DE102006036827B4

DE102006036827B4 - Kolben-Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE102006036827B4
Application number: DE200610036827
Authority: DE
Inventors: Helmut Betzmeir
Original assignee: Neander Motors AG
Current assignee: Neander Motors AG
Priority date: 2006-08-07
Filing date: 2006-08-07
Publication date: 2010-05-20
Anticipated expiration: 2026-08-08
Also published as: DE102006036827A1

Abstract

Kraft- oder Arbeitsmaschine mit
– zumindest einem Zylinder (2), in dem ein Kolben (11, 111, 211) hin- und herbewegbar angeordnet ist;
– einer ersten Kurbelwelle (4);
– einer zweiten Kurbelwelle (6);
– wobei die erste Kurbelwelle (4) und die zweite Kurbelwelle (6) zueinander parallel verlaufen und sich gegensinnig synchron drehen;
– wobei die Drehachsen (X, X') der beiden Kurbelwellen (4, 6) zu einer gemeinsamen Zylinder-Mittelebene (M) parallel verlaufen und bezüglich dieser seitlich versetzt sind;
– wobei dem Kolben (11, 111, 211) ein erstes und ein zweites Pleuel (3; 5) derart zugeordnet sind,
– dass das erste Pleuel (3) mit seinem ersten Ende um eine Achse (Z) schwenkbar am Kolben (11, 111, 211) und mit seinem zweiten Ende an einem Kurbelzapfen (40) der ersten Kurbelwelle (4) drehbar gelagert ist und
– dass das zweite Pleuel (5) mit seinem ersten Ende um eine Achse...

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolben-Arbeitsmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Derartige Kolben-Arbeitsmaschinen werden allgemein als Doppelkurbelwellen-Arbeitsmaschinen bezeichnet. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Kolben für eine derartige Kolben-Arbeitsmaschine, insbesondere einen Hubkolben.
Derartige Doppelkurbelwellen-Arbeitsmaschinen sind beispielsweise aus der DE 103 48 345 A1 bekannt. Eine wesentliche Eigenschaft von solchen bekannten Doppelkurbelwellen-Arbeitsmaschinen liegt darin, dass durch die doppelte Pleuelführung eines Kolbens in Verbindung mit dem gegensinnigen Lauf der Kurbelwellen eine exakte vertikale Führung des Kolbens erzielbar ist, ohne dass der Kolben Kippkräften unterworfen wird. Der Kolben kann daher sehr flach ausgebildet sein und benötigt im Regelfall zur Führung im Zylinder kein langes Kolbenhemd wie dies bei herkömmlichen Arbeitsmaschinen mit einer einzigen Kurbelwelle erforderlich ist.
Wenn jedoch nach längerer Betriebsdauer der Arbeitsmaschine Verschleiß im Bereich der miteinander kämmenden Synchronisationszahnräder auftritt, kann – bedingt durch diesen Verschleiß – das Zahnflankenspiel vergrößert sein, sodass die eine Kurbelwelle gegenüber ihrer Idealposition voreilt und die andere Kurbelwelle bezüglich ihrer Idealposition nacheilt. Dies wiederum hat zur Folge, dass die Pleuel nicht exakt gegenläufig synchron laufen, sodass die Schwenkachsen der Lagerung des jeweiligen Pleuels am Kolben im Betrieb zueinander geringfügig in Richtung der Zylinderachse versetzt sind, wodurch der Kolben in Bezug auf den Zylinder leicht kippt, also ein Winkel zwischen der Kolbenachse und der Zylinderachse entsteht. Diese verschleißbedingte Verkippung kann wiederum zu höherem Verschleiß des Kolbens und des Zylinders oder sogar zu einem Verklemmen des Kolbens im Zylinder führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße Kolben-Arbeitsmaschine anzugeben, bei der auch nach längerer Betriebsdauer eine zuverlässige Führung des Kolbens im Zylinder ohne die Gefahr einer Kolbenverklemmung gewährleistet ist. Es ist eine weitere Aufgabe, einen zur Lösung dieser Aufgabe geeigneten Kolben anzugeben.
Die die Kolben-Arbeitsmaschine betreffende Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Kolbens mit einem sich entlang der Kolbenachse verändernden Halbmesser in einer Querschnittsebene, die senkrecht zu den Drehachsen der Kurbelwellen liegt, bewirkt, dass selbst bei einer leichten Verkippung des Kolbens nur der verhältnismäßig kurze Bereich des Kolbens, an welchem dieser seinen größten Durchmesser aufweist, mit der Kolbenwand in Berührung steht und keine anderen Kolbenbereiche mit der Zylinderinnenwand in Berührung geraten können.
Obwohl es grundsätzlich ausreicht, wenn diese Querschnittsgestalt des Kolbens in der zu den Kurbelwellenachsen senkrechten Ebene vorgesehen ist, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Kolben über seinen gesamten Umfang den sich entlang der Kolbenachse verändernden Halbmesser aufweist.
Vorzugsweise ist der Kolben im Bereich größeren Durchmessers zumindest mit einer Umfangsnut zur Aufnahme von zumindest einem Kolbenring versehen. Hierdurch wird gewährleistet, dass auch bei einem verschleißbedingten geringfügigen Verkippen des Kolbens eine zuverlässige Abdichtung zwischen dem Kolben und der Zylinderinnenwand besteht.
Vorzugsweise ist die zur Zylinderwand weisende Fläche der Umfangswand des Kolbens im Querschnitt konvex ausgebildet. Diese ballige Ausbildung des Kolbens kann entweder – im Querschnitt gesehen – von einer gekrümmten Linie mit gleichbleibendem oder sich veränderndem Radius gebildet sein oder sie kann durch eine im Querschnitt trapezförmig verlaufende Außenfläche der Kolbenumfangswand realisiert sein.
Der Kolben kann aber auch im Querschnitt kegelstumpfförmig ausgebildet sein, wobei der Bereich größeren Durchmessers entweder in der Nähe des Kolbenbodens oder vom Kolbenboden abgewandt gelegen ist.
Die Kolben-Arbeitsmaschine kann eine Brennkraftmaschine sein, sie kann aber auch eine Pumpe oder ein Kompressor sein.
Die den Kolben betreffende Aufgabe wird gelöst durch einen Kolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Kolbens sind in den verbleibenden Ansprüchen angegeben, wobei diese Weiterbildungen die bereits in Verbindung mit der Kolben-Arbeitsmaschine angesprochenen Vorteile aufweisen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt:
1 einen Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemäße Kolben-Arbeitsmaschine mit einem erfindungsgemäßen Kolben;
2 eine Ausschnittdarstellung der Kolben-Arbeitsmaschine aus 1 mit einer alternativen Kolbengestaltung und
3 eine Ausschnittdarstellung der Kolben-Arbeitsmaschine nach 1 mit einer weiteren alternativen Kolbengestaltung.
In 1 ist schematisch ein Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemäße Kolben-Arbeitsmaschine in einer Ebene E gezeigt, die senkrecht zu den Kurbelwellenachsen X und X' liegt und in der die Zylinderachse A gelegen ist.
Ein Kolben 11 ist in der Bohrung 21 eines mit einem Zylinderkopf 24 versehenen Zylinders 20 eines Motorgehäuses 2 entlang der Zylinderachse A hin- und herbewegbar aufgenommen. Der Kolben 11 ist in herkömmlicher Weise mit einer Mehrzahl von jeweils in einer Umfangsnut 13 des Kolbens 11 aufgenommenen Kolbenringen 10 gegen die Zylinderbohrung 21 abgedichtet. Von der Bohrung 21 und dem Kolbenboden 11'' des Kolbens 11 wird in herkömmlicher Weise ein Kompressionsraum 22 begrenzt, in dem die Kompression des in der Kolben-Zylinder-Einheit 1 enthaltenen Fluids erfolgt und insbesondere bei einer Kolben-Brennkraftmaschine die Verbrennung des Kraftstoffgemisches stattfindet. Die üblicherweise im Zylinderkopf 24 vorgesehenen Einlaßventile, Auslaßventile, Zündkerze oder Glühkerze und Einspritzvorrichtung sind nicht im Einzelnen dargestellt, da sie der dem Fachmann allgemein bekannten Technologie entsprechen.
An seinem vom Kompressionsraum 22 abgewandten Ende ist der Kolben 11 mit einem Kolbensteg 12 versehen, an dem bezüglich der Zylinderachse A seitlich zueinander versetzt zwei Pleuellager 14, 16 vorgesehen sind.
Am ersten Pleuellager 14 ist ein erstes Pleuel 3 mit einem an seinem ersten Ende vorgesehenen Pleuelauge 30 um eine Achse Z schwenkbar angebracht. Am anderen Ende des Pleuels 3 ist ein weiteres (nicht gezeigtes) Pleuelauge vorgesehen, welches auf einem ersten Kurbellagerabschnitt 40 einer ersten um eine Achse X rotierbaren Kurbelwelle 4 drehbar gelagert ist.
In gleicher Weise ist am zweiten Pleuellager 16 des Kolbens 11 ein zweites Pleuel 5 mit einem ersten Pleuelauge 50 um eine Achse Z' schwenkbar gelagert. Das Pleuel 5 ist mit einem an seinem anderen Ende vorgesehenen weiteren Pleuelauge (nicht gezeigt) drehbar auf einem ersten Kurbellagerabschnitt 60 einer zweiten um eine Achse X' rotierbaren Kurbelwelle 6 gelagert.
Die beiden Kurbelwellen 4 und 6 stehen über Zahnräder 42 und 62 miteinander kämmend in Eingriff. Dieser Eingriff der Zahnräder 42, 62 sorgt für einen gegenläufig synchronen Umlauf der Kurbelwellen 4, 6 in Richtung der Pfeile 4', 6'. Die Lage der Kurbellagerabschnitte 40, 60 und somit auch die Anordnung der Pleuel 3, 5 ist bezüglich der Kolbenmittelachse A beziehungsweise bei einem Mehrzylinder-Arbeitsmaschine bezüglich einer aus der Reihe der jeweiligen Zylinderachsen A aufgespannten Zylindermittelebene M symmetrisch.
Der in 1 dargestellte Aufbau einer Doppelkurbelwellen-Arbeitsmaschine, zum Beispiel eines Doppelkurbelwellenmotors beziehungsweise Doppelpleuelmotors mit zwei zueinander parallel verlaufenden und sich gegensinnig synchron drehenden Kurbelwellen 4, 6, sorgt dafür, dass der Kolben 11 reibungsarm in der Zylinderbohrung 21 laufen kann, ohne bezüglich der Zylinderachse A seitlich zu kippen.
Wie in 1 zu sehen ist, ist der Zylinder an seinem Umfang im Querschnitt ballig ausgebildet, wobei die äußere Fläche der Umfangswand im gezeigten Querschnitt eine Krümmung mit gleichbleibendem Radius aufweist. Dabei ist der Bereich 11' des Kolbens mit größerem Durchmesser etwa in der Mitte der Längserstreckung des Kolbens 11 in Richtung der Kolbenachse A' gelegen. In diesem Bereich 11' größeren Durchmessers sind die Kolbenringe 10 in den entsprechenden Kolbenring-Nuten 13 angeordnet.
In 1 ist die ideale Position des Kolbens 11 in der Zylinderbohrung 21 dargestellt, in welcher die Zylinderachse A und die Kolbenachse A' identisch sind. Wenn jedoch durch Verschleiß der Synchronisationszahnräder 42, 62 eine Relativverlagerung der Schwenkachsen Z und Z' der ersten Pleuellager 14, 16 in Richtung der Zylinderachse A erfolgt, erfolgt eine Verkippung des Kolbens in 1 im Uhrzeigersinn entsprechend dem Fall B. Diese Verkippung erfolgt jedoch unter einem Winkel, der maximal wenige Winkelminuten betrifft, um die die Achsen A und A' zueinander geneigt sind. Wegen der balligen Gestalt des Kolbens 11 bleibt die Kolben-Umfangswand 15 bei einer derartigen Verkippung jedoch sowohl oberhalb des Bereichs 11' mit größerem Durchmesser, als auch unterhalb davon von der Zylinderwand 21 beabstandet, sodass es zu keiner Verklemmung des Kolbens 11 im Zylinder 20 kommen kann.
In 2 ist eine alternative Ausführungsform mit einem Kolben 111 gezeigt, dessen Umfangswand 115 vom Grundsatz her ebenfalls ballig ausgebildet ist, jedoch nicht in Form einer kontinuierlichen Krümmung, sondern trapezförmig mit einem die Kolbenring-Nuten aufweisenden, achsparallelen mittleren Abschnitt 115', einem gerade verlaufenden und einwärts geneigten oberen Abschnitt 115'' sowie einem gerade verlaufenden und einwärts geneigten unteren Abschnitt 115'''. Auch mit dieser Kolbenausgestaltung werden die in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel der 1 geschilderten Wirkungen und Vorteile erzielt.
Eine andere Ausführungsform ist in 3 dargestellt, bei welcher der Kolben 211 kegelstumpfförmig mit nach oben einwärts geneigter Kolbenwand 215 ausgebildet ist, wobei der Bereich 211' mit größerem Durchmesser auf der vom Kolbenboden 211'' abgewandten Unterseite des Kolbens 211 gelegen ist. Alternativ kann der kegelstumpfförmige Kolben aber auch anders herum ausgebildet sein, wobei dann der Bereich größeren Durchmessers unmittelbar an den Kolbenboden angrenzt und der Kolbendurchmesser nach unten hin abnimmt.
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. Die Vorrichtung kann hierbei insbesondere Merkmale aufweisen, die eine Kombination aus den jeweiligen Einzelmerkmalen der Ansprüche darstellen.

Claims

Kraft- oder Arbeitsmaschine mit – zumindest einem Zylinder (2), in dem ein Kolben (11, 111, 211) hin- und herbewegbar angeordnet ist; – einer ersten Kurbelwelle (4); – einer zweiten Kurbelwelle (6); – wobei die erste Kurbelwelle (4) und die zweite Kurbelwelle (6) zueinander parallel verlaufen und sich gegensinnig synchron drehen; – wobei die Drehachsen (X, X') der beiden Kurbelwellen (4, 6) zu einer gemeinsamen Zylinder-Mittelebene (M) parallel verlaufen und bezüglich dieser seitlich versetzt sind; – wobei dem Kolben (11, 111, 211) ein erstes und ein zweites Pleuel (3; 5) derart zugeordnet sind, – dass das erste Pleuel (3) mit seinem ersten Ende um eine Achse (Z) schwenkbar am Kolben (11, 111, 211) und mit seinem zweiten Ende an einem Kurbelzapfen (40) der ersten Kurbelwelle (4) drehbar gelagert ist und – dass das zweite Pleuel (5) mit seinem ersten Ende um eine Achse (Z') schwenkbar am Kolben (11, 111, 211) und mit seinem zweiten Ende an einem Kurbelzapfen (60) der zweiten Kurbelwelle (6) drehbar gelagert ist und – wobei die Kurbelwellen (4, 6) über Synchronisationszahnräder (42, 62) miteinander in Eingriff stehen, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (11, 111, 211) in einer Querschnittsebene (E), die senkrecht zu den Drehachsen (X, X') der Kurbelwellen (4, 6) liegt, einen sich entlang der Kolbenachse (A') verändernden Halbmesser (R) aufweist, sodass der Kolben (11, 111, 211) einen der Zylinderinnenwand (21') benachbarten Bereich (11', 115', 211') aufweist, der einen größeren Durchmesser besitzt als die Kolbenbereiche oberhalb und unterhalb des Bereichs (11', 115', 211').
Kraft- oder Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (11, 111, 211) über seinen gesamten Umfang den sich entlang der Kolbenachse (A') verändernden Halbmesser (R) aufweist.
Kraft- oder Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (11, 111, 211) im Bereich (11', 115', 211') größeren Durchmessers zumindest eine Umfangsnut (13) zur Aufnahme von zumindest einem Kolbenring (10) aufweist.
Kraft- oder Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Zylinderinnenwand (21') weisende Fläche der Umfangswand (15) des Kolbens (11) im Querschnitt konvex ausgebildet ist.
Kraft- oder Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (211) im Querschnitt kegelstumpfförmig ausgebildet ist.
Kraft- oder Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft- oder Arbeitsmaschine eine Brennkraftmaschine ist.
Kraft- oder Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft- oder Arbeitsmaschine eine Pumpe oder ein Kompressor ist.
Kolben für eine Doppelkurbelwellen-Kraft- oder Doppelkurbelwellen-Arbeitsmaschine, wobei der Kolben (11, 111, 211) mit einem Kolbensteg (12) versehen ist, an dem bezüglich der Kolbenachse (A') seitlich zueinander versetzt zwei Pleuellager (14, 16) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Halbmesser (R) des Kolbens (11, 111, 211) in einer Querschnittsebene (E), die senkrecht zu den Drehachsen (X, X') der Kurbelwellen (4, 6) liegt, entlang der Kolbenachse (A') verändert, sodass der Kolben (11, 111, 211) einen der Zylinderinnenwand (21') benachbarten Bereich (11', 115', 211') aufweist, der einen größeren Durchmesser besitzt als die Kolbenbereiche oberhalb und unterhalb des Bereichs (11', 115', 211').
Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (11, 111, 211) über seinen gesamten Umfang den sich entlang der Kolbenachse (A') verändernden Halbmesser (R) aufweist.
Kolben nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich (11', 115', 211') größeren Durchmessers des Kolbens (11, 111, 211) zumindest eine Umfangsnut (13) zur Aufnahme von zumindest einem Kolbenring (10) vorgesehen ist.
Kolben nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Zylinderinnenwand (21') weisende Fläche der Umfangswand (15) des Kolbens (11) im Querschnitt konvex ausgebildet ist.
Kolben nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (211) im Querschnitt kegelstumpfförmig ausgebildet ist.
Kolben nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (115) im Querschnitt mit den oberhalb und unterhalb des Bereichs (115') liegenden Bereichen trapezförmig ausgebildet ist.