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Schwungkraftanlasser für Brennkraftmaschinen Die Erfindung bezieht
sich auf einen Schwungkraftanlasser für Brennkraftmaschinen mit einem zwischen die
Schwungmasse und die Brennkraftmaschine eingeschalteten Getriebe, das in üblicher
Weise durch eine einrückbare Kupplung mit der Schwungmasse gekuppelt werden kann,
wenn diese auf eine genügend hohe Antriebsdrehzahl gebracht worden ist. Beim Andrehen
einer Brennkraftmaschine mittels eines Schwungkraftanlassers wird auf deren Kurbelwelle
innerhalb kürzester Zeit und über eine verhältnismäßig kleine Winkeldrehung hinweg
die gesamte in der Schwungmasse aufgespeicherte kinetische Energie impulsartig übertragen.
Bei der starken Beschleunigung der Kurbelwelle und der zugehörigen ':Massen sind
daher erhebliche Drehmomente aufzubringen. Es ist bereits bekannt, zwischen die
Schwungmasse und die Brennkraftmaschine sowohl mechanische als auch hydraulische
Getriebe einzuschalten. Soweit es sich dabei um stufenlos regelbare Getriebe handelt,
können bei erträglichen Abmessungen nur verhältnismäßig kleine Drehmomente übertragen
werden. Außerdem unterliegen solche Getriebe starkem Verschleiß und sind darüber
hinaus verwickelt in ihrer Bauart und teuer.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem solchen Schwungkraftanlasser
das zwischengeschaltete Getriebe als besonders einfaches und robustes Getriebe mit
derart veränderlicher Übersetzung auszubilden, daß die Brennkraftmaschine nach dem
Kuppeln der schnell laufenden Schwungmasse zunächst verhältnismäßig langsam und
am Ende des Andrehvorganges sehr schnell gedreht wird. Vorzugsweise übersteigt der
Ausgangswert des übersetzungsverhältnisses 10: 1 und kann 100: 1 oder mehr betragen,
während der Endwert vorzugsweise kleiner als 1 : 10 ist und 1 : 100 oder weniger
betragen kann.
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Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Antriebs-
und die parallele Abtriebswelle des Getriebes durch ein Koppelglied derart formschlüssig
miteinander verbunden sind, daß sich das Übersetzungsverhältnis des Getriebes während
des Andrehvorganges selbsttätig und stufenlos von einem Anfangswert größer als 1
bis zu einem Endwert kleiner als 1 ändert. Eine besonders zweckmäßige Ausbildung
des Erfindungsgegenstandes ergibt sich dann, wenn als Koppelglied eine winkelige
Zahnstange verwendet wird, deren beide Zahnstangenschenkel mit je einem auf der
Abtri.ebswelle befestigten Ritzel kämmen. Eine andere Ausführungsform ergibt sich
dadurch, daß das Koppelglied als Koppel ausgebildet ist, die je eine Kurbel der
Antriebs- und der Abtriebswelle gelenkig verbindet. Zur Rückführung der Getriebeteile
nach dem Andrehen in die Ausgangsstellung hat sich eine Feder als zweckmäßig erwiesen.
Auf der An- und auf der Abtriebsseite des Getriebes sind in bekannter Weise Kupplungen
zur Verbindung mit der Schwungmasse bzw. mit der Brennkraftmaschine vorgesehen.
Zweckmäßig ist wenigstens eine dieser Kupplungen, vorzugsweise auf der Antriebsseite,
als Sicherheitsrutschkupplung ausgebildet, während zur Kupplung mit dem Schwungrad
der Brennkraftmaschine das . übliche, auf einem Steilgewinde sitzende Ritzel Verwendung
finden kann, das sich nach dem Andrehen von selbst wieder aus dem Zahnkranz der
Schwungscheibe löst.
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Das erfindungsgemäß den Teil eines Schwungkraftanlassers bildende
Getriebe bietet den hohen Wirkungsgrad der Drehenergieübertragung, wie ihn mechanische
stufenlos regelbare Getriebe aufweisen, jedoch ohne deren Nachteil einer niedrigen
Drehmomentübertragung und/oder schnellen Verschleißes (im Falle stufenloser Reibgetriebe)
oder größeren Aufwandes und verwickelter Bauart (im Falle stufenloser hydraulischer
Getriebe .oder mechanischer Zahnradgetriebe). Die Erfindung bezieht sich nicht auf
die Verwendung regelbarer Getriebe, die Mittel zur automatischen Übersetzungsänderung
von einem hohen zu einem niedrigen Wert aufweisen, sondern betrifft nur die Verwendung
von Getrieben, bei denen die Übersetzungsänderung beim Betrieb direkt von den
die
Kraft übertragenden Bewegungen seiner Getriebeglieder ausgeht.
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Bei einer Ausführungsform eines Schwungkraftanlassers ist eine Schwungmasse
mit der Antriebswelle des Getriebes über eine Kupplung mit oder ohne ein zwischengeschaltetes
Übersetzungsgetriebe und das Schwungrad der Maschine mit der Abtriebswelle des Getriebes
über eine nur in einer Richtung wirksame Kupplung ebenfalls mit oder ohne ein zwischengeschaltetes
Übersetzungsgetriebe gekuppelt. Beim Andrehen wird die zunächst von der Antriebswelle
des Getriebes abgekuppelte Schwungmasse durch übliche Mittel auf hohe Drehzahl gebracht
und dann die Kupplung zwischen Schwungmasse und Getriebe eingeschaltet. Die Getriebeelemente
drehen sich dann aus einer Ausgangslage in eine Endlage, wobei während dieser Drehung
das Übersetzungsverhältnis beträchtlich, und zwar im allgemeinen auf den Kehrwert
seines Anfangswertes fällt. In dieser Endlage werden die Getriebeelemente durch
Blockierung oder einen Anschlag zum Stillstand gebracht. Die nur in einer Richtung
wirksame Kupplung zwischen dem Getriebe und dem nunmehr sich drehenden Schwungrad
der Brennkraftmaschine wird überholt und die Kupplung zwischen der Schwungmasse
und dem Getriebe durch irgendwelche geeigneten Mittel selbsttätig gelöst, so daß
das Getriebe unter der Wirkung einer Rückholfeder in seine Ausgangslage zurückkehren
kann.
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Das Koppelglied ist bei einer Ausführungsform als zweischenklige Zahnstange
ausgebildet, deren beide Schenkel unter einem Winkel, vorzugsweise 90°, zueinander
stehen. Wenn dann in der Ausgangs- und Endlage das eine der Getrieberitzel sich
direkt am Winkelscheitel befindet, so sind die Anfangs- und Endwerte des Übersetzungsverhältnisses
praktisch oo : 1 bzw. 1 : oo, wobei der Betrag der beim höchsten (Anfangs-) Drehmoment
erforderlichen Formänderung sehr klein ist.
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Jeder Zahnstangenschenkel ist in geeigneter Weise auf einem Arm einer
flachen Uförmigen Platte befestigt, wobei seine Zähne an einem Längsschlitz in der
Platte liegen, der sich über fast die gesamte Länge des betreffenden Armes erstreckt.
Die Ritzel werden durch je eine auf gleicher Achse angeordnete, in die entsprechenden
Schlitze der Platte hineinragende Rolle gezwungen, in ihre Zahnstangenschenkel einzugreifen.
Die Schlitze erstrecken sich so weit, daß abwechselnd jedes Ritzel eine Lage dicht
beim Winkelscheitel der L-förmigen Platte einnehmen kann. Falls erwünscht, können
die Zahnstangenschenkel an einem Ende verkürzt sein, so daß die Ritzel in der am
Ende der Drehenergieübertragung erreichten Stellung frei laufen, oder es können
andererseits die Zahnstangenschenkel über die ganze Länge der zulässigen Bewegung
laufen, wobei geeignete Kupplungen vorgesehen werden müssen, um eine Zerstörung
des Getriebes zu verhindern.
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Wenn die Ritzel einander gleich sind und einen im Verhältnis zu ihrem
seitlichen Abstand kleinen Radius aufweisen und mit Schwungmassen gleichen Trägheitsmoments
gekuppelt sind (von denen die eine durch die Schwungmasse der Andrehvorrichtung
und die andere durch die anzudrehende Maschine gebildet wird), dann läßt sich leicht
zeigen, daß die Drehung der Zahnstangen während der Drehenergieübertragung im wesentlichen
konstant ist, was ein gleichmäßiges Arbeiten zur Folge hat.
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Mit Ritzeln vom Radius 1 und einem verhältnismäßig großen Achsabstand
a wird die Entfernung zwischen den Berührungspunkten der Ritzel mit ihren Zahnstangenschenkeln
und dem 90°-Winkelscheitel zwischen den Schenkeln a - cos a bzw. ca
# sin a,
wobei a den Winkel zwischen der Verbindungslinie der Berührungspunkte
der Ritzel und einem der Zahnstangenschenkel bedeutet. Bezeichnet man die Winkelgeschwindigkeit
eines Ritzels als Funktion des Winkels a mit co, und die des anderen mit 0J2, so
folgt:
Wenn keine Energie v erlorengeht und die Schwungmassen der Andrehvorrichtung und
der Brennkraftmaschine einander gleich sind, ist die Summe u)i -1- @konstant, und
die Substitution von a # (i # cos a
und a --d . sin
. a für c,)1 und 0)2 zeigt, daß d konstant ist. Weiter folgt durch Differentiation
der Gleichung für cul, daß c#l = ca # (il # cos a ist, und die Substitution von
a . i . cos a aus der Gleichung für t)2 ergibt v#l = ä # to,. Die letzte Gleichung
zeigt, daß die Winkelbeschleunigung der Schwungmasse der Andrehvorrichtung ihren
größeren Wert zu Beginn der Drehenergieübertragung hat und daß dieser Wert endlich,
nämlich
ist. Diese Rechnung gilt nur näherungsweise und vernachlässigt die Trägheitsmomente
der Getriebewelle, aber der Fehler kann leicht durch die geringe Nachgiebigkeit
der mechanischen Teile ausgeglichen werden.
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Bei einer anderen Ausführungsform hat das Verbindungsglied die Form
einer Koppel, die je eine Kurbel der Antriebswelle und der Abtriebswelle gelenkig
verbindet, wobei die Achsen der Wellen parallel und seitlich versetzt angeordnet
sind. Vorzugsweise geht in der Ausgangslage die Längsachse der Koppel dicht an der
Achse der Antriebswelle vorbei oder kreuzt sie im Grenzfall, während in der Endlage
die Koppellängsachse dicht an der Achse der Abtriebswelle vorbeigeht oder im Grenzfall
sie kreuzt, wodurch Übersetzungsverhältnisse von nahezu co : 1 bzw. 1 : co erzielt
werden.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 eine schematische Gesamtansicht eines Schwungkraftanlassers
für die gleichachsige Kupplung mit der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, Fig.2
eine teilweise geänderte Ausführungsform der Fig. 1, bei der die Kupplung mit der
Brennkraftmaschinenkurbelwelle durch ein längs verschiebhares Andrehritzel bewirkt
wird, Fig. 3 a und 4a in schematischer Darstellung die Innenteile von Getrieben
verschiedener Ausführung als Teile der Fig. 1 und 2 in der Ausgangslage, Fig.3b
und 4b die gleichen Teile in der Endlage und Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine
praktische Ausführung des Schwungkraftanlassers.
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Der in Fig. 1 dargestellte Schwungkraftanlasser weist eine Andrehkurbel
1 zum Antrieb eines Stirnrades 2 auf, das mit einem Ritzel 3 ein übersetzungsgetriebe
für den Antrieb einer leichten Schwung
scheibe 4 bildet. Mit dem
Stirnrad 2 dreht sich zwangläufig die eine Hälfte 5 einer nur in einer Richtung
wirksamen Klauenkupplung, deren andere Hälfte 6 durch Keile 7 mit der Antriebswelle
8 eines Getriebes 9 verbunden ist. Die Abtriebswelle 10 des Getriebes ist in gleicher
Weise durch Keile 11 mit einer Hälfte einer zweiten nur in einer Richtung wirksamen
Klauenkupplung verbunden, deren andere Hälfte 13
sich zusammen mit dem Schwungrad
14 einer Dieselmaschine oder einer anderen Brennkraftmaschine 15 dreht. Ein Handhebel
16 dient zum gleichzeitigen Einrücken der Kupplungen 12/13 und 5/6 beim Andrehen
der Maschine und zum anschließenden Wiederausrücken mittels Hebeln 17 und 18, die
in je eine ringförmige Nut 19 bzw. 20 der Kupplungen greifen. Blatt-Spiral-Federn
21 und 22 sorgen dafür, daß die Teile des Getriebes 9 nach dem Andrehvorgang in
ihre Ausgangslage zurückgebracht werden.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist ein Übersetzungsgetriebe 23,
24 zwischen der Abtriebswelle 10 und einem längs verschiebbaren Andrehritzel 25
vorgesehen, das durch den Hebel 18 mit einem Stirnradzahnkranz 26 des Schwungrades
14 der Brennkraftmaschine in Eingriff gebracht werden kann. Die Kupplungsteile 12/13
sind federbelastet und ständig im Eingriff und dienen als Ratsche, während das Andrehritzel
25 dazu dient, das Getriebe 9 vom Schwungrad 14 zu trennen.
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Das Koppelglied des Getriebes 9 kann die in Fig. 3a, 3 b oder die
in Fig. 4a, 4b gezeigte Form haben. Nach Fig. 3 a und 3 b sind auf den Wellen 8
und 10 Zahnritzel 30 befestigt, die mit einer L-förmigenZahnstange 31 kämmen. Die
Zähne der Zahnstange 31 werden mit den Ritzeln 30 dadurch in Verbindung gehalten,
daß sich an der L-förmigen Zahnstange 31 befestigte Gleitschienen 32 an die gegenüberliegende
Seite der Wellen 8 und 10 legen. Gemäß Fig. 4a und 4b sind auf den Wellen 8 und
10 Kurbeln 33 befestigt, die durch eine Koppel 34 miteinander gelenkig derart verbunden
sind, daß die Koppel 34 in der Ausgangs- und Endlage jeweils die Achse der Antriebswelle
8 bzw. der Abtriebswelle 10 kreuzt, so daß sich Übersetzungsverhältnisse co : 1
bzw. 1 : co ergeben, wobei die Drehbewegung der Kurbeln durch Anschläge 28 begrenzt
wird.
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Eine konstruktive Durchbildung entsprechend Fig. 3 ist in Fig. 5 dargestellt.
Die Schwungscheibe 4 ist an einer Riemenscheibe 35 befestigt und über eine als Drehmomentbegrenzer
wirkende Sicherheitsrutschkupplung 36 mit der Kupplungshälfte 5 verbunden. Letztere
kann durch eine nicht gezeichnete Betätigungsvorrichtung zusammen mit der Schwungscheibe
4 mit der auf der Antriebswelle 8 aufgekeilten Kupplungshälfte 6 gekuppelt werden.
Es sind zwei Zahnstangen 31 vorgesehen, die durch Verbindungsstücke 37 zusammengehalten
sind. Die Kupplungshälften 12/13 sind auf der Abtriebswelle 10, im wesentlichen
wie in Fig.2 dargestellt, angebracht, wobei der Teil 13 federbelastet ist. Das Getriebe
23/24 ist weggelassen. Das Andrehritze125 ist auf einem Steilgewinde der Abtriebswelle
10 verschraubbar, so daß es bei treibender Welle 10 zum Eingriff in den Schwungradzahnkranz
26 kommt und sich selbsttätig löst, wenn es von dem Zahnkranz 26 überholt wird.
Die Riemenscheibe 35 ist über einen Riemen mit einer weiteren Scheibe auf einer
nicht gezeichneten Andrehkurbel verbunden.
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Als technisch gleichwertige Übertragungsglieder des Getriebes 9 kommen
an Stelle der Koppelglieder auch an sich bekannte unrunde verzahnte Räder in Betracht,
die jedoch wegen ihrer hohen Fertigungskosten weniger zweckmäßig sind.