DE4200412A1 - Kurbelwellenlose arbeits- und kraftkolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Umwandlung von linearer hin- und hergehenden Bewegung eines Kolbens in eine gleich­ mäßige Wellendrehbewegung oder umgekehrt.

Diese Bewegungstransformation ist in vielen Bereichen des Maschinenbaues erforderlich wie z. B. Kolbenverdichter, Kolbenpumpen, Dampf- und Gaskolbenmotoren, Kolbenverbren­ nungsmotoren usw.

Es ist bekannt, daß zur Erfüllung dieser erforderlichen Bewegungsumwandlung der in Zylinder sich bewegenden Kol­ ben, Kurbelwellen hauptsächlich angewandt werden, die entweder mittels Pleuelstangen oder unter dazwischen­ schalten von Kolbenstangen mit Kreuzköpfen und danach Pleuelstangen diese Umwandlung realisieren. Dabei werden die Pleuelstangen an dem mit den Kurbelwellenzapfen ver­ bundenen Enden seitlich abgelengt und führen eine Dreh­ bewegung aus, wohingegen die anderen Enden mit Kolben verbunden, hin- und hergehende, lineare Bewegungen ausfüh­ ren.

Daraus resultieren folgende Nachteile der mit Kurbel­ wellen ausgerüsteten Kolbenmaschinen, bedingt durch die Bewegungs- und Kraftverhältnisse des zentrischen Schub­ kurbelgetriebes:

• - variable Tangential- oder Drehkraft die von dem Ablenk­ winkel der Pleuelstange und Kurbelwinkel abhängt und die in der Nähe des O.T. (Oberen Totenpunktes) und des U.T.(Unteren Totenpunktes) gleich Null ist.
• - veränderliche Normalkraft welche entweder vom Kolben selbst im Zylinder oder durch einen zusätzlichen Kreuz­ kopf und Gleitbahn übertragen wird. Das bewirkt zusä­ liche Reibungsarbeit und Verminderung des mechanischen Wirkungsgrades der Maschine.
• - Entstehen von Massenkräften die sich aus der Beschleuni­ gung und Verzögerung der bewegten Teile ergeben. Da die Elemente des Kurbeltriebs verschiedene Bewegungsformen ausführen (Translations-, Rotations- und Koppelbewegungen) ist der Massenausgleich besonders wichtig aber schwer zu realisieren. Dadurch Erzeugung von periodischen dyna­ mischen Kräften, die Anlaß zu Schwingungserregungen bie­ ten und gefährliche Resonanzerscheinungen hervorrufen, können die Maschinenfundamente und -ständer, Gebäude negativ beeinflussen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Kolbenbe­ wegungsumwandlung von einer linear hin-und hergehenden in eine Drehbewegung und umgekehrt mittels eines Axial­ raumkurvengetriebes zu schaffen die die oben angeführten Nachteile nicht besitzt.

Diese Aufgabe wird bei gattungsgemäßen Einrichtungen durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch axiale Stirnkurven die symmetrische, paarweise an­ gebrachte, wellenförmige Erhebungen aufweisen und die Zwei- oder Viertaktverfahren in einer Umdrehung realisie­ ren können, bewegen sich gegenseitig verspannte Rollen­ paare, die mittels einer Drehmoment-Rollkorperbüchse die linearen Bewegungen des Kolbens in eine Drehbewegung umwandeln können.

Die Vorteile die mit der Erfindung erzielt werden können bestehen vor allem im:

• - Wegfall der Kolbenseitenkräfte die durch die gute Füh­ rung des Kolbens im spielfreien Axialraumgetriebe und zentrisch gelagerten Drehmoment-Rollkörperbüchse,ver­ ursacht wird. Dadurch kann der Kolben kleiner gestaltet werden und zur Verringerung der Reibungsarbeit und daher zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Maschine bei­ tragen.
• - Konstanten Hebelarm der Drehübertragung, der durch die geometrischen Maße des Axialraumgetriebes festgelegt ist.
• - Realisierbaren völligen Massenausgleich der linearen hin- und hergehenden und sich drehenden Bewegungsteile. Deshalb ruhiger Lauf der Maschine und Verringerung des Aufwandes zur Schwingungsdämpfung was zu einer Reduzie­ rung des Maschinengewichtes und Fundamentmasse führt.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Zeich­ nungen dargestellt und nachstehend näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 Schema der kurbelwellenlosen Kraft- oder Arbeitsmaschine,

Fig. 2 Kräfte-und Bewegungsrichtungsschema,

Fig. 3 Abwicklungsschema der Stirnkurven - 2 Taktverfahren,

Fig. 4 Abwicklungsschema der Stirnkurven - 2 Taktverfahren mit Ausgleichgewicht,

Fig. 5 Abwicklungsschema der Stirnkurven - 4 Taktverfahren,

Fig. 6 Einzylinder Kraft-oder Arbeitsmaschine,

Fig. 7 Vierzylinder Kraft-oder Arbeitsmaschine,

Fig. 8 Achtzylinder Sternausführung,

Fig. 9 Mehrzylinder Boxerausführung,

Fig. 10 Mehrzylinder Gegenlaufkolbenausführung.

In Fig. 1 wird die Erfindung die die Umwandlung hin- und hergehenden Kolbenbewegungen in eine Drehbewegung bewirkt, schematisch dargestellt. Dabei stellt die linke Hälfte der Zeichnung mit "A" bezeichnet, eine Kolbenmaschine bei welcher der Kolben (1) im U.T. (Unterem Totenpunkt) sich befindet, wohingegen die rechte Zeichnungshälfte ihn im O.T. (Oberen Totenpunkt) darstellt. Am unteren Teil des Kolbens (1) ist eine Verlängerung vorgesehen in der eine Achse (3.1) senkrecht zur Kolbenachse eingepreßt ist. Auf den beiderseitig herausragenden Achsstümpfen sind Rollenpaare (2.1), die eine kegelige Mantelfläche besitzen, aufmontiert. Diese stützen sich auf einer zen­ trischen Stirnkurve (4.1) ab, die einen radialen Neigungs­ winkel (β) aufweist. Dieser ist identisch mit halbierten Kegelwinkel der Rollenpaare (2.1) und die Winkelarme treffen (sich in einem gemeinsamen Punkt auf der Kolben­ achse so daß eine schlupffreie Bewegung der Rollenpaare (2.1) ermöglicht wird. In der unteren Kolbenverlängerung ist zentrisch die Kolbenstange (5) eingeschraubt auf wel­ cher ein mit ihm formschlüssig verbundener Querarm mit Achsen (3.2) angebracht ist. Diese liegen in einer Ebene mit den Achsen (3.1), und auf ihnen befinden sich weitere Rollenpaare (2.2), die sich auf einer unteren Stirn­ kurve (4.2), die mit der oberen Stirnkurve (4.1) inden­ tisch, jedoch um eine halbe Teilung "T" verdreht ist, ab­ stützen. Diese beiden Stirnkurven (4.1) und (4.2) sind beidseitig auf einer Stützscheibe (7) montiert, die im Maschinengehäuse festgeklemmt ist. Die unteren Rollen­ paare (2.2) können mittels einer auf der Kolbenstange (5) befindlichen Schraubverbindung (10.1) an die untere Stirnkurve (4.2) angedrückt werden, wodurch eine innere Verspannung zwischen dem oberen Rollenpaar (2.1) und dem unteren Rollenpaar (2.2) auftritt, die zu einer spielfreien Kolbenbewegung beiträgt. Weiter unten in der Kolbenachse ist das An- oder Abtriebsrad (11) gela­ gert in welchem eine Drehmoment-Rollkörperbüchse (8) mit Rollkörpern (8.1) eingepreßt ist.

Die Drehmomentübertragung zwischen dem linear hin- und herbewegenden Kolben (1) und Kolbenstange (5), die gleich­ zeitig durch die auf den Stirnkurven (4.1) und (4.2) sich bewegenden Rollenpaare (2.1) und (2.2) in eine Drehbewe­ gung gebracht werden und dem An- oder Abtriebsrad (11), erfolgt über Paßfeder (9) und Drehmoment-Rollkörper­ büchse (8) mit Rollkörpern (8.1) die sich in Führungs­ rillen (8.2) der Kolbenstange (5) bewegen.

Die Fig. 2 erläutert nur in schematischer Weise die auf­ tretenden Kräfte die zwischen den Rollenpaaren (2.1) und der Stirnkurve (4.1) entstehen und die Bewegungs­ richtung der Einzelteile. Das Schema verdeutlicht, daß keine Kolbennormalkraft entsteht.

In Fig. 3 bis 5 wurde schematisch die Abwicklung der Stirnkurven (4.1) und (4.2) mit der Kolbenführung gezeigt und das für ein Zweitakt-Verfahren in Fig. 3 und 4 sowie für ein Viertakt-Verfahren in Fig. 5. Besonders erwäh­ nenswert ist noch das Schema in Fig. 4, das ein Zweitakt- Verfahren mit Massenausgleich für die in linearer Be­ wegung sich befindlichen Elemente, darstellt. Dazu wer­ den zusätzliche Rollenpaare (2.3) und (2.4), die um 90° im Verhältnis zu den Rollenpaaren (2.1) und (2.2) verdreht sind, eingesetzt. Die konstruktive Lösung dieser Idee ist in Fig. 6 dargestellt. Die zusätzlichen Rollenpaare (2.3) und( 2.4) bewirken beim Abwälzen auf den Stirnkur­ ven (4.1) und (4.2) eine gegenläufige Bewegung zum Kolben (1), Kolbenstange (5) und den Rollenpaaren (2.1) und (2.2). Fig. 6 stellt eine Einzylinder Kraft- oder Arbeitsmaschine dar, wobei "A" einen Querschnitt, "B" den Kolben (1) im U.T. (Unteren Totenpunkt) und "C" den Kolben (1) im O.T. (Oberen Totenpunkt), wiedergibt. Dabei ist ersichtlich, daß das zusätzliche Rollenpaar (2.3) und (2.4) sowie deren Achsen (3.3) und (3.4) senkrecht zu den Achsen (3.1) und (3.2) liegen und in ineinandergeschobene Gabeln (13.1) und (13.2) befestigt sind. Diese werden durch Schrauben (10.2) gegenseitig verspannt. Da sich diese Gabeln (13.1) und (13.2) gegenläufig zu der Kolbenstange (5) bewegen, sind sie im Kolben (1) in Gleitbahnen (14) geführt. An den Gabeln (13.1) und (13.2) ist ein Gegengewicht (6) zum Massenausgleich der linearen Bewegungsteile angebracht. Das Drehmoment wird über das An- oder Abtriebsrad (11) mittels spielfreien Zahnriemen von oder zu der An-oder Abtriebswelle (15) übertragen.

Die Fig. 7 bis 10 beinhalten Mehrzylinder Kraft- oder Ar­ beitsmaschinen die sich durch völligen Massenausgleich der linearen und drehenden Bewegungsteile charakterisie­ ren.

In Fig. 7 ist eine Vierzylinder Kraft- oder Arbeitsmaschi­ ne in Kreisanordnung dargestellt, wobei die An- oder Ab­ triebsräder (11) der Zylindereinheiten mit einem zentra­ len An- oder Abtriebsrad (12), hier als Stirnrad darge­ stellt, das zur spielfreien Übertragung des Drehmomentes zweiteilig gestaltet und gegenseitig verspannt ist, zu­ sammenarbeitet. Dabei müssen die Kolben (1) der gegen­ überliegenden Zylindereinheiten gleichsinnig lineare, wohingegen die seitlich angrenzenden gegenläufige Bewe­ gungen ausführen damit ein völliger Massenausgleich erreicht wird.

Fig. 8 stellt eine Achtzylinder Kraft -oder Arbeitsmaschi­ ne in Sternanordnung dar. Dabei sind die An- oder Ab­ triebsräder (11) der einzelnen Zylindereinheiten als Kegelräder ausgebildet, die mit einem zentralen An-oder Abtriebsrad (12), das zur spielfreien Drehmomentübertra­ gung achsial verschoben werden kann, zusammenarbeiten. Hierbei müssen die Kolben (1) der gegenüberliegenden Zylindereinheiten gegenläufige, lineare Bewegungen aus­ führen, um einen völligen Massenausgleich zu erreichen.

In Fig. 9 wird eine Kraft- oder Arbeitsmaschine in Boxer­ anordnung dargestellt. Bei dieser Ausführung werden die beiden Drebmoment-Rollkörperbüchsen (8), der gegeneinan­ der sich bewegenden Kolbenstangen (5), durch eine Verbin­ dungsbüchse (16) miteinander gekoppelt. Das Drehmoment wird dann über ein An- oder Abtriebsrad (11), in diesem Falle ein Kegelrad, auf die An- oder Abtriebswelle (15) übertragen. Falls mehrere Zylindereinheiten vorhanden sind, werden sie durch spielfreie Verbindungsräder (17) miteinander verbunden.

Fig. 10 zeigt eine Kraft- oder Arbeitsmaschine in Gegen­ laufkolbenanordnung, bei welcher die beiden Drehmoment- Rollkörperbüchsen (8) durch spielfreie Verbindungsräder (17) mit der An- oder Abtriebswelle (15), verbunden werden.

Claims (3)

1. Kolbenbewegungsumwandlung von einer linear hin-und her­ gehenden in eine Drehbewegung und umgekehrt mittels eines Raumkurvengetriebes, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungen des Kolbens (1) mit seiner an ihm befes­ tigten Kolbenstange (5) formschlüssig in eine Drehbewe­ gung von einem verdoppelten, spielfreien Axialraumkurven­ getriebe, deren Stirnkurven (4.1) und (4.2), die gegenseitig um eine halbe Teilung "T" verdreht und 2- oder 4 Taktkol­ benverfahren in einer Umdrehung realisieren können auf einer im Gehäuse befestigten Stützscheibe (7) sich ab­ stützen, auf denen sich durch Schraubverbindung (10.1), gegenseitig verspannte Rollenpaare (2.1) und (2.2) schlupf­ frei bewegen, umgewandelt werden und deren Drehmoment über eine Rollkörperbüchse (8), mittels Rollkörper (8. 1), die in Führungsrillen (8.2) der Kolbenstange (5) sich be­ wegen und in ein An- oder Abtriebsrad (11), weiter gelei­ tet wird.

2. Kolbenbewegungsumwandlung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei Einzylindermaschinen zusätzlich ein Rollenpaar (2.3) und (2.4) angebracht ist, deren Achsen (3.3) und (3.4) zu den Achsen (3.1) und (3.2) senkrecht stehen und in ineinandergeschobenen Gabeln (13.1) u. (13.2) befestigt sind, die durch Schraubverbindungen (10.2) ge­ genseitig verspannt werden und im Kolben (1) in Gleitbah­ nen (14) gleiten und dadurch sich linear gegenläufig zu ihm bewegen, wobei durch das an diesen Gabeln (13.1) und (13.2) befestigte Gegengewicht (6), der Massenausgleich linearer Bewegungsteile vollständig erreicht werden kann.

3. Kolbenbewegungsumwandlung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein vollständiger Massenausgleich der sich linear hin- und hergehenden Massen bei mehrzylindrigen Ma­ schinen erfolgen kann, wenn bei Stern- oder Kreisanordnung der Zylinder die An- oder Abtriebsräder (11) der einzel­ nen Zylindereinheiten mit einem zentralen An- oder Ab­ triebsrad (12) zusammenarbeiten und bei Boxeranordnung die Drehmoment-Rollkörperbüchsen (8), der in einer gemein­ samen Kolbenachse liegender Zylinder durch eine Verbin­ dungsbuchse (16) und wie bei Maschinen in Gegenlaufkol­ benanordnung mit der An- oder Abtriebswelle (15) durch Ver­ bindungsräder (17) gekoppelt werden.