DE261311C

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Publication number: DE261311C
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Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- M 261311 KLASSE 46 a. GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche vom 27. November 1909 ab.

Einzelne Kraftmaschinen, beispielsweise Verbrennungskraftmaschinen, besitzen außer den Arbeitszylindern noch Hilfszylinder, z. B. Luftkompressoren, Wasserpumpen, Kondensationspumpen usw. Durch besondere Anordnung dieser Hilfszylinder kann ein Ausgleich der Massenwirkungen in dem ganzen System selbst erzielt werden. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kraftmaschinen,

ίο deren Zylinderzahl ein gerades Vielfaches von Zwei oder Drei ist und welche zwei oder mehrere Hilfszylinder haben. Es ist bekannt, vier- und mehrzylindrige Kolbenmaschinen durch besondere Wahl der Kurbel winkel, verschiedene Gewichte der Betriebsteile und verschiedene Entfernung der einzelnen Zylinder in ihren Massenwirkungen auszugleichen. Diese Art des Massenausgleiches eignet sich nicht für Verbrennungskraftmaschinen, weil bei diesen sowohl die einzelnan Kurbelwinkel untereinander wegen des Anlassens als auch die Zylinderentfernungen und das Kurbelgetriebe, im Gegensatz zur Dampfmaschine, unter sich möglichst gleich ausgeführt werden.

Bei den in Betracht kommenden Vier-, Sechsund Mehrkurbelmaschinen seien also alle Kurbeln unter gleichen oder nahezu gleichen Winkeln gegeneinander versetzt, nämlich um 90 ° bei der Vierzylindermaschine und 60 ° bei der Sechszylindermaschine usw.

Die vorliegende Erfindung besteht darin, solche vier-, sechs- oder mehrkurbelige Kraftmaschinen durch besondere Wahl der Kurbelfolge für die Arbeits- und Hilfszylinder, ebenso durch die Wahl der Lage der einzelnen Hilfszylinder sowohl in bezug auf Massendruckals auch auf Massenmomentenwirkungen auszugleichen.

Die als Beispiel in Fig. 1 dargestellte Kraftmaschine besitzt vier Arbeitszylinder, die auf vier im Abstand α voneinander liegende Kurbeln I bis IV wirken. Die Stellung der vier Arbeitskurbeln zueinander ist aus Fig. 2 ersichtlich. Die zwei äußeren Kurbeln I und IV stehen einander diametral gegenüber; dazu rechtwinklig steht das andere Kurbelpaar II und III; letzere beiden Kurbeln können ihre Bezeichnung in Fig. 2 auch vertauschen. Die beiden Hilfszylinder, z. B. zwei Luftkompressoren, befinden sich an beiden Enden der Kurbelwelle und wirken auf die beiden Kurbeln H₁ und H₂, welche ebenfalls diametral zueinander stehen. Die auf die Arbeitskurbeln I bis IV wirkenden Kolben- und Gestängemassen erzeugen Massendrücke erster Ordnung (also ohne Berücksichtigung der endlichen Länge der Schubstangen) in der Richtung der Zylinderachse, welche sich infolge der Gleichheit der vier Kurbelwinkel und der diametralen Lage je zweier Kurbeln ausgleichen.. Ist m die in Betracht kommende, hin und her gehende Masse eines Zylinders, r der zugehörige Kurbelradius und ν die konstante Umfangsge-

schwindigkeit des Kurbelzapfens, so ist der Massendruck

P = m — cos χ r

für jeden Wert des Drehwinkels χ der Kurbel aus ihrer Totpunktstellung. Diese Massenkräfte erzeugen Drehmomente in der durch die Kurbelachse und die Zylinderachsen gelegten Ebene. Die veränderliche Größe dieser

ίο Massenkraftmomente ist eine einfache Cosinusfunktion und wiederholt sich bei jeder Umdrehung; dasselbe gilt auch für das resultierende Massenkraftmoment sämtlicher Arbeitszylinder. Zum Ausgleich dieses resul-

i"5 tierenden Momentes dient eine durch das Bewegungsgestänge der beiden Hilfszylinder H₁ und H₂ erzeugtes, dem ersteren eutgegengesetzt gerichtetes Massenkraftmoment, welches selbstverständlich ebenfalls eine einfache Cosinusfunktion ist. Da der gegenseitige Abstand b der beiden Hilfspumpen oder entsprechenden Hilfszylinder H₁ und H₂ gegenüber den einzelnen Abständen α der Arbeitszylinder genügend groß gewählt werden kann, brauchen die Bewegungsgestänge der Pumpen nicht so groß wie jene der Arbeitszylinder zu sein. Der Winkel z, den die beiden Hilfskurbeln mit der Totpunktlage der ersten Arbeitskurbel einschließen, ist eine konstante Größe; derselbe wechselt sein Vorzeichen bei der Verwechslung der beiden Hauptkurbeln II und III. Die durch die Gestänge der beiden Hilfszylinder H₁ und H₂ erzeugten Massendrücke sind gleich, jedoch entgegengesetzt gerichtet, heben sich also in ihrer Wirkung auf. Durch diese Anordnung sind demnach sämtliche Massenkräfte und Massendruckmomente erster Ordnung des kombinierten Maschinensystems ausgeglichen.

Die beiden Hilfszylinder H₁ und H₂ können auch näher zusammengerückt werden, indem sie zwischen die einzelnen Arbeitszylinder oder sogar in die Mitte der Kurbelwelle zwischen die Kurbeln II und III nebeneinander gesetzt werden. Dabei müssen jedoch bei Verkleinerung des Pumpenabstandes b die Gestängemassen der Pumpen bzw. die Kurbelradien vergrößert werden; es wird also für die Ausführung vorteilhaft sein, die beiden Pumpen möglichst weit auseinanderzulegen, besonders dann, wenn dieselben klein bemessen werden sollen.

Die durch die endliche Länge der Schubstangen bedingten Massenwirkungen sogenannter zweiter Ordnung sind in vorliegendem Maschinensystem in der Hauptsache ebenfalls ausgeglichen. Diese sekundären Massendrücke nach dem Ausdruck

P₁ =

-γ I COS 2 X,

worin I die Schubstangenlänge bedeutet, sind in dem gewählten Vierkurbelsystem infolge der vier gleichen Kurbelwinkel von 90° ausgeglichen. Ebenso sind auch die Momente dieser Massendrücke zweiter Ordnung ausgeglichen, und zwar dadurch, daß die beiden Kurbelpaare mit diametral zueinander stehenden Kurbeln, also I und IV bzw. II und III, in der Längsrichtung der Kurbelwelle symmetrisch zu deren Mitte angeordnet sind. Da sich entsprechend der Cosinusfunktion des doppelten Drehwinkels diese Massendrücke bei jeder Umdrehung zweimal nach Größe und Richtung wiederholen, ergeben die diametral gestellten Kurbeln eines jeden Kurbelpaares gleiche und gleichgerichtete Massendrücke zweiter Ordnung, so daß keine Momente frei werden können, da die Kurbelpaare symmetrisch zur Wellenmitte angeordnet sind.

Da auch die beiden ' Pumpenkurbeln H₁ und H₂ diametral zueinander stehen, so sind ebenfalls deren Massendrücke zweiter Ordnung einander gleich, d. h. sie heben sich auf. Da dieselben entgegengesetzt gerichtet sind, ergeben sie kein freies Massenmoment. Die im ganzen Maschinensystem einschließlich Hilfszylinder unausgeglichen bleibenden Massendrücke zweiter Ordnung, von den beiden go Hilfspumpen herrührend, sind unbedeutend, da die Bewegungsmassen an den Pumpen verhältnismäßig klein ausgeführt werden können. Außerdem kann das Verhältnis von Schubstangenlänge zum Kurbelradiüs bei den beiden Pumpen sehr groß gewählt werden, so daß diese Massenkräfte verschwindend klein ausfallen.

In gleicher Weise wie an der Vierkurbelmaschine können die Massenwirkungen auch an der Sechskurbelmaschine mit sechs gleichen oder nahezu gleichen Kurbelwinkeln erreicht werden. Wie die Fig. 3 und 4 zeigen, stehen, wie bei der Vierkurbelmaschine, je zwei symmetrisch zum Längsmittelpunkt der Kurbel- welle liegende Kurbeln I und VI bzw. II und V und III und IV einander diametral gegenüber. Die beiden Kurbeln II und III bzw. IV und V können in Fig. 4 auch vertauscht werden. Die beiden Hilfszylinder oder Pumpen H₁ und H₂ stehen an beiden Enden der Kurbelwelle und besitzen gegenläufige Kurbeln. Das aus den drei Zylinderpaaren resultierende Massenmoment erster Ordnung, das nach einer Cosinusfunktion veränderlich ist, wird durch das im Pumpenpaar H₁ und H₂ erzeugte Massendruckmoment erster Ordnung ausgeglichen. Wie bei der Vierkurbelmaschine ist es auch hier vorteilhaft, die beiden Pumpen weit auseinanderzulegen, so daß dadurch ihr Abstand b vergrößert und dafür ihre Gestängemassen verkleinert werden.

Claims

Wie bei der Vierkurbelmaschine des ersten Beispiels sind auch bei dieser Sechskurbelmaschine sowohl die Massendrucke als die Massenmomente zweiter Ordnung vollständig ausgeglichen.

Bezüglich der sekundären Massenwirkungen des Pumpenpaares gilt dasselbe wie bei der Vierkurbelmaschine.

Bei Maschinen, welche keine Hilfszylinder

ίο für Nebenzwecke haben, wird dasselbe.erreicht, wenn man an deren Stelle zwei besonders für den Augleichszweck dimensionierte Hilfskraftzylinder aufstellt oder auch nur hin und her gehende Hilfsmassen.

Die einzelnen Kraftzylinder können unter sich gleich sein, ebenso auch die Hilfszylinder, oder es können dieselben auch nur gleichartig sein, d. h. mit gleichem Verhältnis von Schubstangenlänge zur Kurbellänge, wobei jedoch die entsprechenden, hin und her gehenden Massen so dimensioniert sind, daß die Zylinder gleiche Massenkräfte besitzen.

Die beschriebene Anordnung kann auch mehrfach um eine gleiche gemeinsame Kurbelwelle herum in verschiedenen Ebenen angeordnet werden, wenn nur die Anordnung in jeder einzelnen Ebene den hier gestellten Bedingungen entspricht.

Was im vorhergehenden von den Wirkungen der hin und her gehenden Massen in der gemeinsamen Zylinderebene gesagt wurde, gilt auch für die Wirkungen der schwingenden und rotierenden Triebwerksteile in den Ebenen senkrecht zur gemeinsamen Zylinderebene.

Die Beschleunigungskomponente dieserTriebwerksteile senkrecht zur gemeinsamen Zylinderebene seien für einen Zylinder gleich K gesetzt; dann ist aus den Werken über die Massenwirkung die Formel bekannt:

K = m · — smj;,
r

worin m die Masse der Schubstange, ν die Kurbelgeschwindigkeit, r den Kurbelradius und χ den Drehwinkel der Kurbel aus ihrer Totpunktstellung bedeuten. ■ Diese Massenkräfte der einzelnen Schubstangen der Kraftzylinder sind unter sich ausgeglichen durch. die diametrale Stellung der Kurbeln, weil die einzelnen Kurbelpaare je gleiche schwingende Schubstangenmassen besitzen.

Diese Massenkräfte erzeugen Schleudermomente in Ebenen senkrecht zur gemeinsamen Zylinderebene; das Schleudermoment, welches in dieser Weise durch zwei diametral angeordnete Kurbeln mit sonst gleichen Verhältnissen entsteht, ist dann, wie aus den betreffenden Spezialwerken bekannt,

M = a·

• sin χ),

wo α der Abstand der beiden Zylinderachsen ist.

Diese Formel ist eine einfache Sinusfunktion ; dasselbe gilt für ein zweites (bzw. ein drittes) Zylinderpaar mit diametralen Kurbeln.

Das Schleudermoment des ganzen auszugleichenden Kurbelsystems ist demnach die Summe zweier oder mehrerer Sinusfunktionen.

Nun ist aber nach trigonometrischen Gesetzen die Summe zweier (oder mehrerer) Sinusfunktionen selbst wieder eine einfache Sinusfunktion (was aus der Mathematik bekannt, .daher nicht zu beweisen ist).

Dadurch ist bewiesen, daß das durch die Schleuderkräfte mehrerer Zylinderpaare (Kraftzylinder) erzeugte resultierende Schleudermoment durch ein entgegengesetzt gerichtetes Schleudermoment (oder zwei Hilfszylinder) ausgeglichen werden kann, welches durch ein einziges Zylinderpaar erzeugt wird, vorausgesetzt, daß dessen Kurbelwinkel und Gestängemassen aus den trigonometrischen Formeln richtig berechnet werden.

Diese Berechnung zeigt, daß der Kurbelwinkel und die Gestängemassen, welche für die Aufhebung der hin und her gehenden Massenwirkungen sich berechnen, identisch sind mit dem Kurbelwinkel und den Gestängemassen, welche die Aufhebung der Schleuder-Wirkungen ergeben.

Pa τ en τ-Anspruch:

Kraftmaschine, deren Zylinder- bzw. Kurbelzahl ein gerades Vielfaches von Zwei oder Drei ist, mit unter gleichen oder nahezu gleichen Winkeln zueinander stehenden Kurbeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbeln derselben paarweise einander gegenüberstehen und symmetrisch zum Längsmittelpunkt der Kurbelwelle angeordnet sind, und daß zwei Hilfszylinder angeordnet sind, deren Kurbeln ebenfalls einander gegenüberstehen und symmetrisch zum Längsmittelpunkt der Kurbelwelle an- !05 geordnet sind, und deren Kurbelstellung und Gestängemassen so berechnet sind, daß die Massenwirkungen der hin und her gehenden Triebwerksteile in der gemeinsamen Zylinderebene sowohl als die Schleu- n? derwirkung der schwingenden und rotierenden Triebwerksteile in Ebenen senkrecht zur gemeinsamen Zylinderebene in der beschriebenen Weise aufgehoben werden.''

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.