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Ventilumsteuerung. Den Gegenstand vorliegender Erfindung bildet eine
weitere Ausbildung der Ventilsteuerung für umkehrbare Kolbenkraftmaschinen für Dampf
oder Druckluft nach dem Patent 3767I9.
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Gemäß diesem Patent wird die Steuerung unter anderem durch zwei einander
gleiche Kurvenscheiben gesteuert, welche in Drehrichtung lose auf der Steuerwelle
sitzen und mittels achsialer Verschiebung von Schraubenmutterstellscheiben auf der
schraubenförmigen Steuerwelle verstellt werden. Diese Verschiebung wird durch gabelförmige
Hebel bewirkt, die über den halsförmigen Umfang der Mutterscheiben greifen. Zum
Zweck einer konstanten Voreilung ist zwischen Gabel und Seitenrändern der Mutterscheiben
Spiel vorgesehen, ' dessen Wirkung durch auf der Welle angebrachte Anschläge für
die Mutterscheiben nach außen begrenzt wird. Dieses Spiel hat den Nachteil, daß
unter besonderen Verhältnissen Stöße und Schwingungserscheinungen auftreten können,
durch welche der eindeutige, sichere Abschluß der Ventile in Frage gestellt werden
kann. Aus diesem Grunde wird gemäß vorliegender Erfindung der Einfluß des an und
für sich notwendigen Spieles nur auf die Änderung der Bewegungsrichtung beschränkt,
während bei gleichbleibender Bewegungsrichtung die Steuerorgane stets eine geschlossene
kinematische Kette bilden. Das Spiel tritt also bei der vorliegenden Erfindung nur
auf, wenn die Maschine bei Vorwärtsgang auf den Rückwärtsgang und umgekehrt umgesteuert
wird. Hier aber muß das Spiel beibehalten werden, um die richtigen Perioden wiederzuerhalten.
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Die Abb. I bis io der. Zeichnung zeigen schematisch ein Ausführungsbeispiel
der Steuerung in Anwendung auf eine Lokomotive.
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Abb. r stellt im Grundriß und Schnitt eine Zusammenstellung der Hauptteile
des Getriebes dar.
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Abb. 2, 3, 6, 7, 8 stellen Querschnitte dar.
Abb.
q. zeigt schematisch das Bewegungsdiagramm der Bügel in Abhängigkeit von der Kurbelwelle.
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Die sämtlichen Abb. i bis 9 stellen die Steuerung in der Lage dar,
die dem größten Füllungsgrade beim Vorwärtshang entspricht.
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Abb. 9 stellt einen achsialen Querschnitt der Muttern und Bügel in
einer besonderen Ausführung dar.
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Abb. io stellt das allgemeine Kreisdiagramm der Steuerung dar.
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In Abb. i stellt A' die Umstellkurbelwelle dar, mit deren Kurbelzapfen
I VW, W' W'
durch die Schubstangen J J, J' J'- Stellscheiben M und
M' längs der Steuerwelle A auf der Schraube l' verstellt werden können. Durch
die runden Löcher 0, 0 der Stellscheibe 11 (Abb. 2) gehen die Stangen
B, B der Unrundscheibe C, während die Stangen B', B'
der zweiten Unrundscheibe
C sich in den Kreisbogenschlitzen P, P frei bewegen können. In ähnlicher
Weise gehen durch die runden Löcher 0', 0' der, zweiten Stehscheibe 1't1' (Abb.
3) die Stangen B', B' der zweiten Unrundscheibe C hindurch, während
die Stangen B. B der ersten Unrundscheibe C sich in den Kreisbogenschlitzen
P', P' frei bewegen können.
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Die Beeinflussung der Unrundscheiben C und C durch die Stehscheiben
M ur_d M' erfolgt genau wie bei der Anordnung nach dem Patent 3767r9.
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Wie sich die Verstellung des Steuerhebels auswirkt, ergibt sich am
besten aus dem Schema der Abb. io.
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In demselben ist ein Kreisdiagramm dargestellt, bei welchem eine Anzahl
konzentrischer Kreise i bis 13 die Projektionsstellungen des Steuerhebels darstellen,
d. h. ein jeder Kreis entspricht einer bestimmten Stellung des Umsteuerhebels bei
seiner Verstellung für Vorwärts- und Rückwärtsfahrt der Maschine, z. B. o ist Volldampf
vorwärts, 13 ist Volldampf rückwärts.
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Die durch den Mittelpunkt gezogene Wagerechte entspricht die Linie
der toten Punkte o' und i8o' der Kurbel, und die Größe der Phasen für eine bestimmte
Hebelstellung ist durch den M'inkelausschlag auf den entsprechenden Kreis dargestellt.
Eine ganze Umdrehung der Kurbel entspricht einem ganzen Kreisumlauf im Diagramm
(im Uhrzeigersinne für Vorwärts- und umgekehrt für Rückwärtsgang). Z. B. bezeichnet
bei der in der Zeichnung dargestellten Stellung g des Hebels Punkt M den Zeitpunkt
der Dampfvoreinströmung und Punkt N das Moment des Dampfabschlusses, also Bogen
M N die Einlaßphase, Punkt .P den Augenblick der Auspufföffnung und Punkt
Q die Beendigung des Auspuffes, also der Bogen NP die Expansionsperiode, der Bogen
P Q den Auspuff und Bogen Q M die Kompressionspericde beim Vorwärtsgang.
In umgekehrter Drehrichtung zeigen Bogen N' .1I' die Dampfeintrittperiode,
Begeh M' Q' die Expansion, Bogen Q' P' den Auspuff und Bogen P' M' die Kompressionsperiode
während des Rücklaufes.
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In dieser Weise sind die Phasen der Steuerung durch eine doppelte
Reihe von Kurven begrenzt, die für Vorwärtsgang voll ausgezogen und für Rückwärtsgang
strichpunktiert sind. Jede der Kurven entspricht einer bestimmten Stellung der Steuerorgane.
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Den schraffierten Flächen entsprechen die Spiele oder toten Gänge
im Getriebe zwischen Vor- und Rüükwärtsgang, indem bei der Bewegungsumkehr Punkt
M nach M' wandert und Punkt N nach N' gelangt.
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Aus dein Diagramm ersieht man, wie durch Spiel und Anschlag die konstanten
Voreilwinkel bei der Einströmung und bei dem Auspuff, die Gegenstand des Patents
376719 sind, erhalten werden; man sieht weiter die Notwendigkeit eines zwangläufigen
Antriebes der Steuerung während jeder Fahrtrichtung, um in der bestimmten Richtung
immer dieselbe Diagrammlinie zu erhalten.
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Aus dem Diagramm ist weiter ersichtlich, wie von der Stellung i des
Steuerhebels ganz von links Volldampf-Vorwärts ausgehend bis zur Hebelstellung 7
(Leerlauf) eine allmähliche Vorlegung der Phasen stattfindet, ohne daß die Voreinströmung
und die Vorausströmung geändert werden.
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Wird der Steuerhebel noch weiter nach rechts verstellt bis zu seiner
äußersten Stellung 13, so müssen auf Volldampf-Rückwärtsfahrt die Phasen immer weiter
bis in A2, Bi und C2, BZ stetig verschoben werden, ohne daß die voll ausgezogenen
Linien verlassen werden.
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Wird nun von einer beliebigen Hebelstellung aus die Fahrtrichtung
umgekehrt, so wird das Spiel sofort fühlbar.
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Wäre die Steuerung nicht zwangläufig, so würde das Spiel ein Feld
von unstabilen Lagen der Ventilantriebsorgane zur Folge haben. Eine stetige und
bestimmte Regelung der Phasenverschiebungen durch Verstellung der Umsteuerhebel
wäre nicht möglich. Diese unstabilen Felder können hervorgerufen werden durch Beschleunigungskräfte,
die eine Voreilung des getriebenen - Organs bewirken.
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Jedesmal also, wenn die unrunde Scheibe gegen die Steuerungswelle
voreilt, wird eine Trennung zwischen dem treibenden und dem getriebenen Organ stattfinden
in dem Punkt, wo Spiel vorhanden ist. Beide Organe fallen wieder ein, wenn die Resultierende.
aller Kräfte, die auf das getriebene Organ wirken, verzögernd anstatt beschleunigend
wirkt.
D ' Moment der WiederberÜhfn'ng hängt von as der Wirkung
der Kräfte .ab; die auf dein getriebenen- Organ nach einem Gesetze, das von den
gesamten Arbeitsbedingungen und -nicht bloß von dem Profil der unrunden Scheibe
abhängt, ausgeübt werden. -Somit wird die vorher geöffnete kinematische Kette kraftschlüssig
(d,. h. stoßweise) und@nicht zwangläufig wieder geschlossen. Es- entstehen dabei
störende- Stöße, und Schwingungen :im Getriebe. . " .
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Bei dem in .Abb. i bis g: dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
trfindung besitzen die beiden Einlaßscheiben gleiche um
T8o° gegeneinander
verschobene Umfangskur-, ven. - .-jede Sähwinge T U T' kann- die vier verschiedenen
Lagen einnehmen, die-:im obener-; wähnten Patent beschrieben sind.' Bei dieser Ausführung
werden nur die Verschiebungen des Punktes U zwischen" seiner mittleren und äußeren
Lage (in bezug auf die' Scheibenachse) zur Öffnung und-. - Schließung der Ventile
benutzt, während die entgegengesetzten Verschiebungen (die ohne Berührung an dem
entsprechenden- Ventilkopfe geschehen) nur zum Ausgleichen der Wirkungen der Schließ-
und Trägheitskräfte :dienen, - die auf das entgegengesetzte Ventil, wie später erläutert
wird, wirken.
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Offensichtlich werden die vier verschicdenen Lagen, - die - jede Schwinge
einnehmen kann, bei einer gegenseitigen Drehung von i8o° eingenommen, was in diesem
Falle eine besonders vorteilhafte Symmetrie ermöglicht.
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Es möge. h_ inzugefügt werden, daß sich bei der auf der Zeichnung
dargestellten .Lage der Teile der -Kolben im linken Totpunkte befindet, und
däß das linke Ventil I sowie das rechte Ventil S (s. Abb. 6 und 7) sich bereits
teilweise geöffnet haben. Die bei dieser- Lage erreichte Öffnung entspricht derjenigen,
die man bei Schiebersteuerungen als »lineares Voreilen« reit Beäug auf Einlaß und
Auslaß bezeichnet. ' Dreht sich die Welle A mit Bezug auf die Triebwelle weiter,
so vergrößert sich die Öffnung der beiden Ventile, welche dadurch ganz geöffnet
werden, wenn die .Rolle T von der Auflaufkurve der Scheibe C und die Rolle des Hebels
H . von der Auflaufkurve der. Scheibe D
die Rast erreicht- haben. Solange-
die Achsen der Rollen ihre Lage nicht .verändern, .indem ein und - dieselbe Rolle
sich dauernd auf der Rast bewegt, -wirkf rauf die Scheibe keine tangentiale Komponente
-des Rollendruckes; sondern es treten lediglich Reibungswiderstände auf, die eine
Verzögerung der Scheibenbewegung bewirken. Wenn sich dagegen die- Rollen auf einer
der Auf- oder Ablaufkurven befinden, so über die Rollen eine verzögernde oder beschleunigende--tanaehtiale
:`Wirkurig : äüf- -die Scheiben aus. Es kann-deshalb ein Voreilen der Einlaßscheiben-
stattfinden.-Um. - diesen Übelstand,--zu -umgehen, söhne auf die notwendigen Spiele
zu- verzichten, hat man iri Gemäßheit dei'l vorliegenden :Erfindung zwischen den-
treibenden und'- -den getriebenen Organen Einrichtungen ersnnen; - -die in Abb.
6, 6,.7 und - der Zeichnung -dargestellt sind. -. . .-DieseAnordnungen bewirken,
daß während des gesamten Vorwärts- und-Rückwärtsganges Zwangläüfigkeit im- Steuergetriebe
besteht.
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Das Loslösen von einer der kinematischen Ketten und die Herstellung
der- anderen durch Zurücklegung der Spiele geschieht beider-Bewegungsumkehr. - '
Diese Zwangläufigkeit- der -Steuerung trotz des Spieles -wird dadurch .erreicht,
daß man durch geeignete Einrichtungen entweder eine Umkehrung der in -den Gliedern
der kinematischen Kette . auftretenden Kräfte verhindert (i.= B. -dadurch, daß die
getriebene Rolle stets nacheilst . gegenüber der 'treibenden Nockenscheibe) oder
die Entstehung -besonders reichlich genügender Kraftschlußkräffe- verursacht, wenn
etwaige Trennungskräfte-die kinematische Kette: zu-, lösen streben. - ..
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Abb. 6 stellt eine Einrichtung dar, bei der eine Ausgieichfeder bewirkt,.
däß jede mögliche Voreilungskraft der Einlaßscheiben verhindert wird.. .. , - -
. .
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Die Hebel G, G sind je :mit einem dritten Arm L verz-ehen ; zwischen
den' -Enden der Arme L ist eine Feder R eingeschaltet,- die-zu= sammengedrückt wird
und das Bestreben hat, die Rollen T und' ,T'- ständig --an.. die :entsprechende
Scheibe anzudrücken. Die Arme L;=L sind so angebracht, .-uiid das ist-.wesentlich,
daß die Hebelarmlänge sich -bezüglich - der Federwirkung fortwährend. ändert,-'
und zwar .in der Weise, daß das .Federkraftmoment abnimmt auf der Seite, wo.
das Moment der Schließkraft -des Ventils die .Schwinge gegen die Scheiben drückt,
- uhd umgekehrt zunimmt da, wo der Hebel weit von .dem Spindelkopfe läuft und deshalb
die Ventilschlußkraft-:keinen Druck mittels -des -entsprechenden ,Hebels und der
Schwinge gegen die Scheibe ausübt. -Z. `B.: Drückt der Spindelkapf des .linken--
Ventils auf das Ende des Hebels G -mit einem Druck von P kg und: einem Hebelarm
a und .drückt die Feder mit- R -kg und -Hebelärm yra auf -denselben linken: Hebel
G, so entsteht ein -po5itives_Moment - - . : -.pXa+RXm, .' - ..
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das ausgeglichen wird von dem negativen Moment -R X n des Federdruckes
auf das Ende des rechten Hebelarmes L. Eine solche Differentialwirkung der Ausgleichfeder
genügt gewöhnlich,
um einen ruhigen und steten zwangläufigen Gang
der Steuerung trotz der vorhandenen Spiele zu erreichen.
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Ein gleiches Ergebnis wird während der Steuerung des Auslasses durch
die Wirkung der Ausgleichfeder, die auch zur Rückkehr des Pumpenkolbens dient (s.
Abb. 5), erlangt.
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Der Kraftschluß wird bei der Anordnung nach Abb. 9 dadurch erreicht,
daß pneumatische Kräfte benutzt sind, und zwar um die mit Öl geschmierten Organe
K und Min ständiger Berührung zu halten.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, sind die Ränder X und
Y' der Mutter M und M'
mit einem Kranz versehen, so daß zwei
kreisförmige Rillen entstehen, in welchd mit geringem seitlichen Spiel entsprechende
Ringansätze der Bügel K und K' hineintreten können; läßt man reichlich Schmieröl
zwischen den Muttern und den Bügeln umlaufen, so bildet sich eine Olschicht, die
einen raschen Eintritt der Luft zwischen den kreisförmigen Rillen und Bügelansätzen
verhindert und so eine Hemmung gegen ein rasches Abheben der betreffenden Organe
ausübt.
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Außer dieser pneumatischen Wirkung entstehen auch Adhäsions- und Kapillarkräfte
zwischen den polierten und mit einer Flüssigkeit angefeuchteten Berührungsflächen.
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Da auch bei kleinen Geschwindigkeiten der Maschine die etwaigen Beschleunigungskräfte
eine sehr beschränkte Zeitdauer haben, während die übrigen Reibungs- oder andere
verzögernde Kräfte stets sich auswirken, so sind die erwähnten pneumatischen und
Kapillarwirkungen ausreichend, um ein Abheben der Organe während des Ganges in einer
Richtung zu verhindern und einen ruhigen Gang der Steuerung zu erreichen.
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Diese sämtlichen Einrichtungen können einzeln oder zusammen. je nach
den Umständen verwendet werden, um eine sichere Zwangläufigkeit der Steuerung zu
verwirklichen. Auch für die Steuerung der Auslaßventile ist, ähnlich wie für die
Steuerung der Einlaßventile, ein Spiel in der kinematischen Kette der Steuerorgane
vorgesehen, zum Zwecke, eine beständige Vorausströmung für alle Füllungsgrade zu
erzielen. Zu dem Zwecke sitzt die Nockenscheibe des Auspuffes lose auf der Steuerwelle
(Abb. 7) und wird von dieser mitgeschleppt mittels zweier an einem auf der Welle
verkeilten Ringe vorhandener Knaggen Z', Z', welche mit entsprechenden Knaggen Z,
Z der Steuerscheibe in Wechselwirkung stehen. Bei der Umsteuerung verlassen Knaggen
Z', Z' die Knaggen der Steuerscheibe und machen eine bestimmte Drehung, bis sie
mit denselben wieder auf der anderen Seite in Eingriff kommen. Diese Drehung gibt
das Maß des Spieles an und muß zweckmäßig berechnet werden.
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Dieses Spiel kann nun Stöße und Schwingungen verursachen, die den
ruhigen Gang der Steuerung stören und welche dadurch vermieden werden, daß man mittels
Druck von einer Olpumpe (Abb. 5) aus oder von einem Katarakt oder einfach von einer
Feder auf die Steuerscheibe oder auf eine mit ihr verbundene Scheibe D' eine verzögernde
Wirkung hervorbringt, welche eine Lostrennung der in Berührung stehenden Organe
verhindert.
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Der mittlere Teil der Abb. 7 stellt eine ähnliche Anordnung dar wie
Abb. 9 des obengenannten Patentes 3767=9, indem die Auslaßscheibe D bei großem Gegendampf,
wenn die Einlaßscheibe C um 5o° voreilt, von der Stange B, die sich in dem Bogenschlitz
E frei bewegt, verstellt und der Auslaß verfrüht wird.