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MASSENAUSGLEICH EINER KOLBENMASCHINE
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Balancierung einer Kolbenmaschine.
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Die
meisten Kolben-angetriebenen Maschinen besitzen Kolben, die an versetzten
Abschnitten einer Kurbelwelle so befestigt sind, daß sich,
wenn die Kolben in einer Hin- und Herrichtung quer zu der Achse
der Kurbelwelle bewegt werden, die Kurbelwelle dreht.
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Das
US Patent 5 535 709 definiert
eine Maschine mit einem doppelendigen Kolben, der an einer Kurbelwelle
mit einem versetzten Abschnitt befestigt ist. Ein zwischen dem Kolben
und der Kurbelwelle angebrachter Hebel ist in einem Hebeldrehpunktregler
festegehalten, um die Rotationsbewegung der Kurbelwelle zu erzeugen.
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Das
US Patent 4 011 842 definiert
eine Vierzylinder-Kolbenmaschine,
welche zwei doppelendige Kolben verwendet, die mit einem T-förmigen Verbindungselement
verbunden sind, welches eine Rotation einer Kurbelwelle bewirkt.
Das T-förmige Verbindungselement
ist bei jedem der T-Querarme mit einem doppelendigen Kolben verbunden.
Ein zentral angeordneter Punkt auf dem T-Querarm ist rotationsfähig an einem
festen Punkt angebracht, und das Unterteil des T ist rotationsfähig an einem
Kurbelwellenzapfen angebracht, welcher mit der Kurbelwelle über eine
Kurbelwellenkröpfung
verbunden ist, welche ein Ausgleichsgewicht enthält.
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Nun
wird die Referenz auch auf das
US
Patent 5 630 351 und die
britische
Patentschrift Nr. 1,595,600 gerichtet, die Baugruppen offenbaren,
in denen die lineare Kolbengerätbewegung
in die Drehung einer Welle umgewandelt wird, deren Achse parallel
zu der Bewegung des Kolbens oder der Kolben ist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst eine Kolbenbaugruppe wenigstens einen Kolben,
der mit einem Übergangsarm
gekoppelt ist, wobei der Übergangsarm
einen Antriebsarm aufweist, der exzentrisch mit einem drehbaren
Element gekoppelt ist, das auf einer Welle zwecks Rotation um die
Welle montiert ist, so dass ein Winkel zwischen dem Antriebsarm
und der Wellenachse entsteht, wobei die Bewegungsachse des genannten
Kolbens von der Wellenachse beabstandet ist, so daß der Übergangsarm
zwischen einer Drehbewegung des drehbaren Elementes und einer linearen
Hin- und Herbewegung des genannten Kolbens umsetzt und wobei ein
Gegengewicht für
das drehbare Element direkt auf der Welle und vom drehbaren Element
beabstandet montiert ist. Das Gegengewicht ist normalerweise für eine Rotation
in einer Richtung auf der Welle montiert, die der Rotation der Welle
entgegengesetzt ist.
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Ein
zweites Gegengewicht kann für
eine Rotation in derselben Richtung wie die Welle auf der Welle
montiert sein. Dieses kann mit dem drehbaren Element gegenüber der
Kupplung des Antriebselements mit dem drehbaren Element gekoppelt
sein. Alternativ kann es von dem rotierenden Element beabstandet
sein.
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Erfindungsgemäße Baugruppen
umfassen normalerweise eine Mehrzahl von Kolben. Sie können einendige
oder doppelendige Kolben sein. In einer typischen Ausführungsform
sind erste und zweite Kolben für
die Hin- und Herbewegung in einer gemeinsamen Ebene angeordnet.
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Ein
erstes Getrieberad kann so montiert sein, daß es in einer ersten Richtung
um die Wellenachse rotiert, und ein zweites Getrieberad wird von
dem ersten Getrieberad angetrie ben, um in einer zweiten Richtung
um eine zweite Achse zu rotieren, die von der ersten Achse versetzt
und parallel zu dieser ist. Eine derartige Baugruppe kann eine erste
Riemenscheibe, die so angetrieben wird, daß sie von dem zweiten Getrieberad
in der zweiten Richtung in Drehung versetzt wird, und eine zweite
Riemenscheibe umfassen, die mit der ersten Riemenscheibe gekoppelt
ist und von der ersten Riemenscheibe so angetrieben wird, daß sie in
der zweiten Richtung um die Wellenachse rotiert, wobei das erste
Gegengewicht von der zweiten Riemenscheibe angetrieben wird.
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Vorteile
der Erfindung umfassen die Begrenzung einer Schwingung der Kolbenanordnung.
Die Erfindung reduziert die Schwingung der Maschine aufgrund einer
internen Aufhebung der Schwingungskräfte und Kopplungen erheblich.
Eine ausbalancierte Maschine besitzt stark reduzierte Kräfte auf ihren
Lagern und Befestigungsteilen. Die Lagerlebensdauer kann vielfach
verlängert
werden und leichtere Teile und Befestigungen können verwendet werden, wenn
die Schwingungskräfte
und Kopplungen durch Balancierung reduziert sind. Ein weiterer durch
Balancierung erzielter Vorteil besteht in der Fähigkeit, bei höheren Drehzahlen
ruhiger zu laufen. Ungleichgewichtskräfte, welche nicht kompensiert werden,
nehmen mit dem Quadrat der Drehzahl zu und werden schnell zu einem
begrenzenden Faktor, wenn die Drehzahlen zunehmen. In vielen Maschinenanordnungen
geht der Trend zu höheren
Drehzahlen, was den mit der Erfindung verfügbaren besseren Balancierungsverfahren
mehr Bedeutung gibt.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden
Beschreibung ersichtlich, in welcher Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
genommen wird. In den Zeichnungen sind:
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1 und 2 Seitenansichten
einer vereinfachten Darstellung einer Vierzylinder-Maschine
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3, 4, 5 und 6 Draufsichten auf
die Maschine von 1, welche die Kolben und das
Schwungrad in vier unterschiedlichen Positionen darstellen;
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7 eine
Draufsicht, teilweise im Querschnitt, auf eine Achtzylinder-Maschine;
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8 eine
Seitenansicht im Querschnitt der Maschine von 7;
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9 eine
rechte Endansicht von 7;
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10 eine
Seitenansicht von 7;
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11 eine
linke Endansicht von 7;
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12 eine
Teildraufsicht auf die Maschine von 7, welche
die Kolben, das Antriebselement und Schwungrad in einer Position
bei hoher Kompression darstellt;
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13 eine
Teildraufsicht auf die Maschine von 7, welche
die Kolben, das Antriebselement und Schwungrad in einer Position
bei niedriger Kompression darstellt;
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14 eine
Draufsicht auf einen Kolben;
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15 eine
Seitenansicht eines Kolbens, welche das Antriebselement in zwei
Positionen darstellt;
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16 eine
Darstellung der Lagerschnittstelle des Antriebselementes und des
Kolbens;
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17 eine
Ausführungsform
einer luftbetriebenen Maschine/Pumpe;
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18 das
Luftventil in einer ersten Position;
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18a, 18b und 18c Querschnittsansichten von drei Querschnitten
des in 18 dargestellten Luftventils;
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19 eine
Darstellung des Luftventils in einer zweiten Position;
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19a, 19b und 19c Querschnittsansichten von drei Querschnitten
des in 19 dargestellten Luftventils;
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20 eine
Anordnung mit geneigten Zylindern;
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21 eine
Maschine mit einendigen Kolben;
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22 eine
Draufsicht auf eine Zweizylinder-, Doppelendenkolben-Anordnung;
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23 eine
Draufsicht auf einen von doppelendigen Kolben der Anordnung von 22;
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23a eine Seitenansicht des doppelendigen
Kolbens von 23, entlang Linien 23A, 23A;
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24 eine
Draufsicht auf einen Übertragungsarm
und ein Kardangelenk der Kolbenanordnung von 22;
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24a eine Seitenansicht auf einen Übertragungsarm
und ein Kardangelenk von 24, entlang
Linien 24a, 24a;
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25 eine
perspektivische Ansicht eines Antriebsarms, der mit dem Übertragungsarm
der Kolbenanordnung von 22 verbunden
ist;
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25a eine Endansicht eines rotationsfähigen Elementes
der Kolbenanordnung von 22, entlang
Linien 25a, 25a von 22, und welche die Verbindung
des Antriebsarms mit dem rotationsfähigen Element darstellt;
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25b eine Seitenansicht des rotationsfähigen Elementes
entlang Linien 25b, 25b von 25a;
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26 eine
Querschnitts-Draufsicht der Kolbenanordnung von 22;
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27 eine
Endansicht des Übertragungsarms
entlang Linien 27, 27 von 24;
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27a eine Querschnittsansicht eines Antriebsbolzens
der Kolbenanordnung von 22;
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28–28b Drauf-, Rück-
und Seitenansichten der Kolbenanordnung von 22;
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28c eine Draufsicht auf eine Hilfswelle der Kolbenanordnung
von 22;
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29 eine
Querschnittsseitenansicht einer Null-Hub-Kupplung;
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29a eine Explosionsansicht der Null-Hub-Kupplung
von 29;
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30 eine
graphische Darstellung, welche die Figur-8-Bewegung einer nicht flachen Kolbenanordnung
darstellt;
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31 einen
verstärkten
Antriebsbolzen;
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32 eine
Draufsicht auf einen Vierzylindermotor zum direkten Aufbringen von
Verbrennungsdrücken
auf Pumpenkolben;
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32a eine Endansicht der Vierzylindermaschine entlang
Linien 32a, 32a von 32;
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33 eine
Querschnittsdraufsicht auf eine alternative Anordnung mit variablem
Hub, dargestellt in einer Position mit maximalem Hub;
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34 eine
Querschnittsdraufsicht der Anordnung von 33, dargestellt
in einer Position mit minimalem Hub;
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35 eine
Teilquerschnittsdraufsicht eines alternativen Gelenkes für doppelendige
Kolben;
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35A eine Endansicht und 35B eine Seitenansicht
des Gelenkes für
doppelendige Kolben von 35 entlang
Linien 35A, 35A bzw. 35B, 35B;
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36 eine
Teilquerschnittsdraufsicht des Gelenkes für doppelendige Kolben von 35,
dargestellt in einer gedrehten Position;
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37 eine
Seitenansicht eines Gelenkes ähnlich
dem von 35, jedoch für eine Verwendung angepaßt, in welcher
der volle Bewegungsbereich nicht erforderlich ist;
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38 eine
Draufsicht auf eine Motor/Kompressor-Anordnung;
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38A eine Endansicht und 38B eine Seitenansicht
der Motor/Kompressor-Anordnung, entlang Linien 38A, 38A bzw. 38B,
38B von 38;
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39 eine
perspektivische Ansicht einer Kolbenmaschinenanordnung mit Ausgleichsgewichtsanordnung;
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40 eine
perspektivische Ansicht der Kolbenmaschinenanordnung von 39 in
einer zweiten Position;
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41 eine
perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Kolbenmaschinenanordnung mit
Ausgleichsgewichtsanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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42 eine
perspektivische Ansicht der Kolbenmaschinenanordnung von 40 in
einer zweiten Position.
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Die
Maschine 10 von 1 besitzt zwei Zylinder 11 ( 3)
und 12. Jeder Zylinder 11 und 12 beherbergt
einen doppelendigen Kolben. Jeder doppelendige Kolben ist mit einem Übertragungsarm 13 verbunden,
welcher mit einem Schwungrad 15 über eine Welle 14 verbunden
ist. Der Übertragungsarm 13 ist
mit einem Träger 19 über einen
Kardangelenkmechanismus, welcher eine Welle 18 enthält, welche dem Übertragungsarm 13 eine
Aufwärts-
und Abwärtsbewegung
ermöglicht,
und über
eine Welle 17, welche dem Übertragungsarm 13 eine
seitliche Bewegung ermöglicht,
verbunden. 1 stellt ein Schwungrad 15 in
einer Position mit der Welle 14 an der Oberseite des Schwungrades 15 dar.
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2 stellt
die Maschine 10 mit dem Schwungrad 15 so gedreht
dar, daß die
Welle 14 sich auf der Unterseite des Schwungrades 15 befindet. Der Übertragungsarm 13 ist
auf der Welle 18 nach unten geschwenkt.
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3 bis 6 stellen
eine Draufsicht auf die bildliche Darstellung dar, welche den Übertragungsarm 13 in
vier Positionen und die das Schwungrad 15 bewegende Welle
in Schritten von 90° zeigt. 3 stellt
das Schwungrad 15 mit der Welle 14 in der Position
gemäß Darstellung
in 3a dar. Wenn der Kolben 1 zündet und
sich zu der Mitte des Zylinders 11 hin bewegt, schwenkt
der Übertragungsarm 13 auf
dem Kardangelenk 16, was das Schwungrad 15 in
die in 2 dargestellte Position dreht. Die Welle 14 befindet
sich in der in 4a dargestellten Position. Wenn
der Kolben 4 gezündet wird,
bewegt sich der Übertragungsarm 13 in
die in 5 dargestellte Position. Das Schwungrad 15 und die
Welle 14 befinden sich in der in 5a dargestellten
Position. Anschließend
zündet
der Kolben 2 und der Übertragungsarm 13 wird
in die in 6 dargestellte Position bewegt.
Das Schwungrad 15 und die Welle 14 befinden sich
in der in 6a dargestellten Position. Wenn
der Kolben 3 gezündet
wird, kehrt der Übertragungsarm 13 und
das Schwungrad 15 in die Ausgangsposition zurück, die
in den 3 und 3a dargestellt ist.
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Wenn
die Kolben zünden,
wird der Übertragungsarm
mit der Bewegung der Kolben vorwärts und
rückwärts bewegt.
Da der Übertragungsarm 13 mit
dem Kardangelenk 16 und dem Schwungrad 15 über die
Welle 14 verbunden ist, dreht sich das Schwungrad 15, indem
es die lineare Bewegung der Kolben in eine Rotationsbewegung umwandelt.
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7 stellt
(teilweise im Querschnitt) eine Draufsicht auf eine Maschine 30 mit
vier doppelendigen Kolben und acht Zylindern dar. Es sind tatsächlich nur
vier Zylinder vorhanden, jedoch mit einem doppelendigen Kolben in
jedem Zylinder ist die Maschine einer Achtzylindermaschine gleichwertig. Zwei
Zylinder 31 und 46 sind dargestellt. Der Zylinder 31 besitzt
doppelendige Kolben 32, 33 mit Kolbenringen 32a bzw. 33a.
Die Kolben 32, 33 sind mit einem Übertragungsarm 60 (8) über einen
Kolbenarm 54a verbunden, welcher sich in eine Öffnung 55a im Kolben 32, 33 und
ein Gleitlager 55 erstreckt. Ähnlich ist der Kolben 47, 49 im
Zylinder 46 über
einen Kolbenarm 54b mit dem Übertragungsarm 60 verbunden.
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Jedes
Ende des Zylinders 31 besitzt von Kipphebelarmen gesteuerte
Einlaß-
und Auslaßventile
und eine Zündkerze.
Das Kolbenende 32 besitzt Kipphebelarme 35a und 35b und
eine Zündkerze 44, und
das Kolbenende 33 besitzt Kipphebelarme 34a und 34b und
eine Zündkerze 41.
Jedem Kolben ist ein Satz von Ventilen, Kipphebelarmen und eine Zündkerze
zugeordnet. Der Zeittakt für
das Zünden der
Zündkerzen
und das Öffnen
und Schließen
der Einlaß-
und Auslaßventile
wird von einem Steuerriemen 51 geregelt, welcher mit einer
Riemenscheibe 50a verbunden ist. Die Riemenscheibe 50a ist
an einem Zahnrad 64 über
eine Welle 63 (8) befestigt, welche von einer
von dem Schwungrad 69 angetriebenen Ausgangswelle 53 gedreht
wird. Der Riemen 50a dreht auch die Riemenscheibe 50b und
das mit einem Verteiler 38 verbundene Zahnrad 39.
Das Zahnrad 39 dreht auch das Zahnrad 40. Die
Zahnräder 39 und 40 sind
an einer Nockenwelle 75 befestigt (8), welche
wiederum Stößelstangen
antreibt, die an den Kipphebelarmen 34, 35 und
weiteren nicht dargestellten Kipphebelarmen angebracht sind.
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Auslaßsammler 48 und 56 sind
wie dargestellt an den Zylindern 46 bzw. 31 angebracht.
Jeder Auslaßsammler
ist an vier Auslaßöffnungen
angeschlossen.
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8 ist
eine Seitenansicht der Maschine 30, wobei eine Seite entfernt
ist, und verläuft
entlang des Schnittes 8-8 von 7. Der Übertragungsarm 60 ist
auf einem Träger 70 durch
einen Bolzen 72 befestigt, welcher (wie in 8 zu sehen)
eine Aufwärts-
und Abwärtsbewegung
ermöglicht,
und mittels eines Bolzens 71, welcher eine seitliche Bewegung des Übertragungsarmes 60 ermöglicht.
Da sich der Übertragungsarm 60 nach
oben und unten bewegen kann, während
er sich gleichzeitig seitlich bewegt, kann dann die Welle 61 das
Schwungrad 69 in einem kreisförmigen Pfad antreiben. Die
vier verbindenden Kolbenarme (Kolbenarme 54b und 54d sind
in 8 dargestellt) werden von den vier doppelendigen
Kolben in einer Schwingungsbewegung um den Bolzen 71 herum
angetrieben. Das Ende der Welle 61 im Schwungrad 69 bewirkt,
daß sich
der Übertragungsarm
aufwärts
und abwärts
bewegt, während
sich die Verbindungsarme vorwärts
und rückwärts bewegen. Das
Schwungrad 69 besitzt Zahnradzähne 69a um eine Seite
herum, welche zum Drehen des Schwungrades mit einem Startermotor 100 ( 11)
verwendet werden können,
um die Maschine zu starten.
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Die
Rotation des Schwungrades 69 und der damit verbundenen
Antriebswelle 68 dreht das Zahnrad 65, welches
wiederum die Zahnräder 64 und 66 dreht.
Das Zahnrad 64 ist an der Welle 63 befestigt, welche
die Riemenscheibe 50a dreht. Die Riemenscheibe 50a ist
mit dem Riemen 51 verbunden. Der Riemen 51 dreht
die Riemenscheibe 50b und die Zahnräder 39 und 40 ( 7).
Eine Nockenwelle 75 besitzt Nocken 88–91 an
dem einen Ende und Nocken 84–87 an dem anderen
Ende. Die Nocken 88 und 90 betätigen Stößelstangen 76 bzw. 77.
Die Nocken 89 und 91 betätigen Stößelstangen 93 bzw. 94. Die
Nocken 84 und 86 betätigen Stößelstangen 95 bzw. 96 und
die Nocken 85 und 87 betätigen Stößelstangen 78 bzw. 79.
Die Stößelstangen 77, 76, 93, 94, 95, 96 und 78, 79 dienen
zum Öffnen
und Schließen
der Einlaß-
und Auslaßventile
der Zylinder über den
Kolben. Die linke Seite der Maschine, welche weg geschnitten ist,
enthält
einen identischen, jedoch entgegengesetzten Ventilantriebsmechanismus.
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Das
von dem Zahnrad 65 auf der Antriebswelle 68 gedrehte
Zahnrad 66 dreht die Pumpe 67, welche beispielsweise
eine in dem (nicht dargestellten) Maschinenkühlsystem verwendete Wasserpumpe
oder eine Ölpumpe
sein kann.
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9 ist
eine Rückansicht
der Maschine 30, welche die relativen Positionen der Zylinder
und doppelendigen Kolben darstellt. Der Kolben 32, 33 ist
in gestrichelten Linien mit den Ventilen 35c und 35d unter
den Hebearmen 35a bzw. 35b angeordnet dargestellt.
Der Riemen 51 und die Riemenscheibe 50b sind unter
dem Verteiler 38 dargestellt. Der Übertragungsarm 60 und
zwei, 54c und 54d, von den vier Kolbenarmen 54a, 54b, 54c und 54d sind
in den Kolben 32–33, 32a–33a, 47–49 und 47a–49a dargestellt.
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10 ist
eine Seitenansicht der Maschine 30, welche den Auslaßsammler 56,
den Einlaßsammler 56a und
den Vergaser 56c darstellt. Die Riemenscheiben 50a und 50b mit
dem Steuerriemen 51 sind ebenfalls dargestellt.
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11 ist
eine Vorderseitenendansicht der Maschine 30, welche die
relativen Positionen der Zylinder und doppelendigen Kolben 32–33, 32a–33a, 47–49 und 47a–49a darstellt,
wobei die vier Kolbenarme 54a, 54b, 54c und 54d in
den Kolben positioniert sind. Die Pumpe 67 ist unterhalb
der Welle 53 dargestellt und die Riemenscheibe 50a und
der Steuerriemen 51 sind auf der Oberseite der Maschine 30 dargestellt.
Der Starter 100 ist mit einem Zahnrad 101 dargestellt,
welches mit den Zahnradzähnen 69a auf
dem Schwungrad 69 in Eingriff steht.
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Das
Kompressionsverhältnis
der Maschine 30 kann verändert werden, während die
Maschine läuft.
Das Ende des auf dem Schwungrad 69 befestigten Arms 61 wandert
in einem Kreis an den Punkt, an welchem der Arm 61 in das
Schwungrad 69 eintritt. Gemäß 13 befindet
sich das Ende des Arms 61 in einer Gleitkugellager-Buchsenanordnung 81. Der
Hub der Kolben wird von dem Arm 61 gesteuert. Der Arm 61 bildet
einen Winkel von beispielsweise etwa 15° mit der Welle 53.
Indem das Schwungrad 69 auf der Welle 53 nach
rechts oder links betrachtet in 13 bewegt
wird, kann der Winkel des Arms 61 verändert werden, was den Hub der
Kolben verändert,
was das Kompressionsverhältnis
verändert.
Die Position des Schwungrades 69 wird durch Verdrehen der
Mutter 104 auf dem Gewinde 105 verändert. Die Mutter 104 ist
auf der Welle 53 durch ein Gegenlager 106a verkeilt,
welches durch einen Ring 106b in seiner Lage gehalten wird.
In der in 12 dargestellten Position hat
sich das Schwungrad 69 nach rechts bewegt, was den Hub
der Kolben verlängert.
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12 stellt
das Schwungrad nach rechts verschoben dar, was den Hub der Kolben
vergrößert und
dadurch ein höheres
Kompressionsverhältnis bereitstellt.
Die Mutter 105 ist nach rechts geschraubt, was die Welle 53 und
das Schwungrad 69 nach rechts bewegt. Der Arm 61 erstreckt
sich weiter in die Buchsenanordnung 80 und aus der Rückseite des
Schwungrades 69 heraus.
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13 stellt
das Schwungrad nach links verschoben dar, was den Hub der Kolben
reduziert und dadurch ein niedrigeres Kompressionsverhältnis ergibt.
Die Mutter 105 ist nach links geschraubt, was die Welle 53 und
das Schwungrad 69 nach links bewegt. Der Arm 61 erstreckt
sich weniger weit in die Buchsenanordnung 80.
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Die
Kolbenarme auf dem Übertragungsarm sind
in Gleitlager in einer Buchse im Kolben eingesetzt. 14 stellt
einen doppelendigen Kolben 110 mit Kolbenringen 111 auf
dem einen Ende des doppelendigen Kolbens und Kolbenringen 112 auf
dem anderen Ende des doppelendigen Kolbens dar. Ein Schlitz 113 befindet
sich in der Seite des Kolbens. Die Lage des Gleitlagers ist bei 114 dargestellt.
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15 stellt
einen Kolbenarm 116 dar, der sich in dem Kolben 110 durch
den Schlitz 113 hindurch in das Gleitlager 117 in
der Buchse 115 erstreckt. Der Kolbenarm 116 ist
in einer zweiten Position bei 116a dargestellt. Die zwei
Kolbenarme 116 und 116a zeigen die Bewegungsgrenzen
des Kolbenarms 116 während
des Betriebs des Motors.
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16 stellt
den Kolbenarm 116 in dem Gleitlager 117 dar. Das
Gleitlager 117 befindet sich in dem Schwenkbolzen 115.
Der Kolbenarm 116 kann sich frei in dem Gleitlager 117 drehen
und die Anordnung des Kolbenarmes 116, das Gleitlager 117 und der
Schwenkbolzen 115 und die Gleitlager 118a und 118b drehen
sich in dem Kolben 110, und der Kolbenarm 116 kann
axial innerhalb der Achse des Gleitlagers 117 bewegt werden,
um die Linearbewegung des doppelendigen Kolbens 110 und
die Bewegung eines Übertragungsarmes,
an welchem der Kolbenarm 116 befestigt ist, zu ermöglichen.
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17 stellt
dar, wie die Vierzylindermaschine 10 in 1 als
ein Luftmotor unter Verwendung eines Vier-Wege-Rotationsventils 123 auf der
Ausgangswelle 122 konfiguriert sein kann. Jeder von den Zylindern 1, 2, 3 und 4 ist über Schläuche 131, 132, 133 bzw. 144 mit
dem Rotationsventil 123 verbunden. Eine Lufteinlaßöffnung 124 wird
dazu verwendet, um Luft für
den Betrieb der Maschine 120 zuzuführen. Luft wird sequentiell
jedem der Kolben 1a, 2a, 3a und 4a zugeführt, um
die Kolben in den Zylindern hin und her zu bewegen. Die Luft wird
aus den Zylindern aus der Auslaßöffnung 136 ausgegeben.
Der an dem Kolben über
Verbindungsbolzen 127 und 128 angebrachte Übertragungsarm 126 wird
wie unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 beschrieben bewegt,
um das Schwungrad 129 und die Ausgangswelle 22 zu
drehen.
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18 ist
eine Querschnittsansicht des Rotationsventils 123 in der
Position, wenn Druckluft oder Gas an den Zylinder 1 über die
Einlaßöffnung 124,
den ringförmigen
Kanal 125, den Kanal 126, den Kanal 130 und
den Luftschlauch 131 zugeführt wird. Das Rotationsventil 123 besteht
aus einer Vielzahl von Kanälen
in dem Gehäuse 123 und
der Ausgangswelle 122. Die in den Zylinder 1 eintretende Druckluft
bewirkt, daß sich
die Kolben 1a, 3a (wie in 18 zu
sehen) nach rechts bewegen. Die Abluft wird aus dem Zylinder 3 durch
die Leitung 133 in die Kammer 134, durch die Leitung 135 hindurch
und aus der Auslaßöffnung 136 geführt.
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18a, 18b und 18c sind Querschnittsansichten des Ventils 23,
welche die Luftführungen
des Ventils an drei Positionen entlang des Ventils 23 darstellen,
wenn es, wie es in 18 dargestellt ist, positioniert
ist.
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19 stellt
das Rotationsventil 123 um 180° gedreht dar, wenn Druckluft
an den Zylinder 3 angelegt wird, was die Richtung des Kolbens 1a, 3a umdreht.
Druckluft wird an die Einlaßöffnung 124, durch
eine ringförmige
Kammer 125, eine Leitung 126, die Kammer 134 und
eine Luftleitung 133 hindurch an den Zylinder 3 angelegt.
Dieses bewirkt wiederum, daß die
Luft in dem Zylinder 1 durch die Leitung 131,
die Kammer 130, die Leitung 135, die ringförmige Kammer 137 hindurch
und aus der Auslaßöffnung 136 ausgegeben
wird. Die Welle 122 hat sich um 360° gegen den Uhrzeigersinn gedreht,
wenn der Kolben 1a, 3a seinen Hub nach links abschließt.
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Es
wurde nur der Kolben 1a, 3a dargestellt, um den
Betrieb der Luftmaschine und des Ventils 123 in Bezug auf
die Kolbenbewegung zu zeigen. Der Betrieb des Kolbens 2a, 4a ist
in der Funktion identisch mit Ausnahme, daß dessen 360°-Zyklus bei 90° Wellendrehung
beginnt und sich bei 270° umkehrt
und seinen Zyklus zurück
bei 90° abschließt. Ein
Krafthub tritt jeweils bei 90° Rotation
auf.
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19a, 19b und 19c sind Querschnittsansichten des Ventils 123,
welche die Luftkanäle
der Ventile bei drei Positio nen entlang des Ventils 123 darstellen,
wenn es wie in 19 positioniert ist.
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Das
Arbeitsprinzip, welches die Luftmaschine von 17 betreibt,
kann umgekehrt werden, und die Maschine 120 von 17 kann
als ein Luft- oder Gaskompressor oder eine Pumpe verwendet werden.
Indem die Maschine 10 im Uhrzeigersinn durch Anlegen einer
Rotationskraft an die Welle 122 gedreht wird, zieht die
Auslaßöffnung 136 Luft
in die Zylinder und die Öffnung 124 liefert
Luft, welche beispielsweise für
den Antrieb eines Druckluftwerkzeuges verwendet werden kann oder
in einem Luftbehälter
gespeichert werden kann.
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In
den vorstehenden Maschinen wurden die Zylinder als parallel zueinander
liegend dargestellt. Die Zylinder müssen jedoch nicht parallel
liegen. 20 stellt eine Ausführungsform ähnlich der
Ausführungsform
der 1–6 dar,
wobei die Zylinder 150 und 151 nicht parallel
zueinander liegen. Ein Kardangelenk 160 ermöglicht,
daß die
Kolbenarme 152 und 153 in einem anderen Winkel
als 90° zu
dem Antriebsarm 154 liegen. Selbst mit den nicht parallel zueinander
liegenden Zylindern sind die Maschinen funktionell dieselben.
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Noch
eine weitere Modifikation kann an der Maschine 10 der 1–6 vorgenommen
werden. Diese, in 21 dargestellt, kann einendige Kolben
aufweisen. Die Kolben 1a und 2a sind mit einem
Kardangelenk 170 über
Antriebsarme 171 und 172 und mit einem Schwungrad 173 über einen
Antriebsarm 174 verbunden. Der wesentliche Unterschied
ist die Anzahl der Hübe
der Kolben 1a und 2a, um das Schwungrad 173 um
360° zu
drehen.
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Gemäß 22 enthält eine
Zweizylinderkolbenanordnung 300 Zylinder 302, 304,
welche jeweils einen doppelendigen Kolben 306, 308 mit
variablem Hub beherbergen. Die Kolbenanordnung 300 liefert dieselbe
Anzahl von Krafthüben
pro Umdre hung wie eine herkömmliche
Vierzylindermaschine. Jeder doppelendige Kolben 306, 308 ist über einen.
Antriebsbolzen 312 bzw. 314 mit einem Übertragungsarm 310 verbunden.
Der Übertragungsarm 310 ist
an einer Stütze 316 beispielsweise
durch ein Kardangelenk 318 (U-Gelenk), ein Konstantgeschwindigkeitsgelenk (Doppelgelenk)
oder ein sphärisches
Lager befestigt. Ein sich aus dem Übertragungsarm 310 erstreckender
Antriebsarm 320 ist mit einem rotationsfähigen Element,
wie z.B. dem Schwungrad 322, verbunden.
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Der Übertragungsarm 310 überträgt die Linearbewegung
der Kolben 306, 308 in die Rotationsbewegung des
Schwungrades 322. Die Achse A des Schwungrades 322 ist
parallel zu den Achsen B und C der Kolben 306, 308 (obwohl
die Achse A gemäß Darstellung
in 20 achsenversetzt sein könnte), um eine axiale oder
tonnenförmige
Maschine, Pumpe oder Kompressor auszubilden. Das U-Gelenk 318 ist
auf der Achse A zentriert. Gemäß Darstellung
in 28a sind die Kolben 306, 308 um
180° versetzt, wobei
die Achsen A, B und C entlang einer gemeinsamen Ebene D liegen,
um eine flache Kolbenanordnung auszubilden.
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Gemäß 22 und 23 umfassen
die Zylinder 302, 304 jeweils linke und rechte
Zylinderhälften 301a, 301b,
welche auf der Anordnungsgehäusestruktur 303 montiert
sind. Die doppelendigen Kolben 306, 308 enthalten
jeweils zwei Kolben 330 und 332 bzw. r und 332a,
welche jeweils mit einem mittigen Gelenk 334 bzw. 334a verbunden
sind. Die Kolben sind als gleiche Längen aufweisend dargestellt,
obwohl andere Längen
in Betracht gezogen werden. Beispielsweise kann die Verbindung 334 so außermittig
sein, daß der
Kolben 330 länger
als der Kolben 332 ist. Da die Kolben in einer Ablauffolge 330a, 332, 330, 332a aus
der in 22 dargestellten Position gezündet werden,
wird das Schwungrad 322 in einer Richtung im Uhrzeigersinn
gemäß Betrachtung
in der Richtung des Pfeils 333 ge dreht. Die Kolbenanordnung 300 ist
eine Viertaktzyklusmaschine, d.h., jeder Kolben zündet einmal
in zwei Umdrehungen des Schwungrades 322.
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Da
sich die Kolben vorwärts
und rückwärts bewegen,
müssen
sich die Antriebsbolzen 312, 314 frei um ihre
gemeinsame Achse E (Pfeil 305), drehen, entlang der Achse
E gleiten (Pfeil 307), da sich der radiale Abstand zu der
Mittellinie B des Kolbens sich mit dem Auslenkungswinkel α des Übertragungsarmes 310 (Auslenkung
etwa ± 15°) verändert, und
um die Mittelpunkte F schwenkt (Pfeil 309). Das Gelenk 334 ist
dafür aufgebaut,
diesen Bewegungsfreiheitsgrad bereitzustellen.
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Das
Gelenk 334 definiert einen Schlitz 340 (23a) für
die Aufnahme des Antriebsbolzens 312, und ein Loch 336 senkrecht
zu dem Schlitz 340, welches ein Radialkugellager 338 aufnimmt.
Ein Zylinder 341 ist innerhalb des Gleitlagers 338 zur
Rotation innerhalb des Gleitlagers positioniert. Das Gleitlager 338 definiert
einen Seitenschlitz 342, welcher wie der Schlitz 340 geformt
und zu dem Schlitz 340 ausgerichtet ist. Der Zylinder 341 definiert
ein Durchtrittsloch 344. Der Antriebsbolzen 312 ist
innerhalb des Schlitzes 342 und des Loches 344 aufgenommen.
Ein zusätzliches
Gleitlager 346 ist in dem Durchtrittsloch 344 des
Zylinders 341 angeordnet. Die Kombination der Schlitze 340 und 342 und
des Gleitlagers 338 ermöglichen
eine Bewegung des Antriebsbolzens 312 entlang des Pfeils 309.
Das Gleitlager 346 ermöglicht
eine Rotation des Antriebsbolzens 312 um seine Achse E
und ein Gleiten entlang seiner Achse E.
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Wenn
die zwei Zylinder der Kolbenanordnung anders als 180° versetzt
konfiguriert sind, oder mehr als zwei Zylinder verwendet werden,
ermöglicht die
Bewegung des Zylinders 341 im Gleitlager 338 entlang
der Richtung des Pfeils 350 einen zusätzlichen Bewegungsfreiheitsgrad,
welcher erforderlich ist, um eine Bindung der Kolben zu verhindern,
da sie einer nachstehend diskutierten Figur-8-Bewegung unterliegen.
Die Schlitze 340 müssen
so bemessen sein, daß sie
genug Freiraum bereitstellen, um die Bewegung des Bolzens in der
Figur-8-Bewegung
zu ermöglichen.
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Gemäß 35–35B ist ein Zentralgelenk 934 zum Verbinden
der Kolben 330 und 332 so konfiguriert, daß es keine
Seitenbelastung (engl. zero side load) auf die Kolben 330 und 332 erzeugt. Das
Gelenk 934 erlaubt die erforderlichen vier Freiheitsgrade,
um das Binden des Antriebsbolzens 312 zu verhindern, wenn
sich die Kolben vorwärts
und rückwärts bewegen,
d.h., eine Rotation um die Achse E (Pfeil 905), ein Schwenken
um den Mittelpunkt F (Pfeil 909), eine Gleitbewegung entlang
orthogonaler Achsen M (aufwärts
und abwärts
in der Ebene des Papiers in 35) und
N (in die und aus der Ebene des Papiers in 35), während die
zwischen der Verbindung 934 und den Kolben 330, 332 übertragene
Last nur einen Kraftvektor erzeugt, welcher parallel zur Kolbenachse
B ist, (welche orthogonal zu den Achsen M und N ist).
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Eine
Gleitbewegung entlang der Achse M nimmt die Veränderung in dem radialen Abstand
des Übertragungsarmes 310 zu
der Mittellinie B des Kolbens mit dem Auslenkungswinkel α des Übertragungsarmes 310 auf.
Die Gleitbewegung entlang der Achse N ermöglicht einen zusätzlichen
Bewegungsfreiheitsgrad, welcher erforderlich ist, um eine Bindung
der Kolben zu verhindern, wenn sie der nachstehend diskutierten
Figur-8-Bewegung unterliegen. Das Gelenk 934 definiert
zwei gegenüber
liegende flache Flächen 937, 937a,
welche in den Richtungen der Achsen M und N in Bezug auf die Kolben 330, 332 gleiten.
Die Flächen 937, 937a definieren
parallele Ebenen, welche zur Kolbenachse B während der Vorwärts- und
Rückwärtsbewegung
der Kolben senkrecht bleiben.
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Das
Gelenk 934 enthält
ein äußeres Gleiterelement 935,
welches Flächen 937, 937a für die Aufnahme
der Antriebskraft aus den Kolben 330, 332 definiert.
Das Gleiterelement 935 definiert einen Schlitz 940 in
einer dritten Fläche 945 des
Gleiters für
die Aufnahme des Antriebsbolzens 312, und einen Schlitz 940a in
einer vierten Fläche 945a.
Das Gleiterelement 935 besitzt eine Innenwand 936,
die ein Loch 939 senkrecht zum Schlitz 940 definiert
und ein Gleitergleitlager 938 beherbergt. Eine Querwelle 941 ist
innerhalb des Gleitlagers 938 zur Rotation innerhalb des
Gleitlagers in der Richtung des Pfeils 909 positioniert.
Das Gleitlager 938 definiert einen Seitenschlitz 942,
der wie der Schlitz 940 geformt und zu dem Schlitz 940 ausgerichtet
ist. Eine Querwelle 941 definiert ein Durchtrittsloch 944.
Der "Antriebsbolzen 312 wird
innerhalb des Schlitzes 942 und des Loches 944 aufgenommen.
Ein Gleitlager 946 ist in dem Durchtrittsloch 944 der
Querwelle 941 angeordnet.
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Die
Kombination der Schlitze 940 und 942 und des Gleitlagers 938 ermöglichen
eine Bewegung des Antriebsbolzens 312 in der Richtung des
Pfeils 909. Innerhalb des Schlitzes 940a ist eine
Kopfschraube 947 und eine Unterlegscheibe 949 angeordnet,
welche an dem Antriebsbolzen 312 angebracht sind, den Antriebsbolzen 312 gegen
eine von der Querwelle 941 definierte Stufe 951 halten,
während
sie gleichzeitig eine Rotation des Antriebsbolzens 312 um
seine Achse E zulassen und verhindern, daß der Antriebsbolzen 312 entlang
der Achse E gleitet. Wie vorstehend diskutiert, werden die zwei zusätzlichen
Bewegungsfreiheitsgrade bereitgestellt, indem die Gleiterflächen 937, 937a relativ
zu den Kolben 330, 332 entlang Achsen M und N
gleiten. Eine Platte 960 ist zwischen jeder von der Fläche 937 und dem
Kolben 330 und der Fläche 937a und
dem Kolben 332 angeordnet. Jede Platte 960 ist
aus einem Lagermaterial mit niedriger Reibung mit einer Lagerungsoberfläche 962 in
Kon takt mit den Flächen 937 bzw. 937a ausgebildet.
Die Flächen 937, 937a sind poliert.
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Gemäß Darstellung
in 36 wird die durch den Kolben 330 in der
Richtung der Kolbenachse auf das Gelenk 934 ausgeübte Belastung
PL in zwei auf den Bolzen 312 einwirkende
Belastungen aufgelöst: eine
axiale Belastung AL entlang der Achse E
des Antriebsbolzens 312 und eine Normal-belastung NL senkrecht zu der Antriebsbolzenachse E.
Die axiale Belastung wird auf Drucklager 950, 952 aufgebracht, und
die Normalbelastung wird auf das Gleitlager 946 aufgebracht.
Die Gesamtrichtung der zwischen den Kolben 330, 332 und
dem Gelenk 934 übertragenen Kräfte verbleibt
entlang der Kolbenachse B, was verhindert, daß Seitenbelastungen auf die
Kolben 330, 332 ausgeübt werden. Dieses ist vorteilhaft,
da Seitenbelastungen auf die Kolben 330, 332 bewirken können, daß die Kolben
die Zylinderwände
berühren, was
Reibungsverluste proportional zu den Seitenbelastungswerten erzeugt.
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Die
Kolben 330, 332 sind an dem Gelenk 934 über einen
Mittenstückverbinder 970 verbunden.
Das Mittenstück 970 enthält Gewindeenden 972, 974 für die Aufnahme
von Gewindeenden 330a bzw. 332a der Kolben. Das
Mittenstück 970 definiert
einen Hohlraum 975 für
die Aufnahme des Gelenkes 934. Ein Spalt 976 ist
zwischen dem Gelenk 934 und dem Mittenstück 970 vorgesehen,
um die Bewegung entlang der Achse N zu ermöglichen.
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Für eine Maschine,
welche in der Lage ist, etwa 100 PS Leistung zu entwickeln, besitzt
das Gelenk 934 eine Breite W von etwa 84,15 mm (3 5/16
inches), eine Länge
L1 von etwa 84,15 mm (3 5/16 inches) und
eine Höhe
H von etwa 88,9 mm (3 1/2 inches). Das Gelenk und die Kolbenenden
zusammen besitzen eine Gesamtlänge
von L2 von etwa 236,54 mm (9 5/16 inches)
und einen Durchmesser D1 von etwa 101,6
mm (4 inches). Die Platten 960 besitzen einen Durchmesser
von D2 von etwa 82,55 mm (3 1/4 inches)
und eine Dicke T von etwa 3,18 mm (1/8 in ches). Die Platten 960 sind
in die Kolben eingepreßt. Die
Platten 960 sind bevorzugt aus Bronze und der Gleiter 935 ist
bevorzugt Stahl oder Aluminium mit einer Stahloberfläche, welche
die Flächen 937, 937a definiert.
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Das
Gelenk 934 muß nicht
dazu verwendet werden, zwei Kolben zu verbinden. Einer von den Kolben 330, 332 kann
durch eine in einer Buchse geführte
Stange ersetzt werden.
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Wenn
die Figur-8-Bewegung nicht erforderlich ist oder durch die Bewegung
des Antriebsbolzens 312 innerhalb der Quer-Welle 941 nicht
zugelassen wird, muß das
Gelenk 934 in der Richtung der Achse N nicht gleiten. Gemäß 37 besitzen
das Gleiterelement 935a und die Platte 960a gekrümmte Oberflächen, welche
es dem Gleiterelement 935a ermöglichen, in der Richtung der
Achse M (in das und aus dem Papier in 37) zu
gleiten, während
sie verhindern, daß das
Gleitelement 935a sich entlang der Achse N bewegt.
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Gemäß 24 und 24a definiert das U-Gelenk 318 einen
zentralen Drehpunkt 352 (die Antriebsbolzenachse E tritt
durch den Drehpunkt 352 hindurch) und enthält einen
vertikalen Bolzen 354 und einen horizontalen Bolzen 356.
Der Übertragungsarm 310 kann
um den Bolzen 354 entlang des Pfeils 358 und um
den Bolzen 356 entlang des Pfeils 360 schwenken.
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Gemäß 25, 25a und 25b wird als
eine Alternative zu einem sphärischen
Lager, um den Übertragungsarm 310 mit
dem Schwungrad 322 zu koppeln, der Antriebsarm 320 innerhalb
eines zylindrischen Schwenkbolzens 370 aufgenommen, der auf
dem Schwungrad radial versetzt von dem Mittelpunkt 372 des
Schwungrades um einen Betrag von etwa 53,98 mm (2,125 inches) angeordnet
ist, welcher für
die Erzeugung des gewünschten
Schwenkwinkels α (22)
in dem Übertragungsarm
erforderlich ist.
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Der
Schwenkbolzen 370 besitzt ein Durchtrittsloch 374 für die Aufnahme
des Antriebsarmes 320. In dem Loch 374 befindet
sich ein Gleitlager 376 für die Bereitstellung einer
Lagerungsfläche
für den Antriebsarm 320.
Der Schwenkbolzen 370 besitzt zylindrische Verlängerungen 378, 380,
welche innerhalb der Gleitlager 382 bzw. 384 positioniert
sind. Da das Schwungrad axial entlang des Antriebsarmes 320 bewegt
wird, um den Schwenkwinkel α zu
verändern,
und somit das Kompressionsverhältnis
der Anordnung, wie es nachstehend weiter beschrieben wird, dreht
sich der Drehbolzen 370 innerhalb der Gleitlager 382, 384,
um zu dem Antriebsarm 320 ausgerichtet zu bleiben. Torsionskräfte werden
durch Gegenlager 388, 390 übertragen, wobei das eine oder
das andere von den Gegenlagern die Last abhängig von der Richtung der Drehung
des Schwungrades entlang des Pfeils 386 trägt.
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Gemäß 26 wird
zur Veränderung
der Kompression und des Hubs der Kolbenanordnung 300 die
axiale Position des Schwungrades 322 entlang der Achse
A durch Drehen einer Welle 400 verändert. Ein Kettenrad 410 ist
an der Welle 400 für eine
Rotation mit der Welle 400 befestigt. Ein zweites Kettenrad 412 ist
mit dem Kettenrad 410 über
eine Rollenkette 413 verbunden. Das Kettenrad 412 ist auf
einer mit einem Gewinde versehenen rotierenden Muffe 414 befestigt.
Das Gewinde 416 der Muffe 414 steht mit dem Gewinde 418 einer
feststehenden äußeren Muffe 420 in
Eingriff. Eine Rotation der Welle 400, Pfeil 401,
und somit der Kettenräder 410 und 412 bewirkt
die Drehung der Muffe 414. Da die äußere Muffe 420 fixiert
ist, bewirkt die Drehung der Muffe 414, daß sich die
Muffe 414 entlang der Achse A, Pfeil 403, linear
verschiebt. Die Muffe 414 ist zwischen einem Bund 422 und
einem Zahnrad 424 angeordnet, welche beide auf einer Hauptantriebswelle 408 befestigt
sind. Die Antriebswelle 408 ist wiederum an dem Schwungrad 322 befestigt.
Somit wird die Bewegung der Muffe 414 ent lang der Achse
A in eine Linearbewegung des Schwungrades 322 entlang der Achse
A umgewandelt. Dieses bewirkt ein Gleiten des Schwungrades 322 entlang
der Achse H des Antriebsarmes 302 des Übertragungsarmes 310,
was den Winkel β verändert, und
somit den Hub der Kolben. Gegenlager 430 sind an beiden
Enden der Muffe 414 angeordnet und ein Gleitlager 432 ist
zwischen der Muffe 414 und der Welle 408 angeordnet.
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Um
die Ausrichtung der Kettenräder 410 und 412 aufrecht
zu erhalten, ist die Welle 400 bei dem Bereich 402 mit
einem Gewinde versehen und innerhalb eines Gewindeloches 404 einer
Querstange 406 einer Anordnungsgehäusestruktur 303 aufgenommen.
Das Verhältnis
der Anzahl der Zähne
des Kettenrades 412 zu dem Kettenrad 410 ist beispielsweise
4:1. Daher muß sich
die Welle 400 viermal für
nur eine Umdrehung der Muffe 414 drehen. Um die Ausrichtung
beizubehalten, muß der
Gewindebereich 402 die vierfache Anzahl von Gewindegängen pro Längeneinheit
der Muffengewindegänge 416 aufweisen;
beispielsweise weist der Gewindebereich 402 32 Gewindegänge pro
2,54 1 cm (1 inch) auf und das Muffengewinde 416 weist
8 Gewindegänge
pro 2,54 cm (1 inch).
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Sobald
sich das Schwungrad wie in 26 zu
sehen nach rechts bewegt, wird der Hub der Kolben und somit das
Kompressionsverhältnis
erhöht. Eine
Bewegung des Schwungrades nach links verringert den Hub und das
Kompressionsverhältnis.
Ein weiterer Vorteil der Veränderung
des Hubes ist eine Veränderung
des Hubraums jedes Kolbens und damit des Hubraums des Motors. Die
Leistung einer Verbrennungsmaschine steht in enger Beziehung zu dem
Hubraum der Maschine. Beispielsweise nimmt in der Zweizylinder-Flachmaschine
der Hubraum um etwa 20 Prozent zu, wenn das Kompressionsverhältnis von
6:1 auf 12:1 erhöht
wird. Dieses erzeugt etwa 20 Prozent mehr Leistung alleine aufgrund
der Zunahme im Hubraum. Die Zunahme im Kompressionsverhältnis erhöht ebenfalls
die Leistung mit ei ner Rate von etwa 5 Prozent pro Punkt oder angenähert 25
Prozent in der Leistung. Wenn die Leistung konstant gehalten und
das Kompressionsverhältnis
von 6:1 auf 12:1 erhöht
würde,
würde eine
Reduzierung im Kraftstoffverbrauch von angenähert 25 Prozent vorliegen.
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Das
Schwungrad besitzt eine ausreichende Festigkeit, um den großen Zentrifugalkräften zu
widerstehen, wenn die Anordnung 300 als ein Motor arbeitet.
Die Schwungradposition und somit das Kompressionsverhältnis der
Kolbenanordnung kann verändert
werden, während
sich die Kolbenanordnung in Betrieb befindet.
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Die
Kolbenanordnung 300 enthält ein Druckschmierungssystem.
Der Druck wird von einer (nicht dargestellten) motorbetriebenen
aktiven Verdrängungspumpe
bereitgestellt, welche ein Druckentlastungsventil besitzt, um Überdrücke zu verhindern. Die
Lager 430 und 432 der Antriebswelle 408 und
die Schnittstelle des Antriebsarmes 320 mit dem Schwungrad 322 werden über Kanäle 433 (26) geschmiert.
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Gemäß 27 wird
zum Schmieren des U-Gelenkes 318, der Kolbenbolzengelenke 306, 308, und
der Zylinderwände Öl unter
Druck aus der Ölpumpe
durch den festen U-Gelenkträger
zu den oberen und unteren Enden des vertikalen Schwenkbolzens 354 geleitet. Ölkanäle 450, 452 führen von
dem vertikalen Bolzen zu Öffnungen 454 bzw. 456 in
dem Übertragungsarm.
Gemäß Darstellung
in 27A definieren die Bolzen 312, 314 jeweils
eine Durchtrittsbohrung 458. Jede Durchtrittsbohrung 458 befindet
sich in Fluidverbindung mit einer entsprechenden von den Öffnungen 454, 456.
Gemäß Darstellung
in 23 sind Löcher 460, 462 in
jeden Bolzen über Schlitze 461 und
Kanäle 463 durch
das Gleitlager 338 hindurch mit einer Kammer 465 in
jedem Kolben verbunden. Mehrere Ölleitungen 464 führen aus
diesen Kammern heraus, und sind mit dem Mantel 466 jedes
Kolbens verbunden, um eine Schmierung an den Zylinderwänden und den
Kolbenringen 467 bereitzustellen. Ferner führt aus
einer Kammer 465 eine Öffnung
zum Aufsprühen
von Öl
direkt auf die Innenoberseite jedes Kolbens zur Kühlung.
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Gemäß 28–28c, in welcher die Anordnung 300 zur
Verwendung als ein Flugzeugmotor 300a konfiguriert dargestellt
ist, enthält
die Maschine zwei Magnetzünder 600 zum
Zünden
der (nicht dargestellten) Kolbenzündkerzen. Die Magnetzünder 600 und
ein Starter 602 werden von Antriebszahnrädern 604 und 606 (28c) angetrieben, welche auf einer unteren Welle 608 angeordnet
sind, die parallel und unterhalb der Hauptantriebswelle 408 montiert ist.
Die Welle 608 erstreckt sich über die volle Länge der
Maschine und wird von einem Zahnrad 424 (26)
der Antriebswelle 408 angetrieben, und ist mit einem 1:1-Verhältnis mit
der Antriebswelle 408 untersetzt. Die Verzahnung für die Magnetzünder reduziert
deren Drehzahl auf die Hälfte
der Drehzahl der Welle 608. Der Starter 602 ist
so untersetzt, daß er
ein ausreichendes Drehmoment für
den Start der Maschine liefert.
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Nockenwellen 610 betätigen Kolbenstößelstangen 612 über Nocken 613.
Die Nockenwellen 610 sind auf 2:1 über Kegelzahnräder 614, 616 untersetzt,
welche ebenfalls von der Welle 608 angetrieben werden.
Der Mittelpunkt 617 der Zahnräder 614, 616 ist
bevorzugt zu dem U-Gelenkmittelpunkt 352 so ausgerichtet,
daß die
Nockenwellen in den Kolbenzylindern zentriert sind, obwohl auch
andere Konfigurationen in Betracht gezogen werden. Ein Einzelvergaser 620 ist
unter der Mitte des Motors mit vier Einlaßrohren 622 angeordnet,
die jedem von den (nicht dargestellten) Einlaßventilen der vier Zylinder zugeführt werden.
Die (nicht dargestellten) Zylinderauslaßventile geben an zwei Sammler 624 aus.
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Die
Maschine 300a besitzt eine Länge L von beispielsweise etwa
102 cm (40 inches), eine Breite W von beispielsweise et wa 53 cm
(21 inches) und eine Höhe
H von beispielsweise etwa 51 cm (20 inches) (einschließlich der
Lagerung 303).
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In 29 und 29a ist ein Kompressor mit variabler Kompression
oder eine Pumpe mit der Fähigkeit
eines Hubes von Null dargestellt. Hier ist das Schwungrad 322 durch
eine rotierende Anordnung 500 ersetzt. Die Anordnung 500 enthält eine Hohlwelle 502 und
einen Schwenkarm 504, welcher schwenkbar über einen
Bolzen 506 mit einer Nabe 508 der Welle 502 verbunden
ist. Die Nabe 508 definiert ein Loch 510 und der
Schwenkarm 504 definiert ein Loch 512 zur Aufnahme
des Bolzens 506. Eine Steuerstange 514 ist innerhalb
der Welle 502 angeordnet. Die Steuerstange 514 enthält eine
Verbindungsglied 516, welches schwenkbar mit dem Rest der
Stange 514 über
einen Bolzen 518 verbunden ist. Die Stange 514 definiert
ein Loch 511 und das Verbindungsglied 516 definiert
ein Loch 513 für
die Aufnahme des Bolzens 518. Die Steuerstange 514 ist
für eine
Bewegung entlang ihrer Achse Z durch zwei Gleitlager 520 gelagert.
Das Verbindungsglied 516 und der Schwenkarm 514 sind über einen
Bolzen 522 verbunden. Das Verbindungsglied 516 definiert
ein Loch 523 und der Schwenkarm 514 definiert
ein Loch 524 für
die Aufnahme des Bolzens 522.
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Der
zylindrische Schwenkbolzen 370 von 25, welcher
den Antriebsarm 320 aufnimmt, ist innerhalb des Schwenkarms 504 angeordnet.
Der Schwenkarm 504 definiert Löcher 526 für die Aufnahme
der zylindrischen Verlängerungen 378, 380.
Die Welle 502 wird zur Rotation durch Lager 530,
wie z.B. Kugel-, Gleit- oder Walzenlager gelagert. Ein Antrieb, wie
z.B. eine Riemenscheibe 532 oder Zahnräder, die auf der Welle 502 montiert
sind, treibt den Kompressor oder die Pumpe an.
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Im
Betrieb wird zum Einstellen des gewünschten Hubes der Kolben die
Steuerstange 514 entlang ihrer Achse M in der Richtung
des Pfeils 515 bewegt, was eine Schwenkung des Schwenkarms 504 um
den Bolzen 506 entlang des Pfeils 517 in der Weise
bewirkt, daß die
Achse N des Schwenkbolzens 370 aus der Ausrichtung zu der
Achse M (gemäß Darstellung
in gestrichelten Linien) verschoben wird, sobald der Schwenkarm 504 entlang
der Achse H (26) des Übertragungsarm-Antriebsarmes 320 gleitet.
Wenn ein Nullhub der Kolben erwünscht
ist, werden die Achsen M und N so ausgerichtet, daß die Rotation
der Welle 514 keine Bewegung der Kolben bewirkt. Diese
Konfiguration arbeitet sowohl bei doppelendigen als auch einendigen
Kolben.
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Die
Fähigkeit,
den Kolbenhub zu verändern, ermöglicht ein
Laufen der Welle 514 bei nur einer Drehzahl durch den Antrieb 532,
während
gleichzeitig die Ausgabeleistung der Pumpe oder des Kompressors
kontinuierlich nach Bedarf variiert werden kann. Wenn keine Ausgangsleistung
benötigt
wird, dreht sich der Schwenkarm 504 einfach schnell um den
Antriebsarm 320 des Übertragungsarms 310 mit einer
Auslenkung von Null des Antriebsarmes. Wenn Ausgabeleistung benötigt wird,
dreht sich die Welle 514 bereits bei voller Drehzahl, so
daß, wenn
der Schwenkarm 504 vollständig durch die Steuerstange 514 aus
der Achse gezogen wird, ein sofortiger Hub ohne jede Verzögerung,
um auf Drehzahl zu kommen, erzeugt wird. Es sind daher wesentlich
weniger Beanspruchungsbelastungen auf dem Antriebssystem vorhanden,
da es keine Start/Stop-Vorgänge gibt.
Die Fähigkeit,
schnell den Hub auf Null zu reduzieren, stellt einen Schutz vor
Beschädigung
insbesondere bei Flüssigkeitspumpen
bereit, wenn eine abstromseitige Blockierung auftritt.
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Ein
alternatives Verfahren zum Variieren der Kompression und des Hubraums
der Kolben ist in 33 dargestellt. Der Mechanismus
sieht eine Veränderung
der Position eines an dem Schwungrad angebrachten Ausgleichsgewichtes
vor, um die Systembalance zu gewährleisten,
wenn der Hub der Kolben verändert
wird.
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Ein
Schwungrad 722 ist schwenkbar an einer Verlängerung 706 einer
Hauptantriebswelle 708 über einen
Bolzen 712 befestigt. Durch Schwenken des Schwungrades 722 in
der Richtung des Pfeils Z gleitet das Schwungrad 722 entlang
Achsen H eines Antriebsarmes 720 des Übertragungsarmes 710,
verändert
den Winkel β (26),
und somit den Hub der Kolben. Das Schwenken des Schwungrads 722 bewirkt
auch, daß ein
Ausgleichsgewicht 714 näher
an oder weiter weg von der Achse A kommt, und hält somit eine enge Rotationsbalance
ein.
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Zum
Schwenken des Schwungrades 722 ist eine axial und rotationsmäßig bewegliche
Druckplatte 820 vorgesehen. Die Druckplatte 820 steht
in Kontakt mit einer Walze 822, welche rotationsfähig auf dem
Ausgleichsgewicht 714 über
einen Bolzen 824 und ein Lager 826 befestigt ist.
Aus der in 33 dargestellten Position dreht
ein Servomotor oder ein Handknopf 830 eine Spindel 832,
welche sich nach vorne verschiebt, um die Druckplatte 820 in
der Richtung des Pfeils Y zu bewegen. Diese Bewegung der Druckplatte 820 bewirkt
ein Schwenken des Schwungrades 722 in der Richtung des
Pfeils Z gemäß Darstellung
in der 34, um den Hub der Kolben zu
verringern. Eine Bewegung der Druckplatte 820 um 19,05
mm (0,75 inches) verringert das Kompressionsverhältnis von etwa 12:1 auf 6:1.
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Die
Druckplatte 820 wird von drei oder mehr Spindeln 832 (engl.
screw) unterstützt.
Jede Spindel besitzt einen Zahnradkopf 840, welcher mit
einem Zahnrad 842 auf der Druckplatte 820 so in
Eingriff steht, daß eine
Drehung der Spindel 832 eine Drehung der Druckplatte 820 und
somit eine Drehung der restlichen Spindeln bewirkt. Um sicherzustellen, daß die Druckplatte
ausreichend unterstützt
wird, um den Kontakt zwischen der Rolle 822 und der Druckplatte 820 sicherzustellen,
ist ein Kolben 850 vorgesehen, welcher das Schwungrad 722 in
der entgegengesetzten Richtung zu dem Pfeil Z andrückt.
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Gemäß 30 unterliegen,
wenn zwei nicht um 180° versetzte
Zylinder (vom Ende aus betrachtet) oder mehr als zwei Zylinder in
der Kolbenanordnung 300 verwendet werden, die Enden der
mit den Gelenken 306, 308 verbundenen Bolzen 312, 314 einer
Figur-8-Bewegung. 30 stellt die Figur-8-Bewegung
einer Kolbenanordnung mit vier doppelendigen Kolben dar. Zwei von
den Kolben sind gemäß Darstellung
in 22 flach angeordnet (und unterliegen nicht der
Figur-8-Bewegung) und die anderen zwei Kolben sind gleichmäßig beabstandet
zwischen den flachen Kolben angeordnet (und sind somit so positioniert,
daß sie
der größtmöglichen
Figur-8-Auslenkung unterliegen). Der Betrag, um den die mit dem zweiten
Satz der Kolben verbundenen Bolzen von einer geraden Linie (Y-Achse
von 30) abweichen, ist durch den Schwenkwinkel (Mastwinkel)
des Antriebsarms und den Abstand bestimmt, in dem der Bolzen von
dem zentralen Schwenkpunkt 352 (X-Achse von 30)
weg liegt.
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In
einer Vierzylinderversion, in welcher die Bolzen durch die Kolbenschwenkanordnung
von jedem der vier doppelendigen Kolben auf 45° von der Achse des Mittenschwenkpunktes
eingestellt sind, ist die Figur-8-Bewegung bei jedem Kolbenbolzen gleich.
Die Bewegung in der Kolbenschwenkbuchse ist dort vorgesehen, wo
die Figur-8-Bewegung Acht auftritt, um eine Bindung zu verhindern.
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Wenn
die Kolbenanordnung 300 zur Anwendung konfiguriert wird,
beispielsweise als Dieselmotor, kann eine zusätzliche Lagerung an der Befestigung
der Bolzen 312, 314 an dem Übertragungsarm 310 vorgesehen
werden, um die höhere
Kompression von Dieselmotoren im Vergleich zu funkengezündeten Motoren
zu berücksichtigen.
Gemäß 31 ist der
Träger 550 an
dem Übertragungsarm 310 mit Schrauben 551 verschraubt
und enthält
eine Öffnung 552 für die Aufnahme
des Endes 554 des Bolzens.
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Maschinen,
wie hierin beschrieben, können verwendet
werden, um direkt Verbrennungsdrücke auf
Pumpkolben auszuüben.
Gemäß 32 und 32a bringt ein Vierzylinder-Zweitakt-Motor 600 (jeder
von den vier Kolben 602 zündet einmal in einer Umdrehung)
Verbrennungsdruck auf jeden von vier Pumpkolben 604 auf.
Jeder Pumpkolben 604 ist an der Ausgabeseite 606 eines
entsprechenden Kolbenzylinders 608 angebracht. Die Pumpkolben 604 erstrecken
sich in einem Pumpenkopf 610.
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Ein Übertragungsarm 620 ist
mit jedem Zylinder 608 und mit einem Schwungrad 622 wie
vorstehend beschrieben verbunden. Eine Hilfsausgangswelle 624 ist
mit dem Schwungrad 622 verbunden, um mit dem Schwungrad
wie ebenfalls vorstehend beschrieben zu rotieren.
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Die
Maschine ist eine Zweitaktmaschine, da jeder Hub eines Kolbens 602 (da
der Kolben 602 wie in 32 zu
sehen nach rechts wandert) ein Krafthub sein muß. Die Anzahl der Motorzylinder
wird nach dem Bedarf der Pumpe ausgewählt. Die Pumpe kann eine Fluid-
oder Gaspumpe sein. Bei der Verwendung als ein mehrstufiger Luftkompressor
kann jeder Pumpkolben 606 einen anderen Durchmesser aufweisen.
Es werden keine Lagerbelastungen durch die Pumpfunktion (für einfach
wirkende Pumpkompressorzylinder) erzeugt und daher keine andere Reibung
als die von dem Pumpkolben selbst erzeugte induziert.
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Gemäß 38–38B enthält
eine Maschine 1010 mit Schwingungskompensationseigenschaften
und welche besonders zur Verwendung in der Gaskompression geeignet
ist, zwei Anordnungen 1012, 1014, welche Rücken-an-Rücken und
um 180° phasenversetzt
montiert sind. Die Maschine 1010 enthält einen zentralen Maschinenabschnitt 1016 und äußere Kompressorabschnitte 1018, 1020.
Der Maschinenabschnitt 1016 enthält beispielsweise sechs doppeltwirkende
Zylinder 1022, wovon jeder ein Paar von Kolben 1024, 1026 beherbergt.
Ein Krafthub tritt auf, wenn ein Mittenabschnitt 1028 des Zylinders 1022 gezün det wird,
was die Kolben 1024, 1026 von einander weg bewegt.
Die entgegengesetzte Bewegung der Kolben führt zu einer Schwingungskompensation.
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Ein äußerer Kompressionsabschnitt 1018 enthält zwei
Kompressorzylinder 1030 und ein äußerer Kompressionsabschnitt 1020 enthält zwei
Kompressorzylinder 1032, obwohl bis zu sechs Kompressorzylinder
in jedem Kompressorabschnitt vorhanden sein könnten. Die Kompressionszylinder 1030 beherbergen
jeweils einen Kompressionszylinder 1034, der auf einem
der Kolben 1024 durch eine Stange 1036 befestigt
ist, und die Kompressionszylinder 1032 beherbergen jeweils
einen Kompressionskolben 1038, der auf einem der Kolben 1026 durch
eine Stange 1040 befestigt ist. Die Kompressionszylinder 1030, 1032 sind
auf gegenüberliegenden Kolbenpaaren
so montiert, daß sich
die Kräfte
unter Minimierung von Schwingungskräften aufheben, welche ansonsten
in die Befestigung 1041 übertragen würden.
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Die
Kolben 1024 sind durch einen Übertragungsarm 1042 verbunden,
und die Kolben 1026 sind durch einen Übertragungsarm 1044 verbunden, wie
es vorstehend beschrieben wurde. Der Übertragungsarm 1042 enthält einen
Antriebsarm 1046, der sich in ein Schwungrad 1048 erstreckt,
und ein Übertragungsarm 1044 enthält einen
Antriebsarm 1050, der sich in einem Schwungrad 1052 gemäß vorstehender
Beschreibung erstreckt. Ein Schwungrad 1048 ist mit einem
Schwungrad 1052 über
einen Kopplungsarm 1054 verbunden, um synchron damit zu
rotieren. Die Schwungräder 1048, 1052 sind
auf Lagern 1056 montiert. Das Schwungrad 1048 enthält ein Kegelzahnrad 1058,
welche eine Welle 1060 für den Motorstarter, die Ölpumpe und
den Verteiler für die
Zündung
antreibt, welche nicht dargestellt sind.
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Die
Maschine 1010 ist beispielsweise ein Zweitakt-Erdgas-Motor mit (nicht
dargestellten) Öffnungen
im zentralen Ab schnitt 1028 der Zylinder 1022 und
einem (nicht dargestellten) Turbolader, welcher Ansaugluft unter
Druck zur Spülung
der Zylinder 1022 bereitstellt. Alternativ ist die Maschine 1010 Benzin-
oder Diesel-getrieben.
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Der
Hub der Zylinder 1024, 1026 kann durch Bewegen
beider Schwungräder 1048, 1052 in
einer solchen Weise verändert
werden, daß der
Hub der Maschinenkolben und der Kompressorkolben gleich eingestellt
ist, was die Maschinenleistung reduziert oder erhöht, wenn
sich die Pumpleistungsanforderung reduziert bzw. erhöht.
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Die
Schwingungskompensationseigenschaften der Rücken-an-Rücken-Beziehung
der Anordnungen 1012, 1014 kann vorteilhaft in
einem Nur-Kompressorsystem und einem Nur-Maschinensystem angewendet
werden.
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Ausgleichsgewichte
können
dazu verwendet werden, um die Schwingung der Kolbenanordnung zu
begrenzen. Gemäß 39 enthält eine
Maschine 1100 Ausgleichsgewichte 1114 und 1116.
Das Ausgleichsgewicht 1114 ist so angebracht, daß es mit
einem rotationsfähigen
Element 1108, z.B. einem Schwungrad, das mit dem Antriebsarm 320 verbunden
ist, der sich aus dem Übertragungsarm 310 erstreckt,
rotiert. Das Ausgleichsgewicht 1116 ist auf der unteren
Welle 608 befestigt, um sich mit der Welle 608 zu
drehen.
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Eine
Bewegung der doppelendigen Kolben 306, 308 wird
durch den Übertragungsarm 310 in eine
Rotationsbewegung eines Elementes 1108 und des Ausgleichsgewichtes 1114 übertragen.
Die Drehung des Elementes bewirkt eine Drehung der Hauptantriebswelle 408.
Auf der Welle 408 ist ein erstes Zahnrad 1110 befestigt,
welches sich mit der Welle 408 dreht. Auf der unteren Welle 608 ist
ein zweites Zahnrad 1112 befestigt, welches durch das Zahnrad 1110 angetrieben
wird, um sich mit derselben Drehzahl wie das Zahnrad 1110 und
in der entgegen gesetzten Richtung zu der Rotationsrichtung des Zahnrades 1110 zu
drehen. Die Rotation des Zahnrades 1112 bewirkt eine Rotation
der Welle 608 und somit die Rotation des Ausgleichsgewichtes 1116.
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Wie
von links in 39 aus gesehen, dreht sich das
Ausgleichsgewicht 1114 im Uhrzeigersinn (Pfeil 1118)
und das Ausgleichsgewicht 1116 dreht sich gegen den Uhrzeigersinn
(Pfeil 1120). Die Ausgleichsgewichte 1114 und 1116 sind
180° phasenversetzt
so befestigt, daß wenn
sich das Ausgleichsgewicht 1114 über der Welle 408 befindet,
sich das Ausgleichsgewicht 1116 unter der Welle 608 befindet. Eine
Vierteldrehung führt
dazu, daß beide
Ausgleichsgewichte 1114, 1116 sich rechts von
ihren entsprechenden Wellen (siehe 40) befinden.
Nach einer weiteren Vierteldrehung befindet sich das Ausgleichsgewicht 1114 unter
der Welle 408 und das Ausgleichsgewicht 1116 befindet
sich über
der Welle 608. Eine weitere Vierteldrehung und beide Ausgleichsgewichte
befinden sich links von ihren entsprechenden Wellen.
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Gemäß 40 erzeugt
eine Bewegung der Kolben 306, 308 entlang der
Y-Achse in der Ebene der XY-Achsen eine Bewegung um die Z-Achse,
Mzy. Wenn die Ausgleichsgewichte 1114, 1116 wie
in 40 dargestellt positioniert sind, erzeugen die Zentrifugalkräfte aufgrund
ihrer Rotation Kräfte
Fx1 bzw. Fx2 parallel
zu der X-Achse. Diese Kräfte
wirken zusammen, um ein Moment um die Z-Achse Mzx zu erzeugen.
Das Gewicht der Ausgleichsgewichte 1114, 1116 wird
so gewählt,
daß Mzx im Wesentlichen Mzy aufhebt.
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Wenn
die Kolben 306, 308 auf der X-Achse zentriert
sind (39), liegen keine auf die Kolben 306, 308 wirkenden
Kräfte
vor und somit kein Moment um die Z-Achse. In dieser Position befinden sich
die Ausgleichsgewichte 1114, 1116 in entgegengesetzten
Richtungen gemäß Darstellung
in 39 und die um die X-Achse durch die Zentrifugalkräfte auf
den Aus gleichsgewichten erzeugten Momente heben sich auf. Dasselbe
gilt nach einer Drehung von 180° der
Wellen 408 und 608, wenn die Kolben wieder um
die X-Achse zentriert sind, und sich das Ausgleichsgewicht 1114 unter
der Welle 408 und das Ausgleichsgewicht 1116 über der
Welle 608 befindet.
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Zwischen
den Viertelpositionen heben sich die Momente um die X-Achse aufgrund
der Rotation der Ausgleichsgewichte 1114 und 1116 auf,
und die Momente um die Z-Achse aufgrund der Ausgleichsgewichte 1114 und 1116 addieren
sich.
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Das
Ausgleichsgewicht 1114 berücksichtigt auch Momente, die
von dem Antriebsarm 320 erzeugt werden.
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In
anderen Konfigurationen, wenn beispielsweise die Kolben 306, 308 nicht
in einer gemeinsamen Ebene liegen, oder wenn mehr als zwei Kolben vorhanden
sind, ist das Ausgleichsgewicht 1116 nicht erforderlich,
da zu keinem Zeitpunkt ein Moment um die Z-Achse vorliegt, welches
eine Aufhebung des durch das Ausgleichsgewicht 1114 erzeugten
Momentes erfordert.
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Ein
nicht in der Ausbalancierungstechnik der 39 und 40 berücksichtigtes
Moment ist ein Moment um die Achse Y, Myx,
das durch die Rotation des Ausgleichsgewichtes 1116 erzeugt
wird. Eine weitere Ausbalancierungstechnik, welche alle Momente
berücksichtigt,
ist in 41 dargestellt. Hier ist ein
an dem Rotationselement 1108 befestigtes Ausgleichsgewicht 1114a so
bemessen, daß es
nur den Übertragungsarm 310 ausbalanciert.
Ausgleichsgewichte 1130, 1132 sind dafür vorgesehen, die
Trägheitskräfte der
doppelendigen Kolben 306, 308 auszubalancieren.
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Das
Ausgleichsgewicht 1130 ist auf dem Zahnrad 1110 befestigt,
um im Uhrzeigersinn mit dem Zahnrad 1110 zu rotieren. Das
Ausgleichsgewicht 1132 wird durch ein Riemensystem 1134 angetrieben,
um gegen den Uhrzeigersinn zu rotieren. Das Riemenscheibensystem 1134 umfaßt eine
Riemenscheibe 1136, welche für eine Rotation mit der Welle 608 befestigt
ist, und eine Kette oder einen Steuerriemen 1138. Das Ausgleichsgewicht 1132 ist
auf der Welle 408 über
eine Riemenscheibe 1140 und ein Lager 1142 befestigt.
Die Rotation der Riemenscheibe 1136 gegen den Uhrzeigersinn
bewirkt eine Rotation der Kette oder des Riemens 1138 gegen
den Uhrzeigersinn und eine Rotation des Ausgleichsgewichtes 1132 gegen
den Uhrzeigersinn.
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Gemäß 42 erzeugt,
wie vorstehend diskutiert, die Bewegung der Kolben 306, 308 entlang der
Y-Achse in der Ebene der XY-Achsen ein Moment um die Z-Achse, Mzy. Wenn die Ausgleichsgewichte 1130, 1132 gemäß Darstellung
in 42 positioniert sind, erzeugen die Zentrifugalkräfte aufgrund
ihrer Rotation Kräfte
Fx3 bzw. Fx4 in
derselben Richtung entlang der X-Achse. Diese Kräfte wirken zusammen, um ein
Moment um die Z-Achse, Mzx zu erzeugen.
Das Gewicht der Ausgleichsgewichte 1130, 1132 wird
so ausgewählt,
daß Mzx im Wesentlichen Mzy aufhebt.
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Wenn
die Kolben 306, 308 auf der X-Achse zentriert
sind (41), liegen keine auf die Kolben 306, 308 einwirkenden
Kräfte
vor, und somit kein Moment um die Z-Achse. In dieser Position befinden sich
die Ausgleichsgewichte 1130, 1132 in entgegengesetzten
Richtungen, wie es in 41 dargestellt ist, und die
um die X-Achse durch die Zentrifugalkräfte erzeugten Momente auf die
Ausgleichsgewichte heben sich auf. Dasselbe gilt nach einer Rotation
von 180° der
Wellen 408 und 608, wenn die Kolben wieder auf
der X-Achse zentriert sind und sich das Ausgleichsgewicht 1130 unter
der Welle 408 und das Ausgleichsgewicht 1132 über der
Welle 408 befindet.
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Zwischen
den Viertelpositionen heben sich die Momente um die X-Achse aufgrund
der Rotation der Ausgleichsgewichte 1130 und 1132 auf,
und die Momente um die Z-Achse aufgrund der Rotation der Ausgleichsgewichte 1130 und 1132 addieren
sich. Da die Ausgleichsgewichte 1130 und 1132 beide
um die Y-Achse rotieren, gibt es kein um die Y-Achse erzeugtes Moment
Myx.
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Die
Ausgleichsgewichte 1130, 1132 sind nahe aneinander
entlang der Y-Achse positioniert, um nahezu gleiche Momente um die
Z-Achse zu erzeugen. Die Gewichte der Ausgleichsgewichte 1130, 1132 können leicht
unterschiedlich sein, um deren unterschiedliche Anordnung entlang
der Y-Achse zu berücksichtigen,
so daß jedes
Ausgleichsgewicht dasselbe Moment um den Schwerpunkt der Maschine
erzeugt.