DE1937066A1 - Vollkommen ausgewuchtete,schwingungsfreie Vorrichtung zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine lineare Wechselbewegung - Google Patents
Vollkommen ausgewuchtete,schwingungsfreie Vorrichtung zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine lineare WechselbewegungInfo
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Description
Vollkommen ausgewuchtete, schwingungsfreie Vorrichtung zur Umwandlung einer
Drehbewegung in eine lineare Wechselbewegung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur
Umwandlung einer Dreh- in eine lineare Wechselbewegung und betrifft insbesondere eine vollkommen ausgewuchtete
Kolbenmaschine oder ein Maschinenteil, die mittels Wechselbewegung und in ihrer Geschwindigkeit
gleichmässiger Kreisbewegung verbunden sind.
Bekannte Kurbelgetriebe oder Vorrichtungen zur Umwandlung
einer Dreh- in eine lineare Wechselbewegung, wie beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine,
sind unvermeidlich von Schwingungen begleitet, da sich die durch die Trägheit der sich hin und her bewegenden
Masse verursachten Unwuchtkräfte, beispielsweise des Kolbens und der Pleuelstange, theoretisch nicht ausgleichen
lassen. Die Schwingung verursacht mit Zunahme der Drehzahl oder des Drehmoments bekannte Gefahren.
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Hauptaufgabe der Erfindung ist es, solche Mängel zu belieben
und eine vollkommen ausgewuchtete, schwingungsfreie Vorrichtung zur Umwandlung einer Dreh- in eine
lineare Wechselbewegung zu schaffen, mittels derer die Unwuchtkräfte der sich hin und her bewegenden Masse,
die man bisher bei dieser Art von Vorrichtungen für unvermeidlich hielt, theoretisch ausgeschaltet werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäss der Erfindung eine
vollkommen ausgewuchtete, schwingungsfreie Vorrichtung zur Umwandlung einer Dreh- in eine lineare Wechselbewegung
vorgeschlagen, die ein Gehäuse, eine an einem Ende mit Arbeitsmitteln versehene Stange, einen den
anderen Endabschnitt der Stange drehbar haltenden Exzenterring mit einer eine Exzentrizität Jt aus der Mitte des
Ringes aufweisenden Öffnung, eine von dem Gehäuse drehbar gehaltene und die Öffnung des Exzenterringes mit
Hilfe eines Kurbelzapfens mit einer Ex- ^ntrizität JZ
drehbar haltende Kurbelwelle, mit dem Exzenterring und der Kurbelwelle zusammenwirkende, die Kurbelwelle und
den Exzenterring zum Bewirken der linearen Wechselbewegung der Stange mit der gleichen Geschwindigkeit und in
einander entgegengesetzten Eichtungen antreibende Mittel, an dem Exzenterring auf seiner der Mitte entgegengesetzten
Seite in Abständen E,, bzw. En von der Achse
des Kurbelzapfens und in Abständen (L. -^) bzw. £\
von der Längsachse der Stange befestigte Ausgleichgewichte mit dem Gewicht W^ bzw. W1-, weitere, an jeder Kurbelwange
der Kurbelwelle auf der dem Kurbelzapfen entgegengesetzten Seite in einem Abstand Ec bzw. Rn von der Achse der Kur-
b /
beiwelle und in einem Abstand (Lp -^2} ^zw. ^^ von der
Längsachse der Stange befestigte Ausgleichgewichte mit dem Gewicht W6 bzw. W7 besitzt, wobei die AusGleichgewichte
so bestimmt sind, dass sie den Formeln
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i!3?eee
£ = W4R4 +
m W6R6 + W7R7
L2W6R6 = /2 (W0 + W3 '+ W4 f W5)^
entsprechen, worin
W0 : das sich hin und her bewegende Gewicht
W. : das sich drehende Gewicht
L. : den Abstand zwischen den Schwerpunkten
von W4 und W-
L2 : den Abstand zwischen den Schwe punkten
von W6 und W-
bedeuten, so dass die durch die sich hin und her bewegende Masse verursachten Unwuchtkräfte ausgeglichen werden.
Wie vorstehend erwähnt, besitzt die Vorrichtung gemäss der
Erfindung zur Umwandlung einer Dreh- in eine lineare Wechselbewegung eine sich linear hin und her bewegende
Stange, eine sich drehende Kurbelwelle, einen die Stange haltenden und sich auf dem Kurbelzapfen drehende sowie
auf ihm umlaufenden Exzenterring und miteinander zusammenwirkende Mittel zum Erzeugen einer linearen Wechselbewegung
der Stange. Die Vorrichtung besitzt erfindungsgemäss
ferner Ausgleichgewichte, die, wie nachstehend noch näher erläutert, theoretisch sämtliche Unwuchtkräfte
ausgleichen. Die Bauweise ist sehr einfach, ohne dass
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1β?70ββ
dem üblichen Kurbelgetriebemechanismus viele Seile hinzugefügt werden müssen. Die Schwingungsamplitudenkennlinie
der Torrichtung nach der Erfindung liegt bei 5000 Upm der Kurbelwelle in der Grössenordnung
von 3 bis 4· Ά » deren Wert im Vergleich zu üblichen
Kurbelgetrieben etwa 1/80 beträgt.
Das Ausgleichgewicht lässt sich sehr leicht bestimmen und braucht zu der Längsachse der Stange nicht symmetrisch
befestigt zu werden, so dass die Verwendungsvielseitigkeit der Vorrichtung noch weiter vermehrt
wird.
Ferner nimmt die Stange für den Anschluss des Kolbens oder der.Arbeitsmittel, da sie eine lineare Wechselbewegung
ausführt, nur Druckbelastung auf, wobei auf sie kein Biegemoment einwirkt, und ausserdem auf den
Zylinder kein Seiten druck ausgeübt wird.
Die vorerwähnten Merkmale der einwandfrei ausgewuchteten,
schwingungsfreien Vorrichtung nach der Erfindung zur Umwandlung einer Dreh- in eine lineare Wechselbewegung
lassen sich bei vielen Anwendungen als Antriebs— maschinen, wie beispielsweise Verbrennungskraft- oder
Heissgaskraftmaschinen und auch als mittels einer anderen Eingangskraftquelle angetriebene Arbeitsmaschinen
oder -mechanismen verwenden. Einige dieser Anwendungen sind im Nachstehenden näher erörtert.
Zunächst lässt sich das Merkmal der Schwingungsfreiheit
vorteilhaft bei Maschinen ausnutzen, die nicht auf einem
starren Fundament angebracht werden sollen. Zu diesen Anwendungen gehören ortsveränderliche Benzinmotoren
für zahlreiche Zwecke, beispielsweise als Kettensäge, Mäher, Gehölzbeschneide- oder -Spritzvorrichtungen, und
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ausserdem nicht ortsgebundene Kraftmaschinen für Fahrzeuge,
wie Schiffe, Motorräder, Kraftfahrzeuge, Flugzeuge oder Easenmäher.
Das Merkmal der schwingungsfreien, sich linear hin und herbewegönden
Stange lässt sich bei Antriebs- und Arbeitsmaschinen vorteilhaft nutzen. Bei Antriebsmaschinen können
beide Seiten des Kolbens als doppeltwirkende Kraftmaschine verwendet werden, oder die Unterseite des Kolbens kann als
Vorverdichtüngsraum für das Ansaugen von Gasgemisch oder
Luft, insbesondere bei Zweitaktmotorenr verwendet werden.
Bei Kompressoren lässt sich leicht ein doppeltwirkender oder 2-stufiger Verdichter erzielen. Ferner kann die Pleuelstange
zum Einsetzen von Federn unterteilt werden zwecks Anpassung an Drehmomentveränderungen oder zum Einsetzen
einstellbarer Mittel zwecks Veränderung des Verdichtungs-Verhältnisses«
.
Das Merkmal einer linearen Vechselbewegung läset? sich auch
bei mittels einer sonstigen Eingangszeile angetriebenen Arbeit«maschinen oder -mechanismen ausnutzen. Zu solchen
Anwendungen gehören der Nadelstangenmechaniaimie für Häh-IBEB
chin en, «ich hin und her bewegen dt Mechanismen für
Spinn- und Webmaschinen, ledardehnnechanieiien für iederprufKasohinent
sich bin und her bewegende Mechanismen
für Werkzeugmaschinen, Hietaaschinen, Meiesel oder Hämmer.
Die Grundsätze, Mecjianiimen, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der nachfolgenden detaillierten Be-*
Schreibung zweier Aueführungßbeispielß anhand der beigefügten
Zeichnungen offenbar.
Ss zeigenι
. fig· 1 ein OrUiaiagrsjui «ines mrnfcf?** an einem AuseenuMfang einer sich mit konstanter Winkelg·-
sohwindigiceit tut ihr· Achse drehenden und mit
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gleicher Winkelgeschwindigkeit in entgegenge-, setzter Richtung umlaufenden Scheibe D,
Fig. 2 ein jede auf die Ebene X-Y projizierte, sich
bewegende Masse veranschaulichendes Diagramm,
Fig. 3 ein die in Fig. 2 auf die Ebene X-Y projiziert
dargestellten, sich drehenden Massen veranschaulichendes Diagramm,
Fig. 4 ein die in Fig. 2 auf die Ebene X-Y projiziert
dargestellten umlaufenden Massen veranschaulichendes Diagramm,
Fig. 5 einen Längsschnitt nach der Linie A-A in
Fig. 6, der eine eine Kurbelwelle antreibende,
aussenverzahnte, einwandfrei ausgewuchtete
Zweitakt-Kolbenkraftmaechine nach der Erfindung
dargestellt,
fig«. 6 eine teilweise aufgebrochene Seitenansicht
der Kr*Xtm»echine nach Hg. 5,
Tig· ? einen LÄngeechnitt durch eine eine Kurbelwelle antreibende, innenverzahnte, einwandfrei ausgewuchtete Zweitakt-Kolbenkraftmaschine nach der Erfindung und
einen Sohnitt nach der Linie B-B in Fig. 7.
Zuniohit wird die theoretische Analyse de« Grundprinzips
"de*"Ireemgülig- tine>
linearen Weefc«eXbeweg«nf d^fo& Kombi-
nation von awti Iraieb«if«eungen nit gleicheäeaiftr Geeriäutirt,
Wie in Fig. 1 gezeigt, dreht sich eine Scheibe D mit konstanter Winkelgeschwindigkeit co um ihre Achse O^, und zugleich
läuft der Punkt O^ um einen Mittelpunkt 0 in
einem Abstand X bei konstanter Winkelgeschwindigkeit uj
in zu der Richtung der Scheibe umgekehrter Richtung um, so dass alle Punkte am Aussenumfang der Scheibe D beim
Radius £ durch, den Punkt 0 eine 'lineare Wechselbewegung
ausführen. B.li., dass, wenn sich eine Kurbelwelle 00. bei
konstanter Winkelgeschwindigkeit ω um die Achse 0 und sich
dabei ein Glied 0.-Op auf dem Kurbelzapfen O^ mit konstanter
Winkelgeschwindigkeit OJ in der Kurbelwelle entgegengesetzter
Richtung dreht, so führt der Punkt O^ auf cbr
Linie 0-X durch das Drehen und Umlaufen des Gliedes, 0^2
eine lineare Wechselbewegung mit einem Hub *\-£ aus.
Das theoretische Prinzip der einwandfreien Auswuchtung des vorerwähnten Mechanismus ist ,folgendes:
In der Beschreibung wird angenommen, dass sich die drehenden Teile mit konstanter Winkelgeschwindigkeit drehen und
dass die Reibungskräfte zwischen den Teilen und die Auswirkungen von Spiel zwischen Wellen und Lagern vernachlässigbar
sind.
Wenn, wie in Fig. 2 gezeigt,
A s Schwerpunkt des Drehbewegungsausgleichsgewichts B : Scherpunkt des Umlaufbewegungsausgleichsgewichts
C : Schwerpunkt der sich hin und her bewegenden Masse 0 : Umlaufbewegungsmittelpunkt
0,.: Drehbewegungsmittelpunkt
0?: Hittelpunkt des kurbelwellenseitigen Pleuelkopfes
der Pleuelstange
W0: Sich hin und her bewegende Gewichte (Massensumme
aus Kolben, Pleuelstange und sich hin und her
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bewegenden !Teilen der Kurbelwelle O^Og)
Wx. s Gewicht des Drehbewegungsausgleichsgewichts
Wg- ί Gewicht des Umlaufbewegungsausgleichsgewichts
W^ j Drehbewegungsgewicht ausser Wq und W.
g : Schwerkraftbeschleunigung
E. : Die Ortslage des Punktes A aus dem Mittelpunkt
O. darstellender Vektor
Ep s Die Ortslage des Punktes B aus dem Mittelpunkt
O darstellender Vektor
J ί Abstand zwischen den Mittelpunkten O und Ox,
J ί Abstand zwischen den Mittelpunkten O und Ox,
P : Die Ortslage des Punktes C aus dem Mittelpunkt
Op darstellender Vektor
so erhält man die auf die sich hin und her bewegende
W
Masse m « __0 einwirkende Trägheitskraft wie folgt:
Masse m « __0 einwirkende Trägheitskraft wie folgt:
S
Der Vektor für die Ortslage von Punkt C ist
Der Vektor für die Ortslage von Punkt C ist
Die am Punkt 0 einwirkende Trägheitskraft 3F ist
• Wn" Wn o A& au ^n
^^r£j? ω 2COs^ ..(2)
w-
Die auf die Drehbewegungsausgleichsmasse Bix. - -r1 einwir-
'O
kende Trägheitskraft F. erhält man wie folgt:
Der Vektor für die Ortslage von Punkt A ist
(3)
Die am Punkt A einwirkende Trägheitskraft ist 009810/1233
F.— £Λ
Die auf die Umlauf bewegungsausgleichsmasse %>·■--=■ einwirkende
Trägheitskraft F2 erhält man wie folgt:
Der Vektor für die Ortslage von Punkt B ist
Die am Punkt B einwirkende Trägheitskraft F2 ist
F0---§Ro^2£^ - ....o ο (5)
Die auf die Drehbewegungsmasse m^"~~ einwirkende Trägheits
kraft F, erhält man wie folgts
Der Vektor für die Ortslage von Punkt 0,. ist
0O1-J^ £0 . .o.o.o ο ο ο ... ο (6)
Die am Punkt O. einwirkende Trägheitskraft F, ist.
W ** W
232 £ά0 ο... oo ο 000.(7)
232 £ά0 ο... oo ο 000.(7)
In ausgewuchtetem Zustand muss die Summe der Kräfte Null
sein, also
so dass
(10)
Eine weitere Bedingung zum Erzielen einer einwandfreien Auswuchtung ist das Auswuchten des Trägheitskräftemoments.
Das Trägheitskräftemoment M0 ,. um den Drehbewegungsmittelpunkt
0. ist
M0 ^-0^O
wie Formel (9),
Bei diesem Mechanismus verlaufen die Verlängerungslinien der Trägheitskräfte F1, F2 und F, alle durch den Punkt 0,
und die Trägheitskräftemomente um den Punkt 0 sind alle Null.
Das Moment Mq der Trägheitskräfte F1 um den Umlaufbewegungsmittelpunkt
0 ist
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Somit verläuft die Verlängerung der auf die Umlaufbewegungsausgleichsmasse
einwirkenden Trägheitskraft F. durch
den Punkt O0
Folglich ist das Moment der Trägheitskräfte um die Achse Z einwandfrei ausgewuchtet.
Wie vorstehend erörtert, wird, sofern durch passende Wahl
der Werte £ , WQ, W^, W2, W,, R^ und E2 die in den Formeln
(9) und (1IO) dargestellten Auswuchtbedingungen erfüllt
sind, eine einwandfreie Auswuchtung auf der Ebene X-ϊ erzielt.
Jedoch sind bei dem vorliegenden Mechanismus die Massen in
Richtung der Z-Achse verteilt} dabei ist der Zustand des
Ausgleichs der Trägheitskräfte in Richtung der Z-Achse notwendige Die Bedingung des Ausgleichs der Drehbewegungsund
der Umlaufbewegungsmasse in Richtung der Z-Achse ist nachstehend beschrieben. Wie in Fig. 2 gezeigt bedeuten
Wq : sich hin und her bewegendes Gewicht
W, s sich drehendes Gewicht ■"
W. s Drehbewegungsausgleichsgewicht auf der linken Seite
W1- : Drehbewegungsausgleichsgewicht auf der rechten Seite
W . : Gesamtdrehbewegungsgewicht <>
XX : Achse der Drehbewegungswelle (Antriebswelle)
X^X. s Achse des kurbelwellenseitigen Pleuelkopfes der
Pleuelstange
TL % Zylinderlängsachse
(L· : Schwerpunkt von W .
(L· : Schwerpunkt von W .
O2 : Mittelpunkt des kurbelwellenseitigen Pleuelkopfes
der Pleuelstange
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E4 s Abstand zwischen Schwerpunkt von W4 und Drehbewegungsachse
v
Ec" s Abstand zwischen Schwerpunkt von W,- und Drehbewegungsachse
£ i Abstand zwischen der Achse des kurbelwellenseitigen
Pleuelkopfes der Pleuelstange und· der Drehbewegungsachse
: Abstand zwischen Zylinderachse und Schwerpunkt von W1.
$ Abstand zwischen den Schwerpunkten von W4 und
Da angenommen werden kann, dass sich der Schwerpunkt
des sich hin und her bewegenden Gewichts Wq an dem Punkt
CU befindet, besteht der Drehbewegungsauswucht zustand bei
L1W4E4-^1W0 £ ο . .>... * ...... ο ο.... (13)
Die Formel (9) lässt sich auch unter Verwendung von W^,
W1-, E. und E,- schreiben.
Das Ge samt drehbewegung sgewicht Wro^. beträgt
Vrot'¥i+VVVVW5 o...0.0..o.....0...(15)
Die Bedingung des Ausgleichs der Umlaufbewegung ist (im
Nachstehenden) beschrieben.
In Pig. 4 bedeuten
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- 13 -
Wg ί Umlauf bewegungsausgleichsgewicht auf der linken
Vr7 ι Umlaufbewegungsausgleichsgewicht auf der rechten
ZZ : Achse der Umlaufbewegungswelle XX : Achse der DrehbewegungsweHe
YY J Schwerpunktachse von W .
CL : Schwerpunktlage von W ,
Rg : Abstand zwischen Umlaufbewegungsmittelpunkt und
Schwerpunkt von Wg
Rn s Abstand zwischen Umlaufbewegungsmittelpunkt und
Schwerpunkt von W„
£ j Abstand zwischen !Drehbewegungsmittelpunkt und Umlaufbewegungsmittelpunkt
JL : Abstand zwischen Schwerpunkt achse von Wp0^ und
Schwerpunkt von
Lp : Abstand zwischen den Schwerpunkten von Wg und W„
Da angenommen werden kann, dass sich der Schwerpunkt des GesamtdrehbewegungsgewichtsW . an dem Punkt CL befindet,
besteht der Umlaufbewegungsauswuchtzustand bei '
Die formel (10) lässt sich au«eh unter Verwendung von Wg,
Wn, E^. und Ε« schreiben.
¥Γθΐ/"ν2Ε2*ν6Η6+ν7Η7 ····*·· · ····—··' C17)
Somit wird ein einwandfreier Ausgleich in Richtung der Z-Achse
erzielt, indem Wq, W,, W^, W^, Wg, W„, £_ ^ J^ -^j»
L^, L«, R^, R5, Rg und R1-, so gewählt werden, dass sie
der Auseleiclibedingung der durch die Formeln (13 bis (17)
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dargestellten Trägheitskräfte in Richtung der Z-Achse
genügenβ
Nachdem im Vorstehenden die Grundprinzipien einer durch
Kombination von Kreisbewegungen und perfektem Auswuchten des Mechanismus nach der Erfindung erzielten linearen
Wechselbewegung beschrieben worden sind, werden Jetzt im Nachstehenden zwei Ausführungsbeispiele einer einwandfrei
ausgewuchteten, schwingungsfreien Vorrichtung zur Umwandlung einer Dreh- in eine lineare Wechselbewegung im einzelnen
beschrieben.
Die Fig. 5 und 6 zeigen eine ein Exzentergetriebe bildende
Zweitakt-Kolbenkraftmaschine,mit aussenverzahntem Mechanismus.
Obwohl dies zum Beschreiben der Erfindung als Beispiel verwendet wird, ist klar, dass die Erfindung auf fast
alle eine hin und her gehende Bewegung ausführenden Maschinen oder Mechanismen zum Erzielen einer Wechselbewegung
mittels Antriebsdrehkraft, wie beispielsweise Kompressoren,
Nietmaschinen, Meissel, sich hin und her bewegende
Schneideinrichtungen, Federprüfmaschinen, Hochleistungs-Ermüdungsprüfmaschinen
oder eine Schlagbewegung ausführende Mechanismen für Webmaschinen, anwendbar und zum Erzielen einer Drehbewegung mittels hin und her
gehender Antriebskraft verwendbar ist, wie bei Zweitakt— oder Viertakt-Benzin- oder Dieselkraftmaschinen.
Wie in Fig. 5 gezeigt, wird der kurbelwellenseitige Pleuelkopf einer einen in einem Zylinder 3 gleitbar angeordneten
Kolben 2 aufweisenden Pleuelstange 1 mittels eines Gleitlagers 12 von einem Exzenterring 5 gehalten, der mittels
eines Nadellagers 6 von einem Kurbelzapfen 10 einer Kurbelwelle 4 drehbar gehalten wird.
An einem Gehäuse 15 ist eine Dichtung 7 so angebracht, dass
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sie sich gleitend gegen die sich linear hin und her bewegende
Pleuelstange 1 anlegt, um in dem Zylinder 3 zwischen der Dichtung 7 und dem Kolben 2 eine geschlossene
Kammer 8 abzugrenzen. Der Zylinder 3 weist eine Zündkerze
9 am Zylinderkopfabschnitt 31 auf.
Der Exzenterring 5 wird von einem Kurbelzapfen 10 gehalten, der an den Kurbelwangen 11 der Kurbelwelle 4 angebracht
ist· ihif einer Seite des Exzenterringes 5 ist ein
Antriebsstirnrad 13 so angebracht, dass es sich mit dem
Ring 5 um die Achse des Kurbelzapfens 10 dreht. Die Kurbelwelle 4 ist in von dem Gehäuse 15 gehaltenen Kugellagern
14 drehbar gelagert» Auf einem Endabschnitt der Kurbelwelle 4 ist ein Stirnrad 16 angebracht. In dem Gehäuse
15 sind ausserdem eine Exzenterradwelle 17 und eine Untersetzungsgetriebewelle 18 drehbar gelagert, iftuf der Exzenterradwelle
17 ist ein Exzenterrad 19 angebracht, das mit
dem Stirnrad 13 in Eingriff steht. Auf der Exzenterradwelle
17 ist ausserdem ein Stirnrad 20 angebracht, das mit einem auf der Untersetzungsgetriebewelle 18 befestigten
Untersetzungszahnrad 21 in Eingriff steht, das seinerseits mit dem auf der Kurbelwelle befestigten Stirnrad
16 in Eingriff steht'. Auf diese Weise lässt sich die Drehbewegung
der Kurbelwelle 4 auf den Exzenterring 5 übertragen.
Wie in Fig. 5 und 6 gezeigt, ist im unteren Abschnitt des
Zylinders 3 eine Einlassöffnung 22 zum Einbringen von Gasgemisch
in die untere Kammer 8, eine Auspufföffnung 23 für
den Auslass der Abgase und ein Spülschlitz 24 für die Zufuhr von verdichtetem Gasgemisch in den Verbrennungsraum
vorgesehen.
Die in Fig. 5 und 6 dargestellte Zeitakt-Kolbenkraftmaschine
hat folgende Arbeitsweise:
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16 . 1937065
Mit dem Aufwärtsbewegen des Kolbens 2 wird die Einlassöffnung
22 zum Einbringen von Gasgemisch in die Kammer 8
geöffnet und zugleich das in den Verbrennungsraum zugeführte Gasgemisch durch den Kolben 2 verdichtet. Durch
Verbrennung des mit Hilfe der Zündkerze 9 gezündeten Gasgemisches wird der Kolben 2 abwärtsbewegt und dabei das
Abgas über die Auspuff Öffnung 23 abgeführt. Durch die Abwärtsbewegung des Kolbens 2 wird das in der Kammer 8
vorhandene Gasgemisch verdichtet und dann das vorverdichtete Gasgemisch über die Spülschlitz-e 24· dem Verbrennungsraum
zugeführt. Demzufolge ist die Zweitakt-Kolbenkraftmaschine nach der Erfindung, was ihre Arbeitsweise anbelangt,
den bekannten Zweitakt-Kurbelgehäuseverdichtern ähnlich. ,
Die in dem Verbrennungsraum erzeugte Wärmeenergie wird
über den Kolben 2 und die sich linear hin und her bewegende Pleuelstange 1 auf die Drehbewegung des eine Winkelgeschwindigkeit
^ aufweisenden Exzenterringes 5 übertragen. Diese Drehbewegung wird über das an dem Exzenterring 5 befestigte Antriebsstirnrad 13 auf das Exzenterrad
19 übertragen, das mit der Exzentrizität <£ auf
der Exzenterradwelle 17 befestigt ist und die gleiche Zähnezahl aufweist wie das Antriebsstirnrad 13· Die Drehbewegung des Exzenterrades 19 wird über die mit ihm starre
Exzenterradwelle 17 und über das ebenfalls auf der Welle 17 starr befestigte Stirnrad 20 auf das auf der Untersetzungsgetriebewelle
18 starr befestigte Untersetzungszahnrad 21 übertragen. Das Untersetzungszahnrad 21 überträgt
seinerseits die Drehbewegung über das auf der Kurbelwelle 4 starr befestigte und die gleiche Zähnezahl
wie das Stirnrad 20 aufweisende Zahnrad 16 auf die Kurbelweite 4·. Auf diese Weise dreht sich die Kurbelwelle 4- bei
einer Winkelgeschwindigkeit & in der entgegengesetzten Sichtung des Antriebszahnrades 13, das von dem Kurbel-
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zapfen 10 getragen wird, dessen Mittelachse O. mit einer
Exzentrizität £ ausserhalb der Mittelachse O der Kurbelwelle
4 liegt. Folglich dreht sich das Stirnrad 13 um die
Achse 0. und läuft mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit
in entgegengesetzter Richtung um die Achse 0 herum um. Wie oben erörtert, führt der Mittelpunkt CU des Antriebsexzenterringes
5j da er auf der Längsachse der Pleuelstange
1, und zwar in einem Abstand 2/von der Achse 0 liegt,
eine lineare Wechselbewegung mit einem 4./ betragenden Hub
aus. Die lineare Wechselbewegung wird über die Zahnräder 13, 19, 20, 21 und 16 als Drehbewegung auf die Kurbelwelle
4 übertragen.
Im Nachstehenden ist das Auswuchten der in Fig. 5 und 6
beschriebenen Kolbenkraftmaschine beschrieben. Wie in !Fig.. 5 gezeigt, weist der Antriebsexz ent erring 5 beiderseits
der Pleuelstange 1 auf der der Exzentrizität des Einges 5 zur Achse 0. entgegengesetzten Seite ein linkes und ein
rechtes Drehbewegungsausgleichsgewicht W4 bzw. Wj- auf.
Die Kurbelwangen 11 der Kurbelwelle 4 weisen auf der zur Achse 0 dem Kurbelzapfen 10 entgegengesetzten Seite Umlaufbewegungsausgleichsgewichte
Wg bzw. Wr7 auf· Die Aus
r7
gleichsgewichte W2,, Wj-, Wg und W„ sind erfindungägemäss
so bestimmt, dass sie den vorerwähnten Formeln (9)» (10) und (13) bis (17), d.h. den Formeln
W0+W3+W4+W5I L2W6R6-Z2Wro1/i W^-W2B2-W6H6+W7H7, entsprechen.
Die Ausgleichsgewielite werden an dem Exzenterring 5 und an den Eurbelwangen 11 als Gewichte W1 und V2
in Abständen E1 und E2 zwischen dem Schwerpunkt und der
Achse oder (bzw.) als Gewichte W4, W5, W6 und W7 in Abständen
E4, E5, E6 und E7 angebracht. Auf diese Weise ist
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wie vorstehend beschrieben, die Kolbenkraftmaschine einwandfrei ausgewuchtet. In den vorerwähnten Formeln bedeuten
Wq das sich hin und her bewegende Gewicht, W5. das Drehbewegungsgewicht,
w^-W^+w^, W2»W6+W"7, £ einen Exzentrizitätsbetrag,
^ den Abstand zwischen dem Schwerpunkt W1-
und der Zylinderachse, £^ den Abstand zwischen der Schwerpunktachse
von W . und dem Schwerpunkt von W7, ~L den Abstand
zwischen den Schwerpunkten von WV und W1- und Lp den
Abstand zwischen den Schwerpunkten von W^ und W7.
Als Zweitakt-Kraftmaschine hat die in Fig. 5 und 6 dargestellte
Kolbenmaschine die Yorteile, dass die Kraftmaschine
einwandfrei ausgewuchtet ist und die Schwingungsamplitudenkennlinie bei 5OOO Upm d.er Kurbelwelle in der Grössenordnung
von 3 his A- η liegt, was etwa I/8O einer gewöhnlichen
Kraftmaschine bedeutet, so dass die Kraftmaschine sich als
Kraftmaschine ohne starres Fundament, beispielsweise als
ortsveränderliche Kraftmaschine, besonders eignet. Ferner
kann, da sich die Pleuelstange 1 linear hin und her bewegt, der untere Raum des Zylinders 3 mit Hilfe der Dichtung 7
gegen den Raum des Kurbelgehäuses abgedichtet werden, so dass sich die abgegrenzte Kammer 8 als weitere Verdichtungskammer
verwenden lässt· Das Verdichtungsverhältnis der Kammer 8 lasst sich sehr leicht federn beliebigen
gewünschten Wert anpassen, so dass eine wirksame Spülung erreicht werden kann.
Die Fig. 7 und 8 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung bei Verwendung eines innenverzahnten Übertragungsmechanismus.
Der Deutlichkeit halber und zur Vereinfachung der Beschreibung zeigen die Fig. 7 und 8 ebenfalls
eine Zweitakt-Kolbenkraftmaschine., Zur Bezeichnung
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gleicher Teile oder Abschnitte sind die gleichen Bezugszeichen verwendet. Der kurbelwellenseitige Pleuelkopf
der sich linear hin und her bewegenden Pleuelstange 1 * wird mit Hilfe eines Lagers 12* von einem Exzenterring
51 gehalten, der seinerseits mittels eines Nadellagers
61 von einem Kurbelzapfen 10' einer Kurbelwelle 4! gehalten
wird. Auf einer Seite des Exzenterringes 5' ist
ein Planetenrad 26 angebracht. Die Kurbelwelle 4' ist mittels Kugellager 14' in einem Teil eines Gehäuses
15' drehbar gelagert. Das Planetenrad 26 steht mit
einer Innenverzahnung 27 in Eingriff, die die zweifache Zähnezahl des Planetenrades 26 aufweist und an dem
Gehäuse 15' befestigt ist. Die Achse der Innenverzahnung
27 fällt mit der Achse der Kurbelwelle 4* zusammen, während die Achse des Planetenrades 26 mit der Achse
des Kurbelzapfens 10' zusammenfällt. Der-Exzenterring
51 weist, wie im vorgehenden Ausführungsbeispiel, beiderseits
der Pleuelstange 1' auf der der Exzentrizität des Ringes 5! zur Achse O entgegengesetzten Seite ein linkes
und ein rechtes Drehbewegungsausgle.iehsgewicht W^ bzw.
Wj- auf. Die Kurbelwangen 11. · der Kurbelwelle 4' weisen
auf der zur Achse 0 dem Kurbelzapfen 10* entgegengesetzten
Seite je ein Umlaufbewegungsausgleichsgewicht Wg bzw. Wr7
auf. Die Ausgleichsgewichte W., W1-, Wg und W1^ sind so bestimmt,
dass sie den vorerwähnten Formeln (9)» (10) und
(13) bis (17) entsprechen.
Die Arbeitsweise der in lig. 7 und 8 dargestellten Zweitakt-Brennkraftmaschine
stimmt mit der der Kraftmaschine gemäss Fig. 5 und 6 völlig überein.
Mit dem Aufwärtsbewegen des Kolbens 2 wird die Einlassöff
nung 22 zum Einbringen von Gasgemisch in die Kammer 8 ge-
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öffnet, und zugleich wird das in den Verbrennungsraum
zugeführte Gasgemisch verdichtet. Durch Verbrennung des Gasgemisches wird der Kolben 2 abwärtsbewegt und
die dabei in dem Verbrennungsraum erzeugte Wärmeenergie über den Kolben 2 und die sich linear hin und her bewegende Pleuelstange 1' auf die Drehbewegung des Exzenterringes
51 übertragen. Da die Achse des einen Seilkreisdurchmesser
2/aufweisenden und an dem Exzenterring 5'
befestigten oder mit ihm aus einem Stück gefertigten Planetenrades 26 mit der Achse des Kurbelzapfens 11f zusammenfällt
und das Plaietenrad 26.mit der an dem Gehäuse
15' befestigten und die zweifache Zähnezahl der Zähnezahl
des Planetenrades 26 aufweisenden Innenverzahnung 27 in
Eingriff steht, deckt sich die Achse O2 des Exzenterringes
5' mit einem Punkt des Umfangs des Teilkreises der einen
Teilkreis durchmesser *±£ aufweisenden Innenverzahnung 27
und bewegt sich linear hin und her. Die Kurbelwelle 41 dient dem Planetenrad 26 als Planetenradträger
und dreht sich um die Achse der Innenverzahnung 27·
Auf diese Weise führt bei dem beschriebenen Mechanismus
die Pleuelstange 1' eine lineare Wechselbewegung aus, die
auf die Drehbewegung des mit der Innenverzahnung 27 in
Eingriff stehenden Planetenrades 26 um die Achse O^ des
Kurbelzapfens 10* übertragen wird, um eine Drehbewegung
des Exzenterringes 5* mit einer Winkelgeschwindigkeit ä>
um die Hittelachse O2 zu bewirken. Zugleich läuft der
Kurbelzapfen 10* um die Kurbelwellenachse 0 mit der
gleichen Winke !geschwindigkeit^ und in dem Exzenterring 5*
entgegengesetzter Richtung um. Folglich dreht sich der
Exzenterring 51 um die Achse 0. und läuft mit der gleichen
Winkelgeschwindigkeit um die Achse 0 in entgegengesetzte*1
Richtung um. Das Auswuchten dieser Vorrichtung ist das
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gleiche wie bei der einen aussenverzahnten Mechanismus
aufweisenden Kolbenkraftmaschine nach Fig. 5 und 6. Es
wird aber im Vergleich zu dein Mechanismus nach Fig. 5 und 6 ein einfacherer Mechanismus zum Erreichen einer
einwandfrei ausgewuchteten Maschine nach der Erfindung
zur Umwandlung einer Dreh- in eine lineare Wechselbewegung erzielt.
Auch in diesem Falle ist die Anwendung der Vorrichtung und die Auswuchttheorie nicht auf die dargestellte Zweitakt-Kolbenkraftmaschine
oder auf sonstige Kraftmaschinen zum Antrieb der Ausgangswelle beschränkt. Die gleiche
Vorrichtung lässt sich verwenden, um mittels einer Eingangswelle angetrieben zu werden, wie beispielsweise bei Verdichtern,
Nietmaschinen, Hochleistungs-Ermlidungsprüfmaschinen oder sonstigen Maschinen oder Mechanismen, um eine
schwingungsfreie lineare Wechselbewegung aus einer rotierenden
Antriebskraftquelle zu erhalten.
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Claims (1)
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.^Vollkommen ausgewuohtete, schwingungsfreie Vorrichtung
zur umwandlung einer Dreh- in eine lineare Wechselbewegung, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (15)t eine an eines
Ende mit Arbeitsmitteln (2) versehene Stange (Pleuelstange) | (l), einen den anderen Endabschnitt der Stange drehbar haltenden Exzenterring (5) mit einer eine Exzentrizität £
aus der Mitte (O„) des Ringes aufweisenden Öffnung, eine
von dem Gehäuse (15) drehbar gehaltene und die Öffnung des Exzenterringes mit Hilfe eines Kurbelzapfens (lO) nit einer
Exzentrizität £ drehbar haltende Kurbelwelle (4)9 lit dei
Exzenterring und der Kurbelwelle zusammenwirkende, die Kurbelwelle und den Exzenterring zum Bewirken der linearen
Wechselbewegung der Stange (l) mit der gleichen Geschwindigkeit in einander entgegengesetzten Richtungen antreibende
Mittel, an dem Exzenterring (5) auf seiner der Mitte entgegengesetzten Seite in Abständen R. bzw« R- von der Achse
(O.) des Kurbel zapf ens (lO) und in Abständen (L1 — Jl Λ bzw·
£ λ von der Längsachse der Stange befestigte Ausgleichsgewichte mit dem Gewicht W. bzw. W_, weitere, an jeder Kurbel—
wange (ll) der Kurbelwelle (4) auf der äem Kurbelzapfen (lO)
entgegengesetzten Seite in einem Abstand Rg bzw· R- von der
Achse (O) der Kurbelwelle und in einem Abstand (L2 -^)
bzw. X1 von der Längsachse der Stange befestigte Ausgleichgewichte mit dem Gewicht Wg bzw. Y79 wobei die Ausgleichgewichte so bestimmt sind, dass sie den Foreeln
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(W0+W3+W4+W5),/ = W6R6 + W7R7 und
L2W6R6 =/2 (W0+W3+W4+W5)
entsprechen, worin
W0 s das sich hin und her bewegende Gewicht
W, : das sich drehende Gewicht
L1 : den Ali st and zwischen den Schwerpunkten von
W4 und W5
L„ : den Abstand zwischen den Schwerpunkten von
W6 und W7
bedeuten, so dass die durch die sich hin und her bewegende
Masse verursachten Unwiaehtlcräfte ausgeglichen werden»
2· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Mittel zum Zusammenwirken von Exzenterring (5) und Kurbelwelle (%) aus einest an dem Exzenterring befestigten ersten
Zahnrad (±3)f einer ersten und einer zweiten Welle(17 bzw·
18), die von dem Gehäuse (15) drehbar gehalten und zur Achse
(θ) der Kurbelwelle (4) parallel angeordnet sind, einem auf der ersten Welle (l?) starr befestigten und mit dem ersten
Zahnrad (13) in Eingriff stehenden Exzenterzahnrad (19) mit
der gleichen Zähnezahl wie der des ersten Zahnrades (13) und
des Exzentrizitätsbetrag £ ,einem auf der ersten Welle (17)
starr befestigten zweiten Zahnrad (20), einem von der zweiten Welle (18) getragenen und mit dea zweiten Zahnrad (20)
in Eingriff stehenden dritten Zahnrad (21) und aus einem auf der Kurbelwelle (4) starr befestigten und mit dem dritten
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Zahnrad (21) in Eingriff stehenden sowie die gleiche Zähnezahl vie das zweite Zahnrad (20) aufweisenden vierten Zahnrad
(l6) bestehen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Mittel zum Zusammenwirken von Exzenterring (5') und Kurbelwelle (4·) aus einem einen Teilkreisdurchmfcsser 2,/
aufweisenden und an dem Exzenterring um den Kurbelzapfen
(iO1) drehbar befestigten Planetenrad (26) und aus einer
an dem Gehäuse (15') zur Kurbelwellenachse (θ) konzentrisch angebrachten und mit dem Planetenrad (26) in Eingriff stehenden
sowie einen Teilkreisdurchmesser 4£ aufweisenden
Innenverzahnung (27) bestehen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet,
dass die mit dem einen Ende der Pleuelstange (l) verbundenen Arbeitsmittel aus einem Kolben (2) bestehen
und dass die Vorrichtung ferner einen mit dem Gehäuse (i5) verbundenen, den Kolben (2) aufnehmenden und zwischen sich
und dem Kolben einen Verbrennungsraum abgrenzenden Zylinder mit einem Einlass (22), einem Auslass (23) und Spülschlitzen
(24), eine an dem Zylinder (3»3') angebrachte Zündkerze (9)
und eine an dem Gehäuse (15) befestigte und sich gleitend gegen die Pleuelstange (i) anlegende, in dem Zylinder zwischen Kolben (2) und Gehäuse (15) einen weiteren Raum (8)
abgrenzende Dichtung (7) besitzt, wobei der Einlass (22)
" und ein Ende der Spülschlitze (24) mit dem weiteren Raum (8)
in Verbindung stehen, so dass die Vorrichtung als Zweitakt-Brennkraftmaschine und der weitere Raum (8) als Vorverdichtung skammer der Kraftmaschine ausgebildet ist.
MB/si/FÜ - 22 037
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