DE395866C - Anordnung zur Daempfung von Erschuetterungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezweckt die Dämpfung der Erschütterungen von Maschinen mit freiem Kolben, in welchen Gasstöße auf das Zylindergehäuse Anlaß zu wechselseitigen Stößen geben, die jeweils nach Dauer und Amplitude gleich sind. Diese Rückstöße bewirken Erschütterungen und Schwingungen, welche durch diese Maschinen auf ihr Untergestell übertragen werden und bisher den Wirkungsgrad der Maschinen mit freiem Kolben beeinträchtigt haben.

Die Erfindung besteht darin, mit Hilfe einer besonderen Verbindung, deren Ausführungen im übrigen sehr verschieden sein können, die zwischen der Maschine und ihrem Gestell eingeschaltet ist und dazu dient, die Masse der Maschine unter gegebenen Bedingungen schwingbar zu machen, wobei die Maschine fest mit ihrem Untergestell verbunden wird, eine gewisse selbsttätige Brem-■ sung frei zur Wirkung gelangen und zur j Dämpfung der Stöße beitragen zu lassen, deren Ursprung weiter unten erklärt werden wird. Um diese Wirkung zu erzielen, ist es nötig, den folgenden drei Bedingungen zu entsprechen :

r. Die Maschine muß eine einzige Gruppe von abwechselnden geradlinigen Schwingungen gemäß einer einzigen geradlinigen Achse entwickeln, die zwei und zwei gleich sind mit Bezug auf Größe und Dauer; folglich müssen die Resultanten der Gasstöße, welche diese geradlinigen Schwingungen entwickeln, alle durch diese geradlinige Achse der Stöße gehen.

2. Der Schwerpunkt der schwingenden Masse' muß auf der genannten geradlinigen gemeinsamen Achse der Schwingungen und der Stöße liegen.

3. Die Verbindung zwischen der schwingenden Masse und ihrem Träger muß eine Trägheit und mechanische Widerstände aufweisen, die möglichst klein sind und eine

möglichst vollständige Freiheit zur Verschiebung dieser Masse längs der Achse der Schwingungen sowie die Überschreitung der Wirkung der Schwere zulassen, und die Aufhängungsachse muß mit der Achse der Schwingungen zusammenfallen oder wenigstens zu ihr parallel sein.

Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung sind schematisch in der Zeichnung ίο dargestellt, worin:

Abb. ι einen senkrechten Schnitt durch einen Motor mit Zahnstange darstellt, der mit einer Einrichtung nach der Erfindung ausgestattet ist.

Abb. 2 ist ein senkrechter Schnitt durch einen doppelt wirkenden Motorkompressor mit freiem Kolben und mit einer entsprechend der Erfindung angeordneten wagerechten Achse.

Abb. 3 ist eine andere Ausführungsform zu

ao Abb. 2.

Abb. 4 ist ein senkrechter Schnitt durch

einen einfach wirkenden Motorkompressor mit freiem Kolben und mit senkrechter Achse, die ebenfalls gemäß der Erfindung angeordnet ist.

In den gebräuchlichen Maschinen mit Schubstange und Kurbel wird der Druck der Gase auf den Zylinder durch den Zug von gleicher Stärke ausgeglichen, der durch den Kolben auf seinen Zylinderkopf durch die Vermittlung der Schubstange, der Kurbel, der gekröpften Welle, des Gestelles und des Zylinders ausgeübt wird. Im Gegensatz dazu ist der Kolben bei den atmosphärischen Maschinen während des ganzen Explosions- und Ausdehnungshubes frei von jeder Verbindung mit der Triebwelle, und der Druck der Gase auf den Zylinderkopf verursacht einen ähnlichen Rücklauf wie bei einer Feuerwaffe. Hieraus entstehen, selbst bei den atmosphärischen Gasmotoren von höchstens einer Pferdekraft, Schläge auf den Boden, die an und für sich sehr unangenehm sind. Die Unterdrückung dieser Schläge würde daher in erster Linie nötig sein, um die Leistung dieser Maschinen zu verbessern. Die Erhöhung der Leistungsfähigkeit der neuzeitlichen Geschütze ist auch nur dadurch möglich geworden, daß man den Rücklauf auf die Lafette, die Bremse und den Rekuperator wirken ließ. Aber diese Dämpfungsmittel können nicht unmittelbar auf atmosphärische Maschinen angewendet werden, weil bei diesen die Aufgabe wesentlich verschieden ist, und zwar zunächst, weil das Geschoß oder der Kolben nicht aus dem Geschütz oder Zylinder hinausgeht, und dann ferner, weil es sich um industrielle Anwendungsarten handelt, bei denen das Geräusch und die Erschütterungen auf die Fundamente weit mehr vermieden werden müssen als bei . den militärischen Anwendungsarten. Wenn man die Frage noch näher betrachtet, so wird man finden, daß

a) in dem Geschütz der Druck der Gase das Geschoß in der einen Richtung forttreibt und das Rohr in der entgegengesetzten Richtung, und zwar mit Geschwindigkeiten, die größer werden und im wesentlichen in umgekehrtem Verhältnis zu ihren Massen. Sobald das Geschoß aus dem Rohr gelangt, wobei man von allen zwischenwirkenden äußeren Kräften absehen muß, würde das Rohr

[ seine geradlinige Bewegung mit gleichförmiger

ι Geschwindigkeit unendlich fortsetzen. Die Bremse und der Rekuperator wirken in der Tat vom Beginn des Rücklaufes und während dessen ganzer Dauer, um

1. dessen Weite zu begrenzen,

2. die auf die Lafette übertragene Wirkung

von der Größenordnung des Druckes der Gase ; auf die Schwanzschraube auf die Größen-■ Ordnung des Widerstandes der Bremse zu verringern,

3. einen Teil der Kraft des Rücklaufes in Hitze umzuwandeln durch die Reibung und die Wirbelung der Flüssigkeit der Bremse beim Durchgang und beim Austritt aus den betreffenden öffnungen und ; 4. einen Teil der Rücklaufkraft in dem Re- ! kuperator aufzuspeichern und den Rückgang : in die Ursprungslage zu bewirken.

! Trotz dieser Hilfsmittel wird aber ein wesentlicher Überschuß der lebendigen Kraft des Rücklaufes ohne Umwandlung auf die Stützpunkte übertragen, die dadurch bedeutenden Erschütterungen ausgesetzt werden;

b) bei einem atmosphärischen Gasmotor, wie er in Abb. 1 dargestellt ist, d. h. bei einem Motor, der mit einer geschmierten wagerechten Kulisse ι ausgestattet ist, die Erscheinungen wesentlich anders sind. Bei der Explosion des Gas-Luft-Gemisches im Zylinderraum 2 wird der Kolben 3 kräftig nach rechts gemäß der Abbildung verschoben, ohne daß er aus dem Zylinder 4 hinausgeht; die Zahnstange 5 ist während dieses Hubes außer Eingriff mit dem Trieb 6 und der Schwungscheibe 7; der Zylinderkopf und die gesamte Masse der Maschine werden nach links gemäß der Abbildung verschoben, und zwar zuerst mit einer beschleunigten Geschwindigkeit. Aber im Laufe der Ausdehnung, wo der Druck der verbrannten Gase unter den atmosphärischen Druck sinkt, wirkt der atmosphärische Druck zugleich auf den Kolben 3 und den Zylinder- 1x5 kopf 8, um dessen Bewegungen zu verringern und schließlich gleichzeitig diese beiden Massen zum Stillstand zu bringen, weil sowohl deren negative wie positive Beschleunigungen immer in umgekehrtem Verhältnis zu den Massenbleiben.

Übrigens folgt aus der Wirkungsweise der Maschinen dieser Art, daß die Summe der

inneren Kräfte, welche den Kolben während der Periode bewegen, in der die Explosionsgase einen höheren als Atmosphärendruck aufweisen, gleich ist der Summe der äußeren Kräfte, welche bis zum Stillstand den Schwung ■ des Kolbens während der Periode verlangsamen, während welcher die verbrannten Gase einen niedrigeren als Atmosphärendruck besitzen. In der Tat ist die lebendige Kraft, welche

ίο dem Kolben während der Beschleunigungsperiode verliehen ist, gleich der lebendigen Kraft, welche der Kolben während der Periode der Verlängsamung verliert, weil seine Geschwindigkeit den Wert Null in seinem Ausgangspunkte im Zylinder auf der Seite des Zylinderkopfes aufweist, und weil diese Geschwindigkeit wieder Null in dem Punkte wird, in welchem der Kolben von selbst am Ende des Zylinders stehenbleibt. Das gleiche gilt, jedoch mit geringeren durchlaufenen Räumen und Geschwindigkeiten, für den als schwerer als der Kolben angenommenen" Zylinder, der frei ist, um sich im entgegengesetzten Sinne zu verschieben. Es läßt sich sagen, daß einerseits der Kolben und andererseits der Zylinder die beiden aufeinanderfolgenden Arbeiten ausführen, zunächst eine bewegende Arbeit, dann eine Widerstandsarbeit, die gleich, aber von entgegengesetztem Sinne sind. Wenn man unter diesen Voraussetzungen die in Frage stehenden Vorgänge in ihrer Anwendung auf einen einzigen als frei angenommenen Zylinder betrachtet, und wenn man »Rücklauf« die Bewegung dieses Zylinders und »Bremsung« die Kräftewirkung nennt, welche den Rücklauf verlangsamen und begrenzen, und wenn beachtet wird, daß diese Bremsung eine im Wesen des Systems liegende und selbsttätige Eigenschaft ist, so kann man die Gesamtheit der betrachteten Vorgänge »selbsttätig gebremsten Rücklauf« nennen. Dies ist jedoch nur eins der Mittel, auf denen die Erfindung beruht. In der Tat, wenn dieser gebremste Rücklauf die Bewegung des Zylinders bremst, so verläßt er ihn unbeweglich in einem Punkte des Raumes, der verschieden von seinem Ausgangspunkt ist. Es handelt sich jetzt darum wie bei einer Kanone, den Zylinder an seinen Ausgangspunkt zurückzuführen.

Die folgenden, sich auf die Wirkung der atmosphärischen Gasmotoren beziehenden Betrachtungen zeigen, wie das zweite Ergebnis erzielt werden kann. Nachdem der Kolben an den äußersten Punkt seines Expansionshubes gelangt ist, geht er unter dem Einfluß des Atmosphärendrucks auf seine Außenfläche wieder zurück, und diese Bewegung bewirkt eine Kupplung, welche den Kolben 3 mit dem Schwungrad 7 durch die Zahnstange 5 und den Trieb 6 verbindet, und der Rückhub oder Arbeitshub, der durch das innere Vakuum des Zylinders bewirkt wird, ist von keinerlei Rücklauf infolge der hergestellten mechanischen Verbindung begleitet. Ein atmosphärischer Gasmotor nach Abb. 1 würde sich also sprungweise nach links bewegen ohne andere Einwirkung auf sein Lager als diejenige, die sich aus der Reibung der Kulisse ergibt. Wenn man also an ein und dieselbe Kulisse zwei gleiche Motoren anschließt, und zwar in entgegengesetzter Richtung auf der gleichen Achse, und wenn man die Explosion in dem einen und dem anderen Zylinder abwechselnd aufeinanderfolgen läßt, so wird die Masse unendlich zwischen zwei bestimmten Punkten hin und her schwingen. Diese Anordnung wird daher zugleich die Bremsung des Rücklaufes und die Rückkehr in die ursprüngliche Lage bewirken. Man hätte daran denken sollen, jeglichen Rücklauf dadurch zu unterdrücken, daß man die Ladungen in den beiden entgegengesetzten Zylindern nicht mehr abwechselnd, sondern gleichzeitig entzündet, oder indem man die beiden Kolben in einem einzigen Zylinder mit im Mittelpunkt vorgesehener Explosionskammer anordnet, aber bis jetzt ist es nicht möglich gewesen, ein anderes wirksames Mittel zur ständigen Sicherung der Symmetrie der Stellung der beiden Kolben zu finden, als sie durch äußere Kupplung mittels Schubstangen und Hebeln zu verbinden; das Beharrungsvermögen dieser Teile würde sich nachteilig mit demjenigen der Kolben verbinden, und ihre plötzliche Beschleunigung würde eine ebenso plötzliche Abnutzung der Gelenke verursachen.

Aus den vorstehenden Erörterungen ergibt sich daher, daß die Dämpfungsvorrichtung eines Geschützes nicht auf Motoren mit freiem Kolben angewendet werden kann, und daß, wenn man eine Dämpfung "für die letzteren haben will, es nötig ist, eine Einrichtung zu Hilfe zu nehmen wie diejenige der obenerwähnten Kulisse, welche die freie Entwicklung im Raum der Erscheinung der selbsttätigen Bremsung und des selbsttätigen Rücklaufs in Sätzen gestattet. Übrigens zeigen andere dynamische Systeme als die des atmosphärischen Gasmotors ebenfalls die fraglichen Eigenschaften. Besonders trifft dies auf einen no doppelt wirkenden Luftmotorkompressor zu, wie er in Abb. 2 dargestellt ist, in welchem im Gegensatz zu Obigem der Atmosphärendruck nicht als nützliche Widerstandskraft in Wirkung tritt. In Abb. 2 sind 9 und 10 zwei gleichartige gegenüberstehende einfach wirkende Explosionszylinder mit den Köpfen 11 und 12. Zwischen den Zylindern 9 und 10 ist der doppelt wirkende Luftkompressorzylinder 13 mit den Köpfen 14 und 15 angeordnet. Eine durchlaufende Stange 16 verbindet die Kolben 17, r8 und 19, welche sich in den vorer-

wähnten, auf ein und demselben Gestell 20 sitzenden Zylindern verschieben. Das Gestell 20 ruht mit seinen Rollen 22 auf der waagerechten Kulisse 21. Wenn im Zylinderg eine Explosion vor sich geht, so füllt sich der im Kopf 14 liegende Teil des Kompressors 13 mit Luft, während im Kopfe 15 die bereits vorher angesaugte Luft komprimiert und dann durch den Kolben 18 in einen Behälter gedrückt wird. Während ίο des ersten Teiles dieses Hubes werden der Boden und die Masse der Zylinder durch die Wirkung des Rücklaufes nach links gezogen. Während des übrigen Teiles des Hubes bremst der Druck der in dem Kopf 15 komprimierten Luft diese Bewegung bis zum gleichzeitigen Stillstand der Kolben und der Masse der Zylinder. Wenn hiernach eine Explosion im Zylinder 10 stattfindet, so führt diese das System auf den Ausgangspunkt zurück. In dem oben beschriebenen System (atmosphärischer Gasmotor) ist die erste als notwendig erkannte Bedingung, nämlich zwei Arbeiten, motorische und Widerstand, gleichartig und aufeinanderfolgend vorhanden, weil die Arbeit der Explosionsgase, welche beispielsweise den Triebkolben 17 treiben, die Kompression und das Treiben der Luftladung in den Behälter beendet haben muß, welche in der rechten Seite der Pumpe genau in dem Augenblick enthalten ist, in welchem der Kolben der Pumpe 18 von selbst stehenbleibt, fast in Berührung mit dem Zylinderkopf 15. Da andererseits das motorische System auf der rechten Seite gleich und symmetrisch mit demjenigen auf der linken Seite ist, so ist auch die zweite geforderte Bedingung, d. h. der | selbsttätige Rücklauf im Satz, erfüllt. Man i hat somit ein mechanisches System erreicht, j welches die Eigenschaften der abwechselnden selbsttätigen Bremsung mit einer derartigen Aufhängung verbindet, daß die wagerechten Verschiebungen der schwingenden Masse so schwach wie möglich auf den Träger rückwirken.

In Abb. 3 ist die Anordnung mit doppelter Wirkung gemäß Abb. 2 dargestellt. An einem oberen Träger 23 ist die Gesamtheit der Zylinder 9, 13 und 10 durch Kette oder Stangen 24, 25 aufgehängt, die genügend lang sind, um soviel wie nötig die wagerechte Komponente der abwechselnden Zugwirkungen auf die Aufhängepunkte 26 und 27, die bei jeder Schwingung entstehen, zu verringern.

Abb. 4 stellt eine Ausführungsform der Erfindung bei einem stehenden einfach wirkenden Motorluftkompressor dar. Der Explasionszylinder befindet sich bei 28, das Ansaugen und die Kompression der Luft erfolgen in dem oberen Teil 29 des Zylinders 30, dessen unterer Teil 31 mit der Außenluft in Verbindung steht. Ein unterer Zylinder 32, der ; I sogenannte Gegendruckzylinder, taucht mit seinem offenen Ende in einen großen Behälter 33 für komprimierte Luft. Die Bohrung des Zylinders 32 ist etwas enger als die des Motorzylinders 28. Der gemeinsame Kolben 34 weist daher drei verschiedene Querschnitte auf. Das Explosionsgemisch, das bei ! 28 in den Druckbehälter 33 eintritt, führt zu-I erst den Kolben langsam abwärts, weil die . Bohrung des Zylinders 28 etwas größer ist als diejenige des Zylinders 32. Die Explosion hat dann die Wirkung, die komprimierte Luft aus dem Zylinder 32 in den Behälter 33 zu ! drängen und eine Ladung von Luft in die ! Pumpe 29 einzusaugen. Sobald der Kolben 34 j seinen Abwärtshub beendet hat, wird er durch ! den Druck der komprimierten Luft im Behälter 33 aufwärts bewegt, wobei er zuerst die in der Pumpe 29 enthaltene Luft komprimiert und dann in den Behälter 33 drückt. Die '■ Gesamtanordnung der drei Zylinder 28, 30 und 32 und des Behälters 33 ist auf zwei pneumatischen Winden gelagert, die aus zwei gleichen Zylindern 35 bestehen, welche auf dem Boden befestigt sind, und in denen sich die beiden an der Masse des Behälters 33 und der Zylinder 28,30,32befestigtenHohlzylinder36 j verschieben. Die komprimierte Luft kann in ! die Zylinder 35 durch Rückschlagventile 37 eindringen. Der Querschnitt der Zylinder 35 steht im Verhältnis zu dem Druck der Luft . im Behälter 33, so daß das Gewicht der Teile 28, 30, 32, 33, 34 annähernd ausgeglichen wird. Zwei Paar Federn 38, anstatt deren auch pneumatische Puffer verwendet werden können, dienen ausschließlich dazu, die Wirkung der heftigen Stöße zu begrenzen, die zufällig bei anormalen Schwingungen in den Widerlagern 39 auftreten könnten. Die Menge der komprimierten Luft in den Zylindern 35 muß genügen, daß die normalen Verschiebungen der Kolben den inneren Druck nur wenig verändern, d. h. den Druck auf den Boden, und die Rückschlagventile 37 haben den Zweck, daß dieser innere Druck den Druckschwankungen der Luft im Behälter 33 entspricht. Infolge dieser Aufhängung kann sich die Erscheinung der selbsttätigen Bremsung auch frei entwickeln, aber im vorliegenden Falle wird diese Bremsung während des absteigenden Hubes des Kolbens durch den Druck der Luft des Behälters 33 auf einen nützlichen Querschnitt des Bodens des Behälters verursacht, der gleich ist dem Querschnitt des Zylinders 32, und während des Aufwärtshubes durch den Druck, welcher die in der Pumpe 29 rntha!- tene komprimierte Luft auf den Deckel ausübt. Ferner ist der kleine Vorhub zu berücksichtigen, der dem Einlaß des Gemisches entspricht, da aus dieser ersten Bewegung des Kolbens eine gewisse Anfangsleistung entsteht,

die in dem Behälter 33 aufgespeichert wird und sich mit der in dem Behälter bei der | darauffolgenden Explosion aufgespeicherten : Kraft vereinigt, so daß die von der Luft des Behälters während des absteigenden Hubes des Kolbens wiedergegebene Arbeit größer sein würde als diejenige, welche durch die Explosion bewirkt wird. Hieraus würde folgen, daß die Masse der Zylinder etwas unter den ersten Ausgangspunkt sinkt. Im Gegensatz hierzu wird sofort nach Beendigung des ersten Hubes des Motors ein neuer Faktor sich bemerkbar machen, nämlich der schädliche Raum der Pumpe 29. Sofort beim Stillstand des Kolbens am oberen Ende des Hubes dehnt sich die in diesem Raum enthaltene komprimierte Luft aus, indem sie den Kolben zurückdrückt, und wirkt in entgegengesetzter Richtung auf den Kopf der Pumpe, wodurch die Masse des Zylinders angehoben wird.

Es ist möglich, den Wert dieses schädlichen Raumes und folglich des Rücklaufs, welchen er verursacht, derart zu regeln, daß auch so genau wie möglich die obenerwähnten Ungleichmäßigkeiten ausgeglichen werden. Diese Regelung kann durch verschiedene Mittel erfolgen. So kann z. B. auf dem Deckel der Pumpe ein kleiner Zylinder (in der Zeichnung nicht dargestellt) vorgesehen sein, dessen Kolben mittels einer Schraube mehr oder weniger tief hineingeschoben werden kann. Ferner könnte man die Widerstandswirkung der Pumpe noch erhöhen oder vermindern und folglich den Kolben in mehr oder weniger großer Entfernung von seinem Deckel zum Stillstand bringen, indem man den Querschnitt der Einlaß- oder Auslaßöffnungen für die Luft verändert, und schließlich kann man die Länge des Rückhubes des Kolbens verändern, indem man den Druck der Luft im Behälter erhöht oder vermindert. Praktisch wird also die Masse der Zylinder das Bestreben haben, zwischen zwei festen Punkten des Raumes zu schwingen und somit die selbsttätige Bremsung und den selbsttätigen Rücklauf im Satz zu bewirken, sobald die Masse durch eine entsprechende Aufhängung der Wirkung der Schwerkraft entzogen ist, d. h. also ohne nennenswerte Trägheit ist.

In allen diesen Fällen würde es vorteilhaft sein, um in weitestem Maße die Erschütterungen zu dämpfen, die Rücklaufarbeit soweit wie möglich durch eine entsprechende Vermehrung der Masse der Zylinder zu vermindern im Vergleich zu derjenigen der Kolben; denn der Rücklauf bedeutet in jeder Weise einen Verlust an thermischer Leistung.

Claims (5)

Patent-Ansprüche:

1. Anordnung zur Dämpfung von Erschütterungen von Maschinen mit freiem Kolben, in welchen Gasstöße auf das Zylindergehäuse Anlaß zu wechselseitigen Stoßen geben, die jeweils nach Dauer und Amplitude gleich sind, dadurch gekennzeichnet, daß die hintereinander gleichachsig angeordneten Zylinder, deren Achse mit der Achse der Gasstöße zusammenfällt und deren Schwerpunkt auf dieser Achse liegt, so daß sie nur Erschütterungen längs dieser Achse ausgesetzt sind, auf das Untergestell einen stets gleichgerichteten und stets ihrem Gewicht gleichen Druck ausüben durch eine Führungs- und Haltevorrichtung, welche ihnen freie Bewegung nur in der Richtung der Gasstöße gestattet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei wagerechter Anordnung der gemeinsamen Zylinderachse die Führungs- und Haltevorrichtung durch einen Satz zylindrischer Walzen gebildet wird, welche zwischen zwei ebenen wagerechten Flächen angebracht sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei wagerechter Anordnung der gemeinsamen Zylinderachse die Führungs- und Haltevorrichtung durch mehrere hängende parallele Stangen gebildet wird, welche nachgiebig und ge- go lenkig nur in der Richtung der Gasstöße wirken.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei senkrechter Anordnung der Zylinderachse die Führungs- und Haltevorrichtung durch eine oder mehrere pneumatische Winden von großer Aufnahmefähigkeit für Druckluft gebildet wird, deren Kolben und Zylinder mit der Masse der Zylinder und dem Untergestell verbunden sind, so daß die Masse der Zylinder durch die Wirkung der Druckluft ausgeglichen wird, wobei Hilfsfedern entgegengesetzt parallel zur Achse der Schwingungen wirken und die Dämpfung und das Gleichgewicht der unnormalen Stöße bewirken.

5. Anordnung nach Anspruch 1 und 4 für einen Motorkompressor mit einem Behälter für Druckluft, dadurch gekennzeichnet, daß die die pneumatische Winde · treibende Druckluft durch den Behälter mittels einer mit einem Absperrventil versehenen Leitung geliefert wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.