch aus dem Nockengehäuse herausragten. Die Ausgleichsjoche waren in Gleitlagern verschiebbar, die im Nockengehäuse auf der Außenseite der Öldichtungen angeordnet waren. Auf jede Seite des No.ckengehäuses war ein Zylinderanschlußstück aufgeschraubt, mit dem ein Yamaha RD60-Zylinder verschraubt werden konnte, um die Gegenzylinder-Anordnung herzustellen. An jedes Ende des Kolbenjoches war mit einem Kolbenbolzen ein Yamaha RD60-Kolben angeschlossen, und am Ende jedes Zylinders war ein RD60-Zylinderkopf befestigt. Die Versorgung jedes Zylinders mit seinem Kraftstoff-Luft-Gemisch erfolgte mittels eines

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16 mm-Mikuni-Vergasers, der über ein kurzes Ansaugrohr mit dem Blatt- bzw. Zungenventil-Einlaß an der Zylinderbasis verbunden war. Eine eingekerbte Umlenkscheibe am Ende der Nokkenwelle ermöglichte das Starten des Motors mit einem kurzen Stück Schnur. Zum Überwachen der Nockenwellen-Drehgeschwindigkeit war an die Motorzündanlage ein elektronischer Tachometer angeschlossen.

Der Motor lief ohne Schwierigkeiten an und hatte eine Leerlaufdrehzahl von 1000 min . Beim Öffnen der Drosselklappe beschleunigte der Motor rasch auf über 4 000 UpM, was auf ein beträchtliches Drehmoment schließen ließ. Der Motor hatte bei allen Geschwindigkeiten einen äußerst weichen Lauf, trotz einer hin- und hergehenden Masse von über etwa 4 kg.

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Claims

1 -56 576 D-8000 MÜNCHEN

Glen Foster Chatfield schweigerstrasse 2

BradfordwOOdS, PA, USA telefon: (o8<,) 66 20_Si

TELEGRAMM: PROTECTPATENT

telex: j24070

Ansprüche

Λ.) Hubkolbenmaschine, gekenn zeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

wenigstens ein Zylinder (17) und ein mit ihm einstückiges Nockengehäuse (16),

eine Nockenwelle (10) und wenigstens ein auf dieser angeordneter nicht kreisrunder Nocken (11) für eine endliche Beschleunigungsänderungsrate bzw. für begrenzten Ruck, Nockenwellenlager zur drehbaren Lagerung der Nockenwelle (10) im Nockengehäuse (16),

ein hin- und herbewegbarer Kolben (14) im Zylinder ' (17), ein Joch (12) mit zwei Bewegungsabnahmeflächen und so ausgelegt, daß der Nocken (11) das Joch (12) stets zwangläufig steuert, und zwar stets ein Nocken, und eine Stange (13), die den Kolben (14) und das Joch (12) so miteinander verbindet, daß die Kolben-Joch-Baugruppe je Umdrehung der Nockenwelle (10) exakt zwei Hübe ausführt.

2. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet , daß sie je mehrere Zylinder, Nokken, Kolben, Joche und Stangen aufweist.

3. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet , daß sie zwei gegenüberliegende Zylinder (17,17'), ein Joch (12) und eine Nockenwelle (10), zwei Kolben (14,14') und zwei die Kolben (14,14') mit dem Joch (12) verbindende Stangen (1 3,1 3') aufweist.

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4. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet , daß sie zwei Paare sich gegenüberliegender Zylinder (17,17',27,27') aufweist, die rechtwinklig zueinander und in Achsenrichtung der Nockenwelle (10) mit Zwischenabstand angeordnet sind, zwei Joche (12,22), vier Kolben (14,14',24,24') und vier die Kolbenpaare mit jedem Joch (12,22) verbindende Stangen.

5. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, gekenn zeichnet durch Mittel zum Vergrößern der Berührungsfläche zwischen dem Nocken und der Bewegungsabnahmefläche.

6. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet , daß das Mittel zum Vergrößern der Berührungsfläche von einem flexiblen Hubgliedeinsatz gebildet ist.

7. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 5,. dadurch ge kennzeichnet , daß das Mittel zum Vergrößern der Berührungsfläche von einer bogenförmigen Fläche gebildet ist, die in die Oberfläche des Hubgliedes (49c) an der Stelle ausgebildet ist, an welcher im oberen Totpunkt des Kolbens Berührung stattfindet.·

8. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet , daß das Mittel zum Vergrößern der Berührungsfläche von einem zusammendrückbaren Hubgliedeinsatz gebildet ist.

9. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß für jede Joch-Baugruppe eine hin- und herbewegbare Ausgleichsmasse vorgesehen ist, die mit einer auf der Nockenwelle (10) angeordneten zweiten Kurvenscheibe (Nocken 76) betätigbar ist, wobei diese Sekundär-Kurvenscheiben (76) den an den Primärjoch-Baugruppen an-

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greifenden Nocken (75) ähnlich sind und diesen gegenüber mit einer Winkelversetzung ungleich Null angeordnet sind.

10. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet , daß die hin- und hergehende Masse einer Kolben-Joch-Baugruppe die hin- und hergehende Masse einer anderen Kolben-Joch-Baugruppe auszugleichen vermag und die Nocken der verschiedenen Joch-Baugruppen in verschiedenen Winkelstellungen angeordnet sind.

11. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß in die Nocken Kanäle zum Schleudern von Öl auf die Nockenflächen eingearbeitet sind.

12. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Nocken (11) ein Nocken von konstanter Breite ist.

13. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet , daß zwischen den Nocken (Tl) und das Joch (12) ein schwimmend angeordnetes ebenflächiges Hubglied (50) zwischengeschaltet ist.

14. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet , daß das Joch (12) ein oder mehrere Wälzlager-Hubglieder (51) aufweist, die mit dem Nocken (11) während eines Teils jeder Umdrehung der Nockenwelle (TO) in Berüh^ng sind.

15. Hubkolbenmaschine nach Anspruch T, dadurch ge kennzeichnet , daß der Kolben im oberen und unteren Totpunkt während 0° bis 60° der Nockenwellendrehung stillsteht.

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16. Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung, ge kennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

wenigstens ein Zylinder (17) und ein mit ihm einstückiges Nockengehäuse (16),

ein hin- und herbewegbarer Kolben (14) im Zylinder (17), ein Joch (12) mit zwei Bewegungsabnahmeflächen und so ausgelegt,, daß der Nocken (11) das Joch (12) stets zwangläufig steuert, und zwar stets ein Nocken,

und eine Stange (13), die den Kolben (14) und das Joch (12) so miteinander, verbindet, daß die Kolben-Joch-Baugruppe je Umdrehung der Nockenwelle (10) exakt zwei Hübe· ausführt.

17. Verbrennungsmotor mit äußerer Verbrennung, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

wenigstens ein Zylinder (17) und ein mit ihm einstückiges Nockengehäuse (16),

ein hin-und herbewegbarer Kolben (14) im Zylinder (17), ein Joch (12) mit zwei Bewegungsabnahmeflächen und so ausgelegt, daß der Nocken (11) das Joch (12) stets zwangläufig steuert, und zwar stets ein Nocken,

und eine Stange (13), die den Kolben (14) und das Joch (12) so miteinander verbindet, daß die Kolben-Joch-Baugruppe je Umdrehung der Nockenwelle (10) exakt zwei Hübe ausführt.-

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