DE3919609A1 - Kurbeltrieb fuer eine kolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kurbeltrieb der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Kolbenmaschinen, bei denen ein solcher Kurbeltrieb anwendbar ist, sind ganz allgemein alle Arbeits- und Kraftmaschinen, bei denen die Zylinder kranzförmig um eine gemeinsame Kurbelwelle angeordnet sind. Solche Arbeitsmaschinen sind beispielsweise Hubkolbenverdichter. Solche Kraftmaschinen sind beispielsweise Sternmotoren. Ganz allgemein ist der Kurbeltrieb bei einer Kolbenmaschine verwendbar, die den Gegenstand der nichtvorver­ öffentlichten älteren deutschen Patentanmeldung P 38 14 269.4 bildet.

Wenn bei solchen Kolbenmaschinen nur ein Zylinder vorhanden ist, besteht keine Schwierigkeit, das eine Pleuel über einen Kurbelzapfen mit der Kurbelwelle zu verbinden. Wenn zwei Zy­ linder vorhanden sind, wird das zweite Pleuel an seinem der Kurbelwelle benachbarten Ende gabelförmig ausgebildet und an demselben Kurbelzapfen wie das erste Pleuel drehbar angelenkt, was ebenfalls keine Schwierigkeiten bereitet und bei dem ge­ nannten älteren Vorschlag der Fall ist.

Wenn dagegen drei und mehr Zylinder vorhanden sind, wird die axiale Baulänge der Kolbenmaschine üblicherweise beträchtlich größer, weil die Pleuel nur axial nebeneinander und in mehre­ ren Drehebenen an der Kurbelwelle drehbar angelenkt werden können. Es ist zwar möglich, gekröpfte Pleuel zu verwenden, doch ergeben sich dadurch ungünstige Kraftangriffsverhältnis­ se an den Kolben, da diese dann zum Kippen neigen und eine große Führungslänge benötigen. Das erhöht die Reibung und ver­ schlechtert den Wirkungsgrad. Grundsätzlich werden möglichst kurze Kolben angestrebt.

Bei Sternmotoren ist nicht nur die große axiale Baulänge üb­ licherweise von Nachteil, sondern auch die radiale Baugröße. Ein Sternmotor benötigt nämlich viel Raum für die Unterbrin­ gung eines an der Kurbelwelle vorgesehenen Bauteils, an wel­ chem sämtliche Pleuel mit ihren inneren Enden angelenkt wer­ den können.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kurbeltrieb der im Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art so auszubilden, daß die Kolbenmaschine axial und radial kleiner baut.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnen­ den Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dem Kurbeltrieb nach der Erfindung ergibt sich eine ge­ ringere axiale Baulänge, weil alle Kurbelzapfen in einer ge­ meinsamen Drehebene um dieselbe Drehachse angeordnet sind. Es ergibt sich eine geringere radiale Baugröße, weil alle Kur­ belzapfen in unmittelbarer Nähe der exzentrischen Drehachse des Drehkörpers liegen. Durch die symmetrische Lage sämtli­ cher Kurbelzapfen bezüglich ein und derselben Drehachse er­ gibt sich eine entsprechend symmetrische Kraftverteilung. Das bewirkt einen ruhigen Lauf der Kolbenmaschine und einen hohen Wirkungsgrad, weil keine unerwünschten Momente entste­ hen. Weiter ermöglicht das, den gesamten Kurbeltrieb aus un­ elastischem Material herzustellen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Gegen­ stand der Unteransprüche.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 9 ermöglicht der zylindrische Stift eine geradlinige Kraftübertragung zwi­ schen entgegengesetzten Kolben.

Die Ausgestaltung der Erfindung nach den Ansprüchen 9 und 10 ermöglicht die Ausgestaltung nach Anspruch 11, nämlich sämt­ liche Teile des Kurbeltriebs aus Keramik herzustellen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Kolben­ maschine, die mit einer Ausfüh­ rungsform des Kurbeltriebs nach der Erfindung versehen ist,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 die Kolbenmaschine in einer Seitenan­ sicht,

Fig. 4 als Einzelheit in vergrößerter Dar­ stellung einen Drehkörper des Kurbel­ triebs, und

Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V in Fig. 4.

In der Zeichnung ist als ein Beispiel für eine Kolbenmaschine, bei der der im folgende beschriebene Kurbeltrieb verwendbar ist, ein 4-Zylinder-Hubkolbenkompressor dargestellt. Von diesem Kom­ pressor ist nur derjenige Teil gezeigt, der zur Erläuterung der Erfindung notwendig ist. Die äußere Begrenzung des dargestell­ ten Kompressors bildet ein Steuerring 10. Vervollständigt wird der Kompressor durch ein nicht dargestelltes äußeres Gehäuse, das den Steuerring 10 umgibt. Das äußere Gehäuse hat einen Ar­ beitsmitteleinlaßkanal und einen Arbeitsmittelauslaßkanal. Der Steuerring 10 hat auf der Saugseite (links in Fig. 3) an sei­ nem inneren Umfang eine erste Ausnehmung 12, die sich über et­ was weniger als 180° erstreckt, und an seinem inneren Umfang auf der Druckseite (rechts in Fig. 3) eine zweite Ausnehmung 14, die sich über etwa 30° erstreckt. Die erste Ausnehmung 12 und die zweite Ausnehmung 14 sind in Umfangsrichtung hinter­ einander angeordnet und haben keine gegenseitige Verbindung.

Die erste Ausnehmung 12 steht mit dem nicht dargestellten Ar­ beitsmitteleinlaßkanal in Verbindung, und die zweite Ausneh­ mung 14 steht mit dem nicht dargestellten Arbeitsmittelaus­ laßkanal in Verbindung. Aufgrund der beiden Ausnehmungen und aufgrund von deren gegenseitiger Lage wird die Kolbenmaschine pro Umdrehung in einem Drehwinkelbereich von etwa 180° ansau­ gen, dann in einem Drehwinkelbereich von etwa 150° verdichten und in einem Winkelbereich von etwa 30° ausstoßen. Der Steuer­ ring 10 umgibt ein Kurbelgehäuse 16, in welchem eine Kurbel­ welle 18 drehbar gelagert ist. Das Kurbelgehäuse 16 und der Steuerring 10 sind relativ zueinander drehbar.

Das Kurbelgehäuse 16 enthält vier Zylinder 20, welche paarwei­ se auf zueinander rechtwinkeligen Mittelachsen 22 und 24 ange­ ordnet sind. Jeder Zylinder 20 mündet innen in einer Bohrung 28 des Kurbelgehäuses 16, in welche auf einer Stirnseite des Kurbelgehäuses 16 (links in Fig. 2) die Kurbelwelle 18 dreh­ bar eingepaßt ist. Die axiale Länge der Kurbelwelle 18 ist so bemessen, daß diese nicht bis zu der Ebene reicht, welche die beiden Mittelachsen 22, 24 enthält. Entsprechendes gilt für einen auf der entgegengesetzten Stirnseite in dieselbe Bohrung 28 eingesetzten Schulterzapfen 30, der aber mit dem Kurbelge­ häuse 16 durch nicht dargestellte Schrauben fest verbunden ist. Die Kurbelwelle 18 liegt mit einer Schulter 19 an der einen Stirnseite und der Schulterzapfen 30 mit seiner Schulter 31 an der anderen Stirnseite des Kurbelgehäuses 16 an. Der ge­ genseitige axiale Abstand der einander benachbarten Stirnsei­ ten der Kurbelwelle 18 und des Schulterzapfens 30 ist so ge­ wählt, daß sich zwischen ihnen vier Pleuel 32 unbehindert, aber im wesentlichen spielfrei, bewegen können.

Jedes Pleuel 32 hat an seinem radial äußeren Ende ein Pleuel­ auge 34, in das ein Kolbenbolzen 36 eingesetzt ist, der den Kolben 26 mit dem Pleuel 32 gelenkig verbindet. Am radial inneren Ende ist jedes Pleuel mit einem Kurbelzapfen 38 ver­ sehen. Die vier Kurbelzapfen 38 erstrecken sich rechtwinkelig zu den vier Pleueln auf einer Seite derselben axial in die Kurbelwelle 18. Die vier Kurbelzapfen 38 sind daher in einer gemeinsamen Drehebene (in Fig. 2 links von den Pleueln 32) um ein und dieselbe Drehachse 40 angeordnet und werden durch ei­ nen gemeinsamen Drehkörper 42, der um die Drehachse 40 dreh­ bar ist, in fester gegenseitiger Lage gehalten. Der Drehkörper 42 ist ein zylindrischer Körper, der mit der Kurbelwelle 18 exzentrisch und drehbar verbunden ist.

Gemäß der Darstellung in Fig. 4 ist in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel des Kurbeltriebs der Drehkörper 42 eine kreisförmige Scheibe, in der vier Bohrungen 44 mit ihren Ach­ sen 46 auf einem gemeinsamen Kreis 48 gebildet sind. In jeder Bohrung 44 ist einer der Kurbelzapfen 38 drehbar gelagert. Die Durchmesser der Bohrungen 44 sind so gewählt, daß sich be­ nachbarte Kurbelzapfen 38 jeweils gegenseitig berühren, wie es in den Fig. 1 und 5 ohne weiteres zu erkennen ist. Der Dreh­ körper 42 besteht vorzugsweise aus Bronze, Messing oder einem anderen geeigneten Lagermetall. In der den Pleueln 32 benach­ barten Stirnseite ist in der Kurbelwelle 18 eine axiale Bohrung 50 exzentrisch gebildet, in welcher der Drehkörper 42 mit Gleit­ sitz aufgenommen ist.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen die Kurbel­ zapfen 38 jeweils aus einem Bolzen, der an einem Ende fest mit dem Pleuel 32 und am anderen Ende drehbar mit dem Drehkörper 42 verbunden ist. Dabei ist jeder Kurbelzapfen 38 an seinem Pleuel 32 angeformt. Alternativ können die Kurbelzapfen jeweils aus einem Bolzen bestehen, der an einem Ende fest mit dem Dreh­ körper 42 und am anderen Ende drehbar mit dem Pleuel 32 ver­ bunden ist.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 1 und 2 ist in der Drehach­ se 40 ein zylindrischer Stift 54 angeordnet, mit dessen Umfang alle vier Kurbelzapfen 38 in Berührung sind.

Zur Herstellung einer definierten Lagebeziehung zwischen Pleu­ eln 32 und Drehkörper 42 ist zwischen denselben wenigstens ein Anschlag zum Begrenzen von deren Relativbewegungsbereich vorzusehen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind als Anschläge vier Zylinderstifte 60 vorgesehen (Fig. 1), die je­ weils zwischen zwei Pleueln 32 angeordnet und jeweils in ei­ ne Bohrung 62 (Fig. 4) in dem Drehkörper 42 fest eingesetzt sind. Statt der Zylinderstifte 60 könnten auch beliebige Vor­ sprünge an dem Drehkörper 42 als Anschläge vorgesehen sein. Es ist lediglich erforderlich, die Breite dieser Vorsprünge bzw. den Durchmesser der Zylinderstifte 60 so zu wählen, daß sie jeweils nur an einem Pleuel 32 gleichzeitig anliegen.

Das Kurbelgehäuse 16 könnte einfach aus einer Kreisscheibe hergestellt werden, in welche die Zylinder gebohrt werden, die innen in die Bohrung 28 für die Kurbelwelle münden. Alternativ könnte das Kurbelgehäuse 16 aus vier Zylinderbüchsen bestehen (nicht dargestellt), die in der gezeigten Anordnung der Zylin­ der 20 fest miteinander verbunden sind. Sämtliche Teile des Kurbeltriebs können aus Keramik bestehen, mit Ausnahme von vier Magnet- oder Eisenkernen 64, die in Fig. 1 zwischen den Zylin­ dern 20 gestrichelt dargestellt sind. Bei vollständig gekap­ selter Kolbenmaschine dienen die Kerne 64 zur berührungslosen Kraftübertragung auf eine um den Schulterzapfen 30 angeordnete Magnetkupplung.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Steuerring 10 fest mit dem nicht dargestellten äußeren Gehäuse verbunden. Die Kurbelwelle 18 ist mit dem Steuerring 10 einstellbar fest verbunden. Durch Wahl der Einstellung der Kurbelwelle bezüglich des Steuerringes 10 sind die Steuerzeiten hinsichtlich Saug­ und Druckhub der Kolbenmaschine veränderbar. Zum Antrieb der Kolbenmaschine, im dargestellten Ausführungsbeispiel des Kom­ pressors, wird das Kurbelgehäuse 16 in Drehung versetzt, das mit­ tels der Kurbelwelle 18 einerseits und mittels des Schulterzap­ fens 30 andererseits drehbar gelagert ist. Zu diesem Zweck ist auf der Kurbelwelle 18 ein Kugellager (nicht gezeigt) angeord­ net, das teilweise in eine Lagerbohrung des äußeren Gehäuses ein­ faßt und im übrigen in die Bohrung einer Riemenscheibe einge­ preßt ist, welche mit dem Kurbelgehäuse 16 verschraubt ist (wofür vier in Fig. 1 sichtbare Bohrungen 17 vorgesehen sind). Das Kurbelgehäuse 16 ist somit in dem nicht dargestellten äußeren Gehäuse drehbar gelagert und mittels Keilriemen über die ebenfalls nicht dargestellte Riemenscheibe antreibbar. Wenn sich das Kurbelgehäuse 16 um die Kurbelwelle 18 dreht, bewegen sich die Kolben 26 in ihren Zylindern 20 hin und her, was nicht näher beschrieben zu werden braucht. Dabei wird das Arbeitsmittel, z.B. Luft od.dgl., über die erste Ausnehmung 12 angesaugt, dann verdichtet und über die zweite Ausnehmung 14 ausgestoßen. Statt der nicht dargestellten Riemenscheibe ist das Kurbelgehäuse 16 auch mittels der erwähnten Magnetkupplung über die Kerne 64 in Drehung versetzbar.

Die Kolbenmaschine ist ohne weiteres auch als Expansionsmotor einsetzbar wie die Kolbenmaschine gemäß dem älteren Vorschlag P 38 14 269.4. Ebenso können auch der Steuerring 10 und die Kurbelwelle 18 miteinander verbunden und in Drehung versetzt werden, wobei sie dann bei feststehendem Kurbelgehäuse 16 die Pleuel 32 antreiben. Im Betrieb als Expansionsmotor treiben die Pleuel die Kurbelwelle 18 an, und die Antriebsverbindung zwischen der Kurbelwelle 18 und einem anzutreibenden Teil wird über die erwähnte Riemenscheibe oder die erwähnte Magnetkupp­ lung hergestellt.

Wenn gemäß Fig. 4 des älteren Vorschlags P 38 14 269.4 pilz­ förmige Zylinderbüchsen benutzt werden, könnte zwischen dem Außenumfang des Kurbelgehäuses 16 und dem Innenumfang des Steu­ erringes 10 auf analoge Weise ein zusätzlicher Arbeitsraum ge­ schaffen werden. Im Gegensatz zu dem älteren Vorschlag ist aber in jedem Fall der Raum radial einwärts der Kolben 26 nicht von Arbeitsmittel durchströmt.

Claims (11)

1. Kurbeltrieb für eine Kolbenmaschine mit mehreren, in Zy­ lindern (20) hin- und herbewegbaren Kolben (26), der jeden Kolben (26) über ein Pleuel (32) und einen Kurbelzapfen (38) mit einer Kurbelwelle (18) verbindet, um die die Zylinder (20) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß alle Kurbelzapfen (38) in einer gemeinsamen Drehebene um ein und dieselbe Drehachse (40) angeordnet und durch einen ge­ meinsamen Drehkörper (42), der um die Drehachse (40) drehbar und mit der Kurbelwelle (18) exzentrisch und drehbar verbunden ist, in fester gegenseitiger Lage gehalten sind.

2. Kurbeltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelzapfen (38) jeweils aus einem Bolzen bestehen, der an einem Ende fest mit dem Drehkörper (42) und am anderen En­ de drehbar mit dem Pleuel (32) verbunden ist.

3. Kurbeltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelzapfen (38) jeweils aus einem Bolzen bestehen, der an einem Ende fest mit dem Pleuel (32) und am anderen Ende drehbar mit dem Drehkörper (42) verbunden ist.

4. Kurbeltrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurbelzapfen (38) an dem Pleuel (32) angeformt ist.

5. Kurbeltrieb nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehkörper (42) eine kreisförmige Scheibe ist, in der mehrere Bohrungen (44) mit ihren Achsen (46) auf einem gemein­ samen Kreis (48) gebildet sind, in welchen jeweils einer der Kurbelzapfen (38) drehbar gelagert ist.

6. Kurbeltrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser der Bohrungen (44) so gewählt sind, daß sich benachbarte Kurbelzapfen (38) jeweils gegenseitig berühren.

7. Kurbeltrieb nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch wenig­ stens einen zwischen Pleueln (32) und Drehkörper (42) vorge­ sehenen Anschlag (60) zum Begrenzen von deren Relativbewe­ gungsbereich.

8. Kurbeltrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (60) ein zwischen zwei Pleueln (32) angeordneter und mit dem Drehkörper (42) verbundener Vorsprung ist, dessen Breite so gewählt ist, daß er nur an einem Pleuel (32) gleich­ zeitig anliegt.

9. Kurbeltrieb nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in der Drehachse (40) ein zylindrischer Stift (44) angeordnet ist, mit dessen Umfang alle Kurbelzapfen (38) in Berührung sind.

10. Kurbeltrieb nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Drehkörper (42) in eine exzentrische axiale Bohrung (50) der Kurbelwelle (18) drehbar eingesetzt ist.

11. Kurbeltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sämtliche Teile des Kurbeltriebs aus Keramik bestehen.