Kolben mit zwei Schwenklagern und Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine

Abstract

 Ein Kolben mit zwei Schwenklagern (55, 65; 255, 265; 355, 365) zur schwenkbaren Lagerung jeweils eines Pleuels (5, 6; 205, 206; 306, 306) am Kolben (1; 201; 301) um eine jeweilige Pleuelschwenkachse (Y5, Y6), wobei die beiden Pleuelschwenkachsen (Y5, Y6) parallel zueinander und seitlich voneinander beabstandet verlaufen, zeichnet sich dadurch aus, dass die beiden Schwenklager (55, 65; 255, 265; 355, 365) an einem Lagerelement (12; 212; 312) vorgesehen sind, welches am Kolben (1; 201; 301) um eine Lagerschwenkachse (Y7) schwenkbar gelagert ist, die parallel zu den Pleuelschwenkachsen (Y5, Y6) verläuft.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben, insbesondere für eine Kolben-Zyliner-Einheit, mit zwei Schwenklagern zur gelenkigen Lagerung jeweils eines Pleuels am Kolben gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sie betrifft weiterhin eine Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

[0002] Ein Problem bei Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschinen ist es, die beiden umlaufenden Kurbelwellen miteinander zu sychronisieren. Dabei ist jede der Kurbelwellen beispielsweise mit einem Synchronisationszahnrad versehen, wobei die Synchronisationszahnräder miteinander im Eingriff stehen. Durch thermische Einflüsse während des Betriebs der Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine oder auch durch Verschleiß an den Zahnflanken der Synchronisationszahnräder kann ein Spiel zwischen den miteinander kämmenden Zähnen der Synchronisationszahnräder auftreten, welches wiederum eine geringfügige Asymmetrie des Umlaufs der Kurbelwellen hervorruft, wodurch ein unerwünschtes Kippen des Kolbens im Zylinder verursacht werden kann. Bei einer derartigen Asymmetrie des Umlaufs der Kurbelwellen laufen die Kurbelwellen und mit ihnen der gesamte Kurbeltrieb zwar noch zeitlich synchonisiert gegenläufig um, doch eilt eine der Kurbelwellen gegenüber der anderen Kurbelwelle beim Umlauf vor, so dass die kurbelwellenseitigen Pleuellagerachsen nicht zeitgleich, sondern nacheinander ihren oberen Totpunkt erreichen. Dies wiederum führt dazu, dass auch die kolbenseitigen Pleuellager zeitlich nacheinander ihren oberen Totpunkt erreichen, was zu einer Kippbewegung im Kolben führt. Dieser Vorlauf der einen Kurbelwelle gegenüber der anderen Kurbelwelle gilt selbstverständlich für den gesamten Umlauf der synchronisierten und daher mit gleicher Geschwindigkeit umlaufenden Kurbelwellen, was in dieser Anmeldung als "Asymmetrie des Umlaufs der Kurbelwellen" bezeichnet wird. Durch diese Asymmetrie wird, wie bereits dargelegt worden ist, im oberen Totpunkt des Kolbens ein Kippmoment zu einer Seite hin auf den Kolben hin ausgeübt und im unteren Totpunkt des Kolbens ein entsprechendes Kippmoment zur anderen Seite. Der Kolben beschreibt daher bei seiner Aufwärts- und Abwärts-Bewegung gleichzeitig eine sich im jeweiligen Totpunkt umkehrende Kippbewegung zur einen Seite und zur anderen Seite in der Ebene, die die Kurbelwellenachsen rechtwinklig schneidet.

STAND DER TECHNIK

[0003] Um dieses Problem zu lösen, wird in der US 2010/0077984 A1 vorgeschlagen, zur Vermeidung eines Spiels zwischen den Zahnflanken die beiden Kurbelwellen in einem gemeinsamen Lagerblock zu lagern und das Material des Lagerblocks sowie das Material der Kurbelwellen und der Synchronisationszahnräder bezüglich ihres thermischen Ausdehnungskoeffizienten so auszuwählen, dass die thermische Ausdehnung des Lagerblocks zwischen den beiden Rotationsachsen der Kurbelwellen im wesentlichen identisch mit der thermischen Ausdehnung der Synchronisationszahnräder ist. Der konstruktive Aufwand hierfür ist jedoch nicht unerheblich.

[0004] Aus der DE 10 2006 060 660 A1 ist ein verstellbarer Lagerstuhl für eine Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine bekannt, bei der der Abstand zwischen den Kurbelwellenachsen verstellbar ausgebildet ist, sodass auf diese Weise ein unerwünschtes Lagerspiel und Zahnflankenspiel beseitigt werden kann. Auch diese Lösung ist von der technischen Umsetzung her verhältnismäßig aufwändig.

[0005] Aus der DE 10 2006 036 827 A1 ist es bekannt, bei einer Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine einen Kolben mit einer balligen Außenkontur vorzusehen. Dieser Kolben toleriert ein bei einer Asymmetrie des Umlaufs der Kurbelwellen auftretendes geringfügiges Verkippen der Kolbenlängsachse gegenüber der Zylinderlängsachse, ohne dass es zu einem Verklemmen des Kolbens im Zylinder oder zu einer erhöhten Reibung kommt.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Kolben anzugeben, der für eine Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine ausgelegt ist und der tolerant ist gegenüber einem verschleißbedingten unsymmetrischen Lauf des Kolbentriebs. Eine weitere Aufgabe ist es, eine Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine anzugeben, die gegenüber eines verschleißbedingten geringfügig unsymmetrischen Laufs der beiden Kurbelwellen tolerant ist.

[0007] Die auf den Kolben gerichetete Aufgabe wird gelöst durch den im Patentanspruch 1 angegebenen Kolben.

[0008] Bei diesem Kolben, der mit zwei Schwenklagern zur gelenkigen Lagerung jeweils eines Pleuels um eine jeweilige Pleuelschwenkachse versehen ist, wobei die Pleuelschwenkachsen parallel zueinander und seitlich voneinander beabstandet verlaufen, sind die Schwenklager an einem Lagerelement vorgesehen, welches am Kolben um eine Lagerschwenkachse schwenkbar gelagert ist, die parallel zu den Pleuelschwenkachsen verläuft.

VORTEILE

[0009] Dieses erfindungsgemäß gegenüber dem Stand der Technik zusätzlich vorgesehene Lagerelement kann sich bei einem Ungleichlauf der Pleuel, also bei einer Asymmetrie des Umlaufs der Kurbelwellen, gegenüber dem Kolben verdrehen und kompensiert somit die Asymmetrie des Umlaufs der beiden Kurbelwellen, ohne dass der Kolben dabei mit seiner Kolbenlängsachse bezüglich der Zylinderlängsachse verkippt wird.

[0010] Vorzugsweise ist die Lagerschwenkachse, in einer die Lagerschwenkachse rechtwinklig schneidende Schwenkebene gemessen, von den Pleuelschwenkachsen jeweils gleich beabstandet. Dieser symmetrische Aufbau sorgt für symmetrische Kraftverhältnisse.

[0011] Die Lagerschwenkachse liegt bevorzugt auf der Mitte einer die Pleuelschwenkachsen in der Schwenkebene miteinander verbindenden Geraden. Auch durch diese Ausführungsform werden vorteilhafte kinematische Verhältnisse geschaffen.

[0012] Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kolbens zeichnet sich dadurch aus, dass das Lagerelement eine kreisförmige Kontur oder zwei, vorzugsweise symmetrisch zueinander gelegene, kreissegmentförmige Konturen aufweist, deren Kreismittelpunkt auf der Lagerschwenkachse liegt, dass der Kolben mit einer angepassten kreisförmigen Kontur beziehungsweise mit angepassten kreissegmentförmigen Konturen versehen ist, deren Kreismittelpunkt ebenfalls auf der Lagerschwenkachse liegt, und dass die kreisförmigen beziehungsweise kreissegmentförmigen Konturen des Lagerelements und die kreisförmigen beziehungsweise kreissegmentförmigen Konturen des Kolbens in gegenseitiger Berührung, aber relativ zueinander um die gemeinsame Lagerschwenkachse bewegbar angeordnet sind. Diese kreisförmige oder kreissegmentförmige Ausbildung des Lagerelements lässt sich besonders einfach in den Kolben integrieren.

[0013] Das Lagerelement kann dabei als Scheibe oder als Ring ausgebildet sein und die kreisförmige Kontur beziehungsweise die kreissegmentförmigen Konturen sind an einem Außenumfangsrand des Lagerelements ausgebildet.

[0014] Alternativ kann das Lagerelement als Ring ausgebildet sein und die kreisförmige Kontur beziehungsweise die kreissegmentförmigen Konturen können an einem Innenumfangsrand des Lagerelements ausgebildet sein.

[0015] Der auf die Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine gerichtete Teil der Aufgabe wird gelöst durch eine Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.

[0016] Diese Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine, die zumindest eine Kolben-Zylinder-Einheit aufweist, ist versehen mit einem Zylinder, in dem ein Hubkolben hin- und herbewegbar angeordnet ist, einer ersten Kurbelwelle, einer zweiten Kurbelwelle, wobei die erste Kurbelwelle und die zweite Kurbelwelle zueinander parallel verlaufen und sich gegensinnig synchron drehen, wobei die Drehachsen der beiden Kurbelwellen zu einer gemeinsamen Zylinder-Mittelebene parallel verlaufen und bezüglicher dieser seitlich versetzt sind, wobei dem Hubkolben ein erstes und ein zweites Pleuel derart zugeordnet sind, dass das erste Pleuel mit seinem ersten Ende in einem ersten Schwenklager schwenkbar am Hubkolben und seinem zweiten Ende an einem Kurbelzapfen der ersten Kurbelwelle drehbar gelagert ist und dass das zweite Pleuel mit seinem ersten Ende in einem zweiten Schwenklager schwenkbar am Hubkolben und mit seinem zweiten Ende an einem Kurbelzapfen der zweiten Kurbelwelle drehbar gelagert ist. Diese Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass die Schwenklager an einem Lagerelement vorgesehen sind, welches am Kolben um eine Lagerschwenkachse schwenkbar gelagert ist, die parallel zu den Pleuelschwenkachsen verläuft.

[0017] Vorzugsweise ist die Lagerschwenkachse, in einer die Lagerschwenkachse rechtwinklig schneidenden Schwenkebene gemessen, von den Pleuelschwenkachsen jeweils gleich beabstandet.

[0018] Weiter vorzugsweise liegt die Lagerschwenkachse auf der Mitte einer die Pleuelschwenkachsen in der Schwenkebene miteinander verbindenden Geraden.

[0019] Eine bevorzugte Weiterbildung der Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass das Lagerelement eine kreisförmige Kontur oder zwei, vorzugsweise symmetrisch zueinander gelegene, kreissegmentförmige Konturen aufweist, deren Kreismittelpunkt auf der Lagerschwenkachse liegt, dass der Kolben mit einer angepassten kreisförmigen Kontur beziehungsweise mit angepassten kreissegmentförmigen Konturen versehen ist, deren Kreismittelpunkt ebenfalls auf der Lagerschwenkachse liegt, und dass die kreisförmigen beziehungsweise kreissegmentförmigen Konturen des Lagerelements und die kreisförmigen beziehungsweise kreissegmentförmigen Konturen des Kolbens in gegenseitiger Berührung, aber relativ zueinander um die gemeinsame Lagerschwenkachse bewegbar angeordnet sind.

[0020] Dabei ist das Lagerelement vorzugsweise als Scheibe oder als Ring ausgebildet und die kreisförmige Kontur beziehungsweise die kreissegmentförmigen Konturen sind an einem Außenumfang des Lagerelements ausgebildet.

[0021] Alternativ kann das Lagerelement als Ring ausgebildet sein und die kreisförmige Kontur beziehungsweise die kreisförmigen Konturen können an einem Innenumfangsrand des Lagerelements ausgebildet sein.

[0022] Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Anordnung aus den beiden gegensinnig synchron laufenden Kurbelwellen so gestaltet ist, dass die Kurbelzapfen gegensinnig, aber geringfügig asymmetrisch umlaufen. Dieser asymmetrische Umlauf bedeutet, dass der Kurbelzapfen der einen Kurbelwelle gegenüber dem Kurbelzapfen der anderen Kurbelwelle geringfügig voreilt, also beispielsweise seinen oberen Totpunkt und seinen unteren Totpunkt geringfügig früher erreicht, als der andere Kurbelzapfen. Diese gezielt geschaffene Asymmetrie sorgt dafür, dass im Idealfall, in welchem kein Verschleiß in den Synchronisationszahnrädern vorliegt, trotzdem eine geringfügige Relativdrehung des Lagerelements gegenüber dem Kolben stattfindet, um zu verhindern, dass die Lagerung des Lagerelements im Kolben durch statische Dauerbelastung verformt wird.

[0023] Dabei ist es von Vorteil, wenn die Asymmetrie des Umlaufs der Kurbelzapfen maximal 5° beträgt, vorzugsweise zwischen 1° und 3° beträgt, weiter vorzugsweise 2° beträgt.

[0024] Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Asymmetrie des Umlaufs der Kurbelzapfen durch einen Winkelversatz von 1 bis 6 Zähnen zwischen miteinander im Eingriff stehenden Synchronisationszahnrädern der ersten beziehungsweise der zweiten Kurbelwelle bewirkt ist.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0025] Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In dieser zeigt:

Fig. 1

eine teilweise geschnittene Stirnansicht einer Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine mit einem erfindungsgemäßen Kolben;

Fig. 2

einen Vertikalschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3

eine teilweise geschnittene Stirnansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens;

Fig. 4

eine teilweise geschnittene Stirnansicht einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens und

Fig. 5

eine Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung bei geringfügiger Asynchronität des Kurbeltriebs.

DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN

[0026] In Fig. 1 ist eine Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem erfindungsgemäßen Kolben 1 gezeigt, der in einem mit einem Zylinderkopf 20 versehenen Zylinder 2 entlang der im Idealfall der Kolbenachse entsprechenden Zylinderachse X axial verschieblich aufgenommen ist. Im Inneren des Zylinders 2 ist, begrenzt vom Zylinder 2 mit seinem Zylinderkopf 22 und einem Kolbenboden 18 des Kolbens 1, ein Kompressionsraum 22 gebildet. Der Kolben 1 und der Zylinder 2 bilden eine Kolben-Zylinder-Einheit der Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine, die entweder als Brennkraftmaschine oder als Kompressor ausgebildet sein kann. Die Erfindung ist nicht auf eine Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine mit nur einer Kolben-Zylinder-Einheit beschränkt. Die Maschine kann auch mehr als eine derartige Kolben-Zylinder-Einheit aufweisen. Derartige Kolbenmaschinen sind dem Fachmann hinlänglich bekannt, so dass allgemeine Bauelemente, wie beispielsweise Ventile oder eine Ventilsteuerung nicht in den Figuren dargestellt sind.

[0027] In Fig. 1 sind weiterhin zwei Kurbelwellen 3 und 4 des Kurbeltriebs der Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine gezeigt, die jeweils ein Synchronisationszahnrad 30, 40 aufweisen. Die Drehachsen Y1, Y2 der beiden Kurbelwellen 3, 4 verlaufen parallel zu einer Zylinder-Mittelebene E2 und sind bezüglich dieser seitlich versetzt, also auf voneinander abgewandten Seiten der Zylinder-Mittelebene E2, gelegen. Die Synchronisationszahnräder 30, 40 stehen miteinander im kämmenden Eingriff und drehen sich gleichzeitig mit derselben Umlaufgeschwindigkeit (synchron) in entgegengesetzten Richtungen, wie durch die Pfeile R1 und R2 symbolisiert ist.

[0028] An der jeweiligen Kurbelwelle 3, 4 oder am jeweiligen Synchronisationszahnrad 30, 40 ist exzentrisch zur Drehachse Y1, Y2 der jeweiligen Kurbelwelle 3, 4 ein Lagerzapfen 32, 42 ausgebildet, auf dem jeweils ein Pleuel 5, 6 mit einem an seinem unteren Ende ausgebildeten Pleuelauge 50, 60 um eine untere Pleuelaugenachse Y3, Y4 drehbar gelagert ist.

[0029] Vom unteren Pleuelauge 50, 60 erstreckt sich jeweils ein Pleuelschaft 52, 62 des jeweiligen Pleuels 5, 6 nach oben zum Kolben 1. An seinem oberen, kolbenseitigen Ende ist das jeweilige Pleuel 5, 6 mit einem oberen Pleuelauge 54, 64 versehen, welches jeweils auf einem kolbenseitigen Pleuelzapfen 14, 16 um eine zugeordnete obere Pleuelschwenkachse oder Pleuelaugenachse Y5, Y6 in einer die Pleuelschwenkachsen rechtwinklig schneidenden Schwenkebene E1 schwenkbar gelagert ist.

[0030] Die oberen, kolbenseitigen Pleuellagerzapfen 14, 16 bilden somit Schwenklager 55, 65 zur gelenkigen Lagerung jeweils eines Pleuels 5, 6 am Kolben 1.

[0031] Die oberen, kolbenseitigen Pleuellagerzapfen 14, 16 sind in einem im Kolbenkörper 10 schwenkbar gelagerten Lagerelement 12 vorgesehen. Die Schwenkachse Y7 des Lagerelements 12 verläuft parallel zu den Schwenkachsen Y5 und Y6 der oberen Schwenklager 55, 65 der Pleuel 5, 6.

[0032] Die Lagerschwenkachse Y7 liegt auf der Mitte einer die Pleuelschwenkachsen Y5, Y6 in der Schwenkebene E1 miteinander verbindenden Geraden G und ist somit von beiden Pleuelschwenkachsen Y5, Y6 gleich beabstandet.

[0033] Der Aufbau des Lagerelements 12 wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 erläutert.

[0034] Das Lagerelement 12 besitzt eine kreisförmige zylindrische Außenkontur 13, deren Kreismittelpunkt auf der Achse Y7 liegt. Mit dieser kreisförmigen Außenkontur 13 ist das zylindrisch ausgebildete Lagerelement 12 in einer angepassten Bohrung 15 in einem unteren Bereich des Kolbens 1 drehbar aufgenommen. Die Bohrung 15 ist in einem dem Kurbeltrieb zugewandten unteren Stegabschnitt 17 des Kolbens 1 ausgebildet. Dieser Stegabschnitt 17 liegt auf der vom Kolbenboden 18 des Kolbens 1 abgewandten Seite.

[0035] Das Lagerelement 12 besitzt zwei voneinander abgewandte, stirnseitige Wandabschnitte 12', 12", die in Richtung der Schwenkachse Y6 des Lagerelements 12 voneinander beabstandet sind und einen Zwischenraum bilden, in welchen das jeweilige Pleuel 5, 6 mit seinem kolbenseitigen Endabschnitt eingreift. Die kolbenseitigen Pleuellagerzapfen 14, 16 erstrecken sich zwischen den beiden Wandabschnitten 12', 12" des Lagerelements 12.

[0036] Im Bereich des Umfangs des Lagerelements 12 sind die Wandabschnitte 12', 12" über einen oberen Steg 120, einen unteren Steg 121 sowie seitliche Umfangswandabschnitte 122, 123 miteinander verbunden. Entlang des Umfangs sind zwischen dem unteren Steg 121 und den jeweiligen Umfangswandabschnitten 122, 123 Durchtrittsöffnungen 124, 125 für den jeweiligen Pleuelschaft 52, 62 des Pleuels 5, 6 ausgebildet. Die Erstreckung der Durchtrittsöffnungen 124, 125 in Umfangsrichtung des Lagerelements 12 ist derart bemessen, dass die Pleuel 5, 6 bei ihrer Schwenkbewegung um die Achsen Y5, Y6 weder durch den unteren mittleren Steg 121, noch durch die seitlichen Umfangswandabschnitte 122, 123 behindert werden.

[0037] Der Kolben 1 ist in herkömmlicher Weise mit Kolbenringen 10', 10" versehen, deren Aufbau und Funktionsweise hier nicht weiter erläutert wird, da sie dem Fachmann allgemein bekannt ist. Der Kolben 1 weist weiterhin in seinem unteren Bereich Kolbenhemdabschnitte 11, 11' auf, die in Gleitreibung mit der Bohrung des Zylinders 2 stehen können und den Kolben 1 auf diese Weise gegen eine mögliche Kippbewegung quer zur Kolben- und Zylinderachse X an der Zylinderinnenwand 21 abstützen können.

[0038] Fig. 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des Kolbens und der Kolbenmaschine, bei welcher das Lagerelement 212 als ringförmige Scheibe mit einer zentralen, zur Achse Y7 konzentrischen Bohrung 213 versehen ist. Der untere Stegabschnitt 217 des Kolbens 201 ist mit einem zylindrischen Lagerzapfen 215 versehen, der sich mit seiner Achse koaxial zur Achse Y7 erstreckt und auf dessen radialem Außenumfang 215' der Innenumfang 212" des ringförmigen Scheibenkörpers 212' des Lagerelements 212 drehbar gelagert ist.

[0039] Die oberen Schwenklager 255, 265 der Pleuel 205, 206 sind wie im ersten Ausführungsbeispiel mit am Lagerelement 212 vorgesehenen Pleuellagerzapfen 214, 216 ausgebildet, die bezüglich der Kolben- und Zylinderachse X beiderseits der zentralen Bohrung 213 des Lagerelements 212 gelegen sind und sich mit ihrer jeweiligen Achse Y5, Y6 parallel zur Achse Y7 erstrecken.

[0040] In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens und der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine gezeigt, bei welcher das Lagerelement 312 die Form von zwei im Bereich der Kolben- und Zylinderachse X aneinanderstoßenden und miteinander verbundenen Kreissegmentabschnitten 312A, 312B aufweist. Das Lagerelement 312 besitzt daher einen Korpus 312' von knochenförmiger Gestalt, an dessen lateralen Außenseiten kreiszylindersegmentartige Flächenabschnitte 312", 312''' ausgebildet sind, deren Krümmungsradius auf der Schwenkachse Y7 des Lagerelements 312 liegt.

[0041] Der unter Stegabschnitt 317 des Kolbens 301 ist, ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1, mit einer Durchbruchsöffnung 315 versehen, die sich in Richtung der Achse Y7 erstreckt. Diese Durchbruchsöffnung 315 weist zwei laterale kreiszylindersegmentartig gekrümmte Innenflächen 315', 315" auf, deren Krümmungsradius auf der Achse Y7 liegt, so dass die Krümmung dieser lateralen Flächen 315', 315" der Krümmung der kreiszylindersegmentartigen Flächenabschnitten 312", 312''' des Lagerelements 312 entspricht. Die Länge der gekrümmten Innenflächen 315', 315" in Krümmungsrichtung ist größer als die Länge der gekrümmten Flächenabschnitte 312", 312''' des Lagerelements 312 und auch die vertikalen Abmessungen (in Richtung der Achse X) der Durchbruchsöffnung 315 sind größer als die vertikalen Abmessungen des Lagerelements 312, so dass oberhalb und unterhalb des in die Durchbruchsöffnung 315 eingesetzten Lagerelements 312 ausreichend Raum ist, damit das Lagerelement 312 in der Durchbruchsausnehmung 315 eine pendelnde Schwenkbewegung um die Achse Y7 durführen kann.

[0042] Die oberen Schwenklager 355, 365 der Pleuel 305, 306 sind wie im ersten Ausführungsbeispiel mit auf dem Lagerelement 312 angeordneten Pleuellagerzapfen 314, 316 ausgebildet, die bezüglich der Kolben- und Zylinderlängsachse X beiderseits der Achse Y7 gelegen sind und deren Achsen Y5, Y6 sich parallel zur Achse Y7 erstrecken.

[0043] Die Funktionsweise des Kolbentriebs der Kolbenmaschine mit dem erfindungsgemäßen Kolben wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 5 erläutert. Der in Fig. 5 gezeigte Kolbentrieb entspricht in seinem Aufbau dem aus Fig. 1, so dass dieselben Bezugszeichen wie in der Fig. 1 verwendet werden.

[0044] In der Darstellung der Fig. 5 ist zu erkennen, dass der Winkel α1 zwischen einer die beiden Kurbelwellenachsen Y1 und Y2 verbindenden Geraden G1 und einer die Kurbelwellenachse Y1 und die untere Pleuellagerachse Y3 des ersten Pleuels 5 verbindenden Geraden G2 größer ist als der entsprechende Winkel α2 zwischen der Geraden G1 und der die Kurbelwellenachse Y2 der zweiten Kurbelwelle 4 mit der unteren Pleuellagerachse Y4 des zweiten Pleuels 6 verbindenden Geraden G3. Hierdurch ist eine Asymmetrie zwischen dem linken Kurbeltrieb mit der Kurbelwelle 3 und dem Pleuel 5 und dem rechten Kurbeltrieb mit der Kurbelwelle 4 und dem Pleuel 6 geschaffen. Diese Asymmetrie kann beispielsweise durch Verschleiß an den Zahnflanken der miteinander kämmenden Synchronisationszahnräder 30, 40 entstehen.

[0045] Obwohl die beiden Kurbelwellen 3, 4 mit gleicher Rotationsgeschwindigkeit in entgegengesetzten Richtungen R1, R2 umlaufen und somit zeitlich synchronisiert sind, bewirkt die Asymmetrie ein Voreilen der Kurbelwelle 4 und damit auch des Pleuels 6 gegenüber der Kurbelwelle 3 mit dem Peuel 5. Dieses Voreilen führt dazu, dass bei der Aufwärtsbewegung des kurbelwellenseitigen Pleuellagerzapfens 42 eine Verschwenkung des Lagerelements 12 um dessen Drehachse Y7 in der Drehrichtung der voreilenden Kurbelwelle 4, also im gezeigten Beispiel entgegen dem Uhrzeigersinn, erfolgt, wie durch den Pfeil R3 dargestellt ist. Bei einer Abwärtsbewegung des kurbelwellenseitigen Pleuellagerzapfens 42 der zweiten, voreilenden Kurbelwelle 4 kehrt sich die Drehrichtung des Lagerelements 12 um, so dass das Lagerelement 12 jetzt im Uhrzeigersinn entsprechend dem Pfeil R4 geschwenkt wird. Auf diese Weise führt das Lagerelement 12 eine pendelnde Schwenkbewegung in der Bohrung 15 des Kolbens 1 aus ohne dass der Kolben 1 bezüglich der Längsachse X verkippt.

[0046] Auch in den Beispielen der Fig. 3 und 4 führt das entsprechende Lagerelement 212, 312 in der gleichen Weise entsprechende pendelnde Schwenkbewegungen durch.

[0047] Sind die beiden miteinander kämmenden Synchronisationszahnräder 30, 40 exakt zueinader ausgerichtet und besteht kein Verschleiß im Bereich der miteinander kämmenden Zähne dieser Synchronisationszahnräder 30, 40, so sind die Winkel α1 und α2 im einfachsten Fall der vorliegenden Erfindung identisch, wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 dargestellt ist. In diesem Fall tritt so lange keine Pendebewegung des Lagerkörpers 12 in der Bohrung 15 des Kolbens 1 auf, bis ein zwischen den Zähnen der Synchronisationszahnräder 30, 40 auftretender Verschleiß zu der bereits beschriebenen Asymmetrie des Umlaufs der Kurbelwellen 3, 4 führt. Bewegt sich das Lagerelement 12 jedoch nicht relativ zum Kolben 1, also wenn keine pendelnde Schwenkbewegung stattfindet, so kann es durch Lagerpressung zu einer Verformung der Lagerflächen zwischen der Außenumfangsfläche des Lagerelements 12 und der Innenumfangsfläche der Bohrung 15 kommen, die die relative Schwenkbarkeit des Lagerelements 12 bezüglich des Kolbens 1 behindert oder gar unmöglich macht.

[0048] Um eine derartige Verformung der Lagerflächen zwischen dem Lagerelement 12 und dem Kolben 1 zu verhindern, kann bereits im Neuzustand der Kolbenmaschine, also wenn zwischen den Synchronisationszahnrädern 30, 40 noch kein Verschleiß aufgetreten ist, eine geringfügige Asymmetrie im Sinne einer Ungleicheit der Winkel α1 und α2, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist, vorgesehen werden. Dadurch führt das Lagerelement 12 ständig, also auch im Neuzustand, eine pendelnde Schwenkbewegung in der Bohrung 15 des Kolbens 1 aus, wodurch eine Lagerpressung und die damit einhergehende Verformung verhindert wird. Tritt dann ein Verschleiß im Bereich der Zähne der miteinander kämmenden Synchronisationszahnräder 30, 40 auf, so vergrößert sich die ursprüngliche pendelnde Schwenkbewegung des Lagerelements 12. Der Kolben 1 unterliegt somit zu keinem Zeitpunkt einer vom Kurbeltrieb induzierten Kippbewegung.

[0049] Die Erfindung ist nicht auf das obige Ausführungsbeispiel beschränkt, das lediglich der allgemeinen Erläuterung des Kerngedankens der Erfindung dient. Im Rahmen des Schutzumfangs kann die erfindungsgemäße Vorrichtung vielmehr auch andere als die oben beschriebenen Ausgestaltungsformen annehmen. Die Vorrichtung kann hierbei insbesondere Merkmale aufweisen, die eine Kombination aus den jeweiligen Einzelmerkmalen der Ansprüche darstellen.

[0050] Bezugszeichen in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.

Bezugszeichenliste

[0051] 

1

Kolben

2

Zylinder

3

Kurbelwelle

4

Kurbelwelle

5

Pleuel

6

Pleuel

10

Kolbenkörper

10'

Kolbenring

10"

Kolbenring

11

Kolbenhemdabschnitt

11'

Kolbenhemdabschnitt

12

Lagerelement

12'

stirnseitige Wandabschnitt

12"

stirnseitige Wandabschnitt

13

kreisförmige Außenkontur

14

kolbenseitiger Pleuellagerzapfen

15

Bohrung

16

kolbenseitiger Pleuellagerzapfen

17

unterer Stegabschnitt

18

Kolbenboden

20

Zylinderkopf

21

Zylinderinnenwand

22

Kompressionsraum

30

Synchronisationszahnrad

32

Lagerzapfen

40

Synchronisationszahnrad

42

Lagerzapfen

50

unteres Pleuelauge

52

Pleuelschaft

54

oberes Pleuelauge

55

Schwenklager

60

unteres Pleuelauge

62

Pleuelschaft

64

oberes Pleuelauge

65

Schwenklager

120

oberer Steg

121

unterer Steg

122

seitlicher Umfangswandabschnitt

123

seitlicher Umfangswandabschnitt

124

Durchtrittsöffnung

125

Durchtrittsöffnung

201

Kolben

205

Pleuel

206

Pleuel

212

Lagerelement

212'

ringförmiger Scheibenkörper

212"

Innenumfang

213

konzentrische Bohrung

214

kolbenseitiger Pleuellagerzapfen

215

zylindrischer Lagerzapfen

215'

kreisförmiger Außenumfang

216

kolbenseitiger Pleuellagerzapfen

217

unterer Stegabschnitt

255

oberes Schwenklager

265

oberes Schwenklager

305

Pleuel

306

Pleuel

312

Lagerelement

312'

Korpus

312"

kreiszylindrischer Flächenabschnitt

312'''

kreiszylindrischer Flächenabschnitt

312A

Kreissegmentabschnitt

312B

Kreissegmentabschnitt

314

Pleuellagerzapfen

315'

laterale Fläche

315"

laterale Fläche

316

Pleuellagerzapfen

355

oberes Schwenklager

365

oberes Schwenklager

E1

Schwenkebene

E2

Zylinder-Mittelebene

G

Gerade

X

Kolben- und Zylinderachse

Y1

Drehachse

Y2

Drehachse

Y3

untere Pleuelaugenachse

Y4

untere Pleuelaugenachse

Y5

obere Pleuelaugenachse

Y6

obere Pleuelaugenachse

Y7

Schwenkachse

Ansprüche

1. Kolben mit zwei Schwenklagern (55, 65; 255, 265; 355, 365) zur schwenkbaren Lagerung jeweils eines Pleuels (5, 6; 205, 206; 306, 306) am Kolben (1; 201; 301) um eine jeweilige Pleuelschwenkachse (Y5, Y6), wobei die beiden Pleuelschwenkachsen (Y5, Y6) parallel zueinander und seitlich voneinander beabstandet verlaufen,
dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Schwenklager (55, 65; 255, 265; 355, 365) an einem Lagerelement (12; 212; 312) vorgesehen sind, welches am Kolben (1; 201; 301) um eine Lagerschwenkachse (Y7) schwenkbar gelagert ist, die parallel zu den Pleuelschwenkachsen (Y5, Y6) verläuft.

2. Kolben nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Lagerschwenkachse (Y7), in einer die Lagerschwenkachse (Y7) rechtwinklig schneidenden Schwenkebene (E1) gemessen, von den Pleuelschwenkachsen (Y5, Y6) jeweils gleich beabstandet ist.

3. Kolben nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Lagerschwenkachse (Y7) in der Mitte einer die Pleuelschwenkachsen (Y5, Y6) in der Schwenkebene (E1) miteinander verbindenden Geraden (G) liegt.

4. Kolben nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

- dass das Lagerelement (12; 212; 312) eine kreisförmige Kontur (13; 213) oder zwei, vorzugsweise symmetrisch zueinander gelegene, kreissegmentförmige Konturen (312", 312''') aufweist, deren Kreismittelpunkt auf der Lagerschwenkachse (Y7) liegt,

- dass der Kolben (1; 201; 301) mit einer angepassten kreisförmigen Kontur (15; 215') beziehungsweise mit angepassten kreissegmentförmigen Konturen (315', 315") versehen ist, deren Kreismittelpunkt ebenfalls auf der Lagerschwenkachse (Y7) liegt, und

- dass die kreisförmigen beziehungsweise kreissegmentförmigen Konturen (13; 312; 312", 312''') des Lagerelements (12; 212; 312) und die kreisförmigen beziehungsweise kreissegmentförmigen Konturen (15; 215'; 315', 315") des Kolbens (1; 201; 301) in gegenseitiger Berührung, aber relativ zueinander um die gemeinsame Lagerschwenkachse (Y7) bewegbar angeordnet sind.

5. Kolben nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Lagerelement (12; 312) als Scheibe oder als Ring ausgebildet ist und dass die kreisförmige Kontur (13) beziehungsweise die kreissegmentförmigen Konturen (312", 312''') an einem Außenumfangsrand des Lagerelements (12; 312) ausgebildet ist beziehungsweise sind.

6. Kolben nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Lagerelement (212) als Ring ausgebildet ist und dass die kreisförmige Kontur (213) beziehungsweise die kreissegmentförmigen Konturen an einem Innenumfangsrand des Lagerelements (212) ausgebildet ist beziehungsweise sind.

7. Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine mit zumindest einer Kolben-Zylinder-Einheit, mit

- einem Zylinder (2), in dem ein Hubkolben (1; 201; 301) hin- und herbewegbar angeordnet ist;

- einer ersten Kurbelwelle (3);

- einer zweiten Kurbelwelle (4);

- wobei die erste Kurbelwelle (3) und die zweite Kurbelwelle (4) zueinander parallel verlaufen und sich gegensinnig synchron drehen;

- wobei die Drehachsen (Y1, Y2) der beiden Kurbelwellen (3, 4) zu einer gemeinsamen Zylinder-Mittelebene (E2) parallel verlaufen und bezüglicher dieser seitlich versetzt sind;

- wobei dem Hubkolben (1; 201; 301) ein erstes und ein zweites Pleuel (5, 6) derart zugeordnet sind, daß das erste Pleuel (5) mit seinem ersten Ende in einem ersten Schwenklager (55; 255; 355) um eine erste Pleuelschwenkachse (Y5) schwenkbar am Hubkolben (1; 201; 301) und mit seinem zweiten Ende an einem Kurbelzapfen (32) der ersten Kurbelwelle (3) drehbar gelagert ist und
daß das zweite Pleuel (6) mit seinem ersten Ende in einem zweiten Schwenklager (65; 265; 365) um eine zweite Pleuelschwenkachse (Y6) schwenkbar am Hubkolben (1; 201; 301) und mit seinem zweiten Ende an einem Kurbelzapfen (42) der zweiten Kurbelwelle (4) drehbar gelagert ist,
dadurch gekennzeichnet,

- dass die Schwenklager (55, 65; 255, 265; 355, 365) an einem Lagerelement (12; 212; 312) vorgesehen sind, welches am Kolben (1; 201; 301) um eine Lagerschwenkachse (Y7) schwenkbar gelagert ist, die parallel zu den Pleuelschwenkachsen (Y5, Y6) verläuft.

8. Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet ,
dass die Lagerschwenkachse (Y7), in einer die Lagerschwenkachse (Y7) rechtwinklig schneidenden Schwenkebene (E1) gemessen, von den Pleuelschwenkachsen (Y5, Y6) jeweils gleich beabstandet ist.

9. Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Lagerschwenkachse (Y7) auf der Mitte einer die Pleuelschwenkachsen (Y5, Y6) in der Schwenkebene (E1) miteinander verbindenden Geraden (G) liegt.

10. Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,

- dass das Lagerelement (12; 212; 312) eine kreisförmige Kontur (13; 213) oder zwei, vorzugsweise symmetrisch zueinander gelegene, kreissegmentförmige Konturen (312", 312''') aufweist, deren Kreismittelpunkt auf der Lagerschwenkachse (Y7) liegt,

- dass der Kolben (1; 201; 301) mit einer angepassten kreisförmigen Kontur (15; 215') beziehungsweise mit angepassten kreissegmentförmigen Konturen (315', 315") versehen ist, deren Kreismittelpunkt ebenfalls auf der Lagerschwenkachse (Y7) liegt, und

- dass die kreisförmigen beziehungsweise kreissegmentförmigen Konturen (13; 213; 312", 312''') des Lagerelements (12; 212; 312) und die kreisförmigen beziehungsweise kreissegmentförmigen Konturen (15; 215'; 315', 315") des Kolbens (1; 201: 301) in gegenseitiger Berührung, aber relativ zueinander um die gemeinsame Lagerschwenkachse (Y7) bewegbar angeordnet sind.

11. Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
dass das Lagerelement (12; 312) als Scheibe oder als Ring ausgebildet ist und dass die kreisförmige Kontur (13) beziehungsweise die kreissegmentförmigen Konturen (312", 312''') an einem Außenumfangsrand des Lagerelements (12; 312) ausgebildet ist beziehungsweise sind.

12. Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Lagerelement (212) als Ring ausgebildet ist und dass die kreisförmige Kontur (213) beziehungsweise die kreissegmentförmigen Konturen an einem Innenumfangsrand des Lagerelements (212) ausgebildet ist beziehungsweise sind.

13. Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Anordnung aus den beiden gegensinnig synchron umlaufenden Kurbelwellen (3, 4) so gestaltet ist, dass die Kurbelzapfen (32, 42) gegensinnig, aber geringfügig asymmetrisch umlaufen.

14. Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Asymmetrie des Umlaufs der Kurbelzapfen (32, 42) maximal 5° beträgt, vorzugsweise zwischen 1° und 3° beträgt, weiter vorzugsweise 2° beträgt.

15. Doppelkurbelwellen-Kolbenmaschine nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Asymmetrie des Umlaufs der Kurbelzapfen (32, 42) durch einen Winkelversatz von 1 bis 6 Zähnen zwischen miteinander im Eingriff stehenden Synchronisationszahnrädern (30, 40) der ersten beziehungsweise der zweiten Kurbelwelle bewirkt ist.

Zeichnung