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Kolbenmaschine mit Taumelscheibe, insbesondere Brennkraftkolbenmaschine
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenmaschine mit zwei oder mehr beiderseits
der Hauptwelle angeordneten und mit ihren Achsen zur Hauptwelle parallel angeordneten
Kolbenzylindereinheiten, wobei der Antrieb von der Hauptwelle auf diese Einheiten
oder umgekehrt der Antrieb dieser Einheiten auf die Hauptwelle über eine Taumelscheibe
vor sich geht. Vorzugsweise bezieht sich die Erfindung auf Brennkraftkolbenmaschinen
der genannten Art zum Antrieb von Kraftfahrzeugen.
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Kolbenmaschinen mit den vorstehend genannten Merkmalen sind an sich
bekannt. Bei den bekannten Maschinen sind in der Regel zwischen der Taumelscheibe
und den Kolbenstangen der Kolbenzylindereinheiten Universalgelenke in Form von Kugelgelenken
od. dgl. vorgesehen, um die Bewegungen der Kolben der Kolbenzylindereinheiten von
den quer zur Achse dieser Einheiten gerichteten Bewegungskomponenten der Taumelscheibe
unabhängig zu machen. Dennoch wirken bei den bekannten Maschinen auf die Kolben
quer zu der zugehörigen Zylinderachse gerichtete Kräfte, durch welche die Reibung
der Kolben in ihren Zylindern wesentlich erhöht wird. Ferner wirkt auf die Taumelscheibe
immer eine Drehkraft, die bestrebt ist, die Taumelscheibe im Drehsinne der zugehörigen
Welle mitzunehmen, auch wenn zwischen Taumelscheibe
und Welle Rollenlager
oder ähnliche Lager eingeschaltet sind. Diese Drehkomponente wirkt ebenfalls auf
die Kolben der Kolbenzylindereinheiten, falls nicht besondere; in der Regel komplizierte
Mittel vorgesehen sind, um die Drehkomponente aufzunehmen, ehe sie auf die Kolben
wirken kann.
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Gemäß der Erfindung wird jede Übertragung von Querkräften auf die
Kolben der Kolbenzylindereinheiten weitgehend vermieden. Dies wird dadurch erreicht,
daß die Taumelscheibe von einem Ringkörper umschlossen ist, welcher einerseits mit
der Taumelscheibe durch zwei diametral entgegengesetzt gerichtete Drehzapfen verbunden
ist, deren gemeinsame Achse in der schräg liegenden Ebene der Taumelscheibe verläuft,
und welcher andererseits in der Verlängerung dieser Drehzapfen und -senkrecht zu
ihnen Anlenkachsen für die Schubstangen der Kolbenzylindereinheiten trägt; während
der gleiche Ringkörper in zwei anderen Drehzapfen, deren gemeinsame Achse senkrecht
zu der erstgenannten Achse steht und die Längsachse. der Hauptwelle schneidet, an
einem im Maschinengehäuse angebrachten und mindestens normalerweise feststehenden
Halter schwenkbar gelagert ist. Durch den Ringkörper und den Halter, an dem dieser
schwenkbar gelagert ist, werden die meisten quer zur Achse der Kolbenzylindereinheiten
wirkenden Kräfte direkt auf das Maschinengehäuse übertragen, ohne daß sie durch
die Kolben und die ZylinderderKolbeneinheitenhindurchgehen. Ferner ist es bei dem
Erfindungsgegenstand möglich, die Anlenkachsen, an denen die Schubstangen an dem
genannten Ringkörper angelenkt sind, als einfache zylindrische Drehzapfen auszubilden.
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Die erfindungsgemäß ausgebildete Kolben- -maschine ermöglicht auch
in besonders einfacher Weise eine Veränderung der Kolbenlänge durch gleichzeitige
Veränderung der Schräglage der Taumelscheibe und Verschiebung dieser Scheibe in
Richtung der Achse der Hauptwelle. Es genügt zu diesem Zweck, den Halter des die
Taumelscheibe umschließenden Ringes in Richtung der Achse der Hauptwelle verschiebbar
zu gestalten und gleichzeitig durch geeignete kinematische Mittel, z. B. durch ein
Lenkersystem, in an sich bekannter Weise die Schrägstellung der Taumelscheibe in
Abhängigkeit von ihrer Längsverschiebung zu verändern.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht,
und zwar zeigen Fig. i und 2 im Längsschnitt und im Querschnitt nach der Linie II-II
der Fig. i eine Brennkraftmaschine mit vier Zylindern gemäß der Erfindung, wobei
diese Zylinder zwei diametral entgegengesetzt liegende Gruppen bilden-,--
Fig. 3 stellt in Seitenansicht und im Schnitt für sich gezeichnete Einzelteile der
in Fig. i und 2 veranschaulichten Maschine dar; Fig. 4 und 5 zeigen zwei weitere
Ausführungsformen der in Fig. 3 dargestellten Einzelteile; Fig. 6 und 7 stellen
im Schnitt nach der Linie VI-VI der Fig. 7 und im Schnitt nach der Linie VII-VII
der Fig.6 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgebildeten Kolbenmaschine
mit vier Zylindergruppen dar.
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Die in der Zeichnung dargestellte Maschine ist eine Brennkraftmaschine,
vorzugsweise zum Antrieb von Kraftfahrzeugen.
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In dem Gestell i, das im ganzen genommen die Form eines hohlen, zylindrischen
Körpers hat, sind an dem einen Ende mehrere parallele oder annähernd parallele Hohlräume
vorgesehen, deren Achse sich parallel oder annähernd parallel zu der Längsachse
des Gestells erstreckt und die die Zylinder 2 bilden, die um die genannte Achse
verteilt sind. In jedem dieser Zylinder ist ein Kolben 3 angeordnet, der durch eine
gewöhnliche Schubstange4 an eine Vorrichtung mit Taumelscheibe 8 angeschlossen ist.
Das Ganze ist in einem Hohlraum 5 des Gestells i angeordnet. Wenn die Kolben 3 beim
Betrieb der Maschine in den Zylindern :2 arbeiten, schwingt die genannte Scheibe,
deren Achse durch die Linie g-A dargestellt ist, um eine theoretische Achse 6 (Fig.
i), die zu den Achsen der Zapfen q.1 der Schubstangen ,¢ parallel ist und die Längsachse
der Hauptwelle 14 schneidet. Die aus je einem Kolben und einem Zylinder bestehenden
Einheiten sind im Fall eines Vierzylindermotors mit Bezug auf die Schwingachse 6
derart angeordnet, daß immer zwei dieser Einheiten eine Gruppe mit gemeinsamer oder
getrennter Anlenkachse 41 bilden, wobei die beiden Gruppen beiderseits der Längsachse
der Hauptwelle und symmetrisch zu ihr liegen.
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Die obengenannte Vorrichtung mit Taumelscheibe besteht aus der gegenüber
der Achse der Hauptwelle 14 geneigt angeordneten ringförmigen eigentlichen Taumelscheibe
8 und einem diese Taumelscheibe umgebenden Ringkörper 7. Der Ringkörper 7 ist mit
der Taumelscheibe durch zwei diametral entgegengesetzt gerichtete Drehzapfen 12
verbunden, deren gemeinsame Achse B-B in der Symmetrieebene der Taumelscheibe liegt
und durch die Schwingachse 6 hindurchgeht, wobei die Achse B-B rechtwinklig zur
Achse A-A verläuft.
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Ferner ist der Ringkörper 7 in zwei anderen Drehzapfen 9, deren gemeinsame
Achse C-C senkrecht zur Achse B-B steht und mit der -Schwingachse 6 zusammenfällt,
an einem im Maschinengehäuse angebrachten Halter io schwenkbar gelagert, der beispielsweise
als Gabelgelenk ausgebildet ist. Schließlich trägt der Ring 7 in der Verlängerung
der Achse B-B die Anlenkachsen 41 der Schubstangen 4 der Kolbenzylindereinheiten,
wobei diese Schubstangen an den genannten Anlenkachsen in Stellen angreifen, die
beiderseits der Achse B-B und symmetrisch zu ihr liegen. Es besteht somit eine Kardanverbindung
zwischen den Zapfen 41 der Schubstange 4 und dem inneren Ring 8 einerseits und zwischen
dem letztgenannten und dem Gabelgelenk io andererseits, was dem Ring 8 Bewegungsfreiheit
in allen Richtungen sichert, während auf die Kolben 2 keine senkrecht zu ihrer Bewegungsachse
gerichtete Kraftkomponente wirkt.
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Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Halter
io nicht ständig ortsfest,
sondern ist in einer Ausnehmung i i des
Gestells i axial verstellbar gelagert, dagegen an einer Drehung um seine mit der
Hauptachse der Welle 14 zusammenfallende Achse durch geeignete, nicht dargestellte
Mittel, wie Nut und Feder, Reaktionsarme od. dgl., gehindert.
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Bei der in den Fig. i bis 3 dargestellten Ausführungsform der Erfindung
ist an demjenigen Ende des Gestells, das dem die Zylinder 2 aufnehmenden Ende entgegengesetzt
liegt, eine zentrale Durchbrechung 13 mit Spurlager 15 für die Hauptwelle 14 vorgesehen.
Die Hauptwelle ist mit Bezug auf das Gestell fest und trägt unter anderem ein Schwungrad
151. Das in den Hohlraum 5 hineinragende Ende der Welle 14 weist eine zylindrische
Längsbohrung zur Aufnahme einer Zwischenwelle i8 auf. die mit Bezug auf die Hauptwelle
14 axial verschiebbar ist, jedoch mit der letztgenannten im Drehsinne gekuppelt
ist. Diese letztgenannte Kupplung geschieht einerseits durch eine Querachse 17,
die in einem Schlitz ig der Zwischenwelle 18 gleitbar ist, oder durch irgendwelche
anderen gleichwertigen Mittel, wie Rinnen od. dgl., und/oder andererseits durch
das nachstehend beschriebene Lenkersystem.
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Die Taumelscheibe 8 ist auf der Zwischenwelle 18 mittels eines Trägers
2o gelagert, der die Form einer Hülse hat. Auf diesem Träger stützt sich die ringförmige
Taumelscheibe 8 mittels Rollen- oder Walzenlagern 21 oder mittels Gleitlagern ab.
Der Träger 2o ist mit der Zwischenwelle 18 einerseits durch Zapfen 201 (s.
Fig. 2 und 3) verbunden, so daß der Träger 2o an der Drehbewegung der Zwischenwelle
i8 teilnimmt, und andererseits ist der Träger durch einen Arm 27, eine Achse 22
und Lenker 23 an die Querachse 17 angeschlossen, die die Wellen 18 und 14 miteinander
verbindet. Die Verbindung 201-20-27-22-23-17 bildet das obenerwähnte Lenkersystem.
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Wenn das Gabelgelenk io durch eine Gleitbewegung gegenüber dem Gestell
in dem einen oder anderen Sinne verstellt wird, erhält man eine Translationsbewegung
der Taumelscheibe 8 und der Zwischenwelle i8 in dem gleichen Sinne, und zwar erfolgt
diese Mitnahme über .den Ring 7 und die Zapfen 12.
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Gleichzeitig mit der Verschiebebewegung der Taumelscheibe ergibt sich
eine Änderung der Neigung des Trägers 2o und der Scheibe 8, da der Träger durch
die Lenker 23 mit der in Längsrichtung festen Achse 17 verbunden ist. Da die Scheibe
8 durch die Schubstangen 4 mit den Kolben 3 verbunden ist, machen die letzten die
Translationsbewegung der Scheibe mit. Man erhält somit eine Maschine, bei der die
Kolbenhübe um eine für alle Kolben gleiche Strecke gleichzeitig veränderlich sind
und bei der die äußeren Totpunktstellungen der Kolben, d. h, die Totpunktstellungen,
bei denen die Kolben am weitesten vom Boden des zugehörigell Zylinders entfernt
sind, in Abhängigkeit von dem Hub einem bestimmten Gesetz folgen, was die Möglichkeit
gibt, dem Verdichtungsverhältnis bestimmte veränderliche Werte zu erteilen. In den
Fig. i und 3 ist der Träger 2o in zwei charakteristischen, voneinander wesentlich
verschiedenen Stellungen dargestellt, bei denen seine Neigungen gegenüber der Hauptwelle
ihren größten und kleinsten Wert haben, entsprechend dem kleinsten und größten Kolbenhub.
Um dem Träger 2o seine Schwingbewegungen gegenüber der Zwischenwelle 18 bei gleichzeitig
möglichst geringem Platzbedarf in radialer Richtung zu gestatten, sind in der Zwischenwelle
Einschnitte 24 vorgesehen, in die sich gewisse Teile des Trägers 2o hineinlegen,
wenn dieser stark geneigt ist.
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F ig. 4 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform, bei der die Hauptwelle
14 in der zentralen Bohrung i i des Gestells zwischen den Zylindern gelagert ist.
In diesem Fall ist die Verbindung im Drehsinne zwischen der Hauptwelle 14 und der
Zwischenwelle 18 durch ein Lenkersystem bewirkt, das aus einer Achse 171, die von
den mit der Welle 14 fest verbundenen Armen 26 getragen wird, und aus Lenkern 23
gebildet wird, welch letztere mittels Achsen 22 an Arme 271 angelenkt sind. Diese
Arme verlängern den eine veränderliche Neigung besitzenden Träger 2o.
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Man kann auch gemäß Fig. 5 eine der Fig.3 ähnliche Anordnung anwenden,
bei der die Lenker 23 und die Achse 17 durch einen oder zwei Arme 27= ersetzt sind,
die mit dem in seiner Neigung veränderlichen Träger 20 fest verbunden sind. Das
freie Ende des genannten Armes ist bei 29 an eine Hülse 3o angelenkt, die längs
einer Führung 31 gleitbar ist. Diese Führung ist zweckentsprechend geneigt und an
der Welle 14 befestigt, so daß sie sich mit dieser und mit der Zwischenwelle i8
dreht.
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An Stelle der vorstehend beschriebenen Einrichtungen kann selbstverständlich
jedes andere System treten, mit dessen Hilfe man durch eine axiale Verstellung des
Gabelgelenkes io gleichzeitig *die Längsverstellung der Zwischenwelle 18 und des
Trägers 20 sowie eine Änderung der Neigung dieses Trägers und der Scheibe 8 mit
einer Amplitude herbeiführen kann, die in unmittelbarer Abhängigkeit von der Größe
der Verschiebebewegung des Gabelgelenkes io steht.
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Um die axiale Verstellbewegung des Gabelgelenkes io herbeizuführen,
kann man zu den verschiedensten mechanischen, hydraulischen, pneumatischen, elektromechanischen
oder sonstigen servomotorischen Mitteln greifen, von denen in Fig. i ein Beispiel
gezeigt ist. Gemäß dieser Figur ist das Gabelgelenk io durch einen Rohrkörper 38
verlängert, der frei in die zentrale Bohrung ii des Gestells hineingreift. In dem
Hohlraum 33 dieses Körpers befindet sich eine Dichtung 35, die auf einem zweiten
Rohrkörper 36 aufruht, der mit dem Gestell i fest verbunden ist, und dessen Durchmesser
wesentlich geringer als der des ersten Rohrkörpers ist. Zwischen den Körpern 38
und 36 besteht also ein ringförmiger Zwischenraum 34, der an seinem einen Ende durch
die Dichtung 35 und all seinem anderen Ende durch eine Dichtung 37 verschlossen
ist, welch letztere mit dem Rohrkörper 38 fest verbunden ist.
Wenn
man in. dem ringförmigen, durch die Dichtungen 35 und 36 begrenzten Zwischenraum
34 einen Über- oder Unterdruck zur Wirkung bringt, indem man in ihn mittels einer
leicht von außen zu betätigenden, in der Zeichnung nicht dargestellten Steuerung
ein gasförmiges oder flüssiges Mittel einläßt, so erhält man eine axiale Verstellung
der Dichtung 37, welche einen hydraulischen oder pneumatischen Kolben bildet, und
mit ihr der Hülse 38 und des Gabelgelenkes io. Der Druck oder Unterdruck wird durch
die von den Motorkolben ausgeübte Reaktion oder, wenn notwendig, auch noch durch
eine oder mehrere Federn im Gleichgewicht gehalten. Gegebenenfalls kann man auch
eine doppelt wirkende Anordnung anwenden, indem man beispielsweise eine dritte,
nicht dargestellte Dichtung an der mit 33 bezeichneten Stelle vorsieht. Zwischen
der axial verstellbaren Hülse 38 und der Zwischenwelle 18 ist ein Lager 39 angeordnet,
um die Zwischenwelle zu zentrieren.
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Man kann die axiale Verstellung des Gabelgelenkes und infolgedessen
der Achse 6 auch dadurch erhalten, daß man für das Gelenk einen Antrieb mit Gewinde
oder Zahnstange in Zusammenarbeit mit einer Mutter oder einem Zahnrad vorsieht.
Die Fern- oder Nahsteuerung dieses Antriebes ist leicht von außen zugänglich und
kann selbst während des Arbeitens des Motors betätigt werden.
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Eine mit der Welle 18 feste Achse 32 dient zur Betätigung der
Steuerung der Zylinder 2 des Motors. Diese Steuerung geschieht durch irgendwelche
geeignete Mittel, z. B. durch Ventile, Drehschieber, durchbrochene Hähne usw. Diese
Mittel sind nicht dargestellt, weil sie zum Verständnis der Erfindung nicht notwendig
sind. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß man mittels der Verschiebebewegung der
Zwischenwelle 18 eine Veränderung der Winkellage des oder der für die Steuerung
benutzten Nocken mit Bezug auf die Zwischenwelle 18 herbeiführen kann. Man kann
ferner das nützliche Profil der Nocken dadurch ändern, daß man diese quer verschiebt,
wenn man die Zwischenwelle 18 in dem einen oder dem anderen Sinne verstellt.
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In den Fig. 6 und 7 ist ein Achtzylindermotor gemäß der Erfindung
dargestellt, wobei. die Zylinder vier um die Zylinderwelle angeordnete Gruppen von
je zwei Zylindern bilden. Auch in diesem Fall trägt der Träger 2o unter Zwischenschaltung
von Rollen od. dgl. eine ringförmige Taumelscheibe 8, die durch horizontale Zapfen
i21 an den senkrechten Seiten eines rechtwinkligen Rahmens 7, der dem Ringkörper
7 der Fig. i und 2 entspricht, gelenkig befestigt ist. Die genannten Seiten tragen
gleichfalls die Anlenkachsen 41 der Schubstangen 4 der seitlichen Zylinderpaare.
Die Taumelscheibe 8 ist ferner durch senkrechte Zapfen 122 an die waagerechten Seiten
eines zweiten rechtwinkligen Rahmens 71 angelenkt; die letztgenannten Seiten tragen
auch noch die Anlenkachsen 42 der Schubstangen 4 der oberen und unteren Zylinderpaare.
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Die waagerechten Seiten des Rahmens 7 sind durch Zapfen 9 mit einer
Hülse ioi gelenkig verbunden, die dem Gabelgelenk io der Fig. i und 2 entspricht.
Die senkrechten Seiten des Rahmens 71 sind durch Zapfen 91 an derselben Hülse ioi
angelenkt. Die beiden oben beschriebenen Rahmen, mit deren Hilfe die Kolbenkräfte
der acht Zylinder auf die Taumelscheibe und ihren Träger 2o übertragen werden, sind
so miteinander verbunden. Um zu verhindern, daß sich die beiden Rahmen 7 und 71
bei ihren gegenseitigen Bewegungen stören, ist es notwendig, ihnen eine geeignete,
nicht ebene Form zu geben, wie dies aus Fig. 7 ersichtlich ist.
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Der Gegenstand der Erfindung kann mit den gleichen Wirkungen und Vorteilen
auch bei Dampf-oder Arbeitsmaschinen, wie Pumpen, Kompressoren, aus Pumpe und Motor
zusammengesetzten Ganzen usw., Anwendung finden.
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In allen Fällen kann die Steuerung zur Hubregelung von Hand geschehen
oder halb- oder ganzautomatisch sein. Diese Steuerung kann ähnlich den Steuerungen
sein, die schon für die selbsttätige oder nichtselbsttätige Regelung von Geschwindigkeitswechselgetrieben,
Motoren oder gewissen Werkzeugmaschinen vorgeschlagen worden sind.
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Es sei nochmals betont, daß-im vorstehenden nur Ausführungsbeispiele
der Erfindung beschrieben sind, auf welche diese nicht beschränkt ist. So können
z. B. in dem Fall, in dem die Relativbewegung zwischen der Hauptwelle und dem Halter
der Taumelscheibe aufrechterhalten bleibt, die Hauptwelle und die mit ihr verbundenen
Teile ein ortsfest oder nicht umlaufendes Ganzes bilden, während das Gestell, die
Zylinder und die mit ihnen festen Teile eine Drehbewegung um das genannte feste
Ganze machen.