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Um
die lineare Hubbewegung eines Kolbens in Rotation umzuwandeln wird üblich
eine Kurbel samt einer Pleuelstange benutzt. Die gleichmäßige Rotation
der Kurbel führt hier zur zweidimensionalen Schwingungen
der Pleuelstange und unharmonischen Schwingungen des Kolbens, wodurch
zusätzliche Kräfte an den bewegten Teilen entstehen.
Die zur Hubrichtung senkrechte Kraftkomponente führt zum
Verschleiß von Kolben und Zylinder. Alle Kräfte zusammen
erhöhen den Reibungswiderstand des Mechanismus. Diese Nachteile
sind durch das Anwenden einer Doppelkurbel behebbar.
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Die
Doppelkurbel wird aus zwei Kurbeln dem gleichen Radius „r” zusammengebaut,
und zwar so, dass „Kopf” der Innenkurbel „A” als
Drehachse für die Außenkurbel „B” dient,
wobei falls eine von diesen Kurbeln in Rotation gesetzt wird, dies
bewirkt eine Rotation in die Gegenrichtung mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit
der Anderen. Eine gleichmäßige Rotation der Innenkurbel „A” führt
hier zur harmonischen linearen Schwingungen des „Kopfes” der
Außenkurbel „B”, die mittels einer Schubstange
auf einen Kolben übertragen werden können.
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Die
weitere Vorteile der Doppelkurbel, insbesondere das Erzielen des
maximalen Drehmomentes bei den Kolbenmotoren, sowie das Erhöhen
deren Wirkungsgrades, sind in der Offenlegungsschrift
DE 10 2005 047 634 A1 beschrieben.
Das Schema für eine mögliche konstruktive Gestaltung
eines Kolbenmotors mit Anwendung der Doppelkurbel ist in dieser Offenlegungsschrift
ebenso vorgeschlagen.
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Damit
die notwendige gegenseitige Bewegung der Außen- und Innen-Kurbeln
gewährleistet ist, sollen sie mittels einem entsprechenden
Getriebe verknüpft werden. Ein passendes Getriebe wurde
bereits 1950 vorgeschlagen und mit der Patentschrift Nr. 842 292
vom 26 Juni 1952 geschützt. Das Drehmoment der Innenkurbel
wird hier auf die Außenkurbel mittels eines Zahnrades übertragen
(das Zahnrad „e” in der Patentschrift Nr. 842
292). Die gesamte Schubkraft wirkt also auf einen Zahn dieses Zahnrades.
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Die
Aufteilung der Schubkraft unter mehreren Zahnrädern durch
Anwendung einer Art Planetengetriebe würde die wirkende
Kraft an jedem kraftübertragenden Zahn mindern. Laut des
Patentanspruchs der Patentschrift Nr. 842 292: „... der
Teilkreisdurchmesser der Zahnräder (e) gleich der halben
... Hubhöhe der Schubstange (d) ist.” Eine Vergrößerung
dieses Durchmessers in einem für die Doppelkurbel angepassten
Planetengetriebe, ohne das die Hubhöhe zu ändern,
würde gegenüber dem patentierten Getriebe bei
dem gleichen übertragenem Drehmoment wiederum zur Verminderung
der wirkenden Kräfte führen.
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Von
Details abgesehen, besteht ein Planetengetriebe aus einer primären
und einer sekundären Achsen, die Co-axial in einem Gehäuse
gelagert sind. An der primären Achse ist ein Planetenradkorb bzw.
Rahmen befestigt in dem einige Planetenzahnräder gelagert
sind. Diese Planetenzahnräder rollen sich in einem im Gehäuse
befestigten innen verzahnten Zahnkranz ab. In der Verzahnung mit
diesen Planetenzahnrädern ist mitten ein zentrales Zahnrad
angebracht, das an der sekundären Achse befestigt ist. Durch
einige Veränderungen soll das herkömmliche Planetengetriebe
für die Bedürfnisse der Doppelkurbel angepasst
werden.
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Eine
Art des für die Doppelkurbel angepassten Planetengetriebes
ist schematisch auf der dargestellt. Im Hintergrund
der befindet sich die Hinterwand bzw. der Hinterdeckel
des Gehäuses (ist auf der nicht gezeigt).
In der Hinterwand ist die primäre Achse „O” gelagert
an deren Ende ein Rahmen befestigt ist (auf der ist
dieser Rahmen mit den besonders fetten Linien gezeigt). Auf der ist
der Rahmen gegenüber der Hubrichtung um einen Winkel α = π/16
= 11,25° gedreht. Die weiteren Abbildungen von 2 bis 7
sind in einem Winkelschritt Δα = 3π/16
= 33,75° dargestellt, so dass die zeigt den
Rahmen um einen Winkel α = π/4 = 45° gedreht,
bis zur mit dem Winkel α = 19π/16
= 213,75°.
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Zurück
zur . An der Hinterwand des Gehäuses sind
zwei außen verzahnten Zahnkränze „Q” und
S” befestigt an deren die Planetenzahnräder „P1”, „P2” und „U1”, „U2” sich
entsprechend abrollen, die entsprechend in Punkten „D1”, „D2” und „C1”, „C2” des
Rahmens gelagert sind. Die sekundäre Achse „A” ist
ebenfalls im Rahmen gelagert und zwar nicht Co-axial wie beim herkömmlichen
Planetengetriebe, sondern exzentrisch zur primären Achse „O”.
Der Hebel „OA” bildet die Innenkurbel „A” deren
Radius „r” ein Viertel der Hubhöhe beträgt.
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Im
Vordergrund der ist das Zahnrad „Ba” gezeigt, das am Ende der sekundäre
Achse „A” befestigt ist. Das Zahnrad „Ba” wird mit Hilfe der Planetenzahnräder „N1”, „N2” und „V1”, „V2” in
die Gegenrichtung zum rotierenden Rahmen zur Rotation mit der gleichen
Winkelgeschwindigkeit gebracht. Die Planetenzahnräder „P1-N1”, „P2-N2” und „U1-V1”, „U2-V2” bilden
feste Paare indem sie je an einer Achse befestigt sind, bzw. als
ein Teil gefräst sind. Auf der im Schnitt „E1-E2” ist
das Paar „P2-N2” gezeigt.
Auf der im Schnitt „F1-F2” ist das Paar „U1-V1” gezeigt.
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Im
Abstand „r” zur Drehachse „A” besitzt
das Zahnrad „Ba” auf seiner
Seitenfläche einen Zapfen „B”. Der Hebel „AB” bildet
die Außenkurbel „B”.
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Man
sieht: Bei herkömmlichen Planetengetriebe ist die sekundäre
Achse Co-axial zur primären Achse gelagert und dient, erstens,
als Welle für das zentrales Zahnrad und, zweitens, nach
verlassen des Gehäuses zur übertragen des Drehmomentes
an äußere Mechanismen. Bei vorgeschlagenem Planetengetriebe
ist die sekundäre Achse „A” exzentrisch
zur primären Achse „O” gelagert und dient
lediglich als Welle für das zentrales Zahnrad „Ba”, das am Ende der sekundären
Achse „A” befestigt ist.
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Zurück
zur . Der Zapfen „B” ist von dem
Lager der Schubstange „m” umfasst. Ein schräges „Kreuz
im Kreis” markiert den unteren toten Punkt für
den Zapfen „B” und noch eins für den
Kolben „K”. Die Reihe der Abbildungen von 1 bis
6 veranschaulicht die lineare Hubbewegung des Zapfens „B” vom
oberen zum unteren toten Punkt. Es ist auch zu sehen, dass die Strecke „OB” dem
harmonischen Term 2·r·cosα gleich ist.
Auf der hat der Zapfen „B” den
unteren toten Punkt verlassen und ist unterwegs zum oberen toten
Punkt.
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Gemäß der
Definition der Doppelkurbel es soll die Rotation des Zahnrades „Ba” in die Gegenrichtung zur Rotation
des Rahmens mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit gewährleistet
sein. Dies wird durch die Auswahl der Zahnräder mit entsprechenden
Verhältnissen deren Zähnezahlen erreicht.
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Das
auf den Abbildungen von 1 bis 7 dargestellte Getriebe ist für
den folgenden Zahnradsatz maßstabgetreu gezeichnet. Es
wurde für alle Zahnräder ein gleiches Modul m
= 3 mm festgelegt. Der Radius einer Kurbel wurde bestimmt: r = 25
mm. Es wurden die folgende Zähnezahlen gewählt,
damit die Bedingungen für die Doppelkurbel erfüllt
werden:
„U” = 10; „V” =
21; „S” = 60; „Ba” =
63; „Q” = 90; „P” = 30; „N” =
42;
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Für
dieses Getriebe wurden die bezeichnete Winkel „β1” und „β2” berechnet:
β1 = 36,39° und β2 = 24,05°. Nach Bedarf können
die Punkte „C1-O-D1” und „C2-O-D2” je
auf eine gerade Linie gebracht werden. Durch Einsatz etwas größeren Zahnräder
mit Zähnezahlen „P” = 35 und „N” =
49 vergrößert sich der Winkel β2 = 36,28°. Der weitere Ausgleich
dieser Winkel kann durch die Änderung des Radius „r” erzielt
werden. Für r = 24,922 mm ergibt sich: β1 = β2 =
36,08°.
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Auf
den Abbildungen von 1 bis 7 sind die Zahnräder „U1”, „U2” im
Spalt zwischen Zahnkränzen „S” und „Q” platziert,
was kein „muss” ist. Versetzt man den Zahnkranz „Q” an
der Hinterwand tiefer im Bild dann können die Zahnräder „U1”, „U2” größer, bzw.
der Zahnkranz „Q” kleiner gewählt werden.
Die wirkende Kraft kann auch unter einer größeren
Zahl von Planetenzahnräder aufgeteilt werden. Ein maßstabgetreues
Beispiel ist auf der dargestellt. Für
dasselbe Modul m = 3 mm und denselben Kurbelradius r = 25 mm wurden
die folgende Zähnezahlen gewählt:
„U” =
10; „V” = 21; „S” = 60; „Ba” = 63; „Q” =
84; „P1” = „P2” = 10; „N1” = „N2” = 15; „P3” = „P4” = 22; „N3” = „N4” = 33.
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Die
auf der bezeichnete Winkel betragen: α = π/8
= 22,5°; β1 = 36,390; β2 = 14,77°; β3 = 49,43°.
Der tiefer platzierte Zahnkranz „Q” ist auf dem Schnitt „F3-F4” gezeigt
(vgl. mit dem Schnitt „F1-F2” auf der ).
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Diese
Beispiele zeigen, dass das vorgeschlagene Planetengetriebe mit der
exzentrisch gelagerten sekundären Achse flexibel an die
Anforderungen einer Doppelkurbel angepasst werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005047634
A1 [0003]