DE3919609C2 - Kurbeltrieb für eine Kolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kurbeltrieb der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Kolbenmaschinen, bei denen ein solcher Kurbeltrieb anwendbar ist, sind ganz allgemein alle Arbeits- und Kraftmaschinen, bei denen die Zylinder kranzförmig um eine gemeinsame Kurbelwelle angeordnet sind. Solche Arbeitsmaschinen sind beispielsweise Hubkolbenverdichter. Solche Kraftmaschinen sind beispielsweise Sternmotoren. Ganz allgemein ist der Kurbeltrieb bei einer Kol­ benmaschine verwendbar, die den Gegenstand der nichtvorveröf­ fentlichten älteren deutschen Patentanmeldung P 38 14 269.4 bil­ det.

Wenn bei solchen Kolbenmaschinen nur ein Zylinder vorhanden ist, besteht keine Schwierigkeit, das eine Pleuel über einen Kurbel­ zapfen mit der Kurbelwelle zu verbinden. Wenn zwei Zylinder vor­ handen sind, wird das zweite Pleuel an seinem der Kurbelwelle benachbarten Ende gabelförmig ausgebildet und an demselben Kur­ belzapfen wie das erste Pleuel drehbar angelenkt, was ebenfalls keine Schwierigkeiten bereitet und bei dem genannten älteren Vorschlag der Fall ist.

Wenn dagegen drei und mehr Zylinder vorhanden sind, wird die axiale Baulänge der Kolbenmaschine üblicherweise beträchtlich größer, weil die Pleuel nur axial nebeneinander und in mehreren Drehebenen an der Kurbelwelle drehbar angelenkt werden können. Es ist zwar möglich, gekröpfte Pleuel zu verwenden, doch ergeben sich dadurch ungünstige Kraftangriffsverhältnisse an den Kolben, da diese dann zum Kippen neigen und eine große Führungslänge benötigen. Das erhöht die Reibung und verschlechtert den Wir­ kungsgrad. Grundsätzlich werden möglichst kurze Kolben ange­ strebt.

Bei Sternmotoren ist nicht nur die große axiale Baulänge übli­ cherweise von Nachteil, sondern auch die radiale Baugröße. Ein Sternmotor benötigt nämlich viel Raum für die Unterbringung ei­ nes an der Kurbelwelle vorgesehenen Bauteils, an welchem sämtli­ che Pleuel mit ihren inneren Enden angelenkt werden können.

Ein Beispiel dafür findet sich in der US 22 64 484, die einen Kurbeltrieb für eine Kolbenmaschine in Form eines Sternmotors zeigt. Das Bauteil, an welchem sämtliche Pleuel mit ihren inne­ ren Enden angelenkt sind, ist bei diesem bekannten Sternmotor ein dreieckiger Körper, der auf einem Kurbelzapfen drehbar gela­ gert ist und mittels Lenkern und Stiften an einem ringförmigen Teil befestigt ist, das mit Hilfe von Schrauben an einem Gehäuse befestigt ist. Diese Konstruktion bedingt außer den oben bereits erwähnten Nachteilen von Sternmotoren einen sehr aufwendigen und störungsanfälligen sowie aus vielen Einzelteilen bestehenden Kurbeltrieb, der im übrigen auch für eine Herstellung aus Kera­ mik nicht geeignet wäre.

Die DE-AS 10 84 272 zeigt einen Kurbeltrieb, der zwar dem Kur­ beltrieb nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ähnlich ist, dessen Aufbau in dieser Druckschrift jedoch nicht beschrieben ist. Diese Druckschrift befaßt sich mehr ins einzelne gehend le­ diglich mit dem Aufbau und der Anordnung der Zylinder mit dem Ziel, eine ventillose Verbunddampfmaschine durch weitere Ausnüt­ zung der Dampfausdehnung in Niederdruckzylindern noch wirt­ schaftlicher zu gestalten.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kurbeltrieb der im Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art einfacher und kom­ pakter und so zu gestalten, daß er aus Keramik hergestellt wer­ den kann.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dem Kurbeltrieb nach der Erfindung ist kein Kurbelzapfen mehr vorhanden, viel mehr sind die Pleuel bis in die Mitte des nicht mehr vorhandenen Kurbelzapfens verlängert. Der Kurbelzap­ fen selbst ist bei dem Kurbeltrieb nach der Erfindung dadurch beseitigt worden, daß der gemeinsame Drehkörper in eine exzen­ trische axiale Bohrung der Kurbelwelle drehbar eingesetzt worden ist. Dadurch ergibt sich sowohl eine geringere axiale Baulänge als auch eine geringere radiale Baugröße. Durch die symmetrische Lage sämtlicher Pleuelzapfen bezüglich ein und derselben Drehachse ergibt sich eine entsprechend symmetrische Kraftver­ teilung. Das bewirkt einen ruhigen Lauf der Kolbenmaschine und einen hohen Wirkungsgrad, weil keine unerwünschten Momente ent­ stehen. Bei dem Kurbeltrieb nach der Erfindung können die Pleu­ elzapfen bis zur Mitte des gemeinsamen Drehkörpers reichen, weil dieser den Kurbelzapfen ersetzt. Überdies ermöglicht die erfin­ dungsgemäße Konstruktion, den Kurbeltrieb aus rotationssymmetri­ schen Teilen herzustellen. Erst das eröffnet die Möglichkeit, den gesamten Kurbeltrieb aus Keramik zu bauen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 9 ermöglicht der zylindrische Stift eine geradlinige Kraftübertragung zwi­ schen entgegengesetzten Kolben.

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

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Kolbenmaschine, die mit einer Ausführungsform des Kurbel­ triebs nach der Erfindung versehen ist,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 die Kolbenmaschine in einer Seitenansicht,

Fig. 4 als Einzelheit in vergrößerter Darstellung einen Drehkörper des Kurbeltriebs, und

Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V in Fig. 4.

In der Zeichnung ist als ein Beispiel für eine Kolbenmaschine, bei der der im folgenden beschriebene Kurbeltrieb verwendbar ist, ein 4-Zylinder-Hubkolbenkompressor dargestellt. Von diesem Kompressor ist nur derjenige Teil gezeigt, der zur Erläuterung der Erfindung notwendig ist. Die äußere Begrenzung des darge­ stellten Kompressors bildet ein Steuerring 10. Vervollständigt wird der Kompressor durch ein nicht dargestelltes äußeres Ge­ häuse, das den Steuerring 10 umgibt. Das äußere Gehäuse hat einen Arbeitsmitteleinlaßkanal und einen Arbeitsmittelauslaßka­ nal. Der Steuerring 10 hat auf der Saugseite (links in Fig. 3) an seinem inneren Umfang eine erste Ausnehmung 12, die sich über etwas weniger als 180° erstreckt, und an seinem inneren Umfang auf der Druckseite (rechts in Fig. 3) eine zweite Ausnehmung 14, die sich über etwa 30° erstreckt. Die erste Ausnehmung 12 und die zweite Ausnehmung 14 sind in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet und haben keine gegenseitige Verbindung. Die erste Ausnehmung 12 steht mit dem nicht dargestellten Arbeitsmitte­ leinlaßkanal in Verbindung, und die zweite Ausnehmung 14 steht mit dem nicht dargestellten Arbeitsmittelauslaßkanal in Verbin­ dung. Aufgrund der beiden Ausnehmungen und aufgrund von deren gegenseitiger Lage wird die Kolbenmaschine pro Umdrehung in ei­ nem Drehwinkelbereich von etwa 180° ansaugen, dann in einem Drehwinkelbereich von etwa 150° verdichten und in einem Winkel­ bereich von etwa 30° ausstoßen. Der Steuerring 10 umgibt ein Kurbelgehäuse 16, in welchem eine Kurbelwelle 18 drehbar gela­ gert ist. Das Kurbelgehäuse 16 und der Steuerring 10 sind rela­ tiv zueinander drehbar.

Das Kurbelgehäuse 16 enthält vier Zylinder 20, welche paarweise auf zueinander rechtwinkeligen Mittelachsen 22 und 24 angeordnet sind. Jeder Zylinder 20 mündet innen in einer Bohrung 28 des Kurbelgehäuses 16, in welche auf einer Stirnseite des Kurbelge­ häuses 16 (links in Fig. 2) die Kurbelwelle 18 drehbar eingepaßt ist. Die axiale Länge der Kurbelwelle 18 ist so bemessen, daß diese nicht bis zu der Ebene reicht, welche die beiden Mittelachsen 22, 24 enthält. Entsprechendes gilt für einen auf der entgegengesetzten Stirnseite in dieselbe Bohrung 28 einge­ setzten Schulterzapfen 30, der aber mit dem Kurbelgehäuse 16 durch nicht dargestellte Schrauben fest verbunden ist. Die Kur­ belwelle 18 liegt mit einer Schulter 19 an der einen Stirnseite und der Schulterzapfen 30 mit seiner Schulter 31 an der anderen Stirnseite des Kurbelgehäuses 16 an. Der gegenseitige axiale Ab­ stand der einander benachbarten Stirnseiten der Kurbelwelle 18 und des Schulterzapfens 30 ist so gewählt, daß sich zwischen ih­ nen vier Pleuel 32 unbehindert, aber im wesentlichen spielfrei, bewegen können.

Jedes Pleuel 32 hat an seinem radial äußeren Ende ein Pleuelauge 34, in das ein Kolbenbolzen 36 eingesetzt ist, der den Kolben 26 mit dem Pleuel 32 gelenkig verbindet. Am radial inneren Ende ist jedes Pleuel mit einem Pleuelzapfen 38 versehen. Die vier Pleu­ elzapfen 38 erstrecken sich rechtwinkelig zu den vier Pleueln auf einer Seite derselben axial in die Kurbelwelle 18. Die vier Pleuelzapfen 38 sind daher in einer gemeinsamen Drehebene (in Fig. 2 links von den Pleueln 32) um ein und dieselbe Drehachse 40 angeordnet und werden durch einen gemeinsamen Drehkörper 42, der um die Drehachse 40 drehbar ist, in fester gegenseitiger Lage gehalten. Der Drehkörper 42 ist ein zylindrischer Körper, der mit der Kurbelwelle 18 exzentrisch und drehbar verbunden ist.

Gemäß der Darstellung in Fig. 4 ist in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel des Kurbeltriebs der Drehkörper 42 eine kreisförmige Scheibe, in der vier Bohrungen 44 mit ihren Achsen 46 auf einem gemeinsamen Kreis 48 gebildet sind. In jeder Boh­ rung 44 ist einer der Pleuelzapfen 38 drehbar gelagert. Die Durchmesser der Bohrungen 44 sind so gewählt, daß sich benach­ barte Pleuelzapfen 38 jeweils gegenseitig berühren, wie es in den Fig. 1 und 5 ohne weiteres zu erkennen ist. Der Drehkörper 42 besteht vorzugsweise aus Bronze, Messing oder einem anderen geeigneten Lagermetall. In der den Pleueln 32 benachbarten Stirnseite ist in der Kurbelwelle 18 eine axiale Bohrung 50 ex­ zentrisch gebildet, in welcher der Drehkörper 42 mit Gleitsitz aufgenommen ist.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen die Pleuelzap­ fen 38 jeweils aus einem Bolzen, der an einem Ende fest mit dem Pleuel 32 und am anderen Ende drehbar mit dem Drehkörper 42 ver­ bunden ist. Dabei ist jeder Pleuelzapfen 38 an seinem Pleuel 32 angeformt. Alternativ können die Pleuelzapfen jeweils aus einem Bolzen bestehen, der an einem Ende fest mit dem Drehkörper 42 und am anderen Ende drehbar mit dem Pleuel 32 verbunden ist.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 1 und 2 ist in der Drehachse 40 ein zylindrischer Stift 54 angeordnet, mit dessen Umfang alle vier Pleuelzapfen 38 in Berührung sind.

Zur Herstellung einer definierten Lagebeziehung zwischen Pleueln 32 und Drehkörper 42 ist zwischen denselben wenigstens ein An­ schlag zum Begrenzen von deren Relativbewegungsbereich vorzuse­ hen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind als Anschläge vier Zylinderstifte 60 vorgesehen (Fig. 1), die jeweils zwischen zwei Pleueln 32 angeordnet und jeweils in eine Bohrung 62 (Fig. 4) in dem Drehkörper 42 fest eingesetzt sind. Statt der Zylin­ derstifte 60 könnten auch beliebige Vorsprünge an dem Drehkörper 42 als Anschläge vorgesehen sein. Es ist lediglich erforderlich, die Breite dieser Vorsprünge bzw. den Durchmesser der Zylinder­ stifte 60 so zu wählen, daß sie jeweils nur an einem Pleuel 32 gleichzeitig anliegen.

Das Kurbelgehäuse 16 könnte einfach aus einer Kreisscheibe her­ gestellt werden, in welche die Zylinder gebohrt werden, die in­ nen in die Bohrung 28 für die Kurbelwelle münden. Alternativ könnte das Kurbelgehäuse 16 aus vier Zylinderbüchsen bestehen (nicht dargestellt), die in der gezeigten Anordnung der Zylinder 20 fest miteinander verbunden sind. Sämtliche Teile des Kurbel­ triebs können aus Keramik bestehen, mit Ausnahme von vier Ma­ gnet- oder Eisenkernen 64, die in Fig. 1 zwischen den Zylindern 20 gestrichelt dargestellt sind. Bei vollständig gekapselter Kolbenmaschine dienen die Kerne 64 zur berührungslosen Kraft­ übertragung auf eine um den Schulterzapfen 30 angeordnete Ma­ gnetkupplung.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Steuerring 10 fest mit dem nicht dargestellten äußeren Gehäuse verbunden. Die Kurbelwelle 18 ist mit dem Steuerring 10 einstellbar fest ver­ bunden. Durch Wahl der Einstellung der Kurbelwelle bezüglich des Steuerringes 10 sind die Steuerzeiten hinsichtlich Saug- und Druckhub der Kolbenmaschine veränderbar. Zum Antrieb der Kolben­ maschine, im dargestellten Ausführungsbeispiel des Kompressors, wird das Kurbelgehäuse 16 in Drehung versetzt, das mittels der Kurbelwelle 18 einerseits und mittels des Schulterzapfens 30 an­ dererseits drehbar gelagert ist. Zu diesem Zweck ist auf der Kurbelwelle 18 ein Kugellager (nicht gezeigt) angeordnet, das teilweise in eine Lagerbohrung des äußeren Gehäuses einfaßt und im übrigen in die Bohrung einer Riemenscheibe eingepreßt ist, welche mit dem Kurbelgehäuse 16 verschraubt ist (wofür vier in Fig. 1 sichtbare Bohrungen 17 vorgesehen sind). Das Kurbelge­ häuse 16 ist somit in dem nicht dargestellten äußeren Gehäuse drehbar gelagert und mittels Keilriemen über die ebenfalls nicht dargestellte Riemenscheibe antreibbar. Wenn sich das Kurbelge­ häuse 16 um die Kurbelwelle 18 dreht, bewegen sich die Kolben 26 in ihren Zylindern 20 hin und her, was nicht näher beschrieben zu werden braucht. Dabei wird das Arbeitsmittel, z. B. Luft od. dgl., über die erste Ausnehmung 12 angesaugt, dann verdichtet und über die zweite Ausnehmung 14 ausgestoßen. Statt der nicht dargestellten Riemenscheibe ist das Kurbelgehäuse 16 auch mit­ tels der erwähnten Magnetkupplung über die Kerne 64 in Drehung versetzbar.

Die Kolbenmaschine ist ohne weiteres auch als Expansionsmotor einsetzbar wie die Kolbenmaschine gemäß dem älteren Vorschlag P 38 14 269.4.

Ebenso können auch der Steuerring 10 und die Kurbelwelle 18 mit­ einander verbunden und in Drehung versetzt werden, wobei sie dann bei feststehendem Kurbelgehäuse 16 die Pleuel 32 antreiben.

Im Betrieb als Expansionsmotor treiben die Pleuel die Kurbel­ welle 18 an, und die Antriebsverbindung zwischen der Kurbelwelle 18 und einem anzutreibenden Teil wird über die erwähnte Riemen­ scheibe oder die erwähnte Magnetkupplung hergestellt.

Claims (10)

1. Kurbeltrieb für eine Kolbenmaschine mit mehreren, in Zylin­ dern (20) hin- und herbewegbaren Kolben (26), der jeden Kolben (26) über ein Pleuel (32) und einen Pleuelzapfen (38) mit einer Kurbelwelle (18) verbindet, um die die Zylinder (20) angeordnet sind, wobei alle Pleuelzapfen (38) um ein und dieselbe Drehachse (40) angeordnet und durch einen gemeinsamen Drehkörper (42), der um die Drehachse (40) drehbar und mit der Kurbelwelle (18) ex­ zentrisch und drehbar verbunden ist, gehalten sind, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Drehkörper (42) in eine exzentrische axiale Bohrung (50) der Kurbelwelle (18) drehbar eingesetzt ist.

2. Kurbeltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pleuelzapfen (38) jeweils aus einem Bolzen bestehen, der an ei­ nem Ende fest mit dem Drehkörper (42) und am anderen Ende dreh­ bar mit dem Pleuel (32) verbunden ist.

3. Kurbeltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pleuelzapfen (38) jeweils aus einem Bolzen bestehen, der an ei­ nem Ende fest mit dem Pleuel (32) und am anderen Ende drehbar mit dem Drehkörper verbunden ist.

4. Kurbeltrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß je­ der Pleuelzapfen (38) an dem Pleuel (32) angeformt ist.

5. Kurbeltrieb nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehkörper (42) eine kreisförmige Scheibe ist, in der mehrere Bohrungen (44) mit ihren Achsen (46) auf einem gemein­ samen Kreis (48) gebildet sind, in welchen jeweils einer der Pleuelzapfen (38) drehbar gelagert ist.

6. Kurbeltrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser der Bohrungen (44) so gewählt sind, daß sich be­ nachbarte Pleuelzapfen (38) jeweils gegenseitig berühren.

7. Kurbeltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch wenigstens einen zwischen Pleueln (32) und Drehkörper (42) vorgesehenen Anschlag (60) zum Begrenzen von deren Relativbewe­ gungsbereich.

8. Kurbeltrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (60) ein zwischen zwei Pleueln (32) angeordneter und mit dem Drehkörper (42) verbundener Vorsprung ist, dessen Breite so gewählt ist, daß er nur an einem Pleuel (32) gleichzeitig an­ liegt.

9. Kurbeltrieb nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in der Drehachse (40) ein zylindrischer Stift (54) angeordnet ist, mit dessen Umfang alle Pleuelzapfen (38) in Berührung sind.

10. Kurbeltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sämtliche Teile des Kurbeltriebs aus Keramik bestehen.