DE3628709A1

DE3628709A1 - Kurbelgetriebe mit freiflugkolben

Info

Publication number: DE3628709A1
Application number: DE19863628709
Authority: DE
Inventors: Toan Dat Tran
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-02-27
Filing date: 1986-08-23
Publication date: 1987-01-29
Also published as: DE3623121A1

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Kurbelgetriebe nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 zur Kopplung von Kolben und Welle in Hubkolbenmaschinen, gewöhnlich als Geradlenker genannt, bei dem zusätzlich Freiflugkolben berührungsweise angetrieben wird (bzw werden). Das Schubkurbelsystem-Baureihe ist aus DE-PS 27 20 284 bekannt geworden. Bei diesem Triebwerk wird die gegenläufige Drehrichtung von doppelter Drehzahl des Sekundären Exzenters durch die im Gehäuse drehbar befestigte Planetenräder über ein laufendes Hohlrad synchronisiert. Bei diesem Schubkurbelsystem ist der Kolbenhub zu gering und kann erhöht werden nur durch entsprechende Vergrößerung des Synchrongetriebes, und Freiflugkolben sind nicht vorgesehen.

Eine an sich bekannte Bauweise der Freiflugkolben oberhalb der Tauchkolben im herkömmlichen Kolbentriebwerk bedingt eine erhebliche Bauhöhe der Zylinder. Die örtliche Flächenpressung an Kontaktstelle zwischen antreibendem Tauchkolben und kugeliger Stirnfläche des Freiflugkolbens ist unter großer Belastung gefährlich hoch.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein planetenartiges Kurbelgetriebe so zu gestalten, daß es als Hochdruck Kompressor angewendet werden kann, bei dem der Kurbelzapfen (10 bzw 10 oder 10 a) durch das vorliegende Getriebe gerade geführt ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Freiflugkolben mit einfacher Stoßstange (19) zu betreiben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kurbel (4) nicht mehr wie üblicherweise nur als Schwungrad zu verwenden ist, sondern auch als Träger der Planetenräder (14, 14 a) in Augen (13, 13 a) zu benutzen ist, und daß das Zapfenrad (6) zusammen mit zwei drehfest verbundenen exzentrischen Kurbelzapfen (10, 10 a) bzw mit dem drehfest verbundenen exzentrischen Kurbelzapfen (10 oder 10 ) und einer Gegenmasse (15) auf dem Grundzapfen (7) der Kurbelkröpfung (4 a) gelagert ist, welches die Räder (5, 5 a) eingreift, und anderseits die Räder (8, 8 a) sich um das gehäusefeste Lagerrad (9) abrollen, in dessen Innenbohrung (17) die Kurbelwelle (16) gelagert ist, und daß die Stoßstange (19) des unteren Augenteils (21) mit ihrer Wölbung (19 a) die Stirnfläche (20 a) des Freiflugkolbens (20) berührt.

Die Übersetzung des Zapfenrades (6) zu dem gehäusefesten Lagerrad (9) beträgt 1:2. Der Zapfen (7 a) des Grundzapfens (7) ist fest im Auge (2 a) der Drehscheibe (2) eingepreßt. Diese Drehscheibe (2) ist konzentrisch zu der Kurbelwelle (16) im Gehäuselager (1 a) gelagert und verfügt im einzelnen Fall über eine Ausgleichmasse (18). In Reihenbauart werden die Zapfen (7 a, 7 a) aus zwei Grundzapfen (7, 7 ) symmetrisch um Hauptdrehachse 0 in der Drehscheibe (2) fest eingepreßt, welche im Gehäuselager (1 a) ebenfalls konzentrisch zu den Kurbelwellen (16, 16 ) gelagert ist. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß der Kurbelzapfen (10, 10 a oder 10 ) durch das vorliegende Getriebe in eine geradlinige Laufbahn geführt wird. Dies hat zur Folge, daß einerseits der gelenkig verbundene Arbeitskolben (12) von Querkraftbelastung befreit ist, und daß anderseits die Stoßstange (19) geradeaus den Freiflugkolben (20) antreiben kann. Ein anderer Vorteil liegt darin, daß die Planetenradpaare (14, 14 a) als Gegengewicht für den Unwuchtausgleich der Bewegmassen ausgenutzt werden können.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das Kardansche Prinzip mit zwei symmetrisch um primäre Drehachse P 1 angeordneten Kurbelzapfen (Q 1 und Q 2). Die Strecke Q 1 Q 2 um primäre Drehachse P 1 dreht mit doppelter und gegenläufiger Geschwindigkeit zur Kurbel OP 1. Die Zapfenmittelpunkte Q 1 und Q 2 beschreiben zwei zu einander senkrecht geradlinige Laufbahnen gemäß S 1 und S 2

Fig. 2 die schematische Darstellung des Kurbelgetriebes mit Freiflugkolben, der Klarheit halber ohne Pleuelanschlüsse und ohne Freiflugkolben.

Fig. 3 den Schnitt AB der Fig. 2.

Fig. 4 die vorteilhafte T-Bauform mit Anwendung eines Freiflugkolbens gemäß der Erfindung.

Fig. 5 den herkömmlichen Stufenkolben für den Einsatz in T-Bauform.

Fig. 6 die sinnbildliche Darstellung eines 180° V-4 Triebwerkes mit Freiflugkolben gemäß der Erfindung.

Fig. 7 die schematische Darstellung des 180° V-4 Kurbelgetriebes, der Klarheit halber ohne Pleuelanschluß und ohne Freiflugkolben.

Fig. 8 die schematische Darstellung der Pleuelstange (11) im Kurbelzapfen (10 und 10 ), der Stoßstange (19) und des Freiflugkolbens (20) im Zylinder.

Es folgt die Erläuterung der Erfindung anhand der Zeichnungen nach Aufbau und ggf. auch nach Wirkungsweise der dargestellten Erfindungen.

Fig. 1 Beim diesem Mechanismus schwingt der Kurbelzapfen (10 bzw 10 a) mit der Drehachse Q 1 bzw Q 2 bei konstanter Drehgeschwindigkeit w sinusförmig geradlinig entlang der Schubrichtung S 1 bzw S 2.

OS 1/ = 2 · e · sin wt
OS 2/ = 2 · e · cos wt
mit OP 1 = P 1 Q 1 = P 1 Q 2 = e Exzentrizität.

Die Massenkraft hat die gleiche Schwingungsfrequenz wie die Kurbelwelle (16) und folgt der Gleichungen:

OS 1/F 1 = m 1 · = - 2 · e · w ² · m 1 · sin wt
OS 2/F 2 = m 2 · = -2 · e · w ² · m 2 · cos wt

m 1 bzw m 2 ist die oszillierende Masse am Kurbelzapfen (10 bzw 10 a)

Der Ausgleich der Massenkräfte erfolgt durch rotierende Gegenmasse m _g M ist das Massenzentrum und liegt im Abstand OM von der Hauptdrehachse O, und m _g die Masse.

F(m _g) = m _g · w ² · OM

F(m _g) hat Komponenten auf OS 1 und OS 2 :

OS 1/F(OS 1) = -m _g · w ² · OM · sin wt

OS 2/F(OS 2) = -m _g · w ² · OM · cos wt

Angestrebt wird m 1 = m 2 = m, d. h. die oszillierenden Massen der beiden Schubrichtungen möglichst gleich groß sein sollen.
Die Vorraussetzung eines Voll-Ausgleiches des Triebwerkes ist dann:

2 · e · m = m _g · OM

Fig. 2 zeigt den Schnitt durch jeweils ein Planetenradpaar (14 bzw 14 a) des Kurbelgetriebes. An Kurbelzapfen (10, 10 a) des Exzenters wird es durch Bohrung an Gewicht erleichtert und durch Schlitze an der Unterseite der Kurbelzapfen Schmierungsmittel für die Pleuelstangen (11) versorgt. Wegen der symmetrischen Anordnung ist der Exzenter um primäre Drehachse P 1 ausgeglichen. Die Innenbohrung des Exzenters ist für eine optimale Lebensdauer der Maschine gehärtet bzw verkleidet. Die Augen (13, 13 a) sind beispielsweise als Wälzlager ausgeführt. Die Schmierung aller Lager erfolgt über Kanäle innerhalb der Kurbelwelle (16), des Grundzapfens (7) und der Kurbel (4). Die Ausgleichmasse (18) zusammen mit der Kurbel (4) und der Planetenradpaaren (14, 14 a) soll die durch die Bewegmasse hervorgerufenen Schwingungen vollständig unterdrücken. Das Lagerrad (9) ist vor Befestigung im Gehäuse so verdreht bis der Kurbelzapfen (10 bzw 10 a) in der Schubrichtung S 1 bzw.S 2 des Zylinders liegt.

Fig. 3 Die Achsenabstände der einander kämmenden Räder sind von Modulen ihrer Verzahnung abhängig und sind so bestimmt, daß die Planetenradpaare (14, 14 a) ohne Vorstoß gegeneinander untergebracht werden können. Die Übersetzung 1:2 des Zapfenrades (6) zu dem Lagerrad (9) ist zu beachten:

Z 5/Z 6 · Z 9/Z 8 = 2 ·

Ein triviales Beispiel ist: Z 5=28; Z 9=35 Z 6=35; Z 8=14, bei dem Z 6=Z 9 ist.

Durch Multiplikation mit dem Faktor n/q, wo q ein gemeinsamer Teiler für Z 5 und Z 6 (bzw Z 8 und Z 9) ist, z. B.n/q = 8/7.

erhält man: Z 5 · 8/7 = 32 Z 6 · 8/7 = 40, Z 6 ist nicht mehr gleich Z 9.

Fig. 4 und Fig. 5 Diese voll-ausgleichbare T-Bauform benötigt einen herkömmlichen Stufenkolben nach der Fig. 5 für die 1. und 2. Stufe der Verdichtung bei Kompressoren. Die Endstufe verwendet vorzugsweise den Freiflugkolben (20). Das Zahnradspiel bei dieser Bauart spielt keine Rolle. Der expandierende Gasrest kurz nach dem Ausschieben kann wegen der Phasenverschiebung der Kurbelzapfen (10, 10 a) die Zahnräder nicht zum Klappern bringen. Das Umkippen des Exzenters ist durch jeweils einen verdichtenden Kolben verhindert.

Fig. 6 und Fig. 7 Diese 180° V-4 Bauart ist in der Lage, zwei Freiflug- Kolben (20) für die Vor-und-Endstufen der Verdichtung in Kompressoren aufzunehmen. Die Gegenmasse (15) ist so bemessen, daß der Exzenter um primäre Drehachse P 1 (bzw P 1) ausgeglichen ist. Die Grundzapfen (7 und 7 ) mit Drehachsen P 1 und P 1 weisen eine Winkelverschiebung von 180° auf. Für einen ruhigen Lauf des Kompressors ist Schrägverzahnung zu verwenden. Dazu werden zusätzlich zwei axiale Lager für die Aufnahme der Axialkraft im Exzenter benötigt.

Fig. 8 ist die Darstellung des Freiflugkolbens (20) oberhalb der Stoßstange (19) im Zylinder. Die zylindrische Wölbung (19 a) mit dem Krümmungsmittelpunk im Q 1 sichert den Linienkontakt zu der ebenen Stirnfläche (20 a) des Freiflugkolbens (20). Bei Abweichung des Kurbelzapfens (10) von der geradlinigen Schubrichtung S 1 wälzt die Wölbung (19 a) an der ebenen Stirnfläche (20 a) des Freiflugkolbens (20) ab. Die Flächenpressung an der Kontaktstelle ist relativ mäßig. Der Einsatz von ringlosen Freiflugkolben mit sehr feiner Fertigungstoleranz in der Endstufe der Verdichtung in Kompressoren ist wegen des kleineren Kolbendurchmessers günstiger als Kolben mit Dichtungsringen oder Dichtelementen, zudem einerseits die höchste Temperatur in der Endstufe erreicht wird und andererseits kleine Dichtungsringe schwieriger zu montieren sind und zu große Flächenpressung an der Zylinderlaufbuchse bewirken.

Claims

Patentanspruch 1
Kurbelgetriebe mit Freiflugkolben als Hubkolbenmaschine insbesondere für Kolbenkompressoren mit dem Exzenter, der aus miteinander fest verbundenen Zapfenrad (6), einem Kurbelzapfen (10) und einem zweiten Kurbelzapfen (10 a) bzw einer Gegenmasse (15) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbel (4) die Planetenradpaare (14, 14 a) in Augen (13, 13 a) enthält, die das Zapfenrad (6) übergreifen und gleichzeitig sich um das gehäusefeste Lagerrad (9) abwälzen, und der Grundzapfen (7) gegenüber mit der primären Drehachse P 1 im Abstand OP 1 = e parallel zur Hauptdrehachse O der Kurbelwelle (16), auf dem der Exzenter drehbar gelagert ist, sich in der Kurbelkröpfung (4 a) ausbildet, und daß die Kurbelwelle (16) im Innenlager (17) des Lagerrades (9) gelagert ist, und daß die Pleuelstange (11) mit dem teilweise gelenkig verbundenen Arbeitskolben (12) am Kurbelzapfen (10 bzw 10 ) angeschlossen ist und das untere Augenteil (21) der Pleuelstange (11) eine Stoßstange (19) enthält, die eine zylindrische Wölbung (19 a) als Kontaktfläche aufweist, deren Krümmungsmittelpunkt in der Drehachse Q 1 des Kurbelzapfens (10) liegt, und daß diese Kontaktfläche berührungsweise den mit ebener Stirnfläche (20 a) ringlosen zylindrischen Freiflugkolben (20) betreibt (Fig. 1, Fig. 2, Fig. 7 und Fig. 8).
Patentanspruch 2 nach 1
Kurbelgetriebe mit Freiflugkolben dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachsen Q 1 und Q 2 der Kurbelzapfen (10, 10 a) im Abstand e von primärer Drehachse P 1, parallel und symmetrisch angeordnet sind (Fig. 1, Fig. 2.)
Patentanspruch 3 nach 1 und 2
Kurbelgetriebe mit Freiflugkolben dadurch gekennzeichnet, daß die Planetenradpaare (14, 14 a) durch Verzahnung des Zapfenrad (6) relativ zur Kurbelwelle (16) eine gegenläufig doppelte Winkelgeschwindigkeit bewirken (Fig. 3, Fig. 2).
Patentanspruch 4 nach 1, 2 und 3
Kurbelgetriebe mit Freiflugkolben dadurch gekennzeichnet, daß der Zapfen (7 a) des Grundzapfens (7) im Auge (2 a) der Drehscheibe (2) fest eingeschoben ist, und diese Drehscheibe (2), die mit einer Ausgleichmasse (18) versehen werden kann, konzentrisch zu der Kurbelwelle (16) im Gehäuselager (1 a) gelagert ist (Fig. 2).
Patentanspruch 5 nach 1, 2, 3 und 4
Kurbelgetriebe mit Freiflugkolben dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Kurbelgetriebe in Reihe angebaut werden kann, bei dem der Zapfen (7 b) des Grundzapfens (7 ) in dem gegenüberliegenden Auge (2 b) der Drehscheibe (2) fest eingeschoben ist (Fig. 7).