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Maschine mit gegenläufigen, auf eine Kurbelwelle wirkenden Kolben,
bei denen das Querhaupt mit dem oberen Kolben durch einen Gelenkzapfen verbunden
ist Die Erfindung bezieht sich auf Maschinen mit gegenläufigen Kolben, z. B. Schiffsdieselmaschinen,
bei denen der obere Kolben mittels seiner starr mit ihm verbundenen Kolbenstange
ein Querhaupt trägt, an dessen Enden parallele Kurbelstangen angreifen. Obgleich
das Querhaupt bei dieser Anordnung theoretisch eine reine Parallelverschiebung erfährt,
also stets parallel zur Kurbelwelle und rechtwinklig zur Kolbenachse ver131eibt,
so hat man doch seit langem erkannt, daß praktisch unvermeidliche Formveränderungen.
imTriebwerk zu einer Schrägstellung des Querhauptes führen können, die bei starrer
Verbindung des Querhauptes mit der Kolbenstange Klemmungen des oberen Kolbens zur
Folge haben würden. Um solche Störungen zu vermeiden, ist man seit langem dazu übergegangen,
das Querhaupt mit dem oberen Kolben .durch einen Gelenkzapfen zu verbinden. Wenn
dann Unterschiede in den Abständen der Querhauptendpunkte von der Kurbelwellenachse
eintreten, etwa infolge ungleicher Abnutzung der Lagerschalen oder einseitiger Erwärmung
der Kurbelstangen, so kann sich das Querhaupt gegenüber dem Kolben schiefstellen.
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Es hat sich nun in jahrelangem und im ganzen durchaus befriedigendem
Betrieb dieser Maschinen gezeigt, daß die obere Zylinderlaufbahn einer größeren
Abnutzung unterliegt als die untere Zylinderlaufbahn, ohne daß die Ursache hierfür
erkannt worden wäre.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß diese Erscheinung
durch Drehschwingungen der Kurbelwelle sowie durch Torsion der Kurbelwelle unter
Vollast bedingt ist. Infolge dieser Formveränderung der Kurbelwelle entsteht eine
Phasendifferenz in der Aufundabbewegung der Enden des Querhauptes, und dieses erfährt
eine Schwingung um seinen Gelenkzapfen. Da die Frequenz dieser Schwingung der Drehzahl
der Kurbelwelle bzw. den höherfrequenten Drehschwingungen der. Kurbelwelle entspricht,
findet diese Schwingung des Querhauptes .auch im Augenblick der maximalen Kolbenkräfte
statt. Bei der bisher üblichen -Ausführung der Maschinen wurde aber aus später zu
erläuternden Gründen die Lagerfläche des Gelenkzapfens des Querhauptes nicht so
groß bemessen, daß das Querhaupt auch im Augenblick der maximalen Kolbenkräfte frei
schwingen konnte. In diesem Augenblick konnte daher ein Klemmen in den Lagerflächen
auftreten, durch das die Schwingungen auf den oberen Kolben übertragen wurden. Diese
Schwingungen waren zwar zu gering, um offenbare Betriebsstörungen
herbeizuführen,
weshalb sie auch bisher unbemerkt blieben, doch führten sie zu der erhöhten Abnutzung
der oberen Kolbenlaufbahn.
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Bei der bisher üblichen Bemessung, der Lagerfläche berücksichtigte
man lediglich solche Formveränderungen des Getriebes, die verhältnismäßig langsam
erfolgen, etwa infolge einseitiger Erwärmung der Kurbelstangen. Hierbei hat das
vorübergehende Klemmen in den Lagerflächen im Augenblick der maximalen Kolbenkräfte
keine Bedeutung, weil sich das Querhaupt in den Augenblicken der Lagerentlastung
der Formveränderung entsprechend schiefstellen kann und : dann seine Schräglage
beibehält. Man betrachtete also das Problem der freien Anpassungsmöglichkeit des
Querhauptes an Formveränderungen des Getriebes vom rein statischen Standpunkt aus
und sah daher keinen Anlaß, die Zapfenlagerflächen größer zu bemessen, als es mit
Rücksicht auf die Lebensdauer desLagers erforderlich war.
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Die vorliegende Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß das Problem
vom dynamischen Standpunkt aus betrachtet werden muß und besteht darin, daß eine
Übertragung der durch Drehschwingungen der Kurbelwelle verursachten Querhauptschwingungen
auf den oberen Kolben durch eine so .große Bemessung der Lagerfläche des Gelenkzapfens
vermieden wird, daß das Querhaupt im Augenblick der maximalen Kolbenkräfte frei
schwingen kann. Es ergibt sich dann im Augenblick der Höchstbelastung eine spezifische
Lagerpressung, welche nicht den Wert überschreitet, der für die oberen Pleuelstangenlager
der Maschine als zulässig gilt.
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Die Erfindung hat erstmalig ermöglicht, die Abnutzung der oberen Zylinderlaufbahn
soweit herabzusetzen, daß sie die Abnutzung der unteren Zylinderlaufbahn nicht mehr
übertrifft.
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Vorzugsweise ruht erfindungsgemäß der in seiner Mitte mit dem Kolben
fest verbundene Gelenkzapfen beiderseits in zwei Lagern des Querhauptes, die als
Gleit- oder Wälzlager ausgebildet werden können. An sich ist zwar eine Zapfenverbindung
von Querhaupt und Kolben bekannt, bei der der Zapfen in zwei Lagern des Querhauptes
ruht, doch ist der Lagerzapfen bei dieser Bauart mit seinen Enden am Kolben befestigt.
Bei ,dieser bekannten Anordnung läßt sich die Lagerfläche nicht so groß bemessen,
wie es erfindungsgemäß geschieht.
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Eine noch größere Lagerfläche ergibt sich, wenn,.der Gelenkzapfen
statt mit dem Kolben starr verbunden zu sein, auch mit seinem Mittelteil in einem
vom Kolben getragenen Lager ruht. In den die Erfindung erläuternden Zeichnungen
bedeutet: Fig. i eine Seitenansicht der hauptsächlichen Teile einer einzelnen Zylinderanordnung
der bisher bekannten Maschine, wobei der Zylinder im Schnitt gezeigt ist, Fig. 2
einen Schnitt längs Linie 2-2 der Fig. i, der :den oberen Kolben, den Zapfen der
Zapfenverbindung und im Schnitt das Querhaupt zeigt, und Fig.3 eine abgeänderte
Ausführungsform der Anordnung nach Fig. 2.
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Die Fig. 2 und 3 sind in größerem Maßstab als Fig. i gezeichnet.
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Wie Fig. i und 2 zeigen, besitzt die Maschine in einem Zylinder 6
_ zwei Kolben q. und 5, die sich in diesem in entgegengesetzter Richtung bewegen.
Der untere Kolben ist direkt .durch eine normale Pleuelstange mit der Kurbel 8 verbunden.
Die, beiden anderen Kurbeln 9 und io werden durch Pleuelstangen i i und 12 über
Stangen 13 und 14 vom oberen Kolben q. angetrieben, d. h. also von dem von den Kurbeln
abgewendeten Kolben. Die Stangen 13 und 14 sind an den beiden Enden des Querhauptes
15 befestigt. Dieses wieder ist durch eine Zapfenverbindung, die es in seiner Mitte
aufweist, am oberen Ende der starr mit .dem oberen Kolben q. verbundenen Kolbenstange
16 befestigt. Die Maschine selbst ist von bekannter Art. Ein Zapfen 17 sitzt, gegen
Verdrehung gesichert, mit seinem mittleren Teil in einem Träger am oberen Ende der
Kolbenstange 16. Seine beiden Enden 18 und i9 beiderseits des Trägers tragen zwei
koaxiale Rollenlager. Diese bestehen aus .den Rahmenhülsen 2o und 21 und den Rollen
22 und 23, von denen die beiden Teile 24 und 25 des Querhauptes getragen werden.
Das Querhaupt sitzt also auf den Enden 18 und i9 des Zapfens 17 und schwingt um
diese mittels der Rollen 22 und 23.
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In der abgeändertenAusführungsform nach Fig. 3 ist der Zapfen 124
in seiner Mitte in einem Träger gelagert, in dem er sich drehen kann, und der ein
Gleitlager 125 darstellt, das am oberen Ende der Kolbenstange 16 befestigt ist.
Die beiden äußeren Enden 26 und 27 beiderseits des Trägers weisen wieder Rollenlager
auf, die gleichachsig mit dem Lager 125 angeordnet sind. Der Zapfen trägt mittels
der Lagerrollen 28, 29 zwei koaxiale Teile 30 und 31 des Querhauptes, das um die
Enden des Zapfens schwingen kann. Dieser kann sich aber seinerseits auch im Träger
125
drehen. .