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Die Erfindung betrifft einen Kurbeltrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine damit ausgestatte Vorrichtung in Form eines Motors, vorzugsweise Verbrennungsmotors, oder Kompressors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 14.
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STAND DER TECHNIK
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Bei Verbrennungsmotoren und Kompressoren hat sich der Kurbeltrieb beispielsweise gegen Drehkolbenmotoren durchgesetzt. Eine aufgrund der Expansion entstandener Verbrennungsgase auf einen Kolben ausgeübte Druckkraft entlang seiner Linearbewegung in einem Zylindergehäuse entlang dessen Innenwand wird in eine Schubstangenkraft, die auf eine unterseitig angelenkte Schubstange wirkt, und eine Querkraft zerlegt, die von dem Kolben im Wesentlichen senkrecht auf die den Kolben führende Innenwand des Zylindergehäuses wirkt. An einem Pleuelelement-Anlenkpunkt eines Kurbelzapfens einer Kurbelwelle wird die Schubstangenkraft in eine Tangentialkraft und eine Radialkraft zerlegt. Die Tangentialkraft liegt auf einer Tangente einer Kreislinie, entlang der sich der Kurbel-Anlenkpunkt um eine Drehachse der Kurbelwelle bewegt und dabei die Kurbelwelle um die Drehachse in Rotation versetzt. Die Radialkraft ist vom Kurbel-Anlenkpunkt in Richtung Drehachse gerichtet. All diese Kräfte werden üblicherweise über Gleitlager übertragen. Ein dadurch entstehender Nachteil sind die Reibungsverluste. Größte Reibungsverluste entstehen zwischen den Kolben und der Innenwand des zugehörigen Zylindergehäuses. Außerdem ist dadurch der Verschleiß der Kolben und der Zylinder groß, was die Lebensdauer verkürzt. Ein anderer Nachteil besteht in der Erschütterung in der gesamten Maschine, die die Bewegungen der Schubstangen verursachen, insbesondere wenn man bedenkt, welch großer Radius die vorgenannte Kreislinie in Bezug auf Breitenabmessungen der Kolben quer zu deren Linearbewegung hat. Ein weiterer Nachteil besteht in der Konstruktion einer Mehrzylindermaschine, die den Einsatz reibungsarmer Wälzlager verhindert. Zumindest die zwei erstgenannten Nachteile bestehen auch bei Kompressoren bzw. Verdichtern.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kurbeltrieb für einen Motor oder einen Kompressor zu schaffen, der die Nachteile des Standes der Technik im Wesentlichen überwindet und einen deutlich geringeren Verschleiß und eine geringere innere Reibung aufweist, und der insbesondere auch zu geringeren Vibrationen führt.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Kurbeltrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 14 jeweils in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass der Kurbeltrieb ein mit wenigstens drei Anlenkpunkten ausgebildetes Pleuelelement aufweist, wobei der erste Kolben mittels einer ersten Schubstange in einem ersten Anlenkpunkt an das Pleuelelement angebunden ist, der zweite Kolben mittels einer zweiten Schubstange in einem zweiten Anlenkpunkt an das Pleuelelement angebunden ist, und wobei ein in einem gehäusefesten Führungsmittel hubbeweglich geführtes Führungselement eingerichtet ist, wobei das Pleuelelement in einem dritten Anlenkpunkt an dem Führungselement angebunden ist, sodass das Pleuelelement bei Rotation der Kurbelwelle um die Drehachse eine Hub-Pendelbewegung ausführt.
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Die Erfindung sieht somit ein aus der Drehachse betrachtet in etwa dreieckiges bzw. dreieckförmiges Pleuelelement vor, das zwei beabstandet zueinander ausgebildete Anlenkpunkte zur Anbindung der Kolben aufweist, das an einem linear hubbeweglich geführten Führungselement angebunden ist und an das eine Kurbelachse einer Kurbelwelle angebunden ist.
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Der erste Kolben ist mittels einer ersten Schubstange im ersten Anlenkpunkt an das Pleuelelement angebunden und der zweite Kolben ist dementsprechend mittels einer zweiten Schubstange im zweiten Anlenkpunkt an das Pleuelelement angebunden, wobei die Schubstangen vorzugsweise parallel zueinander verlaufen oder zumindest nur einen kleinen Winkel zueinander einschließen.
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Das Pleuelelement ist mit dem Führungselement an einem Führungsmittel quer zur Drehachse und vorzugsweise parallel zur Hubbewegungsrichtung der Kolben linear geführt und mit dem Kurbelzapfen der Kurbelwelle verbunden, sodass das Pleuelelement bei einer Rotation der Kurbelwelle in der Drehachse eine Hub-Pendelbewegung ausführt. Das Pleuelelement bildet ein Zwischenglied zwischen den Schubstangen der Kolben und der Kurbelwelle, die mit der Kurbelachse ausgebildet ist, wobei die Kurbelachse beispielsweise einstückig mit der Kurbelwelle verbunden ist und aus als Hubachse oder als Hubzapfen bezeichnet werden kann. Die Hub-Pendelbewegung des Pleuelelements führt dazu, dass die beabstandet zueinander an das Pleuelelement angebundenen Schubstangen der zugehörigen Kolben in wesentlich geringerem Maße ausgelenkt werden als bei herkömmlichen Kurbeltrieben. D. h., erfindungsgemäß übernimmt das Pleuelelement mit seiner Hub-Pendelbewegung einen Teil oder sogar die gesamte Auslenkung klassisch an einen Hubzapfen angebundener Schubstangen. Dadurch reduziert sich die Querkraft beim jeweiligen Kolben enorm, mit der der Kolben bei jedem Arbeitstakt von innen gegen die Wandung der Zylinder drückt. Dies wiederum führt zu wesentlich geringerem Verschleiß, geringeren Reibungskräften und deutlich reduzierten Vibrationen. Ferner ermöglicht diese Konstruktion den Einsatz von Wälzlagern anstelle von Gleitlagern für den gesamten Kurbeltrieb, da die aufzunehmenden Kräfte geringer sind, was den Einsatz von Wälzlagern überhaupt erst zulässt.
vierten Anlenkpunkt ist das Pleuelelement mit der exzentrisch zur Drehachse versetzten Kurbelachse der Kurbelwelle angebunden, was den Abtrieb und die Umsetzung der Pleuelbewegung in einer Drehbewegung der Kurbelwelle überhaupt erst möglich macht. Die Verbindungslinie zwischen dem dritten Anlenkpunkt und dem vierten Anlenkpunkt verläuft dabei senkrecht zur Verbindungslinie zwischen dem ersten Anlenkpunkt und dem zweiten Anlenkpunkt der Anlenkungen der Schubstangen und damit der Anbindung der Kolben. Vorzugsweise sind die Schubstangen mit einem ersten Ende pendelbeweglich am zugehörigen Kolben und mit einem zweiten Ende im zugehörigen Anlenkpunkt pendelbeweglich am Pleuelelement angeordnet. D. h. die Schubstangen sind am jeweiligen Kolben in klassischer Weise angelenkt, führen aber vorzugsweise eine Hubbewegung in ihrer Längsrichtung aus und führen hingegen aber kaum eine Pendelbewegung aus.
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Durch das so betriebene Pleuelelement verringert sich die resultierende Querkraft zwischen den Kolben und den Innenwänden der Zylinder ebenso wie die seitlich wirkenden Kräfte auf das Pleuelelement, und damit sind beispielsweise auch die Kräfte zwischen dem Führungselement und dem Führungsmittel gering, da sämtliche wirkenden Kräfte im Wesentlichen parallel zu den Hubachsen der Pleuelelemente verlaufen. Die Verbindung zwischen dem Pleuelelement und dem Führungselement weist vorzugsweise eine Gelenkverbindung mit einem .Gelenkbolzen auf und/oder es ist vorgesehen, dass die Verbindung zwischen dem Pleuelelement und der Kurbelachse eine Drehlagerung aufweist.
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Der dritte Anlenkpunkt am Pleuelelement befindet sich räumlich zwischen dem ersten und zweiten Anlenkpunkt, an dem das Führungselement mit einem Gelenkbolzen angebunden ist, der sich parallel zur Drehachse erstreckt, wobei das Führungselement in Hubrichtung der Kolben in einer eigenen Hubachse an einer linearen Vorrichtung linear geführt wird. In einem bestimmten Abstand weist das Pleuelelement an seiner Mittellinie den vierten Anlenkpunkt auf, der in Bezug auf die Hubachsen über bzw. unter dem dritten Anlenkpunkt liegt. Am vierten Anlenkpunkt ist das Pleuelelement mit der Kurbelachse drehbar verbunden. Bei Drehung der Kurbelwelle wird das Pleuelelement an der Kurbelachse rotiert und am dritten Anlenkpunkt wird das Pleuelelement linear hin- und hergeführt. Dadurch werden die Schubstangen der ersten und zweiten Anlenkpunkte auch fast linear geführt. Die Kolbenkraft, die auf die Schubstangen wirkt, wird an dem ersten Anlenkpunkt zerlegt in zwei Kräfte. Eine Kraft verläuft entlang der Verbindungslinie des ersten Anlenkpunktes mit dem vierten Anlenkpunkt, die am vierten Anlenkpunkt wiederum zerlegt wird in eine Radialkraft und eine Tangentialkraft (Drehkraft der Kurbelwelle). Die zweite zerlegte Kraft wirkt entlang der Verbindungslinie des ersten Anlenkpunktes mit dem dritten Anlenkpunkt. Die zweite zerlegte Kraft wird wiederum im dritten Anlenkpunkt zerlegt in zwei Kräfte. Die eine Kraft wirkt senkrecht auf die Achse der linearen Führung und die zweite Kraft wirkt entlang der Achse der linearen Führung.
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Die Kräfte der zweiten Schubstange werden im zweiten Anlenkpunkt auch zerlegt in zwei Kräfte. Die erste Kraft wirkt entlang der Verbindungslinie des zweiten Anlenkpunktes mit dem vierten Anlenkpunkt, die im Anlenkpunkt wiederum zerlegt wird in eine radiale Kraft und eine tangentiale Kraft (Drehkraft der Kurbelwelle). Die zweite Kraft wirkt entlang der Verbindunglinie des dritten Anlenkpunktes mit dem zweiten Anlenkpunkt. Die zweite zerlegte Kraft wird am dritten Anlenkpunkt zerlegt in zwei Kräfte. Eine Kraft wirkt senkrecht auf die Achse der linearen Führung. Die andere wirkt entlang der Achse der linearen Führung.
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Durch die fast linear geführten Schubstangen werden die Zylinderwände von der Kraftübertragung entlastet. Dies wiederum führt zu wesentlich geringeren Reibungskräften und Vibrationen. Ferner ermöglicht diese Konstruktion den Einsatz von Wälzlagern anstelle von Gleitlagern, was wiederum Verlustleistung einspart.
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Zusätzlich oder alternativ können das Führungsmittel zur linearen Führung des Pleuelelementes und die Drehachse der Kurbelwelle in Hubrichtung gesehen jeweils mittig zwischen den Anlenkpunkten des Pleuelelementes angeordnet sein. Dies führt dazu, dass auf die beiden Kolben-Schubstangen-Anordnungen die gleichen Kräfte wirken. Damit einhergehend können die Bestandteile für die Kolbenanordnungen gleich dimensioniert werden, was den kostengünstigen Einsatz von Gleichteilen ermöglicht.
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Vorzugsweise verlaufen bei allen vorgenannten Kurbeltrieben die Hubbewegungsrichtungen der Kolben parallel zueinander. Dies ermöglicht klassische Zylindergehäuse-Anordnungen in einer Reihe, im Rechteck oder, wie bei einem Boxermotor, in Bezug auf die Kurbelwelle einander gegenüberliegend.
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Alternativ oder zusätzlich sind die Schubstangen im Bereich der Anlenkpunkte mit Schmiervorrichtungen versehen, was der Langlebigkeit und Wartungsfreundlichkeit zu Gute kommt. Auch kann das Pleuelelement im Bereich seiner Linearführung an seinem Schwerpunkt als Kurbel-Anlenkpunkt mit der Kurbelwelle drehbar verbunden und in einem anderen Bereich gelenkig mit einem Teil verbunden sein, das innen oder außen in einem ortsfest angeordneten, linearen Führungsmittel geführt angeordnet ist. Diese Schwerpunktlage verringert die vom Pleuelelement hervorgerufenen Vibrationen und ermöglicht eine besonders energiesparende Kraftübertragung von den angebundenen Schubstangen auf das Pleuelelement oder umgekehrt. Damit bleibt festzuhalten, dass das Pleuelelement einen Schwerpunkt aufweist, der mit der Verbindung zwischen dem Pleuelelement und der Kurbelachse zusammenfällt und wobei die Verbindung zwischen dem Pleuelelement und dem Führungselement einen Abstand zum Schwerpunkt aufweist.
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Das Pleuelelement ist entlang der Drehachse gesehen vorzugsweise symmetrisch ausgebildet. Das Pleuelelement kann, quer zur Drehachse gesehen, zwei symmetrisch nebeneinander angeordnete Seitenteile umfassen, die mit einem bestimmten Abstand im Bereich des Kurbel-Anlenkpunkts durch einen massiven Körper fest miteinander verbunden sind. Beide Maßnahmen einzeln oder in Kombination miteinander führen zu gleichen Kräften an den angebundenen Schubstangen, verbunden mit den bereits genannten Vorteilen. Vorzugsweise sind im Fall der Seitenteile am Schwerpunkt des Pleuelelements in den Seitenteilen Lager eingebaut, welche die frei rotierbare Verbindung an der Kurbel-Anlenkstelle gewährleisten. Dies dient der Verringerung von Reibungsverlusten. Es können an einer Mittellinie des Pleuelelements von dem Schwerpunkt in Richtung Anlenkpunkte in einem bestimmten Abstand Ausnehmungen ausgebildet sein, die je zwei Gewindebohrungen haben. Diese Bohrungen sind zum Einfügen und Verschrauben in Pleuellagerflansche oder Pleuelachsenflansche vorgesehen. Schließlich können, in Richtung der Drehachse gesehen, links und rechts senkrecht zur Mittellinie des Pleuelelements von der Achse der Pleuellagerflansche in einem bestimmten Abstand Lager eingebaut sein, die mit Achsen versehen sind. All dies dient ebenfalls der Reibungsminderung. Damit ist das Pleuelelement mittels an diesem angeordneten Pleuellagerflanschen gelenkig mit dem Führungselement verbunden und/oder wobei das stationäre Führungsmittel mit einer Grundplatte an einer den Kolben abgewandten Seite am Kurbelgehäuse angeordnet ist.
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Bei den zwei letztgenannten Kurbeltrieben können im Fall einer außen ausgeführten, linearen Führung das Führungselement gelenkig mit Pleuellagerflanschen verbunden sein und die stationäre Führung, gebildet durch das Führungsmittel, kann an einer dem Kolben abgewandten Seite, am Gehäuse befestigt sein. Dies ermöglicht ein einfaches Zusammensetzen und damit eine einfache Montage im Kurbelgehäuse.
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Das Führungsmittel kann somit ein Hohlzylinder sein, der von beiden Seiten ausgebildete parallele Flächen aufweist. In der Mitte des Hohlzylinders ist im Wesentlichen senkrecht zu den abgetragenen Flächen die Gelenkachse mit festem Sitz eingebaut und insbesondere von beiden Seiten mit Anlaufscheiben versehen. Dies ermöglicht eine einfach herzustellende und damit kostengünstige Linearführung entlang der stationären Führung, was der Betriebssicherheit zu Gute kommt. Somit kann das Führungsmittel einen Aufnahmezylinder aufweisen, der mit der Grundplatte des Führungsmittels baueinheitlich ausgeführt ist und in dem das zylinderförmige Führungselement aufgenommen ist.
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Alternativ oder zusätzlich bildet das Führungsmittel einen Zylinder, der von beiden Seiten parallele abgetragene Flächen aufweist und insbesondere in eine Grundplatte integriert ist, die von beiden Seitenenden mit Schraubenlöchern versehen ist. Auch dies ist eine einfach herzustellende und damit kostengünstige Möglichkeit, eine Linearführung bereitzustellen. Verfügt der Hohlzylinder, wie angegeben, ebenfalls über abgetragene Flächen, kann die Linearführung einfach mittels Zusammenschiebens von Hohlzylinder und Zylinder verdrehsicher hergestellt werden, sodass das Pleuelelement sicher geführt ist und immer von den Schubstangen bewegt werden kann.
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Im Fall einer innen angeordneten, linearen Führung kann das hin- und hergeführte Teil der Führung gelenkig mit Achsen von Pleuelachsenflanschen des Pleuelelements verbunden sein. Die Führung bildet dabei ein Führungszapfen, der mit einer Grundplatte fest verbunden ist. Die Grundplatte ist unterseitig an einem Kurbelgehäuse festgeschraubt oder bildet selbst den Bodenteil des gesamten Gehäuses. Dies ist eine einfach herzustellende Alternative zu einer außen angeordneten, linearen Führungsvorrichtung. Das Gehäuse ist wenigstens gebildet aus einer oberseitigen Zylinderplatte, in der die Zylinder ausgebildet sind, dem Kurbelgehäuse, in dem die Kurbelwelle frei rotierbar in der Drehachse gelagert aufgenommen ist und der bodenseitig angeordneten Grundplatte des Führungsmittels oder einer die Grundplatte unterseitig abdeckenden Bodenplatte.
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Bei den letzten zwei Kurbeltrieben kann die Führung des geführten Teils ein Führungszapfen bilden, welche mit der Grundplatte fest verbunden ist, die von beiden Seitenenden mit Schraubenlöchern versehen ist.
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Jeder vorgenannte Kurbeltrieb kann zumindest zwei oder vier Kolben und insbesondere eine gerade Anzahl an Kolben aufweisen. Dies kommt der Laufruhe zugute und vier Kolben ermöglichen eine rechteckige oder auch boxermotorartige Formation bzw. Anordnung der Kolben, wenn deren Hubbewegungsrichtungen parallel zueinander verlaufen.
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Das Gehäuse umfasst vorzugsweise einen Zylinderblock, in dem die Zylindergehäuse ausgebildet sind, und ein sich daran anschließendes Kurbelgehäuse, in dem die Kurbelwelle aufgenommen ist. Das Gehäuse ist so gestaltet, dass die Hubbewegungsrichtungen der Kolben senkrecht zu einer Verbindungsfläche des Zylinderblocks mit dem Kurbelgehäuse ausgerichtet sind. Herkömmlich gestaltete Kurbeltriebsgehäuse sind also weiterhin verwendbar.
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Beinhaltet der Kurbeltrieb eine gerade Anzahl an Kolben, und verlaufen deren Hubbewegungsrichtungen parallel zueinander, können die zugehörigen Zylindergehäuse, entlang der Hubbewegungsrichtungen der Kolben gesehen, in einer rechteckigen Formation angeordnet sein. Dies ist eine besonders platzsparende Anordnung beispielsweise gegenüber herkömmlichen V-Motoren.
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Die Erfindung sieht ferner eine Vorrichtung vor, die als Motor oder Verdichter ausgebildet ist. Die Vorrichtung umfasst erfindungsgemäß einen der vorgenannten Kurbeltriebe. Dessen Kurbelwelle bildet dabei eine (Motor-)Abtriebswelle bzw. (Kompressor -Antriebswelle), je nachdem, als was die Vorrichtung ausgebildet ist.
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Der Abstand zwischen dem ersten Anlenkpunkt und dem zweiten Anlenkpunkt kann gleich sein mit dem Abstand der ersten Hubachse des ersten Kolbens und der zweiten Hubachse des zweiten Kolbens.
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Figurenliste
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
- 1 und 2 zwei Ansichten eines Kurbeltriebs gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 3 bis 6 die Kolben nebst Schubstange und Pleuelelement von 1 in jeweils einer von vier Betriebsstellungen,
- 7 und 8 zwei 90° zueinander gedrehte Ansichten einer der Schubstangen nebst der Kolben,
- 9 und 10 zwei Ansichten eines Kurbeltriebs gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 11 und 12 zwei Ansichten eines Kurbeltriebs gemäß dem Ausführungsbeispiel von 1 und 2 der Erfindung,
- 13a, 13b eine Innenführung des Pleuelelementes an der Grundplatte und
- 14a, 14b eine Außenführung des Pleuelelementes an der Grundplatte.
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1 zeigt einen Kurbeltrieb 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Schnittansicht quer zum Verlauf der Drehachse 5.1, und 2 zeigt das gleiche Ausführungsbeispiel des Kurbeltriebs 100 in einer Schnittansicht entlang einer Drehachse 5.1 durch das Pleuelelement 9 hindurch.
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Der Kurbeltrieb 100 umfasst beispielhaft vier entlang einer jeweiligen Hubachse 13.1 und 13.2 linear beweglich aufgenommene Kolben 13, die in jeweils zugeordneten Zylindern 25 geführt sind, wobei in der Schnittansicht jeweils nur zwei Kolben 13 gezeigt sind. Die Zylinder 25 sind in einer Zylinderplatte 16 ausgebildet, auf der in nicht näher gezeigter Weise ein jeweiliger Zylinderkopf aufgebracht wird. Das gesamte Gehäuse des Kurbeltriebes 100 ist aufgebaut aus der oberseitigen Zylinderplatte 16, in der die Zylinder 25 ausgebildet sind, einem Kurbelgehäuse 21, in dem die Kurbelwelle 5 frei rotierbar in der Drehachse 5.1 gelagert aufgenommen ist und einer bodenseitig angeordneten Bodenplatte 22.
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Um die Drehachse 5.1 ist eine Kurbelwelle 5 rotierbar aufgenommen, die mit einer exzentrisch zur Drehachse 5.1 versetzten Kurbelachse 6 ausgebildet ist. Erfindungsgemäß weist der Kurbeltrieb 100 ein mit vier Anlenkpunkten A1, A2, A3 und A4 ausgebildetes Pleuelelement 9 auf, wobei der erste Kolben 13 mittels einer ersten Schubstange 4 in einem ersten Anlenkpunkt A1 an das Pleuelelement 9 angebunden ist, der zweite Kolben 13 mittels einer zweiten Schubstange 4 in einem zweiten Anlenkpunkt A2 an das Pleuelelement 9 angebunden ist, und wobei ein in einem gehäusefesten Führungsmittel 2 hubbeweglich geführtes Führungselement 3 eingerichtet ist, wobei das Pleuelelement 9 in einem dritten Anlenkpunkt A3 an dem Führungselement 3 angebunden ist, sodass das Pleuelelement 9 bei Rotation der Kurbelwelle 5 um die Drehachse 5.1 eine Hub-Pendelbewegung ausführt.
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Das Pleuelelement 9 weist einen vierten Anlenkpunkt A4 auf, in welchem das Pleuelelement 9 mit der exzentrisch zur Drehachse 5.1 versetzten Kurbelachse 6 der Kurbelwelle 5 angebunden ist.
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Unterhalb jedes Kolbens 13 ist eine Schubstange 4 ortsfest oder um eine Achse hier senkrecht zur Blattebene drehgelenkig angebracht. Die Schubstangen 4 können starr oder biegeelastisch ausgebildet sein. Die Schubstangen 4 befinden sich exemplarisch im Kurbelgehäuse 21, das sich unterseitig an die Zylinderplatte 12 anschließt. Die Schubstangen 4 sind an ihren dem jeweiligen Kolben 13 abgewandten Ende mittels zugehöriger Pleuelbolzen 14 am Pleuelelement 9 angelenkt. Die Schubstangen 4 greifen in den Anlenkpunkten A1 und A2 an zwei gegenüberliegenden Seitenbereichen des Pleuelelements 9 an diesem an. Unterhalb der Schubstangen 4 befindet sich jeweils eine Schmiervorrichtung 23, die den reibungsarmen Lauf der zugehörigen Schubstange 4 gewährleistet und in einem Ölsumpf hineinragt. Die Schmiervorrichtungen 23 sind mit einem Schmierbecher und einem Schraubelement einfach aufgebaut.
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Das Pleuelelement 9 ist mit seinen gabelförmigen Pleuellagerflanschen 8 vermittels eines Gelenkbolzens 15 über Drehlagerungen 26 an einem Führungselement 3 angebunden, wobei das Führungselement 3 in einem Führungsmittel 2 in einer Hubachse H linear geführt ist. Das Führungsmittel 2 weist einen Aufnahmezylinder 28 auf, in dem das Führungselement 3 geführt ist. Der Aufnahmezylinder 28 ist an einer Grundplatte 20 aufgenommen und erstreckt sich in der Hubachse H senkrecht aus der Grundplatte 20 heraus, wobei die Grundplatte 20 parallel zur Bodenplatte 22 verläuft. Durch das Führungsmittel 2 kann das Pleuelelement 9 bei einer Rotation der Kurbelwelle 5 eine Hub-Pendelbewegung ausführen, indem die Kurbelachse 6, die exzentrisch zur Drehachse 5.1 an der Kurbelwelle 5 ausgebildet ist, bei einer Rotation den Schwerpunkt S des Pleuelelementes 9 um die Drehachse 5.1 rotieren lässt.
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Im oberen, in der gezeigten Position den Kolben 13 zugewandten Bereich des Pleuelelements 9 befinden sich an einer Kurbelwelle 5 Masseausgleichsabschnitte 7. Etwas unterhalb der Masseausgleichsabschnitte 7 ist das Pleuelelement 9 an der Kurbelwelle 5 bzw. der Kurbelachse 6 frei rotierbar angelenkt. Die Drehachse 5.1 der Kurbelwelle 5 verläuft hier ebenfalls senkrecht zur Blattebene.
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Die jeweilige Paarung Schubstange 4 - Pleuelelement 9 ersetzt also eine herkömmliche Pleuelstange. Ist der Kurbeltrieb Bestandteil eines Motors, werden beispielsweise der linke Kolben 13 mit der angebrachten Schubstange 4 auf- und abwärts bewegt und über diese Bewegung das Pleuelelement 9 hin- und hergeschwenkt. Durch die Führung 1 und die obere Anbindung an die Kurbelwelle 5 wird die Kurbelwelle 5 in Rotation versetzt. Die besondere Anordnung des Anlenkpunkts A1, A2 der Schubstange 4 am Pleuelelement 9 zur Kurbelwellenanbindung des Pleuelelements 9 führt dazu, dass dieser Anlenkpunkt A1, A2 eine wesentlich geringere, horizontale Auslenkung erfährt als die Stelle, an der das Pleuelelement 9 über die Kurbelachse 6 an die Kurbelwelle 5 angebunden ist. Damit einhergehend reduzieren sich die hervorgerufenen, in 1 horizontalen Querkräfte zwischen Kolben 13 und Führungswand des zugehörigen Zylinders 25.
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Die Drehlagerung 26 ist vorzugsweise als Wälzlager ausgebildet, vorzugsweise sind die gesamten Anlenkpunkte A1 bis A4 am Pleuelelement 9 als Wälzlager ausgebildet. Die Grundplatte 20 ist vorzugsweise unterseitig am Kurbelgehäuse 21 angeschraubt.
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Der Masseausgleichsabschnitt 7 ist mittels zweier Vorsprünge gebildet, die ortsfest an der Kurbelwelle 5 angeordnet sind und quer zur Drehachse 5.1 der Kurbelwelle 5 von der Kurbelwelle 5 vorzugsweise in dieselbe Richtung hervorstehen. Der Ausgleichsabschnitt 7 dient dem Zweck, Vibrationen, Erschütterungen und Unwuchten an der rotierenden Kurbelwelle 5 auszugleichen.
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Die 3 bis 6 zeigen die Kolben 13 nebst Schubstangen 4 und Pleuelelement 9 in jeweils einer von vier Betriebsstellungen. Gemäß 3 befinden sich der rechte Kolben 13 an seinem oberen Totpunkt und der linke Kolben 13 tiefer, aber oberhalb seines unteren Totpunkts. Das Pleuelelement 9 ist über die rechte Schubstange 4 maximal um einen Pendelwinkel β nach links verschwenkt. Die Anlenkstelle des Pleuelelements 9 an der zugehörigen Kurbelachse 6 der Kurbelwelle 5 befindet sich links oberhalb der Drehachse der Kurbelwelle 5. Die vertikale Linearführung des Pleuelelements 9 wird mittels des Führungselementes 3 bewerkstelligt, das auf einem von einer Grundplatte 20 nach oben hervorstehenden Führungszapfen 18 geführt aufgenommen ist. Das Pleuelelement 9 ist am Führungselement 3 frei rotierbar angelenkt. Funktional gesehen bildet das Pleuelelement 9 zwischen jeder Paarung Anlenkpunkt A1, A2 zu Schubstange 4 - Anlenkstelle Kurbelwelle 5 ein Nebenpleuel 29 bzw. 30.
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Verfahren der rechte Kolben 13 nach unten und der linke Kolben 13 nach oben, wird die in 4 gezeigte Betriebsstellung erreicht, in der sich der linke Kolben 13 am oberen Totpunkt befindet. Das Pleuelelement 9 ist betragsmäßig um denselben Pendelwinkel β nach rechts verschwenkt.
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Ist der rechte Kolben 13 maximal nach unten bewegt, ist die in 5 dargestellte Betriebsstellung erreicht, in der der linken Kolben 13 ebenfalls ein Stück weit nach unten bewegt ist. Die Anlenkstelle des Pleuelelements 9 an der zugehörigen Kurbelachse 6 der Kurbelwelle 5 befindet sich rechts unterhalb der Drehachse der Kurbelwelle 5. Das Pleuelelement 9 ist aufgrund seiner vertikalen Abwärtsbewegung wiederum nach rechts verschwenkt, und zwar vorzugsweise so weit wie in 4. Die Abwärtsbewegung wird durch die Rotation der Kurbelwelle 5 bewirkt.
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Hat daraufhin der linke Kolben 13 den unteren Totpunkt erreicht, ergibt sich die in 6 dargestellte Betriebsstellung. Die Kurbelachse 6 befindet sich links unterhalb der Drehachse der Kurbelwelle 5, und das Pleuelelement 9 ist nach links verschwenkt. Danach wiederholt sich der ganze Vorgang. Das Bezugszeichen Ls bezeichnet eine jeweilige Schulterlänge, die den Abstand zwischen der Verschwenk- bzw. Rotationsachse des Pleuelelements 9 und der Rotationsachse einer der Schubstangen 4 beschreibt. Aus den 3 bis 6 wird deutlich, wie wenig die Schubstangen 4 horizontal ausgelenkt werden.
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7 zeigt eine Ansicht einer Anordnung, umfassend einen Kolben 13 und die daran angebrachte Schubstange 4, analog zu 1. 8 zeigt die Anordnung in einer Ansicht von links in 7. Die Schubstange 4 ist oben vorzugsweise auf den Kolben 13 geklemmt oder anderweitig befestigt, kann aber auch um eine Rotationsachse parallel zur Drehachse der hier nicht dargestellten Kurbelwelle 5 angelenkt sein. Im unteren Bereich befinden sich zwei Schenkel 31, die mit der sonstigen Schubstange 4 eine vom Kolben 13 weg weisende, U-förmige Aufnahmegabel bilden. In jedem Schenkel 31 ist eine Durchgangsöffnung 27 ausgebildet. Die Durchgangsöffnungen 27 fluchten vorzugsweise miteinander, um die Pleuelbolzen 14 aufzunehmen. Unterhalb jedes Schenkels 31 befindet sich eine Schmiervorrichtung 23 für die Schubstange 4. Auch im Kolbenbereich ist vorzugsweise eine Schmiervorrichtung 23 vorgesehen.
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9 zeigt einen Kurbeltrieb 100 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Teilschnittansicht. 10 zeigt diesen Kurbeltrieb 100 ebenfalls in einer Teilschnittansicht von links in 9. Das Pleuelelement 9 besteht im Wesentlichen aus zwei Seitenteilen 10, die an einem diese verbindenden, massiven Körper 11 in einem bestimmten Abstand über dem Schwerpunkt des Pleuelelements 9 ortsfest angebracht oder angeformt sind.
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Die Seitenteile 10, 10 sind über zwei als Halbachsen ausgebildete Pleuelachsen 19 drehbar an einem hin- und hergeführten Hubteil 17 angelenkt, das außenseitig in einem vorzugsweise hülsenartigen Teil vertikal linear geführt ist. Die Kurbelachse 6, die Pleuelachsen 19, 19 und die Achsen, mit denen die nicht dargestellten Schubstangen 4 am Pleuelelement 9 angelenkt sind, sind in Drehlagerungen 26 aufgenommen, die im jeweiligen Seitenteil 10 ortsfest eingesetzt sind. Die Drehlagerungen 26 sind vorzugsweise Wälzlager, insbesondere Kugellager. Die Seitenteile 10 sind bevorzugt symmetrisch ausgebildet. Nach der Fertigung des Pleuelelements 9 und der Schubstangen 4 können Abweichungen von errechneten und wirklichen Massen entstehen. Daher sind am massiven Körper 11 links und rechts von der Mittellinie des Pleuelelements 9 vorzugsweise Gewindebohrungen angebracht, in die Schrauben 12 oder Gewindestifte eingeschraubt sind.
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Durch Positionsveränderungen der Schrauben 12 bzw. Gewindestifte in den Gewindebohrungen kann die Auswuchtung in dem Pleuelelement 9 relativ leicht durchgeführt werden. Vorzugsweise am Schwerpunkt des Pleuelelements 9 sind an den beiden Seitenteilen 10 Lagersitze für die Verbindung mit der Achse 6 der Kurbelwelle 5 angeordnet. An einer vertikalen Mittelline des Pleuelelements 9 sind an den Seitenteilen 10 von dem Schwerpunkt nach unten in einem bestimmten Abstand Ausnehmungen angebracht, die mit je zwei Gewindebohrungen versehen sind. In die Ausnehmungen werden die Pleuellagerflansche 8 oder Pleuelachsenflansche 24 eingefügt und verschraubt. Die Verbindung des Pleuelelements 9 zu den Pleuelachsen 19 erfolgt über einen Pleuelachsenflansch 24.
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11 zeigt einen Kurbeltrieb 100 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Teilschnittansicht. 12 zeigt diesen Kurbeltrieb 100 in einer Teilschnittansicht von links in 11. Der Kurbeltrieb 100 ist dem zweiten Ausführungsbeispiel sehr ähnlich. Nur gibt es hier am Pleuelelement 9 einen Aufnahmezylinder 28 und einen durchgehenden Gelenkbolzen 15.
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Die 13a und 13b zeigen eine Innenführung des Führungselementes 3 bzw. des Hubteils 17, wobei in 13a ein Schnitt gelegt ist durch die Anlenkpunkte A1, A2 mit den Flanschen 32 und den Anlenkpunkt A3, sodass ferner das Pleuelelement 9 in Verbindung mit den Pleuelbolzen 14 zu sehen sind, ferner sind die Pleuellagerflansche 24 in Verbindung mit der Pleuelachse 19 in den Führungszapfen 18 gezeigt. Der Führungszapfen 18 erstreckt sich wie in 13b gezeigt senkrecht aus der Grundplatte 20 heraus und ragt in das Führungselement 3 hinein.
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Die 14a und 14b zeigen eine alternative Außenführung des Führungselementes 3 mit einer Außenführung des Führungselementes 3, wobei in 14a ein Schnitt durch die Anlenkpunkte A1, A2 mit den Flanschen 32 und den Anlenkpunkt A3 gelegt ist, sodass ferner das Pleuelelement 9 in Verbindung mit den Pleuelbolzen 14 zu sehen sind, ferner ist der Gelenkbolzen 15 in Verbindung mit dem Pleuellagerflansch 8 gezeigt. Das Führungsmittel 2 erstreckt sich wie in der 14b gezeigt senkrecht aus der Grundplatte 20 heraus und bildet einen inneren Zylinder, in dem das Führungselement 3 hubbeweglich aufgenommen ist, wobei die Grundplatte 20 beispielhaft einen Teil des Gehäuses 1 bildet.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
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Ist die Anzahl an Kolben 13 gerade und vorzugsweise 4, können diese quer zur Drehachse der Kurbelwelle 5 gesehen, in einer Rechteckformation angeordnet sein. Die Schubstangen 4 können senkrecht zu einer Verbindungsfläche zwischen Zylinderplatte 16 und Kurbelgehäuse 21 angeordnet sein, das zur Lagerung der Kurbelwelle 5 in der Drehachse 5.1 ausgelegt ist. Die Drehachse 5.1 kann von einer Seite mit dem jeweiligen Kurbelzapfen durch eine Feder-Nut-Verbindung fest und mit der anderen Seite durch eine Feder-Nut-Verbindung mit dem Kurbelzapfen verschiebbar verbunden sein. Vorzugsweise ist der Schwerpunkt des Pleuelelements 9 die Kurbelachse 6 der Kurbelwelle 5.
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Die Kolben 13 werden insbesondere im Fall eines Vier-Zylinder-Kurbeltriebs vorzugsweise nur mit einem Pleuelelement 9 getrieben. In das Pleuelelement 9 sind vier Nebenpleuel 29, 30 integriert. Die Abstände von den Achsen 14 bis zu Kurbelwelle 5 ist eine Art Nebenpleuellänge. Ein einziges Pleuelelement 9 hat gegenüber einem Vier-Zylinder-Kurbeltrieb mit vier Pleueln mehrere Vorteile. Die Reibungsverluste zwischen Kolben 13 und Zylinder 25 sowie der gelenkigen Verbindungen der Schubstangen 4 mit dem Pleuelelement 9 sind fast Null. Die lineare Führung 1 ist für eine gute Schmierung gut positioniert. Der erfindungsgemäße Kurbeltrieb ist gewichts- und raumsparend und zudem kostengünstiger in der Herstellung. Die Kräfte, die an der linearen Führung wirken, löschen sich in dem Pleuelelement 9 teilweise aus. Solch ein Kurbeltrieb kann nahezu erschütterungsfrei arbeiten.
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Eine Seitenwand des Kurbelgehäuses 21 kann mit einem Lagersitz versehen sein. An der anderen Seite kann ein Seitendeckel, der mit einem Lagersitz versehen ist, angebracht sein.
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Die Grundplatte 20 hat an beiden Seitenenden vorzugsweise Schraubenlöcher und ist in Ausnehmungen an Vorsprüngen des Kurbelgehäuses 21 eingefügt und festgeschraubt. Die Kolben 13 weisen vorzugsweise eine geringe Kegelform von oben nach unten in Richtung Pleuelelement 9 mit einer Neigung von bevorzugt etwa 11300 auf. Dadurch hat nur der Teil des Kolbens 13, welcher sich über dem oberen Kolbenring befindet, eine Berührung mit der Zylinderwand. Die Kegelform der Kolben 13 verhindert Verklemmungen der Kolben 13 im jeweiligen Zylinder 25, die durch geringe Abweichungen des unteren Teils der Schubstangen 4 von den Zylinderachsen entstehen. Die Vorteile dieser Kolbenausführung gegenüber Kolben 13 mit gelenkigen Verbindungen mit den Schubstangen 4 sind geringeres Gewicht und geringere Herstellungskosten.
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Das Hubteil 17 ist vorzugsweise ein Zylinder, der mit einer durchgehenden Bohrung versehen ist. In die Bohrung ist ein lineares Gleitlager eingebaut. Von beiden Seiten des Zylinders sind Zylinderflächen abgetragen. An der Mitte des Teils 17 senkrecht zu den abgetragenen Flächen sind Bohrungen für die Lagersitze angebracht. Die Pleuelachsen 19 sind mit dem Pleuelachsenflansch 24 fest verbunden. An der Mitte des Zylinders kann senkrecht zu abgetragenen Flächen die Achse 15 angebracht sein, die mit dem Teil 3 fest verbunden ist. Der Gelenkbolzen 15 ist von beiden Seiten vorzugsweise mit Anlaufscheiben versehen. Die Führung ist eine Bohrung, die in der Grundplatte 20 integriert ist. Beide Seitenflächen der Bohrung sind abgetragen. Die Bohrung ist mit Lagerschalen versehen, oder die Grundplatte 20 besteht aus Werkstoffen mit guten Gleiteigenschaften.
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Bei herkömmlichen Kurbeltrieben für Verdichter taucht das untere Teil der Schubstange rotierend in das Öl der Ölwanne ein und verspritzt das Öl im Kurbelgehäuse. Dadurch werden alle Lager und Zylinder in dem Kurbelgehäuse geschmiert. Dieses Schmierverfahren ist für die Erfindung bedenklich, weil die Schubstangen 4, das Führungselement 3 und die Seitenteile 10 des Pleuelelements 9 zusammen eine große Eintauchfläche bilden. Wenn diese Fläche mit hoher Geschwindigkeit linear in die Öloberfläche des Öls der Ölwanne eintaucht, kann es zu unerwünschten Schlägen auf die Öloberfläche des Öls der Ölwanne kommen. Daher ist vorgesehen, dass die Schmiervorrichtung 23 für die Schmierung der Zylinder, Lager der Führung und Drehlagerung 26 in dem Kurbelgehäuse 21 vorgesehen ist. Sie umfasst einen Behälter, der fest mit einer Schraube verbunden ist. Die Schmiervorrichtungen 23 sind vorteilhafterweise an die Lagerflansche 8 und an Schubstangenflansche angeschraubt. Bei UT des jeweiligen Kolbens 13 ist der Becher der zugehörigen Schmiervorrichtung 23 unter der Oberfläche des Öls der Ölwanne. Bei der Bewegung des Kolbens 13 nach oben vom Pleuelelement 9 weg wechselt der Kolben 13 von positiver Beschleunigung in negative Beschleunigung, bremst also ab. Dadurch wird der Inhalt des Bechers linear in die Zylinderräume und Lagersitze geworfen.
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Das Pleuelelement 9 ist vorteilhafterweise so ausgeführt, dass die Phasen zwischen in den 9 bis 12 links und rechts angeschlossenen Kolben 13 bei OT um 90° verschoben sind. Wenn die Kurbelwelle 5 im Uhrzeigersinn dreht und die jeweilige Kurbelachse 6 an Position 315° ist, dann sind die rechten Kolben 13 in OT, und die linken Kolben 13 haben vorzugsweise die Hälfte des Hubes in Richtung OT erreicht. Wenn die Kurbelwelle 5 auf Position 45° steht, muss der Pleuelbolzen 14 links des Pleuelelements 9 sowie die Drehachse 5.1 und die Kurbelachse 6 auf einer Linie liegen. In dieser Position des Pleuelelements 9 ist der linke Kolben in OT. Wenn man einen Kurbelwellenhebel r und den Pendelwinkel β festlegt, dann lassen sich alle Maße des Pleuelelementes 9 berechnen. Beispielsweise gilt:
- r = 20 mm
- ß = 6°
- Länge der Schubstange 4: 135,29 mm
- Ls = 109,55 mm
- Zylinderachsenabstand: 108,94 mm
- Kolbenhub: 51,26 mm
- Abweichungen der Achsen 14 von den Zylinderachsen: ±0,6 mm
- ßmax = 8,5°.
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Haben die Kolben 13 einen Durchmesser von 80 mm, ergibt sich ein Hubraum für einen Zylinder von etwa 257,53 cm3. Der erfindungsgemäße Kurbeltrieb ist für Verbrennungsmotoren und Verdichter jeder Art geeignet. Mehrere Kurbeltriebe können miteinander gekuppelt sein, wobei zwei Vier-Zylinder-Kurbeltriebe einen Acht-Zylinder-Kurbeltrieb bilden können, der für einen achtstufigen Hochdruck-Verdichter für Gase geeignet ist.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiven Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Kurbeltrieb
- 1
- Gehäuse
- 2
- Führungsmittel
- 3
- Führungselement
- 4
- Schubstange
- 5
- Kurbelwelle
- 5.1
- Drehachse
- 6
- Kurbelachse
- 7
- Masseausgleichsabschnitt
- 8
- Pleuellagerflansch
- 9
- Pleuelelement
- 10
- Seitenteil
- 11
- massiver Körper
- 12
- Schraube
- 13
- Kolben
- 13.1
- Hubachse
- 13.2
- Hubachse
- 14
- Pleuelbolzen
- 15
- Gelenkbolzen
- 16
- Zylinderplatte
- 17
- Hubteil
- 18
- Führungszapfen
- 19
- Pleuelachse
- 20
- Grundplatte
- 21
- Kurbelgehäuse
- 22
- Bodenplatte
- 23
- Schmiervorrichtung
- 24
- Pleuelachsenflansch
- 25
- Zylinder
- 26
- Drehlagerung
- 27
- Durchgangsöffnung
- 28
- Aufnahmezylinder
- 29
- Nebenpleuel
- 30
- Nebenpleuel
- 31
- Schenkel
- 32
- Flansch
- β
- Pendelwinkel
- r
- Kurbelabstand
- Ls
- Schulterlänge
- S
- Schwerpunkt
- H
- Hubachse
- A1-A4
- Anlenkpunkt
