DE2912454C2

DE2912454C2 - Getriebe zwischen einer hin- und hergehenden Stange und einer mit einer Kurbel versehenen Welle

Info

Publication number: DE2912454C2
Application number: DE19792912454
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 6200 Wiesbaden Vetter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-03-29
Filing date: 1979-03-29
Publication date: 1981-05-07
Also published as: DE2912454B1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Getriebe zwischen einer hin- und hergehenden Stange und einer mit einer Kurbel versehenen Welle, wobei an der Kurbel ein erster Hebel angelenkt ist, der mit einem zweiten Hebel gelenkig verbunden ist, welcher um einen ortsfesten Drehpunkt schwenkt und über eine Kulissenverbindung mit der hin- und hergehenden Stange gekoppelt ist, wobei der den Abstand zwischen dem ortsfesten Drehpunkt und dem Anlenkpunkt zwischen erstem und zweitem Hebel bildende Hebelarm kleiner ist als der den Abstand zwischen dem ortsfesten Drehpunkt und dem Anlenkpunkt zwischen dem zweiten Hebel und der hin- und hergehenden Stange bildende Hebelarm.

Ein derartiges Getriebe ist aus CH-PS 4 35 905 als Koppelgetriebe bekannt, mit dem eine gleichförmige Drehbewegung in eine periodische hin- und hergehende Bewegung mit relativ großen Stillständen in den Endstellungen des hin- und herbewegten Gliedes umgewandelt wird. Dieses bekannte Koppelgetriebe ist jedoch nicht dazu geeignet, eine hin- und hergehende Bewegung in eine Drehbewegung umzuwandeln. Im Hinblick auf die mit diesem Koppelgetriebe erzeugten relativ großen Stillstände in den Endstellungen des hin- und herbewegbaren Gliedes wäre auch unter Benutzung einer Schwungmasse dieses bekannte Koppelgetriebe nicht in der Lage, eine hin- und hergehende Bewegung in eine Drehbewegung umzusetzen.

Aus DE-PS 7 58 775 und US-PS 39 65 758 sind Getriebe für bezüglich der Fördermenge einstellbare Pumpen, insbesondere Einspritzpumpen für Brennkraftmaschinen, bekannt. Diese Getriebe weisen einen Kurbeltrieb und einen zwischen diesem Kurbeltrieb und der Kolbenstange der Pumpe angeordneten Hebel auf. Zur Verstellung des Kolbenhubes wird bei diesen bekannten Getrieben der Drehpunkt dieses Hebels bezüglich der Anlenkungsstelle der Kurbel und der Anlenkungsstelle der Kolbenstange verstellt. Jedoch sind auch diese bekannten Getriebe nicht geeignet, eine hin- und hergehende Bewegung in besonders vorteilhafter Weise in eine Drehbewegung umzusetzen.

Aus AT-PS 2 90 235 ist ein an einer Kolbenkraftmaschine anwendbares Getriebe bekannt, bei welchem die Pleuelstange über eine damit gelenkig verbundene Zwischenstange mit dem Kolben verbunden ist An die Gelenkstelle zwischen der Pleuelstange und der Zwischenstange ist wiederum gelenkig eine Kompensierschwinge angesetzt, die an der dem Gelenk gegenüberliegenden Ende ortsfest schwenkbar gelagert ist. Mit dieser Kompensierschwinge sollen die bei Kurbelgetrieben auftretenden Stützkräfte kompensiert werden, um die sich bewegenden Gleitflächen verkleinern zu können, was Verminderung des Gewichtes und Verschleißes am Kolben und Zylinder verspricht Eine Beeinflussung des übertragenen Drehmoments ist aber mit diesem Getriebe nicht möglich. Aus US-PS 27 75 899 ist es auch bekannt, ein solches Getriebe auf zwei sich gegenübergesetzte Zylinder-Kolben-Anordnungen anzuwenden, wobei die beiden Zwischenstangen und die beiden Pleuelstangen in einer gemeinsamen Gelenkanordnung miteinander verbunden sind, so daß jede Pleuelstange für das jeweils andere System die Funktion der Kompensierschwinge übernimmt Die Kurbeln, an denen die beiden Pleuelstangen angreifen, sind dann mittels Zahnradgetriebe miteinander gekoppelt Auch bei einem solchen Zwillingsgetriebe lassen sich lediglich die von den Kolben auf die Zylinderwände ausgeübten Querkräfte besser beherrschen. Es ist aber nicht möglich, das übertragene Drehmoment zu beeinflusse;].

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mittels eines Getriebes der eingangs beschriebenen Art eine günstige Beeinflussung von Kolbenkraftmaschinen, insbesondere hinsichtlich Leistungssteigerung, Vergrößerung des elastischen Arbeitsbereiches und verbesserter Ausnutzung der zugeführten Energie, hervorzurufen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für die Anwendung bei einer Kolbenkraftmaschine auf den Enden der hin- und hergehenden Stange Kolben fest angeordnet sind.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß das von der die beiden Kolben tragenden Stange auf die Kurbelwelle übertragene Drehmoment wesentlich verstärkt wird und somit das maximale Drehmoment der Kolbenkraftmaschine über einen großen Drehzahlbereich annähernd ohne nennenswerten Abfall gehalten wird. Die Kraftmaschine arbeitet dadurch nicht nur in einem größeren elastischen Bereich, sondern entfaltet das maximale Drehmoment auch bereits bei niedrigeren Drehzahlen, als dies bisher möglich ist. Hieraus ergibt sich wiederum, daß die Ansaug- und Auspuffverhältnisse und bei Brennkraftmaschinen auch die Verbrennungsverhältnisse beim Arbeitshub wesentlich besser beherrscht werden können als bisher.

Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, daß nur einer der beiden Kolben ein Antriebskolben ist. Der zweite Kolben kann als Arbeitskolben, beispielsweise für einen Kompressor benutzt werden, was für aufgeladene Brennkraftmaschinen von besonderem Vorteil ist, um Luft oder ein Luft-Brennstoffgemisch in wesentlich verbesserter Weise vorzuverdichten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen erfindungsgemäß ausgestatteten Motor in axialem Schnitt durch Zylinder und Motorgehäuse,

F i g. 2 einen erfindungsgemäßen Motor in Vorderansicht,

F i g. 3 eine Seitenansicht des erfindungsgemäß

ausgestatteten Motors mit drei parallel angeordneten Systemen gemäß F i g. 1.

F i g. 4 ein Schema der gemäß F i g. 1 bis 3 benutzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen .Systems,

Fig.5 das Schema einer zweiten Austührungsform des erfindungsgemäßen Systems und

F i g. 6 das Schema einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems.

Bei den dargestellten Beispielen ist an jedem Ende einer Verbindungsstange 11 ein Kolben 10 test angebracht Die Verbindungsstange 11 ist über einen Schwinghebel 20 mit dem Pleuel 30 verbunden. Der Schwinghebel 20, der die oszillierende Hin- und Herbewegung der Verbindungsstange 11 und des Kolbenpaares über das Pleuel 30 in eine Drehbewegung der Kurbelwelle 40 umsetzt, ist an seinem der Verbindungsstange 11 entgegengesetzten Endbereich am Motorgehäuse 50 über einen Ankerbolzen 21 drehbar gelagert. Zur Gelenkverbindung 12 mit der Verbindungsstange 11 enthält der Schwinghebel 20 in seinem entsprechenden Endbereich einen begrenzt radial bezüglich der Schwenkachse 21 gleitend geführten Gleit- und Gelenkstein 22. Der Schwinghebel 20 ist an diesem Ende gabelförmig mit zwei Laschen 24 ausgebildet, die Führungen für den Gleit- und Gelenkstein 22 enthalten.

Um die oszillierende Bewegung in eine rotierende Drehbewegung umzusetzen, ist der Schwinghebel 20 in seinem mittleren Bereich mit einer Aussparung 27 versehen, in der das Ende der Pleuelstange 30 eingesetzt und über einen Pleuelstangenbolzen 31 mit dem Schwinghebel 20 drehbar verbunden ist. Um die rotierenden und oszillierenden Massen so gering wie möglich zu halten, ist der Schwinghebel 20 mit Ausnehmungen 28 versehen.

Der Zylinder 14 bildet mit dem Motorgehäuse 50 eine Gießeinheit, wobei der Zylinder 14 in bekannter Weise Kühlkanäle 15 aufweist. Entsprechend dem radialen Schwenkbereich des Schwinghebels 20 ist zwischen dem Zylinder 14 und dem Motorgehäuse 50 eine axiale Aussparung 16 vorgesehen, die dem Schwinghebel einen freien Durchlaß zwischen dem Motorgehäuse 50 und dem Zylinder 14 erlaubt. Die beiden Enden des Zylinders 14 können mit einem handelsüblichen Zylinderkopf 17 verschlossen sein. Eine ölwanne 51 bildet zusammen mit dem Motorgehäuse 50 sowie dem Zylinder 14 und den beiderseitigen Zylinderköpfen 17 eine für den Verbrennungsvorgang notwendige abgeschlossene Einheit.

Fig.2 zeigt die beiderseitige Anordnung der Zylinderkopfe 17 am Zylinder 14 und die für den Betrieb der Brennkraftmaschine notwendigen Teile, wie Einlaß- und Auslaßventile 60 und 61, Nockenwellen 62, Zündverteiler 65, Zündkerzenkanäle 66, Lichtmaschine 67, Einlaßkanal 69, Aüslaßkanal 70, Ansaugstutzen 71 mit luftzuführendem Trichter 72 und Kraftstoffeinspritzdüse 73. Soweit diese Teile anzutreiben sind, erfolgt dies mittels Zahnriemen 63 und Zahnriemenrädern 64.

Fig.3 zeigt, daß mehrere, beispielsweise drei Systeme, gemäß F i g. 1 und 2 nebeneinander in einem gemeinsamen Motorgehäuse angeordnet sein können.

Die Funktion der Vereinigung von Getriebe und Kolbenkraftmaschine, beispielsweise Brennkraftmaschine, wird im folgenden anhand von F i g. 4 näher erläutert:

Dabei bedeuten die in F i g. 4 benutzten Bezeichnungen wie folgt:

F₅, — Stoffkraft

Fo — oszillierende Massen

F_T — Tangentialkraft

Md — Drehmoment

r:r₂ — Hebelarm-Verhältnis

Pk — an d. Kurbelwelle abgegebene Leistung

ω — Winkelgeschw.

Wenn man sich in den F i g. 1 und 4 die Bewegung des ίο links gezeigten Kolbens 10 bei der nach der Zündung erfolgenden polytropischen Expansion von links nach rechts ablaufend vorstellt, so wird über die Verbindungsstange 11, den Schwinghebel 20 und das Pleuel 30 am Kurbelzapfen 4i eine Tangentialkraft Ft erzeugt, für die gilt:

wobei der Wert — > 1 ist, weil der sich von der

ortsfesten Schwenkachse 21 des Schwinghebels 20 zum Anlenkungsbereich 12 der Verbindungsstange 11 erstreckende Hebelarm r größer als der sich von der ortsfesten Schwenkachse 21 zum Anlenkungsbereich 31 des Pleuels 30 erstreckende Hebelarm η ist. Gemäß der Darstellung der Fig.4 ergibt sich dann für das Drehmoment

M_d = F_T ■ r₂

und für die an der Kurbelwelle abgegebene Leistung

Pk = F τ ■ r₂ ■ ω .
Wie man aus der Momentengleichung

FtT₂ = M₁₁ = (Fst -F₀)-—-r₂ ^r\

ersehen kann, wirkt sich das Hebelverhältnis r: η verstärkend auf das an den Kurbelwellenzapfen 41 aufgebrachte Drehmoment aus. Infolge des höheren Drehmoments bei gleichbleibender Winkelgeschwindigkeit ω erhöht sich infolgedessen auch die Leistung an der Kurbelwelle 40.

Praktisch gleiche Wirkung wird auch bei abgewandelten Ausführungen erreicht, wie sie in den F i g. 5 und 6 schematisch angedeutet sind. Wie man aus F i g. 5 ersehen kann, ist eine zweiarmige Ausbildungsform des Schwinghebels 20 möglich, wobei der Schwinghebel 20 wiederum bei 21 ortsfest drehbar gelagert ist. Am einen Endbereich des Schwinghebels 20 ist das Pleuel 30 bei 31 angelenkt und am anderen Endbereich des Schwinghebels 20 bei 12 die Verbindungsstange 11. Auch hierbei soll der zwischen der ortsfesten Schwenkachse 21 und der Anlenkung 31 des Pleuels 30 gebildete Hebelarm η kurzer als der zwischen der ortsfesten Schwenkachse 21 und dem Anlenkungsbereich 12 der Verbindungsstange wirksame Hebelarm rsein.

Wie Fig.6 zeigt,-ist es auch möglich, zwei parallel zueinander angeordnete Kolbenpaare 10 über einen Schwinghebel 20 zu verbinden. Dabei ist der Schwinghebel 20 ebenfalls als zweiarmiger Hebel ausgebildet, der in mittleren Teil seine ortsfeste Schwenkachse 21 hat und in seinen beiden Endbereichen Gleit- und Gelenksteine trägt, um an jedem Ende eine Anlenkung 12 je einer Verbindungsstange 11 zu bilden. Jede Verbindungsstange trägt dann an jedem Ende einen

Kolben 10. Das Pleuel 30 wird dann in einem Zwischenbereich zwischen der ortsfesten Schwenkachse 21 und einem der Anlenkungsbereiche 12 für die Verbindungsstange 11 angeordnet. Dabei soll der zwischen der Anlenkung 31 des Pleuels 30 und der ortsfesten Schwenkachse 21 wirksame Hebelarm η kürzer als di. zwischen den Anlenkungsbereichen 12 der Verbindungsstangen 11 und der ortsfesten Schwenkachse 21 wirksamen Hebelarme r'und r"sein. Die beiden Hebelarme r' und r" können dabei unterschiedlich lang sein. Es lassen sich dann beispielsweise zwei Kolbenpaare 10' und 10" mit unterschiedlich langem Hub betätigen.

Mit dem beschriebenen System läßt sich auch eine Kombination zwischen einer Arbeitsmaschine und einer Kraftmaschine mit Kolbenbewegung schaffen, wobei jedoch in jedem Fall mindestens ein Kolben als Antriebskolben arbeitet. Es lassen sich auf diese Weise Zusatzaggregate in das System unmittelbar einfügen, beispielsweise ein Kompressor, wie er für aufgeladene Brennkraftmaschinen, beispielsweise aufgeladene Dieselmotore, von besonderem Vorteil ist, weil mit diesem Kompressor bereits eine Vorverdichtung der Verbrennungsluft oder ggf. des Luft-Kraftstoffgemisches vorgenommen werden kann.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Ir» Ψ. Patentansprüche:

1. Getriebe zwischen einer hin- und hergehenden Stange und einer mit einer Kurbel versehenen Welle, wobei an der Kurbel ein erster Hebel angelenkt ist, der mit einem zweiten Hebel gelenkig verbunden ist, welcher um einen ortsfesten Drehpunkt schwenkt und über eine Kulissenverbindung mit der hin- und hergehenden Stange gekoppelt ist, wobei der den Abstand zwischen dem ortsfesten Drehpunkt und dem Anlenkpunkt zwischen erstem und zweitem Hebel bildende Hebelarm kleiner ist als der den Abstand zwischen dem ortsfesten Drehpunkt und dem Anlenkpunkt zwischen dem zweiten Hebel und der hin- und hergehenden Stangen bildende Hebelarm, dadurch gekennzeichnet, daß für die Anwendung bei einer Kolbenkraftmaschine auf den Enden der hin- und hergehenden Stange (It) Kolben (10) fest angeordnet sind.

2. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kolben (10) ein Antriebskolben ist.