DE3919341A1 - Kurbelwellenvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kurbelwellenvorrich­ tung, bei der der Kolbenhub und damit das Kompressionsver­ hältnis einer Maschine verstellbar ist.

Die US-PS 44 85 768, die auf den Anmelder zurückgeht, ba­ sierte auf einem Motor, der in der Lage ist, in einem Be­ reich von unterschiedlichen Hüben und Kompressionsverhält­ nissen zu arbeiten. Ein Antriebsmechanismus des Motors um­ faßt Zahnradsätze, welche für den Zweck vorgesehen sind, die Drehachse der Motorkurbelwelle zu verschieben, um die effektive Größe eines Kurbelzapfen- und Kolbenhubes zu ver­ ändern. Der vorgeschlagene Mechanismus stellt zwar einen beträchtlichen Beitrag auf dem Motorengebiet dar, die Komp­ liziertheit des Motors ist aber nachteilig. Auf den Hinter­ grund des hubveränderlichen Motors, wie er in der vorgenann­ ten US-Patentschrift angegeben ist, wird in dem Ausmaß, wie dieser Hintergrund relevant ist, bezüglich weiterer Einzel­ heiten verwiesen.

Die US-PS 38 61 239 beschreibt einen Motor mit einem Pleuel, der auf einem Exzenter drehbar gelagert ist.

Der Stand der Technik beinhaltet Motoren mit Brennräumen mit Hilfskammern zum Verändern des Motorkompressionsver­ hältnisses (US-PS 41 82 288). Weiter umfaßt der Stand der Technik Motoren mit entgegengesetzten Kolben, bei denen ein Gleitelement an einem Hebel befestigt ist und sich um einen einstellbaren Drehpunkt bewegt, was ermöglicht, den Kolbenhub zu verändern (GB-PS 2 29 430). Aus gewissen Grün­ den haben Motorkonstruktionen mit Mechanismen zum Verändern der Kompression nicht zu in der Öffentlichkeit akzeptierten Motoren führt. Ein offensichtlicher Nachteil der bekannten Motorkonstruktionen ist, daß die vorgeschlagenen Konstrukti­ onen sperrig sind, ihre Zuverlässigkeit zweifelhaft ist und Bauteile derselben unannehmbaren Belastungen ausgesetzt sind. Weiter führen die vorgeschlagenen hubveränderlichen Motoren zu nachteiligen Motorbetriebshüllkurven, wie z.B. der Motor gemäß der US-PS 42 70 495. Die US-PS 36 86 972 beschreibt einen Exzenter auf einem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle.

Die Erfindung schafft eine Kurbelwellenvorrichtung, bei der ein Exzenter benutzt wird, welcher durch einen Kurbelzapfen gehalten wird und steuerbar ist, um das Steuern des Kolben­ hubs zu ermöglichen.

Bei der Kurbelwellenvorrichtung nach der Erfindung trägt ein Kurbelzapfen eine exzentrische Büchse, die um eine Kur­ belzapfenachse stufenlos positionierbar ist, um Änderungen in der Umlaufbahn eines kolbengetriebenen Bauteils zu be­ wirken, beispielsweise des Gleitschuhes einer Maschine mit einem Gleitschuhkurbelgetriebe. Die Exzenterpositioniereinrich­ tung umfaßt ein Getriebe, das verlagerbare Zahnräder auf­ weist, die, wenn sie verlagert werden, ein Exzenterpositio­ nierzahnrad vorrübergehend beschleunigen oder verlangsamen, um den Exzenter bogenförmig zu verlagern. Exzentersteuerein­ richtungen sind vorgesehen, welche auf einen oder mehrere Maschinenparameter ansprechen können, um zu ermöglichen, daß die Exzenterpositionierung und damit Hubänderungen automa­ tisch vorgenommen werden können. Die Exzenterpositionier­ einrichtung hat einen kompakten Aufbau, damit sie in Maschinen­ blöcke herkömmlicher Größe und Konfiguration eingebaut wer­ den kann. Die benutzte Exzenterpositioniereinrichtung be­ rücksichtigt Lagerdrehzahlprobleme und hat minimale Verlust­ leistung und minimalen Verschleiß auf Grund von Reibung.

Wichtige Merkmale der Kurbelwellenvorrichtung nach der Er­ findung sind die Schaffung eines kompakten Mechanismus, der in dem Maschinenblock untergebracht und durch die Maschinenkurbel­ wellenvorrichtung direkt angetrieben werden kann und in der Lage ist, einen Exzenter zu positionieren, um die Kolbenhub­ länge zu bestimmen; die Schaffung einer kompressionsveränder­ lichen Kurbelwellenvorrichtung unter Verwendung eines Exzen­ ters zum Verändern der Umlaufbahn eines Gleitschuhes um eine Kurbelwellenachse, wobei die Umlaufbahn den Kolbenhub und das Kompressionsverhältnis der Maschine bestimmt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 in auseinandergezogener Darstellung die Kurbel­ wellenvorrichtung nach der Erfindung, wobei ge­ wisse Motorblockteile gestrichelt dargestellt sind,

Fig. 2 ein Ansicht der Kurbelwellenvorrichtung nach Fig. 1 von links,

Fig. 3 eine Vertikalschnittansicht etwa nach der Linie 3-3 in Fig. 1, und

Fig. 4 eine Vorderansicht eines mit gestrichelten Linien dargestellten Motors mit einem Gleit­ schuhkurbelgetriebe (Scotch yoke engine).

In der Zeichnung bezeichnet die Bezugszahl 1 eine Kurbelwel­ le der Kurbelwellenvorrichtung nach der Erfindung. Die Kur­ belwelle 1 hat eine Wange 2, an der ein Gegengewicht 3 an­ geformt ist. Die Kurbelwelle 1 ist vorzugsweise eine rohr­ förmige Konstruktion. An der Wange 2 ist ein Kurbelzapfen 4 angebracht.

Eine kolbengetriebene Einrichtung 5 ist ein Gleitschuh, wenn die Kurbelwellenvorrichtung nach der Erfindung in einem Motor mit einem Gleitschuhkurbelgetriebe benutzt wird. Der Begriff Gleitschuh wird zwar in der Beschreibung zur Erleich­ terung des Verständnisses der Erfindung benutzt, es ist je­ doch klar, daß statt dessen eine Lagerbüchse benutzt werden könnte, auf der ein Pleuel (oder mehrere Pleuel) drehbar ge­ lagert sein könnte.

Der Kurbelzapfen 4 trägt Exzentereinrichtungen 6, die in einer Bohrung 5 A in dem Gleitschuh 5 aufgenommen sind. Eine exzentrische Büchse 7 trägt ein Zahnrad 8, das über den Gleitschuh 5 vorsteht. Das Zahnrad 8 ermöglicht, wie weiter unten noch näher erläutert, die Exzenterbüchse 7 bogen­ förmig um den Kurbelzapfen 4 zu positionieren. Ein Exzenter­ büchsenbogen oder -buckel ist mit 7 A bezeichnet.

Exzenterpositioniereinrichtungen, die insgesamt mit 10 be­ zeichnet sind, umfassen ein erstes Zahnrad 11, das durch einen Kurbelwellenarm 12 gehaltert ist, der ein Auge 13 hat. Stifte 15 an dem ersten Zahnrad 11 sitzen in Bohrungen, die in dem Auge gebildet sind. Das äußere Ende des Kurbelwellen­ arms 12 ist an dem Ende des Kurbelzapfens 4 mittels eines Befestigungselements 16 befestigt, das in einer in dem Kurbel­ zapfen 4 gebildeten Bohrung 4 A sitzt. Aus vorstehender Be­ schreibung ist zu erkennen, daß bei einer Umlaufbewegung des Kurbelzapfens 4 um die Kurbelwellenachse A das erste Zahnrad 11 über den Kurbelzapfen 4 und den Kurbelwellenarm 12 in Drehung versetzt wird.

Eine Zahnradgruppe aus Zahnrädern 17, 18 und 20 wird durch das Zahnrad 17 angetrieben, das mit dem ersten Zahnrad 11 kämmt. Das Zahnrad 20 der Zahnradgruppe treibt Gegenzahnrä­ der 21 uns 23 auf einer gemeinsamen Welle 22 an. Die Welle 22 erstreckt sich durch das Auge 13 und durch das auf diesem angeordnete erste Zahnrad 11. Demgemäß würden während des Motorbetriebes die Drehzahlen der Zahnräder gleichmäßig sein (mit Ausnahme der des Zahnrads 8, das eine Umlaufbewegung um die Kurbelwellenachse A ausführt), was dazu führt, daß die Beziehung der Exzenterbüchse 7 zu dem Gleitschuh 5 geändert wird. Die Exzenterbüchse 7 ist um eine Kurbelzapfen­ achse B positionierbar. Es ist außerdem zu erkennen, daß während des Motorbetriebes und ohne Betätigung der Steuer­ einrichtung 30 sich die Zahnräder 11, 21 und 23 mit Kurbel­ wellendrehzahl und in der Kurbelwellenrichtung drehen.

Halter sind vorgesehen zum Verlagern von gewissen Zahnrädern der Zahnradgruppe, nämlich der Zahnräder 18 und 20 zum Ver­ ändern der Drehzahl der angetriebenen Gegenzahnräder 21 und 23 auf der Welle 22. Die dargestellten Halter bilden ein Parallelogrammgestänge 25, 26 und 27, wobei die Gestänge­ glieder Öffnungen zum Aufnehmen von Achsen 28 und 29 haben, welche die Zahnräder 18 bzw. 20 tragen. Die Steuereinrich­ tung 30 setzt die Gestängeglieder 25, 26 und 27 in Bewegung, um die Zahnräder 18 und 20 um die Zahnräder 17 bzw. 21 zu verlagern. Das proximale Ende des Gestängeglieds 25 schwenkt um eine Achse 32, welche durch Träger 33 und 34 gehaltert ist, die außerdem das Auge 13 des Kurbelwellenarms 12 und die Welle 22 tragen. Die Steuereinrichtung 30 endet in einer Kupplungsverbindung (nicht dargestellt) mit einem Stellantrieb, welcher eine Bewegung hervorruft, wie es bei 31 angedeutet ist, wobei der Stellantrieb auf Signale an­ spricht, welche ausgewählte Motorparameter darstellen. Ein Stellantrieb der Steuereinrichtung 30 kann beispielsweise ein elektrischer Schrittmotor sein, der auf elektrische Signale anspricht, die durch einen Computer erzeugt werden.

Aus vorstehenden Darlegungen ist zu erkennen, daß der Kolbenhub durch die Drehpositionierung des exzentrischen Bogens oder Buckels 7 A um die Kurbelzapfenachse B verändert werden kann. Beispielsweise wird eine Aufwärtsverlagerung der Steuereinrichtung 30 die Drehzahl des Zahnrads 18, des Zahnrads 20 und der Gegenzahnräder 21 und 23 auf der Welle 22 vorübergehend verringern. Wenn sich der Kurbelzapfen 4 im Uhrzeigersinn bewegt und das Zahnrad 23 vorübergehend verlangsamt oder verzögert wird, ist zu erkennen, daß die Exzenterbüchse 7 und insbesondere deren Bogen oder Buckel 7 A um die Kurbelzapfenasche B in eine Position verlagert wird, die in Fig. 3 mit unterbrochenen Linien angedeutet ist. Der Gleitschuh 5 wird nun eine größere Umlaufbahn haben, was durch dessen mit unterbrochenen Linien in Fig. 3 gezeigte Position dargestellt ist. Die größere Umlaufbahn des Gleitschuhes 5 führt dazu, daß der Kolbenhub für eine hohe Kompression um eine Strecke vergrößert wird, die gleich 2X ist.

Zum Zurückkehren zu der Konfiguration niedriger Kompression oder geringeren Hubes, die in Fig. 3 mit ausgezogenen Linien dargestellt ist, wird die Steuereinrichtung 30 abgesenkt, was dazu führt, daß die Drehzahlen der Zahnräder 18, 20 und der Gegenzahnräder 21 und 23 vorübergehend erhöht werden, um den Bogen oder Buckel 7 A der Exzenterbüches 7 in seine mit ausgezogenen Linien dargestellte Position (niedriger Kompression) in Fig. 3 zurückzubringen. Diese vorübergehen­ den Änderungen der Drehzahl des Zahnrads 23 bewirken demgemäß eine Teildrehung des Zahnrads 8 und der Büchse 7 um die Kurbelzapfenachse B, wenn sich die gesamte Kurbelwellenvor­ richtung um die Achse A dreht. Gleitschuhflächen 5 B und 5 C, die in Gleitberührung mit einem Teil Y des Mo­ tors sind, werden eine Vergrößerung der Bewegung des Teils Y in beiden Richtungen um eine Strecke bewirken, die gleich X ist, was zu einer Gesamthubänderung von 2X der Kolben P 1 und P 2 führt.

Claims (10)

1. Kurbelwellenvorrichtung für eine kompressionsveränder­ liche Hubkolbenmaschine, gekennzeichnet durch:
eine Kurbelwellenvorrichtung mit einer Wange (2), einem Kurbelzapfen (4), einem Kurbelwellenarm (12),
einer kolbengetriebenen Einrichtung (5), die durch den Kur­ belzapfen (4) gehaltert ist,
exzentrischen Einrichtungen (6) mit einer Exzenterbüchse (7), welche durch den Kurbelzapfen (4) drehbar gehaltert und zwischen dem Kurbelzapfen (4) und der kolbengetriebenen Einrichtung (5) angeordnet ist, wobei die exzentrischen Einrichtungen (6) ein exzentrisch befestigtes Zahnrad (8) aufweisen, wodurch eine Einstelldrehung der exzentrischen Einrichtungen (6) relativ zu dem Kurbelzapfen (4) die räumliche Beziehung der exzentrischen und der kolbengetrie­ benen Einrichtungen (5, 6) zu der Kurbelwellenachse (5) ver­ andern wird, um den Kolbenhub zu verändern, und
einer Exzenterpositioniereinrichtung (10), die ein Getriebe aufweist, welches ein erstes Zahnrad (11) umfaßt, das durch den Kurbelwellenarm (12) zur Drehung um die Kurbelwellen­ achse (A) angetrieben wird, eine Zahnradgruppe (17, 18, 20), welche durch das erste Zahnrad (11) angetrieben wird, wo­ bei gewisse Zahnräder (18, 20) der Zahnradgruppe verlagerbar sind, eine Halteeinrichtung (25, 26, 27), welche die ge­ wissen Zahnräder (18, 20) trägt, eine Steuereinrichtung (30), die mit der Halteeinrichtung (25, 26, 27) verbunden ist, um dieselbe und die gewissen Zahnräder (18, 20) zu positionieren, und angetriebene Zahnräder (21, 23), welche durch die Zahnradgruppe angetrieben werden, wobei eines der angetriebenen Zahnräder mit dem exzentrisch befestigten Zahnrad (8) kämmt, um demselben eine bogenförmige Drehung zum Verändern der Beziehung der Exzenterbüchse (7) zu der kolbengetriebenen Einrichtung (5) zu geben und dadurch den Kolbenhub zu bestimmen.

2. Kurbelwellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die kolbengetriebene Einrichtung ein Gleit­ schuh (5) in einer Maschine mit einem Gleitschuhkurbelgetriebe ist.

3. Kurbelwellenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gewissen Zahnräder (18, 20) zwei Zahnräder umfassen, welche durch die Steuereinrichtung (30) um unterschiedliche Achsen bogenförmig verlagerbar sind.

4. Kurbelwellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Zahnrad (11) und die angetriebenen Zahnräder (21, 23) koaxial sind.

5. Kurbelwellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurbelwellenarm (12) den Kurbelzapfen (4) mit dem ersten Zahnrad (11) zum Antreiben desselben um die Kurbelwellenachse (A) verbindet.

6. Kurbelwellenvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die angetriebenen Zahnräder (21, 23) der Exzenterpositioniereinrichtung (10) sich um eine Verlange­ rung der Kurbelwellenachse (A) drehen.

7. Kurbelwellenvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die angetriebenen Zahnräder (21, 23) auf einer gemeinsamen Welle (22) befestigt sind.

8. Kurbelwellenvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kurbelwellenarm (12) ein Auge (13) auf­ weist, durch das sich die gemeinsame Welle (22) erstreckt.

9. Kurbelwellenvorrichtung für eine hub- und kompressions­ veränderlichen Hubkolbenmaschine, gekennzeichnet durch:
eine Kurbelwelle (1) mit einem Kurbelzapfen (4) und einem durch diesen gehalterten Kurbelwellenarm (12),
eine Exzenterbüchse (7) auf dem Kurbelzapfen (4),
einen Gleitschuh (5), der durch die Exzenterbüchse (7) ge­ haltert ist und eine Umlaufbahn hat, welche den Hub der Kolben (P 1, P 2) bestimmt,
ein Zahnrad (8) auf der Exzenterbüchse (7), und
eine Exzenterbüchsenpositioniereinrichtung (10), welche ein Steuerzahnrad (23) aufweist, das mit dem Zahnrad (8) auf der Exzenterbüchse (7) kämmt, eine Steuerwelle (22), die zu der Kurbelwellendrehachse (A) koaxial ist, und Ein­ richtungen, welche die Drehzahl der Steuerwelle (22) relativ zu der Drehzahl der Kurbelwelle (1) vorübergehend erhöhen oder erniedrigen, um die Beziehung der Exzenterbüchse (7) zu dem Gleitschuh (5) und daher die Umlaufbahn des Gleit­ schuhes (5) zu verändern.

10. Kurbelwellenvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich ein Ende der Steuerwelle (22) in die Drehebene des Kurbelzapfens (4) erstreckt.