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Viertaktverbrennungskraftmaschine mit Rohrschieberventilen und mehreren
Zylindern Die Erfindung bezieht sich auf Viertaktverbrennungskraftmaschinen mit
Rohrschieberventilen und mehreren Zylindern, die in der Längsrichtung der Maschine
hintereinanderliiegen. Sie betrifft insbesondere Gegengewichtseinrichtungen zur
Beseitigung unausgeglichener Schwingungskräftepaare bzw. -momente, die durch die
Schieberbewegung hervorgerufen werden.
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Man hat bei derartigen Maschinen bereits vorgeschlagen, an der in
der Längsrichtung verlaufenden Ventilsteuerwelle, die mit halber Kurbelwellengeschwindigkeit
umläuft, Gegengewichte anzubringen. Auch ist es nicht neu, an der Kurbelwelle Ausgleichgewichte
anzubringen, um die Schwingungskräfte aufzuheben. Bei Maschinen anderer Art, nämlich
bei Verbrennungsmotoren mit Tellerventilen, ist es ferner bekannt, parallel zur
Kurbelwelle eine Nebenwelle anzuordnen und diese beiden Wellen mit Gegengewichten
zu versehen.
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Bei Maschinen mit Rohrschieberventilen liegen jedoch ganz besondere
Bedingungen infolge der andersartigenBewegung derRohrschieber vor. Die Erfindung
geht von einer genauen Untersuchung der Verhältnissebei dieser Maschinengattung
aus und sieht eine besondere Anordnung vor, um hier die Schwingungskräfte auszugleichen.
Beim Gegenstand der Erfindung ist eine Ausgleichwelle auf der entgegengesetzten
Seite der Kurbelwelle wie die Ventilwelle angeordnet und erhält von der Kurbelwelle
mittels des Ventilsteuerwellenantriebes in der der Umdrehungsrichtung der Ventilsteuer-,yelle
entgegengesetzten Richtung Antrieb. Diese Ausgleichwelle läuft parallel zu der Ventilsteuerwelle;
sie trägt Gegengewichte, die so zu bemessen und anzuordnen sind, daß das durch sie
erzeugte Schwingungskräftepaar dem ersten durch die Ventilbewegung in der Maschine
hervorgegerufenen Schwingungskräftepaar entgegengesetzt ist.
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Zur Erläuterung ist die. Erfindung beschrieben und dargestellt in
Anwendung auf eine Maschine . der Burt-McGollum-Type (deutsche Patentschrift
a63 665), bei der ein einziger Rohrschieber je Zylinder vorhanden ist, der
bei der Steuerung des Ansaugens und Auspufens der Maschine in axialer Richtung hin
und her gehende Bewegungen und Drehbewegungen ausführt. ' Bei einer bevorzugten
Ausführungsform sind die Antriebsmittel für die Ventilwelle und die Ausgleichwelle
an dem gleichen Maschinenende angeordnet. Die Ventilwelle hat Gegengewichte von
verhältnismäßig
größerer Masse als die Gegengewichte der Ausgleichwelle,
die um einen kleinen Phasenwinkel gegenüber denen der Ausgleichwelle verschoben
sind. Zweckmäßig liegen die Gegengewichte an der Ausgleichwelle quer zu der Maschine
und sind im wesentlichen in einer Ebene mit den entsprechend zusammenarbeitenden
Gewichten der Ventilsteuerwelle ausgerichtet. Durch diese Anordnung wird eine Vergrößerung
der Gesamtlänge der Maschine vermieden. Wenn dagegen die Ausgleichgewichte zwischen
den Endlagern angeordnet werden, so erfordert dies eine unnötige Verlängerung des
Maschinenblocks. Außerdem kann die Größe der- Gewichte desto geringer sein, je weiter
sie axial voneinander auf der Steuerwelle entfernt sind.
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Ferner empfiehlt es sich, die an dem einen Ende jeder Welle liegenden
Gewichte in einem Winkel von annähernd i8o° gegenüber den Gegengewichten an dem
anderen Ende derselben Welle zu versetzen. .
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Eine Untersuchung der Trägheitskräfte der Schieberbewegung bei einer
Maschine mit mehreren Zylindern je mit einem einzigen Rohrschieber hat ergeben,
daß diese Kräfte zweckmäßig in senkrechte und Drehkomponenten zerlegt werden können.
Es wurde festgestellt, daß bei Mehrzylindermaschinen, bei denen die Vorgänge in
den einzelnen Zylindern um gleiche Zeitintervalle gegeneinander verschoben sind,
die Drehkomponenten des Trägheitseffektes der Schieber völlig ausgeglichen sind.
Bezüglich der senkrechten Komponenten zeigt dagegen eine Analyse, daß die unausgeglichenen
Kräfte eines Zylinders sich aus einer unendlichen Reihe von Komponenten zusammensetzen,
deren Änderungen sich in Form einer Sinuskurvewiedergeben lassen.
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Die Analyse ergibt folgende Formel: F-A-cosqP+B-cos2cp+C-cos3P+usw.,
wobei F die gesamte unausgeglichene senkrechte Kraft ist; (p ist der Winkel der
Ventilsteuerwelle, d. h. der Drehwinkel der Steuerwelle in bezug auf eine gegebene
Koordinatenstellung.
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A, B, C usw. sind Konstanten.
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Ferner wurde ermittelt, daß die Konstanten oder Koeffizienten A, B
die einzigen sind, die praktisch in Betracht gezogen werden müssen, während alle
anderen Konstanten sehr klein sind. Deshalb kann die unausgeglichene Kraft je Schieber
ziemlich angenähert bestimmt werden durch F-A-coscp+B-cos2p. Die Massenträgheitsdrücke
für eine Mehrzylindermaschine, bei der die Schieber so bewegt werden; daß die. Vorgänge
in. Zylindern, die aufeinanderfolgend gezündet werden, in gleichen Zeitintervallen
vor sich gehen, sind gleich Null. Die unausgeglichenen, senkrecht hin und her gehenden
Kräfte aller Zylinder werden jedoch primäre und sekundäre Schwingungskräftepaare
bzw. -momente ergeben, die - in der durch die Zylinderachsen verlaufenden Längsebene
wirken und durch folgende Formeln wiedergegeben werden können: P (primäres Kräftepaar)
- D - cos (#p + a), S (sekundäres Kräftepaar) - E - cos (2 99 -j- ß).
a und ,B sind Phasenwinkel, und D und E sind Konstanten.
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Diese unausgeglichenen Kräftepaare können durch rotierende Gewichte
an der Steuerwelle oder an der Kurbelwelle nicht völlig beseitigt werden. Durch
Anordnung von Gegengewichten an der Ventilsteuerwelle und der Kurbelwelle kann die
Größe der unausgeglichenen primären und sekundären Kräftepaare allerdings auf 5o
°f, ihres ursprünglichen Wertes verringert werden, indem gleichzeitig neue unausgeglichene
Kräftepaare von ebenfalls 5o °f, des ursprünglichen Wertes eingeführt wurden, die
in einer Ebene senkrecht zu der Bewegungsbahn des Schiebers wirken.
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In den Zeichnungen ist eine Ausführungsform einer Einrichtung nach
der Erfindung dargestellt. ` Fig. i ist ein Teilschnitt durch die Maschine mit einer
Steuerwelle und einer Ausgleichwelle zum Ausgleichen des primären Schwingungskräftepaares.
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Fig.2 zeigt in Ansicht die zugehörige Steuerwelle und die Ausgleichwelle.
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Fig.3 stellt in Ansicht die Ausgleicheinrichtung und die Anordnung
der auf der Steuerwelle und der Ausgleichwelle sitzenden Gegengewichte dar. Die
Figur ist in Richtung der Pfeile 13, 13 der Fig. 2 gesehen.
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Fig.4 ist eine Ansicht des anderen Maschinenendes und zeigt die Steuerwelle
und die Ausgleichwelle. Diese Abbildung ist in Richtung der Pfeile 14, 14 der Fig.
2 gesehen.
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Fig. 5 ist eine Seitenansicht der Ausgleichwelle.
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In den Figuren bezeichnet io das Kurbelgehäuse einer Maschine A. Dieses
Gehäuse wird überragt durch mehrere Zylinder i i mit Zylinderköpfen i2. Von diesen
hat jeder einen Teil 13, der in den entsprechenden Zylinder hineinragt und von dessen
Wandungen in einem gewissen Abstand liegt, so daß eine Tasche 14 gebildet wird,
die den oberen Teil -des Rohrschiebers 15 aufnimmt. Der Rohrschieber 15 arbeitet
innerhalb des Zylinders und besitzt Einsaß- und Auslaßöffnungen 16, 17, die mit
den Zylinderein- und -auslaßögnungen
18, 19 zusammenarbeiten. Die
Kurbelwelle 2o ruht in Lagern 2i des Gehäuses und ist mit Kurbeln 22 versehen, an
denen Schubstangen 23 angreifen, die mit den innerhalb der Rohrschieber 15 arbeitenden
Kolben 24 verbunden sind.
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Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist eine Nebenwelle
25 mit einer Anzahl gekröpfter Kurbeln 26 vorgesehen, von denen jede mit dem zugehörigen
Rohrschieber durch Arme 27 verbunden ist. Die äußeren Teile dieser Glieder oder
Arme besitzen Kugelgelenkhöhlungen 28, die an den Buchsenventilen vorgesehene Kugeln
29 umfassen. Die Welle 25 hat Zwischenlagerteile 30 und Endlagerteile 31.
Diese Lagerteile ruhen in Lagern 32 des Kurbelgehäuses.
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Die Gegengewichte 136 und 137 zur Beseitigung der Schwingungskräftepaare,
die in der Maschine entstehen, sind mit der Steuerwelle verbunden. Sie sind gemäß
der am Anfang der Beschreibung auseinandergesetzten Berechnung ausgeführt und jeweils
am vorderen und hinteren Ende der Steuerwelle außerhalb der Endlagerzapfen 31 angeordnet.
Es erwies sich als zweckmäßig, das Gegengewicht 136 an dem Stirnende der
Steuerwelle an einer Antriebsrolle o. dgl. anzubringen. Diese ist an der Steuerwelle
befestigt und mit der Maschinenkurbelwelle durch eine Kette o. dgl. 142 verbunden.
Das Gegengewicht 137 ist um 18o° gegenüber dem Gegengewicht 136 versetzt. Es ist
vorzugsweise so angeordnet, daß es innerhalb des zwischen der Schwungscheibe und
der Endwandung des Kurbelgehäuses vorhandenen Zwischenraumes liegt.
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Bei der dargestellten Ausführungsform hat die Maschine zwei sich drehende
Wellen, deren Achsen parallel oder nahezu parallel zu der Achse der Kurbelwelle
oder zu der die Zylinderachsen enthaltenden Längsebene der Maschine verlaufen. Die
Wellen liegen je zu einer Seite der Ebene, und zwar vorzugsweise in annähernd gleichem
Abstand davon. Der genaue senkrechte Abstand der beiden Wellen voneinander ist indessen
von geringer Bedeutung. Die beiden Wellen, von denen die eine die Steuerwelle ist,
drehen sich mit halber :Maschinengeschwindigkeit, jedoch in entgegengesetzten Richtungen.
jede Welle trägt vorn und hinten ein Gegengewicht. Diese sind so angeordnet, daß
sie etwa symmetrisch zu der durch die Zylinderachsen verlaufenden Längsebene der
Maschine liegen. Wenn diese Gegengewichte alle gleiches Moment haben, dann heben
die waagerechten Komponenten der bei der Umdrehung der Gegengewichte entstehenden
Fliehkräfte einander immer auf und lassen eine senkrechte Resultante, die entsprechend
einer Kosinuskurve schwankt. Durch richtige Bemessung ist es daher möglich, ein
Schwingungskräftepaar von der Größe P - D cos (p -f- a) zu erzeugen, das in jedem
Zeitpunkt dem primären Schwingungskräftepaar entgegenwirkt, das durch die senkrechte
Hinundherbewegung der Schieber erzeugt wird. Das primäre Schwingungskräftepaar ist
wichtiger als das sekundäre Paar. Die Beseitigung des primären Schwingungskräftepaares
beseitigt daher zum großen -Teil übermäßige Maschinenerschütterung.
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Die Einrichtung zum Ausgleichen des primären, in der Längsebene der
Maschine erzeugten Schwingungskräftepaares besteht aus einer Ausgleichwelle 135,
die in dem Maschinenkurbelgehäuse gelagert ist und parallel zu der Maschinenkurbelwelle
auf der der Steuerwelle 25 gegenüberliegenden Seite verläuft. Gegengewichte 138
und 139 sind vorn bzw. hinten auf der Ausgleichwelle 135 angeordnet. Die
vorderen Gegengewichte sind vorzugsweise symmetrisch zu der durch die Zylinderachsen
verlaufenden Maschinenlängsebene angeordnet, ebenso die hinteren Gegengewichte;
nur sind diese um i8o° gegenüber den vorderen Gegengewichten versetzt, d. h. die
Gegengewichte 136 und 137, die auf der Steuerwelle 25 sitzen, sind um 18o0, ebenso
die Gegengewichte 138 und 139 auf der Ausgleichwelle 135 um i8o° gegeneinander versetzt
(Fig. 3 und 4).
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Die Gegengewichte 136 und 137 der Steuerwelle a5 sind bei der dargestellten
Wellenbauform größer als die Gegengewichte 138 und 139 und sind in einem ein wenig
verschiedenen Phasenwinkel angeordnet, um gleichzeitig die unausgeglichenen Drehkräfte,
die durch die Massen der an der Steuerwelle sitzenden Kugelteile erzeugt werden,
auszugleichen. Fig. 3 und 4 zeigen dies deutlich. Die Gegengewichte an der Steuerwelle
sind so eingerichtet, daß die unausgeglichenen Drehkräfte, die durch die Gewichte
an der Ausgleichwelle hervorgerufen werden, und die von den Massen der an der Steuerwelle
sitzenden Kugelteile herrührenden Kräfte ausgeglichen werden.
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Die Ausgleichwelle 135 kann mit zusätzlichen Antriebsmitteln, z. B.
einem Nocken 140 oder einem Zahnrad 141, versehen sein. Die Wellen 25 und 135 können
von der Kurbelwelle 2o beliebig angetrieben werden, z. B. gemäß der Darstellung
durch eine Kette 142, welche die Kettenräder 143, 144, 145 treibt, die auf der Steuerwelle
25, der Ausgleichwelle 135 bzw. der Kurbelwelle 2o sitzen. Ein Zwischenrad 146 (Fig.
i) ist vorgesehen, um die Ausgleichwelle 135 in entgegengesetzter Richtung zu der
Steuerwelle 25 anzutreiben.