DE4412165A1 - Kurbelgetriebe zur Umwandlung von geradelinigen Hin- und Herbewegungen in Drehbewegungen und umgekehrt - Google Patents

Kurbelgetriebe zur Umwandlung von geradelinigen Hin- und Herbewegungen in Drehbewegungen und umgekehrt

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DE4412165A1
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00Other engines
    • F02B75/16Engines characterised by number of cylinders, e.g. single-cylinder engines
    • F02B75/18Multi-cylinder engines
    • F02B75/24Multi-cylinder engines with cylinders arranged oppositely relative to main shaft and of "flat" type
    • F02B75/246Multi-cylinder engines with cylinders arranged oppositely relative to main shaft and of "flat" type with only one crankshaft of the "pancake" type, e.g. pairs of connecting rods attached to common crankshaft bearing
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16HGEARING
    • F16H21/00Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides
    • F16H21/10Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides all movement being in, or parallel to, a single plane
    • F16H21/16Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides all movement being in, or parallel to, a single plane for interconverting rotary motion and reciprocating motion
    • F16H21/18Crank gearings; Eccentric gearings
    • F16H21/36Crank gearings; Eccentric gearings without swinging connecting-rod, e.g. with epicyclic parallel motion, slot-and-crank motion
    • F16H21/365Crank gearings; Eccentric gearings without swinging connecting-rod, e.g. with epicyclic parallel motion, slot-and-crank motion with planetary gearing having a ratio of 2:1 between sun gear and planet gear

Description

Das zu dem Stand der Technik gehörende Kurbelgetriebe zur Umwandlung von geradelinigen Hin- und Herbewegungen in Drehbewegungen und umgekehrt besteht aus einer an der Drehachse befestigten Kurbel, einer an der Kurbel gekoppelten Pleuelstange und einem in die Pleuelstange eingesetzten Bolzen, der das zu bewegende Teil in dem für die geradelinige Bewegung sorgenden Führungsflächen hin- und her bewegt.
Beispiel: Kurbelgetriebe in Verbrennungsmotoren
Eine Welle, die als Drehachse dient, und die an ihr befestigten Kurbeln bilden die Kurbelwelle des Motors. An diese Kurbelwelle sind Pleuelstangen gekoppelt, an die durch Bolzen Kolben des Motors gekoppelt sind. Die Wände der Zylinder dienen als Führungsflächen. Ohne sie würden die Kolben keine geradelinige Hin- und Herbewegung ausführen.
Die geradelinigen Bewegungen des Kolbens setzen sich aus den Kreis­ bewegungen der Kurbel und der Neigung der Pleuelstange zusammen. Die Stellung des Kolbens wird durch die Länge der Projektion der Kurbel und der Pleuelstange auf seine Bahnachse bestimmt. Die Funktion, Länge der Projektion der Kurbel von Länge der Kurbel, ist eine Sinusoide. Die Länge der Projektion der Pleuelstange unterscheidet sich von der Länge der Pleuelstange desto mehr, je größer ihr Neigungswinkel ist. Die modernen Motoren enthalten relativ kurze Pleuelstangen (z. B. Kurbel zu Pleuelstange = ungefähr 1 : 2), was den Neigungs­ winkel vergrößert. Diese Bewegungen ergeben eine stark nach oben hin zuge­ spitzte und nach unten hin abgeflachte sinusähnliche Kolbengang-Motorwellen­ drehung-Charakteristik. Das bedeutet, daß der Kolben sich im oberen Bereich des Zylinders relativ zu der Drehung der Kurbelwelle schneller als im unteren bewegt. Die Kolbenbeschleunigung beim Übergang durch den oberen Totpunkt ist wesentlich größer als die beim Übergang durch den unteren Totpunkt, was zusätzliche mechanische Überlastungen des Kurbelgetriebes verursacht und alle Teile belastbarer d. h. schwerer zu machen erfordert. Das übliche Kurbelgetriebe benötigt zur Umwandlung der Drehbewegungen in geradelinige Hin- und Her­ bewegungen Führungsflächen, die seitliche Kräfte auf sich nehmen.
Durch die Konstruktion des Kurbelgetriebes werden in Verbrennungsmotoren, Kolbenkompressoren, -pumpen u. ä. drei Arten von schädlichen Kräften erzeugt:
  • 1) Seitenkräfte, die durch auf den Kolben im Zylinder wirkenden Druck, der auf die in einem Winkel zu der Kolbenbahnachse stehende Pleuelstange über­ tragen wird, verursacht werden. Diese werden mit größerem Druck im Zylinder und größerem Winkel der Pleuelstange zu der Kolbenbahnachse auch größer.
  • 2) Seitenkräfte, die durch Trägheitskräfte der Pleuelstange bei ihrer Teildrehungen (Schwingungen) um die Kurbelwellenachse verursacht werden. Je schwerer die Pleuelstange und schneller die Drehbewegung, desto größer die Seitenkräfte.
Die in (1) und (2) beschriebenen Seitenkräfte wirken immer in dieselbe Richtung summieren sich dadurch, müssen durch die Zylinderwände ausgeglichen werden, was zu erhöhten Reibungskräften führt, wodurch ein Teil der Bewegungsenergie verloren geht, und verursachen den meisten Verschleiß von Kolben und Zylinder.
  • 3) Durch das ständige Wandern des Schwerpunktes der Pleuelstange um die Kurbelwellenachse, an der sie gekoppelt ist, ist es unmöglich die durch sie erzeugte variable Zentripetalkraft mit einem konstanten unbeweglichen an der Kurbelwelle befindlichen Gegengewicht vollständig auszugleichen.
Diese unausgeglichenen Zentripetalkräfte belasten die Lager der Kurbelwelle und verursachen das Vibrieren des ganzen Kurbelgetriebes und des Motors.
Die oben beschriebenen Seitenkräfte und unausgeglichenen Zentripetalkräfte schaffen u. a. eine obere Drehzahlgrenze und damit verbundene Leistungsgrenze des Motors.
Der im Schutzanspruch angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die oben beschriebenen Nachteile des üblichen Kurbelgetriebes zu beseitigen.
Dieses Problem wird durch folgende veränderte Konstruktion des Kurbelgetriebes gelöst:
Das Kurbelgetriebe besteht aus an der Drehachse 1 befestigten Kurbeln 2. An diese Kurbeln 2 wird eine Kurbelwelle 3 gekoppelt, deren Kurbeln genau so lang wie die an der Drehachse befestigten Kurbeln 2 sind. Rotationsrichtung der Kurbelwelle 3 ist der Rotationsrichtung der Kurbeln 2 entgegengesetzt. Das hat zur Folge, daß bei gleicher Winkeländerung der Kurbeln 2 und der Kurbelwelle 3, die Bewegungen der Kurbeln 2 und der Kurbelwellenachse 5 in der Ebene der Drehachse 1 und der Kurbelwellenachse 5 gleichgerichtet und gleich sind und ihre Verschiebungen sich summieren. In der dazu perpendikulären Ebene sind die Bewegungen der obengenannten Kurbeln gleich und entgegengerichtet. Dadurch kommt es zu keiner Verschiebung in dieser Ebene. Also bewegt sich das an der Kurbelwellenachse 5 durch ein Drehgelenk verbundenes zu bewegende Teil bei gleicher Winkeländerung der Kurbeln 2 und Kurbelwelle 3 auf einer geradelinigen Bahn, die in der Ebene der Drehachse 1 und der Kurbelwellenachs 5 liegt, was auch der Zweck der Erfindung ist.
Für die gleiche Winkeländerung der Kurbeln 2 und der Kurbelwelle 3 sorgt der Mechanismus 8, der viele verschiedene Ausführungen haben kann. Beispiele seiner Ausführungen sind unten aufgeführt.
Folgende Vorteile werden erreicht:
  • 1) Mechanischer Wirkungsgrad der Bewegungstransformation wird erhöht.
  • 2) Nutzungsdauer bis zu dem Grenzverschleiß wird wesentlich verlängert.
  • 3) Das Kurbelgetriebe funktioniert vibrationsfrei, weil durch die Beseitigung der Pleuelstange seine vollständige Auswuchtung ermöglicht wird.
  • 4) Es werden keine Führungsflächen für das zu bewegende Teil mehr benötigt, weil alle Seitenkräfte auf dieses entfallen.
  • 5) Schwerpunkt des zu bewegenden Teiles kann (durch Beseitigung der Pleuelstange) an die Drehachse 1 näher herankommen, was das Kurbelgetriebe enthaltendes System in der Richtung der geradelinigen Bewegung kompakter zu machen ermöglicht.
Für Verbrennungsmotoren, Kolbenkompressoren, -pumpen u. ä. bedeutet das folgendes:
  • 1) Die Konstruktion des Kolbens vereinfacht sich wesentlich und wird leichter.
  • 2) Mechanischer Wirkungsgrad des Motors bzw. Kompressors o. ä. wird erhöht, weil die Reibung zwischen dem Kolben und Zylinder wesentlich vermindert wird.
  • 3) Der Verschleiß von Kolben, Zylinder und Kurbelgetriebelagern wird wesentlich vermindert.
  • 4) Die bei hoher Drehzahl ruinierende Vibrationen werden durch vollständige Auswuchtung beseitigt.
  • 5) Die Kolbengang-Motorwelledrehung-Charakteristik ist eine Sinusoide, was die gleichmäßigeren Motorellenbelastungen erlaubt und die Konstruktion des Kurbelgetriebes zu erleichtern erlaubt.
Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele
Fig. 1 Die Drehachse 1 und die Kurbeln 2 bilden die Kurbelwelle des Motors. An sie ist die Kurbelwelle 3 gekoppelt, die andersrum als die Kurbeln 2 rotiert. An der Drehachse 5 der Kurbelwelle 3 sind durch ein Drehgelenk 6 und Stöcke die Kolben befestigt. Der Mechanismus 8 besteht aus zwei Zahnrädern. Das kleine Zahnrad hat äußere Verzahnung und ist an der Achse 4 befestigt, das große hat innere Verzahnung und ist im Gehäuse des Motors befestigt, sein Mittelpunkt stimmt mit der Drehachse 1 überein. Das Übersetzungsverhältnis der Zahnräder ist 1 : 2. Diese geometrische Anordnung hat zur Folge, daß die Winkelgeschwindigkeiten der Motorkurbelwelle und der Kurbelwelle 3 ständig gleich bleiben, wodurch die Achse 5 ausschließlich geradlinige Bewegungen ausführt. Im oberen und unteren Totpunkt stimmen die Richtungen der Kurbeln 2 und der Kurbeln der Kurbelwelle 3 überein und in dieser Ebene liegt auch die Bahn der Kolben. Beide Kurbelwellen sind mit symbolisch dargestellten Gegengewichten ausgewuchtet.
Fig. 2: In Fig. 2 wird eine andere Ausführung gezeigt, wo mehrere Kurbelwellen 3 mit Kurbeln 2 durch ein Zwischenteil 12 verbunden sind, das mehrere Kurbelwellen bzw. mehrere Kolben tragen kann, die sich auf ihren eigenen geradelinigen Bahnen bewegen (Sternmotor). Alle diese Bahnen schneiden sich auf der Motorwellenachse 1, was durch entsprechende Zahnstellung der Zahnräder erreicht wird. Hier wiederholt das Zwischenteil die Drehbewegungen der Achse 4 mittels Mechanismus 8 (er besteht hier aus Zahnrädern und zusätzlicher Kurbelwelle) ohne um seine eigene Achse zu rotieren, und zwar durch seine zusätzliche Kurbelwelle, die auch das Reaktionsmoment der Motorwelle aufnimmt und auf das Gehäuse 11 überträgt. Für ein Zwischenteil reichen zwei zusätzliche Kurbelwellen unabhängig von der Kolbenanzahl aus, die an ihm gekoppelt sind. Entgegengesetzte Drehrichtungen der Motorwelle und aller Kurbelwellen 3 werden hier durch die Zahnräder mit äußerer Verzahnung mit Übersetzungsverhältnis 1 : 1 erreicht. Alle Kurbelwellen sind mit Gegengewichten (9, 10) ausgewuchtet.

Claims (1)

  1. Kurbelgetriebe zur Umwandlung von geradelinigen Hin- und Herbewegungen in Drehbewegungen und umgekehrt, insbesondere für Verbrennungsmotoren, Kolbenkompressoren und Kolbenpumpen, gekennzeichnet dadurch, daß das Kurbelgetriebe aus an der Drehachse (1) befestigten Kurbeln (2), einer andersrum rotierenden Kurbelwelle (3), deren eine Achse (4) an diese Kurbeln (2) direkt oder indirekt gekoppelt ist und deren andere Achse (5) durch Drehgelenke (6) direkt oder indirekt mit den zu bewegenden Teilen (7) verbunden diese hin- und herbewegt, und einem Mechanismus (8), der dafür sorgt, daß die Kurbel­ wellenachse (5), die mit den zu bewegenden Teilen (7) verbunden ist, sich geradelinig bewegt, besteht.
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