DE902925C

DE902925C - Crank drive, especially for high-speed piston engines

Info

Publication number: DE902925C
Application number: DESCH3605D
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Herbert Sandmann
Original assignee: Schmidtsche Heissdampf GmbH
Current assignee: Schmidtsche Heissdampf GmbH
Priority date: 1944-09-19
Filing date: 1944-09-19
Publication date: 1954-01-28

Description

Kurbeltriebwerk, insbesondere für schnellaufende Kolbenmaschinen Die Erfindung bezieht sich auf ein Kurbeltriebwerk, insbesondere für schnellaufende Kolbenmaschinen. Die allgemein gebräuchlichen Kurbeltriebwerke besitzen eine Schubkurbel, auf welche die Bewegungen des Kolbens durch Kreuzkopf und Treibstange übertragen werden. Diese Triebwerksteile erhalten ein erhebliches Gewicht und bedingen eine große Bauhöhe bzw. Baulänge der Maschine. Weiterhin ist es notwendig, den Kolben in seinem Zylinder genau zu führen und zu dichten. Diese Verhältnisse sind für schnellaufende Kolbenmaschinen besonders nachteilig. Hinzu kommt noch, daß der Massenausgleich infolge der endlichen Treibstangenlänge nicht besonders günstig ist.Crank drive, especially for high-speed piston engines The invention relates to a crank drive, in particular for high-speed Piston engines. The commonly used crank drives have a slider crank, to which the movements of the piston are transmitted through the crosshead and drive rod will. These engine parts are given a considerable weight and require a large overall height or overall length of the machine. It is also necessary to use the piston to guide and to seal precisely in its cylinder. These ratios are for fast moving people Piston machines particularly disadvantageous. In addition, the mass balancing is not particularly favorable due to the finite length of the drive rod.

Die angegebenen Nachteile werden durch die Erfindung beseitigt, die darin besteht, daß als Kurbeltriebwerk für schnellaufende Kolbenmaschinen eine an sich bekannte Kreuzschleife verwendet wird und die Kolben als frei tragende Kolben ausgebildet werden, deren Stangen außerhalb der Zylinder geführt sind. Die Ausbildung der Kolben als frei tragende Kolben mit Spaltdichtung wird dadurch sichergestellt, daß bei Verwendung einer Kreuzschleife nach dem Vorschlag der Erfindung die dichtende Führung des Kolbens im Zylinder fortfallen kann, weil die Führung des Kolbens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung an die Kreuzschleife selbst oder gemäß einer anderen Ausführung der Erfindung an die Kolbenstange außerhalb des Zylinders verlegt werden kann. Die Verminderung des Gewichtes ergibt sich daraus, daß bei dem Triebwerk gemäß der Erfindung die sonst erforderliche Treibstange mit Kreuzkopf in der Kreuzschleife vereinigt ist. Weitere Gewichtsersparnisse sind zu erzielen durch Verwendung von Leichtmetall für die Kreuzschleife bzw. durch Zulassung von Werkstoffbeanspruchungen, wie sie sonst beim Bau von Leichtmotoren u. dgl. üblich sind. Die Kreuzschleife ist ferner bezüglich der Fertigung billiger als das Schubkurbelgetriebe. Gegenüber dem Schubkurbelgetriebe ergibt sich weiterhin eine wesentliche Verringerung der Bauhöhe bzw. Baulänge der Maschine und ein vollkommener Massenausgleich. Denn beim Kreuzschleifentriebwerk fallen die Massenkräfte zweiter Ordnung fort, die sich aus dem Lenkstangenverhältnis ergeben. Diese Massenkräfte sind nicht unbedeutend und betragen für die Schubkurbel bei einem Lenkstangenverhältnis z. B. von I:4,5 etwa 22% der Massenkräfte eines Triebwerkes mit unendlich langer Stange, wie es z. B. die Kreuzschleife ist. Die frei tragenden Kolben mit Spaltdichtung sind durch die Führung an der Kreuzschleife oder die Stangenführung einwandfrei getragen. Infolgedessen fällt die Arbeit der Kolbenreibung fort, und eine Schmierung der Kolben- bzw. Zylinderlauffläche ist nicht erforderlich.The specified disadvantages are eliminated by the invention consists in the fact that a crank drive for high-speed piston engines known cross loop is used and the piston as a cantilever piston are formed, the rods of which are guided outside the cylinder. Training the piston as a cantilever piston with gap seal is ensured, that when using a cross loop according to the proposal of the invention, the sealing Guide of the piston in the cylinder can be omitted because the guide of the piston according to an embodiment of the invention to the cross loop itself or according to one Another embodiment of the invention relocated to the piston rod outside the cylinder can be. The reduction in weight results from the fact that in the engine according to the invention the otherwise required connecting rod with cross head is united in the cross loop. Further weight savings can be achieved through the use of light metal for the cross loop or through approval of Material stresses that are otherwise common in the construction of light engines and the like are. The cross-loop is also cheaper to manufacture than the crank mechanism. Compared to the slider crank mechanism, there is still a significant reduction the overall height or overall length of the machine and a perfect mass balance. Because in the case of the cross-loop engine, the second-order inertial forces, which are mutually exclusive, disappear result from the handlebar ratio. These mass forces are not insignificant and amount to the crank at a handlebar ratio z. B. from I: 4.5 about 22% of the inertia forces of an engine with an infinitely long rod like it z. B. is the cross loop. The cantilever pistons with gap seals are through the guide on the cross loop or the rod guide worn properly. Consequently the work of piston friction is eliminated, and lubrication of the piston or cylinder running surface not necessary.

Die Kreuzschleife läßt sich als Kurbeltriebwerk für verschiedene Arten von Maschinen verwenden, z. B. bei stehenden einfach oder doppelt wirkenden Kolbenmaschinen, wie Dampfmaschinen oder Arbeitsmaschinen, bei Brennkraftmaschinen, bei Maschinenanlagen mit einem doppelt wirkenden Arbeitszylinder auf der einen Seite und einem Kraftzylinder auf der anderen Seite, wobei besonders günstige Verhältnisse für die Beanspruchung der Kreuzschleife sich einstellen. Eine solche Anordnung ist z. B. bei Verdichtern mit besonderem Vorteil zu verwenden.The cross loop can be used as a crank drive for different types use of machines, e.g. B. with standing single or double acting piston machines, like steam engines or work machines, in internal combustion engines, in machine systems with a double-acting working cylinder on one side and a power cylinder on the other hand, with particularly favorable conditions for the stress of the cross loop. Such an arrangement is e.g. B. in compressors to use with particular advantage.

Die Zeichnung stellt zwei beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes dar. Fig. I bis 3 zeigen die Anwendung der Erfindung bei einer stehenden Kolbenmaschine; Fig. I zeigt den Zylinder mit Kolbenstange und Kreuzschleife in einem senkrechten Achsenschnitt; Fig.2 ist ein senkrechter Achsenschnitt nach Linie II-II der Fig, I, und Fig. 3 ist eine Draufsicht auf die Kreuzschleife. Eine zweite Ausführungsform ist in den Fig.4, 5 und 6 gezeigt, und zwar bei einer liegenden Maschine mit zwei gegenüberliegenden Zylindern, deren Kolbenstangen auf eine zwischen den Zylindern angeordnete Kreuzschleife arbeiten; Fig.4 zeigt die Maschinenanordnung in einem senkrechten Achsenschnitt, teilweise in Ansicht; Fig.5 zeigt in der linken Hälfte die Kreuzschleifenanordnung in Draufsicht und in der rechten Hälfte im Schnitt nach Linie V-V der Fig. 4; Fig. 6 ist ein Schnitt nach Linie VI-VI der Fig.4; Fig.7 bis II zeigen weitere Anwendungsfälle bzw. Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes.The drawing represents two exemplary embodiments of the subject matter of the invention Fig. I to 3 show the application of the invention to a stationary piston engine; Fig. I shows the cylinder with piston rod and cross loop in a vertical Axial section; Fig. 2 is a vertical axial section along line II-II of Fig. I, and Fig. 3 is a top plan view of the cross bow. A second embodiment is shown in Figures 4, 5 and 6, namely with a horizontal machine with two opposing cylinders with their piston rods on one between the cylinders arranged cross loop work; Fig.4 shows the machine arrangement in one vertical axis section, partially in view; Fig.5 shows in the left half the cross-loop arrangement in plan view and in the right half in section Line V-V of Figure 4; Fig. 6 is a section on line VI-VI of Fig. 4; Fig. 7 to II show further applications or exemplary embodiments of the subject matter of the invention.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. I bis 3 wird der Kurbelzapfen I der in üblicher Weise ausgebildeten Kurbelwelle 2 von den beiden Hälften 3 und 4 des Steines für die Kreuzschleife umfaßt. Der Stein 3, 4 gleitet in der Kreuzschleife, die aus einem unteren Teil 5 und einem oberen Teil 6 besteht. Die Kreuzschleife gleitet mit Büchsen 7 auf seitlichen Führungsbolzen 8. Die Stange 9 des Kolbens 29 ist mit ihrem unteren Ende in die obere Hälfte 6 der Kreuzschleife eingeschraubt. Die beiden Schleifenhälften 5 und 6 werden durch Bolzen Io zusammengehalten. Beilagen II ermöglichen ein Nachstellen der Schleifenhälften bei einem Verschleiß der Steinhälften 3 und 4.In the embodiment according to FIGS. I to 3, the crank pin I the conventionally designed crankshaft 2 of the two halves 3 and 4 of the stone for the cross loop included. The stone 3, 4 slides in the cross loop, which consists of a lower part 5 and an upper part 6. The cross bow slides with bushings 7 on lateral guide pins 8. The rod 9 of the piston 29 is screwed with its lower end into the upper half 6 of the cross loop. The two loop halves 5 and 6 are held together by bolts Io. Side dishes II enable the loop halves to be readjusted when the stone halves are worn 3 and 4.

Die Führungsbolzen 8 werden außerhalb des Kurbelgehäuses I5 in eine obere Leiste I2 und eine untere Leiste I3 auf Paßsitz fertigmontiert und dann in das Gehäuse I5 eingebaut und nach dem Spiel des Kolbens 29 in seinem Zylinder 24 ausgerichtet. Zum Ausbauen der Kreuzschleife wird die untere Leiste I3 entfernt, worauf die Kreuzschleife nach unten herausgezogen werden kann. Das Gehäuse der Stopfbüchse I4 für den Zylinder 24 ist geteilt ausgeführt, um eine weitere Verkürzung der Bauhöhe der Maschine zu erzielen. Wenn die Ringe der Stopfbüchse I4 ausgewechselt werden sollen, wird das Stopfbüchsgehäuse heruntergelassen und auseinander genommen, worauf die Dichtungsringe freizugänglich sind.The guide pins 8 are outside of the crankcase I5 in a upper bar I2 and a lower bar I3 fully assembled with a snug fit and then in the housing I5 installed and after the clearance of the piston 29 in its cylinder 24 aligned. To remove the cross loop, the lower bar I3 is removed, whereupon the cross loop can be pulled out downwards. The housing of the stuffing box I4 for the cylinder 24 is designed to be divided in order to further shorten the overall height of the machine. When the rings of the gland I4 are replaced the stuffing box housing is lowered and taken apart, whereupon the sealing rings are freely accessible.

Die Schmierung des Kreuzschleifensteines erfolgt von der Kurbelwelle aus. Ist für die Führungsbolzen 8 der Kreuzschleife eine Kühlung erwünscht, so kann diese in der Weise bewirkt werden, daß durch die hohl ausgebildeten Bolzen 8 Kühlwasser geleitet wird. Man könnte aber auch das Druckschmieröl zur Kühlung heranziehen.The cross grinding stone is lubricated by the crankshaft the end. If cooling is desired for the guide pin 8 of the cross loop, then it can be these are effected in such a way that 8 cooling water through the hollow bolts is directed. But you could also use the pressure lubricating oil for cooling.

Der Kolben 29 am oberen Ende der Kolbenstange 9 im Zylinder 24 ist als frei tragender Kolben, z. B. entsprechend der Ausführung nach Fig. 4 ausgebildet.The piston 29 is at the upper end of the piston rod 9 in the cylinder 24 as a cantilever piston, e.g. B. formed according to the embodiment of FIG.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 bis 6 sind die gleichen Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.In the embodiment of FIGS. 4 to 6 are the same parts provided with the same reference numerals.

Die beiden Teile 5 und 6 der Kreuzschleife werden durch je zwei Paßschrauben I6 mit Abstandsbüchsen I7 zusammengezogen. Der Stein 3, 4 der Kreuzschleife ist zur Schaffung einer besseren Bearbeitungsmöglichkeit zylindrisch ausgebildet, wie aus Fig.5 zu ersehen ist. Zu beiden Seiten der Kreuzschleife 5, 6 ist je ein Dampfkolben I8, I9 vorgesehen, deren Stangen 2o und 2[i in den Kreuzschleifenteilen 5, und 6 befestigt sind. Der kleinere linke Kolben i8 kann beispielsweise der doppelt wirkende Hochdruckkolben und der größere Kolben i9 der :doppelt wirkende Niederdruckkolben einer Zweifachexpansionsdampfmaschine sein. Die Anordnung könnte aber auch so sein, daß der eine Kolben zu einer Dampfmaschine gehört und der andere Kolben etwa zu einem Verdichter. Die zwischen den Stopfbüchsen 14 der Zylinder 2-6,27 und der Kreuzschleife 5, 6 befindlichen Teile der Kolbenstangen 20 und 21 sind mit Führungslagern 22 und 23 versehen, von denen das linke Lager 23 vorteilhaft einstellbar ausgebildet ist. UmdieReibungsverhältnisse günstig zu gestalten, wird der Kurbelzapfen vorteilhaft am Stein, der Stein an der Kreuzschleife und die Kolbenstange an ihrer Führung durch Drucköl geschmiert. Die Schmierung der Stangenführung ist mit 28 bezeichnet. Die Kolben I8 und I9 sind mit besonders ausgestalteten Ringen 25 versehen, die kammartig gestaltet sind und eine in radialer Richtung begrenzte Spreizbewegung besitzen. Bis zum Einlaufen der Ringe werden nur die Enden der Kämme abgenutzt, wodurch erreicht wird, daß nach dem Einlaufen der Ringe nur ein sehr enger Spalt zwischen den Laufflächen der Zylinder 26, 27 und der Außenfläche der Ringkämme 25 verbleibt. Dieser Spalt ist wesentlich kleiner als der Spalt bei einem Labyrinthkolben, so daß eine sehr wirksame Abdichtung auch bei kleiner Baulänge des Kolbens erreicht wird und eine Schmierung der Zylinder-bzw. Kolbenlauffläche nicht erforderlich ist.The two parts 5 and 6 of the cross loop are pulled together by two fitting screws I6 with spacer sleeves I7. The stone 3, 4 of the cross loop is cylindrical in order to create a better processing possibility, as can be seen from FIG. A steam piston I8, I9 is provided on both sides of the cross-bow 5, 6, the rods 2o and 2 [i of which are fastened in the cross-bow parts 5, and 6. The smaller left piston i8 can, for example, be the double-acting high-pressure piston and the larger piston i9 the: double-acting low-pressure piston of a double expansion steam engine. The arrangement could also be such that one piston belongs to a steam engine and the other piston, for example, to a compressor. The parts of the piston rods 20 and 21 located between the stuffing boxes 14 of the cylinders 2-6, 27 and the cross loops 5, 6 are provided with guide bearings 22 and 23, of which the left bearing 23 is advantageously designed to be adjustable. In order to make the friction conditions favorable, the crank pin is advantageously lubricated on the stone, the stone on the cross loop and the piston rod on its guide by pressurized oil. The lubrication of the rod guide is denoted by 28. The pistons I8 and I9 are provided with specially designed rings 25 which are designed like a comb and have a spreading movement that is limited in the radial direction. Until the rings run in, only the ends of the combs are worn, which means that only a very narrow gap remains between the running surfaces of the cylinders 26, 27 and the outer surface of the ring combs 25 after the rings have run in. This gap is significantly smaller than the gap in a labyrinth piston, so that a very effective seal is achieved even with a small overall length of the piston and lubrication of the cylinder or cylinder. Piston running surface is not required.

Die Fig. 7 zeigt in einem senkrechten Querschnitt eine Maschine mit Kreuzschleifentriebwerk, bei der in einem gemeinsamen Arbeitszylinder 32 zwei Kolben 3o und 3I nebeneinander angeordnet sind. Die Kolbenstangen 35 und 36 sind mit einer gemeinsamen Kreuzschleife 5, 6 verbunden, die durch eine untere Stange 37 und eine obere Stange 38 geführt ist. Statt zwei Kolben könnten auch mehr Kolben in einem gemeinsamen Arbeitszylinder angeordnet sein. Der Vorteil der beschriebenen Anordnung liegt insbesondere darin, daß die Kolben 3o, 3I keinen Seitendruck aufzunehmen haben. Dieser wird vielmehr von der Stangenführung 37, 38 aufgenommen. Hieraus ergibt sich eine Verbesserung des mechanischen Wirkungsgrades der Maschine. Da die Kolben nur dichtend zu wirken brauchen, können sie kürzer gebaut werden. Das Triebwerk kann auch doppelt wirkend ausgebildet werden, ohne daß die Bauhöhe wesentlich vergrößert wird. Handelt es sich bei der Maschine um eine Brennkraftmaschine, so kann der untere Zylinderraum auch als Spülpumpe benutzt werden.Fig. 7 shows a machine in a vertical cross section Cross-loop engine in which two pistons are in a common working cylinder 32 3o and 3I are arranged side by side. The piston rods 35 and 36 are with a common cross loop 5, 6 connected by a lower rod 37 and a upper rod 38 is guided. Instead of two pistons, there could also be more pistons in one be arranged common working cylinder. The advantage of the arrangement described lies in the fact that the pistons 3o, 3I do not have to absorb any side pressure. Rather, it is received by the rod guide 37, 38. From this it follows an improvement in the mechanical efficiency of the machine. As the pistons only need to act as a seal, they can be made shorter. The engine can can also be designed to be double-acting without significantly increasing the overall height will. If the machine is an internal combustion engine, the lower Cylinder chamber can also be used as a flushing pump.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 ist die obere Stangenführung 38 für die Kreuzschleife, 5, 6 zwischen den beiden Zylindern 33 und 34 der Kolben 3o und 3I angeordnet, woraus sich eine Verkürzung der Bauhöhe gegenüber der Anordnung nach Fig. 7 ergibt.In the embodiment of Fig. 8 is the upper rod guide 38 for the cross loop, 5, 6 between the two cylinders 33 and 34 of the piston 3o and 3I arranged, which results in a shortening of the overall height compared to the arrangement according to Fig. 7 results.

In Fig. 9 ist die Kreuzschleife 5, an der die Stange 39 des Kolbens 3o angreift, an einer seitlichen Stange 4o geführt und zur Einführung des Steines 3,4 an einer Seite offen. Die Kreuzschleife 5 ist ungeteilt. Diese Anordnung eignet sich besonders für Maschinen mit kurzem Hub, wo nur kleine Kippmomente aufzunehmen sind.In Fig. 9, the cross loop 5, on which the rod 39 of the piston 3o attacks, guided on a side bar 4o and introducing the stone 3.4 open on one side. The cross loop 5 is undivided. This arrangement is suitable Particularly suitable for machines with a short stroke, where only small tilting moments can be accommodated are.

Die Fig. Io und II zeigen in einem senkrechten Schnitt und in Draufsicht ein Triebwerk für eine Zweiwellenmaschine mit stehenden Zylindern 33 und 34, deren Kolbenstangen 35 und 36 über je eine Kreuzschleife 5, 6 auf je eine Welle I und Ia wirken. Die Kreuzschleife 5, 6 des Zylinders 33 wirkt auf die Welle I, die durch ein Stirnradpaar 44, 45 mit der Welle Ia verbunden ist. Die hin und her gehenden und die umlaufenden Massen sind vollständig ausgeglichen, und zwar durch Gegengewichte. Die Kurbelzapfen der Wellen I und Ia sind um o° zueinander versetzt. Die Anordnung eignet sich mit besonderem Vorteil für hohe Drehzahlen. Zweckmäßig ist noch die Anordnung eines Schwungrades 46, damit auf das Ritzel der Hauptwelle stets ein positives Drehmoment wirkt. Bei zwei oder mehr Kurbelpaaren ist dieses Schwungrad nicht unbedingt erforderlich, da bei doppelt wirkenden Zylindern dann das Drehmoment stets positiv ist. Bei Dampfmaschinen mit zwei Kurbelpaaren empfiehlt sich eine Versetzung der Kurbelzapfen um 9o°, um ein sicheres Anfahren unter Last zu erreichen.Figs. Io and II show in a vertical section and in plan view an engine for a two-shaft machine with upright cylinders 33 and 34, whose Piston rods 35 and 36 each via a cross loop 5, 6 on each one shaft I and Yes work. The cross loop 5, 6 of the cylinder 33 acts on the shaft I, which through a pair of spur gears 44, 45 is connected to the shaft Ia. The going back and forth and the rotating masses are completely balanced by counterweights. The crank pins of shafts I and Ia are offset from one another by o °. The order is particularly suitable for high speeds. That is still useful Arrangement of a flywheel 46 so that the pinion of the main shaft is always positive Torque acts. If there are two or more pairs of cranks, this flywheel is not essential required, since the torque is always positive with double-acting cylinders is. In the case of steam engines with two pairs of cranks, it is advisable to move the Crank pin by 9o ° to achieve a safe start under load.

Durch den vollkommenen Ausgleich der Massen läuft die Maschine auch bei den höchsten Drehzahlen vollständig erschütterungsfrei. In der oberen und unteren Totlage treten keine freien Kräfte auf, weil bei der Kreuzschleife die Kräfte in beiden Totlagen die gleichen sind. Um 9o° hierzu versetzt heben sich die freien Kräfte der Gegengewichte gegenseitig auf, so daß die Kraft innerhalb des Maschinengehäuses abgefangen wird und außerhalb des Gehäuses keine freien Kräfte vorhanden sind, die Erschütterungen hervorrufen können.Because the masses are perfectly balanced, the machine also runs completely vibration-free at the highest speeds. In the upper and lower There are no free forces in dead position, because in the case of the cross loop the forces in both dead spots are the same. The free ones are offset by 90 ° Forces of the counterweights on each other, so that the force within the machine housing is intercepted and outside of the housing there are no free forces that Can cause vibrations.

Claims

PATENT CLAIMS: I. Crank drive, in particular for high-speed piston machines, characterized by the use of the cross-loop known per se for cantilever pistons, the rods of which are guided outside the cylinder.

2. Crank mechanism according to Claim I, characterized in that the pistons (I8, I9) connected by two opposing cylinders (26, 27) by a cross loop (5, 6) and the piston rods (2o, 2I) are guided on both sides of the cross loop (5, 6) (Bearings 22, 23) (Figs. 4 to 6).

3. Crank drive according to claim 2-, characterized in that that on one side of the cross loop (5, 6) a power piston (18), z. B. one double acting steam engine, and on the opposite side a working piston (i9) e.g. B. a compressor, is arranged (Fig, 4 to 6).

4. Crank mechanism according to claim i, in particular for stationary machines, characterized in that the cross loop (51, 6) is guided laterally on bolts (8) of the housing (15) (Fig. i to 3).

5. Crank drive according to claim i, characterized in that the cross loop (5, 6) with a cylindrical stone (3, 4) to achieve better processing options is provided (Fig. 5).

6. Crank drive according to claim i, characterized in that that two pistons or pairs of pistons working in the same sense each have a cross loop with a crank offset of o ° and compensating for the back and forth going and rotating masses by counterweights on two in opposite directions rotating shafts (i and ja) act, which are connected by a pair of spur gears (44, 45) are (Fig. io and i i).

7. Crank drive according to claim I, characterized characterized in that two or more pistons (3o, 3I) on a common cross loop (5,6) work, which is provided with an upper and lower guide (38, 37) (Fig.7 and 8).

8. Crank drive according to claim 7, characterized in that the upper Guide (38) for the cross loop (5, 6) moved between the cylinders (33, 34) is (Fig. 8).

9. Crank mechanism according to claim I, characterized in that the Cross loop on one side only, e.g. B. on a rod (4o) and introduced of the stone is open at the side (Fig. 9).