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Drehmomentmesser für Kolbenmaschinen. Es sind bereits Einrichtungen
zur Anzeige der Umfangskräfte von Kolbenmaschinen bekannt, bei denen die 'Messung
.der Druckgrößen an einem dem Kurbelgetriebe der Maschine kinematisch ähnlichen,
synchron l.aufen-,len Hilfskurbelgetriehe vorgenommen wird.
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Diese Einrichtungen. haben jedoch den schwerwiegenden Nachteil, daß
die Übertragung der gemessenen Umfangskraft auf ein Dvn.amometer sehr umständlich
ist, ein Nachteil, der lediglich eine Folge der Anwendung eines kinematisch ähnlichen
Kurbelgetriebes zur Aufnahme der Indikatorkräfte ist.
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Zur Umwandlung der Kolbenkräfte P in Umfangskräfte Pic, die dem Gesetze
Pu = P
sin a mit ziemlicher Annäherung folgen, wobei a .der zugehörige Kurbelwinkel
ist und die Annäherung .um so besser wird, je größer die Pl.euelstangenlänge im
Verhältnis zum Kurbelradius ist, wird nun in .der folgenden Erfindang
nicht
ein Kurbelgetriebe angewendet, sondern ein Getriebe, dessen Hauptteil in einem Pendelkörper
besteht. Dieser ist .um einen Zapfen drehbar gelagert, der an einer mit der Kurbelwelle
synchron laufenden Drehachse, und zwar senkrecht dazu, angebracht ist. Der Zapfen
muß wenigstens annähernd durch den Schwerpunkt des Pendelkörpers gehen, damit nicht
durch die Drehung unerwünschte Zusatzkräfte auftreten.
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Die Erfindung ist durch die Zeichnung an mehreren Ausführungsformen
beispielsweise veranschaulicht, und es stellt dar: Abb. i ein schematisches Bild
der bei ednezn Kurbeltrieb wirkenden Kräfte, Abb. 2 ein ebensolches Bild für eine
unendlich lange Pleuelstange (Kurbelschleifentrieb), Abb.3 einen schematischen Längsschnitt
durch eine Vorrichtung nach der Erfindung (in dem Augenblick, wo der Kurbelwinkel
-go° ist), Abb. 4 einen Längsschnitt durch,den Gegenstand der Abb. 3 in der Totpunktlage,
Abb.5 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform der Erfindung, Abb. 6
einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsforen der Erfindung, Abb.7 einen
Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsforen der Erfindung, Abb. 8 eine Vorderansicht
des Gegenstandes der Abb. 7 bei abgenommenem Deckel, Abb. g einen Längsschnitt durch
eine weitere Ausführungsform mit Schleppkurbelantrieb.
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_Aus der Abb. 2 ist zu ersehen, daß, wenn die Kolbenkraft mit P bezeichnet
wird, bei unendlicher Pleuelstangenlänge die Umfangskraft Pzt - P sin
a wäre, während bei endlicher Pleuelstangenlänge (Abb. i) Pu infolge der
Wikung der Stangenkraft S vor Hubmitte etwas größer, nach Hubmitte etwas kleiner
als P # sin v. ist. Diese Abweichung ist aber so gering, daß man sich in den meisten
Fällen mit der Anzeige Pzr. = P # sin a begnügen kann.
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Zur Aufnahme der Kräfte P ist gemäß der Erfindung ein Pendelk@.rper
vorgesehen, welcher bei dem Ausführungsbeispiel der AM. 3 und 4 die Form
einer Taumelscheibe i besitzt. Diese ist auf einer Welle 2 um zu dieser Welle senkrechte
Zapfen 3 schwenkbar gelagert. Die Welle 2 wird in beliebiger Weise, z. B. durch
Kegelräder 4 und 5 .und eine weitere Welle 6, von ,der Maschinenwelle synchron angetrieben,
und zwar so, daß die Totpunktlage der Maschinenkurbel mit der Totpunktlage der Taumelscheibe
(wie in Abb. 4 dargestellt) zusammenfällt. Die Kräfte P (Druckgrößen im Innern des
Zylinders) wirken auf .einen kleinen Kolben 7 und werden durch eine in diesem gelab
rte Rolle 8 auf die Taumelscheibe übertragen. Der Druck wird aufgenommen durch ;#in.e
mituznlaufende Feder g. Bei einer solchen Anordnung der Taumelscheibe gibt es eine
Stellung der Scheibe, bei welcher der Druck ,l,es Indikatorkolbens ; voll zur Wirkung
kommt ( Abb. 3), ebenso aber eine um go° versetzte Stellung (Abb. 4), bei welcher
.die vom Indikator auf die Taumelscheibe i ausgeübte Kraft kein Ausschwingen der
Taumelscheibe bewirkt. Diese Totpunktlage der Taumelscheibe muß mit der Totpunktlage
der Kurbel durch entsprechende Einstellung ,der zwang läufigen Übertragung .so in
Übereinstimmung geh racht werden, daß der Drehwinkel:d.er Welle :2 mit dein Kurbelwinkel
a der Kolbenmaschine ständig übereinstimmt. Eine absichtliche periodische Abweichung
von .diesem Grundsatz zur Beseitigung der Ungenauigkeiten des Verfahrens ist am
Schlusse der Beschreibung angegeben. In den Zwischenstellungen zwischen a - o° und
a = go° wird die auf die Taumelscheibe wirksame Kraft proportional sin a zunehmen,
so daß tatsächlich durch die Feder g nicht die Kolbenkraft P, sondern die allgenährte
Umfangskraft Pit - P sin a gemessen werden kann. Da die Federzusamanendrückung
proportional der auf sie wirkenden Kraft ist, so ist der Ausschlag der Taumelschei:be
ein einfacher Maßstab für die Größe von Pit.
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Wird nun auf der Welle 2 eine Trommel io (Abb.3) angebracht, auf welche
Indikatorpapier gespannt wird, so kann mit Hilfe eines Schreibstiftes i i ohne weiteres
die Umfangskr.aftPitoder, was nur maßstäblich verschieden ist, das. Drehmoment .aufgezeichnet
werden.
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Sind statt eines Arbeitskolbens der Kolbenmaschine mehrere, z. B.
zwei, vier oder sechs entsprechend versetzt arbeitende Arbeitskolben vorhanden,
so muß lediglich eine entsprechende Versetzung der Indikatorkolben stattfinden.
Die Indikatorkolben müssen dabei so über den Umfang des Gehäuses der Vorrichtung
verteilt sein, daß der Totpunktlage der Kurbel jedes Arbeitskolbens eine Null-Stellung
des Indikatorkolbens (Stellung nach Abb. 4) entspricht. Wirken so z. B. sechs Indikatorkolhen
auf eine Taumelscheibe, -so kann die gemeinsame Umfangskraft oder auch das gemeinsame
Drehmoment aufgezeichnet werden; es kann aber ebensogut, indem man fünf Indikatoren
ausschaltet, der sechste Zylinder allein untersucht werden, woraus sich der Drehmomentbeitrag
dieses Zylinders allein ergibt.
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Um nicht für jeden Indikatorkolben einen besonderen Rollenangriff
zu benötigen, ist bei der Ausführungsform nach Abb. 5 der Pendelkörper in einen
umlaufenden Teil 12 und einen nichtumlaufenden Teil, z. B, einen Ring i3,
zerlegt.
Der umlaufende Teil 12 wird in ähnlicher Weise, wie bereits beschrieben, von einer
Welle 14 angetrieben, auf welcher er mittels z"veier Zapfen schwenkbar gelagert
ist, während der Ring 13 durch ein beliebiges Mittel, z. B. einen in einem Längsschlitz
15 geführten Zapfen 16, an der Mitdrehung verhindert wird. Auf den Ring wirken Indikatorkolben
17 -und 18 mittels Druckstangen ig und 2o o. dgl. Eine Feder 21, welche sich
bei dieser Ausführung gegen die Welle 14 abstützt, dient zur Messung, und das Ausschwingen
des Teiles 12- wird durch beliebige Mittel, z. B. ein Kurvenstück 22, auf eine ynzei.gevorrichtung
23 übertragen.
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Die Indikatorkräfte brauchen nicht. wie bisher beschrieben, unmittelbar
mittels Kolben auf den Pendelk@rper zu wirken, sondern können auf diesen -auch aus
.größerer Entfernung mittels Zug oder Druckorgane (Stahlbänder, Drahtseile, Erucköl
u. dgl.) übertragen werden. Eine solche Anordnung ist in Abb. 6 veranschaulicht.
Ein Stahlband oder Drahtseil 24 ist mit einem Indikatorkolben (nicht gezeichnet)
am Zylinder verbunden und greift mit seinem :anderen Ende an einen Kopf 25 an. Das
Zugorgan wird dabei zweckmäßig über eine Leitrolle 26 geleitet und durch einen Führungskolben
27 geführt.
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Wie aus der Abb. 6 zu ersehen ist, wirken die Kräfte der Indikatorkolben
auf :den Pendelkörper nicht in dessen Achsrichtung, sondern senkrecht dazu. Zu diesem
Zweck ist an einem Pendelkörper 28 ein Zapfen 29 angebracht, durch welchen der Pendelkörper
bei Zug indem Stahlband 24uin die Drehzapfen 30 einer hohlen Welle 31 versch-,velikt
wird. Die Welle 31 wird mittels eines auf ihr sitzenden Zahnrades 32 synchron zur
Maschinenkurbel angetrieben. Die Übertragung des Ausschlages des Pendelkörpers auf
eine Meßvorrichtung 33 geschieht durch ein Stützglied 34 und eine Stange 35.
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Die Abb. 7 und 8 zeigen eine Einrichtung, bei welcher zwei miteinander
verbundene Massen 36 und 37 sich entgegen der Wirkung einer Feder 38 uln ihre Schwerpunktachse
39
und 40 :drehen können. Zugorgane 41 und 42 oder auch deren mehrere greifen
an einem beiden Massen gemeinsamen Kopf 43 .an und bewirken die Verdrehung der Massen.
Der Grad der Vendrehun.g wird durch eine Stange 44 auf e-ne -'v-el,vorrichtung übertragen.
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Beim normalen Kurbelantrieb einer Kraftmaschine wird durch Vermehrung
der Kolbenmassen oder Einfügung von Federn in den Kurbeltrieb nur der Verlauf .des
Drehmoments beeinfl:ußt, ohne .aber das mittlere Drehmoment oder die Leistung zu
ändern; bei Verbrennungsmotoren wird die Gleichf@zimigkeit durch Kolbenma,ssen.l;räfte
sogar meist günstig beeinllußt, indem die Spitzen der Ind.ikatorkurve iin Diagramm
vermindert «erden. In ähnlicher Weise werden auch die Massen längerer Indikatorgestänge,
wenn der Antrieb und die Übertragung nur vollkommen starr und ungedämpft erfolgt,
zwar den zeitlichen Verlauf des angezeigten Drehmoments beeinflussen, nicht aber
:die Höhe des mittleren Lrehmoments, da sie nicht -wie beim normalen Indikator frei,
sondern ähnlich wie beim Motor nur zwangläufig im Takte des Hauptkolbens schwingen
können.
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Die Versnehrung der Masse ;des Pendelkörpers wirkt wie die der Schw
ungradmasse auf der Kurbelweile, d. h. sie vermindert,den möglichen Anschlag. je
größer .das Trägheitsnic,inent des Pendelkörpers, desto geringer die Ausschläge
infolge der Ungleichförmigkeit.des Drehmoments, während der Ausschlag für das inittlereDrehmoment
lediglich durch dieFederkonstante derFeder bedingt ist. DieBewegung des Indikatorkolbens
wird um so kleiner, je steifer :die heder und je scawerer die Pendelkörpermasse
ist. Durch Übersetzung in der Anzeigevorrichtung kann sie aber wieder beliebig vergrößert
werden.
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In sehr vielen Fällen genügt es, statt des Verlaufes der Umfangskraft
ihren mittleren zeitlichen Wert festzustellen, der wiederum proportional dein mittleren
Kolbendruck im Indikatordiagramm ist. In diesem Fall genügt statt der Schreibvorrichtung
stets eine Anzeigevorrichtung, deren Zeigerschwankungen durch die obengenannten
oder sonstige bekannte Mittel in jedem gewünschten Maße vermindert werden kennen.
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Ferner besteht in vielen Fällen das Bedürfnis, bei .einer Mehrzylindermaschine
der Reihe nach den mittleren Druck der einzelnen Zylinder zu kontrollieren, der
seinerseits 'Wieder proportional dem Drehmomentbeitrag dieser Zylinder ist. Es ,genügt
dann, alle In-,dikatoren ass den gemeinsamen Apparat in ihrer richtigen Angriffsstellung
anzuschließen, aber nur einen nach dem andern :mit dem Arbeitszylinder, die übrigen
mit der Außenluft zu verbinden, was auch selbsttätig durch ein Nockengetriebe geschehen
kann. Ebenso können die Übertragungsorgane zwischen der Vorrichtung und den einzelnen
Indikatorzylindern abschaltbar gemacht werden, so daß stets nur die mittleren Drücke
der einzelnen Zylinder an entsprechenden Skalen nacheinander abgelesen werden.
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Nach der Erfindung ist noch eine besondere Vorrichtung vorgesehen,
welche dort anwendbar ist, wo nur die Umfangskräfte einer Kurbel (oder zweier gleichlaufender
Kurbeln) gesucht werden, und welche bestimmt ist, die Fehler, :die durch .die Vernachlässigung
der endlichen Pleuelstange entstehen (praktisch
bis 5 Prozent)
gänzlich zu beseitigen. Bei dieser Vorrichtung eilt die Pendelkörperachse, während
die Maschinenkurbel sich vor Mitte Hub befindet, etwas vor, um dadurch den Wert
P # sin a entsprechend zu vergrößern, und eilt nach, während die Maschinenkurbel
sich hinter Mitte Hub (vom Zylinder aas gesehen) bewegt. Ein periodischer Drehzahlumformer,
zwischen Maschinenkurbel und Pendelkörper eingeschaltet, kann .diese Anforderung
erfüllen. Das einfachste und genaueste Mittel hierfür sind Schleppkurbelgetriebe,
wie in Abb. 9 veranschaulicht.
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Die Achse A einer Schleppkurbel 4.5 läuft bi,--- synchron mit der
Maschinenkurbel um, -@-- bei dem Ausführungsbeispiel der Abb. 9 z. B. -durch exzentrische
Lagerung eines lse-,gelrades 46 bewirkt wird. Bei der gleichzeitigen Totpunktlage
von Maschinenkurbel, chleppkurbel 4.5 und Pendelkörperzapfen 47 ist hier die Scbleppkurbelachse
A um einen Betrag e in der Kurbelrichtung gegenüber der Pendelkörperachse
B verschoben. Ist r der
XIitnehmerradius der Schleppkurbel, so wird
beim @ erhältnis e/r = o, i beim normalv-n ILurbelbetrieb der Fehler der Anzeige
prakzisch verschwindend klein. Es ist selbstverständlich, daß nur der Pendelkörper,
nicht aber eine etwa angebrachte Schreibtrommel die periodischen Vor- und Nacheilungen
auszuführen hat, was durch geeignete Anordnung der Schleppkurbel 45 und :des Antriebs
der Vorrichtung leicht zu erreichen ist oder :durch Anordnung einer Pendelkörperwelle
4.8 zwischen zwei gleichen Schleppkurbeln 45 und 49 bewirkt wird. Mit letzterer
ist dann die Trommel 5o einer Sehreibvorrichtung ver-Kunden.