Hubkolbenmotor

Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenmotor mit mindes¬ tens einem in einem Zylinder bewegbaren Kolben, der über einen durch eine gemeinsame Gelenksteiie miteinander verbundenen oberen und unteren Pleuelabschnitt mit der Kurbelwelle in Verbindung steht und bei dem der obere

Pleuelabschnitt eine über die Gelenkstelle hinausgeführ¬ te Verlängerung aufweist und an der Verlängerung ein Schwenkhebel schwenkbar angreift, der sich mit seinem der Gelenkstelle abgewandten Ende am Motorblock ab- stützt.

Bei einer bekannten Kra tmaschine (EP-0 292 603) obiger Gattung trägt der obere Pleuelabεchnitt zwischen gabel¬ förmigen Enden eine Lagerscheibe für den unteren Pleuel- abschnitt und den Schwenkhebel. Obwohl bei dieser Kraft¬ maschine durch die Ausbildung und Lagerung der Pleuelab¬ schnitte und des Schwenkhebels eine Verlagerung des je¬ weils günstigsten Drehmoments auf die wirksamsten Kur¬ belwellenstellungen zu einer weichen Verbrennung mit ruhigem Betrieb bereits möglich ist, führt die Wirkver¬ bindung von unterem Pleuelabschnitt und oberen Pleuelab¬ schnittsenden zu unerwünschten Biegemomenten und zu relativ großen Flächenpressungen im Gelenkbereich der Pleuelabschnitte.

Es ist Aufgabe der Erfindung die Biegemomente und die Flächenpreεsungen zwischen oberem und unterem Pleuelab¬ schnitt gering zu halten und Biegevorgänge im Bereich des Gelenks der Pleuelabschnitte zu vermeiden.

Der Erfindung gemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der obere Pleuelabschnitt mit gabelförmigen Enden ausgebildet ist, daß die gabelförmigen Enden des oberen Pleuelabschnittε einen Hülsenkörper fest tragen, der sich abschnittsweise innenεeitig zwischen den Enden des oberen Pleuelabschnittε und außenseitig der Enden er¬ streckt, daß der untere Pleuelabschnitt auf die innen- und außenseitigen Abschnitte des Hülsenkörpers gelenkig gelagert ist und daß der Hülsenkörper vermittels einer Buchse od.dgl. mittig symmetrisch im Abstand der gabel¬ förmigen Enden und exzentrisch zur Lagerung von oberem und unterem Pleuelabschnitt den Schwenkhebel lagert. Auf diese Weise sind durch den Hülsenkörper am oberen Pleu¬ elabschnitt und zwischen Hülsenkörper und unterem Pleu- elabschnitt große Auflageflächen geschaffen, die zur

Verringerung der Flächenpressungen Anlaß geben, wodurch ungünstige Biegemomente und störende Durchbiegungen im Gelenkbereich verhindert sind.

In Ausgestaltung des Hubkolbenmotorε ist vorgesehen, daß die gabelförmigen Enden des oberen Pleuelabschnittε durch Schiitzungen im unteren Pleuelabschnitt hindurch¬ geführt εind und in Schlitzungen, im Hülsenkörper eintau¬ chen und daß der obere Pleuelabschnitt und der Hülsen- körper vermittels in Bohrungen des Hülsenkörpers und den gabelförmigen Enden eingebrachten Verbindungselementen, z.B. Stiften od.dgl. miteinander fest verbunden εind. Zweckmäßig finden drei Stifte od.dgl. Anwendung, die zu einer sicheren Verbindung führen. Auch ist denkbar, daß sich der obere Pleuelabεchmtt zuεätzlich, z.B. vermit¬ tels Planflächen auf den Boden der Schlitzungen im Hül¬ senkörper abstützt.

In weiterer Ausgestaltung des Hubkolbenmotorε st vorge- sehen, daß die Pleuelabschnitte und der Hülsenkörper aus

einem beliebigen Werkεtoff, z.B. auε einem Eisenwerk¬ stoff gebildet εind und daß zur Verbeεserung der Gleit¬ eigenschaft der Hülεenkörper auf der Umfangεflache eine Lagerhülse für den unteren Pleuelabschnitt auε einem Nichteisenmetall, z.B. Bronze, trägt. Bevorzugt können die Pleuelabschnitte und der Hülsenkörper auch aus einem Leichtmetallwerkstoff, z.B. Aluminium gebildet sein, wo¬ durch der Hülsenkörper zur unmittelbaren Lagerung des unteren Pleueiabschnitts geeignet ist. Die Verwendung von Leichtmetallwerkstoffen gibt somit den Vorteil, daß Lagerhülsen, die bei der Verwendung von Eisenwerkεtoffen notwendig sind, entfallen können, was eine vorteilhafte Gewichtseinsparung ergibt, die höhere Drehzahlen zu größerer Leistung erlaubt. Außerdem ist der Fertigungs- aufwand verkleinert.

Für die Abstützung des Schwenkhebels mit seinem dem Hül¬ senkörper abgewandten Ende kann fernerhin ein im oder am Motorblock geführter Stellexzenter dienen. Die Anordnung eines Stellexzenterε erlaubt die Einregelung verschiede¬ ner Knickwinkel zwischen den Pleuelabschnitten zu Änder¬ ungen der Charakteristik des Hubkolbenmotors. Wesentlich beim Motor ist die Schaffung breiter Auflageflächen zu sicheren und gleichmäßigen Kraftverteilungen über die Länge des Gelenks sowie die Vermeidung störender Bieg¬ ungen im Gelenk.

In Abwandlung des Hubkolbenmotors ist noch vorgesehen, daß der obere Pleuelabschnitt mit einem dem Kolben ab- gewandten stegförmigen Ende mittig an einem Hülsenkör¬ per, z.B. durch Stifte festgelegt ist und daß die zu beiden Seiten des Hülεenkörperε sich erstreckenden Ab¬ schnitte desεelben den unteren Pleuelabεchnitt lagern und der Hülsenkörper vermittels einer in diesem exzen- tπεch angeordneten und zu beiden Seiten über den Hüi-

senkörper hinausgeführten Buchse od.dgl. mit den beiden Buchsenenden den Schwenkhebel lagert. Bevorzugt ist der Schwenkhebel dabei an dem dem Hülsenkörper zugewandten Ende gabelförmig ausgebildet.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren verdeutlicht. Hierin bedeuten:

Fig. 1 einen Hubkolbenmotor εche atisch m Seitenansicht,

Fig. 2 ein oberer Pleuelabschnitt im Schnitt,

Fig. 3 einen oberen Pleuelabschnitt im Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 2, Fig. 4 einen mit dem oberen Pleuelabschnitt verbind- baren Hulsenkörper im Schnitt,

Fig. 5 einen Längsεchnitt eines Hülsenkörperε, Fig. 6 einen unteren Pleuelabεchmtt im Schnitt, Fig. 7 einen Pleuelabschnirt gemäß Fig. 6 in Seitenanεicht, Fig. 8 einen Schwenkhebel m Seitenansicht,

Fig. 9 einen Schnitt nach der Linie IX-IX der Fig. 8, Fig. 10 eine Lagerbuchse für den Schwenkhebel in

Seitenansicht, Fig. 11 eine Lagerbuchse im Schnitt nach der Linie XI-XI der Fig. 10,

Fig. 12 und 13 verschiedene grafische Darstellungen, Fig. 14 einen oberen und unteren Pleuelabschnitt mit

Hülsenkörper und Schwenkhebel im Schnitt, Fig. 15 einen oberen und unteren Pleuelabschnitt mit Hulsenkörper und Schwenkhebel gemäß einer abge¬ wandelten Ausführung im Schnitt und

Fig. 16 Pleuelabschnitte und Schwenkhebel gemäß Fig. 14 in Seitenansicht.

In den Fig. ist mit 1 ein Zylinder eines Hubkolbenmotors bezeichnet, der einen Kolben 2 verschieblich aufnimmt. Der Zylinder 1 ist am oberen Ende in an sich bekannter Weise durch einen Zylinderkopfteil 3 verschlossen. Die Einrichtung für die Zuführung von Brennstoff und Luft bzw. von Brennsto fgemischen und der Abführung von Ver¬ brennungsgasen sind auε Gründen der Übersicht nicht dar¬ gestellt.

Der Kolben 2 nimmt einen Kolbenbolzen auf, an dem ein oberer Pleuelabεchnitt 5 mit seinem Lager 6 (Fig. 2) schwenkbeweglich angreift. Der obere Pleuelabschnitt 5 ist im unteren Bereich gabelförmig ausgeführt und die Schenkel 7 mit ihren freien verbreiterten Enden 8 mit¬ tels Stiften 9 mit einem Hülsenkörper 10 (Fig.4,5) fest verbunden. Die Stifte 9 sind hierzu in vorbereiteten

Bohrungen 10' von Pleuelabεchnitt 5 und Hülsenkörper 10 einbringbar. Der Hülsenkörper 10 ist mit Schlitzungen 11 versehen, in die die freien Enden 8 des Pleuelabschnitts 5 eingreifen. Auf dem Hülsenkörper 10 ist ein unterer Pleuelabschnitt 12 (Fig. 6,7) unter Zwischenfügung einer Lagerhülεe 13 auε geeignetem Werkεtoff gelagert. Der un¬ tere Pleuelabschnitt 12 greift dabei schwenkbeweglich am Hülεenkörper 10 an. Der untere Pleuelabschnitt 12 weist fernerhin Schlitzungen 14 auf, durch die der obere Pleu- elabschnitt 5 mit den Enden 8 frei beweglich hindurch¬ greift. Der Hülsenkörper 10 nimmt, wie dies die Fig. 1 weiter erkennen läßt, in einer zylindriεchen Auεnehmung 15 einen Lagerbolzen 16 (Fig. 10,11) auf, der das eine Ende 17' eines Schwenkhebels 17 (Fig. 8,9) lagert. Der Schwenkhebel 17 durchgreift hierzu mit dem Ende 17' eine

Ausnehmung 18 im Hülsenkörper 10 und unterem Pleuelab¬ schnitt 12, während das dem Hülsenkörper 10 abgewandte Ende 17' ' des Schwenkhebels 17, wie in Fig. 16 darge¬ stellt, bei 19 an einem Stellexzenter 20 gelagert ist. Der untere Pleuelabschnitt 12 greift in bekannter Weise mit seinem dem Kolben 2 abgewandten Ende an eine Kurbel¬ welle 21 an. Durch Verdrehen des Stellexzenters 20 sind die Stellungen der Lagerstelle.19 ^" und damit die wirksame Länge des Schwenkhebels 17 veränderbar, so daß verschie- den große Knickwinkel für die Pleuelabschnitte 5,12 ein¬ fach einregelbar sind.

In Fig. 16 befindet sich der Kolben 2 im oberen Totpunkt "OT". Bei Abwärtεbewegungen des Kolbenε 2 bewegt sich das kolbenseitige Pleuellager längs der Zylinderachse 22 und der Hülsenkörper 10 auf einer Bewegungsbahn in Form eines Kreisbogens 23. Der Lagerbolzen 16 bewegt sich auf einer weiteren Kreisbahn 24. Gleichzeitig dreht die Kur¬ belwelle 21 und mit ihr das kurbelwellenseitige Lager 25 in Richtung des Pfeilε 26. Die Lageränderungen der Pleu¬ elabschnitte 5 und 12 und des Schwenkhebels 17 im un¬ teren Totpunkt "UT" des Kolbenε 2 entεprechen den ge- εtrichelten Linien. Eε iεt erkennbar, daß sich bei Ab¬ wärtsbewegungen deε Kolbenε 2 auε dem oberen Totpunkt die Bewegungsbahn 23 für den Hülsenkörper 10 der Zylin¬ derachse 27 annähert und diese im weiteren Verlauf bei Abwärtsbewegungen deε Kolbenε 2 εchneidet. Hierdurch iεt erreicht, daß der Kolben 2 durch seine Bewegungen aus dem oberen Totpunkt, zunächst nur langsam vom Totpunkt entfernt wird, während das kurbelwellenseitige Pleuella¬ ger 25 bereits einen relativ großen Kurbelwellenwinkel durchläuft und der untere Pleuelabεchnitt 12 eine Stel¬ lung erreicht, in der er in der Lage iεt ein großes Drehmoment zu übertragen. Dieser Zusammenhang läßt sich aus den in den F g. 12 und 13 dargestellten Kurven ent-

nehmen. Die Fig. 12 zeigt dabei mit der ausgezogenen Linie 29 einen Momentenverlauf bei einem Hubkolbenmotor gemäß erfindungsgemäßer Auεbildung. Auf der Abziεse sind die 360 ^* einer Kurbelwellenumdrehung und auf der Ordi- nate der für konstante Kolbenaufdruckkraft ermittelte

Momentenwert aufgetragen. Die gestrichelte Linie 30 gibt den Momentenverlauf bei einem herkömmlichen Vergleichs¬ motor wieder. Es zeigt sich, daß das maximale Drehmoment mit der Linie 29 bei etwa 45° Kurbelwellenumdrehung und bei der geεtrichelten Linie 30 bei etwa 65 ^* Kurbelwel¬ lenumdrehung erreichbar ist. Geht man mit diesen Werten in die Fig. 13, welche den Kolbenweg über der Kurbel¬ wellenumdrehung zeigt, wobei die auεgezogene Linie 31 den erfindungεgemäßen Hubkolbenmotor und die gestπch- elte Linie 32 für einem herkömmlichen Vergleichsmotor gelten, so erkennt man, daß der Kolben 2 beim Ver¬ gleichsmotor (Linie 32) seinen oberen Totpunkt früher verläßt und später wieder erreicht, also insgesamt sehr viel kürzer im Bereich seiner oberen Totpunktstellung verweilt, als der Kolben der erfindungsgemäßen Ausführ¬ ung (Linie 31) .

Der Angriff der Schenkel 7 deε oberen Pleuelabschnitts 5 an einem Hülsenkörper 10 und die großflächige Lagerung deε unteren Pleuelabschnitts 12 am Hülsenkörper 10 ver¬ hindern hohe Flächenpressungen und durch die Symmetrie der Angriffstellen beider Pleuelabschnitte 5,12 am Hul¬ senkörper 10 werden störende Biegungen am Hülsenkörper 10 bzw. dem Gelenk insgesamt vermieden.

Beim Auεführungεbeiεpiel der Fig. 14 und 15 greift ab¬ weichend der obere Pleuelabεchnitt 5 mit einem Steg 33 an einem abgewandelten Hülεenkörper 10 an und iεt an dieεe vermittels Stiften 9 feεtgelegt. Der Hülεenkörper 10 dient auch bei dieser Ausführungεform der Lagerung

deε unteren Pleuelabεchnittε 12, inεbeεondere unter Zwi¬ schenfügung einer Lagerhülεe 13. Der Hülsenkörper 10 nimmt einen Lagerbolzen 16 für einen Schwenkhebel 34 auf, der über die beiden stirnseitigen Enden des Hülsen- körperε 10 vorgezogen ist und m t diesen Enden den

Schwenkhebel 34 lagert. Der Schwenkhebel 34 ist hierzu an seinem dem Lagerbolzen 16 zugewandten Ende bevorzugt gabelförmig gestaltet. Zur Sicherung der gabelförmigen Enden 34' ,34' ' deε Schwenkhebels 34 auf dem Lagerbolzen 16 dienen Stifte 35.