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Anordnung für Kolbenmaschinen mit tangential um einen Kreis angeordneten
Zylindern Die Erfindung bezieht sich auf Kolbenmaschinen mit tangential um einen
Kreis angeordneten Zylindern, deren Kolben mittels vorzugsweise an den Zylinderblock
angelenkter Pleuelstangen auf eine Führungsbahn arbeiten.
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Die Erfindung hat nun eine Anordnung zur Ausführung solcherFührungsbahnen
zum Gegenstand, aus der sich außerordentlich vorteilhafte mechanische und betriebliche
Verhältnisse für die auf Führungsbahnen arbeitenden Kolbenmaschinen ergeben. Es
wird dies dadurch erreicht, daß die Führungskurve unsymmetrisch aus den Hubwerten
eines symmetrischen Kolbenwegdiagramms abgeleitet ist.
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Es wird hierdurch in erster Linie bewirkt, daß die Winkelgeschwindigkeit
der sich ,drehenden Teile, also insbesondere der Maschinenwelle, ganz oder nahezu
konstant bleibt, so daß sich der Betrieb durch hohen Gleichförinigkeitsgrad und
überraschend ruhige, gleichmäßige Arbeitsweise auszeichnet, indem die erfindungsgemäße
Maßnahme sowohl die dynamischen Verhältnisse zwischen Bahn und Pleuelstangen als
auch die kinematischen Bedingungen für die das Drehmoment erfahrende Welle außerordentlich
günstig beeinflußt.
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Daraus ergibt sich aber auch eine erhebliche Verbesserung des Wirkungsgrades
und der mechanischen Beanspruchung der Maschinenteile. Durch die völlig oder nahezu
gleichmäßig, symmetrisch zu- und abnehmende Geschwindigkeit der Kolben zwischen
den Totpunkten wird einesteils die volle Ausnutzung der im Zylinder auftretenden
Energie gewährleistet, insofern sich der Kolben z. B. nicht mit zu großer Geschwindigkeit
dem oberen Totpunkt nähert, wie es bei unabhängig von einem symmetrischen Kolbenwegdiagramm
entworfenen Führungskurven der Fall ist und zur Folge hat, daß ein großer Teil der
Nutzenergie durch die Abdämpfung der kinetischen Kolbenenergie verlorengeht.
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Anderseits wird durch die Angleichung der Führungskurve an die symmetrisch
zu- und abnehmende Kolbengeschwindigkeit erreicht, daß zwischen Bahn und Pleuelstange
in jedem Augenblick des Arbeitsspiels eine ausgeglichene und konstante Berührung
besteht, die weder ein Abheben der Pleuelstangen, also ein Schleudern der Kolben,
noch einen übermäßigen Druck zwischen Pleuelstangen und Führungsbahn zuläßt und
damit einen schlag- und stoßfreien Gang der Maschine und denkbar gleichförmige Leistungsübertragung
sichert.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Führungsbahn ist für alle Arten
von auf Bahnen arbeitenden Kolbenmaschinen verwendbar, also für zentrische und exzentrische
Lage zwischen Bahn und Zylinderblock, für ruhende Bahn und umlaufenden Zylinderblock
oder umgekehrt. Ebenso lassen sich die Führungsbahnen als Zwei- oder Mehrwellenkurven
ausbilden, wobei in weiterer Ausbildung der Erfindung eine Verschiebung der Arbeitsphasen
für die
einzelnen Kolben dadurch erreicht werden kann, daß das Verhältnis
der Wellenzahl zur Zylinderzahl irrational ist, so daß ein Zusammenfallen gleicher
Arbeitsphasen vermieden wird.
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Die Gleichförmigkeit des Betriebes und der dabei auftretenden Beanspruchungen
wird namentlich bei umlaufendem Zylinderblock noch wesentlich erhöht, wenn man,
und dies bildet den weiteren Gegenstand der Erfindung, den Pleuelstangen, durch
deren konstante Größe die Form der Führungskurve ja mitbestimmt wird, eine bestimmte,
den jeweiligen Arbeitsverhältnissen entsprechende Lage gibt. Man kann dies vor allem
dadurch erreichen, daß die Bewegung der am Verbindungspunkt zwischen Pleuelstange
und Lenker angeordneten Rollenachse auf einem Kreisbogen erfolgt, dessen Sehne parallel
zur Zylinderachse und senkrecht zu der Symmetrieachse der von der Rollenachse beschriebenen
Bahn liegt.
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Bei Maschinen mit umlaufendem Zylinderblock und ruhender Führungsbahn
wird diese von der Rollenachse beschriebene Bahn dann vorteilhaft im Abstand von
und außerhalb der Zylinderachse angeordnet, so daß auf den Kolben wirksame, die
auftretenden Zentrifugalkräfte aufhebende Kräfte entstehen.
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Hierdurch werden vor allem die außerordentlich ungünstigen mechanischen
Druckbeanspruchungen zwischen Kolben- und Zylinderwand vermieden, die einen erheblichen
Teil der Maschinenleistung verzehren und zu einem schnellen Verschleiß der Teile
führen.
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Da anderseits bei den Maschinen, die ruhenden Zylinderblock und umlaufende
Führungsbahn aufweisen, in den Kolben keine Zentrifugalkräfte auftreten, wird hier
die Anordnung vorzugsweise so getroffen, daß die von der Rollenachse beschriebene
Bahn die Zylinderachse überdeckt oder überschneidet, so daß sich also die im Betrieb
auftretende Pleuelstangenauslenkung gleichmäßig zu beiden Seiten der Zylinderachse
verteilt.
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Zur Erläuterung der Erfindung dient die Zeichnung.
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Fig, i zeigt beispielsweise teils in Ansicht, teils im Schnitt eine
Kolbenmaschine mit z. B. drei tangential um einen Kreis angeordneten Zylindern ii,
i2, 13, deren Kolben 1q.; 1j, i6 mittels der durch die Lenker 2o, 21, 22 am Zylinderblock
angelenkten Pleuelstangen 17, 18, ig auf die Führungsbahn 3o arbeiten, indem sie
beispielsweise an ihren freien Enden mit Rollgliedern 27, 28, 29 versehen sind.
Zylinderblock und Führungsbahn sind bei diesem Beispiel zentrisch zueinander angeordnet.
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Gemäß der Erfindung ist nun die Führungsbahn 3o, die im vorliegenden
Falle als Zweiwellenkurve, d. h. also für zweimaliges Arbeitsspiel jedes Kolbens
während einer Umdrehung von 36o' ausgebildet ist, so entworfen, daß sie unsymmetrisch
aus den Hubwerten eines symmetrischen Kolbenwegdiagramms abgeleitet ist.
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Fig. 3 veranschaulicht dies für den Entwurf einer Zweiwellenkurve
unter Voraussetzung eines bestimmten Hubes h, einer Pleuelstangenlänge p und einer
Lenkerlänge k. Die zur Bestimmung der Führungskurven erforderlichen Hubwerte sind
aus dem im idealen Falle eine Sinuskurve darstellenden Kolbenwegdiagramm der Fig.
2 zu entnehmen, dessen größter Ordinatenwert, also der Hub li, um der Erfordernis
der Symmetrie zu genügen, in der Mitte der größten Abszisse liegt.
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Die aus Fig. 2 zu entnehmenden Hubwerte entsprechen einer zwischen
den Totpunkten gleichmäßig wachsenden und zurückgehenden, also symmetrischen Kolbengeschwindigkeit,
die durch die Führungsbahn der Fig. 3 bestimmten Kolbenwege müssen daher, sofern
eine konstante oder nahezu konstante Winkelgeschwindigkeit des rotierenden Zylinderblockes
erreicht werden soll, in j edem _ Punkt der Kurve den entsprechenden Werten- des
Kolbenwegdiagramms (Fig. 2) gleich sein.
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In Fig. 3 ist der Tangentialkreis der Zylinder und Kolben mit t bezeichnet.
Die aus Fig. 2 zu entnehmenden Kolbenwege liegen auf den Tangenten an diesen Kreis.
g ist der geometrische Ort der Befestigungspunkte für die Lenker k am Zylinderblock.
Ein Kolben möge beispielsweise auf der Tangente x im oberen Totpunkt y liegen, sein
Weg also = o sein. Dies würde dem Nullpunkt des Kolbenwegdiagramms der Fig.2 entsprechen.
Für die Stellung des Kolbens auf der Tangente x ergibt sich der geometrische Ort
des freien Pleuelstangenendes und damit der Führungskurve als Schnittpunkt des mit
der Pleuellänge P um den Punkt y der Tangente x geschlagenen Kreises und des mit
der Lenkerlänge k um den zugehörigen Punkt z auf dem Kreis g geschlagenen Kreises
als Punkt s.
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Hat sich nun beispielsweise der Zylinderblock um einen Winkel von
go ° gedreht, so hat der Kolben bei der Zweiwellenkurve einen Weg zurückgelegt,
der der Ordinate zum Abszissenpuäkt 18o', also dem Hub h im Kölbenwegdiagramm der
Fig. z entspricht. Auf der in - Frage kommenden Tangente x des Kreises t ist also
zunächst vom Kolbenausgangspunkt y (oberer Totpunkt) der Hubwert k abzutragen und
um den gewonnenen Punkt o mit dem Radius k ein Kreis zu schlagen, wobei sich dann
der gesuchte Kurvenpunkt s1 als Schnittpunkt dieses Kreises mit dem um den Lenkerpunkt
z1 des Kreises g mit dem Radius k geschlagenen Kreis ergibt.
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Dieses Verfahren, den geometrischen Ort des freien Pleuelstangenendes
für alle Stellungen des Kolbens zu bestimmen, ergibt also ohne
weiteres
den geometrischen Ort für alle Punkte der Führungskurve.
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Die eigenartige Gestaltung der auf diese Weise gefundenen, erfindungsgemäßen
Führungskurve ergibt sich anschaulich aus dem Vergleich mit der in Fig.3 gestrichelt
gezeichneten Kurve e, die dem gleichen Hub lt wie die erfindungsgemäße Kurve entspricht,
jedoch in der üblichen Art als symmetrische Ellipse gezeichnet ist. Der Vergleich
zeigt deutlich, daß die erfindungsgemäße Kurve zu jedem in den Mittelpunkt des Tangentialkreises
gelegten Koordinatenkreuz unsymmetrisch ist.
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Fig. 4. veranschaulicht ein Beispiel einer erfindungsgemäß ausgeführten
.Einwellenkurve bei eizentrischer Anordnung von Zylinderblock und Führungsbahn.
Der Entwurf ist wie in Fig. 3 durchgeführt, indem auf den den Zylinderachsen entsprechenden
Tangenten an den Kreis t vom oberen Totpunkt y aus die aus dem Diagramm der Fig.2
entnommenen Kolbemvege abgetragen sind, in diesem Beispiel derart, daß einer Zylinderblockdrehung
von 36o' ein Kolbenspiel, also gerade die Welle der Fig. 2 entspricht. Von den gefundenen
Punkten o und zugehörigen Lenkerschwenkpunkten z auf den Kreis g aus wird dann der
jeweilige Kurvenpunkt s bestimmt.
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Die in Fig. 3 und 4 dargestellte Bestimmung von Ein- und Ziveiwellenkurven
läßt sich in gleicher Weise für Drei-, Vier- oder Mehrwellenkurven anwenden, indem
die im Diagramm der Fig. 2 auf ein Kolbenspiel während einer Umdrehung von 36o°
bezogenen Hubwerte schon bei 18o °, 12o °, go ° usw. einmal durchlaufen sind, sich
also während 36o' zwei-, drei-, viermal usf. wiederholen.
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Die Fig.5 und 6 veranschaulichen Ausführungsbeispiele solcher Mehrwellenkurven,
und zwar die Fig. 5 eine Dreiwellenkurve 32, die Fig. 6 eine Vierwellenkurve 34.
Hierbei kann entweder die Zahl der Wellen oder Arbeitsspiele eines Umlaufs mit der
Zahl der auf die Kurve arbeitenden Kolben übereinstimmen oder von ihr abweichen.
So besteht der Zylinderblock in Fig. 5 aus vier Zylindern 35, 36, 37, 38, deren
Kolben auf die Dreiwellenkurve 32 arbeiten, während in Fig.6 der Vierwellenbahn
drei Kolben 40, 41, 42 zugeordnet sind. Ist das Verhältnis der Zylinderzahl zur
Wellenzahl irrational, so wird vermieden, daß die einzelnen Phasen eines Arbeitsspiels
für alle Kolben zeitlich zusammenfallen und so ein starker Ungleichförmigkeitsgrad
im Betriebe der Maschine vorhanden ist.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Führungskurve wird zunächst
erreicht, daß die Bewegung der Kolben unter günstigsten Bedingungen erfolgt. Der
Kolben nähert sich mit mäßiger Geschwindigkeit den Totpunkten, ohne z. B. bei Verbrennungsmaschinen
einen großen Teil der Explosionsenergie für seine Abbremsung zu verbrauchen; Schleudern
der Pleuelstangen oder ihrer Rollglieder auf der Führungskurve tritt nicht ein.
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Darüber hinaus läßt sich aber die ausgleichende, mechanisch und dynamisch
vorteilhafte Wirkung der erfindungsgemäßen Anordnung noch erheblich steigern, wenn
man durch geeignete Lage der die Pleuelstangenenden führenden und damit die Form
der Arbeitskurve mitbestimmenden Lenker schädliche Kräfte, insbesondere die Zentrifugalkräfte,
ganz oder wesentlich aufhebt oder ihre Schwankungen ausgleicht. Es wird gemäß der
Erfindung dadurch erreicht, daß die Bewegung der am Verbindungspunkt zwischen Pleuelstange
und Lenker angeordneten Rollen auf einem Kreisbogen erfolgt, dessen Sehne parallel
zur Zylinderachse und senkrecht zur Symmetrieachse der von der Rollenachse beschriebenen
Bahn liegt.
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Diese Maßnahme ist im besonderen dann sehr vorteilhaft, wenn es sich
um Maschinen mit ruhender Bahn und umlaufendem Zvlinderblock handelt, da hierbei
sehr erhebliche und in ihrer Größe dauernd schwankende Zentrifugalkräfte an den
sich bewegenden Kolben angreifen. Man kann, um diese Kräfte auszugleichen, vorteilhaft
so vorgehen, daß die von der Rollenachse beschriebene Bahn in einem Abstand von
und außerhalb der Zylinderachse angeordnet ist.
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Fig. 7 veranschaulicht diese Anordnung. Der im Zylinder 45 laufende
Kolben 46 arbeitet mittels der Pleuelstange 48 und der an ihr gelagerten Laufrolle
5o auf die Führungsbahn 51 und ist durch den Lenker 53 mit dem Zylinderblock 55
verbunden, derart, daß also der Schwenkpunkt 56 des Lenkers 53 auf der Symmetrieachse
57 der vom Pleuelstangenende beschriebenen Wegkurve 6o liegt.
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Bei Drehung des Zylinderblocks 55 entsteht, da für jede Maschine eine
normale Drehzahl festgelegt werden kann, eine an dem Kolben 46 wirksame Zentrifugalkraft
wobei m die Masse des bewegten Körpers, v seine Umfangsgeschwindigkeit und r den
Krümmungsradius der Kurve bedeutet, auf dem sich die Masse in bewegt.
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Der angenäherte Mittelwert der Zentrifugalkraft Z läßt sich aus den
beiden Grenzwerten bei Entfernung des Kolbens 46 vom Drehpunkt des Zylinderkörpers
55 im oberen und unteren Totpunkte annähernd errechnen.
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Indem nun gemäß der Erfindung die Wegkurve 6o, deren Sehne gleich
dem Kolbenhub 61 ist, nach außen auf die dem Schwenkpunkt 56 abgewandte Seite der
Zylinderachse 49 in einem
Abstand 6ä von dieser Achse gelegt wird,
wird die Pleuelstange 48 gegen die Zylinderachse 49 um einen bestimmten Winkel a
derart versetzt, daß eine gegen die Drehachse des Zylinderblocks 55 gerichtete,
der Zentrifugalkraft Z gleiche Komponente des in der Pleuelstange wirksamen Kolbendruckes
K wirksam wird, nämlich N=K-tga. Zentrifugalkraft Z und Seitendruck N heben sich
also auf, so daß bei umlaufendem Zylinderblock keinerlei Ungleichförmigkeit auftritt
und für Zylinder und Kolbenwandungen gleich schädliche seitliche Druckkräfte völlig
vermieden werden.
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Anders liegen die Verhältnisse bei Maschinen, bei denen der Zylinderblock
ruht und die Führungsbahn umläuft. Da hierbei auf Kolben und Zylinderwand wirksame
Zentrifugalkräfte nicht auftreten, wird die Anordnung vorzugsweise so getroffen,
daß die von der Rollenachse beschriebene Bahn um den Schwenkpunkt des Lenkers die
Symmetrieachse des Zylinders überdeckt oder überschneidet (vgl. Fig. 8). Wie aus
der Zeichnung zu ersehen ist, überschneidet die Wegkurve 65 des Pleuelstangenendes
66 die Symmetrieachse 68 des Zylinders 7o derart, daß sie gleichmäßig 67 zu beiden
Seiten der Symmetrieachse 68 liegt, so daß also das Maß der Pleuelstangenauslenkung
symmetrisch mit den Hubwerten des die Führungskurve erzeugenden symmetrischen Kolbenwegdiagramms
zu- und abnimmt.
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Die erfindungsgemäße Anordnung läßt sich den wechselnden Verhältnissen
und Bedingungen, wie sie bei auf Führungsbahnen arbeitenden Kolbenmaschinen auftreten,
leicht anpassen. Die Führungsbahnen können mittels Schablonen auf Drehbänken oder
mittels Kopierfräsmaschinen einfach und genau hergestellt werden und behalten ihre
genaue Form auch bei starker Ausnutzung der Maschinen bei, so daß durch die erfindungsgemäße
Ausgestaltung der Führungskurve starker Verschleiß einzelner Stellen vermieden wird.
Umgekehrt aber bewirken die erfindungsgemäß ausgeführten Bahnen einen ruhigen, weichen
Gang der Maschinen ohne Schlagen, Klopfen o. dgl. und ermöglichen hohen Wirkungsgrad
und leichte, in feinsten Grenzen abzustufende Regelbarkeit der Maschinen.
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Die Erfindung ist anwendbar bei Kolbenmaschinen aller Arten, Dampf-,
Verbrennungsmaschinen sowie bei solchen für Preßluft, Preßwasser o. dgl., sei es,
daß sie als Kraft-oder Arbeitsmaschinen arbeiten.