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Nockenventilsteuerung, insbesondere für Lokomotiven Die Erfindung
betrifft eine Nockenventilsteuerung, bei der die Dauer der Ventileröffnung verändert
werden kann, indem das Ventil an einer festgesetzten Stelle des Diagramms öffnet
und der Zeitpunkt des Schließens veränderbar ist. Ferner kann auch das Öffnen des
Ventils bei einem festgesetzten Zeitpunkt für das Schließen oder sowohl der öffnungs-
als auch der Schließzeitpunkt verändert «-erden. Ferner kann bei der Erfindung auch
die Maschine umgesteuert werden.
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Gemäß der Erfindung wird der Ventilantriebsnocken durch einen zweiten
umlaufenden Nocken mittels einer Hebelvorrichtung, die mit einem einstellbaren Drehpunkt
versehen ist, in schwingende Bewegung gebracht. Die Dauer der Ventileröffnung wird
durch geeignete Einstellung des Hebeldrehpunktes verändert.
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Bei der gebräuchlichsten Bauart werden die beiden Nocken und der Hebel
so entworfen, daß die Einstellung des Drehpunktes eine Veränderung der- Dauer der
Ventileröffnung bewirkt, während der Zeitpunkt der Ventileröffnung gleichbleibt.
Die Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt; darin sind Fig. i
bis 5 schematische Darstellungen, die den Grundgedanken erläutern, auf welchem die
Erfindung beruht, Fig.6 bis 9 ein praktisches Beispiel der Steuerung gemäß der Erfindung;
Fig. 6 ist ein Achsenschnitt, Fig. 7 und 8 Querschnitte nach der Linie VII-VII der
Fig. 6 und- ein Stück des Querschnittes nach der Linie VIII-VIII der Fig. 6, und
Fig. 9 ist die Darstellung einer Einzelheit.
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Fig. io ist eine Einzeldarstellung in abgeändeter Form.
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Fig. i i ist eine weitere Abänderun.gsform der Erfindung.
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Bei der Einlaßsteuerung nach Fig. i bis 5 ist der umlaufende Nocken
mit i bezeichnet, die Hebelvorrichtung mit 2a und ab und der das Ventil antreibende
Nocken mit 3.
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Der Nocken i ist auf einer Nockenwelle .I befestigt, die beispielsweise
mit der halben Geschwindigkeit der Kurbelwelle der Maschine umläuft. Der Nocken
i ist mit doppelten Flächen von solcher Gestalt versehen, daß sie ungefähr gleichbleibende
Geschwindigkeit
liefern. Die Hebelvorrichtung weist drei starr miteinander
verbundene Hebelarme 2a, 2a und 2U mit dem Drehpunkt 5 auf. Der Arm 2U reicht durch
die Mittellinie der Welle bei der Mittellage der Hebelvorrichtung. Die Arme 2a haben
beide je eine Rolle 6, die an der Fläche des Nockens i entlangläuft. Der Arm 2v
hat einen Stein oder ein Gleitstück 7, das in einen radialen Führungsschlitz ä des
Ventilantriebsnockens 3 greift. Der Nocken 3 ist gleichachsig zum Nocken i angeordnet
und mit Bezug auf diesen im Drehwinkel frei beweglich. Der Nocken 3 hat eine kreisbogenförmige
Fläche i von großem Halbmesser und eine kreisbogenförmige Fläche s von kleinem Halbmesser.
Der Unterschied zwischen diesen Halbmessern ist ein wenig größer als der Hub des
mit 9 bezeichneten Ventils. Die Flächen s und i, die je ungefähr um den halben Umfang
des Nockens 3 herumreichen, gehen ineinander mittels geeigneter Schrägflächen und
Kurvenflächen über, so daß sie eine allmähliche Eröffnung und Schließung des Ventils
9 liefern. Die Ventilspindel. des Ventils 9 liegt mit der Rolle io am Nocken 3.
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Den Hebeldrehpunkt 5 kann man längs eines um die Welle 4 geschlagenen
Kreisbogens a verstellen.
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Pfeile zeigen die Drehrichtung, und die Geradeteilung gibt die Lage
des Nockens i und des Drehpunktes 5 mit Bezug auf die Lagen der Kurbelwelle an.
Es ist ersichtlich, daß bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle der Nocken i sich um
ißo° bewegt und daß während dieser Bewegung dem Hebel 2a, 2a, 2v und auch dem Nocken
3 je eine vollständige Ausschwingung erteilt wird, mit denn Ergebnis, daß das Ventil
9 in Übereinstimmung mit der Einstellung des Drehpunktes 5 geöffnet und geschlossen
wird.
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Bei Fig. i und 2 ist der Drehpunkt 5 in einer Lage dargestellt, die
ungefähr 9o° auf der zur Kurbelwellendrehung gehörigen Teilung beträgt (obgleich
bei der wirklichen Ausführung der Drehpunkt unter ungefähr 45' entgegen dem Uhrzeiger
gegenüber seiner mittleren Lage, d. h. gegenüber der mit o° bezeichneten Lage eingestellt
ist). Bei dieser Einstellung laufen die Kurbelwelle und die Nockenwelle entgegen
dem Uhrzeiger um.
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In Fig. i ist das Ventil gerade noch offen, wenn die Kurbelwelle sich
in der Totlage befindet, und es erhellt, daß das Ventil sich rasch schließt, wenn
die Kurbelwelle sich aus der Lage der Fig. i heraus weiterdreht; denn wegen der
Bewegung, die dem Nocken 3 von der Hebelvorrichtung 2a, 2a, 2v erteilt wird, gelangt
die Fläche s nahezu sofort der Rolle .to gegenüber. Fig. 2 läßt erkennen, wie die
Teile liegen, wenn die Kurbelwelle sich um go° gedreht hat. Das Ventil
9 ist nunmehr vollständig geschlossen und ist offensichtlich während des
größten Teiles der Drehung um go° geschlossen gewesen.
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Behufs Vergrößerung der Öffnungsdauer des Ventils 9 muß der Drehpunkt
5 weiter in der Richtung verstellt werden, in der die Welle 4 umläuft (nämlich entgegen
dem Uhrzeiger). Wie aus den Fig. 3 bis 5 ersichtlich ist, ist der Drehpunkts um
ungefähr 67,5° aus der Mittellage bis in die Lage verstellt, die auf der zur Kurbelwelle
gehörigen Teilung mit i35° bezeichnet ist. Das Ergebnis dieser Verstellung ist,
daß die Öffnungszeit des Ventils 9 die nämliche ist wie bei der in den Fig. i und
2 gezeichneten Einstellung und daß das Schließen des Ventils 9 aufgeschoben wird,
bis die Kurbelwelle sich in der aus Fig. 5 ersichtlichen Weise um go° bewegt hat.
Fig. 4 veranschaulicht eine Zwischenlage, bei welcher das Ventil 9 voll offen ist.
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Das oben beschriebene Ergebnis der weiteren Verstellung des Drehpunktes
5 umfaßt die folgenden zweifachen Wirkungen: i. Die Einwirkung des Nockens i auf
den Hebel ist aufgehoben.
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2. Der Hebel ist um einen Winkel gedreht. Die Wirkung 2. ihrerseits
umfaßt zwei Wirkungen, nämlich: a) Ein großer Teil der Nockenfläche i kann zum Angreifen
an der Rolle io gebracht werden, d. h. die Ausdehnung der wirksamen Bewegungsstrecke
des Nockens 3 ist vergrößert.
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b) Der Nocken 3 wird so gedreht, daß die Fläche i mit Bezug auf die
Rolle io vorrückt. Nun sind bei dem unter Betrachtung stehenden Beispiel die Wirkungen
i. und b) so eingerichtet, daß sie einander ausgleichen. Dies ist möglich, weil
i. eine Aufschubwirkung, hingegen b) eine Voreilwirkung ist. Infolgedessen findet
das Öffnen des Einlaßventils an der nämlichen Stelle bei beliebiger Absperrung statt.
Mit andern Worten: Die Ladung ist gleichbleibend. Wird es jedoch für erwünscht gehalten,
die Stelle des Offnens ein wenig zu verändern, z. B. durch Heruntersetzen der Füllung
bei Vollbetrieb, um ein leichtes Anlassen zu verbürgen, so kann dies beim Entwerfen
des Getriebes dadurch herbeigeführt werden, daß der Umriß des umlaufenden Nockens
abgeändert wird.
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Die Umsteuerung wird dadurch herbeigeführt, daß der Drehpunkt 5 im
Uhrzeigersinn um 45' oder mehr aus seiner Mittellage verstellt wird, z. B. durch
Einstellen in die nämliche Lage wie' in den Fig. z und 2 oder in den Fig. 3 bis
5, jedoch im entgegengesetzten Sinne. Es wird dann das entgegengesetzte Ende der
Nockenfläche i wirksam.
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Durch die dreiarmige Hebelanordnung nach Fig. i bis 5 erübrigt sich
eine Feder, um den Hebel an den umlaufenden Nocken zu drükken.
Es
hat sich herausgestellt, daß bei doppelflächigen Nocken mit Flächen gleichbleibender
Geschwindigkeit beide Rollen 6 mit dem Nocken nahezu in Berührung bleiben, wenn
sie unter 9o° zueinander mit Bezug auf die Nockenmittellinie liegen. Selbst wenn
sie nicht diese Lage einnehmen, ist dies unwichtig, solange beide in Berührung stehen,
wenn die eine auf dem Scheitel und die andere auf der niedrigsten Stelle des Profils
sich befinden; denn dann übernimmt der eine Arm 2a die Aufgabe, den Hebel in der
einen Richtung zu verschwenken, und der andere Arm 211 übernimmt die Aufgabe des
Zurückschwenkens.
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Sollen beide Rollen während eines gesamten Kreisvorganges in Berührung
gehalten werden, so läßt sich dies dadurch erreichen, daß die Arme 211 gegeneinander
versetzt und auf der nämlichen Mittellinie nebeneinander zwei umlaufende Nocken
mit ein wenig verschiedenen Profilen vorgesehen werden. Dann läuft die eine Rolle
6 am einen von diesen Nocken an und die andere Rolle 6 am andern Nocken. Diese Anordnung
hat einen weiteren Vorteil im Fall einer doppeltwirkenden Maschine.
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Bei einer solchen würden zwei Hebel benötigt werden. Diese Hebel würden
je eines der beiden Einlaßventile steuern, indem jeder Hebel durch Vermittlung seines
eigenen Schwingnockens wirkt, und die Drehpunkte der Hebel würden unter 9o° zueinander
mit Bezug auf die Nockenmittellinie, d. h. unter i8o° mit Bezug auf die Kurbelwellendrehung.
angeordnet sein. Würde für jedes Ventil ein dreiarmiger Hebel mit Rollen in der
nämlichen Ebene verwendet, so würden die Rollen beisammenliegender Arme zusammenfallen,
was undurchführbar sein würde. Ein Weg zur Beseitigung dieser Schwierigkeit ist
der, daß die oben beschriebene Anordnung gewählt wird, zu der gegeneinander versetzte
Hebelarme und zwei umlaufende Nocken gehören. Ein anderer Weg ist,- daß für je zwei
beisammenliegende Arme nur eine Rolle benutzt wird, wobei Verschiedenheiten in den
Bahnen der Arme durch Schlitze im einen oder in beiden von den beisammenliegenden
Armen zugelassen werden, oder durch die Rolle tragende kurze Lenker oder auf irgendeine
sonstige Art.
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Beispielsweise ist in den Fig. 6 bis 9 eine Ventilsteuerung für eine
doppeltwirkende Lokomotivdampfmaschine dargestellt mit zwei Eimaß- und zwei Auslaßv
entilen.
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Die Einlaßventile werden von drei Nocken gesteuert, nämlich einem
umlaufenden Nocken i i und zwei Schwingnocken i2 und 13. Die die Nocken i i und
12 untereinander verbindende Hebelvorrichtung enthält einen auf eine Schwingwelle
15 gekeilten Arm 14; auf die Welle 15 ist ein zweiter Arm 16 gekeilt. Der Arm 14
ist mit einer Rolle 17 versehen, die in der Weise wirkt, daß sie am Nocken i i anliegt.
Der Arm 16 trägt am Ende einen Stein 18, der verschiebbar in einem radialen Schlitz
i9 des Nockens 12 angeordnet ist. Die Teile 18 und i9 bilden somit eine Schlitzführung
zwischen dem Arm io und dem Nokken i2. Den Anlaufteil des Nockens 12 bildet eine
auf einem Ventilstößel 21 gelagerte Rolle 2o.
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Der Nocken i i ist auf eine Nockenwelle 22 gekeilt, die mit der halben
Geschwindigkeit der Maschine umläuft; der Nocken 13 ist auf einer Fortsetzung 23
der Welle 22 drehbar gelagert. Am einen Ende läuft die Welle 22 in einer Lagerbüchse
24, die ihrerseits in einer das Getriebegehäuse bildenden Hülse -25 angebracht ist.
In der Nähe ihres andern Endes wird die Welle 22 von einer Muffe 26 getragen, die
ihrerseits durch eine Stehwand 27 abgestützt ist, welche einen Bestandteil des Getriebegehäuses
25 bildet. Der Nocken i2 ist drehbar auf einem gleichachsig zur Welle 22 angeordneten
Wellenstummel 28 gelagert und wird von einer Muffe 29 getragen, die ihrerseits durch
eine einen Bestandteil des Getriebegehäuses 25 bildende Stehwand 30 abgestützt ist.
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Die Welle 15 ist drehbar zwischen zwei durch Gegengewicht ausgeglichenen
Armen 31 und 32 gelagert, wovon der Arm 31 mit der Muffe 26 und der Arm 32 mit der
Muffe 29 in einem Stück angefertigt ist.. Die Arme 31, 32 tragen eine andere Stützwelle
33, die in gleicher Art wie die Welle 15 gelagert ist und zwei aufgekeilte Arme
34 und 35 hat. Der Arm 34 trägt am Ende eine Rolle 36, die als ein zweiter Anlaufkörper
des Nockens i i wirkt; hingegen trägt der Arm 35 am Ende einen Stein 37, der in
einem radialen Schlitz 38 des Nockens 13 verschiebbar angeordnet ist. Den Anlaufkörper
des Nockens 13 bildet eine Rolle 39 eines Ventilstößels 4o, der unter 9o° gegen
den Stößel 21 versetzt ist.
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Die Stößel 21 und 4o dienen dazu, die beiden Einlaßventile anzutreiben.
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Außerdem ist die Stützwelle 33 mit einem Arm 41 versehen, der mit
dem Arm 34 in einem Stück angefertigt ist. Im freien Ende des Armes 41 ist verschiebbar
ein Druckbolzen 42 angeordnet, den eine Feder 43 gegen das freie Ende des Armes
14 drückt und die Rollen 17 und 36 in dichter Berührung mit dem Nocken i i hält.
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Der Bolzen 42 ist mit einem teilweise zylindrischen Kopf hergestellt,
der sich mit einem Einschnitt der Rolle 17 anschmiegt, und das freie Ende des Armes
14 ist bei 14a so gestaltet, daß der Bolzen 42 mit dieser
Stelle
in rollende Berührung tritt. Wird die Gestalt der Fläche 41" näherungsweise im Hinblick
auf die Gestalt des Kopfes des Bolzens 42 entworfen, so kann die Anordnung so getroffen
sein, daß der Bolzen 42 starr mit dem Arm 41 verbunden arid demgemäß die Feder 43
weggelassen ist.
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Die Arme 31 und 32 bilden zusammen mit den Stützwellen 15 und 33 ein
starres Gesamtgebilde, dessen Starrheit durch zwei querlaufende Stehbolzen 44 verbürgt
wird.
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Um in der oben mit Bezug auf die Fig. i bis 5 beschriebenen Weise
die Lage der Drehpunkte der Hebelvorrichtungen einzustellen, wird im Führerstand
eine Welle 45 gedreht, eine auf diese Welle gekeilte Schnecke 46a kämmt mit einem
Schneckenrad 4& auf einer Gegenwelle 47, die ein aufgekeiltes `Ritzel 48 trägt,
das mit einem auf die Muffe 26 gekeilten, teilweise verzahnten Rad 49 kämmt. Dadurch
können die Arme 31, 32 und demgemäß auch beide Stützwellen t 5 und 33 proportional
im Winkel verstellt werden. Eine solche Einstellung hat auf die Steuerung der Einlaßventile
genau den nämlichen Einfluß, wie oben in Fig. i bis 5 beschrieben ist.
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Für die Steuerung der zwei Auslaßventile weist das Getriebe einen
Auslaßventilsteuerungsnocken 5o auf, von dem die Bewegungen über Rollen 51 und 53
auf Stößel 52 und 54 und die zugehörigen Auslaßventile übertragen werden.
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Bei Umsteuerung der Maschine, wenn die Hebelstützwellen 15, 33 verstellt
werden, kann die zeitliche Wirkung des Nockens 5o dadurch geändert werden, daß eine
Muffe 55 auf ihrer Außenfläche mit schraubenförmigen Führungsleisten 56, die von
entsprechenden auf dem Nocken 5o befindlichen Führungsleisten erfaßt werden und
auf ihrer Innenfläche ebenfalls mit Führungsleisten versehen ist, die zwischen Führungsleisten
der Nockenwelle 22 greifen. Die Führungsleisten 56 und 57 sind mit gegensinniger
Steigung hergestellt. Die Muffe 55 ist mit einem Glied 58 unverschiebbar, aber drehbar
verbunden. Das Glied 58 hat zwei radiale Fortsatzstangen 59, die an Drehung durch
Anschläge 6o gehindert sind, die je einen Bestandteil des Getriebegehäuses 25 bilden.
Das innere Ende jeder Fortsetzstange reicht in je einen in der Muffe 26 hergestellten
Kurvenschlitz 61. Die Gestalt dieser Schlitze 61 ist in Fig. 9 gezeichnet, die eine
Abwicklung eines Stückes der Muffe 26 darstellt.
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Werden die Arme 31, 32 um die Mittellinie der Nockenwelle verschwenkt,
um die Umsteuerung der Maschine zu liefern, so wird die Muffe 6 mit ihren Kurvenschlitzen
61 in gleicher Weise mitverschwenkt, so daß durch die Fortsatzstangen 59 das Glied
58 in der Längsrichtung der Welle 22 verschoben wird. Infolge dieser Längsverschiebung
wird die Muffe 55 teilweise durch den Nocken 5o hindurchgezogen, der vermöge der
beiden Leistenführungen im Drehwinkel mit Bezug auf die Nockenwelle 22 eingestellt
wird. Die Längsbewegung der Muffe 55 hat den Erfolg, daß der Auslaßnocken auf den
für den Lauf in der entgegengesetzten Richtung richtigen Winkel mit Bezug auf die
Nockenwelle eingestellt wird. Beim gezeichneten Beispiel ist die zeitliche Wirkungsweise
des Auslaßventils gleichbleibend; ihre Änderung kann durch Änderung der Gestalt
der Schlitze bewirkt werden; z. B. könnte die Tätigkeit des Auslaßnockens bei Volldampf
verzögert werden.
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Dadurch, daß zwei Sätze von Führungsleisten 56, 57 vorgesehen werden,
kann die Längsverschiebung der Muffe 55 kleiner sein, als wenn nur ein Satz vorhanden
wäre, und der Längsdruck der Führungsleisten wird über eine größere Fläche verteilt.
Indessen kann auch nur ein Satz von schraubenförmigen Führungsleisten vorgesehen
sein.
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Der in Fig. io veranschaulichte Teil ist ein Hebelarm 7o, der auf
eine Stützwelle, wie 15 oder 33 in den Fig. 6 und 7, gekeilt werden kann. Bei der
gezeichneten Ausführungsform ist der Arm 7o mit einem bogenförmigen Schlitz 71 und
mit einem Vorsprung 72 versehen. Diese Ausführungsform des Armes könnte als ein
Verbindungsmittel zwischen der Abstützwelle und dem zugehörigen Ventilantriebsnocken
bei solchen Bauarten benutzt werden, bei denen die Nockenwelle 73 von einem Ende
des Getriebegehäuses bis zum andern ohne Unterbrechung hindurchreicht, wobei die
Ventilantriebsnocken frei drehbar auf dieser Welle oder auf mit ihr gleichachsigen
Haltern gelagert sind. Der Vorsprung 72 würde als ein Mittel zur Verbindung mit
dem Nocken dienen. Diese Bauform des Hebelarmes ist besonders bei vielzylindrigen
Maschinen von Nutzen.
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Der umlaufende Nocken braucht nicht zweihübig und'auf einer mit der
halben Geschwindigkeit der Kurbelwelle umlaufenden Welle angeordnet zu sein. Wenn
dies gewünscht wird, kann er so angeordnet werden, daß er mit der nämlichen Geschwindigkeit
umläuft; aber in diesem Fall darf, wenn gleichbleibende Eröffnung oder gleichbleibende
Schließung des zu steuernden Ventils gefordert wird, die Bahn, längs deren der Hebeldrehpunkt
sich bewegen kann, nicht ein von der Nockenwellenmitte aus geschlagener Bogen sein,
sondern sie maß irgendeine Kurve von der Beschaffenheit sein, daß die -Winkelbewegung
des Drehpunktes mit Bezug auf die Nockenwellenmitte den nämlichen Betrag in Kurbelwellengraden
ausmacht, wie die Winkelbewegung
des vierschwenkbaren Nockens infolge
der Verschiebung des Drehpunktes beträgt. Hat z. B. der schwenkbare Nocken einen
Ausschlag von 6o°, so entspricht jeder Grad des Nockenschwenkhebels ungefähr 3°
der Kurbelwellendrehung. Daher ist es notwendig, claß jede Drehbewegung des Drehpunktes
mit Bezug auf die Mittellinie der Nockenwelle nur ein Drittel einer solchen Winkelverstellung
des schwenkbaren Nockens herbeiführt. Dies kann näherungsweise dadurch erreicht
werden, daß der Mittelpunkt, von welchem aus der Bogen für die Drehpunktbahn geschlagen
wird, an die geeignete Stelle gesetzt wird. Es stellt sich heraus, daß diese sich
auf der von der Hauptlage des Drehpunktes abgewendeten Seite von der Nockenwellenmitte
befindet. Statt dessen kann eine besonders entworfene nichtbogenförmige Bahn benutzt
werden, falls es sich als schwierig erweist, nach dein obigen Verfahren eine genügend
genaue zeitliche Beziehung zu erhalten.
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Eine geeignete Anordnung, bei welcher die Nockenwelle 8o mit der nämlichen
Geschwindigkeit wie die Kurbelwelle der Maschine umläuft, ist in Fig. i i dargestellt.
Ein einhübiger Nocken 81 ist auf die Welle 8o gekeilt, und ein Ventilantriebsnocken
82 ist lose drehbar darauf gelagert. Eine als Anlaufkörper für den Nocken 82 wirkende
Rolle 83 wird von einem Ventilstößel 8.4 getragen. Die Hebelvorrichtung hat einen
kurzen Arm 85 und einen langen Arm 86, die beide auf einer Stützwelle 87 gelagert
sind. Bei dieser Bauart ist der Arm 86 an den Nocken 82 mittels eines Lenkers 88
angeschlossen. Der Arm 85 hat eine Rolle 89, die an den Nocken 81 von einer
lose auf der Welle 8o verankerten Feder gi herangezogen wird. Der Quadrantg3 ist
mit Zähnen 94 versehen, die von einer Klinke 95, Stein gi und Griff
96 erfaßt werden. Durch Lösen der Klinke 95 kann die Stützwelle 87
in j ede, gewollte Lage zwischen den mit gestrichelten Linien eingetragenen Grenzlagen
des Steines gi eingestellt werden.
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Die Krümmung des Schlitzes g2@ ist ein vom Mittelpunkt C aus geschlagener
Kreisbogen.
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Wird ein mit der Maschinengeschwindigkeit umlaufender Nocken für zwei
Ventile bei einer doppeltwirkenden Maschine verwendet, so liegen die Hebel zueinander
unter iSo°, statt wie bei der in den Fig. 6 bis 8 gezeichneten Bauart unter 9o°.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf eine gleichachsige
Anordnung des umlaufenden und des schwingenden Nockens beschränkt; diese Anordnung
ist zwar zweckmäßig, aber nicht wesentlich.