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Einkurbel-Sternmotor Die Erfindung bezieht sich auf radiale Vie:-zylindermaschinen,
insbesondere auf den Kurbel-und Kolbenstangenmechanismus für solch eine Maschine.
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Die Erfindung offenbart eine Maschine,bestehend aus einer Vielzahl
von in radial angeordneten Zylindern gegenläufig angebrachten Kolben, einem in e;ner
Kurbel auf einer Kurbelwelle gelagertenRing, Kolbenstangen, die an einem Ende an
den Ring und mit dem anderen an dem zugehörigen Kolben angelenkt sind.
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Die Maschine ist gekennzeichnet durch eine Vorrichtung, die den Ring
gegen Drehung um die eigene Achse sichert, während er mit der Kurbel anläuft; dabei
sind dieAchsen derGelenke zwischen Kolbenstangen und Ring im Totpunkt von der Zy-;inderachse
aus in der dem Kurbeldrehsinn entgegengesetzten Richtung um einen gewissenWinkel
am Ringumfang versetzt, welcher so groß ist, daß die Belastung des Ringes während
des Laufes der Maschine sich nicht umkehrt.
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Die Maschine enthält ferner eine Kurbelwelle mit Kurbelzapfen, der
einen drehbaren Ring trägt, eine im Kreise angeordnete Anzahl von Lager-Lüchsenpaaren
für mehrere Kolbenstangen, ein mit der Kurbelwelle koaxiales, im Gehäuse festliegendes
Sonnenrad, ein auf den Ring geschnittenes Zahnrad, ein Paar Planetenräder, die zusammen
auf einer Welle sitzen und in je eines der vorgenannten Räder eingreifen.
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Die Achsen der Planetenräder, des Kurbelzapfens und der Kurbelwelle
liegen in einer Ebene,
so daß bei der Drehung der Kurbelwelle der
Ring umgewälzt wird, jedoch keine Rotation ausführt.
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Die Erfindung ist an Hand eines elfzylindrischen Verbrennungsmotors
dargestellt, dessen Kurbelwelle senkrecht steht. Die Zahl der Zylinder ist jedoch
nicht wesentlich und die meisten Vorteile der verbesserten Bauart sind unabhängig
von der Lage der Kurbelwelle. In Einkurbelradialmaschinen ist es üblich, eine Hauptkolbenstange
vorzusehen, an welche alle anderen Kolbenstangen rund um ihr Auge angelenkt sind.
Dies bedeutet eine Mehrhelastung eines Kolbens und stört den zeitgerechten Ablauf
der Vorgänge in den anderen Zylindern. Um dies zu vermeiden, ist vorgeschlagen worden,
-.uf dem Kurbelzapfen einen Ring anzuordnen und ihn gegen Verdrehen zu sichern,
während er mit dem Kurbelzapfen umläuft. Alle Kolbenstangen sind an diesem Ring
angebolzt. Solch eine Anordnung macht alle Zylinder gleichwertig und legt keinem
Kolben eine Ausnahmelast auf. Zu diesem Zweck sindPlanetengetriebe vorgeschlagen
worden.
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Die Erfindung benutzt eine besondereAnordnung des Planetengetriebes
mit Vorteilen, die bisher nicht erreicht wurden. Das Getriebe ist einfach und kann
vorteilhaft in das für den Kurbelzapfen rotwendige Gegengewicht verlegt werden,
von dessen Massen es einen nützlichen Teil bildet. Auf diese Weise kann das Gesamtgewicht
von Kurbel und Gegengewicht auf einem Minimum gehalten rnd das Kurbelgehäuse schmal
gebaut werden.
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Ein anderes wichtiges Merkmal ist die Bauart des Ringes in einem Stück
als Hülse mit zwei getrennten Flanschen, zwischen denen die Enden der Kolbenstangen
aufgenommen werden. Jede Stange erhält einen in ihrem Ende befestigten Bolzen, der
auf beiden Seiten der Stange in entsprechenden Büchsen in den Flanschen des Ringes
gelagert ist. Folglich ist die Stange durch zwei weit voneinander entfernte Lager
gehalten und kann daher nach keiner Seite einen Druck auf den Kolben in Richtung
der Gelenkbolzenachse übertragen. Solche seitlichen Drücke wurden in Radialmaschinen
älterer Bauart durch Schwingungen verursacht und sind möglicherweise größer, als
im allgemeinen angenommen wurde. Wo die Achse der Kurbel senkrecht steht, könnte
die Schwere beträchtliche Seitendrücke durch die Stange auf den Kolben ausüben,
es sei denn, daß infolge der vorliegenden Bauart die Stange durch die beiden getrennten
Lager gehalten wird und als Ausleger wirkt, so daß ihr Kolbenende nicht aufliegt
und den Kolben nicht belastet.
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Die einzige Belastung des Getriebes durch den Ring ist der Zwang,
eine Drehung um seine Achse zu verhindern. Die Untersuchung der jeweiligen Wirkung
der Kolbenstangen auf den Ring in Abhängigkeit von der Drehung der Kurbel führt
zu der Entdeckung, daß die Drehmomente erniedrigt werden können durch eine leichte
Drehung des Ringes in der den Drehsinn .der Kurbel entgegengesetzten Richtung und
ihn während des Laufes der Maschine in dieser Lage zu halten. Zum Beispiel, wenn
der Kurbelzapfen sich für irgendeinen Zylinder im Totpunkt befindet, muß die Achse
des Bolzens, welcher die Kolbenstange mit dem Ring verbindet, um etwa 2° von der
Verbindungslinie Kurbelzapfenachse-Gelenkbolzen im Kolben nach rückwärts verschoben
werden.
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Mit wachsendem Rückstellwinkel nimmt das maximale Drehmoment ah, aber
es steigt die Differenz zwischen größter und kleinster Belastung (die Amplitude
der Kraftschwingung). Der Grenzwert des Druckes ist erreicht, wenn das Minimum des
Drehmomentes Null wird; hiermit ist die Gefahr von Wechselbeanspruchung des Getriebes
verbunden; denn es darf nur in einer Drehrichtung belastet werden.
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Die Größe des zulässigen Rückstellwinkels ist eine Funktion der Zylinderzahl
und des Indikatordiagrammes. Für die dargestellte Elfzylinder-Zweitakt-Verbrennungsmaschine
beträgt die Maximalkraft bei o° Rückstellung etwa 4900 lbs (225o kg), ungefähr
3-100 lbs (154o kg) für i° und rund i joo 11>s (68o kg) bei 2^ Rückstellung.
Letzterer Winkel gibt ein 'Minimum von 5oo lbs (227 kg), das eine Sicherheit gegen
Beanspruchungsumkehr bietet, und daher wurden 2° vorgesehen.
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Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnung beschrieben werden.
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Fig. i ist eine Außenansicht. teilweise geschnitten und sehr schematisch;
Fig. 2 ist ein senkrechter Axialschnitt durch die Maschine, der Schnitt geht durch
die Achse des Planetengetriebes und den Kurbelzapfen, das Bild ist in größerem Maßstab
gezeichnet als Fig. i ; Fig. 3 ist eine Ansicht des Kurbelgehäuses nach Entfernung
des Deckels, der 'taßstal) ist der gleiche wie in Fig. 2, mit der Abnahme des Deckels
wird zugleich das Sonnenrad entfernt, das an ihm befestigt ist, aber dieses Rad
ist in Fig. 3 in seiner normalen Lage gezeigt, so daß das ganze Getriebe zu sehen
ist; Fig.4 ist eine Ansicht des Differentialplanetenritzels, welches die Kämme der
Spiralzähne zeigt: Fig. 5 ist ein Schnitt durch das Kurbelende, die Schnittebene
ist durch die Linie ;-5 der Fig. 6 angedeutet, der «Maßstab st größer als inFig.2
und3; Fig. 6 ist ein Schnitt entlang der Linie 6-6 von Fig. 5 ; Fig. 7 ist ein Diagramm
der Drehmomente, die auf den umlaufenden Ring während 1;11 der Kurbel ausgeübt werden
für verschiedene Rückstellwinkel von o bis 5°.
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In Fig. 2 bedeutet i i den 'laschinenrahmen und ist im wesentlichen
das Kurbelgehäuse. Der Deckel 12 ist abnehmbar und mit in Fig.2 nicht bezeichneten
Bolzen auf seinem Sitz befestigt. Die Löcher für die Bolzen erscheinen unter io
in Fig. i hnd 3. Die senkrechte Kurbelwelle ist durchweg mit 13 numeriert und besitzt
den Hauptlagerzapfen 14, der sich in der Hauptlagerbüchse 15 dreht. Am anderen Ende
hat sie den dünneren 7apfen 16, der mit Hilfe der Büchse 17 im Deckel 12 gelagert
ist. Eine kurze Verlängerung 18 der Welle treibt verschiedene, hier nicht gezeichnete
Hilfsgeräte
an, mit denen sich die Erfindung nicht befaßt. Das
Drehmoment wird am unteren Ende der Welle 13 abgenommen.
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Die `'Felle besteht aus zwei Teilen, welche Gußstücke sein können.
Über dem Hauptlager 14 erweitert sich die Welle zur Kurbelwange mit dem Gegengewicht
21 und dem Zapfen 22. Welle mit Kurbelwange und Zapfen sind aus einem Stück hergestellt.
Das obere Ende des Zapfens ist, wie durch die gestrichelten Linien 23 angedeutet,
im Durchmesser schwächer gehalten und ist durch Spannbacken und Keil mit der Wange
24 verbunden. Die Wange ist mit dem Lagerzapfen 16 aus einem Stück. Da diese Art
des Kurbelwellenbaues nicht neu ist, wird hierfür kein Schutz beansprucht und sie
ist auch nicht im einzelnen dargestellt. Es soll jedoch erwähnt werden, daß der
Bolzen 25 halbrund geformt ist, der nicht nur die Backen 24 zusammenklemmt, sondern
auch als Keil dient.
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Die Kurbelwange 24 hat ein Gegengewicht m_t ausgesparten Räumen, wie
nachher beschrieben werden soll, um die Planetenritzel des für die Erfindung kennzeichnenden
Getriebes aufzunehmen. Die Gesamtansicht des Motors ist durch die Fig. i gegeben.
Sie zeigt das Kurbelgehäuse nach Abnahme des Deckels 12. Es sind elf radial angeordnete
Zylinder 27, jeder mit dem üblichen Tauchkoll>en 28. Die Kolben sind mit gestrichelten
Linien angedeutet. Ein solcher ist zum Teil sichtbar auf der linken Seite der Fig.2.
Mit jedem Kolben durch einen Kolbenbolzen 29 der üblichen Form verbunden, ist eine
Kolbenstange 31. Diese Koli>enstangen sind alle mit Bolzen zwischen den Flanschen
eines Bauteils 32 angelenkt, das in Ermangelung eines besseren Namens mit Ring bezeichnet
wurde.
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Wie Fig. 2 und 3 zeigen, ist der Ring 32 mit der Lagerschale 33 ausgekleidet
und läuft auf dem Kurbelzapfen 22. Ein Flansch an dem unteren Ende der Schale 33
dient als Drucklager. Da die Kurbelwelle senkrecht steht, ist nur ein solches Lager
notwendig. Der Ring 32 besitzt zwei äußere Flansche 34 und 35 in einem gewissen
Abstand voneinander, die entlang ihres Umfanges in gleichmäßigen Abständen Bohrungen
zur Aufnahme von Lagerbüchsen 3f> tragen. Die Büchsen des einen Flansches 34 sitzen
in axialer Verlängerung derjenigen von Flansch 35. Jede Büchse ist an ihrem inneren
Ende ausgeflanscht, wie bei 37 bezeichnet, so daß die Büchsen die eingeschobenen
Enden der Kolbenstangen 31 gegen seitliche Verschiebung sichern. Jede Kolbenstange
besitzt einen in ihrem Auge befestigten Lagerbolzen 38, welcher in den Büchsen 36
arbeitet.
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Die :Art der Befestigung der Bolzen 38 in dem .Auge einer Kolbenstange
wird am verständlichsten durch Betrachtung der Fig. 2, 5 und 6. Das Auge 41 der
Stange ist gebohrt, so daß der Bolzen 38 genau hineinpaßt, und außerdem, wie bei
42 gezeichnet, geschlitzt, damit es sich zusammendrücken läßt. In der Nähe des Auges
sind zwei Querbohrungen '43 und .44 angebracht, deren eine, 44. das -Auge anschneidet.
Durch die Bohrungen 43 und 44 werden Bolzen 45 gesteckt, die gestatten, das Auge
über dem Lagerbolzen 38 zusammenzuziehen. Einer der beiden Bolzen wirkt also als
Keil und hindert den Bolzen 38 an einer Bewegung.
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Die beschriebene Bauart erleichtert den Zusammenbau, weil der Lagerbolzen
erst dann in das Auge geschoben werden braucht, nachdem die Kolbenstange zwischen
die Flansdhe geschoben worden ist. Hat man den Lagerbolzen montiert, so wird er
durch Anziehen der beiden Schrauben 45 festgeklemmt.
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Der Flansch 34 trägt an seiner Peripherie Zähne 46. Das so gebildete
Zahnrad wird hier in aer Beschreibung als Bahnzahnrad bezeichnet. Dieses Zahnrad
sitzt koaxial mit dem Lagerzapfen 22. Das Sonnenrad 47 ist befestigt an dem Deckel
12, so daß es koaxial mit der Welle 13 sitzt. Dieses ist im Durchmesser kleiner
als das Bahnzahnrad 46 und besteht nur aus einem Radkranz und ist an einen inneren
Radflansch an der unteren Seite des Deckels 12 mit Schrauben befestigt. In dem Gegengewicht
26 ist das Doppelplanetenritzel. Dieses setzt sich zusammen aus einem relativ kleinen
Planetenritzel 49, einem größeren Ritzel 51 und einer Welle 52. Das Zahnrad 51 ist
als Flansching ausgebildet und an einen Kopf der Welle 52 angeschraubt. Das Zahnrad
49 ist auf das konische Ende 54 der Welle 52 aufgekeilt und wird durch die 'Mutter
55 gehalten.
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Die Wellen 52 haben zwei getrennte Lagerstellen, die sich in den Lagern
56 und 57 drehen, die beide in dem Gegengewicht 26 untergebracht sind. Das Verhältnis
der Teilkreisdurchmesser von 49 zu dem von 47 ist das gleiche wie dasjenige der
Teilkreisdurchmesser von 51 zu dem von 46. Folglich wird bei der Drehung der Welle
13 der Ring um deren Achse, jedoch nicht um seine eigene gedreht. Hieraus folgt,
daß alle Kolben 28 die gleiche Bewegungscharakteristik haben. Dies ist besonders
wichtig für alle Radialmotoren. Die Zahnräder 46, 47, 49 und 51 haben Schrägverzahnung
und laufen auf diese Weise ruhiger. Die Neigung der Zähne ist so gewählt, daß der
axiale Druck in dem Planetenritzel 49, 51, 52 ein Minimum wird.
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Durch die Befestigung der Lagerbolzen 38 in den Augen der Kolbenstangen
31 und deren Lagerung ober- und unterhalb einer jeden Stange, sind diese Stangen
genügend gehalten. In einer Maschine mit senkrechter Welle, wie sie die Zeichnungen
darstellen, wirkt jede Stange wie ein sich selbst tragender Ausleger. Zum Beispiel
wird die Stange 31 in Fig. 2 linker Hand von dem Bolzen 38 gehalten und iücht von
dem Kolben 28, mit dem er verbunden ist. Dies setzt den Kolbenverschleiß in einer
Vert:kalwellenmaschine beträchtlich herab. Die Anordnung wird für wertvoll gehalten
ohne Rücksicht auf die Lage der Welle i3, weil Schwingungen von nicht ausreichend
frei tragenden Kolbenstangen sich in der Übertragung von wesentlichen Seitendrücken
at:f den Kolben auswirken, wenn der Motor läuft.
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Planetengetriebe, die in Radialmaschinen einen Ring gegen Drehung
sichern, während er mit der
Kurbelwelle umläuft, sind bekannt, aber
die oben heschriebene Spezialbauart hat eine Anzahl wichtiger Vorteile. Die Verwendung
eines Sonnenrades, welches kleiner ist als das Bahnrad, erlaubt eine Verringerung
aller radialen Maße des Getriebes. Die Lage der Planetenritzelachse in eine Ebene
c;urch die Achse der Kurbelwelle und die des Kurbelzapfens ermöglicht, die Planetenritzel
in dem Gegengewicht und als dessen Teil unterzubringen. Folglich ändert sich dadurch
nichts an den Maßen und dem Gewicht der Maschine.
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In Fig. i befindet sich der linke, mit A bezeichnete Zylinder an seinem
Totpunkt. Die Rückstellung der Achse seines Lagerbolzens ist zu klein, Lim in Fig.
i deutlich sichtbar zu werden. Dementsprechend beziehen wir uns auf Fig. 7, in der
das Maß der Rückstellung übertrieben ist. Dieses Bild zeigt die Kurbel im Totpunkt.
Die Achse des Kolbenbolzens vom Kolben s ist mit B bezeichnet. Der Buchstabe C bedeutet
die Achse des Lagerbolzens 38. Angenommen, der Motor dreht sich im Uhrzeigersinn,
wie in Fig. 7 angegeben. Der Rückstellwinkel ist mit a bezeichnet; er wird gemessen
von der Linie aus, die das Zentrum der Kurbelwelle mit dem Zentrum des Kolbenbolzens
B verbindet. Gewöhnlich werden die Teile so montiert, C.aß die Achse des Bolzens
38 bei der weitesten Stellung des Zylinders auf dieser Linie liegt, d. h. a = o°.
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In Fig.7 zeigt das Schaubild die Kräfte, die negativ oder positiv
auf das Getriebe wirken. Auf der Abszisse ist der Umdrehungswinkel der Kurbel von
o bis 32,73° aufgetragen. Letzterer Winkel ist 1111 von 36o°, weil die hier dargestellte
Maschine i i Zylinder hat.
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Die mit a = o° bezeichnete Kurve gibt die veränderlichen Drücke auf
das Getriebe an, während sich die Kurbel um 32,73° dreht. Sie wiederholt sich bei
jeder neuen Drehung um den gleichen Winkel. Die Form der Kurve ist befriedigend,
aber die maximale Kraft auf das Getriebe liegt nahe bei 5ooo lbs (etwa
2270 kg).
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Die Rückstellung des Winkels um i° gibt die Kurve a = i°. Ihre Form
ist ein wenig ungünstiger als die Gier Kurve a = o°, aber das Kraftminimum ist auf
etwa 3a00 lbs (154o kg) vermindert worden.
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Die Kurve a = 2° ist schlechter als die beiden ersten, aber sie steigt
nur wenig über i5oo lbs (68o kg), und das Minimum ist 500 lbs (227 kg). Für die
hier gezeichnete Maschine wurde 2° als befriedigend angenommen. Der Motor könnte
nicht stets unter den gleichen Bedingungen arbeiten. Eine minimale Getriebelast
von 500 lbs würde jedenfalls verhüten, daß die Beanspruchung des Getriebes negativ
wird. Die Kurve a = 3° verläuft sowohl oberhalb als auch unterhalb o und zeigt daher
Beanspruchungen verschiedener Richtung an. Die Kurven a = 4° und a = 5° verlaufen
ganz im Negativen, doch die Form ist unbefriedigend und die Drücke sind zu hoch.
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Die Form der Belastungskurve wird sich mit der Zahl der Zylinder ändern
und mit den Werten des Indikatordiagramms. Es würden sich kennzeichnende Unterschied
zwischen einer Viertakt- und einer Zweitaktinascliine ergeben. Infolgedessen läßt
sich dafür keine mathematische Funktion ableiten. Möglich ist jedoch, den allgemeinen
Verlauf und das Vorhandensein kritischer Werte vorauszusagen, wie es oben geschehen
ist.
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Als allgemeine Regel kann gelten, daß Kurvenform und Belastungsamplitude
bei o° Rückstellwinkel (d. h. a = o°) besser sind, aber die Beanspruchung ,ist unerwiinscht
hoch. Mit wachsendem a gehen sowohl Maximum als auch Minimum zurück, aber das Minimum
sinkt schneller und vergrößert dadurch die Belastungsunterschiede. Der Grenzwert
von a ist derjenige, für welchen das Kraftminimum bei o liegen wurde. Es empfiehlt
sich in der Praxis, einen Arbeitsbereich zwischen dem Minimum und o aufrechtzuerhalten.
Die Größe dieses Bereiches wird bestimmt in erster Linie durch das Maß des Belastungsbereiches,
innerhalb dessen die Maschine arbeiten muß.
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Indem ein wesentlicher Teil der Erfindung eingehend beschrieben wurde,
sollte diese lediglich erläutert werden. Eine Begrenzung auf bestimmte Einzelheiten
ist damit nicht beabsichtigt. Das Wesen der Erfindung wird allein durch die Anzzprüche
erklärt.