DE3915901A1 - Drehzahlregeleinrichtung - Google Patents

Description

Drehzahlregler werden häufig in Verbindung mit kleinen Industriemotoren verwendet, um unter veränderlichen Last­ bedingungen eine im wesentlichen konstante Maschinendreh­ zahl aufrechtzuerhalten. Ein übliches System ist der Nockenwelle der Maschine zugeordnet und besteht aus einer Mehrzahl Fliehgewichte, die an einem auf der Nockenwelle montierten Fliehgewichtträger angeordnet sind. Die Flieh­ gewichte sind mit dem Träger derart schwenkbar verbunden, daß die Fliehkraft die Fliehgewichte von der Achse der Nockenwelle wegbewegt. Jedes Fliehgewicht hat ein Wider­ lager bzw. einen Finger, der gegen ein Ende einer Rolle wirkt, die koaxial mit der Nockenwelle angeordnet ist. Die Rolle ist an der Welle so befestigt, daß sie mit der Welle umläuft, aber in bezug auf diese axialverschiebbar ist.

Eine Axialverschiebung der Rolle unter der Einwirkung der Fliehgewichte wird von einer Gabel gehemmt, die im Reitsitz auf der Nockenwelle sitzt und durch eine Feder gegen das entgegengesetzte Ende der Rolle gedrückt wird. Die Gabel ist an einer drehbaren Stange befestigt, die funktionsmäßig mit der Drosselklappe der Maschine verbunden ist. Bei die­ ser Anordnung wirkt die Vorspannkraft der Feder entgegen­ gesetzt zur Fliehkraft der Fliehgewichte, so daß die Ma­ schinendrehzahl ungeachtet der Maschinenlast relativ kon­ stant gehalten wird.

Bei der vorstehend beschriebenen Drehzahlregeleinrichtung laufen die Fliehgewichte und die Rolle gemeinsam mit der Nockenwelle um, so daß zwischen den Teilen keine relative Rotation auftritt. Mit sich ändernder Maschinendrehzahl tendieren jedoch die Fliehgewichte zu einer Radialbewegung relativ zur Rolle, wenn die Fliehkraft die Kraft der Vor­ spannfeder übersteigt. Dieser relativen Radialbewegung der Fliehgewichte wird durch Reibungskräfte ein Widerstand ent­ gegengesetzt. Die Rolle bewegt sich daher erst, wenn die Differenz zwischen der Fliehkraft und der Vorspannkraft der Feder die Reibungskräfte übersteigt.

Es ist erwünscht, die eine Bewegung der Fliehgewichte und der Rolle hemmenden Reibungskräfte zu vermindern, weil sie je nachdem, ob sich die Fliehgewichte nach radial innen oder außen bewegen, sich zu der Fliehkraft hinzuaddieren bzw. von dieser subtrahieren. Diese Reibungskräfte führen dazu, daß die Regeleinrichtung drehzahlmäßig auf- und ab­ pendelt und eine unregelmäßige Drehzahl unterhält.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Dreh­ zahlregeleinrichtung, die die Auswirkungen von Reibung im System erheblich vermindert, so daß eine präzisere Dreh­ zahlregelung und eine Minimierung von Pendelerscheinungen möglich sind.

Gemäß der Erfindung sind mehrere Fliehgewichte schwenkbar mit einem Zahnrad bzw. Fliehgewichtträger verbunden, der auf der Nockenwelle der Maschine befestigt ist, und jedes Fliehgewicht hat ein Widerlager bzw. einen Finger, der an der Oberfläche eines Flansches der koaxial mit der Nocken­ welle angeordneten Rolle angreift. Die Rolle ist mit der Nockenwelle derart verbunden, daß sie mit dieser umläuft, aber ungehindert in Axialrichtung der Nockenwelle ver­ schiebbar ist. Mit zunehmender Maschinendrehzahl werden die Fliehgewichte durch die Fliehkraft nach außen geschwenkt, so daß die an den Fliehgewichten befindlichen Finger die Rolle in Axialrichtung der Welle verschieben.

Am anderen Ende der Rolle liegt eine Gabel an, die die Nockenwelle überspannt, und die Gabel ist an einer Stange befestigt, die ihrerseits funktionsmäßig mit der Drossel­ klappe der Maschine verbunden ist. Ein Vorspannmechanismus, z. B. eine Torsionsfeder, ist der Stange zugeordnet und drückt sie in Kontakt mit der Rolle.

Wenn die Maschinendrehzahl infolge einer Lastverminderung ansteigt, werden die Fliehgewichte unter Fliehkrafteinwir­ kung nach außen geschwenkt unter Überwindung der Vorspann­ kraft der Feder und verschieben die Rolle in Axialrichtung, so daß die Gabel um die Achse der Stange geschwenkt und die Maschinendrehzahl vermindert wird. Bei abnehmender Drehzahl der Maschine werden dagegen die Fliehgewichte nach innen geschwenkt, und die Federkraft verschwenkt die Gabel und drückt die Rolle in Kontakt mit den Fingern der Fliehge­ wichte, so daß die Drosselklappe geöffnet und die Maschi­ nendrehzahl erhöht wird.

Gemäß der Erfindung werden die Reibungskräfte im System dadurch vermindert, daß das entgegengesetzte Ende der Rolle, an dem die Gabel anliegt, eine unregelmäßige oder wellige Oberfläche erhält, was in einem kontinuierlichen Schwingen bzw. "Tanzen" der Rolle und der Fliehgewichte während des Betriebs der Maschine resultiert. Um die Kräfte an den beiden Beinen der Feder auszugleichen, hat die un­ regelmäßige Oberfläche bevorzugt zwei Zyklen, d. h. zwei Erhebungen und zwei Vertiefungen, so daß bei einer Umdre­ hung der Nockenwelle zwei Schwingungen der Rolle und der Fliehgewichte resultieren.

Dieses kontinuierliche Pendeln oder Tanzen hat die Auswir­ kung, daß die Kräfte ausgemittelt werden, während Reibung abwechselnd zu der Fliehkraft hinzuaddiert bzw. davon sub­ trahiert wird. Unter sich ändernden Drehzahlverhältnissen bewegen sich die Fliehgewichte in Radialrichtung relativ zu der Rolle mit einer wesentlich geringeren Drehzahländerung, so daß eine präzisere Drehzahlregelung möglich ist und Pendeln, das bei bekannten Systemen auftritt, eliminiert wird.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Drehzahlregel­ einrichtung nach der Erfindung, die der Nockenwelle einer Maschine zugeordnet ist, wobei die Fliehgewichte in der Ruhestellung gezeigt sind;

Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung, wobei die Fliehgewichte und die Rolle in einer Arbeitsstellung gezeigt sind;

Fig. 3 einen Schnitt 3-3 nach Fig. 1;

Fig. 4 einen vergrößerten Teilschnitt, der die Ver­ bindung zwischen dem Nockenzahnrad und der Rolle zeigt; und

Fig. 5 einen Schnitt 5-5 nach Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen Teil einer kleinen industriellen Brenn­ kraftmaschine, die zum Treiben eines Generators, einer Pumpe od. dgl. einsetzbar ist.

Die Maschine hat eine Nockenwelle 1, die mehrere Nocken 2 trägt, von denen nur einer gezeigt ist. Das Ende 3 der Nockenwelle 1 ist in einer Buchse 4 im Ende des Kurbelge­ häuses 5 der Maschine drehbar gelagert.

Ein Zahnrad 6 ist auf der Nockenwelle 1 befestigt und wird von einem auf der Kurbelwelle befestigten Antriebsrad (nicht gezeigt) angetrieben. Mehrere Fliehgewichte 7 sind mit einer Oberfläche des Zahnrads 6 über Haltearme 8 schwenkbar verbunden.

Nach Fig. 5 sind vier Fliehgewichte 7 vorgesehen, die in Abständen um die Welle angeordnet sind, und jedes Flieh­ gewicht ist über einen Bolzen 9 mit den parallelen Laschen oder Flanschen 10 der jeweiligen Haltearme 8 verbunden.

Jedes Fliehgewicht hat ein schweres Ende 11 sowie einen Finger bzw. ein Widerlager 12, das relativ zum Ende 11 auf der entgegengesetzten Seite der Drehachse liegt und an einer geflanschten Oberfläche 13 einer Rolle 14 anliegt.

Die Rolle 14 ist koaxial mit der Nockenwelle 1 so befe­ stigt, daß sie mit der Nockenwelle umläuft, aber ungehin­ dert in Axialrichtung relativ zur Nockenwelle verschiebbar ist. Dazu ist ein Stift 15 an dem Zahnrad 6 befestigt und erstreckt sich in eine Kerbe 16, die durch zwei Flansche 17 im Rand der Rolle definiert ist. Diese Stift/Kerben-Anord­ nung erlaubt es der Spule, mit der Nockenwelle umzulaufen und eine Axialbewegung relativ zur Welle auszuführen.

Am entgegengesetzten Ende 18 der Rolle 14 liegt eine Gabel 19 an. Wie am besten aus Fig. 5 hervorgeht, überspannt die Gabel 19 die Nockenwelle 1 und läuft nicht mit dieser um.

Das entgegengesetzte bzw. äußere Ende der Gabel 19 ist an einer Stange 20 befestigt, die in der Wand des Kurbelge­ häuses 5 drehbar gelagert ist. Ein Vorspannmechanismus dient dazu, die Gabel 19 in Kontakt mit dem Ende 18 der Rolle 14 zu beaufschlagen. Wie gezeigt, kann der Vorspann­ mechanismus eine die Stange 20 umgebende Torsionsfeder 21 sein. Ein Ende der Torsionsfeder ist in einem Loch in der Stange angeordnet, und das andere Ende der Torsionsfeder liegt an einem Widerlager (nicht gezeigt) im Kurbelgehäuse 5 an. Bei dieser Konstruktion drückt die Kraft der Tor­ sionsfeder die Gabel 19 in Kontakt mit dem Ende 18.

Bei der beschriebenen Einrichtung laufen sowohl die Flieh­ gewichte 7 als auch die Rolle 14 mit der Nockenwelle 1 um, so daß zwischen diesen Elementen keine relative Rotation stattfindet. Unter sich ändernden Drehzahlverhältnissen werden aber die Fliehgewichte in Radialrichtung einwärts oder auswärts geschwenkt, so daß sich die Finger 12 der Fliehgewichte relativ zum Rollenende 13 bewegen und eine Relativbewegung zwischen den Fliehgewichten, ihren Dreh­ punkten und den Laschen 10 auftritt.

Um die während dieser relativen Radialbewegung auftretenden Reibungskräfte zu minimieren, wird ein Mechanismus verwen­ det, durch den die Rolle 14 und die Fliehgewichte 7 während der Rotation der Nockenwelle ständig "tanzen" bzw. schwin­ gen. Dazu ist das Ende 18 der Rolle 14 mit einer ringför­ migen Steuerfläche 22 versehen, die die Welle 1 umgibt. Zum Ausgleich der auf die beiden Schenkel der Gabel 19 wirken­ den Kraft ist es bevorzugt, daß die Steuerfläche zwei Zyklen aufweist, d. h. zwei Rippen bzw. Erhebungen 23 und zwei Vertiefungen 24. Die axiale Tiefe bzw. Höhe der Steuerfläche vom Oberende der Erhebungen 23 zum Grund der Vertiefungen 24 ist eine Doppelzyklus-Kosinusfunktion. In der Praxis wurde gefunden, daß die axiale Tiefe der Steuer­ fläche im Bereich von ca. 0,05-0,18 mm, bevorzugt ca. 0,1 mm, liegt.

Beim Betrieb der Maschine und rotierender Nockenwelle 1 läuft die Gabel 19 auf der Nockenfläche 22 ab, so daß die Rolle 14 ständig in Axialrichtung schwingt, und die mit dem Rollenende 13 in Kontakt befindlichen Fliehgewichte 7 schwingen ständig in Radialrichtung relativ zu der Rolle, so daß die Reibungskräfte zwar immer noch vorhanden sind, aber über einen Kurzzeitzyklus vergleichmäßigt werden. Die Größe der radialen Schwingung wird so unterhalten, daß sie gerade ausreicht, um die Reibung umzukehren, aber nicht größer ist. In der Praxis bewegt sich die Basis der Rolle um insgesamt ca. 0,1 mm während des Schwingens. Da Reibung im wesentlichen vergleichmäßigt bzw. ausgemittelt wird, wird eine präzisere Drehzahlregelung erhalten, und "Pen­ deln" wird praktisch beseitigt.

Claims (11)

1. Drehzahlregeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch eine Welle (1), eine auf der Welle drehfest angeordnete Rolle (14), die relativ zur Welle axialverschiebbar ist, Fliehgewichte (7), die mit der Welle (1) verbunden und so angeordnet sind, daß sie durch Fliehkräfte zwischen einer ersten, inneren Stellung und einer zweiten, äußeren Stellung bewegbar sind, wobei die Fliehgewichte (7) einen Abschnitt (12) aufweisen, der eine erste Fläche (13) der Rolle (14) kontaktiert und der so ausgebildet und ange­ ordnet ist, daß die Rolle (14) axial in eine erste Richtung verschiebbar ist, wenn die Fliehgewichte (7) sich aus der ersten in die zweite Lage bewegen, ein nichtumlaufendes Organ (19), das eine zweite Fläche (22) der Rolle (14) kontaktiert und funktionsmäßig mit einer Drehzahlstellvorrichtung für die Maschine verbunden ist, wobei das nichtumlaufende Organ (19) so ausgelegt und angeordnet ist, daß eine Axialverschiebung der Rolle (14) durch die Fliehgewichte (7) das nichtumlaufende Organ (19) bewegt unter Verstellung der Maschinendrehzahl, und durch Mittel (23, 24) zum kontinuierlichen Schwingen der Flieh­ gewichte in Radialrichtung relativ zu der Rolle (14).

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Vorspannelement (21), das das nichtumlaufende Organ (19) in Anlage an der zweiten Fläche (22) der Rolle (14) vorspannt und die Rolle (14) in eine zweite Axialrichtung entgegengesetzt zur ersten Richtung drückt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Schwingen der Fliehgewichte Unebenheiten (23, 24) auf der zweiten Fläche (22) umfassen.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Unebenheiten wenigstens jeweils eine radial ver­ laufende Erhebung (23) und Vertiefung (24) umfassen.

5. Drehzahlregeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch eine Welle (1), eine auf der Welle drehfest angeordnete Rolle (14), die relativ zur Welle axialverschiebbar ist, Fliehgewichte (7), die mit der Welle (1) verbunden und so angeordnet sind, daß sie durch die Fliehkraft zwischen einer ersten, inneren Stellung und einer zweiten, äußeren Stellung bewegbar sind, wobei die Fliehgewichte (7) einen Abschnitt (12) aufweisen, der eine erste Fläche (13) der Rolle (14) kontaktiert und der so ausgebildet und ange­ ordnet ist, daß die Rolle (14) axial in eine erste Richtung verschiebbar ist, wenn die Fliehgewichte (7) sich aus der ersten in die zweite Lage bewegen, ein nichtumlaufendes Organ (19), das eine zweite Fläche (22) der Rolle (14) kontaktiert und funktionsmäßig mit einer Drehzahlstell­ vorrichtung für die Maschine verbunden ist, wobei das nichtumlaufende Organ (19) so ausgelegt und angeordnet ist, daß eine Axialverschiebung der Rolle (14) durch die Flieh­ gewichte (7) das nichtumlaufende Organ (19) bewegt unter Verstellung der Maschinendrehzahl, ein Vorspannelement (21), das das nichtumlaufende Organ (19) in Kontakt mit einer zweiten Fläche (22) der Rolle (14) vorspannt, wobei das Vorspannelement (21) die Rolle (14) in eine zur ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung drückt, und durch Mittel (23, 24), die für ein ständiges Schwingen der Rolle (14) in einer Axialrichtung und ein entsprechendes ständi­ ges Schwingen der Fliehgewichte (7) in Radialrichtung relativ zu der Rolle (14) sorgen, um dadurch den Hysterese- Effekt der zwischen beiden auftretenden Reibung zu mindern.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Fläche (22) quer zur Achse der Rolle (14) verläuft.

7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtumlaufende Organ eine Gabel (19) ist, die im Reitsitz auf der Welle (1) sitzt und die zweite Fläche (22) kontaktiert.

8. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung eines ständigen Schwingens Oberflächenunebenheiten (23, 24) in der zweiten Fläche (22) der Rolle (14) sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Fläche (22) konzentrisch zur Achse der Rolle (14) angeordnet ist und daß die Oberflächenunebenheiten jeweils zwei Erhebungen (23) und zwei Vertiefungen (24) umfassen.

10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenunebenheiten abwechselnd aufeinander­ folgende Erhebungen (23) und Vertiefungen (24) mit einer axialen Tiefe von 0,05-0,18 mm umfassen.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (23) diametral entgegengesetzt zuein­ ander und die Vertiefungen (24) diametral entgegengesetzt zueinander angeordnet sind.