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Kurbeltrieb für Hubkolbenmotor
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Die vorliegende Erfindung betrifft den Kurbeltrieb für Hubkolbenmotore.
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Bekanntlich wirken die Gaskräfte auf den Kolben ein, der dadurch aus
dem Bereich etwa des oberen Totpunkts verschoben wird und dabei Bewegungsenergie
über das Pleuel in den Kurbelzapfen der in Drehung zu versetzenden Kurbel leitet.
Die dem Kurbeltrieb eigentümlichen Bewegungszusammenhänge und hieraus resultierenden
Geschwindigkeiten und Beschleunigungen lassen eine optimale Nutzung der Gaskräfte
bekanntlich nicht zu, weil das Verweilen des Kolbens im Bereich des oberen Totpunkts
wegen der dort obwaltenden Beschleunigung zu kurz ist. Die im Bereich des unteren
Totpunkts in dieser Hinsicht gegebenen etwas günstigeren Verhältnisse reichen jedoch
vielfach ebenfalls nicht aus, einen günstigen Liefergrad des Motors zu gewährleisten.
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Es ist nun schon vorgeschlagen worden, durch Anordnen eines Winkelhebels
und eines zweiten Pleuels zwischen Winkelhebel und Kurbel die Verweilzeit des Kolbens
im Bereich des oberen Totpunkts zu verlängern. Dies hat indes eine Verschlechterung
der Verhältnisse im unteren Totpunkt zur Folge. Eine weitere bekanntgewordene Anordnung
weist zwischen Pleuel und Kurbel ein Zwischen-Pleuel auf, das mittels Zusatzlenker
geführt wird.
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Eine weiterhin bekanntgewordene Anordnung verwendet zwischen Pleuel
und Kurbel sogar zwei parallel wirkende Zwischen-Pleuel. Dies erfordert, die anzutreibende
Kurbel mit Doppelkröpfung zu versehen. Alle genannten Anordnungen weisen eine erhöhte
Zahl von bewegten massebehafteten
Teilen sowie Verschleiß unterworfene,
beweglichen Verbindungen auf, was erheblichen Mehraufwand an Konstruktionsraum und
Fertigungskosten bedeutet, zudem höhere Reibungsverluste verursacht.
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Gegenüber dem skizzierten Stand der Technik soll mit der Erfindung
ohne einen Mehraufwand an zusätzlichen Teilen die Aufgabe gelöst werden, die Bewegungszusammenhänge
bei einem somit nur aus Kolben, Pleuel und Kurbel als bewegten Teilen bestehenden
Kurbeltrieb zu verbessern derart, daß die Verbrennung verbessert und/oder der Liefergrad
erhöht werden. Erfindungsgemäß geschieht dies dadurch, daß die bewegliche Verbindung
von Pleuel und Kurbel Mittel für im Verlauf der Relativbewegung veränderliche Achslagen
aufweist.
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Im üblichen Kurbeltrieb sind Pleuel und Kurbel durch eine Lagerung
beweglich verbunden, die lediglich eine Drehung um eine in bezug auf beide Teile
feste Achse, die Drehachse des Pleuellagers, erlaubt. Gegenüber den hierfür vorgesehenen
rotationssymmetrischen geometrisch im wesentlichen gleichen Voll- bzw. Hohlformen
von Welle und Lagerschale treten bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Pleuellagers
nicht-rotationssymmetrische geometrisch im wesentlichen verschiedene Formen. Als
Mittel (Elemente) der gegenseitigen Lenkung werden gemäß der Erfindung Voll- und
Hohlkörper verwendet, die sich, ausreichend stützend, eindeutig relativ derart zueinander
bewegen, daß sie sich um eine gegenüber jedem der bewegten Teile veränderliche Achse
momentan drehen.
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In den Bewegungsebenen von Kurbel und Pleuel beschreibt demgemäß die
Achse Polkurven.
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Voll- und Hohlkörper können unterschiedliche Formen aufweisen, z.B.
mit wechselnden Krümmungen, wie man dies von Innen- und Außenrotoren bestimmter
Trochoidenpumpen her kennt. Im Hinblick auf die im Pleuellager aufzunehmenden Kräfte
kann aber der Innenkörper nach einer vorteilhaften
Ausbildung als
Gleichdick ausgebildet und somit an jeder Stelle der seine Schnittfläche begrenzenden
Kontur konvex gekrümmt sein. Hierfür sind dann die stützenden Flächen des Hohlkörpers
als äquidistante Flächen auszubilden. Um die an den Stütz linien zwischen Vollkörper
und Hohlkörper auftretenden spezifischen Pressungen zu reduzieren, kann nach einer
weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung das Gleichdick einen stetigen Krümmungs-Verlauf
seiner Querschnitts-Kontur aufweisen. Im Hinblick auf die aufgabengemäße Verbesserung
sowohl der Verbrennung als auch der Ladung erweist es sich als vorteilhaft, dann
ein P3-Profil als Gleichdick zu verwenden. Sofern als Innenkörper vorteilhaft ein
Gleichdick gewählt wird, sind, wie gesagt, die stütz enden Flächen des Hohlkörpers
als äquidistante Flächen auszubilden. Zweckmäßig verwendet man hierfür ebene Flächenpaare,
die bekanntlich leicht fertigbar sind. Als vorteilhaft kann es sich aber auch erweisen,
konzentrische Zylinderflächen für die Stützung des Innenkörpers anzuwenden.
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Hierdurch lassen sich einerseits noch weitergehende Verbesserungen
hinsichtlich des Verweilens des Kolbens im Bereich des einen oder anderen Totpunkts
erzielen, andererseits lassen sich aber auch gezielt günstigere Schmiegungsverhältnisse
an einer Stützstelle erreichen. Als weiterhin vorteilhaft kann es sich erweisen,
Vollkörper und Hohlkörper in der Kurbel bzw. im Pleuel in gezielter Weise anzuordnen,
um im Betrieb eine günstige Zuordnung der Elemente zu gewährleisten, z.B. um in
der Stellung in der die größten Pleuelkräfte auftreten, eine günstige Verzweigung
des Kraftflusses oder eine vorteilhafte Schmiegung zwischen den Elementen herbeizuführen.
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Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der Beschreibung und den Figuren.
Im einzelnen zeigen die Figuren 1 und 2 zwei mögliche grundsätzliche Ausbildungen
von Voll- und Hohlkörper für die erfindungsgemäße bewegliche Verbindung von Pleuel
und Kurbel,
die Figur 3 eine weitere mögliche Ausbildung der erfindungsgemäßen
Mittel, die Figur 4 eine weitere vorteilhafte Ausbildung des Vollkörpers, die Figur
5 den Bewegungszusammenhang für eine Anordnung nach Figur 4, die Figur 6 eine mögliche
der Figur 4 entsprechende Ausbildung, jedoch mit anderen Konturen des stützenden
Hohlkörpers, die Figuren 7 und 8 zwei den Figuren 6 bzw. 4 ähnliche Ausbildungen,
jedoch mit geänderten Zuordnungen der erfindungsgemäßen Mittel.
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In Fig. 1 ist beispielhaft eine grundsätzlich mögliche Ausbildung
der Mittel gezeigt, mit der das Pleuel 1 beweglich gegenüber der Kurbel (2) verbunden
sein kann. Die Kontur des Hohlkörpers ist hier eine Äquidistante zur Trochoide eines
4 : 5 - Räderpaares, die Kontur des Vollkörpers die zugehörige Hüllkurve. Die Berührungsnormalen
treffen sich im Momentenpol P, bzw. der momentanen Drehachse der als Zylinder ausgebildeten
Voll- und Hohlkörper; sie ist für jede Relativlage des Elementenpaars, d.h. zwischen
Voll- und Hohlkörper, definiert. In Figur 2 sind die Querschnittskonturen von Voll-
bzw. Hohlkörper ein Bogenzweieck und ein gleichseitiges Dreieck. Die Berührungsnormalen
bestimmen wiederum durch ihren gemeinsamen Schnittpunkt den Momentenpol P, bzw.
die momentane Drehachse der als Zylinder bzw. Hohlprisma ausgebildeten Voll- und
Hohlkörper, zugeordnet dem Pleuel (1) bzw. der Kurbel (2). Sinngemäß gilt entsprechendes
jeweils auch bei den in den folgenden Figuren dargestellten vorteilhaften weiteren
Ausbildungen der Erfindung.
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In Figur 3 ist der Kurbeltrieb insgesamt schematisch dargestellt.
Die Mittel für die bewegliche Verbindung des vom Kolben 5 her in Bewegung gesetzten
Pleuels 1 mit der Kurbel 2 sind hier der Gleichdick-Wellenkörper 3 und der diesen
umschließende Hohlkörper 4. Der an jeder Konturstelle konvexe Gleichdick-Wellenkörper
ist beispielhaft ein Bogendreieck, der umschließende Hohlkörper ein Prisma mit im
wesentlichen als Rhombus ausgebildeter Grundfläche.
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Besonders vorteilhaft ist es, wegen seiner guten Herstellbarkeit als
Gleichdick-Wellenkörper ein P3-Profil 13 zu verwenden, wie in der in Figur 4 gezeigten
Ausbildung der Erfindung. Der umschließende Hohlkörper 14 ist hier ein Prisma mit
im wesentlichen quadratischer Grundfläche. Figur 5 zeigt den für diese Anordnung
sich einstellenden ausgezogenen Verlauf zwischen dem Kolbenweg s und dem Kurbelwinkel
y, im Vergleich dazu gestrichelt den Bewegungszusammenhang des normalen Kurbeltriebs
entsprechender Abmessungen.
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In Figur 6 ist der das Gleichdick 23 umschließende Hohlkörper des
Pleuels 1 aus zwei ebenen Flächen 24 und zwei konzentrischen Kreiszylinder-Flächen
24' gebildet, um vorzugsweise im Bereich des unteren Totpunkts ein längeres Verweilen
des Kolbens und damit besseres Ansaugverhalten zu erreichen. Demgegenüber sind in
der in Fig. 7 gezeigten, ansonsten der Anordnung der Figur 6 entsprechenden Anordnung
die Konturen des Gleichdick-Wellenkörpers 33 und der Begrenzungsflächen 34, 34'
des umschließenden Hohlkörpers in bezug auf die Kurbel 2 bzw. das Pleuel 1 so verdreht,
daß sich im Bereich des etwa dargestellten oberen Totpunkts für die vom Gleichdick-Wellenkörper
aufzunehmenden Pleuelkräfte besonders vorteilhafte Schmiegungsverhältnisse ergeben.
In Fig. 8 ist eine andere vorteilhafte Zuordnung von Gleichdick-Wellenkörper 43
und Hohlkörper 44 gezeigt, die im übrigen der Anordnung der Figur 4 entspricht,
jedoch mit in bezug auf die Kurbel 2 bzw. das Pleuel 1 veränderter
Phasenlage
derselben. Man erkennt, daß in der dargestellten Getriebestellung, in welcher bekanntlich
etwa größte Pleuelkräfte, resultierend aus Gasdruck und Massenkräften, auftreten,
diese durch Stützung in den Berührungslinien 46', 46" günstig aufgeteilt werden.