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Kolbenkraftmaschine Die Erfindung bezieht sich auf Kolbenkraftmaschinen,
bei denen mehrere Kolben auf eine gemeinsame parallel und zentral zu diesen liegende
Welle arbeiten. Insbesondere ist Gegenstand der Erfindung ein Mittel, um die hin
und her gehende Bewegung der Kolben in eine Drehbewegung der Kraftwelle umzuwandeln.
Es soll also das bei Kolbenmaschinen bisher übliche Kurbelgetriebe ersetzt werden.
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Bekanntlich entsteht bei allen mit Kurbelgetrieben arbeitenden Maschinen
ein großer Kraftverlust dadurch, daß die größte Energie des Kraftimpulses auf den
Kolben entweder in der Totlage oder in deren Nähe ausgeübt wird. Das gilt im allgemeinen
mehr für Verbrennungskraftmaschinen als für Dampfmaschinen, obwohl es auch hier
allgemein üblich ist, das Einlaßventil zu schließen, bevor der günstigste Hebelwirkungspunkt
erreicht ist, d. h. bevor sich die Kurbel in eine Lage gedreht hat, die zu der Totpunktlage
senkrecht steht.
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Bei anderen Maschinenformen wird gleichzeitig mit dem auf den Kolben
ausgeübten Kraftstoß ein Druck auf den Zylinderkopf ausgeübt, der durch den Zylinder,
die Hauptlager und die Kolbenstange übertragen wird, um den Arbeitsstoß des Kolbens
auszugleichen.
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Es ist festgestellt worden, daß bei dem Krafthub einer Maschine mit
Kurbeltrieb die Kurbel einen großen Winkel durchlaufen muß, bevor genügend Hebelwirkung
gewonnen wird, damit die auf den Kolben einwirkende Kraft ,genügend Arbeit erzeugt,
um die Reibung der Maschine zu überwinden und mit der Erzeugung von Nutzkraft zu
beginnen. Bei @eixiigen Verbrennungskraftinaschinen muß die Kurbel einen Winkel
von etwa 6o° durchlaufen und der Kolben etwa ein Drittel des Hubes zurückgelegt
haben, um genügend Hebelwirkung zu erzeugen, damit die Reibung der Maschine und
der mit ihr verbundenen Teile. überwunden wird, d. h. in diesem Punkt ist bereits
mehr als' ein Drittel des anfänglichen, also größten Druckes verbraucht. Die größte
Hebelwirkung wird hierbei erst auf ungefähr der Hälfte des Krafthubes erreicht,
also zu einer Zeit, wo die Explosionskraft des Treibstoffes zu ungefähr drei Viertel
verbraucht ist. Bei Dampfmaschinen kann das Einlaßventil geöffnet bleiben, bis der
Punkt der größten Hebelwirkung erreicht oder überschritten ist, was allerdings mit
großem Verlust verbunden ist.
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In keinem Fall aber gibt es bei einer Maschine mit Kurlyelgetrielye
mehr ab einen einzigen Punkt, in dem die größte Hebelwirkung erreicht wird. Die
Hebelwirkung, fängt bei Null an, nimmt bis zu einem größten Wert. zu und fällt dann
wieder auf Null ab.
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Bei Maschinen mit Kurbelgetriebe, die ohne Kreuzkopf arbeiten, d.
h. bei denen die Pleuelstange unmittelbar am Kolben angelenkt ist, treten Kräfte
auf, die schräg zu der Kolbenachse gerichtet sind. Infolge dieses seitlichen Druckes
werden Zylinder und Kolben abgenutzt
und unrund, außerdem wird
viel Reibung und damit Wäre :erzeugt, so daßs viel Schmieröl benötigt wird und die
Lebensdauer erheblich verkürzt _wird. _ Alle diese Nachteile sollen durch die Erfindung
beseitigt werden, deren Ziel es also ist, eine Maschine zu schaffen, bei der das
übliche Kurbelgetriebe ausgeschaltet ist.
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Dies wird gemäß der Erfindung durch folgende Einrichtung erreicht:
In mit den Treibkolben starr verbundenen, die Welle umfassenden Körpern sind in
gleichen Abständen auf dem Umfang der Welle Kugeln gelagert, die in am Umfang der
Welle so verlaufende Rillen eingreifen, daß bei axialer Verschiebung der Körper
mit den Kugeln die Welle gedreht wird. Die Hülsen mit den Kugeln werden von den
Kolben hin und her bewegt. Damit wird die Welle, indem die Kugeln einen seitlichen
Druck auf die Rillen ausüben, in Umdrehung versetzt. Die Rillen sind dabei so gerichtet,
daß entsprechend dem Grad der beim jedesmaligen Hub gewünschten Drehung der Welle
eine Richtungsänderung eintritt, so daß sich also bei jedem Hub die Welle in derselben
Richtung dreht. Diese Bewegungsumwandlung gestattet, weitere Vorteile bei einer
derartigen Mehrkolbenmaschine zu erzielen. So ist es möglich, alle Kraftimpulse
dadurch, däß sie gleichmäßig in .entgegengesetzten Richtungen und im gleichen Augenblick
zur Wirkung gelangen, gegenseitig auszugleichen, und zwar wird das dadurch herbeigeführt,
daß zwei gleichartige, eben beschriebene Umwandlungseinrichtungen, die sich im Betrieb
einander entgegengesetzt bewegen, symmetrisch angeordnet werden. Jede Umwandlungseinrichtung
wird dabei von einer Kolbengruppe gesteuert. Die zu den beiden Bewegungsumwandlern
zugehörigen Kolbengruppen arbeiten dabei im Gegentakt.
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In den Abbildungen ist eine Kolbenkraftmaschine nach der Erfindung,
die mit Dampf betrieben wird, dargestellt, und zwar in Fig. i eine Seitenansicht
teilweise mit Längsschnitt; Fig.2 ist ein Querschnitt durch die Maschine mit angtesetztem
Rahmenteil; Fig. 3 ist eine Ansicht der Kraftwelle und der dazugehörenden Glieder
mit abgebrochenen Teilen; Fig.4 ist eine abgeänderte Form der in Fig. 3 dargestellten
Kraftwelle.
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Bei den einzelnen Figuren beziehen sich dieselben Zahlen immer auf
entsprechende Teile. In ihnen ist mit i ein Rahmen, an dem Tragfüße z . auf übliche
Weisse festgemacht sind, bezeichnet. Quer zum Rahmen ist die Kraftwelle 3 in den
Lagern 4 gelagert, die ihrerseits durch Kappten. 5 und 'Schrauben 6 am Rahmen befestigt
sind. Gegen axiale Verschiebung ist die Welle in bekannter Weise gesichert. Die
Welle 3. ist mit einer Reihe Rillen io und io' versehen, die weiterhin im besonderen
beschrieben werden soll.
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Die Welle 3 hat zwei im Durchmesser verstärkte Wellenteile 7, in denen
eine Reihe von Rillen io, io' angebracht sind. Diese Wellenteile 7 werden von Körpern
i i, i i' umfaßt. Die Welle 3 ist innerhalb dieser Körper drehbar, und letztere
sind in der Längsrichtung der Welle 3 beweglich. Die Körper i i und ii' sind mit
Stegen 13 versehen, in deren Außenflächen Rillen oder Kanäle 14 angebracht sind,
die mit den Rillen 15 in den im Gehäuse festliegenden Stegen 16 durch in
den Rillen liegende Kugeln 18 in Eingriff stehen. Die Stege 16 sind in radialer
Richtung (Fig.2) verschiebbar befestigt, indem die Schrauben durch Langlöcher greifen.
Diese Anordnung bezweckt einmal, daß die Körper i i gegen eine Drehbewegung um die
Achse 3 gesichert sind, und zum andern, daß die Körper i i, i i' gleichzeitig eine
verhältnismäßig reibungslose Unterlage und Führung bei ihrer Bewegung parallel zur
Welle 3 haben.
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Die Körper i i sind mit öffnungen i9 versehen, die Gewinde zur Aufnahme
der gleichfalls mit Gewinden versehenen Hülsen 2o haben; letztere tragen Kugeln
21, die in die Rillen io und io' von Welle 3 eingreifen. Bei dem Ausführungsbeispiel
liegen die Hülsen 2o mit ihren Kugeln 21 diametral gegenüber und auf beiden Seiten
von Welle 3 in zu der Welle parallelen Linien. Dadurch, daß die Hülsen 2o mit Gewinde
in Bohrungen i9 der Körper i i eingesetzt sind, sind -die Kugeln 21 ganz nach Wunsch
in verschiedenen Tiefen in die Rillen io und io' einsetzbar. Dazu sind die Hülsen
2o mit einer Art Schraubenkopf 22 versehen. Die Rillen io und io' in Welle 3 sind
so ausgebildet, daß sie annähernd die Hälfte .der Kugeln 21 aufnehmen, während die
Hülsen 2o annähernd die andere Hälfte der Kugeln 2i aufnehmen.
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Es sind auf der Welle zwei Gruppen von Rillen vorhanden. Die Rillen
der einen Gruppe sind mit io und die .der anderen mit io' bezeichnet. Die Rillen
einer jeden Gruppe sind um die Welle 3 herum einander parallel ausgebildet und verlaufen
in einem spitzen Winkel zu der die Kugelmitten verbindenden Achse; die beiden Gruppen
sind unter sich entgegengesetzt gerichtet, so daß entsprechende Punkte 23-23 und
23'-23' voneinander in der Längsrichtung der Kraftwelle 3 weiter entfernt sind als
die Punkte 24-2q. und 24'-2q.'. Die Körper i i, i i' werden durch die Einwirkung
der Arbeitskolben 30 gleichzeitig aufeinander zu und voneinander fort bewegt.
Wenn sich die Kugeln an :den Punkten 23 und
23' der Rillen befinden,
sind die Körper i i, z i' in der Längsrichtung der Kraftwelle 3 voneinander am weitesten
entfernt. Da die Körper i i, i i' gegen eine Drehung durch die Kugeln 18 in dem
Steg oder Führung 16 gesichert sind, bringen sie, wenn sie von den Kolben bewegt
werden, die Welle 3 zu einer viertel Umdrehung, während sich die Körper längs der
Welle 3 in die in Fig. 3 punktiert gezeichnete Stellung bewegen, und die Kugeln
21 befinden sich dann in den Rillen in der Stellung 2q. und 2q.'. Dann werden die
Körper i i gleichzeitig durch einen anderen Kolbensatz voneinander um eine Entfernung
fortbewegt, die gleich der ursprünglichen aufeinander zugehenden Bewegung ist, und
hierdurch wird die Welle 3 um eine weitere viertel Umdrehung gedreht, und die Kugeln
2i werden in den Rillen io nach den Punkten 2,3
und a3' auf der der Ausgangslage
gegenüberliegenden Seite der Welle zurückgebracht. Dasselbe Spiel wiederholt sich
jetzt, so daß die Welle durch die hin und her gehende Bewegung der Körper i i, i
i' in Umdrehung versetzt wird.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Satz Rillen zu je drei Stück
mit Kugeln 21 vorgesehen, die um den Umfang von Welle 3 in gleichem Abstand angeordnet
sind als gün-5tigste Anordnung, um der Welle bei jedem Hub oder Kreislauf der Maschine
eine viertel Umdrehung zu erteilen. Es können jedoch auch andere Anordnungen der
Kugeln 21 und der entsprechenden Rillen io und io' in Betracht kommen, beispielsweise
so, daß die Welle pro Motorhub eine sechstel Umdrehung macht; hierzu würden drei
Kugelgruppen notwendig sein, die in gleichem Abstand um die Welle herum angebracht
sind, wobei natürlich die Kugeln so angeordnet werden, daß sie in die Welle in Punkten
eingreifen, die in gleichem Abstande voneinander um den Wellenumfang liegen, so
daß sich der Drehimpuls gleichmäßig um die Welle herum verteilt.
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Ebenso kann der Durchmesser von Welle 3 an den gerillten Abschnitten
variieren, um auf diese Weise die Entfernung vom Mittelpunkt der Welle von ihrem
Umfang zu vergrößern, und dadurch jede beliebige Hebelwirkung erzielen. Da die Kugeln
mit den gerillten Abschnitten an dem Wellenumfang im Eingriff stehen, braucht nur
die Anzahl Winkelgrade der von den Punkten 23 und 23' und 24 und 2q.' der Rillen
eingenommenen Kreislinie als der gesamte Teil des Motorhubes oder Kreislaufes betrachtet
zu werden, der sich nicht auf voller Hebelwirkung befindet.
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Es ist ferner erkennbar, daß nicht nur Kraft an dem Umfang der Welle
3 angreift und hierdurch die volle Hebelwirkung ausgenutzt wird, sondern daß die
Kraft auch in scharfem Winkel angreift und hierdurch eine weitere Hebelwirkung gewonnen
wird. Bei vorliegender Ausführung dreht jeder Motorhub oder Kreislauf die Welle
um. eine viertel Umdrehung. Auf diese Weise erteilt jeder Kolben der Kraftwelle
3 bei jeder ihrer Umdrehungen zwei Krafthübe.
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Man erkennt außerdem, daß die Kugeln 21 in die Welle 3 auf entgegengesetzten
Seiten der Welle eingreifen, d. h. an Punkten, die an dem Umfang von Welle 3 in
gleichem Abstand voneinander stehen, so daß das Drehmoment oder der Drehimpuls der
Kugeln gleichmäßig angreift, wodurch Reibungswiderstand beseitigt und der an die
Welle 3 angelegte Drehimpuls ausgeglichen wird.
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25 ist ein zylindrischer oder ringförmiger Mittelteil eines Zylinderblocks,
der aus acht Zylindern 26 besteht. Die Zylinder 26 laufen parallel zu Welle 3 auf
beiden Seitendes mittleren ringförmigen Teiles 25. Zweckmäßig werden die Zylinder
26 und das Mittelteil 25 (der nachstehend als Ring bezeichnet wird) aus einem Stück
gegossen.
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Das Zylindergehäuse wird indem Rahmen i so befestigt, daß die Mittelpunkte
der Zylinder 26 in gleichem Abstand zum Mittelpunkt der Welle 3 liegen. In jedem
der Zylinder 26 ist ein Kolbenpaar 3o angebracht. Der ringförmige Teil 25 ist in
zwei Abschnitte geteilt, die je eine Öffnung haben. Öffnung 31 (Fig. i) dient als
Dampfkasten, in den Dampf durch das Rohr 32 hindurch eingelassen wird. Von diesem
Dampfkasten 31 aus führen Einlaßkanäle 33 in die Zylinder 26. Ebenso dient die Öffnung
34 mit ihren Einlaßkanälen 35, die von den Zylindern 26 ausgehen, als Auspuffkammer,
aus der der Dampf durch das Rohr 37 hindurch ausgeblasen wird. Im übrigen sind Ventile
und sonstige zum Betrieb der Kolben notwendige Einrichtungen vorgesehen, die für
die Erfindung jedoch unwesentlich sind.
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Bei der hier beschriebenen Achtzylindermaschine sind jeweilig vier
von den Zylindern beim Arbeitshub; diese sind paarweise in Bezug auf die Kraftwelle
3 entgegengesetzt angeordnet, während die anderen vier Zylinder; die entsprechend
angeordnet sind, beim Auspuffhub sind. Jedem der Körper i i ist die Hälfte der Gesamtzahl
der Kolben zugeordnet. Es ist jedoch auch möglich, eine andere Zahl von Zylindern
in entsprechender Anordnung zu wählen.
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Die Kölben 30 sind mit Kolbenstangen 41 versehen, die an ihren
Außenenden an den Körpern i i und i i' unter Vermittlung der Arme 44, 44' befestigt
sind. Diese Arme 4q., q.4.' sind so an den Körpern i i und i i' angebracht, daß
immer jeder Kolben jedes Kolbenpaares an einem der beiden Körper i i und
i
i' angreift, und zwar so, .daß die Bewegungen der Kolben sich ergänzende Bewegungen
der Körper ii und ii' hervorrufen. So bewegen die Kolben eines Paares beispielsweise
die Körper i i so, daß diese in der Längsrichtung der Welle 3 auseinandergehen und
damit die Welle um einen Teil gedreht wird. Diese auseinandergehende Bewegung der
Körper i i ruft gleichzeitig über die Arme q.q.' eine aufeinander zu gerichtete
Bewegung .der Kolben in einem entgegengesetzt angeordneten Zylinderpaar oder deren
mehreren hervor. Dadurch wird der Dampf aus diesen Zylindern ausgeblasen, bis die
Kolben in eine Lage kommen, in der sie wieder unter den Druck des Dampfes gesetzt
werden. Sie beginnen daraufhin sich wieder nach außen zu bewegen und bewegen damit
über .die Arme qq' . die Körper i i, i i' wieder zueinander.
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Die Kolben sind in zwei Gruppen angeordnet, wobei je eine Gruppe unmittelbar
'und zwangsläufig mit einem der Körper i i, i i' verbunden ist. Jede Gruppe besteht
aus der Hälfte der Gesamtzahl Kolben. In Fig. i können die Körper i i, i i' als
rechts- und linksliegend bezeichnet werden, wobei die Zylinderenden gleichfalls
als rechtes und linkes Ende betrachtet werden. Die am rechten Körper ii befestigten
Kolbengruppen bestehen zunächst aus einem Kolben in seinem rechten Zylinderende,
weiterhin aus einem Kolben im linken Ende des danebenliegenden Zylinders, dann aus
einem Kolben im rechten Ende des folgenden (daneb:enliegenden) Zylinders und so
weiter um die ganze Maschine herum. Die andere Kolbengruppe ist hinsichtlich des
linken Kreuzkopfes entsprechend angeordnet.
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In Fig. q. ist eine abgeänderte Bauform von Welle 3 dargestellt, bei
der die Welle mit einem Mittelstück versehen ist, das stärker ist als die Hauptteile;
letztere sind mit Keilsitzen 59 versehen, in die Keile (nicht dargestellt) eingesetzt
sind; ein Paar gerillte Stücke 6o sind mit einer Keilnut zur Aufnahme von Keilen
versehen und über die Wellenteile und gegen das verdickte Mittelstück der Welle
gepreßt, das als Entfernungsbestimmer wirkt und die gerillten Stücke längs der Welle
anordnet. Die Muttern 61 sind -auf die mit Gewinde versehenen Abschnitte 62 der
Welle aufgeschraubt. und fest gegen die gerillten Abschnitte 6o gedrückt, wodurch
letztere auf der Welle zwangsläufig angebracht werden. Diese Anordnung gestattet
bequeme Erneuerung der gerillten Teile, falls diese sich abnutzen sollten.