DE4439325A1 - Gleitende, gezielt gesteuerte (gestützt, geführte) Kurbel, kurz G-Kurbel und Anwendungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Kurbeltriebe, als den Teil der Kraftmaschinen womit lineare Kräfte in nutzbare Drehbewegung umgewandelt werden.

Den Stand der Technik, zeigt der Kurbeltrieb des Verbrennungsmotors, nach über hundertjähriger Entwicklung ausgereifte Kraftmaschine, hier in Stichworten auf die Merkmale bezogen, von denen sich die der Erfindung unterscheiden:

• - massive Kurbelwelle, konstanter Kurbelradius, konstantes Hub/Bohrungsverhältnis, konstantes Kurbelverhältnis;
• - symmetrischer Kurbelkreis, Symmetrie in den meisten Teilen und Bewegungsabläufen;
• - im Arbeitsspiel des Motors wirkt jede Kurbelwelle wie ein einfacher, gleicharmiger Hebel, weshalb für dessen Funktion eine positive Kräftedifferenz zwingende Voraussetzung ist;
• - nutzbare Leistung in einem relativ hohen Drehzahlbereich;
• - Wirkungsgrad (35-40%), bestimmt durch Leistungshaushalt (65-70%) Eigenverbrauch sind an den Grenzen des Möglichen angelangt, als direkte Folge des Weges der Entwicklung, - Leistungssteigerung durch Hubraumanstieg, Zylinderfüllung, Drehzahlsteigerung, also Verbrauch.

Die Folgen dieser Entwicklung sind bekannt.

Aufgabe und Problem der Erfindung ist die Verbesserung des Leistungshaushaltes, somit auch des Wirkungsgrades der Kraftmaschinen mit Kurbeltrieb durch dessen grundlegende Veränderung.

Ansätze dieses Problem auf dem Weg dieser Erfindung zu lösen, habe ich keine festgestellt.

Die Lösung bietet die G-Kurbel, die Erfindung.

Dazu in kürzester Form, die theoretischen Grundlagen, anhand eines Versuches. Versuchsanordnung: eine Drehachse, daran ein Gleitlager, darin ein gleitender Hebel (L=40 cm), an dessen Enden zwei gleiche Gewichte (F1=F2=100 N), am linken Ende ein Meßgerät, das hält den Hebel im Gleichgewicht und mißt die dazu nötige Kraft. Aus dem Gleichgewicht gleitet der Hebel nach rechts, dabei wird in Abständen von je 2 cm gemessen. Auswertung; konstante, gemessene und berechnete Werte in der Tabelle.

Schlußfolgerungen: Die Hebelgesetze sind bekannt, sowie daß der Hebel ein Kraftwandler ist. Der Gleitbereich bestimmt die Entwicklung der Kraftarmverhältnisse, dadurch unmittelbar die Entwicklung der Kräfte, der Drehmomente und deren Differenzen. Der gleitende Hebel erzeugt aus gleichen Kräften eine nutzbare Drehmomentdifferenz. Die Entwicklung der Drehmomente und Differenzen zeigt eindeutig, daß der gleitende Hebel auf eigene Art, trotz der konstanten Summe (M1+M2), auch ein Drehmomentwandler ist. Wiederholt man den Versuch mit einer positiven Kräftedifferenz, kommen Argumente dafür hinzu. Der gleitende Hebel ist somit das einfachste physikalisch-technische Gerät das zwei bisher unvereinbare Eigenschaften vereinigt: Er ist gleichzeitig Kraftwandler und Drehmomentwandler. Q.e.d. (Abb. 1).

Die G-Kurbel bewahrt Eigenschaften, Merkmale und Wirkung des gleitenden Hebels in der Drehung den spezifischen Bedingungen angepaßt, zum Beispiel im Kurbeltrieb.

Die Wirkung der G-Kurbel, anhand einer unkonventionellen Kraftmaschine, auf bekannte Kennzahlen, zeigt Abb. 2. Daten: Bohrung 11,28 cm, Kolbenfläche 100 cm, Hub 12 cm (verändert sich), Pleuelstange 23,0 cm, zwei Zylinder, Reihe, die Kurbeln im Winkel von 180°versetzt, die Mitte der Drehachse zur Mitte des Kurbelkreises um 2 cm versetzt, Gleitbereich 4 cm = 1/3 der Kurbellänge, der herkömmliche Zylinderkopf ersetzt durch einen abgerundeten Deckel, in diesen führt ein Rohr ein regelbares Druckmittel (Gas, Luft, Flüssigkeit, Öl) von 1-50 bar. Es ist ein Motor für Versuchszwecke, deshalb reichen als Nebentriebe die Ölpumpe (Schmierung) und der Starter. Die Kennzahlen sind jeweils auf drei Kurbelstellungen bezogen, wie folgt:

• a) In den Totpunkten sind die Kraftarme gleich.
• b) Im Arbeitstakt maximale Kraftarmlänge, wo der Kurbel- und Pleuelstangenwinkel zusammen 90° ergeben.
• c) Im Rückführtakt kleinste Kraftarmlänge, wo Kurbel- und Pleuelstangenwinkel zusammen 90° ergeben.

Hub/Bohrungsverhältnis K=S/D, wobei S=2r;

• a) K = 12,0/11,28 = 1,064 quadrathubig,
• b) K = 16,0/11,28 = 1,418 langhubig,
• c) K = 8,0/11,28 = 0,709 kurzhubig.

Kurbelverhältnis l/r;

• a) 23,0/6,0 = 3,833 wie oben,
• b) 23,0/8,0 = 2,875 wie oben,
• c) 23,0 / 4,0 = 5,750 wie oben.

Das Kraftarmverhältnis ändert sich fließend, schwingend 7 von 1 bis 2 und wieder zurück bis 1/2, weshalb auch die Werte der Kennzahlen sich ähnlich verhalten.

Gleiche Kolbenkräfte, eigentlich nur eine Kraft da keine Trennung im gemeinsamen Deckel vorgesehen, bewirken ein einfaches Zweitaktverfahren, mit dessen Vorteilen, so daß Arbeitstakt und Rückführtakt nur eine Drehung benötigen.

Die Wirkung der G-Kurbel auf die Tangentialkraft, deren Drehmomente und deren Differenzen, wurde am Beispiel der weiter oben genannten Daten berechnet. Bei einem Druck von 1 bar wirkt eine Kolbenkraft von 1000 N. Diese wirkt über die Pleuelstange auf das Kurbelgelenk und erzeugt hier eine sich verändernde Tangentialkraft, die mit dem veränderlichen Kraftarmverhältnis eine Differenz der Kräfte sowie der Drehmomente ergibt. Wesentlich sind die folgenden Mittelwerte:

• - Kräftedifferenz zwischen Rückführ- und Arbeitstakt bedingt durch das sich fließend verändernde, gleitende Kraftarmverhältnis +600 N = 60%.
• - Drehmomentdifferenz zwischen Arbeits-und Rückführtakt bedingt wie oben, + 30,0 Nm = 50%.

Da sich diese Mittelwerte proportional zur regelbaren Kolbenkraft verhalten, ergibt ein Druck von 50 bar eine Drehmomentdifferenz von 1500 Nm.

Gelten für den inneren Leistungsbedarf Erfahrungswerte, das wären 60-70% Eigenverbrauch, bleibt eine nutzbare Drehmomentdifferenz von 450-600 Nm. Schlußfolgerungen:

• - Im Arbeitstakt ein Leistungszuwachs;
• - Im Rückführtakt eine größere Kraft, - beide geeignet den Verbrauch ohne Leistungseinbuße, wesentlich zu senken.

Die nötigen Veränderungen, im Vergleich zum bekannten Kurbeltrieb, beschränken sich im Wesentlichen auf die Kurbelwelle und das Kurbelgehäuse.

Die Kurbelwelle ist nicht mehr massiv und besteht aus zwei (zueinander) beweglichen zusammengesetzten Teilen:

• 1) In der Drehachse, der Hauptlagerzapfen hat seitliche Gleitlager zur Aufnahme je eines Kurbelschenkels der benachbarten G-Kurbeln. Die Gleitlager sind im Winkel des jeweiligen Kurbelsterns versetzt. An den Enden der Welle befindet sich ein Gleitlager, jeweils innen. Hauptlagerzapfen sind nicht mehr durch Radialkräfte belastet und können deshalb anders, den Anforderungen entsprechend neu gestaltet und geformt werden.
• 2) Die G-Kurbel, komplex in der Wirkung, ist somit auch entsprechenden Belastungen ausgesetzt, besteht aus dem Kurbelgelenk und zwei parallelen Kurbelschenkeln. Die Kurbelschenkel gleiten jeweils bis zum Anschlag in beide Richtungen, in den parallelen Gleitlagern benachbarter Hauptlagerzapfen, entsprechend dem gewählten Gleitbereich. Die Enden der Kurbel übertragen die Radialkräfte auf die Führungs- und Steuerungsfläche, mit der sie abwechselnd in ständigem Kontakt sind. Deshalb sind an den Enden der Kurbel reibungsmindernde Gleitringe vorgesehen. Schmieröl unter Druck, kann relativ problemlos durch Nuten und Bohrungen an alle erforderlichen Stellen gebracht werden.

Ein Anschlagdämpfer, zwischen Kurbelschenkel und Gleitlager vorgesehen, wirkt gleichzeitig als Ölpumpe und versorgt rhythmisch und abwechselnd die stark belasteten Kurbelenden mit Schmieröl unter hohem Druck, das sogar bis zum Bolzen im Kolben weitergeleitet werden könnte.

Auf tragenden Querwänden des Kurbelgehäuses, unterhalb jeder Kurbelkröpfung, ist eine kreisförmige (konkave) Führungs- und Steuerungsfläche vorgesehen. Darauf stützen sich die Enden der Kurbel, abwechselnd, während der Drehung. Auf diese Fläche werden die Radialkräfte zum größten Teil übertragen und an die Grundlager geleitet.

Die obere Hälfte der Steuerungsfläche entspricht der Bahn der Kurbelenden und ist geteilt durch die Öffnung, in der sich die Pleuelstange bewegt. Der Durchmesser des Kreises der Steuerungsfläche, ist ungefähr doppelt so groß, als der Durchmesser des Kurbelkreises. Die Mitte der Drehachse ist zur Mitte des Kurbelkreises versetzt, um die Hälfte des Gleitbereichs. Dadurch entsteht ein asymetrischer und unregelmäßiger Kurbelkreis. Damit in der Totpunktlinie die Kraftarme gleich sind, muß zwischen der Z-Richtung und der Senkrechten ein bestimmter Neigungswinkel bestehen.

Im Beispiel, bei einem Gleitbereich von 1/3 S, ist dieser ungefähr 15 Grad. Bei Verbrennungsmotoren, mit ihren stark oszillierenden Kolbenkräften, könnten von der sichtbaren Regel abweichende Neigungswinkel sinnvoll sein.

Bei einer vollständigen Drehung, entsteht durch das Zusammenwirken der G-Kurbel mit der Steuerungsfläche, ein dynamisches und schwingendes Kraftarmverhältnis, mit den erwähnten Vorteilen für jeden Takt des Arbeitsspiels. Gleichzeitig wird die G-Kurbel zweimal um den jeweiligen Gleitbereich in dieselbe Richtung bewegt, wodurch schon im Leerlauf ein nutzbarer Schub entsteht.

Auswirkungen der G-Kurbel: Als die Wichtigste sehe ich, daß gleiche, konstante (und regelbare) Kolbenkräfte, die in vielen technologischen Prozessen anfallenden Energieverluste (Restwärme,Druck,usw.) eingeschlossen, noch genutzt werden können. Diese Kräfte lassen sich wesentlich wirtschaftlicher erzeugen, einfacher regeln und nutzen. Der nötige Aufwand für die G-Kurbel, ist nur ein Bruchteil dessen, was durch weniger und einfachere Nebentriebe und niedrigeren Verbrauch eingespart werden kann. In herkömmlichen Kraftmaschinen, ermöglicht die G-Kurbel eine wesentliche Senkung der Drehzahlen und des Verbrauchs, bei gleicher Leistung und einem besseren dynamischen Verhalten. Die Leistung des Tretantriebes kann verbessert werden. Hierfür genügt an einem Ende einer G-Kurbel eine Führungsvorrichtung und eine zur Mitte der Drehachse versetzte kreisförmige Steuerungsschiene. Mit kleinen Abwandlungen, spezifischen Bedingungen angepaßt, kann die G-Kurbel in jedem alten und neuen Kurbeltrieb eingesetzt werden. Die Grenzen für Anwendungen sehe ich beim vertretbaren Aufwand, da wo die Kosten/Nutzenrechnung noch stimmt.

Die Vorteile gegenüber dem Stand der Technik ergeben sich aus der Wirkung und den Eigenschaften der G-Kurbel, die in den Kurbeltrieb eingebracht werden. Einzeln, oder in Paaren, Kombinationen (K-Wellen), von G-Kurbeln, haben immer dieselben Wirkungen. Der Gleitbereich bestimmt ein dynamisches, schwingendes Kraftarmverhältnis, wodurch in jedem Takt des Arbeitsspiels der Kraftmaschinen mit Kurbeltrieb, die beschriebenen vorteilhaften Wirkungen entstehen. Dadurch daß ein G-Kurbeltrieb nicht auf Kolben, Zylinder und Pleuel angewiesen ist, um einen nutzbaren Drehmoment zu erzeugen, bieten sich Möglichkeiten für die Entwicklung neuer unkonventioneller Kraftmaschinen, die vielfältige Energieformen nutzen können.

Die Nachteile der G-Kurbel, wären: der technische Aufwand, zusätzliche Massenkräfte, teilweise deren Ausgleich und Reibung. Diese können aber, ohne Zweifel, mit den, durch den Stand der Technik, verfügbaren Mittel und Kenntnissen, weitgehend beherrscht werden.

Ausführungsbeispiel wäre zu der Beschreibung noch die folgenden Abbildungen:

Abb. 3 Hauptlagerzapfen mit Gleitlager im Querschnitt und seitlich betrachtet;

Abb. 4 G-Kurbel und Querschnitt;

Abb. 5 Kurbelwelle mit zwei im Winkel von 180 Grad versetzten G-Kurbeln, von oben betrachtet;

Abb. 6 Kurbelgehäuse mit Steuerungsfläche und zur Mitte des Kurbelkreises versetzter Drehachse.

Anschließend die Bezugszeichenliste.

Bezugszeichenliste

1. Bewegungsrichtung
2. Kräfte, Gegenkräfte
3. Drehachse
4. Gleitlager
5. Kurbelschenkel
6. Kurbelgelenk
7. Gleitringe, oder Rollen
8. Mitte der Drehachse
9. Mitte des Kurbelkreises oder der kreisförmigen Steuerungsfläche
10. Pleuelstange
11. Oberer Totpunkt
12. Unterer Totpunkt
13. Bohrungen für Schmieröl
14. Anschlagdämpfer, Nut
15. Anschlagdämpfer, Kolben
16. Kurbelgehäuse
17. Steuerungsfläche
18. Kurbelkreis
19. Kolbenbolzen
20. Totpunktlinie, Z-Richtung.

Claims (1)

1. Gleitende, gezielt gesteuerte (gestützt, geführte) Kurbel, kurz G-Kurbel und Anwendungen.
   Merkmale:

   • 1. Die G-Kurbel ist gleichzeitig Kraftwandler und Drehmomentwandler, wie der gleitende Hebel.
   • 2. In der Drehachse, die Hauptlagerzapfen haben seitliche Gleitlager, parallel und im Winkel des jeweiligen Kurbelsterns versetzt.
   • 3. In den Gleitlagern bewegen sich frei, jeweils bis zum Anschlag, die parallelen Schenkel benachbarter G-Kurbeln.
   • 4. Die G-Kurbel besteht aus zwei parallelen Schenkeln, vereint durch ein gemeinsames Kurbelgelenk.
   • 5. Auftragenden Querwänden, unterhalb jeder Kurbelkröpfung befindet sich eine kreisförmige, konkave Führungs- und Steuerungsfläche. Deren Mitte ist zur Mitte der Drehachse versetzt, wodurch ein relativer Gleitbereich bestimmt wird.
   • 6. Während der Drehung entsteht durch Zusammenwirken der Teile ein dynamisches, schwingendes Kraftarmverhältnis, das in jedem Takt des Arbeitsspiels Vorteile bringt.
   • 7. Auch aus gleichen, konstanten (oder regelbaren) Gegenkräften entstehen nutzbare Differenzen der Kräfte und Drehmomente.
   • 8. Mit geringfügigen Abwandlungen, kann die G-Kurbel in jedem Kurbeltrieb eingesetzt werden.
   • 9. Ziel und Zweck der Anwendungen der G-Kurbel ist die Senkung der Drehzahlen und des Verbrauchs, sowie die Nutzung alternativer Energieformen in Kraftmaschinen mit Kurbeltrieb.
   • 10. Im Tretantrieb ermöglicht die Anwendung der G-Kurbel in Paaren und Kombinationen (KW-ähnlich) eine Verbesserung der Tretmobile.