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Die Erfindung bezieht sich auf eirnn Kurbeltrieb für
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eine Hubkolbenmaschine.
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Bei den bekannten Kurbeltrieben für Hubkolbenmaschinen bewegt sich
der Kurbelzapfen auf einer kreisförmigen Bahn. Dies bedingt eine Schrägstellung
dcr Pleuelstange, so daß der Kolben Seitenkräfte ausübt. Besonders groß sind diese
Seitenkräfte freilich bei den heutzutage wegen ihres geringeren Kraftstoffverbrauch
angestrebten langhubigen Bremskraftmaschinen mit ihren, für eine akzeptable Bauhöhe
erforderlichen, relativ kurzen Pleuelstangen. Zur Aufnahme dieser Seitenkräfte weist
bei Motoren der Tauchkolbenbauart der Kolben einen Kolbenschaft auf. Der Kolbenschaft
führt jedoch zu einer Vergrößerung der Bauhöhe des Motors und des Gewichts des Kolbens.
Trotz Kolbenschaft sind jedoch Reibung und Verschleiß noch beträchtlich, so daß
ein spielfreier Lauf des Kolbens ebenso unumgänglich ist, wie ein entsprechend hoher
Motoröldruck, der durch eine Ölpumpe erzeugt wird. Auch geht die Reibung von Kolben
bzw. Kolbenschaft zu Lasten des Kraftstoffverbrauchs.
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Weiterhin wird durch den Kolbenschaft die Wärmemenge erhöht, die der
olben an die Zylinderwandung abführt. Bedingt durch die Schrägstellung der Pleuelstange
wird dem Kolben ferner in der Praxis eine leicht oval-ballige Form verliehen, was
die Herstellungskosten des Kolbens zusätzlich erhöht. Schließlich sind zur gelenkigen
Verbindung zwischen Kolben und Pleuelstange Kolbenaugen, Kolbenbolzen usw. erforderlich,
ebenso eine massive Ausführung der Pleuelstange.
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All dies führt zu einer weiteren beträchtlichen Erhöhung der oszillierenden
Massenkräfte.
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Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt
die Aufgabe zugrunde, einen Kurbeltrieb für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere
eine Hubkolbenbrennkraftmaschine anzugeben, welcher Sie durch die Schrägstellung
der Pleuelstange verursachten Nachteile nicht mehr besitzt, d.h. der insbesondere
zu einer geringen Bauhöhe des Motors, einem geringeren Kraftstoffverbrauch und zu
geringen oszillierenden
Massenkräften führt und trotzdem einen geringeren
Herstellungsaufwand erfordert als die herkömmlichen Kurbeltriebe von Hubkolbenmaschinen.
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Nachstehend sind Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten
zeichnung beispielsweise beschrieben.
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Darin zeigen: Fig. l einen Längsschnitt durch einen Boxermotor mit
einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kurbeltriebes; Fig. 2 einige
Teile des Kurbeltriebes nach Fig. l in auseinandergezogener, schematischer Darstellung,
Fìg. 3a-3c im Querschnitt die Bewegung des Kurbelzapfens zwischen unterem und oberem
Totpunkt in schematischer Wiedergabe bei dieser Ausführungsform; Fig. 4 u. 5 einen
Zylinder in teilweiser, schematischer Wiedergabe mit einer Vorrichtung zur Änderung
des Verdichtungsverhältnisses, ünd zwar im Långsschnitt bzw. in der Draufsicht;
Fig. 6 schematisch eine Vorrichtung zur Steuerung und Änderung des Drehsinns der
Abtriebswelle eines Motors mit dem erfindungsgemäßun Kurbeltrieb, und Fig. 7 eine
teilweise aeschnittene Draufsicht auf einen Boxermotor mit einer zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäBen Kurbeltriebs.
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Der in Fig. 1 dargestellte Boxermotor weist zwei Zylinder 1, 2 auf,
die in Bezug auf die von einem Kurbelgehäuse 3 aufgenommene Kurbelwelle 4 entgegengesetzt
angeordnet sind und in denen Kolben 5 und 6 verschieblich geführt sind. Statt einer
daran angelenkten Pleuelstange ist jeder Kolben 5, 6 mit einer an ihm starr befestigten,
beispielsweise angeschweißten Kolbenstange 7, 8 versehen.
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Beide Kolbenstangen 7, 8 sind an einem Lagerring 9 befestigt, der
den Kurbelzapfen 10 der Kurbelwelle 4 umschließt.
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Die Kurbelwelle 4 weist, wie Fig. 1 und 2 zu entnehmen, beiderseits
des Kurbelzapfens 10 zwei daran drehfest angeordnete Kurbelwangen 11, 12 auf, die
scheibenförmig ausgebildet sind und an deren Außenseite mittig jeweils ein Zahnrad
13, 14 befestigt ist (in Fig. 2 sind die links an die linke Kurbelwange 12 anschließenden
Teile nicht dargestellt).
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Jedes Zahnrad 13, 14 ist auf der der Kurbelwange 11, 12 abgewandten
Seite mit einem koaxialen Mitnehmerzapfen 15, 16 versehen.
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Jedes der Zahnräder 13, 14 kämmt in einem drehfest mit dem Kurbelgehäuse
3 verbundenen Innenzahnkranz 17, 18.
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Weiterhin ist an jedem Ende des Kurbelgehäuses 3 jeweils eine Scheibe
19, 20 angeordnet. Jede Scheibe 19, 20 ist mittels eines Radiallagers 21, 22 sowie
mittels Axial-Nadellagern 23, 24 drehbar im Kurbelgehäuse 1 gelagert, koaxial zu
den Innenzahnkränzen 17-, 18 angeordnet sowie mit einem exzentrischen Auge 25, 26
versehen, das den Mitnehmerzapfen 15, 16 drehbar aufnimmt.
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Das Kurbelgehäuse 3 ist an jedem Ende mit einem Gehäusedeckel 27,
28 versehen. Zwischen Kurbelgehäuse 3 und jedem
Deckel 27, 28 ist
eine Dichtung 29, 30 vorgesehen. Durch Axialbewegung jedes Deckels 27, 28 mittels
nicht dargestellter in das Kurbelgehäuse 3 eingreifender Schrauben ist das jeweilige
Axial-Nadellager 23, 24 unter Zusammendrücken der Dichtung 29, 30 leicht spielfrei
einstellbar.
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Ein Kurbelwellenzapfen oder eine Abtriebswelle 31 dient zur Kraft-
oder Drehmomentabnahme.
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Bei dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Kurbeltrieb ist die Achse 32
des Kurbelzapfens 10 derart gegenüber der Drehachse der Zahnräder 13, 14 versetzt
angeordnet, daß sie mit dem Teilkreis der Zahnräder 13, 14 zusammenfällt. Außerdem
ist der Teilkreisdurchmesser der Innenzahnkränze 17, 18 genau doopelt so groß wie
der Teilkreisdurchmesser der Zahnräder 13, 14; d.h. die Zähnezahl der Innenzahnkränze
17, 18 ist doppeltso groß wie die Zähnezahl der Zahnräder 13, 14.
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Wie in Fig. 3a bis 3c veranschaulicht, wird auf diese Weise eine lineare
Hin- und Herbewegung des Kurbelzapfens 10 zwischen den beiden Totpunkten des Kolbens
5 (UT und OT) entlang'der Geraden 33 zustandegebracht. Durch diese rein lineare
Bewegung des Kurbelzapfens 10 kommen die üblichen Pleuelstangen in Fortfall und
können durch die starr mit den Kolben 5, 6 verbundenen Kolbenstangen 7, 8 ersetzt
werden.
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Ein Vorteil der Erfindung ist also der, daß die gelenkige Verbindung
zwischen Kolben und Pleuelstange und damit Kolbenbolzen, Kolbenaugen usw. eliminiert
sind. Weiterhin wird durch die lineare Hin- und Herbewegung des Kurbelzapfens 10
bzw. der Kolbenstangen 7, 8 keine Seitenkraft mehr auf die Kolben ausgeübt, d. h.
die Reibung zwischen Kolben 5, 6 und Zylinderwandung wird ganz erheblich herabgesetzt.
Daraus resultieren mehrere Vorteile. Erstens ist
kein Kolbenschaft
mehr erforderlich, vielmehr braucht der Kolben 5, 6 nur noch eine solche Lange aufzuweisen,
wie sie zur Aufnahme der Dichtelemente, also beispielsweise der Dichtringe erforderlich
ist. Dies hat eine Verringerung der Bauhöhe des Motors zur Folge. Weiterhin ist
durch die Verkürzung der Kolben 5, 6 durch Wegfall des Kolbenschaftes die Berührungsfläche
zwischen Kolben 5, 6 und der Wandung des Zylinders 1, 2 verringert, und damit der
Wärmeübergang vom Kolben 5, 6 auf den Zylinder 1,2. Dadurch wird eine Erhöhung des
Wirkungsgrades des Motors erzielt, die sich besonders stark bei Dieselmotoren auswirkt.
Durch die Reibungsverminderung ergibt sich auch eine beträchtliche Reduzierung des
Kraftstoffverbrauchs, und zwar rechnerisch von ca. 15-20 %. Ferner kann der Kolben
5, 6 zylindrisch ausgebildet sein, braucht also nicht mehr oval-ballig zugeschliffen
zu werden. Weiterhin entfallen die hochbeanspruchten Lager des herkömmlichen Kurbeltriebs,
insbesondere Gleitlager, wie Pleuellagerschalen und Hauptlagerschalen, so daß eine
übiiche Getriebeschmierung ausreicht. Auch ist ein größeres Spiel der Kolben 5,
6 möglich.
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Der Fortfall der Gelenkteile zwischen Pleuelstange und Kolben sowie
die Verkürzung des Kolbens bewirkt ferner eine Verringerung der Massenkräfte. Durch
die lineare Bewegung des Kurbelzapfens 10 und damit der Kolbenstangen 7, 8 bei dem
erfindungsgemäßen Kurbeltrieb, d. h. durch das Fehlen größerer Seitenkräfte, können
die Kolbenstangen 7, 8 rohrförmig ausgebildet werden, wie in Fig. 1 mit gestrichelten
Linien dargestellt. Dies hat eine weitere Verringerung der Massenkräfte zur Folge.
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Die rohrförmig ausgebildeten Kolbenstangen 7, 8 werden in vorteilhafter
Ausgestaltung der Erfindung an ihrem dem Kurbelzapfen 10 zugewandten Ende mit einem
Innengewinde
versehen und damit auf einen-Gewindezapfen 33, 34
aufgeschraubt, der am Lagerring 9 auf dem Kurbelzapfen 10 befestigt ist.
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Durch die Anordnung der Kolbenstange 7, 8 auf den Gewindezapfen 33,
34 läßt sich das Verdichtungsverhältnis während des Betriebs des Motors auf einfache
Weise durch Drehen der Kolbenstange 7, 8 um ihre Längsachse ändern bzw.
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steuern, beispielsweise in Abhängigkeit von der Drehzahl, vom Füllungsvolumen
oder vom Ladedruck bei Turbomotoren.
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In Fig. 4 und 5 ist ein Beispiel einer Vorrichtung zur Änderung bzw.
Steuerung des Verdichtungsverhältnisses durch Drehung der Kolbenstange 7, 8 während
des Betriebs des Motors dargestellt. Dabei ist am Zylinder 1 oder am Motorgehäuse
ein Gehäuse 35 vorgesehen, das mittels Führungsschienen 36, 37 entlang einer zur
Kolbenstange 7 konzentrischen Bahn innerhalb eines bestimmten Winkels hin und her
verschieblich ist.
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Das Gehäuse 35 dient der Lagerung einer Kugel 38, die eine zentrale
Bohrung 39 aufweist, in der eine Stange 40 verschieblich geführt ist.
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Die Stange 40 ist um eine Querachse verschwenkbar an der Kolbenstange
7 angelenkt. Durch Verschiebung des Gehäuses 35 entlang der Führung 36, 37 wird
also der Gewindezapfen 33 in die rohrförmige Kolbenstange 7 hinein bzw. aus ihr
herausgeschraubt, so daß der Abstand zwischen Kurbelzapfen 10 und Kolben 5 sich
ändert. Das Ausmaß dieser Abstandsänderung wird durch den Winkel, um den das Gehäuse
35 verschoben wird, bestimmt, ferner durch die Gewindesteigung des Gewindezapfens
33.
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Bei einem Motor mit Turboaufladung soll die Verdichtung kontinuierlich
mit dem Anstieg des Ladedrucks abnehmen.
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Dazu kann, wie aus Fig. 5 ersichtlich, zur Verschiebung des Gehäuses
35 und damit zur Steuerung der Verdichtung ein Betätigungszylinder 41 vorgesehen
sein, in dem ein Kolben 42 verschieblich geführt ist. Der Kolben 42 wird über eine
Leitung 43 auf einer Seite mit dem Ladedruck des (nicht dargestellten) Turboladers
beaufschlagt und ist in der entgegengesetzten Richtung mit einer Feder 44 belastet.
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Die Kolbenstange 45 ist am Kolben 42 sowie an dem entlang der Führung
36, 37 verschiebbaren Gehäuse 35 angelenkt.
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Auf diese Weise herrscht, während sich der Ladedruck aufbaut, zunächst
eine relativ große Verdichtung durch die Stellung des Gehäuses 35 im linken oberen
Quartal des in Fig. 5 dargestellten Zylinders 1 welche mit zunehmendem Ladedruck
und Verschiebung des Gehäuses 35 im Uhrzeigersinn abnimmt.
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Durch die Linearbewegung des Kurbelzapfens 10 bei dem erfindungsgemäßen
Kurbeltrieb kann der Kurbelzapfen 10 gemäß Fig. 1 und 2 auch drehbar in den Kurbelwangen
11, 12 gelagert sein. Dadurch ist es möglich, die eine Scheibe 19 bzw. 20 in einer
anderen Drehrichtung umlaufen zu lassen als die andere Scheibe 20 bzw. 19. Notwendig
ist dazu lediglich ein Steuergetriebe, das den Scheiben 19, 20 die unterschiedliche
Drehrichtung aufzwingt.
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Ein derartiges Steuergetriebe ist in Fig. 6 dargestellt.
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Es besteht aus zwei parallelen Wellen 46, 47, die über zwei Zahnräder
48, 49 gekoppelt sind und über Zahnriemen 50, 51 oder dergleichen von den Zapfen
31, 31 an den Scheiben 19, 20 angetrieben werden.
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Dadurch kann auf sehr elegante Weise der Drehsinn des Antriebszapfens
31 geändert werden, nämlich durch Zwischenschaltung eines einfachen Schaltgetriebes
52, beispielsweise in der Welle 47 des Steuergetriebes. Die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Kurbeltriebs nach Fig. 6 ist überall dort anwendbar, wo gegenläufige Rotoren verlangt
werden, also beispielsweise bei Werkzeugmaschinen.
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In Fig. 3a bis 3c ist die Bewegung des Kurbelzapfens 10 veranschaulicht,
und zwar auf der Geraden 33, die den Mittelpunkt des Teilkreises des Innenzahnkranzes
17, 18 schneidet. Wie erwähnt, ist dafür ein Verhältnis des Teilkreisdurchmessers
des Innenzahnkranzes 17, 18 zum Teilkreisdurchmesser des Zahnrades 13, 14 von genau
2:1 erforderlich. Weisen hingegen die Zahnräder 13, 14 einen Teilkreisdurchmesser
auf, der mehr als halb so groß ist wie der Teilkreisdurchmesser der Innenzahnkränze
17, 18, dann bewegt sich ein Punkt (also die Achse 32 des Kurbelzapfens lO) auf
dem Teilkreis des Zahnrades 13, 14, wenn sich dasselbe im Innenzahnkranz 17, 18
zwangslos abwälzt, nicht mehr auf der Geraden 33 sondern auf einer schleifenförmigen
Bahn.
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Darauf baut eine zweite Ausführungsform der Erfindung auf, die in
Fig. 7 veranschaulicht ist und die Verwendung des erfindungsgemäßen Kurbeltriebes
einer Hubkolbenmaschine als Untersetzungsgetriebe ermöglicht. Neben dem erwähnten
Teilkreisdurchmesserverhältnis ist dafür eine drehbare Lagerung der Innenzahnkränze
17, 18 und eine Kraftabnahme an einem Innenzahnkranz 18 Voraussetzung, ferner ein
Versatz aer Achse des Kurbelzapfens 10 gegenüber dem Teilkreis des Zahnrades 13,
14 um einen Abstand, der der Differenz zwischen dem Teikreisdurchmesser des Zahnrades
(13, 14) und dem halben Teilkreisdurchmesser des Innenzahnkranzes (17, 18) entspricht.
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Demgemäß unterscheidet sich die in Fig. 7 gezeigte Ausführungsform
von der nach Fig. 1 im wesentlichen nur dadurch, daß, abgesehen von einem größeren
Teilkreisdurchmesser der Zahnräder 13, 14, einerseits zur Kraftabnahme der Innenzahnkranz
18 mit seinem Außenumfang durch eine Aussparung 53 des Kurbelgehäuses 3 ragt und
mit einer Außenverzahnung 54 versehen ist, die mit einem gestrichelt dargestellten
Zahnrad 55 zusammenwirkt, das auf eine Abtriebswelle oder dergleichen aufgekeilt
ist, und anderer--seits die Innenzahnkränze 17, 18 mittels zweireihiger Kegelrollenlager
56, 57 im Kurbelgehäuse 1 drehbar gelagert sind.
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Weisen die Innenzahnkränze 17, 18 eine Innenverzahnung mit beispielsweise
jeweils 100 Zähnen auf, und die Zahnräder 13, 14 jeweils 75 Zähne, so bewegt sich
jeder Innenzahnkranz 17, 18 bei einem Hub des Kolbens 5, 6 um 25 Zähne, d. h. es
liegt eine Untersetzung von 4:1 vor. Auch ist ersichtlich, daß eine extrem hohe
Untersetzung sich erhalten läßt, wenn die Zahnräder 13, 14 einen Teilkreisdurchmesser
aufweisen, der nur wenig größer ist als der halbe Teilkreisdurchmesser der Innenzahnkränze
17, 18. Beispielsweise beträgt bei Innenzahnkränzen 17, 18 mit jeweils 100 Zähnen
und Zahnrädernl3, 14 mit jeweils 51 Zähnen die Untersetzung 100:1. Das Untersetzungsgetriebe
gemäß Fig. 7 weist also bei sehr kleine<Bauweise eine große Untersetzung auf.
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Die Verwendung des Kurbeltriebes als Untersetzungsgetriebe setzt voraus,
daß der Kurbelzapfen 10 zwangsweise auf einer linearen Bahn geführt. wird. Diese
Voraussetzung ist bei dem in Fig. 7 dargestellten Boxermotor von vorneherein erfüllt.
Bei Reihenmotoren ist hingegen eine separate Führung notwendig, beispielsweise durch
jeweils einen auf der entgegengesetzten Seite der Kurbelwelle 4 angeordneten Zylinder
sowie eine starre Verbindung der Kolbenstange
je zweier solcher
entgegengesetzt angeordneter Zylinder.
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Die geschilderte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kurbeltriebes
als Untersetzungsgetriebe ist beispielsweise bei langsam fahrenden Fahrzeugen, wie
Geländefahrzeugen oder Baufahrzeugen, einsetzbar.
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Zusammenfassung Eine Hubkolbenmaschine weist einen Kurbeltrieb auf,
bei dem statt einer Pleuelstange jeder Kolben durch eine an ihm starr befestigte
Kolbenstange mit dem zugehörigen Kurbelzapfen der Kurbelwelle verbunden ist. Mindestens
eine äußere Kurbelwange weist an ihrer Außenseite ein Zahnrad und einen zum Zahnrad
koaxialen Zapfen auf. Jedes Zahnrad kämmt in einem im Kurbelgehäuse angeordneten
Innenzahnkranz, und jeder Zapfen ist in einer exzentrischen Bohrung einer zum Innenzahnkranz
koaxialen, im Kurbelgehäuse drehbar angeordneten Scheibe angeordnet. Ferner ist
der Teilkreisdurchmesser des Zahnrades mindestens halb so groß wie der Teilkreisdurchmesser
des Innenzahnrades.