DE102007008945B4

DE102007008945B4 - Nockengetriebe

Info

Publication number: DE102007008945B4
Application number: DE102007008945.9A
Authority: DE
Inventors: gleich Patentinhaber Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-02-21
Filing date: 2007-02-21
Publication date: 2022-07-14
Anticipated expiration: 2027-02-22
Also published as: DE102007008945A1

Abstract

Vorrichtung (1;1';1") zur bewegungsmäßigen Kopplung wenigstens zwei rotierender Wellen (4,23) mit wenigstens einem linear hin und her gehenden Kolben (6) eines Motors (3), dessen Hublänge, d.h. der räumliche Abstand zwischen zwei einander gegenüberliegenden Totpunkten (OTP, UTP), sich periodisch ändert, dadurch gekennzeichnet, dassa) an dem linear hin und her gehenden Kolben (6) oder an einem Fortsatz (11) desselben zwei quer zu dessen linearer Bewegungsrichtung (18) vorspringende Elemente (19,20) angeordnet sind, welche sich übereinander befinden, entlang der Achse (18) der Kolben-Linearbewegung gegeneinander versetzt, wobeib) mit jedem der Elemente (19,20) jeweils genau eines von wenigstens zwei Nockenelementen (21,22) an den wenigstens zwei drehfest miteinander gekoppelten Wellen (4,23) regelmäßig in Kontakt tritt.

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung zur bewegungsmäßigen Kopplung wenigstens zweier rotierender Wellen mit wenigstens einem linear hin und her gehenden Kolben eines Motors, dessen Hublänge, d.h. der räumliche Abstand zwischen zwei einander gegenüberliegenden Totpunkten, sich periodisch ändert.
Eine solche Kopplung ist bspw. erforderlich bei Verbrennungsmotoren mit linear hin und her gehenden Kolben, deren Linearbewegung, in eine kontinuierliche Rotationsbewegung einer Abtriebswelle umzusetzen ist. Dieses Problem wird seit alters her. mit einer mehrfach abgekröpften Kurbelwelle als Abtriebswelle gelöst, deren exzentrische Bereiche über je eine Pleuelstange mit den einzelnen Kolben gekoppelt ist. Dank dieser Pleuelstangen ist einerseits sichergestellt, dass während eines vollständigen Kolbenhubs eines Kolbens von dessen oberem Totpunkt (OT) über seinen unteren Totpunkt (UT) zurück zu OT die Kurbel- bzw. Abtriebswelle genau eine Umdrehung macht. Andererseits legt diese Kopplungsart einen konstanten Kolbenhub bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle fest.
Andererseits umfasst bei den besonders weit verbreiteten 4-Takt-Verbrennungsmotoren jeder vollständige Arbeitszyklus insgesamt 4 Takte, d.h., Kolbenbewegungen, nämlich Ansaugen - Verdichten - Expansion - Ausschieben, und erstreckt sich damit über zwei Umdrehungen der Kurbelwelle. Damit liegt der OT nach dem Ausschieben / vor dem Ansaugen an der selben Stelle wie zwischen dem Verdichtungs- und dem Expansionstakt, also etwa im Zeitpunkt der Zündung. Damit der Motorblock beim Verdichten nicht zerrissen wird, muss am OT ein Abstand der Kolbenoberseite zum Zylinderkopf verbleiben. Dieser Abstand verbleibt dann aber auch zwischen dem Ausschieb- und dem Ansaugtakt, so dass die verbrannten Gase nicht vollständig ausgeschoben werden können und sich beim nächsten Takt mit der frischen Ansaugluft vermischen. Die in dem Zylinder verbleibenden heißen Gase vermischen sich mit der angesaugten Luft, wobei diese sich rasch erwärmt und ausdehnt und das Zylindervolumen schneller füllt als kalte Luft. Außerdem reduzieren die im Zylinder verbliebenen, bereits verbrannten Gase den Sauerstoffgehalt im Zylinder und vermindern dadurch das Brennvermögen des Luft-Kraftstoff-Gemischs. Es wäre daher wünschenswert, eine Kopplung zwischen einer oszillierenden Linearbewegung einerseits und einer Rotationsbewegung andererseits derart auszubilden, dass der OT der Linearbewegung bei aufeinanderfolgenden Hüben nicht identisch sein muss.
Eine solche Anordnung ist in der deutschen Patentschrift DE 10 2004 042 873 B3 der Anmelder offenbart. Nach deren Lehre ist eine mit einem Kolben verbundene Kolbenstange als Zahnstange ausgebildet, welche mit zwei Zahnrädern in Eingriff treten kann, welche nur an je zwei Umfangssegmenten verzahnt sind. Die beiden Zahnräder sind drehbewegungsmäßig miteinander gekoppelt, so dass eine Drehung eines Zahnrades im Uhrzeigersinn gleichbedeutend ist mit einer Drehung des anderen Zahnrades im Gegenuhrzeigersinn. Die Verzahnungssegmente der beiden Zahnräder sind derart gegeneinander verschoben, dass bei einer kontinuierlichen Drehbewegung der beiden Zahnräder stets nur ein Verzahnungssegment eines Zahnrades in Eingriff mit der Zahnstange steht. Jedem Hub der Zahnstange während zweier oder mehrerer aufeinanderfolgender Takte ist daher genau ein Verzahnungssegment eines Zahnrades zugeordnet, das während dem betreffenden Hub in Eingriff ist. Da sich eingriffsmäßig je ein Verzahnungssegment eines Zahnrades mit je einem Verzahnungssegment des anderen Zahnrades abwechseln, ergibt sich bei einer gleichmäßigen Drehbewegung eines Zahnrades bzw. der Abtriebswelle eine linear hin und her gehende Oszillationsbewegung der Kolbenstange. Mit der Länge eines Verzahnungssegments kann dabei die Weite der Hubbewegung des Kolbens bei dem betreffenden Takt eingestellt werden. Eine Besonderheit dieser Anordnung ist jedoch, dass bei konstanter Rotationsgeschwindigkeit eines Zahnrades während dessen Eingriffs mit der Zahnstange deren Lineargeschwindigkeit ebenfalls etwa konstant ist, so dass sich anstelle einer sich etwa sinusförmig ändernden Kolbengeschwindigkeit ein etwa pulsförmiger Verlauf ergibt, der bei OT und UT zu hohen Beschleunigungswerten des Kolbens führt.
Die DE 197 16 229 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Betätigung von verschwenkbaren Stellgliedern, insbesondere zum Verschwenken von Luftregulierklappen in Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen, mit zwei durch ein Betätigungsglied gemeinsam verdrehbaren und über Drehhebelmechanismen die Stellglieder verschwenkenden Kurvenscheiben, die achsparallel nebeneinander gelagert sind und über Verzahnungen miteinander kämmen. Luftregulierklappen in Klimaanlagen unterliegen jedoch gänzlich anderen Betriebsbedingungen als die Kolben eines Motors. Denn Luftklappen werden nur von einer Position in eine andere und schließlich wieder zurück verfahren, rotieren also niemals vollständig um ihre Drehachse, sondern stets um Winkel von weniger als 360°, während die über Kolben angetriebene Kurbelwelle in einem Motor mit hohen Drehzahlen beständig in einer gleichbleibenden Drehrichtung umläuft, also völlig anderen Belastungen unterworfen ist. Ferner führen Kolben in einem Motor lineare Hubbewegungen aus, während Luftregulierklappen um verschiedene Schwenkwinkel gedreht werden. Die Ankopplung eines linear verstellbaren Elements ist bei der DE 197 16 229 A1 überhaupt nicht vorgesehen.
Aus diesen Besonderheiten des beschriebenen Standes der Technik resultiert das die Erfindung initiierende Problem, eine gattungsgemäße Koppelvorrichtung derart auszubilden, dass einerseits aufeinanderfolgende Hübe der Linearbewegung unterschiedlich groß sein können, während andererseits zu hohe Beschleunigungswerte beim Ändern der Hubrichtung vermieden werden sollen.
Die Lösung dieses Problems gelingt bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung dadurch, dass

a) an dem linear hin und her gehenden Kolben oder an einem Fortsatz desselben zwei quer zu dessen linearer Bewegungsrichtung vorspringende Elemente angeordnet sind, welche sich übereinander befinden, entlang der Achse der Kolben-Linearbewegung gegeneinander versetzt, wobei
b) mit jedem der Elemente jeweils genau eines von wenigstens zwei Nockenelementen an den wenigstens zwei drehfest miteinander gekoppelten Wellen regelmäßig in Kontakt tritt.

Indem an dem linear hin und her gehenden Körper oder an einem Fortsatz desselben wenigstens zwei quer zu dessen linearer Bewegungsrichtung vorspringende Elemente angeordnet sind, kann ein solches Element ggf. von einem Nocken (-bereich) über- oder untergriffen werden, um Kräfte in der jeweiligen Druckrichtung zu übertragen.
Im Gegensatz zu Zahnrädern, welche einen konstanten, mittleren Durchmesser haben, so dass eine damit kämmendes Element stets mit der gleichen Geschwindigkeit angetrieben wird, lassen sich mit Nocken und damit zusammenwirkenden, beweglichen Elementen unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse realisieren, je nach dem Abstand des aktuellen Kontaktpunktes zu der Drehwelle des Nockenelements.
Wenn - wie die Erfindung weiterhin vorsieht - dieser Kontaktpunkt am Beginn und am Ende einer Kontaktphase sehr nahe an der Nockendrehwelle liegt und sich zwischen diesen Punkten - infolge des erhöhten Radialabstandes eines Nockens gegenüber seiner Drehwelle - relativ weit von dieser entfernt, so lassen sich an den Übergangspunkten niedrigere Lineargeschwindigkeiten realisieren als dazwischen.
Dasselbe lässt sich erreichen, wenn in den Übergangspunkten die Umgebung des Kontaktpunktes an dem Nockenumfang etwa tangential zu der Nockendrehachse verläuft, so dass sich der Kontaktpunkt bei einer Drehung der betreffenden Nockenwelle nicht oder nur minimal verlagert und also das linear bewegliche Element keine Bewegung erfährt entsprechend den Totpunkten einer Linearbewegung. So bleibt die Linearbewegung gerade auch bei der Richtungsumkehr an den Totpunkten sehr sanft, und bspw. wird ein Anschlagen des Nockenelementes gegen sein Konterpart vermieden.
Gemäß einer daraus folgenden Konstruktionsvorschrift kann der Kontaktpunkt zu Beginn einer Kontaktphase am Fuße einer Flanke eines Nockens liegen, und zwar an der in Drehrichtung seiner Welle gesehen vorderen Flanke, und am Ende einer Kontaktphase kann der Kontaktpunkt im Bereich des Scheitels eines Nockens liegen, also in seinem distalsten Bereich. Dabei sollte auch der damit zusammenwirkende Flächenbereich des linear beweglichen Elements in der betreffenden Übergangsstellung etwa lotrecht zu demjenigen von der Drehwelle ausgehenden Radialstrahl verlaufen, der eben durch diesen Kontaktflächenbereich läuft.
Es hat sich als günstig erwiesen, dass während einer Hublängen-Periode jeder Hubphase, d.h. jeder Verschiebung des linear bewegten Körpers von einem Totpunkt in den gegenüberliegenden, (genau) ein eigener Nocken (-bereich) zugeordnet ist, der während dieser Hubphase mit dem linear hin und her gehenden Körper oder mit einem Fortsatz desselben in Kontakt tritt. Damit kann die Kopplung für jede Phase .eines mehrphasigen Hubzyklus durch die Gestaltung des Umfangs des zugeordneten Nocken (-bereichs) individuell beeinflusst werden. Dies betrifft einerseits die maximale Hublänge, welche maßgeblich durch die radiale Länge eines Nockens vorgegeben wird, als auch die Bewegungsdynamik, welche durch den Verlauf des Nockenumfangs beeinflusst werden kann.
Diesem Erfindungsgedanken folgend sollte stets nur ein Nocken (-bereich) mit dem linear hin und her gehenden Körper oder mit einem Fortsatz desselben in Kontakt treten, allenfalls mit Ausnahme von Überlappungsbereichen in der Umgebung der Totpunkte. Dadurch werden Überbestimmungen vermieden, und die Gefahr eines Klemmens oder von erhöhter Reibung ist minimiert. Andererseits sollte bei der Auslegung der Kopplung darauf geachtet werden, dass die Kontaktflächen stets auf Druck belastet sind. Dabei ist Rücksicht darauf zu nehmen, welche Körper / Wellen angeschlossen sind, und wie die Kraftübertragung während der einzelnen Takte bzw. Hubphasen eines Arbeitszyklus gerichtet ist. Bei einem 4-Takt-Zylinder-Motor bspw. wird während des Kompressionstaktes und beim Ausstoßen der Kolben jedesmal von der Welle angetrieben und in Richtung des jeweiligen oberen Totpunktes geschoben. Hierbei muss eine in Drehrichtung der betreffenden Welle vordere Flanke des betreffenden Nockens bzw. Nockenbereichs also von unten gegen einen nach rückwärts bzw. unten gerichteten Bereich des Kolbens oder einer Kolbenstange drücken. Beim Ansaugen muss der Kolben von der Welle in Richtung zum unteren Totpunkt gezogen werden. Dazu muss eine in Drehrichtung der betreffenden Welle vordere Flanke des betreffenden Nockens bzw. Nockenbereichs von vorne bzw. oben gegen einen nach vorne bzw. oben gerichteten Oberflächenbereich des Kolbens oder einer Kolbenstange drücken. Schließlich drückt beim Arbeitstakt der Kolben nach hinten bzw. unten und muss dabei die betreffende Drehwelle antreiben. Hierbei muss demnach der Kontaktpunkt an der in Drehrichtung gesehen hinteren Flanke des betreffenden Nockens bzw. Nockenbereichs einerseits liegen, und andererseits an einem nach rückwärts bzw. unten gerichteten Oberflächenbereich an dem Kolben oder an einer damit verbundenen Kolbenstange. Will man auch einen Schiebebetrieb realisieren („Motorbremse“), so sollte hierzu während des Arbeitstaktes auch ein Kontaktpunkt an der in Drehrichtung gesehen vorderen Flanke eines Nockens möglich sein, der von vorne bzw. oben auf einen vor- bzw. aufwärts gerichteten Oberflächenbereich an dem Kolben oder an einer Kolbenstange drückt. In diesem Fall macht es daher evtl. Sinn, dass zwei Nockenbereiche gleichzeitig in Kontakt mit dem Kolben treten, und zwar mit einem Kontaktpunkt an einer vorderen Flanke und einem Kontaktpunkt an einer rückwärtigen Flanke eines Nockens, wobei es sich nicht unbedingt um denselben Nocken handeln muss.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass sich ein Nockenelement hinter einer Stirnseite des linear hin und her gehenden Körpers oder einer mit diesem verbundenen Stange befindet. Ein solches Nockenelement kann stets eine in Richtung zum oberen Totpunkt gerichtete Druckkraft übertragen und eignet sich daher bspw. bei einem Vier-Takt-Verbrennungsmotor für eine Kraftübertragung bei den Takten „Komprimieren“, Verbrennen'' und „Ausschieben“. Dabei kann die Vorderflanke eines Nockens beim Komprimieren verwendet werden, dessen rückwärtige Flanke dagegen beim Arbeiten bzw. Verbrennen.
Andererseits ist es auch möglich, dass sich wenigstens ein Nockenelement seitlich neben der Mantelfläche des linear hin und her gehenden Körpers oder einer mit diesem verbundenen Stange befindet. Bei einer solchen Anordnung kann ein Nocken in den Bewegungsbereich des linear hin und her gehenden Körpers oder einer mit diesem verbundenen Stange hineingeschwenkt werden, um sodann seine Aufgabe zu erfüllen, und anschließend verläßt er diesen Bewegungsbereich und gibt diesen frei zur Kopplung mit einem anderen Nocken. Eine derartige Mechanik ist besonders geeignet für den Ansaugtakt eines 4-Takt-Verbrennungsmotors, wo der Kolben aktiv zum unteren Totpunkt zu ziehen ist, sowie ggf. für den Arbeitstakt, wenn ein Schubbetrieb realisiert werden soll für eine durchziehende Last.
Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass ein Nockenelement wenigstens zwei in radialer Richtung erhabene Bereiche aufweist mit dazwischen liegenden, radialen Vertiefungen. Eine solche Konstruktion berücksichtigt die unterschiedlichen, periodisch sich ändernden Hublängen während eines gesamten Arbeitszyklus.
Unterschiedliche Hublängen lassen sich jedoch üblicherweise nur mit zwei unterschiedlich geformten Nocken pro Richtung der Linearbewegung realisieren, also mit zwei unterschiedlichen Nocken für die Bewegung vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt, und mit zwei unterschiedlichen Nocken für die Bewegung vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt.
Die Erfindung sieht weiterhin vor, dass wenigstens zwei in radialer Richtung erhabene Bereiche eines Nockenelements asymmetrisch zueinander sind, also keine identische Form aufweisen. Dabei kann sich diese Asymmetrie - auch - auf den Umfangswinkel beziehen, längs dem sich ein Nocken erstreckt. Vorzugsweise wird sich ein Nocken jedoch immer entlang eines Zentrumswinkels von etwa 360° / n erstrecken, wobei n die Anzahl der Hubphasen bzw. Takte eines gesamten Hubzyklus bedeutet, bei vier Takten oder Hubphasen also etwa 90°. Die unterschiedlichen Hublängen unterschiedlicher Hubphasen können besser durch unterschiedliche Radialerstreckungen oder Längen der verschiedenen Nocken realisiert werden.
Die Erfindung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass eine Arbeits- und/oder Hilfswelle während einer Hublängen-Periode des linear hin und her gehenden Körpers genau eine Umdrehung ausführt. Bei einem 4-Takt-Zyklus dreht sich die Arbeitswelle also nicht wie bei einem herkömmlichen Verbrennungsmotor zweimal in einem gesamten Arbeitszyklus, sondern nur einmal. Dadurch besteht die Möglichkeit, auf rein mechanischem Weg den Ansaugtakt vom Arbeitstakt einerseits zu unterscheiden, und andererseits den Kompressionstakt von dem Ausstoßtakt. Damit lassen sich diese Takte unterschiedlich steuern, insbesondere mit zwei unterschiedlichen oberen Totpunkten.
In Weiterbildung dieses Erfindungsgedankens sieht die Erfindung vor, dass wenigstens ein quer zu der linearen Bewegungsrichtung vorspringendes Element als Bolzen ausgebildet ist, dessen Längsachse quer zu der linearen Bewegungsrichtung verläuft. Ein solcher Bolzen kann seitlich an einer Kolbenstange angeordnet sein, oder - wie die Erfindung weiterhin vorsieht - sich zwischen den beiden Hälften einer in Längsrichtung gespaltenen Kolbenstange erstrecken und solchenfalls an seinen beiden Enden abgestützt werden, so dass sehr große Kräfte übertragen werden können. An einem quer zur Linearbewegungsrichtung eines Kolbens verlaufenden Bolzen kann die gesamte Mantelfläche mit einem Nocken in Kontakt treten.
Die Erfindung empfiehlt, dass wenigstens ein quer zur linearen Bewegungsrichtung verlaufender Bolzen einen runden, vorzugsweise kreisrunden Querschnitt aufweist. Dabei wird mit einfachen Mitteln erreicht, dass am Ende einer Kontaktphase mit einem Nocken die betreffende Kontaktfläche etwa tangential zu der Welle des betreffenden Nockens verläuft.
Schließlich entspricht es der Lehre der Erfindung, dass wenigstens ein quer zur linearen Bewegungsrichtung verlaufender Bolzen eine oder mehrere Rollen aufweist. Gerade Bolzen mit kreisrundem Querschnitt eignen sich zur Abstützung einer daran gelagerten Rolle, die am Umfang eines Nockens abrollen kann, so dass die Reibung auf ein Minimum reduziert wird. Eine solche Rolle kann bei kleineren, zu übertragenden Leistungen mit einem Gleitlager gelagert sein; für mittlere und größere Leistungen empfiehlt die Erfindung die Verwendung von Wälzlagern, bspw. Kugel-, Tonnen-, Zylinder- oder Nadellagern.
Weitere Merkmale, Einzelheiten, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung sowie anhand der beigefügten Zeichnung. Hierbei zeigt:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Nockengetriebes in einem Schnitt quer zu einer Abtriebswelle;
2 eine Schnittdarstellung des Nockengetriebes entlang der Schnittlinie A-A in 1;
3 die verschiedenen Takte des Kolbens eines Viertakt-Verbrennungsmotors mit dem erfindungsgemäßen Nockengetriebe;
4 eine andere Ausführungsform der Erfindung in einer der 1 entsprechenden Darstellung; sowie
5 eine abermals abgewandelte Ausführungsform der Erfindung, ebenfalls in einer der 1 entsprechenden Darstellung.

Das Nockengetriebe 1 aus 1 ist Bestandteil eines Zylinders 2 eines 4-Takt-Verbrennungsmotors 3, vorzugsweise eines Dieselmotors. Dabei kann der Verbrennungsmotor 3 mehrere Zylindereinheiten 2 aufweisen, bspw. zwei, vier oder mehr, welche ähnlich wie bei herkömmlichen Mehrzylindermotoren über wenigstens eine gemeinsame Abtriebswelle 4 miteinander gekoppelt oder koppelbar sind.
Die dargestellte Zylindereinheit 2 weist einen Brennraum 5 auf, worin ein Kolben 6 linear beweglich gelagert ist. Unterhalb des Brennraums 5, also etwa dort, wo bei einem üblichen Verbrennungsmotor das Kurbelwellengehäuse sitzt, befindet sich bei dem Motor 3 ein Gehäuse 7 mit einer Kammer 8, worin sich das eigentliche Nockengetriebe 1 befindet.
Die Getriebekammer 8 ist von dem Brennraum 5, in welchem sich der Kolben 6 bewegt, durch eine Art Lagerschild 9 getrennt. Dieser ist mit einer Ausnehmung 10 versehen, in der ein etwa stangenförmiges Element 11 geführt ist. Dieses Element 11 ist mit der Rückseite des Kolbens 6 verbunden und erstreckt sich in Richtung der Linearbewegung des Kolbens 6. Die Führungsausnehmung 10 samt darin aufgenommener Stange 11 einerseits und der an den Wänden des Brennraums 5 geführte Kolben 6 andererseits sorgen für eine exakte Parallelführung der in sich starren Baueinheit von Kolben 6 und Stange 11 bei ihrer Linearbewegung innerhalb des Brennraums 5 und der Getriebekammer 8. Damit durch den Lagerschild 9 kein Luftstau unterhalb des Kolbens 6 bei dessen Annäherung an den unteren Totpunkt entsteht, ist der Lagerschild ein- oder mehrfach durchbrochen, bspw. in Form einer oder mehrerer Durchlaßbohrungen 12.
Oben an der Brennkammer 5, sozusagen am Kopf des Zylinders 2, befinden sich Ein- und Auslaßventile 13, 14; bei einem Ottomotor kann hier außerdem eine Zündkerze angeordnet sein.
Bei dem Verbrennungsmotor 3 hat jeder Arbeitszyklus 4 Takte, die in der 3 dargestellt sind:

Im Takt I wird das Brennstoff-Luft-Gemisch vom Vergaser durch das Einlaßventil 13 in die Brennkammer 5 gesogen, indem sich der Kolben 6 bei geöffnetem Einlaßventil 13 von einem ersten oberen Totpunkt OTP1 bis zum unteren Totpunkt UTP bewegt.
Im darauf folgenden Takt II wird der Kolben 6 bei geschlossenen Ventilen 13, 14 vom unteren Totpunkt UTP bis zu einem zweiten oberen Totpunkt OTP2 bewegt, wobei sich das angesaugte Gemisch komprimiert.

Im nächsten Takt III, dem eigentlichen Arbeitstakt, verbrennt das komprimierte Gemisch, und die erhitzten Verbrennungsgase sorgen für einen erheblichen Druckanstieg in der Brennkammer 5, welcher den Kolben 6 von dem zweiten oberen Totpunkt OTP2 wieder nach unten in den unteren Totpunkt UTP drückt.
Im letzten Takt IV werden sodann die verbrannten Gase wieder ausgestoßen, indem der Kolben 6 bei geöffnetem Auslaßventil 14 vom unteren Totpunkt UTP wieder nach oben zum ersten oberen Totpunkt OTP1 gedrückt wird.
Für einen vollständigen Ausschub der verbrannten Gase und eine optimale Ansaugung von Frischluft in den Takten IV und I ist es wünschenswert, dass der erste obere Totpunkt OTP1 möglichst nahe an der kopfseitigen Begrenzung 15 des Zylinders 2 liegt, während der zweite obere Totpunkt OTP2 nicht zu nahe an dieser kopfseitigen Begrenzung 15 des Zylinders 2 liegen darf, damit der Druck in dem verbleibenden Brennraum 5 oberhalb des Kolbens 6 nicht zu stark ansteigt und den Motor 3 nicht beschädigt oder gar zerstört.
Während bei handelsüblichen Verbrennungsmotoren die beiden oberen Totpunkte OTP1 und OTP2 stets zusammenfallen, so dass die Arbeitsweise eines solchen Zylinders niemals optimal sein kann, läßt sich mittels des erfindungsgemäßen Nockengetriebes 1 der Kolben 6 derart steuern, dass er zwischen den Takten VI und I einen anderen Totpunkt OTP1 anfährt als den Totpunkt OTP2 zwischen den Takten II und III. Dies wird ermöglicht durch die im folgenden beschriebene Konstruktion:

Die Kolbenstange 11 spaltet sich an ihrem unteren Ende auf in zwei zueinander parallele, aber voneinander beabstandete Schenkel 16, ähnlich der Zinken einer Gabel. Jeder dieser Schenkel 16 hat einen etwa konstanten Querschnitt, bspw. rechteckig. In jedem Schenkel 16 gibt es je zwei Bohrungen 17, deren Längsrichtung quer zu der Achse 18 der Linearbewegung des Kolbens 6 verläuft, von denen jeweils zwei miteinander fluchten. Durch je zwei miteinander fluchtende Bohrungen 17 ist jeweils ein Bolzen 19, 20, jeweils mit einem kreisrunden Querschnitt, gesteckt und in dieser Position arretiert, bspw. durch Verschweißung, Verkleben, Verlöten oder durch Splinte, etc. Die Bolzen 19, 20 können auch drehbar in den Schenkeln 16 gelagert sein, nach Art von Rollen oder Walzen, so dass sie auf dem Umfang der mit ihnen in Kontakt tretenden Nockenelemente 21, 22 nahezu reibungsfrei abrollen können. Vorzugsweise befinden sich die Bolzen 19, 20 übereinander, entlang der Achse 18 der Kolben-Linearbewegung gegeneinander versetzt.

Mit diesen Bolzen 19, 20 wirkt je ein Nockenelement 21, 22 zusammen, von denen jedes auf einer von zwei zueinander parallelen Wellen 4, 23 sitzt. Bei diesen Wellen handelt es sich einerseits um die eigentliche Abtriebswelle 4, andererseits um eine Hilfswelle 23. Die Hilfswelle 23 ist mit der Abtriebswelle 4 über miteinander kämmende Zahnräder 24, 25 od. dgl. gekoppelt, im vorliegenden Fall derart, dass sich die beiden Wellen 4, 23 stets mit der selben Geschwindigkeit drehen, allerdings in entgegengesetzten Drehrichtungen. Da die Abtriebswelle 4 und die Hilfswelle 23 allen Zylindern 2 eines Motors 3 gemeinsam sein können, sind die Koppelzahnräder 24, 25 insgesamt nur einmal vorzusehen. Außerdem können Abtriebs- und Hilfswelle 4, 23 miteinander vertauscht sein, d.h., jede von beiden kann zum Abgriff der Motorleistung, d.h. als Abtriebswelle genutzt werden.
Die Abtriebswelle 4 befindet sich etwa vertikal unterhalb des Kolbens 6 und der Kolbenstange 11, also etwa auf der Bewegungsachse 18. Die Hilfswelle 23 befindet sich weiter oben in der Getriebekammer 8, jedoch seitlich neben der Kolbenstange 11 bzw. der Bewegungsachse 18.
Beide Nockenelemente 21, 22 haben an ihrem Umfang jeweils zwei erhabene Bereiche als Nocken 26, 27, etwa um 180° bezüglich der betreffenden Welle 4, 23 gegeneinander versetzt, und zwei dazwischen liegende „Täler“.
Das untere Nockenelement 21 kann ständig in Kontakt mit dem unteren Bolzen 19 bleiben, wobei sich während einer Umdrehung 28 der Abtriebswelle 4 die Kolbenstange 11 und damit der Kolben 6 zweimal nach oben bewegen muss, jedesmal, wenn ein Nocken 26 etwa in Richtung der Linearbewegungsachse 18 vertikal nach oben zeigt. Da die beiden Nocken 26 an dem unteren Nockenelement 21 unterschiedlich lang sind, bewegt sich der Kolben 6 bei einem Arbeitszyklus, also einer Umdrehung der Arbeitswelle 4, bis zu zwei unterschiedlichen oberen Totpunkten. Der für die Auslenkung zu dem ersten oberen Totpunkt OTP1 verantwortliche Nocken 26 ist länger als der andere, für die Auslenkung bis zu dem zweiten, oberen Totpunkt OTP2 verantwortliche Nocken 26. Die tiefsten Stellen der dazwischen liegenden Täler am Umfang des unteren Nockenelements 21 korrespondieren mit einer Lage des Kolbens 6 an dessen unterem Totpunkt UTP. Es gilt: I_{Nocken_a} - I_{Nocken_b} = OTP1 - OTP2, wobei I_{Nocken_a} die radiale Länge des längeren Nockens 26, I_{Nocken_b} die radiale Länge des kürzeren Nockens 26 und OTP1 - OTP2 der Abstand zwischen den beiden oberen Totpunkten ist, gemessen in Richtung der Linearbewegungsachse 18.
Eine aktive Bewegung des Kolbens 6 von einem oberen Totpunkt OTP1, OTP2 zu dem unteren Totpunkt UTP bewirkt das andere Nockenelement 22. Jeder seiner beiden Nocken 27 ist in der Lage, mit dem oberen Querbolzen 20 an der Kolbenstange 11 in Kontakt zu treten. Der Verbrennungsmotor 3 arbeitet stets mit der selben Drehrichtung 28 der Abtriebswelle 4 und dazu entgegengesetzter Drehrichtung 29 der Hilfswelle 23. Diese Drehrichtung 29 ist derart orientiert, dass sich jeder der beiden Nocken 27 nach unten, also von dem Kolben 6 weg bewegt, wenn er auf seiner Umlaufbahn der Kolbenstange 11, 16 zugewandt ist. Er tritt dabei mit dem Bolzen 20 in Kontakt, und zwar mit dessen Oberseite, um diesen und damit auch die Kolbenstange 11, 16 und den Kolben 6 herabzudrücken. Die Nocken 27 sind derart angeordnet und dimensioniert, dass ihr Kontakt mit dem Bolzen 20 jeweils an einem der beiden oberen Totpunkte OTP1, OTP2 beginnt und etwa am unteren Totpunkt UTP endet. Da die beiden oberen Totpunkte OTP1, OTP2 nicht identisch sind, müssen auch die beiden Nocken 27 des oberen Nockenelements 21 unterschiedlich gestaltet sein.
Die Profile der Nocken 26, 27 sind derart geformt, dass die Bewegung des Kolbens 6 stufenlos und stoßfrei von einer Richtung in die entgegengesetzte wechselt. Dies kann u.a. dadurch erreicht werden, dass die Nocken 26, 27 jeweils an ihrem (in Drehrichtung gesehen vorderen) Fuß und auch an ihrem Scheitel, also an den Bereichen, wo der Kontakt mit einem Bolzen 19, 20 beginnt und endet, etwa tangential zu der betreffenden Welle 4, 23 verlaufende Bereiche aufweisen, so dass eine infinitesimale Drehung 28, 29 der Wellen 4, 23 keine Linearbewegung des Kolbens 6 erfordert bzw. verursacht, der Kolben sich also in einem Totpunkt OTP1, OTP2, UTP befindet.
Der Motor 3' gemäß 4 unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen nur hinsichtlich des Nockengetriebes 1', und dort wiederum nur hinsichtlich der Lage der unteren Welle 4 (vorzugsweise der Abtriebswelle) und der Geometrie des darauf sitzenden Nockenelements 21'. Im Gegensatz zu der vorhergehenden Ausführungsform liegt die untere Welle 4 bei diesem Motor 3' nicht etwa mittig unter dem Kolben 6, sozusagen auf der Verlängerung der Längsmittelachse 18 der Einheit aus Kolben 6 und Kolbenstange 11, sondern ist wie die obere Welle 23 seitlich gegenüber dieser Achse 18 verschoben bis etwa unter die obere Welle 23. Aufgrund der entgegengesetzten Drehrichtung der unteren Welle 4 bewegt sich ein Nocken 26' des betreffenden Nockenelements 21' nach oben in Richtung zu dem Kolben 6, wenn es in Kontakt mit dem unteren Bolzen 19 tritt, und schiebt dabei die Kolben-/Kolbenstangen-Baueinheit 6, 11 nach oben. Man erkennt bei dieser Anordnung ganz deutlich, dass jedes Nockenelement 21', 22 über je zwei unterschiedlich lange Nocken 26', 27 verfügt, wobei der jeweils längere einem Takt zugeordnet ist, der an dem ersten oberen Totpunkt OTP1 endet oder beginnt, während der jeweils kürzere Nocken 26', 27 einem Takt zugeordnet ist, der an dem zweiten oberen Totpunkt OTP1 endet oder beginnt.
Der Motor 3" gemäß 5 unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen nur hinsichtlich des Nockengetriebes 1", wo diesmal wieder die untere Welle 4" gegenüber der Kolbenlängsachse 18 seitlich verschoben ist, diesmal jedoch nicht zur selben Seite wie die obere (Hilfs-) Achse 23, sondern zur anderen Seite der Kolbenstange 11. Nun kann das darauf sitzende Nockenelement 21" den unteren Bolzen 19 untergreifen und nach oben drücken, wenn sich die Welle 4" in der selben Drehrichtung 28" dreht wie die Drehrichtung 29 Hilfswelle 23. Um einen Gleichlauf der beiden Wellen 4", 23, also in der selben Drehrichtung 28", 29, zu bewerkstelligen, ist zwischen den beiden Zahnrädern 24, 25 ein drittes Zahnrad 30 eingefügt. Während die beiden Zahnräder 24, 25 wie bei den vorherigen Motor-Ausführungsformen 3, 3' jeweils gleichen Durchmesser bzw. gleiche Zähnezahl aufweisen sollten, können Durchmesser und/oder Zähnezahl des dritten Zahnrads 30 demgegenüber abweichen.

Claims

Vorrichtung (1;1';1") zur bewegungsmäßigen Kopplung wenigstens zwei rotierender Wellen (4,23) mit wenigstens einem linear hin und her gehenden Kolben (6) eines Motors (3), dessen Hublänge, d.h. der räumliche Abstand zwischen zwei einander gegenüberliegenden Totpunkten (OTP, UTP), sich periodisch ändert, dadurch gekennzeichnet, dass a) an dem linear hin und her gehenden Kolben (6) oder an einem Fortsatz (11) desselben zwei quer zu dessen linearer Bewegungsrichtung (18) vorspringende Elemente (19,20) angeordnet sind, welche sich übereinander befinden, entlang der Achse (18) der Kolben-Linearbewegung gegeneinander versetzt, wobei b) mit jedem der Elemente (19,20) jeweils genau eines von wenigstens zwei Nockenelementen (21,22) an den wenigstens zwei drehfest miteinander gekoppelten Wellen (4,23) regelmäßig in Kontakt tritt.
Vorrichtung (1;1';1") nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Hublängen-Periode jeder Hubphase, d.h. jeder Verschiebung des linear bewegten Kolbens (6) von einem Totpunkt (OTP, UTP) in den gegenüberliegenden, ein eigener Nocken (-bereich) (26,27;26';26") zugeordnet ist, der während dieser Hubphase mit dem linear hin und her gehenden Kolben (6) oder mit einem Fortsatz (11) desselben in Kontakt tritt.
Vorrichtung (1;1';1") nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Hublängen-Periode jeder Hubphase, d.h. jeder Verschiebung des linear bewegten Kolben (6) von einem Totpunkt (OTP, UTP) in den gegenüberliegenden, genau ein eigener Nocken (-bereich) (26,27;26';26") zugeordnet ist, der während dieser Hubphase mit dem linear hin und her gehenden Kolben (6) oder mit einem Fortsatz (11) desselben in Kontakt tritt.
Vorrichtung (1;1';1") nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass stets nur ein Nocken (-bereich) (26,27;26';26") mit dem linear hin und her gehenden Kolben (6) oder mit einem Fortsatz (11) desselben in Kontakt tritt, allenfalls mit Ausnahme von Überlappungsbereichen in der Umgebung der Totpunkte (OTP, UTP).
Vorrichtung (1;1';1") nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens ein Nockenelement (21';21";22) seitlich neben der Mantelfläche des linear hin und her gehenden Kolbens (6) oder einer mit diesem verbundenen Stange (11) befindet.
Vorrichtung (1;1';1") nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Nockenelement (21) hinter einer Stirnseite des linear hin und her gehenden Kolbens (6) oder einer mit diesem verbundenen Stange (11) befindet.
Vorrichtung (1;1';1") nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Nockenelement (21,22;21';21") wenigstens zwei in radialer Richtung erhabene Bereiche (26,27;26';26") aufweist mit dazwischen liegenden, radialen Vertiefungen.
Vorrichtung (1;1';1") nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei in radialer Richtung erhabene Bereiche (26,27;26';26") eines Nockenelements (21,22;21';21") asymmetrisch zueinander sind.
Vorrichtung (1;1';1") nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Arbeits- und/oder Hilfswelle (4,23) während einer Hublängen-Periode, d.h., während eines gesamten Zyklus des linear hin und her gehenden Kolbens (6), genau eine Umdrehung (28,29;28") ausführt.
Vorrichtung (1;1';1”) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein quer zu der linearen Bewegungsrichtung (18) vorspringendes Element als Bolzen (19,20) ausgebildet ist, dessen Längsachse quer zu der linearen Bewegungsrichtung (18) verläuft.
Vorrichtung (1;1") nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein quer zur linearen Bewegungsrichtung (18) verlaufender Bolzen (19,20) einen runden, vorzugsweise kreisrunden Querschnitt aufweist.
Vorrichtung (1;1';1") nach einem der Ansprüche 10 oder 11 dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein quer zur linearen Bewegungsrichtung (18) verlaufender Bolzen (19,20) eine oder mehrere Rollen aufweist oder als Rolle ausgebildet ist.
Vorrichtung (1;1';1") nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Wellen eine Abtriebswelle (4;4';4") des Motors ist.
Vorrichtung (1;1';1") nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein Verbrennungsmotor (3) oder ein Hydromotor oder eine Dampfmaschine ist.