DE3641884A1 - Kurbeltrieb, insbesondere fuer hubkolbenmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kurbeltrieb, insbesondere für Hub­ kolbenmotoren, welcher die Merkmale des Oberbegrriffs des An­ spruches 1 aufweist.

Bei den bekannten Kurbeltrieben dieser Art, wie sie beispiels­ weise bei allen Hubkolben-Verbrennungsmotoren Verwendung finden, wird die Drehachse des dem Kolben abgekehrten Endes der Pleuel­ stange durch einen zylindrischen Kurbelzapfen gebildet, dessen beiden Endabschnitte fest mit zwei Wangen verbunden ist, die ihrerseits fest mit Hauptwellenzapfen verbunden sind, welche die Hauptachse des Kurbeltriebes bilden. Die Drehachse der Pleuel­ stange bewegt sich daher auf einer konzentrisch zur Hauptachse des Kurbeltriebes liegenden Kreisbahn, deren Durchmesser gleich dem Hub des sich auf einer geradlinigen Bahn bewegenden Endab­ schnittes der Pleuelstange, bei einer Verbindung mit einem Kolben einer Hubkolbenmaschine also gleich dem Hub des Kolbens ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kurbeltrieb zu schaffen, der besser als die bekannten Kurbeltriebe in seiner Charakteristik auf die auftretenden Anforderungen abgestimmt wer­ den kann. Diese Aufgabe löst ein Kurbeltrieb mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Der veränderliche Abstand der Bahn der Drehachse von der Haupt­ achse des Kurbeltriebes ermöglicht eine Änderung von dessen Dreh­ momentcharakteristik. Dies ist beispielsweise bei Hubkolben-Ver­ brennungsmotoren von Interesse, um während des Arbeitshubes ein höheres Drehmoment zu erhalten, was, sofern die übrigen Bedingun­ gen unverändert bleiben, erforderlich macht, zumindest während eines Teiles des Arbeitshubes einen vergrößerten wirksamen Hebel­ arm des Kurbeltriebes zur Verfügung zu haben. Eine auf diese Wei­ se verbesserte Drehmomentcharakteristik des Kurbeltriebes führt bei einem Hubkolben-Verbrennungsmotor zu einem höheren Dreh­ moment, wodurch einerseits eine Kraftstoffersparnis erreichbar ist und andererseits bei gleichbleibender Leistung das Motor­ gewicht reduziert werden kann, was zu geringeren Kosten und bei Fahrzeugen wegen der geringeren zu bewegenden Masse zu einer Treibstoffeinsparung führt. Der veränderliche Abstand der Dreh­ achse der Pleuelstange von der Hauptachse des Kurbeltriebs eröff­ net aber auch die Möglichkeit, den Hub zu verändern, also bei­ spielsweise in Verbindung mit einem Hubkolben-Verbrennungsmotor bei unterschiedlichen Drehzahlen oder unterschiedlichen Belas­ tungen einen unterschiedlich großen Kolbenhub zu wählen.

Die Realisierung eines veränderlichen Abstandes der Drehachse des sich auf einer geschlossenen Bahn bewegenden Endabschnittes der Pleuelstange von der Hauptachse ist mit unterschiedlich ausgebil­ deten Getrieben möglich. Beispielsweise kann er durch zwei gegen­ einander laufende elliptische Zahnräder, ein Mehrgelenk-Hebelge­ triebe oder eine Verschiebung der Kurbelwelle aus der Hauptachse heraus realisiert werden, wobei im letztgenannten Fall außer ei­ ner Parallelverschiebung auch eine Verschiebung beispielsweise mittels elliptischer Körper in Frage kommt.

Bei einer wegen ihrer Einfachheit und geringen Abweichung von den bekannten Kurbeltrieben besonders vorteilhaften Ausführungs­ form ist die Drehachse durch den Kurbelzapfen einer Kurbelwelle gebildet, der mit einem zu dem die Pleuelstange tragenden Ab­ schnitt exzentrischen Abschnitt drehbar in wenigstens einer Kur­ belwange gelagert ist, wobei auf diesem drehbar gelagerten Ab­ schnitt drehfest ein erstes Rad angeordnet ist, das mit einem koaxial zur Hauptachse angeordneten zweiten Rad in Getriebever­ bindung steht. Hier bedarf es nur eines Verdrehens des exzen­ trischen Kurbelzapfens in seinem durch die Wange oder Wangen ge­ bildeten Lager, um den Abstand der Drehachse der Kurbelstange, welche hier mit der Längsachse des sie tragenden Abschnittes des Kurbelzapfens zusammenfällt, von der Hauptachse zu verändern, wobei der Verstellbereich durch die Exzentrizität des die Kurbel­ stange tragenden Abschnittes des Kurbelzapfens bezüglich seines drehbar in der Wange oder den Wangen gelagerten Abschnittes be­ stimmt ist, die allerdings entsprechend den Erfordernissen frei gewählt werden kann. Ist das zweite Rad feststehend, was bei­ spielsweise dadurch realisiert werden kann, daß man es drehfest mit einem Hauptlager der Kurbelwelle verbindet, dann bestimmt das Übersetzungsverhältnis der Getriebeverbindung, welche die beiden Räder bildet, die Winkelstellung des exzentrischen Kurbelzapfens in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Kurbelwelle. Man kann aber auch das zweite Rad drehfest auf einer koaxial zur Haupt­ achse angeordneten, beispielsweise in den hohl ausgebildeten Hauptwellenzapfen gelagerten Hilfswelle anordnen und hat dann nicht nur die Möglichkeit, beliebig wählbare Zusammenhänge zwi­ schen den Winkelstellungen des exzentrischen Kurbelzapfens und der Kurbelwelle vorzugeben, sondern auch den Hub zu verändern. Im letztgenannten Falle braucht nur der gewünschte Abstand zwischen der Drehachse der Pleuelstange und der Hauptachse der Kurbelwelle durch eine Verdrehung des exzentrischen Kurbelzapfens auf den ge­ wünschten Wert eingestellt und dann dadurch beibehalten zu wer­ den, daß diese Winkellage des drehfest mit dem Kurbelzapfen ver­ bundenen Rades aufrecht erhalten wird.

Im folgenden ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung darge­ stellen Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 einen unvollständig dargestellten Schnitt eines ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 die Bahnen der Längsachsen des die Pleuelstange tragenden Endabschnittes des Kurbelzapfens und des in den Wangen gelagerten Abschnittes in Abhängig­ keit von der Position des sich auf einer geradli­ nigen Bahn bewegenden anderen Endabschnittes,

Fig. 3 den Drehmomentverlauf bei dem ersten und einem zweiten Ausführungsbeispiel im Vergleich zum Dreh­ momentverlauf bei gleichbleibenden Abstand zwi­ schen der Drehachse der Pleuelstange und der Hauptachse,

Fig. 4 die Bahnkurve entsprechend Fig. 2 eines zweiten Ausführungsbeispiels.

Ein Kurbeltrieb weist eine in bekannter Weise ausgebildete Pleu­ elstange 1 auf, die im Bereich ihres nicht dargestellten, sich auf einer geradlinigen Bahn hin und her bewegenden Endabschnittes beispielsweise mit dem Kolben eines Hubkolben-Verbrennungsmotors in bekannter Weise verbunden ist. Der andere, in Fig. 1 darge­ stellte Endabachnitt enthält in einer Bohrung eine Lagerbuchse 2, mittels deren die Pleuelstange 1 drehbar auf einem Mittelab­ schnitt 3′ eines als Ganzes mit 3 bezeichneten, exzentrischen Kurbelzapfens gelagert ist. Die Längsachse der Lagerbuchse 2 und die mit ihr zusammenfallende Längsachse des Mittelabschnittes 3′ definieren die Drehachse 1′ der Pleuelstange 1. Exzentrisch zum Mittelabschnitt 3′ des Kurbelzapfens 3 schließen sich an diesen beidseitig zwei zylindrische, gleichachsige Endabschnitte 3′′ an. Diese Endabschnitte 3′′ sind in mit einander fluchtenden Bohrungen von zwei Wangen 4 des Kurbeltriebes gelagert, zwischen die der auf dem Mittelabschnitt 3′ gelagerte Endaschnitt der Pleuelstange 1 eingreift. Die im Ausführungsbeispiel plattenförmig ausgebilde­ ten Wangen 4 sind fest mit zwei miteinander fluchtenden Haupt­ wellenzapfen 5 der Kurbelwelle des Kurbeltriebes verbunden. Im Ausführungsbeispiel ist nur der links dargestellte Hauptwellen­ zapfen in einem Lager 6 drehbar gelagert, weil sich an den ande­ ren Hauptwellenzapfen 5 ein nicht dargestellter Teil der Kurbel­ welle anschließt. Würde die Kurbelwelle nur die beiden darge­ stellten Wangen 4 aufweisen, dann wäre auch der andere Hauptwel­ lenzapfen 5 in einem Lager 6 drehbar gelagert.

Wie Fig. 1 zeigt, steht derjenige Endabschnitt 3′′ des Kurbelzap­ fens 3, welche in der sich an das Lager 6 anschließenden Wange 4 drehbar gelagert ist, über diese Wange 4 über und trägt ein fest mit ihm verbundenes Stirnzahnrad 7, das mit einem zweiten Stirn­ zahnrad 8 kämmt, welches konzentrisch zum Hauptwellenzapfen 5 an­ geordnet und fest mit dem ortsfesten Lager 6 verbunden ist.

Im Ausführungsbeispiel ist das Übersetzungsverhältnis des aus den beiden Zahnrädern 7 und 8 gebildeten Getriebes 1:1. Das Stirn­ zahnrad 7, das sich bei einer Drehung der Kurbelwelle auf dem feststehenden zweiten Stirnzahnrad 8 abwälzt und dabei den Kur­ belzapfen 3 dreht, führt deshalb bei einer Drehung der Hauptwel­ lenzapfen 5 um 360° ebenfalls eine Drehung um die Längsachse der beiden Endabschnitte 3′′ um 360° aus. Der wirksame Hebelarm des Kurbeltriebes, der durch den Abstand der Drehachse 1′ der Pleuel­ stange 1 und damit der Längsachse des Mittelabschnitts 3′′ des Kurbelzapfens 3 von der durch die Längsachse der Hauptwellenzap­ fen 5 definierten Hauptachse 12 des Kurbeltriebes bestimmt ist, verändert sich also bei jeder Drehung der Hauptwellenzapfen 5 kontinuierlich.

Fig. 2 zeigt im Vergleich zu der kreisförmigen Bahn der Längsach­ se der beiden Endabschnitte 3′′ des Kurbelzapfens 3 die Bahn, wel­ che die Drehachse der Kurbelwelle 1 um die Hauptachse 12 be­ schreibt, wobei die durch die Zahlen 1 bis 11 gekennzeichneten Positionen den ebenfalls mit den Zahlen 1 bis 11 gekennzeichneten Positionen des anderen, sich auf einer geradlinigen Bahn bewegen­ den Endabschnittes der Pleuelstange 1 angeben.

Die beim ersten Ausführungsbeispiel vorhandene Abweichung der Bahn der Drehachse der Pleuelstange 1 mit einer Kreisbahn mit ei­ nem Durchmesser gleich dem Hub führt, wie Fig. 3 zeigt, zu einem anderen Drehmomentverlauf. Die Kurve 9 in Fig. 3 zeigt die Abhän­ gigkeit des Drehmomentes von der Stellung des sich auf einer ge­ radlinigen Bahn bewegenden Endes der Pleuelstange bei einem be­ stimmten Druckverlauf eines Viertaktmotors für den Fall, daß die Drehachse 1′ der Pleuelstange 1 sich auf einer Kreisbahn mit dem Durchmesser gleich dem Hub bewegt, der Kurbeltrieb also in be­ kannter Weise ausgebildet ist. Bei gleichem Druckverlauf und gleichem Hub ergibt die in Fig. 2 dargestellte Bahn der Drehachse 1′ der Pleuelstange 1 einen Drehmomentverlauf gemäß der Kurve 10. Ein Vergleich zeigt, daß die von der Kurve 10 begrenzte Fläche größer ist als die von der Kurve 9 begrenzte, was bedeu­ tet, daß das mittlere Drehmoment mit einem Kurbeltrieb gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel größer ist als das Drehmoment bei Ver­ wendung eines bekannten Kurbeltriebes.

ln Fig. 4 ist die Bahn der Drehachse der Pleuelstange eines im einzelnen nicht dargestellten zweiten Ausführungsbeispiels in Form einer Ellipse dargestellt, deren große Halbachse um 45° ge­ genüber der geradlinigen Bahn geneigt ist, auf der sich der ande­ re Endabschnitt der Pleuelstange bewegt. Die große Halbachse die­ ser Ellipse ist doppelt so groß wie die kleine Halbachse, ferner hat der Hub die gleiche Größe wie bei dem ersten Ausführungsbei­ spiel. Die in Fig. 4 dargestelle Bahnkurve ergibt einen Drehmo­ mentverlauf, wie er durch die Kurve 11 in Fig. 3 wiedergegeben ist.

Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten sowie auch die nur allein aus der Zeichnung entnehmbaren Merkmale sind als wei­ tere Ausgestaltungen Bestandteile der Erfindung, auch wenn sie nicht besonders hervorgehoben und insbesondere nicht in den An­ sprüchen erwähnt sind.

Claims (7)

1. Kurbeltrieb, insbesondere für Hubkolbenmotoren, mit wenigstens einer Pleuelstange, deren dem sich auf einer geradli­ nigen Bahn bewegenden einen Endabschnitt abgekehrte andere End­ abschnitt eine Drehachse aufweist, die sich auf einer geschlos­ senen, zumindest teilweise im Abstand von der Hauptachse des Kur­ beltriebes verlaufenden Bahn bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahn der Drehachse (1′) einen veränderlichen Abstand von der Hauptachse (12) hat.

2. Kurbeltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahn der Drehachse (1′) in dem dem Arbeitshub entspre­ chenden Teilabschnitt zumindest in einem Teilbereich einen größeren Abstand von der Hauptachse (12) hat als eine Kreisbahn um die Hauptachse (12) mit einem dem Hub des sich auf einer ge­ radlinigen Bahn bewegenden Endabschnittes der Pleuelstange entsprechenden Durchmesser.

3. Kurbeltrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Drehachse (1′) der Pleuelstange (1) durch den Kurbelzapfen (3, 3′, 3′′) einer Kurbelwelle gebildet ist, der mit einem zu dem die Pleuelstange (1) tragenden Abschnitt (3′) exzen­ trischen Abschnitt (3′′) drehbar in wenigtens einer Wange (4) ge­ lagert ist, wobei auf diesem drehbar gelagerten Abschnitt (3′) drehfest ein erstes Rad (7) angeordnet ist, das mit einem koaxial zur Hauptachse (12) angeordneten zweiten Rad (8) in Getriebever­ bindung steht.

4. Kurbeltrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Rad (7) ein mit dem als Stirnzahnrad ausgebildeten zweiten Rad (8) kämmendes Stirnzahnrad ist.

5. Kurbeltrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Rad (8) ein stillstehendes Rad ist.

6. Kurbeltrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Rad drehfest auf einer koaxial zur Hauptachse an­ geordneten und relativ zu dieser verdrehbaren Hilfswelle sitzt.

7. Kurbeltrieb nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Übersetzungsverhältnis des das erste und zweite Rad (7, 8) aufweisenden Getriebes 1:1 oder 1:2 gewählt ist.