WO2005045211A2

WO2005045211A2 - Kurbeltrieb, insbesondere für hubkolben- brennkraftmotoren

Info

Publication number: WO2005045211A2
Application number: PCT/EP2004/011514
Authority: WO
Inventors: Armin Brunner
Original assignee: Armin Brunner
Priority date: 2003-11-06
Filing date: 2004-10-14
Publication date: 2005-05-19
Also published as: WO2005045211A3; DE102004049322A1

Abstract

1. Kurbeltrieb, insbesondere fir Hubkolben - Brennkraftmotoren. 2.1. Bei Hubkolbenmotoren bekannter Bauart wird die Antriebskraft über das jeweilige Lagerauge der Pleuelstange auf einen KurbelwellenzapfIn übertragen. Diese Bauart bedingt, dass besonders im Bereich hoher Verbrennungsdrücke ein verhältnismässig kleiner Hebel für die auf die Kurbelwelle einwirkende Kraft vorhanden ist. Mit der Bauart der Erfindung wird dieser Hebel und damit das Drehmoment vergrössert. 2.2. Die Antriebskraft wird von an der Pleuelstange (1) befindlichen Lagerzapfen (2) auf Lageraugen (3) an der Kurbelwelle (4) übertragen. Die Fliehkräfte bewirken nun, zusätzlich auch durch eine Verschiebung des Masseschwerpunkts der Pleuelstange, eine Verschiebung der Antriebskraft auf einen grösseren Hebel. In weiteren Ausführungen wird die Wirklinie der Antriebskraft durch eine zusätzliche Lagerstelle am Kurbelwellenzapfen verschoben, oder dadurch, dass eine zweite mitlaufende Kurbelwelle über Verbindungsteile eine Seitenkraft auf die Pleuelstangen ausübt. 2.3. Die beschriebene Bauart kann weitgehend für Maschinen in denen Kurbeltriebe Verwendung finden angewandt werden.

Description

Beschreibung

Kurbeltrieb, insbesondere für Hubkolben- Brennkraftmotoren.

Bei Kurbeltrieben bekannter Bauart, wie sie hauptsächlich in Hubkolbenmotoren Verwendung finden, wird eine geradlinige Bewegung über eine Pleuelstange in eine Drehbewegung auf eine Antriebskurbelwelle übertragen. Die Antriebskraft wird dabei über das Lagerauge der jeweiligen Pleuelstange auf den Kurbelwellenzapfen der Kurbelwelle übertragen.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem des geringen mechanischen Wirkungsgrades von Hubkolbenmotoren zugrunde, der auch durch die Bauweise des dabei üblicherweise angewendeten Kurbeltriebs bedingt ist.

Der Wirkungsgrad wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen verbessert. Die Antriebskraft wird nicht von den Pleuelstangen auf Lagerzapfen an der Kurbelwelle übertragen, sondern von Lagerzapfen an den Pleuelstangen auf Lageraugen an der Kurbelwelle.

Der Vorteil dieser Bauart ist, dass der Angriffspunkt der das Drehmoment erzeugenden Kraft nach außen verschoben wird und damit auf einem größeren Hebel zur Wirkung kommt. Da alle technisch bestimmenden Merkmale gegenüber der herkömmlichen Bauart sonst unverändert bleiben, geht die Drehmomenterhöhung nicht zu Lasten der Drehzahl.

In der Energiebilanz des Hubkolbenmotor bedeutet das, dass sie sich deutlich zugunsten der abgegebenen mechanischen Energie verschiebt. Der Wirkungsgrad des Motors ist verbessert, ein geringerer spezifischer Treibstofrverbrauch ist die Folge.

Der Grundgedanke der Erfindung ist in Fig. 1/2, Vorder- u. Seitenansicht, teilweise im Schnitt, dargestellt und die Wirkungsweise in den Erläuterungen zum zugehörigen Schemabild in Fig. 10 erklärt. Er ist im Patentanspruch 1 angegeben. Fig. 1/2 zeigt ebenso wie in den weiteren Ausführungen in Fig. 2/3, 5, 7/8 die Bauart der Erfindung am Beispiel einer Zylindereinheit eines Hubkolbenmotors mit Kolben (8), Pieuelstamge (1) und Kurbelwelle (4) in den Hauptteilen. An der Pleuelstange befinden sich beidseitig Hohlzapfen (2), welche die über die Pleuelstange eingeleitete Antriebskraft auf beidseitig in den Kurbelwellenwangen befindliche kurze Bohrungen, sogenannte Lageraugen (3) übertragen. Der Kurbelwellenzapfen (5) ist aus Gründen des Zusammenbaus getrennt (6) und mit einer Hülse (7) kraftschlüssig verbunden. In der dargestellten Ausführung bilden Pleuelstange und Hohzapfen ein Teil, es kann auch ein einzelner Hohlzapfen durch ein geteiltes Pleuelstangenauge geklemmt werden, was einen Ausbau des Kolbens nach oben ermöglicht.

Weitere Möglichkeiten sind die Lageraugen als einzelne Teile herzustellen und am Kurbelwellenzapfen zu zentrieren, werden diese und auch der Hohlzapfen geteilt ausgeführt, so kann der Kurbelwellenzapfen auch ohne Trennung gefertigt sein. Der Hohlzapfen könnte vor allem bei kleineren Motoren, bei denen die Antriebskräfte gering sind auch nur einseitig an der Pleuelstange vorhanden sein. Fig. 3/4 zeigt in Vorder und Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung die im Patentanspruch 2, 3 und 4 angegeben ist. Im Unterschied zur Grundausführung Fig. 1/2 sind am Hohlzapfen der Pleuelstange vorzugsweise beidseitig ring- oder rollenförmige Teile (10) gelagert die einen etwas geringeren Durchmesser als die Lageraugen (3) an der Kurbelwelle haben, auf die sie die eingeleitete Antriebskraft übertragen.

Diese Kraftübertragung auf die Lageraugen der Kurbelwelle erfolgt mit der Besonderheit dass zwischen Kurbelwellenzapfen (5) und Hohlzapfen (2) der Pleuelstange ein zusätzliches, am Kurbelwellenzapfen gelagertes Teil (14) angeordnet ist, das durch maßliche Abstimmung mit dem Hohlzapfen bzw. dessen Berührungsfläche (15) den Hohlzapfen und damit die an ihm gelagerten Rollen (10) zwangsweise auf die Seite des Arbeitshubs versetzt. Damit sind auch die Berührungslinien (12) der Rollen an den Lageraugen der Kurbelwelle, und mit ihnen die W klinie der Antriebskraft auf die Seite des Arbeitshubs versetzt.

Die maßliche Abstimmung des Lagerteils (14) zum Hohlzapfen (2) erfordert bei der dargestellten Ausführung nach Fig. 3/4 eine unsymmetrische Bauweise eines oder beider genannten Teile.

Die Lagerstelle am Kurbelwellenzapfen mit dem Teil (14) hat hauptsächlich die Aufgabe die sich ergebenden Reaktionskräfte aufzunehmen und im Ansaughub die Kraftübertragung zu übernehmen. Auf der dem Arbeitshub abgewandten Seite muss zwischen dem Teil (14) und dem Hohlzapfen der Pleuelstange eine Freistellung (17) sein, damit von dieser Lagerstelle nur die Reaktions- nicht aber die eigentlichen Antriebskräfte aufgenommen werden.

Da in den Raum zwischen Rolle und Lagerauge Schmieröl eindringt, ist es notwendig diesem Ablaufmöglichkeit zu verschaffen was z. B. durch schräglaufende Rillen an den Laufflächen erreicht werden kann. Es kann auch vorteilhaft sein die Rolle mit einer Verzahnung formschlüssig zum Lagerauge auszufuhren, wobei wenige niedrige Zähne ausreichen um einen unerwünschten Schlupf der Abwälzbewegung zu verhindern. Diese Möglichkeit ist im Patentanspruch 5 angegeben.

Wenn auch die Kraftübertragung über Rollen bei dieser Ausfuhrung auch auf Grund genau zu bestimmender Kraftübertragungspunkte günstiger zu sein scheint, so kann sie auch über Gleitlagerung sinngemäß in der beschriebenen Art erfolgen. Statt einer Berührungslinie ergibt sich dann eine auf die Seite des Arbeitshubs verschobene Teilberührungsfläche am Lagerauge der Kurbelwelle.

Ziel dieser Ausführung ist es, audh bei geringer Drehzahl des Antriebs, bei dem die Fliehkräfte nur wenig wirksam sind, die Kraftübertragung zwangsweise auf einen größeren Hebel zur Kurbelwellenachse zu bringen um Leistungsgewinn zu erzielen. Im Bereich des oberen Totpunkts ist dabei die auf den Kurbelwellenzapfen ausgeübte Gegenkraft und damit das Gegenmoment sehr groß. Mit zunehmendem Drehwinkel wird diese Gegenkraft jedoch immer mehr in das Kurbelwellenlager eingeleitet bis seine Wirklinie durch dessen Mitte geht und ganz von ihm aufgenommen wird. Das zwangsweise Versetzen der Rolle, und damit des Angriffspunkts der Antriebskraft auf einen größeren Hebel, wird dann voll wirksam. Gegenüber der Gmndausführung Fig. 1/2 ergeben sich auch wesentlich günstigere Verhältnisse im Verdichtungshub, da bei diesem die Kurbelwelle nun das auf einem größeren wirksamen Hebel antreibende Bauteil ist, was eine Minderung des auf der Seite des Arbeitshubs gewonnenen Mehrs an Drehmoment bewirkt. Die Berührungs- und Kraftaufhahmefläche (15) ist parallel zur Mittelachse gezeichnet. Ihre bestmögliche Winkellage ist erst durch genaue Untersuchung der Kräftewirkung zu ermitteln, da sie die Wirkrichtung der Gegenkräfte und damit die Größe des Gegenmoments bestimmt, das vor allem im Bereich der höchsten Verbrennungsdrücke bedeutsam ist. Weitere Erläuterungen siehe Schemabild Fig.12 mit dazugehörigen Erklärungen.

Fig. 5 zeigt in Vorderansicht, teilweise im Schnitt wie auch in Fig. 6, hier in Draufsicht und den Antrieb um 90° weitergedreht, die im Patentanspruch 7 als weiteren Hauptanspruch angegebene Ausgestaltung der Erfindung.

Die Antriebsmechanik ist dabei so ausgeführt, dass der Antriebskurbelwelle (20) eine weitere Kurbelwelle (21) zugeschaltet ist und über Verbindungsteile (22) von dieser eine Seitenkraft auf die Pleuelstange ausgeübt wird. Diese Seitenkraft kann durch Tellerfedern (23) ausgeübt und über ein Gleitlager auf die Pleuelstange übertragen werden. Wegen des Kräftegleichgewichts müssen bei der dargestellten Ausführung mindestens 2 Pleuelstangen im Motor mit der Seitenkraft beaufschlagt werden.

Eine unerwünschte Bewegung der Tellerfedern kann verhindert werden, indem in die notwendige Lagerschalenschmierölbohrung ein einfaches Rückschlagventil (24) eingebaut wird, das ein Rückströmen des Schmieröls aus der kleinen Kammer (25) verhindert.

Mit einer Regeleinrichtung, deren Voraussetzung im Patentanspruch 8 angegeben ist, kann die Seitenkraft den jeweiligen Betriebsverhältnissen angepasst werden, was vor allem beim Start notwendig ist um die Lager zu entlasten. Eine dargestellte Möglichkeit ist, das ganze Lagergehäuse (26) der Zweitkurbelwelle schwenkbar um einen Drehpunkt (27) zu machen und die Zustellbewegung durch eine Exzenterverstellung (28) zu steuern, wobei deren Drehbewegung durch ein hydraulisches oder elektromechanisches Bauteil (29) bewirkt werden kann.

Das Pleuellager in Fig. 5 und 6 ist in der Bauweise Fig. 1/2 dargestellt, es kann auch nach Fig. 3/4 ausgeführt sein wie nachfolgend noch beschrieben. Nicht ganz auszuschließen ist dass hier auch ein Pleuellager herkörnmlicher Bauart Vorteile bringt, wobei die Drehrichtung des Antriebs gegenläufig der in Fig. 5 gezeigten sein müsste. Der eigentliche, oder ausschließliche Vorteil der Bauart mit Zweitkurbelwelle ist jedoch in Verbindung mit einem Pleuellager in einer der Ausführungen der Erfindung zu erwarten.

Die Ausfiüirung mit zugeschalteter Kurbelwelle ist am aufwendigsten, der Leistungsgewinn voraussichtlich am größten. Der Hauptήachfeil herkömmlicher Bauart, dass im Bereich der oberen Totpunktlage des Antriebs zwar die höchsten Verbrennungsdrücke herrschen, aber kaum ein Hebel für die einwirkende Kraft da ist, wird deutlich gemindert, da die Seitenkraft auf die Pleuelstange die Wirklinie ihrer Kraftübertragung auf die Kurbelwelle auf die Seite des Arbeitshubs versetzt und sie damit bereits in dieser Phase des Arbeitstakts auf einem größeren Hebel zur Wirkung kommt. Weitere Erläuterungen siehe Schemabild Fig.14 mit dazugehörigen Erklärungen. Andere mögliche Ausführungen bieten sich bei der Bauart mit zugeschalteter Kurbelwelle - nachfolgend Zweitkurbelwelle genannt - an:

Antriebs- und Zweitkurbelwelle können mit einem Zahnradgetriebe verbunden werden und zwischen dem Antriebsrad der Zweitkurbelwelle und letzterer eine elastische Kupplung mit sehr starken Federn eingebaut sein. Diese werden so vorgespannt dass sie ^~ in der gleichen Richtung wirken wie die Tellerfedern an den Verbindungsteilen, die dann entfallen können.

Wird bei einer solchen Ausführung das Pleuellager ganz ähnlich Fig. 3/4 gestaltet, nur die Kraftaufhahmefläche (15) entfällt, während die Fläche (16) erhalten bleibt und etwa parallel zur Tangente des Punktes (12) gedreht ist, so könnte die elastische Kupplung und damit jedes Federelement ganz entfallen. Sie hat jedoch den Vorteil, dass die Massenträgheit der Zweitkurbelwelle dem durch den Verbrennungsdruck sehr schnell ansteigenden Gegenmoment Sg . Z entgegenwirkt, sofern der Pleuestange durch maßliche Abstimmung mit dem Lagerteil (14) etwas Bewegungsmöglichkeit gegeben wird. An der Fläche (16) wird sich ein geringes Spiel auch durch Fertigungstoleranzen ergeben, das durch die schon beschriebene Dämpfungseinrichtung der bei letztgenannter Bauart überflüssigen Tellerfedern hydraulisch weggedrückt werden kann.

Die Ausführung mit Zahnradgetriebe und elastischer Kupplung könnte die vorteilhafteste der ganzen Erfindung sein, da die Kräfte S und Sg gegenläufig auf das Getriebezwischenrad wirken und sich damit zum Teil innerhalb des Getriebes aufheben. Auch kann der Federweg in der elastischen Kupplung so begrenzt werden, dass im Stillstand keine Kräfte auf die Pleuellager wirken und damit die aufwändige Regeleinrichtung der Federkraft entfallen kann.

Die im Patentanspruch 6 angegebene Unsymmetrie der Pleuelstange bewirkt eine Verschiebung des Masseschwerpunkts (32) der Pleuelstamge und ist in Fig. 7/8 dargestellt.

Da im Bereich der oberen Totpunktlage beim Beginn des Arbeitshubs die Fliehkraft (33) die Pleuelstange gegen den Kolbenbolzen drückt, wirkt dieser damit als Drehpunkt für den seitlich der Mittelachse liegenden Schwerpunkt der Pleuelstange, was eine Seitenkraft (34) in Richtung des Arbeitshubs bedingt. Ein weiterer Leistungsgewinn ist damit möglich sofern es gelingt die dabei auftretenden Motorschwingungen wirkungsvoll zu unterdrücken. Durch Auswahl von Werkstoffen verschiedener Dichte, z. B. Pleuelstange aus Leichtmetall, an ihr ein Anbauteil (35) aus Schwermetall, ist eine deutliche Verschiebung der Schwerpunktlage möglich, ohne dabei die Gesamtmasse zu erhöhen.

Grundsätzlich bildet die Wirklinie der Pleuelstangenkraft Pe bei der Bauart der Erfindung einen , größeren Winkel zuJVlitte Zylinderachse aus, was höhere Seitenkräfte auf die Zylinderwände bedingt. Durch Verschiebung der Kurbelwelle etwas auf die Seite des Verdichtungshubs, wie in Fig. 5 dargestellt, können diese Seitenkräfte zwischen Arbeitsund Verdichtungshub ausgeglichen und damit auch ohne Verlängerung der Pleuelstange im Arbeitshub verringert werden.

Jede weitere Vergrößerung des Pleuellagerdurchmessers vergrößert bei der Bauart der Erfindung im Gegensatz zur herkömmlichen Bauart das Drehmoment, vergrößert aber auch die Seitenkräfte auf die Zylinderwände, was die Größe des Pleuellagerdurchmessers im Verhältnis zur Pleuelstangenlänge bestimmt. Erläuterungen zu den Schemabildern Fig. 9/10, 11/12, 13/14:

In diesen Zeichnungen ist zum Vergleich jeweils links - Fig. 9/11/13 - die herkömmliche Bauart dargestellt, rechts - Fig. 10/12/14 - die 3 verschiedenen Ausführungen der Erfindung. Das Lagerspiel ist zur Verdeutlichung größer gezeichnet. P, Pe = Krafteinwirkung über Pleuelstange, F = Fliehkraft, S, Sg = andere Seitenkräfte, R, Re = resultierende Kraft aus P (Pe) u. F (S), A = Angriffspunkt der Kräfte, X,Y,Z,Xe,Ye = Hebelarme der Kräfte.

Schemabild Fig. 10, zugeordnet der Gnmdausführung Zeichnung Fig. 1/2 zeigt den

Vergleich zur herkömmlichen Bauart Fig. 9, bei der das Drehmoment Md aus der

Resultierenden und deren Wirkabstand gebildet wird, somit Md = R . X.

Bei der Bauart der Erfindung Fig. 10, kommt nicht die Resultierende^" und deren Hebelarm zur Wirkung, da die Kraft Pe mit ihrem viel größerem Hebelarm Ye ein wesentlich größeres Drehmoment ausbildet, somit Md = Pe . Ye.

Die vergleichende Berechnung bei den dargestellten Größenverhältnissen und angenommenen Kräfteverhältnissen P = 1, F = 1 und der gezeigten Drehwinkellage ergibt bei der Bauart der Erfindung ein Mehr an Drehmoment von 47%.

Schemabild Fig. 12, zugeordnet der Ausführung mit Rolle Zeichnung Fig. 3/4 zeigt die

Kräfte in der statischen Betrachtungsweise ohne die Einwirkung der Fliehkräfte, da sich hier auch ohne diese eine Vergrößerung des Drehmoments ergibt. Bei der herkömmlichen

Bauart Fig. 11 ergibt sich statisch das Drehmoment Md = P . Y.

Bei der Bauart der Erfindung Fig. 12 ist eine Drehwinkellage dargestellt bei der die

Gegenkraft Sg nur noch ein geringes Gegenmoment ausübt. Das Drehmoment errechnet sich somit, Md = Pe . Ye - Sg . Z.

Die Gegenkraft Sg ergibt sich aus der durch Keilwirkung bedingten Kraft S.

Die vergleichende Berechnung im statischen Zustand bei den dargestellten Verhältnissen und der gezeigten Drehwinkellage ergibt bei der Bauart der Erfindung ein Mehr an

Drehmoment von 52%, bei Z = 0 ein Mehr von 66%

Schemabild Fig. 14, zugeordnet der Ausfuhrung mit Zweitkurbelwelle Zeichnung Fig. 5/6 zeigt die Kräfte ebenfalls in der statischen Betrachtungsweise ohne die Einwirkung der Fliehkräfte, etwa zum Zeitpunkt des höchsten Verbrennungsdrucks. Bei der herkömmlichen Bauart Fig. 13 ergibt sich statisch das Drehmoment Md = P . Y. Bei der Bauart der Erfindung Fig. 14 errechnet sich das Drehmoment Md = Re . Xe - Sg . Z.

Mit Sg ist die Gegenkraft der durch die Tellerfedern ausgeübten Seitenkraft S bezeichnet. Die vergleichende Berechnung bei den dargestellten Verhältnissen im statischen Zustand und der' gezeigten Djrelr inkellage ergibt bei der Bauart der Erfindung eine Zunahme des Drehmomente um 18% und stelgt nlf zu ieß Z der Gegenkraft ständig kleiner wird, auf max. etwa +55 % an. Patentansprüche

1. Kurbeltrieb, insbesondere für Hubkolben - Brennkraftmotoren, mit mindestens einer Pleuelstange (1) und mindestens einer Kurbelwelle (4) an der mindestens ein Lagerauge (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Pleuelstange (1) mindestens ein Hohlzapfen (2) zugeordnet ist und die Kurbelwellenwangen innerhalb des Hohlzapfens (2) kraftschlüssig miteinander verbunden sind.

2. Kurbeltrieb nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Pleuelstange mindestens ein gelagertes Teil (10) zugeordnet ist.

3. Kurbeltrieb nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zusätzliches Lagerteil (14) zwischen Kurbelwellenzapfen (5) und Hohlzapfen (2) angeordnet ist.

4. Kurbeltrieb nach Patentanspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerteil (14) oder der Hohlzapfen (2) oder beide unsymmetrisch ausgebildet sind.

5. Kurbeltrieb nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des Umfangs des gelagerte Teils (10) eine Verzahnung aufweist.

6. Kurbeltrieb nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pleuelstange (1) unsymmetrisch zu ihrer Hauptachse ausgebildet ist.

7. Kurbeltrieb, insbesondere für Hubkolben - Brennkraftmotoren, mit mindestens einer Pleuelstange (19) und einer Kurbelwelle (20) dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebskurbelwelle (20) mindestens eine weitere Kurbelwelle (21) zugeschaltet ist die zueinander mit mindestens einem Teil (22) in Verbindung stehen.

8. Kurbeltrieb nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Kιιrbeiwelϊelf 072 ^^