DE3245246C2

DE3245246C2 - Hubkolbenmaschine mit einem Exzenter-Triebwerk

Info

Publication number: DE3245246C2
Application number: DE3245246A
Authority: DE
Inventors: Glen Foster Bradfordwoods Chatfield
Original assignee: Individual
Current assignee: Optimum Power Technology LP
Priority date: 1981-12-07
Filing date: 1982-12-07
Publication date: 1986-12-18
Also published as: GB2111158A; GB2111158B; JPS58102861A; US4459945A; JPH0627537B2; DE8234383U1; DE3245246A1

Abstract

Anstelle der normalerweise von Kurbelzapfen und Pleuelstangen wahrgenommenen Funktionen weist eine Hubkolbenmaschine einen oder mehrere spezielle Nocken (11) und Joche (12) auf. Die Nocken (11) besitzen nicht kreisrunde Hubflächen mit endlicher Beschleunigungsänderung, die für eine kontinuierliche zwangsläufige Positionierung der Joche (12) und Kolben (14, 14Δ) sorgen. Zur Überwindung der Leistungsbeschränkungen, die sich aus einer Kolbenbetätigung mittels Kurbel und Pleuelstange ergeben, lassen sich für eine große Vielzahl von Motoren und Pumpen verschiedene Nocken gestalten. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung schaffen eine anpassungsfähige, betriebssichere, leistungsfähige und weich laufende Maschine zum Verdichten, Entspannen und Übertragen von Fluiden. In einer speziellen Anwendung der Erfindung ist ein Verbrennungsmotor so ausgelegt, daß seine Kolben in der Nähe des oberen und unteren Totpunktes jedes Hubes längere Zeit sind, als bei einem Motor des Kurbelwellen-Typs möglich ist.

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine mit einem Exzenter-Triebwerk, insbes. mit zwei oder vier Zylindern, insbes. in einzelner oder paarweiser Boxer-, X- oder Sternanordnung, mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 und bezieht sich auf die Ausbildung des Triebwerks.

Leistungsfähigere, billige, umweltfreundliche und mit mehreren Kraftstoffen betreibbare Hubkolbenmotoren sind erforderlich, da sie noch lange die an Kraftfahrzeugantriebe gestellten Anforderungen am besten erfüllen. Benzin-, Diesel- und Sterling-Kolbenmotoren haben einen guten Teillastwirkungsgrad und sind damit Kraftt'ahrzeugturbinen überlegen. In der Praxis führen viele Arten von Verlusten zu einer Herabsetzung des thermischen Wirkungsgrades. Zeitverluste entstehen durch eine nicht optimale Kolbenbewegung während der Verbrennung oder des Wärmeübergangs, Abgasverluste infolge des Öffnens des Auslaßventils oder der Auslaßöffnung vor Erreichen des unteren Totpunkts, Wärmeverluste infolge von Wärmeleitung, -konvektion und -Strahlung aus dem Arbeitsgas. Obwohl sich Undichtigkeiten und eine unvollständige Verbrennung nur in geringem Maß auf den Wirkungsgrad auswirken, bilden sie doch eine Hauptursache der Luftverschmutzung und müssen deshalb sehr sorgfältig bekämpft werden.

Der volumetrische Wirkungsgrad ist ein wichtiger Kennwert von Kolbenmotoren. Gerade bei hohen Geschwindigkeiten ist ein guter volumetrischer Wirkungsgrad erforderlich, um bei Benzin-, Diesel- und Dampfkolbenmaschinen ein hohes Leistungsgewicht zu erzielen. Durch die langen Ventil- oder Öffnungssteuerzeiten, die für einen guten volumetrischen Wirkungsgrad bei hohen Drehzahlen erforderlich sind, ist die Leistung bei niedrigeren Drehzahlen verschlechtert. Folglich ist man bei dem Versuch, die bei PKW-Motoren gestellten Forderungen nach großen Drehzahlbereichen zu erfüllen, gezwungen, einen Kompromiß zwischen den volumetrischen Wirkungsgraden für hohe und niedrige Drehzahlen zu suchen.

Das zum Umwandeln der hin- und hergehenden Kolbenbewegungen benutzte als Kurbelgetriebe ausgebildete Triebwerk war über viele Jahre als zufriedenstellend empfunden, so daß es nicht als Haupthindernis auf dem Weg zu bedeutenden Leistungsverbesserungen erkannt wurde. Dem Bemühen des Konstrukteurs, sowohl den Wirkungsgrad als auch die Leistung zu verbessern, stellt sich der Bewegungsablauf des Kurbeltriebs insofern entgegen, als er für die Herabsetzung des effektiven Expansionsverhältnisses des Motors und die Vergrößerung seiner Zeit-, Abgas- und Wärmeverluste verantwortlich ist. Er erzwingt den unbefriedigenden Kompromiß beim volumetrischen Wirkungsgrad im hohen und niedrigen Drehzahlbereich. Für die Kolbenstellung Pin Abhängigkeit vom Drehwinkel der Kurbelwelle Ω/ gilt:

P = — cos ω f +

/ο ν

~{γ sin ©/-«Ph

worin S die Hublänge, Λ die Länge der Pleuelstange und Φ die Exzentrizität des Kolbenbolzens ist Hieraus ergibt sich, daß der Kurbeltrieb die Kolben in den beiden Endlangen seines Hubes fast abrupt beschleunigt

Aufgrund des Bewegungsablaufs des Kolbens und der hieraus resultierenden Geschwindigkeiten und Beschleunigungen ist eine optimale Nutzung der Gaskräfte bekanntlich nicht erreichbar. Dies hauptsächlich, weil das Verweilen des Kolbens im Bereich des oberen Totpunkts wegen der dort herrschenden hohen 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. Das Nachbrennen ist für einen großen Teil des Unterschieds verantwortlich, der hinsichtlich Leistungsabgabe und des Wirkungsgrads zwischen dem bei begrenztem Druck ablaufendem Kraftstoff-Luft-Verfahren und dem eigentlichen Diesel-Verfahren besteht Zudem erfolgt bei Zweitaktmotoren mit Kurbelgehäusespülung eine starke Herabsetzung des volumetrischen Wirkungsgrades infolge der sehr kurzen Zeit die beim Durchgang des Kolbens durch den oberen Totpunkt für das Ansaugen einer vollen Ladung zur Verfügung steht

Bei hohen Drehzahlen bewirkt die rasche Beschleunigung des Kolbens, daß die Kolbenringe sich in ihren Nuten nach oben bewegen und ihre Abdichtungsfähigkeit gerade in dem Zeitpunkt verlieren, in dem die Zylinderdrücke am höchsten sind. Das daraus resultierende Durchblasen erhöht die luftverschmutzenden Emissionen des Motors und kann bei genügender Stärke den Kolben überhitzen und ein Festfressen im Zylinder hervorrufen.

Eine kurze Verweilzeit im unteren Totpunkt ist für die Leistung von Viertakt-Verbrennungsmotoren aus mehreren Gründen nachteilig. Am Ende des Ansaughubes pausiert der Kolben nicht lange genug bei größtem Volumen, um zwei wichtige Funktionen zu verwirklichen, nämlich die vollständige Füllung des Zylinders mit einer neuen Ladung und das frühzeitige vollständige Schließen des Einlaßventils, damit die frische Ladung nicht während des Beginns des nachfolgenden Verdichtungshubes verlorengeht. Zur Überwindung dieser Schwierigkeit wird das Einlaßventil häufig so gesteuert, daß es 60° oder mehr nach dem unteren Totpunkt schließt. Durch diese Maßnahme wird der Wirkungsgrad zwar bei hohen Drehzahlen verbessert, bei niedrigen Drehzahlen jedoch verschlechtert. Folglich verhindert eine kurze Verweilzeit im unteren Totpunkt die Erreichung eines hohen volumetrischen Wirkungsgrads. Bei einem Viertakt-Motor geht der Kolben am Ende des Arbeitshubes und am Beginn des Auspuffhubes erneut durch den unteren Totpunkt. Zu diesem Zeitpunkt sollten die heißen Gase ausgestoßen worden sein, damit sich der Zylinderdruck auf den Druck im Auspuffkrümmer reduzieren kann, so daß während des folgenden Auspuffhubes so wenig Leistung wie möglich verlorengeht. Dies läßt sich nur dadurch erzielen, daß das Auslaßventil lange bevor der Kolben den unteren Totpunkt erreicht geöffnet wird. Ein frühes öffnen des Auslaßventils mindert jedoch die Wirkung des Arbeitshubes und erhöht die Ausstoßverluste, die ihrerseits den thermischen Wirkungsgrad herabsetzen.

Eine kurze Verweilzeit im unteren Totpunkt verursacht bei Zweitakt-Verbrennungsmotoren einen noch größeren Verlust als bei Viertakt-Verbrennungsmotoren. Wenn sich der Kolben beim Zweitakt-Motor dem Zylinderboden nähert öffnet sich zuerst die Auslaßöffnung und beginnen die heißen Gase auszuströmen. Die Auslaßöffnung soll tatsächlich früh genug öffnen, damit sich der Zylinderdruck vor dem Öffnen der Überströmöffnungen auf weniger als den Überstromdruck entspannen kann. Sodann öffnen die Überströmöffnungen und die frische Ladung strömt in den Zylinder ein, wobei sie die restlichen Auspuffgase durch die Auslaßöffnung hinausdrängt Wenn sich dann der Kolben vom unteren Totpunkt wegbewegt müssen die Überströmöffnungen und danach die Auslaßöffnungen rasch geschlossen werden, um die frische Ladung gefangen zu halten, während der nächste Verdichtungshub beginnt. Sowohl der Ausstoßhub als auch der Ansaughub, die bei Viertakt-Motoren zusammen eine Drehung von 360° beanspruchen, sollten beim Zweitakter im Idealfalle während der kurzen Zeit stattfinden, in der der Kolben durch den unteren Totpunkt geht. Die Folge einer kurzen Verweilzeit im unteren Totpunkt ist, daß Zweitakt-Motoren eher schmale Leistungsbänder aufweisen. Ihre Anwendung war somit auf Sonderfälle, wie z. B. langsamlaufende Dieselmotoren und schnell drehende Motorrradmotoren beschränkt.

Diese Erörterung zeigt, daß durch eine Vergrößerung der Taktzeitanteile in der Nähe des oberen und des unteren Totpunkts Verbesserungen erzielt werden könnten. Bei Hubkolbenmaschinen mit Kurbeltrieben sind für eine vorgegebene Hublänge die Länge der Pleuelstange und die Exzentrizität des Kolbenbolzens die einzigen Parameter, die vom Konstrukteur geändert werden können. Leider lassen beide Parameter nur sehr geringfügige Änderungen zu und häufig verursacht eine Verlängerung des Taktzeitanteils beim einen Totpunkt eine Verkürzung beim anderen.

Es ist bekannt, durch Anordnen eines Winkelhebels und eines zweiten Pleuels zwischen Winkelhebel und Kurbel eine Verlängerung der Verweilzeit des Kolbens im Bereich des oberen Totpunkts zu erzielen. Dies hat aber die erwähnte Verschlechterung der Verhältnisse im unteren Totpunkt zur Folge. Eine weitere bekannte Anordnung weist zwischen Pleuel und Kurbel ein Zwischen-Pleuel und eine andere Anordnung sogar zwei parallel wirkende Zwischen-Pleuel auf, welche jeweils mittels Zusatzlenker aufwendig geführt werden. Dies erfordert, die anzutreibende Kurbel mit Doppelkröpfung zu versehen. Alle diese Anordnungen weisen eine erhöhte Zahl von bewegten massebehafteten Teilen sowie Verschleiß unterworfenen beweglichen Verbindungen auf, was erheblichen Mehraufwand an Konstruktions- und Fertigungskosten und höhere Reibungsverluste bedeutet. Zur Verbesserung der Verbrennung und/ oder der Erhöhung des Liefergrads durch Vergrößerung der Verweilzeiten des Kolbens in seinen Umkehrlagen einzeln oder gemeinsam ist es bekannt (DE-OS 31 15 417) die momentane Achslage des Pleuellagers

bo mii Änderung der Relaiivaniagen und der uamii beweglich verbunoenen Teile, Pleuel und Kurbelwelle, zu verändern. Der Kurbelzapfen ist als Gleichdick und das Pleuellager als ein dieses mittels äquidisanter Flächen einschließendes Joch ausgeführt. Der Kurbelzapfen hat zweckmäßigerweise im Querschnitt ein P3-Profil und das es einschließende Joch ist ein Quadrat. Unterschiedliche Ausbildungen von Gleichdick-Kurbelzapfen und Joch ermöglichen die gezielte Beeinflussung des KoI-

benbewegungsablaufs bzw. des Kraftflusses und/oder des Schmiegungsverhältnisses.

Die älteste und einfachste Hubkolbenmaschine mit einem Exzenter-Triebwerk dieser Gattung ist in der US-PS 17 74 105 angegeben und besteht aus der Nokkenscheibe auf der Motorwelle und einem rechteckigen Gleichdick-joch. Der Kolben vollführt eine einfache Sinusschwingung, die mit der Bewegung einer Kurbel mit einer Pleuelstange unendlicher Länge identisch ist. Da der Bewegungsablauf des Kolbens dem des normalen Kurbeltriebs gleicht und keine Vorteile bringt, konnte sich dieses Exzenter-Triebwerk nicht durchsetzen. Da die Nockenscheibe aus drei Kreisbögen mit kreisbogenförmigen Übergängen besteht, sind wegen entstehender Vibrationen und Verschleißwirkungen gerade hohe Drehzahlen nicht beherrschbar.

Aus der US-PS 18 10 688 ist ein Exzenter-Triebwerk mit einem P3-Bogendreieck als Joch bekannt, mit dem sechs Hübe pro Umdrehung erzeugt wurden. Auch dieses Triebwerk ist unbefriedigend, da die Verweilzeit in den Umkehrlagen nicht verlängert ist. Außerdem war ein Massenausgleich für die hin- und hergehende Masse des Jochs nicht möglich, da Gegengewichte auf der Motor- bzw. Nockenscheibenwelle wirkungslos sind, denn das Joch führt je Umdrehung der Nockenwelle drei Hin- und Herbewegungen aus. Außerdem wurden Wälz-, insbes. Rollenlager, im Joch verwendet. Die Wälzkörper führten zu hohem und damit schnellem Verschleiß. Außerdem ist der große Eingriffswinkel nachteilig, weil übermäßige Seitenkräfte auf das Joch wirken.

Aus der US-PS 2 513 514 ist ein Triebwerk bekannt, das eine Vergrößerung der Verweilzeit in den Umkehrlagen ermöglicht. Die ständige Anlage des Jochs an der Wälzkörper-Kurbel soll der Gasdruck bewirken. Dieses Triebwerk kann nur mit niedrigen Drehzahlen betrieben werden, da bei höheren Drehzahlen die dynamischen Kräfte schnell größer als die Gaskräfte werden. Auch hier entstehen durch die Beschleunigung und die durch die Formgebung der Nockenscheibe Beschleunigungs-Änderungsraten (Ruck) des Jochs Schwierigkeiten hinsichtlich des Verschleißes und der Betriebssicherheit. Auch wenn ein Massenausgleich grundsätzlich möglich ist, entstehen jedoch durch die Bewegungspausen und die exzentrische Bewegung Schwingungsprobleme.

Mit gattungsgemäßen Triebwerken (US-PS 11 07 837) gelingt die Vermeidung üblicher Kurbeltriebe zumindest dann nicht befriedigend, wenn die Verweildaten des Kolbens in die Umkehrlagen gegenüber üblichen Kurbeltrieben mit auf Kreisbahnen bewegten kreisrunden Kurbelzapfen vergrößert werden soll, weil sich zeigt, daß Verschleiß und auftretende Vibrationen bei den geforderten hohen Drehzahlen derart groß sind, daß der technisch aufwendigere normale Kurbeltrieb bevorzugt wird, auch wenn das Betriebsverhalten des Motors in den Umkehranlagen nicht ganz befriedigt Man hat zwar versucht bei den verwendeten Nockenscheiben als Kontur ein Bogendreieck mit kreisbogenförmigen oder anderen Übergängen zwischen den aneinanderstoßenden Seiten auszubilden, doch hat sich gezeigt daß die Erzeugung von starken Beschleunigungswechseln (Rucks) und der damit einhergehende Verschleiß und das Entstehen von Spiel nicht vermeidbar sind

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Hubkolbenmaschine dahingehend zu verbessern, daß störende und zu Verschleiß führende Schwingungen im Triebwerk erheblich reduziert werden und es langlebig und laufruhig ausgebildet ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei der gattungsgemäßen Hubkolbenmaschine vor, daß die Außenkontur der Gleichdick-Nockenscheibe derart gestaltet ist, daß die zwischen den Nockenbahnen des Jochs und den Nockenflächen der Nockenscheibe zur Wirkung kommenden Beschleunigungsänderungsraten stets endlich sind. Stärkere oder unstetige Krümmungsänderungen sind vermieden.

Durch die Ausbildung der Außenkontur der Nockenscheibe — in an sich bekannter Weise — derart, daß die Beschleunigungsänderungsraten stets endlich sind, ist der Vorteil erzielbar, daß eine große Freiheit in der Gestaltung der Kontur zwischen den Ecken der Nokkenscheibe besteht, so daß auch sehr viel kürzere Verweilzeiten als 60° und unterschiedliche Verweilzeiten im oberen und unteren Totpunkt erzielt und damit Ladungswechsel und Verbrennung einem mit Hinblick auf das Teillastverhalten günstigeren Kompromiß zugeführt werden können. Der grundsätzliche Vorteil des gattungsgemäßen Triebwerks mit in einem Joch umlaufender Gleichdick-Nockenscheibe läßt sich also nutzen. Zusätzliche Bauteile wie bei dem modifizierten Kurbeltrieb gemäß DE-OS 31 15 417 sind nicht erforderlich.

Ausgestaltungen der Hubkolbenmaschine ergeben sich aus den Unteransprüchen. So sind zweckmäßig Mittel zum Vergrößern der Berührungsfläche zwischen den Nockenflächen der Nockenscheibe und den Nokkenbahnen des Jochs vorgesehen, wobei es sich um einen Nockenbahneinsatz handeln kann, der flexibel, mit einer in den Umkehrlagen zur Wirkung kommenden Fläche, oder zusammendrückbar, gegebenenfalls mehrschichtig ausgebildet ist Es können auch ein oder mehrere Wälzlager eingesetzt sein, die mit der Nockenscheibe jedoch nur während eines Teils jeder Umdrehung der Motorwelle in Berührung kommen. Ebenso kann ein schwimmend gelagertes ebenflächiges Zwischenjoch zweckmäßig sein.

Die Erfindung erlaubt es, einen Massenausgleich, wie er für eine Nockenwelle nicht möglich ist, auch dann durchzuführen, wenn unterschiedliche Verweildaten in den Umkehrlagen verwirklicht werden sollen. Dazu ist für jedes Joch eine hin- und hergehende Ausgleichsmasse vorzusehen, die mit einer auf der Motorwelle angeordneten Ausgleichsnockenscheibe betätigbar ist die der an den Jochen angreifenden Nockenscheibe gleich und dieser gegenüber um 180° Winkel versetzt ist.

Die Nockenscheibe kann derart gestaltet sein, daß der Kolben im oberen und unteren Totpunkt während eines Teils der Motorwellendrehung, der 0° bis 60° betragen kann, praktisch stillsteht Die Erfindung läßt sich bei zwei sich gegenüberliegenden Zylindern (Boxermotoren) und Vierzylindermotoren in X-Anordnung sowie bei Zweitakt-Verbrennungsmotoren und bei Pumpen vorteilhaft einsetzen. Ferner ist eine Druckschmierung für Nocken und Joch möglich.

Die Erfindung schafft die Möglichkeit einer größeren Anpassungsfähigkeit der Konstruktion an das erwünschte Betriebsverhalten des Motors und des dafür verantwortlichen Bewegungsablaufs des Kolbens, eine erhöhte Betriebssicherheit und Belastbarkeit er möglicht geringere Auspuffverluste, einen verbesserten volumetrischen Füllungsgrad, insgesamt reduzierte Kolbenringbeschleunigungen in der Nähe der Umkehrlagen, ein noch besseres Betriebsverhalten im oberen und unteren Grenzdrehzahlbereich sowohl bei Zweitakt- als auch bei Viertakt-Otto- und -Dieselmotoren, verbesser-

te Verbrennung und geringere Auspuffemission sowie einen extrem ruhigen schwingungsfreien Lauf.

Alisführungsbeispiele der Erfindung sind anhand einer Zeichnung näher erläutert, in der zeigt:

Fig. 1 eine Einzylinder-Hubkolbenmaschine mit erfindungsgemäßem Exzenter-Triebwerk,

Fig. 2 eine Zweizylinder-Hubkolbenmaschine mit einander gegenüberliegend angeordneten Zylindern,

Fig. 3 eine Vierzylinder-Hubkolbenmaschine mit T- oder X-förmiger Zylinderanordnung, ι ο

Fig. 4 ein Doppeljoch,

Fig. 5 einen Querschnitt eines einfachen Jochs,

Fig. 6 einen Querschnitt durch ein Doppeljoch,

Fig. 7 ein Joch mit schrägen Nockenbannen,

Fig. 8 ein Joch mit einem Nockenbahneinsatz,

Fig. 9 ein Joch mit bogenförmigen Nockenbahneinsatz,

Fig. 10 Nockenbahneinsätze zur Erhöhung der Belastbarkeit,

Fig. 11 ein Joch mit einem schwimmend gelagerten ebenflächigen Nockenbahneninsatz,

Fig. 12 ein Joch mit einem ebenflächigen Nockenbahneinsatz und einem eingesetzten Wälzlager,

Fig. 13 eine nicht erfindungsgemäße Gleichdick-Nokkenscheibe,

Fig. 14 eine nicht erfindungsgemäße Gleichdick-Nokkenscheibe mit größerem Bogenradius als dem eingeschriebenen gleichseitigen Dreieck,

Fig. 15 Beschleunigungskurven für die Nockenscheiben gemäß Fig. 13 und 14,

Fig. 16 Beschleunigungsänderungskurven für die Nockenscheiben gemäß den Fig. 13 und 14,

Fig. 17,18 u. 19 Profile von Gleichdick-Nockenscheiben mit endlicher Beschleunigungsrate,

Fig. 20 u. 21 Gleichdick-Doppelnockenscheiben, Fig. 22 u. 23 konjugierte Nockenscheiben,

Fig. 24 kräftepaarfreie konjugierte Nockenscheiben,

Fig. 25 u. 26 Ausgleichsjoche, und

Fig. 27 u. 28 Gleichdick-Nockenscheiben mit Schmierkanälen.

Für jede Ausführungsform der Erfindung gibt es zwei mögliche Varianten. Die in Fig. 1 dargestellte erste Variante hat eine rotierende Nockenscheibe. In ihrer einfachsten Form weist sie zwei bewegliche Bauteile auf, nämlich eine sich drehende Motor- bzw. Abtriebswelle 10, auf der eine Gleichdick-Nockenscheibe 11 mit einer Kontur, die eine endliche Beschleunigungsänderungsrate bewirkt, befestigt ist, und ein hin- und herbewegbares Joch 12 mit einer daran starr befestigten Kolben- bzw. Schubstange 13 und einem Kolben 14. Die beweglichen Bauteile sind in einem ortsfesten Motorblock 15 gelagert, der ein Führungsgehäuse 16, Lager für die Motorwelle 10 und einen Zylinder 17 aufweist Bei der anderen Variante ist der Motorblock drehbar. Diese Variante ist der erstgenannten ähnlich, mit der Ausnahme, daß die Nockenscheibe festgehalten ist und sich die Baugruppe mit dem Motorblock 15, dem Zylinder 17, dem Joch 12, der Schubstange 13 und dem Kolben 14 um die Motorwelle 10 dreht Der Einfachheithalber werden im folgende nur Varianten mit rotierender Nockenscheibe beschrieben, obgleich beide Varianten die Ausgestaltung des Triebwerks im Sinne der Erfindung ermöglichen.

Es lassen sich alle Mehrzylinder-Konfigurationen wie z. B. Reihen- und V-Anordnung, Boxer- und Sternanordnung, vorsehen. Es werden zwei Anordnungsformen von speziellem Interesse beschrieben, nämlich eine Zweizylindermaschine mit gegenüberliegenden Zylindern (Boxeranordnung) und eine Vierzylindermaschine mit radialer T- oder X-Anordnung.

Die in Fig. 2 dargestellte Hubkolbenmaschine mit zwei gegenüberliegenden Zylindern hat gegenüber der Einzylindermaschine nach Fig. 1 mehrere Vorteile. Sie weist einen zweiten Zylinder 17', einen zweiten Kolben 14' und eine zweite Schubstange 13' auf, ohne daß weitere bewegliche Bauteile hinzugefügt sind. Die Verdrängung beträgt das doppelte derjenigen der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und dennoch sind die Abmessungen und das Gewicht nur um etwa 30% vergrößert. Weil die Zylinder 17 und 17' dasselbe Joch 12 gemeinsam haben, sind sie nicht gegeneinander versetzt. Es gibt folglich keine durch ein Kippkräftepaar hervorgerufene Schwingungen, die schwierig auszugleichen wären. Die Zylinder 17 und 17' weisen außerdem in bezug aufeinander eine Phasenverschiebung von exakt 180° auf, die für Zweizylinder-Zweitakt-Arbeitszyklen ideal ist. Vorteilhaft ist ihr konstantes Nockenscheiben-Gehäusevolumen. Wenn dieses durch eine Schubstange und einen Kolben verkleinert wird, wird es durch die gegenüberliegenden Bauteile um exakt den selben Betrag vergrößert und bleibt somit konstant. Verluste durch Pumpen des Nockengehäuses 16 sind minimal und ein kompliziertes Entlüftungssystem hierfür ist nicht erforderlich. Ein kleines, mit einem Filter versehenes Lüftungsloch sind für Wärmedehnungen ausreichend. Beide Zylinder 17 und 17' halten das Joch 12 in der zur Achse der Motorwelle 10 rechtwinkeligen Ebene und verhindern ein Schräglaufen beider Kolben 14 und 14'. Das Joch 12 kann sich frei hin- und herbewegen, ohne das Nockengehäuse 16 als Führung zu benutzen. Schließlich wird bei dieser Ausgestaltung eine optimale Wärmeableitung bei beiden Zylindern erzielt, die für viele luftgekühlte Ausführungsformen erwünscht sind. Von einem Zweizylinder-Boxermotor wurde ein Versuchsmodell gebaut, das an späterer Stelle näher beschrieben ist.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Stern-Motor ist ein weiteres Zwei-Kolben-Joch 22 neben dem ersten Joch 12 an der gleichen Nockenscheibe 11 mit einer Versetzung um 90° in einer zur Motorwelle 10 rechtwinkeligen Ebene angeordnet. Jeder der Zylinder 17, 17', 27 und 27' ist von allen Seiten außergewöhnlich bequem zugänglich, wodurch Wartung und, bei Bedarf, Kühlung vereinfacht sind. Die vier Zylinder sind jeweils um 90° gegeneinander versetzt, was für einen Vierzylinder-Zweitakt-Betrieb ideal ist.

Obwohl Joch, Schubstange und Kolben einstückig herstellbar sind, wird eine mehrteilige Konstruktion, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, bevorzugt. Sie besteht aus Kolben 30, Schubstange 31, Kolbenbolzen 32 und angeschraubtem Joch 33 mit zwei Nockenbahneinsätzen 34 und 35. Die Verwendung eines Kolbenbolzens ermöglicht Lagerkolben zu verwenden. Entfällt er, ist eine radialsymmetrische Kolbenkonstruktion möglich, um eine gleichmäßige Wärmeausdehnung zu ermöglichen. Es entfällt dann die Notwendigkeit, den Kolben oval bezüglich der Kolbenbefestigung zu schleifen. Grundsätzlich sind auch Schraubverbindungen und Kugelgelenkverbindungen und dergl. möglich. Eine Befestigung der Schubstange im Zentrum des Kolbens hat den Vorteil, daß die Kolbenkühlung in diesem Bereich unterstützt wird. Außerdem ist bei Wegfall eines Kolbenbolzens o. dgl. ein engerer Sitz des Kolbens mit Zylinder möglich, wodurch Durchblasen, Kolbengeräusch und Kolbenverschleiß gemildert werden. Insgesamt wird Spielraum für die Kolbenausgestaltung gewonnen und eine Leitungsverbesserung ermöglicht

Bei ungeführten Jochen sind viele Ausgestaltungsfor-

men für die Verbindung mit der Schubstange möglich. Die Stange kann am Kolben durch einen Kolbenbolzen befestigt und am anderen Ende in das Joch eingeschraubt sein. Sie kann an einem Ende mit einem Kugelgelenk versehen und am anderen Ende mit dem Joch verschraubt sein. Die Schubstange kann hohl ausgebildet werden, um ihre Masse zu erniedrigen und ihre Steifigkeit zu vergrößern. Sie kann sowohl mit dem Kolben als auch mit dem Joch verschraubt sein. In den Fällen, in denen hohe Drehmomente auftreten und eine erhöhte Festigkeit erfordern, kann die Schubstange im Bereich des Jochs konisch gestaltet sein. Die Befestigung der Schubstange am Kolben und am Joch kann auch jeweils mit, insbes. um 90° gegeneinander versetzten Kolbenbolzen erfolgen. Wenn der Kolben in der zur Nockenwelle rechtwinkligen Ebene drehbar ist, sollte die Verbindung zwischen Schubstange und Joch normalerweise eine Relativbewegung in dieser Ebene verhindern, als das Joch selbst nicht durch äußere Mittel, wie z. B. Führungen im Nockenscheibengehäuse gegen Drehung gesichert ist. Überhaupt sollte eine Relativbewegung zwischen Stange und Joch so gering wie möglich sein.

Auch für geführte Joche sind viele Ausgestaltungsformen für die Schubstange möglich. So kann bei einem zwangsgeführten Joch eine Stange mit Kugelgelenken an beiden Enden verwendet werden. Die Schwenkbarkeit der Schubstange in bezug auf das Joch und den Kolben kann zum Ausgleichen einer axialen Versetzung zwischen den Zylindern und dem Joch bzw. dessen Führung benutzt werden.

Schubstangen mit gleichbleibenden Querschnitt können mit hinund hergehenden Stützlagern versehen sein, die am Nockenscheibengehäuse befestigt sind. Diese Konstruktion ermöglicht es, einem von der Motorwelle erzeugten Drehmoment durch die hin- und hergehenden Stützlagern und die Schubstangen statt durch Kolben und Zylinder entgegenzuwirken.

In Fig. 5 ist ein einteiliges Joch dargestellt, das auf seiner linken Seite einen Gewindeansatz zur Befestigung in der Schubstange trägt. Seine Außenflächen 40 und 41 sind parallel zueinander und feinbearbeitet, um ein ruckfreies Gleiten in Jochführungen eines Nockengehäuses sicherzustellen. Das Joch weist innen Nockenbahnen 42 und 43 auf, die eben und parallel gearbeitet sind.

Das in Fig. 6 dargestellte Joch ist aus zwei Hälften 45 und 46 zusammengesetzt, die oben und unten zusammengeschraubt sind. Diese zweiteilige Ausbildung ermöglicht die bequeme Abnahme des Jochs von der Motorwelle bzw. der Nockenscheibe, ohne daß letztere aus dem Nockengehäuse ausgebaut werden muß. Das Joch weist Vertiefungen 47 und 48 für Nockenbahneinsätze auf und ist zur Verwendung mit zwei sich gegenüberliegenden Schubstangen ausgebildet Der Querschnitt der senkrechten Jochwände nimmt zur Mitte hin zu, um eine Durchbiegung bzw. Verformung unter Last zu mildern. In jeder Jochhälfte 45 und 46 sind fünf Löcher 49 zur Verkleinerung der Masse gebohrt, um Lagerbelastung, Reibung und Verschleiß zu verringern. Dieses Joch ist für ungerührte Bewegung im Gehäuse ausgelegt

Das in Fig. 7 dargestellte Joch hat mehrere vorteilhafte Merkmale, unter denen die schräggestellten seitlichen Nockenbahnen hervortreten. Die Schrägstellung bewirkt eine Vergrößerung des Hubs des Triebwerks um den Faktor l/sin α. Dieses Joch zeigt, daß die Nokkenbahnen nicht rechtwinklig zur Schubstangenachse stehen müssen. Das Joch weist ferner Wälzlager auf, die an den Jochführungen des Nockengehäuses abstützen.

Fig. 8 zeigt ein Joch mit an den gegenüberliegenden Wänden eingeschraubten Nockenbahneinsätzen 49'. Diese Art von Hubglied ist am einfachsten herzustellen und genügt für die meisten Anwendungsfälle. Wenn jedoch Fertigungstoleranzen eine rechtwinklige Berührung zwischen Nockenscheibe und Nockenbahn verhindern, können gemäß Fig. 9 sich selbst ausrichtende bzw. pendelnde Nockenbahneinsätze 49b verwendet werden. In diesem Falle sind sowohl die Außenflächen der Nokkenbahneinsätze 496 als auch die Innenflächen des Jochs mit einer Zylinderfläche mit dem Radius R gleich dem halben Abstand D zwischen den Nockenbahnen feinbearbeitet. Dabei ist die Achse der Zylinderfläche rechtwinklig zu der Ebene, die durch die Achse der Motorwelle und die durch c'en Mittelpunkt des jochs gehende Achse definiert ist.

Bei Anwendungsfällen, in denen hohe Drücke und große Geschwindigkeiten auftreten, können Reibung und Abnutzung zu kritischen Entwurfsfaktoren werden, denen besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden muß. Wenn der Nocken für eine erhöhte Verweilzeit im oberen Totpunkt ausgelegt ist, wie bei Dieselmotoren, kann eine Vergrößerung der Berührungsfläche zwischen Nockenbahn und -scheibe zweckmäßig sein. Gemaß Fig. 10 weist ein Nockenbahneinsatz 49c in der Mitte eine flache zylindrische Vertiefung auf, deren Radius dem größten Nockenscheibenradius gleicht, der im oberen Totpunkt am Joch anliegt. Die mit der Vertiefung erzielte größere Berührungsfläche die Belastbarkeit der Nockenscheibe und der Nockenbahn des Jochs.

Eine andere Maßnahme zur Belastbarkeitserhöhung

besteht in der Wegnahme von Werkstoff hinter der Nockenbahn, wo die größten Kräfte aufgenommen werden. Dies ermöglicht ein Nachgeben des Nockenbahneinsatzes zur Anpassung an die Nockenscheibenfläche. Beispielsweise kann bei einem rechtsdrehenden Zweitakt-Gegenkolbenmotor, bei dem der maximale Zylinderdruck kurz vor dem oberen Totpunkt auftritt, der Ort der Materialwegnahme gegenüber der Mitte der Nockenbahnen versetzt sein.

Die Verwendung eines zweischichtigen Nockenbahneinsatzes aus einer dünnen Schicht aus einem harten flexiblen Werkstoff, z. B. Stahl, und einer dicken Schicht aus einem weicheren elastischen, unter Belastung nachgebenden Werkstoff, ist ebenfalls möglich, um ein besseres Schmiegungsverhältnis zwischen der Nockenscheibe und der Nockenbahn zu erzielen. Durch Kombinieren von zwei oder mehreren der vorstehend angegebenen Tragkraft erhöhenden Maßnahmen lassen sich viele andere zuverlässige hochbelastbare feststehende Nokkenbahnen ausgestalten.

Eine andere Möglichkeit zur Erhöhung der Belastbarkeit und Minderung von Reibung und Verschleiß besteht in der Verwendung eines schwimmend angeordneten ebenflächigen Zwischenjochs 50, siehe Fig. 11, wie es an sich aus der US-PS 11 07 837 bekannt ist Das Zwischenjoch 50 ist ein Parallelogramm mit vier gleichen Seiten, die alle Berührung mit der Nockenscheibe haben. Bei dieser Ausgestaltung wird das Zwischenjoch 50 gezwungen, in dieselbe Richtung zu gleiten wie die Hubfläche des Nockens, wodurch die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Nocken und dem Joch im Berührungspunkt verringert wird. Anders als beim feststehenden Nockenbahneinsatz, der nur zu einer Punktberührung führt, verteilt das Zwischenjoch 50 die während der Verweilzeit im oberen Totpunkt entstehende Abnutzung über eine größere Länge der Nockenbahn. Solche Zwischenjoche sind aus einem Werkstoff herzuslei-

len, dessen Wärmeausdehnungsrate sowohl mit der Nockenscheibe als auch mit dem Joch vereinbar ist, damit bei Temperaturänderungen im Motor kein Fressen zwischen Nockenbahn und Nockenscheibe oder Joch auftritt. Fig. 12 zeigt ein Verbundjoch mit einem ebenflächigen Nockenbahneinsatz 49d und einem Wälzlager 51. Wälzlager als Nockenbahn werden gewöhnücht benutzt, um die Reibung zu verringern. Sie arbeiten sehr gut in Anwendungsfällen, in denen ihre Drehgeschwindigkeit während des gesamten Arbeitsspiels beträchtliche des Motors bei einer bestimmten Drehzahl ziemlich konstant ist. Wenn sie jedoch während des Arbeitsspiels Beschleunigungen und Verzögerungen ausführen müssen, bewirkt ihre eigene Trägheit, daß sie auf der Nokkenfläche gleiten bei hohen Drehzahlen statt abzurollen. Dieses Gleiten verursacht eine abrupte Erhöhung der Reibung und kann eine rasche Zerstörung sowohl des Wälzlagers als auch der Nockenscheibe hervorrufen. Bei der in Rg. 12 dargestellten Ausführungsform ist die Wälzkörperbeschleunigung dadurch begrenzt, daß die Berührung mit dem Wälzkörper auf einen nur kleinen Teil des Arbeitsspiels im Bereich niedriger Kolbengeschwindigkeiten beschränkt ist.

Das Wälzlager ist in der Jochmitte angeordnet. Der obere Abschnitt ragt etwas über die ebene Fläche des Nockenbahneinsatzes 49</ hinaus. Die Nockenscheibe ist so ausgelegt, daß sie das Wälzlager nur dann berührt, wenn sich das Joch in der Nähe des oberen Totpunktes befindet und sich frei dreht, bis diese Jochfläche sich wieder dem oberen Totpunkt nähert. Die dem unteren Totpunkt entsprechende Nockenfläche der Nockenscheibe muß in der Mitte etwas zurückgenommen sein, um eine Berührung mit dem Wälzlager im unteren Totpunkt zu vermeiden. Statt das Wälzlager überstehen zu lassen, und die Nockenscheibe zurückzunehmen, kann das Wälzlager versenkt angeordnet sein, und die dem oberen Totpunkt entsprechende Berührungszone der Nockenscheibe mit dem Wälzlager hervortreten. Mit beiden Maßnahmen läßt sich das Ziel einer Verringerung der Wälzlagerbeschleunigung erreichen.

Die Wälzlagerberührung kann auf den Stillstand im oberen Totpunkt begrenzt oder für einen Teil des Hubes in der Nähe des oberen Totpunkts benutzt werden. Die Nockenscheibe kann so aus gebildet sein, daß sie an beiden ebenen Nockenbahnen während 95% des Hubes anliegt und das Wälzlager und die ihm gegenüberliegende Nockenbahn nur während 5% des Hubes um den oberen Totpunkt berührt Dies hat den Vorteil, daß die Wälzlagerberührung nur während des hohen Drucks des Arbeitsspiels stattfindet, wogegen die Änderung der Wälzlagergeschwindigkeit auf 5% begrenzt ist

Der Begriff "Nocken mit Zwangslaufsteuerung" im Sinne der Beschreibung schließt nicht den Grenzfall einer exzentrischen kreisrunden Nockenscheibe ein. Da alle exzentrischen kreisrunden Nocken und Joche eine einfache Sinusschwingung erzeugen, fehlt bei ihnen völlig der für die vorliegende Erfindung wesentliche konstruktionsmäßige Spielraum. Jedoch ist die kreisrunde Nockenscheibe von Bedeutung, wenn es darum geht, ein Leistungsdiagramm für die Beurteilung anderer, nicht kreisrunder Nockenscheiben zu erstellen.

Die einfachste nicht kreisrunde Nockenscheibe mit Zwangslaufsteuerung ist die in Flg. 13 dargestellt Gleichdick-Nockenscheibe. Zu ihrer Konstruktion werden ausgehend von den drei Scheiteln eines gleichseitigen Dreiecks Kreisbogen geschlagen. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 13 ist der Bogenradius gleich der Länge einer Seite, wogegen er bei der in Fig. 14 dargestellten abgewandelten Ausführungsform größer als die Länge einer Seite ist. Die langen Bogensegmente sind durch kurze Kreisbogen mit einander verbunden, die vom nächstgelegenen Scheitelpunkt aus geschlagen sind. Wenn gleich der Kurvenverlauf des Nockens gemäß Fig. 14 weicher erscheinen mag als bei der in Fig. 13 dargestellten Nockenscheibe sind die Bewegungen beider Nockenscheiben gleich und treten die gleichen unendlich großen Beschleunigungsänderungsraten auf.

In Fig. 15 ist die Beschleunigungskurve für beide Nockenscheiben dargestellt. Die waagerechte Achse stellt den Winkel ω · ί, die vertikale Achse die Beschleunigung des Jochs in Achsenrichtung der Schubstange dar. In den Punkten A. B. C. D, E und F ändert sich die Nockenscheibenbeschleunigung sprunghaft. Jeder Kurvensprung entspricht in Fig. 16, in welcher die waagerechte Achse den Winkel ω χ t und die senkrechte Achse die Beschleunigungsänderungsrate darstellt, einem Punkt mit unendlicher Beschleunigungsänderungsrate. Diese erzeugt in diesen Punkten ein heftiges Schlagen oder Stoßen, das bei jeder Geschwindigkeit außer bei der niedrigsten, schließlich zur Zerstörung des Motors führt. Somit sind alle Nocken mit unendlicher Beschleunigungsänderungsrate wegen der ihnen eigenen Betriebssicherheit zur Verwendung im Rahmen der Erfindung unbrauchbar.

Gemäß der Erfindung sind die Nockenscheiben im Hinblick auf eine zwangsläufige Steuerung gestaltet und umfassen nur nicht kreisrunde Nockenscheiben mit endlicher Beschleunigungsänderungsrate. Die Gleichdick-Nockenscheibe verlangt, daß die ersten 180° der Bewegung den zweiten 180° exakt entgegengesetzt sind. Dies ist für Zweitakt-Maschinen mit gegenüberliegenden Zylinder ideal. In technischen Fachbüchern, wie z. B. "Mechanism" von Faires und Keown, McGraw-Hill, 1960, sind Methoden für die Konstruktion von Gleichdick-Nockenscheiben mit endlicher Beschleunigungsänderungsrate beschrieben.

Wenngleich das tatsächliche Profil der Nockenscheiben vom Konstrukteur und durch den Anwendungsfali bestimmt wird, führt eine nähere Betrachtung der Profile mehrerer Gleichdick-Nockenscheiben zu einer besseren Einschätzung des bei deren Verwendung gebotenen konstruktionsmäßigen Spielraums. Im Gegensatz zu der in Fig. 14 dargestellten einfachen Nockenscheibe mit unendlicher Beschleunigungsänderungsrate, die eine Verweildauer von 60° im oberen und unteren Totpunkt hat, weist das in Fig. 14 graphisch dargestellte Nocken-Scheibenprofil überhaupt keine Verweilzeit im Bereich der Totpunkte auf. Fig. 17 zeigt keine Seitenansicht des Nockens sondern stellt graphisch die Erhebung L einer Nockenbahn über dem Winkel ω · t dar. An diesem Beispiel wird deutlich, daß gemäß der Erfindung keine Verweilzeit erforderlich ist und der Konstrukteur eine unendliche Vielfalt von Nockenscheibenformen ohne Verweilzeit in den Totpunktlagen gestalten kann.

In Fig. 18 ist ein Nockenscheibenprofil mit einer Verweilzeit von 5° dargestellt, deren Beschleunigung und Verzögerung in Bezug auf die Hubmitte gleich und entgegengesetzt sind. Dieses Profil ist für eine Pumpe mit doppelwirkenden Kolben oder für einen Motor mit umkehrbarer Drehrichtung geeignet.
Fig. 19 gibt ein Nockenscheibenprofil mit einer Verweilzeit von 16° wieder, das bei Drehung im Uhrzeigersinn während der Annäherung an den oberen Totpunkt relativ langsam verzögert und während der Entfernung vom oberen Totpunkt relativ rascher beschleunigt.

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Wenn sich die Nockenscheibe im Gegenuhrzeigersinn dreht ist die Verzögerung des Jochs rascher als seine Beschleunigung. Dieser Nocken verdeutlicht, auf welche Weise der Konstrukteur die Verwirbelung in der Brennkammer des Zylinders vor der Zündung beeinflussen und das Joch entsprechend den Verbrennungskräften nach der Zündung beschleunigen kann, um Schwingungen und Verschleiß bei normalen Betriebsgeschwindigkeiten so gering wie möglich zu halten. Gleichdick-Nockenscheiben mit asymmetrischer Beschleunigung und Verzögerung lassen sich so konstruieren, daß bei Zwei takt-Motoren die Zylinderöffnungen langsam geöffnet und rasch geschlossen werden, um den Spülwirkungsgrad und den Füllungsgrad der Zylinder zu verbessern.

Wenn jedoch der bei Gleichdick-Nockenscheiben bestehende Zwang zu 180" -Symmetrie stört, können zum Antrieb des Jochs zwei oder mehr Kurvenscheiben vorgesehen werden.

In Rg. 20 und 21 ist dargestellt, auf welche Weise sich zwei Gleichdick-Nockenscheiben kombinieren lassen, um verschiedene Hub- und Rückbewegungen zu erzeugen. Die Nockenscheibe 60 dient zum Steuern des Hubs oder der ersten 180°-Drehung, der zweite Nocken 61 zum Steuern des Rückhubs oder der zweiten 180° der Drehung. Die Nockenbahnen 62 uns 63 sind so abgesetzt daß die vom Hubnocken während der 180° der Rückbewegung und vom Absenknocken 61 während der 180" der Hubbewegung nicht berührt werden.

In Fig. 22 und 23 sind konjugierte Nocken 66 und 68 zum Steuern einer 360"-Drehung des Jochs dargestellt. Die Nockenscheibe bleibt in Berührung mit einer Nokkenbahn 67 während 360°, wogegen die Nockenscheibe 68 während 360^c in Berührung mit einer Nockenbahn 59 bleibt.

Gemäß Fig. 24 weisen zwei Nockenscheiben 70 und 71 dasselbe Profil für die Absenkbewegung auf und verdeutlichen, wie konjugierte Nocken ohne die Schaukelwirkung ausgelegt werden können, die mit den Nockenscheiben 66 und 68 gemäß Fig. 22 und 23 zustandekommt

Die Nockenbahnen müssen nicht wirklich eben sein. Mit rechnergestützter Konstruktion und numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen ist es möglich, Triebwerke mit einer oder mehreren erfindungsgemäß ausgebildeten Nockenscheiben zu entwerfen und herzustellen, die mit gekrümmten Nockenbahnen einsetzbar sind. Eine ebene Nockenbahn ist lediglich leichter herstellbar. Wenn die von den erfindungsgemäß ausgebildeten Nokkenscheiben erzeugte unregelmäßige Bewegung Schwierigkeiten hinsichtlich des Massenausgleichs bereitet, kann die Motorwelle, da sie eine reine Drehbewegung ausführt, mittels einfachen Gegengewichtes statisch und dynamisch ausgewuchtet werden. Joch und Kolben führen eine reine Hin- und Herbewegung aus, bei der ein zufriedenstellender Massenausgleich durch Gegengewichte und Nockenscheibenprofil nicht erreichbar sein kann. In solchen Fällen muß auf Ausgleichsjoche zurückgegriffen werden, die außer Phase mit den Kolbenjochen arbeiten.

In Fig. 25 ist eine Motorwelle mit einer einem Kolbenjoch zugeordneten Nockenscheibe 75 und einer einem Ausgleichsjoch zugeordneten Nockenscheibe 76 dargestellt. Letztere ist der Nockenscheibe 75 gleich, jedoch um 180° versetzt auf der Motorwelle angebracht. Der Massenmittelpunkt des Kolbenjochs liegt auf einer Linie X, der des Ausgleichsjochs auf einer Linie Y. Wenngleich bei dieser Konfiguration die hin-

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65 und hergehenden Massen besser ausgeglichen sind, wird durch den Abstand D zwischen den Mittellinien X und Y ein kleines Kippmoment erzeugt Durch einen möglichst kleinen Abstand zwischen X und Y kann das Kippmoment so reduziert werden, daß diese Konstruktion mit einem einzigen Ausgleichsjoch für viele Anwendungsfälle gut geeignet ist

Soll das Kippmoment eliminiert werden, können gemäß Flg. 26 zwei Ausgleichsjoch-Nockenscheiben 78 und 79 verwendet werden. Wenn diese je mit exakt der halben Masse des Kolbenjochs 77 ausgebildet werden, kann erreicht werden, daß der Massenmittelpunkt der Ausgleichsjoche mit dem des Kolbenjochs 77 zusammenfällt wodurch das Kippmoment aufgehoben wird.

Die in den Fig. 25 und 26 dargestellten Maßnahmen zum Massenausgleich lassen sich auf Mehrzylinder-Motoren übertragen. Mit einem sorgfältig abgestimmten Ausgleichsjoch-System können sogar bei mit großer Verweilzeit in den Totpunktlagen ausgeführte Nockenscheiben die Schwingungen so reduziert werden, daß sie dem ruhigen Lauf von Vorrichtungen mit reiner Drehbewegung nahekommen. Zur Verschleißminderung sind das Härten und das Schmieren der Nockenflächen von großer Bedeutung. Um die zuvor erläuterten Maßnahmen zu unterstützen und die Vorteile des Triebwerks zu nutzen, müssen die Berührungsflächen von Nockenscheibe und Nockenbahn ordnungsgemäß gehärtet und geschmiert werden.

Die Nockenscheibe gemäß Fig. 27 hat Schmierölkanäle, in die das Schmieröl vom Mittelpunkt des Grundkreises der Nockenscheibe eingeleitet wird, so daß es radial nach außen zur Nockenflanke abfließen kann. Die Nockenscheibe selbst schleudert den Schmierstoff auf die Nockenbahn. Mit zunehmender Drehgeschwindigkeit wird die ölmenge größer. Bei der in Fig. 28 dargestellten Nocke sind einige Schmierkanäle gekrümmt um das öl noch besser an die höchstbelasteten Stellen zu leiten. Der Schmierstoff wirkt auch als Kühlmittel, was durch einen ölkühler unterstützt werden kann.

Zur Demonstration des Lösungsgedankens nach der Erfindung wurde ein betriebsfähiger Prototyp gebaut. Es handelte sich um einen benzinbetriebenen Zweizylinder-Zweitakt-Gegenkolbenmotor mit einem Hubvolumen von 110 cm³. Die Motorwelle war im Nockengehäuse in Rollenlagern gelagert und trug in der Mitte eine Gleichdick-Nockenscheibe mit einer Verweilzeit Null in den beiden Umkehrlagen und beiderseits der Nockenscheiben mit je einer Ausgleichs-Gleichdick-Nockenscheibe mit ebenfalls der Verweilzeit in den Umkehrlagen. Die Ausgleichsnockenscheiben wiesen dasselbe Profil wie die Nockenscheiben auf, waren jedoch um 180° versetzt. Der Hub aller Nocken betrug 40 mm. Seitlich von jeder Nockenscheibe waren kreisrunde Scheiben angeordnet die eine Drehung der Joche um Hubachsen verhinderten. Die Nockenscheiben und Nockenbahnen wurden mit Motorenöl 14W40 geschmiert das von der Scheibe und den Jochen im Nokkengehäuse durch Schleuderwirkung verteilt wurde. Die Joche aus Aluminium waren mit Schubstangen ans Stahl verbunden, die durch öldichtungen hindurch aus dem Nockengehäuse herausgeführt sind. Die Ausgleichsjoche waren in Gleitlagern verschieblich, die im Nockengehäuse auf der Außenseite der öldichtungen angeordnet waren. Auf jeder Seite des Nockengehäuses war ein Zylinderanschlußstück aufgeschraubt, mit dem ein Yamaha RD60-Zylinder verschaubt wurde, um die Gegenzylinderanordnung herzustellen. An jedes Ende des Kolbenjoches war mit einem Kolbenbolzen ein Ya-

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maha RD 60-KoIben angeschlossen und am Ende jedes Zylinders ein RD 60-Zylinderkopf befestigt Die Versorgung jedes Zylinders mit seinem Kraftstoff-Luft-Gemisch erfolgte mittels eines 16 mm-Mikuni-Vergasers, der über ein kurzes Ansaugroiy mit dem Zungenventil- s Einlaß verschraubt war. Zum Oberwachen der Motordrehzahl war an die Motorzündanlage ein elektronischer Drehzahlmesser angeschlossen. Der Motor lief ohne Schwierigkeiten an und hatte eine Leerlaufdrehzahl von 1000 min-'. Beim öffnen der Drosselklappe io beschleunigte der Motor rasch auf über 4000 UpM und hatte bei allen Drehzahlen einen äußerst weichen Lauf, trotz einer hin- und hergehenden Masse von Ober 4 kg.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen 15

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Claims

1 Patentansprüche

1. Hubkolbenmaschine mit einem Exzenter-Triebwerk, insbes. mit zwei oder vier Zylindern, insbes. in einzelner oder paarweiser Boxer-, X- oder Sternanordnung, mit einer Motor- bzw. Abtriebswelle, die über wenigstens eine mit ihr starr verbundene, nicht kreisrunde Gleichdick-Nockenscheibe und ein mit wenigstens einem Kolben der Maschine über eine Schubstange starr verbundenes, die Nokkenscheibe aufnehmendes Joch mit zwei einander gegenüberliegenden äquidistanten inneren Nokkenbahnen mit dem Kolben in derartiger direkter Wirkverbindung steht, daß stets wenigstens eine Neckenfläche der Nockenscheibe das Joch zwangsweise bewegt und die bei je einem Hin- und Herhub des Kolbens eine Umdrehung macht, da durch gekennzeichnet, daß die Außenkontur der Gleichdick-Nockenscheibe (11; 60, 61; 66, 68; 70, 71; 75) derart gestaltet ist, daß die zwischen den Nockenbahnen (34,35; 42,43; 47,48; 49'; 49b; 49c; 62, 63; 67, 69; 77) des Jochs (12, 22) und den Nokkenflächen der Nockenscheibe zur Wirkung kommenden Beschleunigungsänderungsraten stets endlich sind.

2. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zum Vergrößern der Berührungsfläche zwischen den Nockenflächen der Nokkenscheibe und den Nockenbahnen des Jochs (12, 22).

3. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Vergrößern der Berührungsfläche von einem flexiblen Nockenbahneinsatz gebildet ist (Fig. 8).

4. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Vergrößern der Berührungsfläche von einem Nockenbahneinsatz (49c) mit einer bogenförmigen Fläche gebildet ist, die an der Stelle ausgebildet ist, an welcher im oberen Totpunkt des Kolbens (14, 30) Berührung mit der Nockenbahn stattfindet (Fig. 10).

5. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Vergrößern der Berührungsfläche von einem zusammendrückbaren gegebenenfalls mehrschichtigen Nockenbahneinsatz gebildet ist.

6. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in eine Nockenbahn (49<#des Jochs (12 ) ein oder mehrere Wälzlager (51 ) eingesetzt sind, die mit einer Nockenfläche der Nockenscheibe (11) nur während eines Teils jeder Umdrehung der Motorwelle (10) in Berührung kommen (Fig. 12).

7. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jeder Nockenscheibe (11) und ihrem Joch (12) in bekannter Weise ein schwimmend gelagertes ebenflächiges Zwischenjoch (50) zwischengeschaltet ist (Fig. 11).

8. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nokkenscheibe Kanäle zur Förderung von Öl auf die Nockenflächen eingearbeitet sind (Fig. 27,28).

9. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Joch eine hin- und hergehende Ausgleichsmasse vorgesehen ist, die mit einer auf der Motorwelle (10) angeordneten Ausgleichsnockenscheibe (76) betätigbar ist, die der an den Jochen (12, 22) angreifen-

den Nockenscheibe (75) gleich und dieser gegenüber im 180° winkelversetzt sind (Flg. 25).

10. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur jeder Nockenscheibe (60, 61) derart gestaltet ist, daß der Kolben im oberen und unteren Totpunkt während 0° bis 60° der Motorwellendrehung stillsteht.