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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Getriebe für ein Hubkolbenmotor- oder-pumpenaggregat, das zumindest eine Zylinder/Kolben-Einheit aufweist, mit einem Getriebegehäuse, zwei im Getriebegehäuse koaxial und gegensinnig drehbar gelagerten Wellen mit jeweils mehreren in gleicher ungerader Zahl über den Umfang verteilten Nocken, und einer im Getriebegehäuse linear beweglichen Schubstange, welche mit dem Kolben starr verbindbar ist und einen Rollensatz mit zwei koaxialen Rollen lagert, von denen die eine an der einen Welle und die andere an der anderen Welle angreifend auf den Nocken abrollt.
Ein Getriebe dieser Art ist aus der GB 476 247 bekannt und weist drei Nockenkränze auf, von denen die beiden äusseren auf der einen Welle und der mittlere auf der anderen Welle sitzt. Die Schubstange lagert drei koaxiale Rollen, welche auf einer Seite der Welle auf den Nocken abrollen.
Die bekannte Konstruktion ist damit einerseits aufwendig aufgebaut und hat anderseits eine asymmetrische Belastung der Wellen zur Folge, was sich in einer erhöhten Reibung, erhöhtem Verschleiss und verringertem Wirkungsgrad niederschlägt.
Aus der US 4 697 552 ist ein anders geartetes Getriebe mit einer einzigen nockenbestückten Welle bekannt, an der eine Schubstange mit zwei voneinander beabstandeten Rollen diametral angreift. Die Rollen sind auf einer Seite der Schubstange gelagert, so dass kein querkraftfreier Betrieb vorliegt.
Die Erfindung setzt sich zum Ziel, ein Getriebe für einen Hubkolbenmotor- oder -pumpenaggregat zu schaffen, welches die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Dieses Ziel wird erfindungsgemäss mit einem Getriebe der einleitend genannten Art erreicht, welches sich dadurch auszeichnet, dass die Schubstange zwei voneinander beabstandete Rollensätze lagert, die diametral an den Wellen angreifend auf den Nocken abrollen, wobei die Rollen eines Rollensatzes auf gegenüberliegenden Seiten der Schubstange gelagert sind und die Schubstange zwischen den Nocken der einen Welle und den Nocken der anderen Welle hindurchtritt.
Die Erfindung schafft damit ein Getriebe, welches auf der Keilwirkung der sich kontinuierlich öffnenden und schliessenden Keile beruht, die sich im Betrieb durch die gegensinnige Drehung der beiden Wellen zwischen deren Nocken ausbilden und in denen sich die Rollensätze symmetrisch abstützen, und bei dem die Einleitung von Querkräften in die Schubstange und die Wellen vermieden wird. Dadurch wird die Reibung der Kolben in den Zylindern signifikant reduziert, ihr Wirkungsgrad erhöht und der Verschleiss der Kolbenringe beträchtlich verringert. Das durch die Expansion des einen Zylinders bewirkte Eintreten des einen Rollensatzes in den sich fortschreitend öffnenden Keil treibt die Wellen an, wobei der gegenüberliegende Keil sich fortschreitend schliesst, den anderen Rollensatz herausdrückt und dadurch die Kompression der Gase im anderen Zylinder unterstützt.
Die erfindungsgemässe Konstruktion kommt mit zwei gegenläufigen Nockenkränzen aus und erreicht dennoch eine symmetrische Belastung der Schubstange und der Wellen in allen Querrichtungen. Die Schubstange wird nur auf innere Torsion zwischen den Rollensätzen beansprucht, ohne Querkräfte in die Kolben/Zylinder-Pressungen einzuleiten.
Ein weiterer entscheidender Vorteil des Getriebes der Erfindung ist, dass die Umsetzung der oszillierenden Gas- und Massenkräfte direkt zwischen Antriebsrollen und Kurvenscheiben ohne Umwege in die Drehbewegung mündet. Im Gegensatz dazu teilen alle bekannten Schubkurbelgetriebe die durch die Pleuelstange am Kurbelzapfen wirkende Kraft je nach Kurbelwinkel zu verschiedenen Teilen in die erwünschte Tangentialkraft und die unerwünschte kraftverzehrende Radialkraft auf.
Das Getriebe der Erfindung ist besonders für ein Hubkolbenmotor- oder-pumpenaggregat mit zumindest zwei mit ihren Kolben einander zugewandt gegenüberliegenden Zylinder/Kolben- Einheiten geeignet ; diesem Fall ist bevorzugt das Getriebegehäuse zur Anordnung zwischen den Zylinder/Kolben-Einheiten ausgebildet und die Schubstange an ihren Enden jeweils mit einem Kolben starr verbindbar. Dadurch teilt sich der Kraftfluss des Kolbens des ersten Zylinders in drei Stränge auf, von denen die ersten beiden über die Rollen und Nocken symmetrisch auf die Wellen wirken. Der dritte Strang wirkt über die Schubstange direkt auf den zweiten Kolben, dessen Bewegung durch das Polster der zu komprimierenden Gaskräfte abgefedert wird.
Wenn das Aggregat ein Verbrennungskraftmotor ist, werden die Zündzeitpunkte dabei so gewählt, dass der Arbeitstakt der einen Zylinder/Kolben-Einheit zeitgleich mit dem Verdichtungstakt der anderen Zylinder/Kolben-Einheit abläuft.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Schubstange eine zentrale Ausnehmung aufweist, welche für den Durchtritt der Wellen dient.
Dadurch kann eine stabförmige Schubstange verwendet werden, deren Achse die Achse der Welle schneidet, was eine einfache und stabile Konstruktion ergibt.
Bevorzugt gleiten die Enden der Wellen der Rollensätze in Linearführungen des Getriebegehäuses. Auf diese Weise können die Torsionskräfte der Schubstange zum Getriebegehäuse hin abgeleitet werden, was die Beanspruchung der Schubstange reduziert und ihre Lebensdauer erhöht.
Das Getriebe der Erfindung kann für Aggregate mit einer beliebigen Anzahl von Zylinder/Kolben-Einheiten eingesetzt werden. Dazu ist es besonders günstig, wenn das Getriebegehäuse modular mit den Getriebegehäusen benachbarter gleichartiger Getriebe zusammenbaubar ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in der Schaffung eines Hubkolbenmotor- oder -pumpenaggregats mit zumindest einer Zylinder/Kolben-Einheit, das sich durch ein Getriebe der vorgestellten Art auszeichnet, dessen Schubstange mit dem Kolben starr verbunden ist, bzw. eines Hubkolbenmotor- oder-pumpenaggregats mit zumindest zwei mit ihren Kolben einander zugewandt gegenüberliegenden Zylinder/Kolben-Einheiten, welches sich durch ein Getriebe der vorgestellten Art auszeichnet, das zwischen den Zylinder/Kolben-Einheiten liegt und dessen Schubstange die Kolben starr miteinander verbindet. Bezüglich der Vorteile dieser Aggregate wird auf die obigen Ausführungen zum Getriebe verweisen.
Eine besonders vorteilhafte, kompakte Ausführungsform ergibt sich, wenn gemäss einem weiteren bevorzugten Merkmal der Erfindung das Getriebegehäuse mit dem bzw. den Zylindern einstückig gefertigt oder zusammengebaut ist.
Eine besonders bevorzugte Anwendung der Erfindung besteht darin, dass das Aggregat ein Zwei- oder Viertakt-Verbrennungsmotor ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigeschlossenen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 a einen erfindungsgemäss ausgestatteten Vierzylinder-Hubkolbenmotor in einer aufgebrochenen Perspektivansicht,
Fig. 1 b die Kolben und die Getriebe des Motors von Fig. 1 a in einer weiteren Perspektivansicht, die Fig. 2 und 3 einen Zweizylinder-Hubkolbenmotor gemäss der Erfindung in einer schematischen Stirnansicht (Fig. 2) bzw. Seitenansicht (Fig. 3), und die Fig. 4a bis 4d die Funktion des Hubkolbenmotors und Getriebes der Erfindung in den vier Arbeitstakten eines Viertakt-Verbrennungsmotors.
Fig. 1 a und 1 b zeigen einen Vierzylinder-Hubkolbenmotor mit zwei gleichen Paaren 1,2 von einander gegenüberliegende Zylinder/Kolben-Einheiten 3,4 bzw. 5,6, zwischen denen jeweils ein Getriebe 7,8 angeordnet ist.
Die Fig. 2 und 3 zeigen das Paar 1 im Detail. Jede Zylinder/Kolben-Einheit 3,4 umfasst einen Zylinder 9,10 mit einem Verbrennungsraum 11,12, welcher einen Kolben 13,14 antreibt, wie in der Technik bekannt. Die Zündzeitpunkte in den Verbrennungsräumen 11, 12 werden so gewählt, dass die Kolben 13, 14 gleichläufig arbeiten. Pulsationen der Luft im Getriebegehäuse sind dadurch minimiert, die Luft wird im wesentlichen nur hin- und herbewegt. Anstelle von Verbrennungsräumen könnten jedoch auch hydraulisch oder pneumatisch beaufschlagte Hubräume verwendet werden.
Zwischen den Zylindern 9,10 ist ein Getriebegehäuse 15 angeordnet, und zwar bevorzugt mit den Zylindern 9, 10 einstückig gefertigt oder zusammengebaut.
Im Getriebegehäuse 15 sind zwei Wellen 16,17 koaxial drehbar gelagert, welche sich im Betrieb gegensinnig drehen, wie später noch ausführlicher erläutert wird. Die gegensinnige Drehbewegung der Wellen 16, 17 kann über eine entsprechende Übersetzung in eine gemeinsame Drehbewegung umgewandelt werden, falls gewünscht. Beispielsweise können die Wellen 16,17 mit Ritzeln versehen sein, die diametral in den Zahnkranz einer Abtriebswelle eingreifen, wie in der Technik bekannt, oder die eine Welle kann über einen drehrichtungsumkehrenden Zahnradtrieb mit der anderen Welle kämmen, usw.
Jede Welle 16,17 ist mit drei gleichmässig über den Umfang verteilten Nocken 18 - 20 bzw.
21 - 23 versehen. Alternativ könnte jede beliebige ungerade Anzahl von Nocken grösser gleich drei vorgesehen werden.
Die Nocken 18 - 20 bzw. 21 - 23 einer Welle 16,17 können zu einer Nockenscheibe ("Kur-
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vensteuerscheibe") vereinigt sein, welche von der jeweiligen Welle 16,17 durchsetzt bzw. auf dieser drehfest verkeilt ist, wie in den Fig. dargestellt, oder aber direkt auf der Welle 16, 17 montiert oder als Teil derselben ausgebildet sein.
Die Kolben 13,14 sind über eine Schubstange 24 starr miteinander verbunden; die Schubstange 24 bewegt sich daher linear im Getriebegehäuse 15. Da in der gezeigten Ausführungsform die Achse der Schubstange 24 die Achse der Wellen 16, 17 schneidet, weist die Schubstange 24 eine zentrale schlitzförmige Ausnehmung 25 für den Durchtritt der Wellen 16,17 auf. Alternativ könnte die Schubstange 24 auch durch einen C- oder O-förmigen Rahmen gebildet sein, welcher im Getriebegehäuse 15 linear beweglich geführt ist.
Die Schubstange 24 lagert zwei voneinander beabstandete Rollensätze 26,27, wobei die Ausnehmung 25 zwischen diesen liegt. Jeder Rollensatz 26,27 umfasst seinerseits zwei koaxiale Rollen 28,29 bzw. 30,31. Die beiden Rollen 28,29 bzw. 30,31 eines Rollensatzes liegen auf gegenüberliegenden Seiten der Schubstange 24, so dass die Schubstange 24 zwischen den Nocken 18 - 20 der einen Welle 16 und den Nocken 21 - 23 der anderen Welle 17 hindurchtritt.
Die Rollensätze 26,27 greifen diametral an den Wellen 16, 17 an, wobei ihre jeweils einen Rollen 28,30 auf den Nocken 18 - 20 der einen Welle 16 und ihre jeweils anderen Rollen 29,31 auf den Nocken 21 - 23 der anderen Welle 17 abrollen.
Die Nocken 18 - 23 haben genau jene Keulenform, die sich aus der hin- und hergehenden Bewegung bzw. Weg/Zeit-Relation der Rollen 28 - 31 bezüglich der rotierenden Wellen 16, 17 ergibt und einen ununterbrochenen Kontakt der Rollen 28 - 31 auf den Nocken 18 - 23 gewährleistet.
Zur Abstützung können die Enden 32 - 35 der Wellen der Rollensätze 26,27 durch Stützlager 36 - 39 der Kolben 13,14 hindurchtreten und in Linearführungen 40,41 des Getriebegehäuses 15 gleiten.
Die Fig. 4a bis 4d zeigen die Funktionsweise des Getriebes in Verbindung mit einem Zweizylinder-Viertakt-Verbrennungsmotor (das Getriebe der Erfindung ist jedoch selbstverständlich auch für Zweitaktmotoren geeignet). Die Zündfolge 42 im oberen Verbrennungsraum 12 ist entgegengesetzt zu der Zündfolge 43 im unteren Verbrennungsraum 11.
Im ersten Takt (Fig. 4a) bewegt sich die Schubstange 24 nach unten, wobei im oberen Verbrennungsraum 12 angesaugt wird und im unteren Verbrennungsraum 11 die Verbrennungsgase ausgeschoben werden. Der obere Rollensatz 26 drückt den durch die Nocken 18,21 gebildeten Keil auseinander und treibt so die Wellen 16, 17 an ; der durch die Nocken 20,22 gebildete Keil schliesst sich und drückt den Rollensatz 27 nach unten.
Im zweiten Takt (Fig. 4b) bewegt sich die Schubstange 24 nach oben, wobei im oberen Verbrennungsraum 12 die Verdichtung und im unteren Verbrennungsraum 11 die Verbrennung (Arbeitstakt) erfolgt. Nun drückt der untere Rollensatz 27 den durch die Nocken 20,22 gebildeten Keil auseinander und treibt so die Wellen 16,17 an, wogegen der gegenüberliegende, durch die Nocken 19,23 gebildete Keil sich schliesst und den Rollensatz 26 nach oben drückt.
Im dritten Takt (Fig. 4c) bewegt sich die Schubstange 24 wieder nach unten, wobei im oberen Verbrennungsraum 12 die Verbrennung (Arbeitstakt) und im unteren Verbrennungsraum 11 das Verdichten abläuft. Das Getriebe arbeitet dabei wie im ersten Takt beschrieben. Im vierten Takt (Fig. 4d) bewegt sich die Schubstange 24 neuerlich nach oben, wobei im oberen Verbrennungsraum 12 ausgeschoben und im unteren Verbrennungsraum 11 angesaugt wird. Das Getriebe arbeitet dabei wie im zweiten Takt beschrieben.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst alle Varianten und Modifikationen, die in den Rahmen der angeschlossenen Ansprüche fallen.
Beispielsweise können die Zylinder/Kolben-Einheiten auch von der Schubstange angetrieben sein, z. B. zum Aufbau einer Hubkolbenpumpe. In diesem Fall arbeitet das Getriebe der Erfindung in kinematischer Umkehrung und alles, was zuvor in Zusammenhang mit Motoraggregaten erörtert wurde, trifft in kinematischer Umkehrung auch auf Pumpenaggregate zu.
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