EP3088701B1 - Kolben mit schwenklagern und doppelkurbelwellen-kolbenmaschine - Google Patents

Kolben mit schwenklagern und doppelkurbelwellen-kolbenmaschine Download PDF

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EP3088701B1
EP3088701B1 EP16000960.1A EP16000960A EP3088701B1 EP 3088701 B1 EP3088701 B1 EP 3088701B1 EP 16000960 A EP16000960 A EP 16000960A EP 3088701 B1 EP3088701 B1 EP 3088701B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
connecting rod
bearing
wall portions
bearing element
Prior art date
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Active
Application number
EP16000960.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP3088701A1 (de
Inventor
Helmut Betzmeier
John David Kirk
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Neander Motors AG
Original Assignee
Neander Motors AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Neander Motors AG filed Critical Neander Motors AG
Publication of EP3088701A1 publication Critical patent/EP3088701A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3088701B1 publication Critical patent/EP3088701B1/de
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Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/06—Engines with means for equalising torque
    • F02B75/065—Engines with means for equalising torque with double connecting rods or crankshafts

Definitions

  • the present invention relates to a piston, in particular for a piston-cylin- unit, with two pivot bearings for articulated mounting each of a connecting rod on the piston according to the preamble of claim 1. It further relates to a double crankshaft piston engine.
  • a problem with double crankshaft reciprocating engines is to synchronize the two rotating crankshafts with each other.
  • each of the crankshafts for example, provided with a synchronization gear, wherein the synchronization gears are engaged with each other.
  • a clearance between the intermeshing teeth of the synchronization gears occur, which in turn a slight asymmetry of the circulation of the crankshafts causes, whereby an undesirable tilting of the piston in the cylinder can be caused.
  • the BE 423799 deals with a reciprocating engine in which two connecting rods are mounted on a reciprocating piston. These interact on the one hand with two crankshafts, which rotate in opposite directions.
  • the piston-side connecting rods of the connecting rods are interposed piston pin with a bearing element which is inserted in a rotatable relative to a bore of the piston.
  • Object of the present invention is to provide a generic piston, which is designed for a double crankshaft piston engine and which is tolerant to a wear-related asymmetrical barrel of the piston drive.
  • a further object is to provide a double crankshaft piston engine which is tolerant of a wear-related slightly asymmetrical running of the two crankshafts.
  • the pivot bearings are provided on a bearing element which is pivotally mounted on the piston about a Lagerschwenkachse, which runs parallel to the connecting rod pivot axes.
  • This according to the invention additionally provided over the prior art bearing element can rotate in a nonuniformity of the connecting rod, so with an asymmetry of the circulation of the crankshaft, relative to the piston and thus compensates for the asymmetry of the circulation of the two crankshafts, without the piston with its piston longitudinal axis is tilted with respect to the cylinder axis.
  • a double crankshaft piston engine according to the present invention is shown with a piston 1 according to the invention, in a provided with a cylinder head 20 cylinder 2 along the, ideally, the piston axis corresponding cylinder axis X is received axially displaceable.
  • a compression space 22 is formed inside the cylinder 2, bounded by the cylinder 2 with its cylinder head 22 and a piston head 18 of the piston 1, a compression space 22 is formed.
  • the piston 1 and the cylinder 2 form a piston-cylinder unit of the double crankshaft piston engine, which may be designed either as an internal combustion engine or as a compressor.
  • the invention is not limited to a double crankshaft piston engine with only one piston-cylinder unit.
  • the machine may also have more than one such piston-cylinder unit.
  • Such reciprocating engines are well known to those skilled in the art, so that general components, such as valves or a valve control are not shown in the figures.
  • Fig. 1 are further shown two crankshafts 3 and 4 of the crank mechanism of the double crankshaft piston engine, each having a synchronization gear 30, 40.
  • the axes of rotation Y1, Y2 of the two crankshafts 3, 4 are parallel to a cylinder center plane E2 and with respect to this laterally offset, ie on opposite sides of the cylinder center plane E2, located.
  • the synchronizing gears 30, 40 mesh with each other and simultaneously rotate in opposite directions at the same rotational speed (synchronous), as indicated by the arrows R1 and R2.
  • a bearing pin 32, 42 is formed eccentrically to the rotation axis Y1, Y2 of the respective crankshaft 3, 4, on each of which a connecting rod 5, 6 with a connecting rod eye formed at its lower end 50, 60 is rotatably mounted about a lower Pleuelaugenachse Y3, Y4.
  • the upper, piston-side connecting rod trunnions 14, 16 thus form pivot bearings 55, 65 for the articulated mounting of a respective connecting rod 5, 6 on the piston 1.
  • the upper, piston-side connecting rod trunnions 14, 16 are provided in a bearing element 12 pivotably mounted in the piston body 10.
  • the pivot axis Y7 of the bearing element 12 extends parallel to the pivot axes Y5 and Y6 of the upper pivot bearings 55, 65 of the connecting rods 5, 6.
  • the bearing pivot axis Y7 is located at the center of the connecting rod pivot axes Y5, Y6 in the pivot plane E1 interconnecting straight line G and is therefore equally spaced from the two Pleuelschwenkachsen Y5, Y6.
  • the bearing element 12 has a circular cylindrical outer contour 13 whose center of the circle lies on the axis Y7. With this circular outer contour 13, the cylindrically shaped bearing element 12 is rotatably received in an adapted bore 15 in a lower region of the piston 1.
  • the bore 15 is in a lower web portion 17 of the piston 1 facing the crank drive educated. This web portion 17 lies on the side facing away from the piston head 18 of the piston 1 side.
  • the bearing element 12 has two end wall sections 12 ', 12 "facing away from one another, which are spaced apart in the direction of the pivot axis Y6 of the bearing element 12 and form a gap in which the respective connecting rod 5, 6 engages with its piston-side end section 14, 16 extend between the two wall sections 12 ', 12 "of the bearing element 12.
  • the wall sections 12 ', 12 are interconnected via an upper web 120, a lower web 121 and lateral peripheral wall sections 122, 123.
  • the wall sections 12 ', 12 are interconnected via an upper web 120, a lower web 121 and lateral peripheral wall sections 122, 123.
  • Through openings 124, 125 are formed for the respective connecting rod shank 52, 62 of the connecting rod 5, 6.
  • the extent of the passage openings 124, 125 in the circumferential direction of the bearing element 12 is dimensioned such that the connecting rods 5, 6 neither pivot about the axes Y5, Y6 during their pivotal movement be obstructed by the lower central web 121, nor by the lateral peripheral wall sections 122, 123.
  • the piston 1 is conventionally provided with piston rings 10 ', 10 ", the construction and operation of which will not be further explained here, since it is generally known to the person skilled in the art. which can be in sliding friction with the bore of the cylinder 2 and the piston 1 can be supported in this way against a possible tilting movement transverse to the piston and cylinder axis X on the cylinder inner wall 21.
  • Fig. 3 shows a modified embodiment of the piston and the piston machine, in which the bearing element 212 is provided as an annular disc with a central, concentric to the axis Y7 bore 213.
  • the lower land portion 217 of the piston 201 is provided with a cylindrical journal 215 extending with its axis coaxial with the axis Y7 and on the radially outer periphery 215 'of the inner circumference 212 "of the annular disk body 212' of the bearing member 212 is rotatably mounted.
  • the upper pivot bearings 255, 265 of the connecting rods 205, 206 are formed as in the first embodiment with provided on the bearing element 212 connecting rod journal 214, 216, which are located on both sides of the central bore 213 of the bearing element 212 with respect to the piston and cylinder axis X and with their respective Axis Y5, Y6 extend parallel to the axis Y7.
  • Fig. 4 shows a further embodiment of a piston not according to the invention and a piston machine not according to the invention, in which the bearing element 312 has the shape of two adjacent in the region of the piston and cylinder axis X and interconnected circular segment sections 312A, 312B.
  • the bearing element 312 therefore has a body 312 'of bone-like shape, on whose lateral outer sides circular cylindrical segment-like surface portions 312 ", 312''' are formed whose radius of curvature lies on the pivot axis Y7 of the bearing element 312.
  • the under web portion 317 of the piston 301 is similar to the embodiment of the Fig. 1 , provided with an aperture 315 which extends in the direction of the axis Y7.
  • This breakthrough opening 315 has two lateral circular cylinder segment-like curved inner surfaces 315 ', 315 "whose radius of curvature lies on the axis Y7, such that the curvature of these lateral surfaces 315 ', 315 "corresponds to the curvature of the circular cylinder segment-like surface portions 312", 312'"of the bearing element 312.
  • the length of the curved inner surfaces 315 ', 315 "in the direction of curvature is greater than the length of the curved surface portions 312", 312''' of the bearing element 312 and also the vertical dimensions (in the direction of the axis X) of the aperture 315 are greater than the vertical dimensions Dimensions of the bearing element 312, so that above and below the inserted into the aperture opening 315 bearing member 312 is sufficient space so that the bearing element 312 in the through hole 315 can perform a swinging pivotal movement about the axis Y7.
  • the upper pivot bearings 355, 365 of the connecting rods 305, 306 are formed as in the first embodiment with arranged on the bearing element 312 connecting rod trunnions 314, 316 which are located on both sides of the axis Y7 with respect to the piston and cylinder axis X and their axes Y5, Y6 parallel extend to the axis Y7.
  • Fig. 5 The operation of the piston engine of the piston engine with the piston according to the invention will be described below with reference to Fig. 5 explained.
  • the in Fig. 5 shown piston engine corresponds in its construction to the Fig. 1 , so that the same reference numerals as in the Fig. 1 be used.
  • angles ⁇ 1 and ⁇ 2 are identical as in the embodiment of FIG Fig. 1 is shown.
  • no pendulum movement of the bearing body 12 occurs in the bore 15 of the piston 1 until a occurring between the teeth of the synchronization gears 30, 40 wear leads to the asymmetry already described, the circulation of the crankshafts 3, 4.
  • the bearing member 12 does not move relative to the piston 1, so if no oscillating pivoting movement takes place, it may be due to bearing pressure to deformation of the bearing surfaces between the outer peripheral surface of the bearing element 12 and the inner peripheral surface of the bore 15, the relative pivoting of the bearing element 12th obstructed or even impossible with respect to the piston 1.
  • the invention is not limited to the above embodiment, which is merely the general explanation of Core idea of the invention is used. Within the scope of protection, the device according to the invention may also assume other than the above-described embodiments.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben, insbesondere für eine Kolben-Zyliner-Einheit, mit zwei Schwenklagern zur gelenkigen Lagerung jeweils eines Pleuels am Kolben gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sie betrifft weiterhin eine Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine.
    • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Ein Problem bei Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschinen ist es, die beiden umlaufenden Kurbelwellen miteinander zu sychronisieren. Dabei ist jede der Kurbelwellen beispielsweise mit einem Synchronisationszahnrad versehen, wobei die Synchronisationszahnräder miteinander im Eingriff stehen. Durch thermische Einflüsse während des Betriebs der Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine oder auch durch Verschleiß an den Zahnflanken der Synchronisationszahnräder kann ein Spiel zwischen den miteinander kämmenden Zähnen der Synchronisationszahnräder auftreten, welches wiederum eine geringfügige Asymmetrie des Umlaufs der Kurbelwellen hervorruft, wodurch ein unerwünschtes Kippen des Kolbens im Zylinder verursacht werden kann. Bei einer derartigen Asymmetrie des Umlaufs der Kurbelwellen laufen die Kurbelwellen und mit ihnen der gesamte Kurbeltrieb zwar noch zeitlich synchonisiert gegenläufig um, doch eilt eine der Kurbelwellen gegenüber der anderen Kurbelwelle beim Umlauf vor, so dass die kurbelwellenseitigen Pleuellagerachsen nicht zeitgleich, sondern nacheinander ihren oberen Totpunkt erreichen. Dies wiederum führt dazu, dass auch die kolbenseitigen Pleuellager zeitlich nacheinander ihren oberen Totpunkt erreichen, was zu einer Kippbewegung im Kolben führt. Dieser Vorlauf der einen Kurbelwelle gegenüber der anderen Kurbelwelle gilt selbstverständlich für den gesamten Umlauf der synchronisierten und daher mit gleicher Geschwindigkeit umlaufenden Kurbelwellen, was in dieser Anmeldung als "Asymmetrie des Umlaufs der Kurbelwellen" bezeichnet wird. Durch diese Asymmetrie wird, wie bereits dargelegt worden ist, im oberen Totpunkt des Kolbens ein Kippmoment zu einer Seite hin auf den Kolben hin ausgeübt und im unteren Totpunkt des Kolbens ein entsprechendes Kippmoment zur anderen Seite. Der Kolben beschreibt daher bei seiner Aufwärts- und Abwärts-Bewegung gleichzeitig eine sich im jeweiligen Totpunkt umkehrende Kippbewegung zur einen Seite und zur anderen Seite in der Ebene, die die Kurbelwellenachsen rechtwinklig schneidet.
    • STAND DER TECHNIK
  • Um dieses Problem zu lösen, wird in der US 2010/0077984 A1 vorgeschlagen, zur Vermeidung eines Spiels zwischen den Zahnflanken die beiden Kurbelwellen in einem gemeinsamen Lagerblock zu lagern und das Material des Lagerblocks sowie das Material der Kurbelwellen und der Synchronisationszahnräder bezüglich ihres thermischen Ausdehnungskoeffizienten so auszuwählen, dass die thermische Ausdehnung des Lagerblocks zwischen den beiden Rotationsachsen der Kurbelwellen im wesentlichen identisch mit der thermischen Ausdehnung der Synchronisationszahnräder ist. Der konstruktive Aufwand hierfür ist jedoch nicht unerheblich.
  • Aus der DE 10 2006 060 660 A1 ist ein verstellbarer Lagerstuhl für eine Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine bekannt, bei der der Abstand zwischen den Kurbelwellenachsen verstellbar ausgebildet ist, sodass auf diese Weise ein unerwünschtes Lagerspiel und Zahnflankenspiel beseitigt werden kann. Auch diese Lösung ist von der technischen Umsetzung her verhältnismäßig aufwändig.
  • Aus der DE 10 2006 036 827 A1 ist es bekannt, bei einer Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine einen Kolben mit einer balligen Außenkontur vorzusehen. Dieser Kolben toleriert ein bei einer Asymmetrie des Umlaufs der Kurbelwellen auftretendes geringfügiges Verkippen der Kolbenlängsachse gegenüber der Zylinderlängsachse, ohne dass es zu einem Verklemmen des Kolbens im Zylinder oder zu einer erhöhten Reibung kommt.
  • Die BE 423799 behandelt eine Hubkolbenmaschine, bei der an einem Hubkolben zwei Pleuel gelagert sind. Diese wirken einerseits mit zwei Kurbelwellen zusammen, die sich in entgegengesetzten Richtungen drehen. Die kolbenseitigen Pleuelaugen der Pleuel sind unter Zwischenschaltung Kolbenbolzen mit einem Lagerelement, das in eine Bohrung des Kolbens relativdrehbar eingesetzt ist.
    • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Kolben anzugeben, der für eine Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine ausgelegt ist und der tolerant ist gegenüber einem verschleißbedingten unsymmetrischen Lauf des Kolbentriebs. Eine weitere Aufgabe ist es, eine Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine anzugeben, die gegenüber eines verschleißbedingten geringfügig unsymmetrischen Laufs der beiden Kurbelwellen tolerant ist.
  • Die auf den Kolben gerichetete Aufgabe wird gelöst durch den im Patentanspruch 1 angegebenen Kolben.
  • Bei diesem Kolben, der mit zwei Schwenklagern zur gelenkigen Lagerung jeweils eines Pleuels um eine jeweilige Pleuelschwenkachse versehen ist, wobei die Pleuelschwenkachsen parallel zueinander und seitlich voneinander beabstandet verlaufen, sind die Schwenklager an einem Lagerelement vorgesehen, welches am Kolben um eine Lagerschwenkachse schwenkbar gelagert ist, die parallel zu den Pleuelschwenkachsen verläuft.
    • VORTEILE
  • Dieses erfindungsgemäß gegenüber dem Stand der Technik zusätzlich vorgesehene Lagerelement kann sich bei einem Ungleichlauf der Pleuel, also bei einer Asymmetrie des Umlaufs der Kurbelwellen, gegenüber dem Kolben verdrehen und kompensiert somit die Asymmetrie des Umlaufs der beiden Kurbelwellen, ohne dass der Kolben dabei mit seiner Kolbenlängsachse bezüglich der Zylinderlängsachse verkippt wird.
    • KURZBESCHREIBUNGDER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In dieser zeigt:
    • Fig. 1
    eine teilweise geschnittene Stirnansicht einer Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine mit einem erfindungsgemäßen Kolben;
    Fig. 2
    einen Vertikalschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1;
    Fig. 3
    eine teilweise geschnittene Stirnansicht einer zweiten Ausführungsform eines nicht erfindungsgemäßen Kolbens;
    Fig. 4
    eine teilweise geschnittene Stirnansicht einer dritten Ausführungsform eines nicht erfindungsgemäßen Kolbens und
    Fig. 5
    eine Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung bei geringfügiger Asynchronität des Kurbeltriebs.
    DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
  • In Fig. 1 ist eine Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem erfindungsgemäßen Kolben 1 gezeigt, der in einem mit einem Zylinderkopf 20 versehenen Zylinder 2 entlang der im Idealfall der Kolbenachse entsprechenden Zylinderachse X axial verschieblich aufgenommen ist. Im Inneren des Zylinders 2 ist, begrenzt vom Zylinder 2 mit seinem Zylinderkopf 22 und einem Kolbenboden 18 des Kolbens1, ein Kompressionsraum 22 gebildet. Der Kolben 1 und der Zylinder 2 bilden eine Kolben-Zylinder-Einheit der Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine, die entweder als Brennkraftmaschine oder als Kompressor ausgebildet sein kann. Die Erfindung ist nicht auf eine Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine mit nur einer Kolben-Zylinder-Einheit beschränkt. Die Maschine kann auch mehr als eine derartige Kolben-Zylinder-Einheit aufweisen. Derartige Kolbenmaschinen sind dem Fachmann hinlänglich bekannt, so dass allgemeine Bauelemente, wie beispielsweise Ventile oder eine Ventilsteuerung nicht in den Figuren dargestellt sind.
  • In Fig. 1 sind weiterhin zwei Kurbelwellen 3 und 4 des Kurbeltriebs der Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine gezeigt, die jeweils ein Synchronisationszahnrad 30, 40 aufweisen. Die Drehachsen Y1, Y2 der beiden Kurbelwellen 3, 4 verlaufen parallel zu einer Zylinder-Mittelebene E2 und sind bezüglich dieser seitlich versetzt, also auf voneinander abgewandten Seiten der Zylinder-Mittelebene E2, gelegen. Die Synchronisationszahnräder 30, 40 stehen miteinander im kämmenden Eingriff und drehen sich gleichzeitig mit derselben Umlaufgeschwindigkeit (synchron) in entgegengesetzten Richtungen, wie durch die Pfeile R1 und R2 symbolisiert ist.
  • An der jeweiligen Kurbelwelle 3, 4 oder am jeweiligen Synchronisationszahnrad 30, 40 ist exzentrisch zur Drehachse Y1, Y2 der jeweiligen Kurbelwelle 3, 4 ein Lagerzapfen 32, 42 ausgebildet, auf dem jeweils ein Pleuel 5, 6 mit einem an seinem unteren Ende ausgebildeten Pleuelauge 50, 60 um eine untere Pleuelaugenachse Y3, Y4 drehbar gelagert ist.
  • Vom unteren Pleuelauge 50, 60 erstreckt sich jeweils ein Pleuelschaft 52, 62 des jeweiligen Pleuels 5, 6 nach oben zum Kolben 1. An seinem oberen, kolbenseitigen Ende ist das jeweilige Pleuel 5, 6 mit einem oberen Pleuelauge 54, 64 versehen, welches jeweils auf einem kolbenseitigen Pleuelzapfen 14, 16 um eine zugeordnete obere Pleuelschwenkachse oder Pleuelaugenachse Y5, Y6 in einer die Pleuelschwenkachsen rechtwinklig schneidenden Schwenkebene E1 schwenkbar gelagert ist.
  • Die oberen, kolbenseitigen Pleuellagerzapfen 14, 16 bilden somit Schwenklager 55, 65 zur gelenkigen Lagerung jeweils eines Pleuels 5, 6 am Kolben 1.
  • Die oberen, kolbenseitigen Pleuellagerzapfen 14, 16 sind in einem im Kolbenkörper 10 schwenkbar gelagerten Lagerelement 12 vorgesehen. Die Schwenkachse Y7 des Lagerelements 12 verläuft parallel zu den Schwenkachsen Y5 und Y6 der oberen Schwenklager 55, 65 der Pleuel 5, 6.
  • Die Lagerschwenkachse Y7 liegt auf der Mitte einer die Pleuelschwenkachsen Y5, Y6 in der Schwenkebene E1 miteinander verbindenden Geraden G und ist somit von beiden Pleuelschwenkachsen Y5, Y6 gleich beabstandet.
  • Der Aufbau des Lagerelements 12 wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 erläutert.
  • Das Lagerelement 12 besitzt eine kreisförmige zylindrische Außenkontur 13, deren Kreismittelpunkt auf der Achse Y7 liegt. Mit dieser kreisförmigen Außenkontur 13 ist das zylindrisch ausgebildete Lagerelement 12 in einer angepassten Bohrung 15 in einem unteren Bereich des Kolbens 1 drehbar aufgenommen. Die Bohrung 15 ist in einem dem Kurbeltrieb zugewandten unteren Stegabschnitt 17 des Kolbens 1 ausgebildet. Dieser Stegabschnitt 17 liegt auf der vom Kolbenboden 18 des Kolbens 1 abgewandten Seite.
  • Das Lagerelement 12 besitzt zwei voneinander abgewandte, stirnseitige Wandabschnitte 12', 12", die in Richtung der Schwenkachse Y6 des Lagerelements 12 voneinander beabstandet sind und einen Zwischenraum bilden, in welchen das jeweilige Pleuel 5, 6 mit seinem kolbenseitigen Endabschnitt eingreift. Die kolbenseitigen Pleuellagerzapfen 14, 16 erstrecken sich zwischen den beiden Wandabschnitten 12', 12" des Lagerelements 12.
  • Im Bereich des Umfangs des Lagerelements 12 sind die Wandabschnitte 12', 12" über einen oberen Steg 120, einen unteren Steg 121 sowie seitliche Umfangswandabschnitte 122, 123 miteinander verbunden. Entlang des Umfangs sind zwischen dem unteren Steg 121 und den jeweiligen Umfangswandabschnitten 122, 123 Durchtrittsöffnungen 124, 125 für den jeweiligen Pleuelschaft 52, 62 des Pleuels 5, 6 ausgebildet. Die Erstreckung der Durchtrittsöffnungen 124, 125 in Umfangsrichtung des Lagerelements 12 ist derart bemessen, dass die Pleuel 5, 6 bei ihrer Schwenkbewegung um die Achsen Y5, Y6 weder durch den unteren mittleren Steg 121, noch durch die seitlichen Umfangswandabschnitte 122, 123 behindert werden.
  • Der Kolben 1 ist in herkömmlicher Weise mit Kolbenringen 10', 10" versehen, deren Aufbau und Funktionsweise hier nicht weiter erläutert wird, da sie dem Fachmann allgemein bekannt ist. Der Kolben 1 weist weiterhin in seinem unteren Bereich Kolbenhemdabschnitte 11, 11' auf, die in Gleitreibung mit der Bohrung des Zylinders 2 stehen können und den Kolben 1 auf diese Weise gegen eine mögliche Kippbewegung quer zur Kolben- und Zylinderachse X an der Zylinderinnenwand 21 abstützen können.
  • Fig. 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des Kolbens und der Kolbenmaschine, bei welcher das Lagerelement 212 als ringförmige Scheibe mit einer zentralen, zur Achse Y7 konzentrischen Bohrung 213 versehen ist. Der untere Stegabschnitt 217 des Kolbens 201 ist mit einem zylindrischen Lagerzapfen 215 versehen, der sich mit seiner Achse koaxial zur Achse Y7 erstreckt und auf dessen radialem Außenumfang 215' der Innenumfang 212" des ringförmigen Scheibenkörpers 212' des Lagerelements 212 drehbar gelagert ist.
  • Die oberen Schwenklager 255, 265 der Pleuel 205, 206 sind wie im ersten Ausführungsbeispiel mit am Lagerelement 212 vorgesehenen Pleuellagerzapfen 214, 216 ausgebildet, die bezüglich der Kolben- und Zylinderachse X beiderseits der zentralen Bohrung 213 des Lagerelements 212 gelegen sind und sich mit ihrer jeweiligen Achse Y5, Y6 parallel zur Achse Y7 erstrecken.
  • In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform eines nicht erfindungsgemäßen Kolbens und einer nicht erfindungsgemäßen Kolbenmaschine gezeigt, bei welcher das Lagerelement 312 die Form von zwei im Bereich der Kolben- und Zylinderachse X aneinanderstoßenden und miteinander verbundenen Kreissegmentabschnitten 312A, 312B aufweist. Das Lagerelement 312 besitzt daher einen Korpus 312' von knochenförmiger Gestalt, an dessen lateralen Außenseiten kreiszylindersegmentartige Flächenabschnitte 312", 312''' ausgebildet sind, deren Krümmungsradius auf der Schwenkachse Y7 des Lagerelements 312 liegt.
  • Der unter Stegabschnitt 317 des Kolbens 301 ist, ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1, mit einer Durchbruchsöffnung 315 versehen, die sich in Richtung der Achse Y7 erstreckt. Diese Durchbruchsöffnung 315 weist zwei laterale kreiszylindersegmentartig gekrümmte Innenflächen 315', 315" auf, deren Krümmungsradius auf der Achse Y7 liegt, so dass die Krümmung dieser lateralen Flächen 315', 315" der Krümmung der kreiszylindersegmentartigen Flächenabschnitten 312", 312''' des Lagerelements 312 entspricht. Die Länge der gekrümmten Innenflächen 315', 315" in Krümmungsrichtung ist größer als die Länge der gekrümmten Flächenabschnitte 312", 312''' des Lagerelements 312 und auch die vertikalen Abmessungen (in Richtung der Achse X) der Durchbruchsöffnung 315 sind größer als die vertikalen Abmessungen des Lagerelements 312, so dass oberhalb und unterhalb des in die Durchbruchsöffnung 315 eingesetzten Lagerelements 312 ausreichend Raum ist, damit das Lagerelement 312 in der Durchbruchsausnehmung 315 eine pendelnde Schwenkbewegung um die Achse Y7 durführen kann.
  • Die oberen Schwenklager 355, 365 der Pleuel 305, 306 sind wie im ersten Ausführungsbeispiel mit auf dem Lagerelement 312 angeordneten Pleuellagerzapfen 314, 316 ausgebildet, die bezüglich der Kolben- und Zylinderlängsachse X beiderseits der Achse Y7 gelegen sind und deren Achsen Y5, Y6 sich parallel zur Achse Y7 erstrecken.
  • Die Funktionsweise des Kolbentriebs der Kolbenmaschine mit dem erfindungsgemäßen Kolben wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 5 erläutert. Der in Fig. 5 gezeigte Kolbentrieb entspricht in seinem Aufbau dem aus Fig. 1, so dass dieselben Bezugszeichen wie in der Fig. 1 verwendet werden.
  • In der Darstellung der Fig. 5 ist zu erkennen, dass der Winkel α1 zwischen einer die beiden Kurbelwellenachsen Y1 und Y2 verbindenden Geraden G1 und einer die Kurbelwellenachse Y1 und die untere Pleuellagerachse Y3 des ersten Pleuels 5 verbindenden Geraden G2 größer ist als der entsprechende Winkel α2 zwischen der Geraden G1 und der die Kurbelwellenachse Y2 der zweiten Kurbelwelle 4 mit der unteren Pleuellagerachse Y4 des zweiten Pleuels 6 verbindenden Geraden G3. Hierdurch ist eine Asymmetrie zwischen dem linken Kurbeltrieb mit der Kurbelwelle 3 und dem Pleuel 5 und dem rechten Kurbeltrieb mit der Kurbelwelle 4 und dem Pleuel 6 geschaffen. Diese Asymmetrie kann beispielsweise durch Verschleiß an den Zahnflanken der miteinander kämmenden Synchronisationszahnräder 30, 40 entstehen.
  • Obwohl die beiden Kurbelwellen 3, 4 mit gleicher Rotationsgeschwindigkeit in entgegengesetzten Richtungen R1, R2 umlaufen und somit zeitlich synchronisiert sind, bewirkt die Asymmetrie ein Voreilen der Kurbelwelle 4 und damit auch des Pleuels 6 gegenüber der Kurbelwelle 3 mit dem Peuel 5. Dieses Voreilen führt dazu, dass bei der Aufwärtsbewegung des kurbelwellenseitigeri Pleuellagerzapfens 42 eine Verschwenkung des Lagerelements 12 um dessen Drehachse Y7 in der Drehrichtung der voreilenden Kurbelwelle 4, also im gezeigten Beispiel entgegen dem Uhrzeigersinn, erfolgt, wie durch den Pfeil R3 dargestellt ist. Bei einer Abwärtsbewegung des kurbelwellenseitigen Pleuellagerzapfens 42 der zweiten, voreilenden Kurbelwelle 4 kehrt sich die Drehrichtung des Lagerelements 12 um, so dass das Lagerelement 12 jetzt im Uhrzeigersinn entsprechend dem Pfeil R4 geschwenkt wird. Auf diese Weise führt das Lagerelement 12 eine pendelnde Schwenkbewegung in der Bohrung 15 des Kolbens 1 aus ohne dass der Kolben 1 bezüglich der Längsachse X verkippt.
  • Auch in den Beispielen der Fig. 3 und 4 führt das entsprechende Lagerelement 212, 312 in der gleichen Weise entsprechende pendelnde Schwenkbewegungen durch.
  • Sind die beiden miteinander kämmenden Synchronisationszahnräder 30, 40 exakt zueinader ausgerichtet und besteht kein Verschleiß im Bereich der miteinander kämmenden Zähne dieser Synchronisationszahnräder 30, 40, so sind die Winkel α1 und α2 im einfachsten Fall der vorliegenden Erfindung identisch, wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 dargestellt ist. In diesem Fall tritt so lange keine Pendebewegung des Lagerkörpers 12 in der Bohrung 15 des Kolbens 1 auf, bis ein zwischen den Zähnen der Synchronisationszahnräder 30, 40 auftretender Verschleiß zu der bereits beschriebenen Asymmetrie, des Umlaufs der Kurbelwellen 3, 4 führt. Bewegt sich das Lagerelement 12 jedoch nicht relativ zum Kolben 1, also wenn keine pendelnde Schwenkbewegung stattfindet, so kann es durch Lagerpressung zu einer Verformung der Lagerflächen zwischen der Außenumfangsfläche des Lagerelements 12 und der Innenumfangsfläche der Bohrung 15 kommen, die die relative Schwenkbarkeit des Lagerelements 12 bezüglich des Kolbens 1 behindert oder gar unmöglich macht.
  • Um eine derartige Verformung der Lagerflächen zwischen dem Lagerelement 12 und dem Kolben 1 zu verhindern, kann bereits im Neuzustand der Kolbenmaschine, also wenn zwischen den Synchronisationszahnrädern 30, 40 noch kein Verschleiß aufgetreten ist, eine geringfügige Asymmetrie im Sinne einer Ungleicheit der Winkel α1 und α2, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist, vorgesehen werden. Dadurch führt das Lagerelement 12 ständig, also auch im Neuzustand, eine pendelnde Schwenkbewegung in der Bohrung 15 des Kolbens 1 aus, wodurch eine Lagerpressung und die damit einhergehende Verformung verhindert wird. Tritt dann ein Verschleiß im Bereich der Zähne der miteinander kämmenden Synchronisationszahnräder 30, 40 auf, so vergrößert sich die ursprüngliche pendelnde Schwenkbewegung des Lagerelements 12. Der Kolben 1 unterliegt somit zu keinem Zeitpunkt einer vom Kurbeltrieb induzierten Kippbewegung.
  • Die Erfindung ist nicht auf das obige Ausführungsbeispiel beschränkt, das lediglich der allgemeinen Erläuterung des Kerngedankens der Erfindung dient. Im Rahmen des Schutzumfangs kann die erfindungsgemäße Vorrichtung vielmehr auch andere als die oben beschriebenen Ausgestaltungsformen annehmen.
  • Bezugszeichen in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kolben
    2
    Zylinder
    3
    Kurbelwelle
    4
    Kurbelwelle
    5
    Pleuel
    6
    Pleuel
    10
    Kolbenkörper
    10'
    Kolbenring
    10"
    Kolbenring
    11
    Kolbenhemdabschnitt
    11'
    Kolbenhemdabschnitt
    12
    Lagerelement
    12'
    stirnseitige Wandabschnitt
    12"
    stirnseitige Wandabschnitt
    13
    kreisförmige Außenkontur
    14
    kolbenseitiger Pleuellagerzapfen
    15
    Bohrung
    16
    kolbenseitiger Pleuellagerzapfen
    17
    unterer Stegabschnitt
    18
    Kolbenboden
    20
    Zylinderkopf
    21
    Zylinderinnenwand
    22
    Kömpressionsraum
    30
    Synchronisationszahnrad
    32
    Lagerzapfen
    40
    Synchronisationszahnrad
    42
    Lagerzapfen
    50
    unteres Pleuelauge
    52
    Pleuelschaft
    54
    oberes Pleuelauge
    55
    Schwenklager
    60
    unteres Pleuelauge
    62
    Pleuelschaft
    64
    oberes Pleuelauge
    65
    Schwenklager
    120
    oberer Steg
    121
    unterer Steg
    122
    seitlicher Umfangswandabschnitt
    123
    seitlicher Umfangswandabschnitt
    124
    Durchtrittsöffnung
    125
    Durchtrittsöffnung
    201
    Kolben
    205
    Pleuel
    206
    Pleuel
    212
    Lagerelement
    212'
    ringförmiger Scheibenkörper
    212"
    Innenumfang
    213
    konzentrische Bohrung
    214
    kolbenseitiger Pleuellagerzapfen
    215
    zylindrischer Lagerzapfen
    215'
    kreisförmiger Außenumfang
    216
    kolbenseitiger Pleuellagerzapfen
    217
    unterer Stegabschnitt
    255
    oberes Schwenklager
    265
    oberes Schwenklager
    305
    Pleuel
    306
    Pleuel
    312
    Lägerelement
    312'
    Korpus
    312"
    kreiszylindrischer Flächenabschnitt
    312'''
    kreiszylindrischer Flächenabschnitt
    312A
    Kreissegmentabschnitt
    312B
    Kreissegmentabschnitt
    314
    Pleuellagerzapfen
    315'
    laterale Fläche
    315"
    laterale Fläche
    316
    Pleuellagerzapfen
    355
    oberes Schwenklager
    365
    oberes Schwenklager
    E1
    Schwenkebene
    E2
    Zylinder-Mittelebene
    G
    Gerade
    X
    Kolben- und Zylinderachse
    Y1
    Drehachse
    Y2
    Drehachse
    Y3
    untere Pleuelaugenachse
    Y4
    untere Pleuelaugenachse
    Y5
    obere Pleuelaugenachse
    Y6
    obere Pleuelaugenachse
    Y7
    Schwenkachse

Claims (2)

  1. Kolben mit zwei Schwenklagern (55; 65) zur schwenkbaren Lagerung jeweils eines Pleuels (5;6) am Kolben (1) um eine jeweilige Pleuelachse (Y5 und Y6), wobei beide Pleuelschwenkachsen (Y5 und Y6) parallel und seitlich beabstandet zueinander verlaufen, welcher Kolben (1) unter Vermittlung der Pleuel (5; 6) zwei Kurbelwellen (3; 4) antreiben, die sich in entgegengesetzten Richtungen drehen, welche beiden Schwenklager (55; 56) an einem Lagerelement (12) vorgesehen sind, das am Kolben (1) um eine Lagerschwenkachse (Y7) schwenkbar gelagert ist, die parallel zu den Pleuelschwenkachsen (Y5; Y6) verläuft und wobei das Lagerelement (12) eine kreisförmige, zylindrische Außenkontur (13) besitzt, die von einer Bohrung (15) am Kolben (1) aufgenommen wird, wobei die Bohrung (15) in einem unteren Stegabschnitt des Kolbens (1) ausgebildet ist, welcher Stegabschnitt (17) aus einem Stück mit dem Kolben (1) besteht und dass das Lagerelement (17) zwei voneinander abgewandte, stirnseitige Wandabschnitte (12'; 12") aufweist, die in Richtung der Pleuelschwenkachsen (Y5; Y6) voneinander beabstandet sind und einen Zwischenraum bilden, in den das jeweilige Pleuel (5; 6) eingreift, dadurch gekennzeichnet, dass die stirnseitigen Wandabschnitte (12'; 12") nur über einen oberen Steg (120), einen unteren Steg (121) und seitliche Umfangsabschnitte (122; 123) miteinander verbunden sind, wobei entlang des Umfangs der Lagerelemente (12'; 12") zwischen dem unteren Steg (121) und den jeweiligen Umfangswandabschnitten (122; 123) Durchgangsöffnungen (124; 125) für den jeweiligen Pleuelschaft (52; 62) des Pleuels (5; 6) ausgebildet sind.
  2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum für die Pleuel (5, 6) durch Teilwandabschnitte des Lagerelements (12) begrenzt wird, die zumindest in Richtung unterer Steg (121) V-förmig auseinander laufen, dergestalt, dass sich benachbart des kolbenseitigen Pleuellagerzapfens (16) zwischen den stirnseitigen Wandabschnitten (12', 12') und den Teilwandabschnitten des Zwischenraums Erweiterungen des Lagerelements (12) ergeben, die ein oberes Pleuelauge (64) des Pleuels (5, 6) begrenzen.
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