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DE102005047634A1 - Dual crank lever for piston engine, is assembled from crank levers, so that head of inner crank lever is used as rotation axis for outer crank lever, where inner lever is rotated around angle and outer lever is rotated in opposite direction - Google Patents

Dual crank lever for piston engine, is assembled from crank levers, so that head of inner crank lever is used as rotation axis for outer crank lever, where inner lever is rotated around angle and outer lever is rotated in opposite direction Download PDF

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DE102005047634A1
DE102005047634A1 DE200510047634 DE102005047634A DE102005047634A1 DE 102005047634 A1 DE102005047634 A1 DE 102005047634A1 DE 200510047634 DE200510047634 DE 200510047634 DE 102005047634 A DE102005047634 A DE 102005047634A DE 102005047634 A1 DE102005047634 A1 DE 102005047634A1
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crank
lever
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crank lever
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C3/00—Shafts; Axles; Cranks; Eccentrics
    • F16C3/04—Crankshafts, eccentric-shafts; Cranks, eccentrics
    • F16C3/22—Cranks; Eccentrics
    • F16C3/24—Cranks; Eccentrics with return cranks, i.e. a second crank carried by the crank-pin

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Transmission Devices (AREA)

Abstract

The lever is assembled from two crank levers of same radius (r), so that head of an inner crank lever (A) is used as a rotation axis for an outer crank lever (B). The inner crank lever is rotated around an angle (alpha ) and the outer crank lever is rotated around the same angle in an opposite direction, such that a head of the outer crank lever is placed in a linear stroke movement of a piston. One of the pistons (K) is used in rotation, where the pistons produce rotation in the opposite direction with same angular speed.

Description

Um eine geradlinige Bewegung in Rotation umzuwandeln wird in verschiedenen Maschinen eine Kurbel benutzt. Das übliche Schema einer solchen einkurbeligen Umwandlung ist auf der 1. gezeigt. Hier wird die lineare Hubbewegung des Kolbens „K" entlang der Koordinatenachse „x" mit Hilfe einer Pleuelstange „l" in Rotation der Kurbel „A" um die Achse „O" umgewandelt. Die Einfachheit ist der offensichtliche Vorteil dieses Schema. Ebenso offensichtlich sind auch seine Nachteile. Durch die Wirkungskraft „F →x(α)" entsteht eine entsprechende Querkraft „F →y(α)", die sowohl den Reibungswiderstand des Mechanismus erhöht, als auch zum zusätzlichen Verschleiß führt. Außerdem, eine gleichmäßige Rotation der Kurbel „A" führt zur komplizierten zweidimensionalen Schwingungen der Pleuelstange „l" und entsprechend zur unharmonischen Schwingungen des Kolbens „K", wodurch zusätzliche Trägheitskräfte entstehen. Um diese Nachteile zu beheben wird hier eine doppelkurbelige Umwandlung vorgeschlagen. Das zweidimensionale Schema der Doppelkurbel ist auf der 2. dargestellt.In order to convert a linear movement into rotation, a crank is used in different machines. The usual scheme of such a cranking conversion is on the 1 , shown. Here, the linear stroke of the piston "K" along the coordinate axis "x" is converted into the rotation of the crank "A" about the axis "O" by means of a connecting rod "l". "Simplicity is the obvious advantage of this scheme Its disadvantages are that the force "F → x (α)" gives rise to a corresponding lateral force "F → y (α)" which increases both the frictional resistance of the mechanism and the additional wear and tear, as well as uniform rotation of the crank "A" leads to the complicated two-dimensional vibrations of the connecting rod "l" and corresponding to the inharmonic vibrations of the piston "K", whereby additional inertial forces arise. To overcome these disadvantages, a double-cranking conversion is proposed here. The two-dimensional scheme of the double crank is on the 2 , shown.

Die Doppelkurbel wird aus zwei Kurbeln „A" und „B" dem gleichen Radius „r" zusammengebaut, und zwar so, dass „Kopf" der Kurbel „A" als Drehachse für die Kurbel „B" dient. Dabei, falls die innere Kurbel „A" um einen Winkel „α" um die Achse „O" in eine Richtung gedreht wird, dann dreht sich die äußere Kurbel „B" entsprechend um den gleichen Winkel „α" um die Achse „A" in die Gegenrichtung. Um eine solche entsprechende Rotation der Kurbel „B" in Gegenrichtung zur Rotation der Kurbel „A" zu gewährleisten, ist die Kurbel „B" mit einem Zahnrad „P" versehen, das sich im Innen eines Zahnkranz „Q" wälzt (siehe 2). Also, eine so zusammengebaute Doppelkurbel („A"–„B") besteht aus einer Innenkurbel „A" und einer Außenkurbel „B" dem gleichen Radius „r", die mit der gleichen Winkelgeschwindigkeiten in Gegenrichtung zueinander rotieren. Diese Gegenrotation der beiden Kurbeln mit den gleichen Winkelgeschwindigkeiten ist am einfachsten durch Einsatz eines Zahnrades und eines Zahnkranzes zu erzielen.The double crank is composed of two cranks "A" and "B" of the same radius "r", in such a way that "head" of the crank "A" serves as a rotation axis for the crank "B". In this case, if the inner crank "A" is rotated by an angle "α" about the axis "O" in one direction, then the outer crank "B" rotates correspondingly by the same angle "α" about the axis "A" in the opposite direction. In order to ensure such a corresponding rotation of the crank "B" in the opposite direction to the rotation of the crank "A", the crank "B" is provided with a gear "P", which rolls in the inside of a ring gear "Q" (see 2 ). Thus, a double crank ("A" - "B") assembled in this way consists of an inner crank "A" and an outer crank "B" of the same radius "r" rotating at the same angular velocities in the opposite direction to each other with the same angular velocities is most easily achieved by using a gear and a ring gear.

Aus dem grafischen Schema einer solchen Doppelkurbel (siehe 2) ist es leicht zu sehen, dass der Punkt „B" in einer Dimension entlang der Koordinatenachse „x" schwingt, und seine Bewegung einer harmonischen Formel entspricht: xB = 2·r·cosα. (1) From the graphic scheme of such a double crank (see 2 ) it is easy to see that the point "B" vibrates in one dimension along the coordinate axis "x", and its motion corresponds to a harmonic formula: x B = 2 · r · cosα. (1)

Die eindimensionalen harmonischen Schwingungen des „Kopfes" der Außenkurbel „B" werden durch Einsatz einer Stoßstange „m" für Antrieb einen Kolben „K" benutzt. Damit sind die oben genannten Nachteile der einkurbeligen Umwandlung beseitigt.The One-dimensional harmonic oscillations of the "head" of the outer crank "B" are made by using a bumper "m" for propulsion used a piston "K" eliminates the above-mentioned disadvantages of the single-cranked conversion.

Das dreidimensionale Schema der Doppelkurbel ist auf der 3. dargestellt. Hier schwingt der „Kopf" der Außenkurbel „B" in einer Dimension entlang der Linie „L", die parallel zur Koordinatenachse „x" liegt.The three-dimensional scheme of the double crank is on the 3 , shown. Here, the "head" of the outer crank "B" swings in one dimension along the line "L" which is parallel to the coordinate axis "x".

Allgemein, für Antrieb von mehreren Kolben in einer mehrzylinder Maschine wird entsprechende Menge Kurbeln benutzt, die aus konstruktiven Gründen öfters entlang einer Achse ausgerichtet werden. So entsteht eine Kurbelwelle. Der gleiche Zugang ist auch für die hier vorgeschlagene Doppelkurbel gültig. Dabei bietet die Doppelkurbel reichlich Möglichkeiten für konstruktive Gestaltungen von mehrzylinder Maschinen.Generally, for drive of several pistons in a multi-cylinder machine becomes appropriate Used amount of cranks, which often aligned along an axis for structural reasons become. This creates a crankshaft. The same access is also for the here proposed double crank valid. It offers the double crank plenty of possibilities for constructive Designs of multi-cylinder machines.

Ein mögliches Beispiel ist auf der 4. dargestellt. Hier bilden die Kurbeln „B1" und „B2" eine Kurbelwelle („B1"–„B2"), die als Antrieb für vier Kolben dient. Für Vereinfachung des Schemas sind auf der 4. keine Zahnräder „P" und Zahnkränze „Q" gezeigt. Die Hubbewegung der Kolben („K1", „K2") und („K3", „K4") folgt entlang der Linien „L1" und „L2", die auf der 4. senkrecht zueinander orientiert sind, weil der Winkel zwischen Kurbeln „B1" und „B2" als 180° bestimmt ist. Durch Ändern diesen Winkels können Linien „L1" und „L2" unter einem beliebigen Winkel gekreuzt werden. Eine synchrone Rotation der Kurbeln „A1" und „A2" soll offensichtlich durch eine zusätzliche Synchronisierungswelle gewährleistet werden (ist auf der 4 nicht gezeigt). Damit scheint die Beschreibung der 4. ausreichend zu sein, weil es hier nicht um Entwicklung einer neuen Maschine, sondern lediglich um einen Beispiel für eine mögliche Anwendung der doppelkurbeligen Umwandlung geht.A possible example is on the 4 , shown. Here, the cranks "B 1 " and "B 2 " form a crankshaft ("B 1 " - "B 2 "), which serves as a drive for four pistons. For simplification of the scheme are on the 4 , no gears "P" and sprockets "Q" shown. The reciprocating motion of the pistons ("K 1 ", "K 2 ") and ("K 3 ", "K 4 ") follows along the lines "L 1 " and "L 2 " which are on the 4 , are oriented perpendicular to each other, because the angle between cranks "B 1 " and "B 2 " is determined as 180 °. By changing this angle, lines "L 1 " and "L 2 " can be crossed at any angle. A synchronous rotation of the cranks "A 1 " and "A 2 " is apparently to be ensured by an additional synchronization shaft (is on the 4 Not shown). This seems to be the description of the 4 , to be sufficient, because this is not about developing a new machine, but just an example of a possible application of double-cranking conversion.

Eine wichtige Charakteristik für die Kolbenmotoren ist deren Drehmoment. Aus allgemeinen kinematischen Vorstellungen folgt, dass bei übrigen gleichen Bedingungen wird der Motor über ein höheres Drehmoment verfügen, der die kürzeren Pleuelstangen hat. Diese Behauptung ruht auf nächsten Überlegungen (siehe 1). Auf den Kolben „K" mit einer Querfläche „S" wirkt der Gasdruck „P(α)", der vom Drehwinkel „α" abhängig ist. Dadurch entsteht eine Wirkungskraft: F →x(α) = S·P(α). (2)An important characteristic for the piston engines is their torque. From general kinematic notions it follows that in other equal conditions the engine will have a higher torque having the shorter connecting rods. This claim rests on further considerations (see 1 ). On the piston "K" with a transverse surface "S" acts the gas pressure "P (α)", which is dependent on the rotation angle "α". This creates an effect: F → x (α) = S × P (α). (2)

Daraus ergibt sich die Kraft „F →(α)":

Figure 00030001
die durch die Pleuelstange „l" auf den effektiven Radius „ref" wirkt:
Figure 00030002
This results in the force "F → (α)":
Figure 00030001
which acts on the effective radius "r ef " by the connecting rod "l":
Figure 00030002

Die Formeln (3) und (4) bestimmen den Drehmoment „M(α)":

Figure 00030003
The formulas (3) and (4) determine the torque "M (α)":
Figure 00030003

Der Winkel „β" ist durch Länge der Pleuelstange „l" definiert: r·sinα = l·sinβ (7) sinβ = rl ·sinα (8) The angle "β" is defined by the length of the connecting rod "l": r · sinα = l · sinβ (7) sin = r l · Sinα (8)

Aus Formeln (6) und (8) folgt:

Figure 00030004
oder:
Figure 00030005
From formulas (6) and (8) follows:
Figure 00030004
or:
Figure 00030005

Es ist bequemer die Länge „l" in Maßeinheiten „r" darzustellen: l = k·r, (k ≥ 1). (11) It is more convenient to represent the length "l" in units of measure "r": l = k · r, (k ≥ 1). (11)

Jetzt hat die Formel (10) folgendes Aussehen:

Figure 00030006
Now formula (10) looks like this:
Figure 00030006

Die Formel (12) zeigt, dass je länger die Pleuelstange „l" ist (d.h. „k" ist entsprechend größer), desto kleiner ist der Wert „M(α)", und sein Minimum beträgt: Minimum M(α) = r·S·P(α)·sinα. (13) The formula (12) shows that the longer the connecting rod is "1" (ie, "k" is correspondingly larger), the smaller is the value "M (α)", and its minimum is: Minimum M (α) = r * S * P (α) * sinα. (13)

Umgekehrt, bei der möglichst kürzeren Pleuelstange: „l" = „r" (d.h. „k" = 1), erreicht der Wert „M(α)" seinen Maximum: Maximum M(α) = 2·r·S·P(α)·sinα. (14) Conversely, with the connecting rod as short as possible: "l" = "r" (ie "k" = 1), the value "M (α)" reaches its maximum: Maximum M (α) = 2 * r * S * P (α) * sinα. (14)

Das mittlere Drehmoment „M" für einen Zweitakt-Motor ergibt sich durch Ausmittlung den Werten „M(α)" für eine Umdrehung:

Figure 00040001
The mean torque "M" for a two-stroke engine is obtained by calculating the values "M (α)" for one revolution:
Figure 00040001

Die Formeln (13), (14) und (15) zusammengefasst:

Figure 00040002
Formulas (13), (14) and (15) summarize:
Figure 00040002

Für einen Viertakt-Motor soll die Ausmittlung den Werten „M(α)" für die zwei Umdrehungen des Motors durchgeführt werden:

Figure 00040003
For a four-stroke engine, the determination of the values "M (α)" for the two revolutions of the engine should be carried out:
Figure 00040003

Das mittlere Drehmoment eines Viertakters liegt in folgenden Grenzen:

Figure 00040004
The mean torque of a four-stroke engine is within the following limits:
Figure 00040004

Hier soll es noch bemerkt werden, dass das auf der Achse „O" vermessene „Ist-Drehmoment" wird etwas kleiner, als der nach Formeln (12) und (15), beziehungsweise (12) und (17), berechneter Wert. Dafür ist der Reibungswiderstand verantwortlich, der durch Wirkung der Querkraft „F →y(α)" entsteht (siehe 1).It should be noted here that the measured on the axis "O""actualtorque" is slightly smaller than the formula according to formulas (12) and (15), or (12) and (17), calculated value. This is due to the frictional resistance caused by the effect of the lateral force "F → y (α)" (see 1 ).

Im Falle einer Doppelkurbel gibt es keine Pleuelstangen (siehe 2 und 3). Die Innenkurbel „A" wird durch Außenkurbel „B" angetrieben, die in diesem Sinne als eine möglichst kürzere Pleuelstange dient (siehe 2 und 3). Das heißt, ein Motor mit einer Doppelkurbel würde das maximale Drehmoment aufweisen, das mit Formeln (14) und (15), beziehungsweise (14) und (17), zu berechnen ist. Es ist hier noch zu ermahnen, dass in diesem Mechanismus keine Querkraft „F →y(α)" entsteht, deren Einfluss zur Verminderung des berechneten Wertes bei der Einzelkurbel führte. Dies führt sowohl zur Erhöhung des „Ist-Drehmomentes", als auch zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Motors.In the case of a double crank, there are no connecting rods (see 2 and 3 ). The inner crank "A" is driven by the outer crank "B", which in this sense serves as the shortest possible connecting rod (see 2 and 3 ). That is, a double crank motor would have the maximum torque to be calculated with formulas (14) and (15), and (14) and (17), respectively. It should be pointed out here that this mechanism does not produce a transverse force "F → y (α)", the influence of which reduced the calculated value of the single crank, leading both to an increase in the "actual torque" and to the "actual torque" Increasing the efficiency of the engine.

Claims (3)

Einleitung (Stand der Technik). Die lineare Hubbewegung eines Kolbens wird in verschiedenen Maschinen durch Einsatz einer Pleuelstange in rotation der Kurbel um ihre Achse umgewandelt (oder auch umgekehrt). Eine gleichmäßige Rotation der Kurbel führt zur zweidimensionalen Schwingungen der Pleuelstange und unharmonischen Schwingungen des Kolbens. Die dementsprechend entstehende Kräfte sowohl den Reibungswiderstand des Mechanismus erhöhen, als auch zum zusätzlichen Verschleiß führen.Introduction (prior art). The linear Lifting movement of a piston is through in different machines Use of a connecting rod in rotation of the crank about its axis converted (or vice versa). A uniform rotation of the crank leads to two-dimensional oscillations of the connecting rod and inharmonious Vibrations of the piston. The corresponding forces both increase the frictional resistance of the mechanism, as well as the additional Wear leads. Patentanspruch. Die Beseitigung dieser Nachteile ist durch Anwendung der hier vorgeschlagenen Doppelkurbel möglich, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie aus zwei Kurbeln dem gleichen Radius „r" zusammengebaut wird, und zwar so, dass „Kopf" der Innenkurbel „A" als Drehachse für die Außenkurbel „B" dient, wobei falls eine von diesen Kurbeln in Rotation gesetzt wird, dies bewirkt eine Rotation in die Gegenrichtung mit der gleichen Winkelgeschwindigeit der Anderen.Claim. The elimination of these disadvantages is through Application of the double crank proposed here, thereby characterized in that it is assembled from two cranks of the same radius "r", in such a way that "head" of the inner crank "A" serves as a rotation axis for the outer crank "B", where if one of these cranks is set in rotation, this causes a Rotation in the opposite direction with the same Winkelgeschwindigeit the other. Die nicht Patentanspruchsgeltende Bemerkungen. Die Gegenrotation der beiden Kurbeln mit den gleichen Winkelgeschwindigeiten ist am einfachsten durch Einsatz eines Zahnrades und eines Zahnkranzes zu erzielen. Die Anwendung der Doppelkurbel in den Kolbenmotoren ermöglicht den maximalen Drehmoment zu erreichen und den Wirkungsgrad des Motors zu erhöhen.The non-patent claiming comments. The counter rotation of the two cranks with the same Winkelgeschwindigeiten is most easily achieved by using a gear and a ring gear. The application of the double crank in the piston engines allows to achieve the maximum torque and to increase the efficiency of the engine.
DE200510047634 2005-10-05 2005-10-05 Dual crank lever for piston engine, is assembled from crank levers, so that head of inner crank lever is used as rotation axis for outer crank lever, where inner lever is rotated around angle and outer lever is rotated in opposite direction Withdrawn DE102005047634A1 (en)

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