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Axialkolbenmaschine mit veränderlichem Hub
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(insbesondere für Kraftfahrzeug-Motoren) Gegenstand der Erfindung
sind Axialkolbenmaschinen mit veränderlichem Hub. Die Beschreibung erfolgt für die
hauptsächliche Anwendung als Verbrennungs-Motor, jedoch ist auch die Anwendung als
hydraulischer oder pneumatischer Motor oder Pumpe möglich.
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Insbesondere hydrostatische Axialkolbenmaschinen sind bekannt. Deren
Bauweise eignet sich jedoch nicht für Verbrennungsmotoren, weil bei letzteren Drehzahlen
und Massenkräfte höher sind und die Gasdrucke stärker wechseln.
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Aufgabe der Erfindung ist es, insbesondere einen Ottomotor mit veränderlichem
Hub bei etwa konstanter Verdichtung zu schaffen, der guten äußeren und inneren Massenausgleich
sowie einfache Regelung und Ventilsteuerung hat.
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Bei einer Axialkolbenmaschine entsprechend dem Oberbegriff des Hauptanspruchs
wird diese Aufgabe erfindungsjemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. In
vorteilhafter Weise wird hierbei der Hub der Kolben verstellt, wobei aber die Verdichtung
im oberen Bereich etwa gleich bleibt.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung und Weiterbildung ergibt sich aus
den Unteransprüchen.
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Die Ausgestaltung nach Anspruch 2 hat den Vorteil, daß die Druckfeder
dem Gasdruck etwa das Gleichgewicht hält, so daß sich der zweckmäßige Kolbenhub
grundsätzlich so (fast von) allein einstellt, weil bei zu hoher Kolbengeschwindigkeit
der Gasdruck absinkt. Des weiteren hat diese Druckfeder den
beträchtlichen
Vorteil, daß der Anlasser den Motor leicht andrehen kann, weil er hierbei in der
Stellung des kleinsten Hubraums ist.
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Die Ausgestaltung nach Anspruch 3 hat den Vorteil daß die umlaufenden
Kippmomente von Kolben und Taumelscheibe sowie die Unwucht letzterer nach außen
ausgeglichen werden, so daß die Maschine ruhig und vibrationsfrei läuft.
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Die Weiterbildung nach Anspruch 4 ermöglicht in vorteilhafter Weise,
das Ausgleichgewicht räumlich günstig anzubringen und auch für andere Zwecke zu
nutzen.
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Die Ausgestaltung nach Anspruch 5 hat den Vorteil, daß die Massenkräfte
infolge der symmetrischen Anordnung der Flieht gewichte nach außen ohne Einfluß
sind.
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Die Weiterbildung nach Anspruch 6 ermöglicht in vorteilhafter Weise,
daß die Massenkräfte der Fliehgewichte weitergeleitet werden zum Ausgleich der entgegengesetzten
inneren axialen Kräfte aus den Kippmomenten von Kolben und Taumelscheibe bzw.
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der Unwucht letzterer.
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Die Ausgestaltung nach Anspruch 7 hat den Vorteil, die Beweglichkeit
dieser Teile bei ausreichender Kraftübertragung zu ermöglichen.
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Die Ausgestaltung nach Anspruch 8 hat bei Viertakt-Motoren den Vorteil,
eine sehr raumsparende Bauweise der Ventilsteuerung zu ermöglichen.
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Die Weiterbildung nach Anspruch 9 ermöglicht in vorteilhafter Weise
bei 7 Zylindern eine einfache Ausführung mit wenig N<tikt
Die
Ausgestaltung nach Anspruch 10 hat bei Motoren den Vorteil, daß bei Teillast der
Motor im Bereich des günstigsten spezifischen Kraftstoffverbrauchs betrieben wird.
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Die Weiterbildung nach Anspruch 11 ermöglicht in vorteilhafter Weise
eine genaue Bestimmung des Gasdrucks bei Vollast, Teillast und Höhe.
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Die Weiterbildung nach Anspruch 12 ermöglicht in vorteilhafter Weise
eine Dämpfung der Schwingung der Gabel sowie eine Anpassung an den bei kaltem Motor,
also kaltem Öl niedrigeren Gasdruck.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt,
und zwar in Fig. 1 bis 7 schematisch als Axialkolbenmaschine und in Fig. 15 bis
30 maßstäblich als Axialkolbenmotor. Es zeigt Fig. 1 ein Schema bei kleinem Hub
h, Fig. 2 dasselbe Schema, jedoch bei großem Hub H und niedrigerer Drehzahl, Fig.
3 einen Schnitt nach der Linie G-G der Fig. 1, Fig. 4 einen geschwenkten Schnitt
nach der Linie M-M und einen Schnitt nach Linie N-N der Fig. 1, Fig. 5 einen geschwenkten
Schnitt nach der Linie S-S der Fig. 1, Fig. 6 ein nicht ausgeführtes Schema bei
kleinem Hub h, Fig. 7 dasselbe Schema, jedoch bei großem ilub 11 und niedrigerer
Drehzahl (jedoch strichliert: bei gleicher Drehzahl), Fig. 8 eine Tabelle mit der
Verdichtung 6 über den Winkel von 240 bis 800 für drei verschiedene Beispiele, und
zwar für g < 12, g C 11 und E<10, wobei die Ausgangswerte A,B,C,D und y dazu
in Fig. 15 ersichtlich sind, Fig. 9 ein Schaubild mit der Verdichtung £ im Verlauf
vom kleineren Hub h zum großen Hub H, Fig. 10 ebenfalls über den Hub die axialen
Kräfte für das Schema in Fig. 1 und 2, Fig. 11 ebenfalls über den Hub die axialen
Kräfte jedoch für
die Konstruktion ab Fig. 15, Fig. 12 die Regelung,
Fig. 13 das Drehmoment MV des Motors bei Vollast über der Motordrehzahl n, Fig.
14 die Leistung N des Motors über der Motordrehzahl n mit A,B,C,D und y für die
Tabelle Fig. 8, Fig. 15 einen Längsschnitt B-B durch den Axialkolbenmotor bei kleinem
Hub h, Fig. 16 denselben Längsschnitt, jedoch bei großem Hub H, Fig. 17 einen um
900 gedrehten Querschnitt nach der Linie P-P der Fig. 16, Fig. 18 und 19 einen Schnitt
nach der Linie A-A der Fig. 16 und 17, wobei Fig. 18 bei h und in Fig. 19, aber
Fig. 19 bei H dem Zustand in Fig. 16 entspricht, Fig. 20 einen geschwenkten Querschnitt
nach der Linie M-M bzw. einen Querschnitt nach der Linie N-N der Fig. 16, Fig. 21
und Fig. 22 einen Schnitt nach der Linie V-V der Fig. 16 und 20, also geschwenkt
bzw. um 900 gedreht, Fig. 23 einen Schnitt nach der Linie W-W der Fig. 21, Fig.
24 eine wahlweise Ausführung des Kolbens im Schnitt nach der Linie Q-Q der Fig.
16, Fig. 25,26,27,28,29 und 30 Querschnitte nach den Linien C-C, D-D,E-E,G-G,J-J
und K-K der Fig. 16, und Fig. 31 einen Teil des Längsschnittes B-B als wahlweise
Ausführung zu Fig. 15 und 16, Fig. 32 ein Bild ähnlich Fig. 16, jedoch mit kleinerem
Winkel ß und deshalb stärkerer Kurbelwelle.
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Aufbau: In der markierten Zündfolge 1 bis 7 zünden abwechselnd die
sieben Zylinder 8,9,10,11,12,13,14 im Viertakt, wie in Fig. 28 ersichtlich. Wie
Fig. 16 zeigt, wird der Motor umschlossen von dem Kurbelgehäuse 15, dem Zylinderblock
16, dem Zylinderkopf 17 und dem Zylinderdeckel 18. Ferner sind außen noch im Ringraum
19 die nicht gezeigten Auspuff- und Ansaugkanäle und daneben gegebenenfalls noch
der Vergaser vorhanden. Zur Geräuschdämpfung kann der Motor von einer Hülle 20 umgeben
sein.
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Das drehbare Schwungrad 21 ist mittels Schrauben 22 mit der Kurbel
23 verbunden. Zur Abdichtung dient der Dichtring 24.
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In der Kurbel 23 ist das Ausgleichgewicht 25 beweglich angeordnet.
Dieses hat zwei schräge Stirnflächen 26, eine Aussparung 27 und zwei Reihen Zähne
28 in Form von Zahnstangen, wie in Fig. 18 und 19 ersichtlich.
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In diese Zähne 28 greifen die beiden drehbaren Zahnräder 29 ein und
in diese jeweils das Zahnsegment 30 der beiden schwenkbaren Fliehgewichte 31. Zur
Lagerung derselben dienen die Achsen 32 und 33.
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Die Kurbelwelle 34 ist an der Kurbel 23 mittels der beiden Schrauben
35 und Muttern 36 festgeklemmt und läuft mit dieser um. Sie (34) hat einen schrägen
Zapfen 37 mit einer Längsnut 38, einen geraden Zapfen 39, eine Abflachung 40 zum
Massenausgleich, eine Verzahnung 41 und zwei halbrunde Nuten 42 und 43. Nach vorn
wird sie (34) abgedichtet durch den Dichtring 44.
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Auf dem schrägen Zapfen 37 der Kurbelwelle 34 ist längsverschiebbar
die große Kugel 45 angeordnet. Diese (45) hat einen Bund 46 mit einer Nase 47 und
schrägen Stirnfläche 48.
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Auf der großen Kugel 45 ist die Taumelscheibe 49 mit dem Lagerdeckel
50, der daran mittels Schrauben 51 befestigt ist, beweglich gelagert - also dreh-
und schwenkbar, wie in Fig. 22 gezeigt.
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Des weiteren ist die Taumelscheibe 49 kardanisch gelagert mit ihren
beiden Zapfen 52 über den Ring 53 auf den beiden Zapfen 54 der längsverschiebbaren
Gabel 55. Der Ring 53 besteht aus zwei Hälften 56,57, die durch Schrauben 58 miteinander
verbunden sind. Weil der Ring 53 um die senkrechte Achse Y-Y (Fig. 4) schwenkt,
hat die Taumelscheibe 49 in dieser Längs-Ebene Y-Y zum Massenausgleich oben und
unten zwei Verstärkungen 59. So ergibt sich jeweils ein konstantes rotierendes Kippmoment
über 3600 Umdrehung.
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In der Taumelscheibe 49 sind außen sieben Achsen 60 mittels Sprengringen
61 befestigt. Auf diesen ist jeweils ein Kreuz-
stück 62 schwenkbar
angeordnet. In letzterem ist jeweils um 90° versetzt ein schwenkbarer Bolzen 63
vorhanden, der an dem Gabelende 64 des Pleuels 65 mit dem Sprengring 66 befestigt
ist.
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Der Kolben 67 besteht jeweils aus dem Oberteil 68 mit den Kolbenringen
69 und dem Unterteil 70, die mittels Schrauben 71 miteinander verbunden sind. Dazwischen
befindet sich die bewegliche kleine Kugel 72, die im Pleuel 65 eingeschraubt ist.
(Wahlweise kann - wie in Fig. 24 im Schnitt Q-Q gezeigt - der Kolben 67 einteilig
sein mit dem Kolbenbolzen 73 und den Sprengringen 74 mit kugelförmiger Lagerhülse
75, noch ergänzt in nicht gezeigter Form für die Montage.) Die längsverschiebbare
Gabel 55 hat längliche Zähne 76, die in entsprechenden Längsnuten 77 des Zylinderblockes
16 eingreifen. Wie Fig. 29 zeigt, fehlen letztere an zwei Stellen, um Raum für die
Gabel 55 zu geben. Die Gabel 55 hat rechts innen eine Lagerstelle 78. Auf der Gabel
55 ist der Ringkolben 79 mittels des Sprengringes 80 befestigt. Daran sind die beiden
Dichtringe 81 und 82. Zwischen dem Ringkolben 79 und dem Zylinderblock 16 ist die
vorgespannte Druckfeder 83 (Fig. 1 und 2) oder mehrere Tellerfedern 84.
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Die beiden Ölpumpen 85 und 86 zur Schmierung oder Regelung bestehen
jeweils aus einem Ringrad 87 und einem Pumpen-Zahnrad 88, das mittels der Scheibenfeder
89 von der Kurbelwelle 34 angetrieben wird.
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Das drehbare Zwischenrad 90 treibt über seine Welle 91, über die Schrägräder
92,93 und die Welle 94 den nicht gezeigten Zündverteiler an.
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Gleichzeitig treibt das Zwischenrad 90 von der Verzahnung 41 der Kurbelwelle
34 im übersetzungsverhältnis 1:6 die Innenverzahnung 95 des in Gegenrichtung drehenden
Nockenringes 96 an. Letzterer hat drei jeweils um 1200 versetzte innere Nocken 97,98,99.
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Jeder Zylinder 8 bis 14 hat je ein Auslaßventil "A" 100 und je ein
Einlaßventil "" 101. Für diese sind vicrzchn Ventilfedern 102 vorhanden und je sieben
unvollständig gezeigte lange Auslaßhebel 103 und je sieben ganz gezeigte etwas kürzere
Einlaßhebel 104. Auf diesen sind die Rollen 105,106, 107,108,109,110,111 für den
Auslaß und die Rollen 112,113, 114,115,116,117,118 für den Einlaß. Diese werden
von den Nocken 97,98,99 abwechselnd betätigt. Die Hebel 103 und 104 sind auf mehreren
Achsen 119 schwenkbar gelagert.
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Für den Antrieb der nicht gezeigten Lichtmaschine bzw. des Kühlventilators
dient die Riemenscheibe 120. Diese ist mit der Mutter 121 und der Scheibenfeder
122 an der Kurbelwelle 34 befestigt.
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Bei Ottomotoren sind zur Zündung sieben Zündkerzen 123 vorhanden.
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Der weitere Abtrieb erfolgt vom Schwungrad 21.
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Zur Regelung (Fig. 12) ist der vom Fahrer betätigte Gashebel 125 mit
einem Gestänge 126 mit dem Hebel 127 eines Dreh-Ventils 128 verbunden. Außerdem
ist der Gashebel 125 wie üblich über das Gestänge 129 mit dem Hebel 130 der Drosselklappe
131 des Vergasers 132 verbunden. Die Zugfeder 133 bewirkt die gezeigte O-Gas-Stellung.
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Von der Ansaugöffnung 134 für das öl führt eine Leitung 135 zur Saugseite
der ölpumpe 86.
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Die Drucklcitung 136 derselben führt zu folgenden Teilen: Ein stärkeres
Ventil 137, eine Drossel 138 und ein Rückschlagventil 139. Zwischen der Zuleitung
140 zum Druckraum 141 und der großen Saugleitung 142 ist ein großes Rückschlagventil
143 vorhanden.
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Die Ableitung 144 vom Druckraum 141 führt über eine andere Drossel
145 zum Dreh-Ventil 128. Von dort führt die weitere Ableitung 146 zu dem schwächeren
Ventil 147.
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Die Gabel 55 ist wie (hier nur schematisch) gezeigt über das Gestänge
148 mit den beiden Nocken 149 und 150 verbunden.
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Ferner ist noch eine Membrandose 151 vorhanden, welche sich bei abnehmendem
Luftdruck ausdehnt. über den Waagebalken 152 und den Schieber 153 beeinflußt letztere
und der Nocken 150 die Druckfeder 154 des schwächeren Ventils 147. Der andere Nocken
149 beeinflußt über den anderen Schieber 155 die Druckfeder 156 des stärkeren Ventils
137.
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Mit Rücksicht auf die Größe der Zeichnungen sind Details nicht gezeigt.
Es fehlen also z.B. Ventileinstellung, Lagerschalen, die Ölkanäle zu den Gleitlagern,
also zu der Kugel 45, zu der Lagerstelle 78 und zu dem Gleitlager der Kurbel 23.
Statt diesem Gleitlager kann auch ein Kugellager 157 vorhanden sein, wie in Fig.
31 gezeigt.
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Theoretischer äußerer Massenausgleich: Fig. 6 und 7 zeigen das Grundprinzip
des Ausgleichs der nach außen wirksamen Massenkräfte. Es soll insbesondere zum besseren
Verständnis dienen.
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Die Kolben 67 erzeugen ein umlaufendes Kippmoment P.a.
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Die Taumelscheibe 49 erzeugt mit dem Ring 53 ebenfalls ein umlaufendes
Kippmoment B.b. Obwohl der Ring 53 nur um die vertikale Achse Y-Y schwenkt, wird
diese periodische Veränderung ausgeglichen durch die Verstärkungen 59 (Fig. 16)in
Ebene Y-Y an der Taumelscheibe 49.
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Die Taumelscheibe 49 erzeugt auch eine umlaufende Zentrifugalkraft
C. Die gleiche Zentrifugalkraft D erzeugt das Ausgleichgewicht 158. Deshalb sind
keine freien Massenkräfte vorhanden.
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Ist nun der Abstand c so, daß (D.c) = C.c = A.a + B.b ist, so sind
auch keine freien Massenmomente vorhanden.
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Fig. 6 zeigt diesen Zustand bei kleinem Hub h, also bei hoher Drehzahl
n.
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Fig. 7 zeigt diesen Zustand bei großem Hub H. (Bei gleicher Drehzahl
n würden etwa dreimal höhere Kräfte A",B",C" und D" auftreten, die strichliert gezeigt
sind. Weil bei H die Drehzahl n' nur etwa ein Drittel ist, sind A',B',C' und D'
entsprechend
nur etwa ein Drittel so groß entsprechend der Abhängigkeit von n2. Auch die Formel
v2:R bei konstanter Kolbengeschwindigkeit v in Fig. 6 oder Fig. 7 führt zu diesem
Ergebnis.) Ist die Gestaltung so, daß C' = D' und (D'.c') = C1.c = A'.a + B'.b ist,
so treten auch bei dem großen Hub H keine freien Massenkräfte oder -Momente auf.
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Infolge der in anderer Hinsicht ungünstigen Lage des Ausgleichgewichtes
158 ist diese Anordnung nicht bei der gezeigten Konstruktion verwendet worden.
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Wirkungsweise: Die Taumelscheibe 49 im Antrieb der im Kreis angeordneten
axialen Kolben 67 ist einerseits auf einer drehenden schrägen Kurbelwelle 34 gelagert,
die axial fixiert ist. Andererseits ist sie kardanisch auf einer axial verschiebbaren
Gabel 55 gelagert. Dadurch kann der axiale Hub der Kolben 67 bei etwa gleichbleibender
Verdichtung E verändert werden.
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Zum äußeren Massenausgleich wird bei der axialen Bewegung der Gabel
55 ein Ausgleichgewicht 25 in der umlaufenden Kurbel 23 auf einer schiefen Bahn
bewegt, so daß dadurch sowohl die Unwucht (der Taumelscheibe 49) wie auch gemeinsam
damit als umlaufendes Kräftepaar C.c das gleichfalls rotierende Kippmoment der Taumelscheibe
49 B.b und der Kolben 67 A.a ausgeglichen wird.
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Dieses Ausgleichgewicht 25 wirkt in Verbindung mit zwei symmetrischen
Fliehgewichten 31 (Fig. 18 und 19) auch für den Ausgleich der inneren Massenkräfte.
Aus konstruktiven Gründen ist es (25) daher auf der Gegenseite seiner eigentlichen
Wirkung angebracht. Es (25) erzeugt also die zum Massenausgleich erforderliche Wucht
in Verbindung mit einer größeren konstanten Unwucht Q der Kurbel 23 auf der richtigen
Seite.
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Durch die Massenkräfte F und G der Kolben 67 und der Taumelscheibe
49 ergibt sich eine (in Fig. 1) nach rechts gerichtete innere axiale Kraft K. Dieser
wirkt die axiale Kraft L entgegen, welche sich aus den Fliehgewichten 31 und
ferner
aus dem Ausgleichgewicht 25 ergibt. Die Resultierende davon paßt sich den unterschiedlichen
Verhältnissen je nach Hub an, so daß sich eine flache Kennlinie mit der Druckfeder
83 oder 84 ergibt, welche dem Gasdruck das Gleichgewicht hält.
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Die Dämpfung der axialen Schwingungen der Taumelscheibe 49 erfolgt
durch Öl. Für Teillast wird dieser Öldruck, der in Richtung des Gasdruckes wirkt,
erhöht.
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Im Fahrbetrieb erfolgt die Regelung für möglichst kleinen Hub des
Motors selbsttätig durch den Gasdruck, der bei zunehmender Kolbengeschwindigkeit
abnimmt.
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Bei Vollgas ist der Gasdruck für maximale Leistung, die im ganzen
Hub-Bereich von beispielsweise 1:3 entsprechend einem Drehzahlbereich 3:1 (und etwas
mehr) abgegeben wird.
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Bei Teillast ist der Gasdruck etwas geringer für minimalen Kraftstoffverbrauch,
ebenfalls im ganzen Hub-Bereich. Erst bei ganz geringer Last setzt in Stellung für
kleinen Hub h die übliche kleine Füllung ein.
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Gezeigter äußerer Massenausgleich: Aus konstruktiven Gründen ist nun
das Ausgleichgewicht 25 auf der anderen Seite angeordnet, wie Fig. 1 und 2 schematisch
und die Konstruktion genau zeigt.
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Die Kurbel 23 hat (mit der Kurbelwelle 34) eine Unwucht Q.
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Zusammen mit der jeweiligen entgegengesetzten Unwucht M bzw.
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M' ergibt sich eine resultierende Unwucht N bzw. N'. Diese ist ebenso
groß wie die entgegengesetzte Unwucht C bzw. C' der Taumelscheibe 49, so daß keine
freien Massenkräfte vorhanden sind. Ist (N.c) = C.c = A.a + B.b und (N'.c') = C.c-A'.a
+ B'.b, so sind auch keine freien Massenmomente vorhanden.
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Innerer Massenausgleich: Infolge der erwähnten Massen-Momente und
-Kräfte A.a der Kolben 67, B.b der Taumelscheibe 49 und der Unwucht C der letzteren
entstehen axiale Kräfte. Diese müssen innerhalb
der umlaufenden
Kurbel bzw. Kurbelwelle ausgeglichen werden, um eine unnötige Reibung zu vermeiden
und eine einfache Regelung des Hubes zwischen h und H zu ermöglichen.
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An der großen Kugel 45 sind in Fig. 1 folgende Massenkräfte vorhanden:
Radiale Kräfte: Aus der Unwucht C der Taumelscheibe 49 ergibt sich F=C.e:f.
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Aus dem Kippmoment der Kolben 67 und der Taumelscheibe 49 ergibt sich
G=(A.a + B.b):f.
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Axiale Kräfte: Mit F+G = J als gesamte radiale Massenkraft ergibt
sich folgende axiale Massenkraft infolge des Winkels y der Kurbelwelle 34: K = J.tg
r = (F+G).tg y Wie in Fig. 18 ersichtlich, sind in dieser Stellung bei kleinem Hub
h die beiden Fliehgewichte 31 nach außen geschwenkt und erzeugen die starke Fliehkraft
U, welche eine große axiale Kraft T ergibt. In gleicher Richtung wirkt die axiale
Komponente S = M.tg t der Fliehkraft M des Ausgleichgewichts 25.
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Hierbei ist 8 der Winkel der Bahn des Ausgleichgewichts 25.
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Die gesamte entgegengesetzte, also nach links gerichtete Axialkraft
ist L = T+S = T+M.tg Für den Massenausgleich soll sein L ir K.
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In Fig. 2 bei dem großen Hub H betragen die Massenkräfte etwa ein
Drittel von Fig. 1 bei annähernd gleicher Kolbengeschwindigkeit v. (Weil allgemein
v2:R der Massenkraft entspricht, wie bereits erwähnt.) Dementsprechend sind bei
H in Fig. 19 (Blatt 5) die Fliehgewichte 31 innen, so daß die Kräfte U' bzw. T'
kleiner sind. Auch hierbei gilt dann L'SS K'.
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Über das erwünschte genaue Verhältnis L zu K bzw. L' zu K' wird im
übernächsten Abschnitt genaueres gesagt.
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Abstützung der Verbrennungskraft: Bei üblichen Motoren ist die Kraft
im oberen Totpunkt des Kolbens infolge Gasdruckes bei der Zündung sehr groß. Diese
Verbrennungskraft ist hier bei gleichem Hubraum geringer, weil der einzelne Kolben
67 eine kleinere Fläche als üblich hat durch die große Zylinderzahl und den langen
Hub H. Der Verbrennungs-Kraft entgegengesetzt wirkt am oberen Totpunkt die hohe
Massenkraft infolge der Verzögerung des Kolbens 67, des Pleuels 65 und des anschließenden
Segments der Taumelscheibe 49, sowie die halbe Kraft der beiden benachbarten Kolben
67, die also etwas höher als üblich ist.
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Bei hoher Drehzahl n und Hub gleich oder etwas kleiner als h ist die
Massenkraft am oberen Totpunkt größer als die Verbrennungs-Kraft. Letztere ist daher
ohne wesentlichen Einfluß.
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Bei mittlerer Drehzahl n, mittlerem Hub (bei Last), also etwa zwischen
h und H, ist am oberen Totpunkt die Massenkraft etwa gleich der Verbrennungs-Kraft.
Jedoch vermag der unausgeglichene Rest der Verbrennungs-Kraft keine wesentlich axiale
Verschiebung der Gabel 55 (nach rechts) aus folgendem Grund zu bewirken: Die Abstützung
der restlichen Verbrennungs-Kraft erfolgt über die große Kugel 45 auf schrägen Zapfen
37 der Kurbelwelle 34. Anders als gezeigt, hat aber nun die Achse der Taumelscheibe
49 und die Achse des Zapfens 37 etwa die gleiche Lage, also zwischen Fig. 15 und
Fig. 16. Will nun der Kolben 67 eine wesentliche axiale Bewegung der Gabel 55 nach
rechts bewirken, so wird dies aus den folgenden beiden Gründen behindert: Zwischen
dem Kolben 67 und der Gabel 55 besteht ein Weg-Verhältnis ca. 1:4. (Dies ergibt
sich aus den in Fig. 15 und 16 gezeigten verschiedenen Lagen dieser Teile.) Für
Massenkräfte gilt das Quadrat, also 1:16. Der Kolben 67 muß also im Vergleich die
16-fache Masse von Gabel 55, ferner Ring 53 und Taumelscheibe 49 1:1 axial bewegen.
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Diese axiale Bewegung wird durch die starke Reibung ge.-bremst, welche
zwischen der großen Kugel 45 und der Kurbel-
welle 34 sowie zwischen
der Gabel 55 und dem Zylinderblock 16 besteht. Zwischen diesen Teilen erfolgt jeweils
die Abstützung.
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Bei mittleren Drehzahlen reicht deshalb der sehr kurze Zeitraum von
ca. 20C Kurbelwinkel nicht aus, um eine wesentliche axiale Bewegung der Gabel 55
zu erreichen.
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Bei niedriger Drehzahl n und vollem Hub H aber drückt die Gabel 55
(über den Ringkolben 79 und die ganz zusammengedrückten Tellerfedern 84) in der
rechten Endlage auf den Zylinderblock 16, wie Fig. 16 zeigt. Die hohe freie Verbrennungskraft
kann sich nun über den Ring 53, die Gabel 55 und weitere Teile am Zylinderblock
16 abstützen, also im Prinzip wie üblich. Damit der übergang zum vollen Hub H hin
allmählich erfolgt, sind die Tellerfedern 84 ungleich. Infolgedessen steigen die
entsprechenden Kurven 161,163,165,167 am rechten Ende etwas an, wie Fig. 14 zeigt.
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Regelung: In Fig. 10 und 11 sind die gesamten axialen Kräfte in senkrechter
Richtung über h bis H dargestellt. (Bei H: mit ').
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Hierbei ist Fig. 10 für die normale Druckfeder 83 gemäß Fig. 1 und
2 (Blatt 1) und Fig. 11 für die Tellerfedern 84 in der Konstruktion.
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Die Linie 160 bzw. 161 stellt den Verlauf der Federkraft PF dar, der
in Fig. 10 linear ist.
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Die Linie 162 bzw. 163 stellt den Verlauf der resultierenden axialen
Kraft PA dar, der sich aus PF sowie L und K aus dem vorhergehenden Abschnitt ergibt.
Diese kann zwar in den Endlagen von h und H konstruktiv genau bestimmt werden, dazwischen
hat die Linie jeweils einen beliebigen Verlauf.
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Bei Vollast ist das Drehventil 128 anders als wie gezeichnet offen.
Die im Druckraum 141 nach rechts wirksame Axialkraft PV für Vollast hängt also vom
schwächeren Ventil 147 ab.
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Dessen Kennlinie wird über den Nocken 150 beeinflußt. Somit ergibt
sich die glatte Linie 164 bzw. 165, die der Gaskraft
W auf die
Kolben 67 bei Vollast entspricht. Hierbei entspricht niedrige Verdichtung g starker
Füllung.
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Nimmt der Fahrer das Gas weg, so schließt bei ca. 1/2 Gas das Drehventil
128 und es besteht der in Fig. 12 gezeigte Zustand. Die dann höhere Kraft PT des
Öldrucks bei Teillast hängt nun von dem stärkeren Ventil 137 ab. Es ergeben sich
dann die Kurven 166 bzw. 167 für Teillast.
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Dämpfung: Die Drosseln 145 und 138 dämpfen die Schwingung der Gabel
55 nach links bei Vollast. Bei Teillast ist nur die Drossel 138 wirksam infolge
des dann geschlossenen Drehventils 128. Gibt der Fahrer jedoch plötzlich Gas, so
kann die Gabel 55 dem erhöhten Gasdruck der Kolben 67 sofort nach rechts folgen,
weil die beiden Rückschlagventile 139 und 143 ein ungehindertes Ansaugen des Öls
gestatten, auch direkt aus der Saugleitung 142.
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Kaltlauf: Bei kaltem Öl wirken die beiden Drosseln 138 und 145 unterschiedlich:
Hierbei erfolgt der Zulauf des Öls von der Ölpumpe 86 zum Druckraum 141 ungestört,
weil er die vordere Drossel 138 über das Rückschlagventil 139 umgehen kann.
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Aber der Ablauf des Öls vom Druckraum 141 durch die hintere Drossel
145 wird durch das dann zähflüssige Öl behindert, wenn der Fahrer Gas gibt und das
Drehventil 128 öffnet, so daß der Zustand wie bei Teillast bleibt, also entsprechend
Linie 166 bzw. 167.
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Es stellt sich also die höhere Vollastkraft entsprechend Linie 164
bzw. 165 erst bei warmem Öl bzw. Motor ein, wenn die Kolben 67 den vollen Gasdruck
W abgeben können.
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Höhe: Bei größerer Höhe, also bei Fahrt im Gebirge, drückt die Membrandose
151 über die Waage 152 die Druckfeder 154 des
schwächeren Ventils
147 mehr zusammen. Entsprechend des dann niedrigeren Gasdrucks(W)bei Vollast ist
daher die Gegenkraft (PV)höher, so daß der Motor auch dabei mit normalen Drehzahlen
n umläuft.
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Ölmangel: Bei Wegfall des Öldrucks bewegt sich die Gabel 55 nach links
zu h, weil der Gasdruck der Kolben 67 allein für das beschriebene axiale Gleichgewicht
nicht mehr ausreicht. Infolge des kleineren Hubes h nimmt die Leistung (auch bei
konstanter Drehzahl n) ab, der Motor wird geschont und dem Fahrer wird so diese
Störung signalisiert.
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Anlassen: Infolge der Kraft der Druckfeder 83 bzw. der Tellerfedern
84 steht die Gabel 55 links, so daß der kleine Hub h vorhanden ist. Der Anlasser
benötigt deshalb wenig Leistung.
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Fahrweise: Beim Anlassen ist automatisch der kleine Hub h vorhanden.
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Bei Vollast besteht konstante Leistung im Drehzahlbereich 1:3. (Fast
konstante Leistung im Bereich 1:4) Die Hub-Regelung erfolgt automatisch durch den
Gasdruck bei fast konstanter Kolbengeschwindigkeit v im Bereich zwischen kleinem
Hub h und großem Hub H im Verhältnis 1:3 bei fast gleicher Verdichtung gemäß Fig.
9.
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Teillast ist automatisch im Bereich des günstigsten Kraftstoffverbrauchs.
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Wenig Schalten ist erforderlich. Wahrscheinlich braucht ein Schaltgetriebe
nur 3+R: ein automatisches Getriebe nur 2+R Gänge mit Wandler haben.
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Automatische Anpassung an Kaltlauf, Höhe und Ölmangel.
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Andere Ausführungen als gezeigt: Auch mit 9 Zylindern oder für Luftkühlung
mit 5 Zylindern möglich.
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Bei kleinerem Verhältnis als H:h = 3 wie gezeichnet, also
bei
kleinerem Winkel ß , zum Beispiel gemäß Fig. 32, ist eine robustere Ausführung möglich,
z.B. auch für Diesel. Das Hubverhältnis kann also auch anders sein.
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Die Ventilsteuerung kann auch mit getrennten Nocken für Auslaß und
Einlaß oder ganz anders sein, auch mit Drehschieber statt Ventilen.
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Um eine Dämpfung der Gabel 55 auch bei der Schwingung nach rechts
zu erreichen, kann dafür ein besonderer Druckraum mit Öl vorhanden sein, z.B. zwischen
dem zentralen Zylinder 168 und der dann anders ausgebildeten Gabel 55.
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Für Einlaß oder Auslaß können getrennte Nocken vorhanden sein. Dic
Nocken können auch nach außen oder axial wirken.
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Die Ölpumpe bzw. Ölpumpen können anders angeordnet sein.
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Mit Rücksicht auf die beiden Zapfen 52 an der Taumelscheibe 49 können
auch gerade Zylinderzahlen bei ungleicher Zündfolge vorhanden sein.
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Anstatt der beschriebenen Hubverstellung bei selbsttätiger Regelung
mittels der Federn 83 bzw. 84 kann statt dieser eine Gewindespindel vorhanden sein,
mit welcher die Gabel 55 axial verstellt wird. Diese nicht gezeigte Gewindespindel
wird von einer anderen Regelung verdreht, die von Motordrehzahl, Gaspedalstellung
oder anderen Parametern abhängig ist.
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Auch als hydraulische oder pneumatische Motoren oder Pumpen ausführbar,
mit Hub dann bis zum Zylinderkopf.
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Der Umfang der Erfindung ergibt sich aus den Patentansprüchen.
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Deshalb sind auch noch andere Variationen möglich, die nicht alle
gezeigt oder erwähnt werden können. Dies betrifft insbesondere die Regelung, die
auch mit Fliehkraftreglern oder anders auf mechanische, hydraulische, elektrische
oder elektronische Weise erfolgen kann.
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Auch das Triebwerk oder die zum Massenausgleich dienenden Teile können
eine andere Form bei gleicher Wirkung haben.
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Hierzu 12 Stück Patentansprüche und 8 Blatt Zeichnungen.