DE4200412A1 - Kurbelwellenlose arbeits- und kraftkolbenmaschine - Google Patents
Kurbelwellenlose arbeits- und kraftkolbenmaschineInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
- F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
- F16F15/22—Compensation of inertia forces
- F16F15/24—Compensation of inertia forces of crankshaft systems by particular disposition of cranks, pistons, or the like
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
- F01B9/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups
- F01B9/04—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups with rotary main shaft other than crankshaft
- F01B9/06—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups with rotary main shaft other than crankshaft the piston motion being transmitted by curved surfaces
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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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19924200412 DE4200412A1 (de) | 1992-01-10 | 1992-01-10 | Kurbelwellenlose arbeits- und kraftkolbenmaschine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19924200412 DE4200412A1 (de) | 1992-01-10 | 1992-01-10 | Kurbelwellenlose arbeits- und kraftkolbenmaschine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4200412A1 true DE4200412A1 (de) | 1993-07-15 |
Family
ID=6449286
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19924200412 Withdrawn DE4200412A1 (de) | 1992-01-10 | 1992-01-10 | Kurbelwellenlose arbeits- und kraftkolbenmaschine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4200412A1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19718575A1 (de) * | 1997-05-04 | 1998-11-05 | Estebanez Eva Garcia | Kolbenmaschine |
CN101813025A (zh) * | 2010-03-25 | 2010-08-25 | 北京航空航天大学 | 一种双向导轨直轴内燃机 |
-
1992
- 1992-01-10 DE DE19924200412 patent/DE4200412A1/de not_active Withdrawn
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19718575A1 (de) * | 1997-05-04 | 1998-11-05 | Estebanez Eva Garcia | Kolbenmaschine |
CN101813025A (zh) * | 2010-03-25 | 2010-08-25 | 北京航空航天大学 | 一种双向导轨直轴内燃机 |
CN101813025B (zh) * | 2010-03-25 | 2012-07-18 | 北京航空航天大学 | 一种双向导轨直轴内燃机 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8122 | Nonbinding interest in granting licenses declared | ||
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |