DE102009038061A1

DE102009038061A1 - Eine Art Planetengetriebe für die Doppelkurbel

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Publication number: DE102009038061A1
Application number: DE200910038061
Authority: DE
Inventors: Georg Schreiber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-08-19
Filing date: 2009-08-19
Publication date: 2011-02-24
Anticipated expiration: 2029-08-20
Also published as: DE102009038061B4

Abstract

Die lineare Hubbewegung eines Kolbens wird in verschiedenen Maschinen durch Einsatz einer Pleuelstange in Rotation der Kurbel um ihre Achse umgewandelt. Die gleichmäßige Rotation der Kurbel führt zu zweidimensionalen Schwingungen der Pleuelstange und unharmonischen Schwingungen des Kolbens, wodurch gewisse Nachteile entstehen, die durch Anwendung einer doppelkurbeligen Umwandlung behoben werden können. Die Doppelkurbel wird aus zwei Kurbeln mit dem gleichen Radius "r" zusammengebaut, und zwar so, dass der "Kopf" der Innenkurbel "A" als Drehachse für die Außenkurbel "B" dient, wobei, falls eine von diesen Kurbeln in Rotation gesetzt wird, dies eine Rotation in die Gegenrichtung mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit der anderen bewirkt.Die 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. Die Gegenrotation der beiden Kurbeln mit den gleichen Winkelgeschwindigkeiten soll mittels eines Getriebes gewährleistet sein. Ein passendes Getriebe wurde in der Patentschrift Nr. 842 292 vom 26. Juni 1952 vorgeschlagen. In dieser Anmeldung wird eine Art Planetengetriebe für die Doppelkurbel vorgeschlagen, wobei durch die Aufteilung der Schubkraft unter mehreren Zahnrädern die auf jeden kraftübertragenden Zahn wirkende Kraft vermindert werden soll. Eine Vergrößerung des Durchmessers des zur Außenkurbel zugehörigen ...

Description

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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°.
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.
Im Vordergrund der ist das Zahnrad „B_a” gezeigt, das am Ende der sekundäre Achse „A” befestigt ist. Das Zahnrad „B_a” 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.
Im Abstand „r” zur Drehachse „A” besitzt das Zahnrad „B_a” auf seiner Seitenfläche einen Zapfen „B”. Der Hebel „AB” bildet die Außenkurbel „B”.
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 „B_a”, das am Ende der sekundären Achse „A” befestigt ist.
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.
Gemäß der Definition der Doppelkurbel es soll die Rotation des Zahnrades „B_a” 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.
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; „B_a” = 63; „Q” = 90; „P” = 30; „N” = 42;
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°.
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; „B_a” = 63; „Q” = 84; „P₁” = „P₂” = 10; „N₁” = „N₂” = 15; „P₃” = „P₄” = 22; „N₃” = „N₄” = 33.
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 ).
Diese Beispiele zeigen, dass das vorgeschlagene Planetengetriebe mit der exzentrisch gelagerten sekundären Achse flexibel an die Anforderungen einer Doppelkurbel angepasst werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102005047634 A1 [0003]

Claims

Eine Art Planetengetriebe für die Doppelkurbel, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre Achse „A” exzentrisch zur primären Achse „O” in einem an der primären Achse „O” befestigten Rahmen gelagert ist. Der Hebel „OA” bildet die Innenkurbel „A” deren Radius „r” ein Viertel der Hubhöhe beträgt. Am Ende der sekundären Achse „A” ist ein Zahnrad „B_a” befestigt, das mittels einiger Planetenzahnräder zur Rotation mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit in die Gegenrichtung zum rotierenden Rahmen gebracht wird. Auf seiner Seitenfläche im Abstand „r” zur Drehachse „A” besitzt das Zahnrad „B_a” einen Zapfen „B”. Der Hebel „AB” bildet die Außenkurbel „B”. Durch Verknüpfung der Innen- und Außen-Kurbeln mittels vorgeschlagenen Planetengetriebes wird die Umwandlung einer gleichmäßiger Rotation der primären Achse „O” in lineare harmonische Schwingungen des Zapfens „B” gewährleistet.