DE102009038061B4

DE102009038061B4 - Planetengetriebe für eine Doppelkurbel

Info

Publication number: DE102009038061B4
Application number: DE200910038061
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-08-19
Filing date: 2009-08-19
Publication date: 2013-06-06
Anticipated expiration: 2029-08-20
Also published as: DE102009038061A1

Abstract

Planetengetriebe für eine Doppelkurbel, bei dem vorgesehen ist, – dass eine sekundäre Achse (A) exzentrisch zu einer primären Achse (O) in einem an der primären Achse (O) befestigten, rotierenden Rahmen gelagert ist, – dass ein die primäre Achse (O) mit der sekundären Achse (A) verbindender Hebel (OA) eine Innenkurbel bildet, – dass am Ende der sekundären Achse (A) ein Zahnrad (Ba) befestigt ist, das mittels einiger Planetenzahnräder zur Rotation mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit in die Gegenrichtung zum rotierenden Rahmen gebracht wird, – dass auf seiner Seitenfläche im Abstand (r) zur sekundären Achse (A) das Zahnrad (Ba) einen Zapfen (B) besitzt, – dass ein die sekundäre Achse (A) mit dem Zapfen (B) verbindender Hebel (AB) eine Außenkurbel mit gleicher Länge wie die Innenkurbel bildet, – dass durch Zusammenwirken des die Innenkurbel bildenden Hebels (OA) mit dem die Außenkurbel bildenden Hebel (AB) mittels des Planetengetriebes eine Umwandlung einer gleichmäßigen Rotation der primären Achse (O) in lineare harmonische, eine Hubhöhe definierende Schwingungen des Zapfens (B) erfolgt, – und dass der Radius (r) der Innenkurbel ein Viertel der Hubhöhe des Zapfens (B) beträgt.

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 zu zweidimensionalen Schwingungen der Pleuelstange und zu 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 mit gleichem Radius zusammengebaut und zwar so, dass „Kopf” der Innenkurbel als Drehachse für die Außenkurbel dient. Wenn eine von diesen Kurbeln in Rotation gesetzt wird, bewirkt dies eine Rotation in die Gegenrichtung mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit der anderen. Eine gleichmäßige Rotation der Innenkurbel führt hier zu harmonischen linearen Schwingungen des „Kopfes” der Außenkurbel, die mittels einer Schubstange auf einen Kolben übertragen werden können.
Die weiteren 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 Innenkurbeln gewährleistet ist, sollen sie mittels eines entsprechenden Getriebes verknüpft werden. Ein passendes Getriebe wurde bereits 1950 vorgeschlagen und mit der deutschen Patentschrift Nr. 842 292 , ausgegeben am 26. Juni 1952, geschützt. Das Drehmoment der Innenkurbel wird hier auf die Außenkurbel mittels eines Zahnrades übertragen (das Zahnrad (e) in der deutschen Patentschrift Nr. 842 292 ). Die gesamte Schubkraft wirkt also auf einen Zahn dieses Zahnrades.
In der Offenlegungsschrift DE 36 06 281 A1 , offengelegt am 5. Februar 1987, ist ein „Kurbelgetriebe 90 Grad V-Triebwerk” beschrieben, bei dem „...die Kurbel (4) die Planetenpaare (14a, 14b) enthält, die das Zapfenrad (6) übergreifen...”. Nach Bezeichnungen der Schrift DE 36 06 281 A1 : Durch Rotation der Innenkurbel (4) wird mittels zweier Planetenzahnräder (5, 5a) die Außenkurbel angetrieben, die aus Zapfenrad (6) und Kurbelzapfen (10) besteht. Für die zweite Hubbewegung unter V-Winkel 90 Grad ist ein zweiter Kurbelzapfen (10a) vorgesehen. Die gesamte Schubkraft wird bei diesem Getriebe auf zwei Planetenzahnräder aufgeteilt. Dieses Getriebe wird als Stand der Technik angenommen. Die Aufteilung der Schubkraft unter mehreren Zahnrädern durch Anwendung eines Planetengetriebe würde die wirkende Kraft an jedem kraftübertragenden Zahn mindern.
Von Details abgesehen besteht ein Planetengetriebe aus einer primären und einer sekundären Achse, die coaxial 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 Zahnkran ab. In der Verzahnung mit diesen Planetenzahnrädern ist mittig 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.
Das Planetengetriebe für eine Doppelkurbel 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 den Rahmen um einen Winkel α = π/4 = 45° gedreht zeigt, bis zur mit dem Winkel α = 19π/16 = 213,75°.
Zurück zur . An der Hinterwand des Gehäuses sind zwei außen verzahnte Zahnkränze (Q) und (S) befestigt, an denen die Planetenzahnräder (P₁, P₂) und (U₁, U₂) sich entsprechend abrollen, die entsprechend in den Punkten (D₁, D₂) und (C₁, C₂) des Rahmens gelagert sind. Die sekundäre Achse (A) ist ebenfalls im Rahmen gelagert und zwar nicht coaxial wie beim herkömmlichen Planetengetriebe sondern exzentrisch zur primären Achse (O). Der Hebel (OA) bildet die Innenkurbel, deren Radius (r) ein Viertel der Hubhöhe beträgt.
Im Vordergrund der ist das Zahnrad (B_a) gezeigt, das am Ende der sekundären 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 bzw. als ein Teil gefräst sind. Auf der ist im Schnitt (E₁-E₂) das Paar (P₂-N₂) gezeigt. Auf der ist im Schnitt (F₁-F₂) 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.
Man sieht: Bei herkömmlichen Planetengetriebe ist die sekundäre Achse coaxial zur primären Achse gelagert und dient erstens als Welle für das zentrales Zahnrad und zweitens nach Verlassen des Gehäuses zum 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 zentrale 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 ein zweites 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 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 von 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_o = 3 mm festgelegt. Der Radius einer Kurbel wurde bestimmt: r = 25 mm. Es wurden die folgenden 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 bezeichneten 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 größerer 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 Planetenzahnrädern aufgeteilt werden. Ein maßstabgetreues Beispiel ist auf der dargestellt. Für dasselbe Modul m_o = 3 mm und denselben Kurbelradius r = 25 mm wurden die folgenden 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 bezeichneten Winkel betragen: α = π/8 = 22,5°; β₁ = 36,39°; (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.

Claims

Planetengetriebe für eine Doppelkurbel, bei dem vorgesehen ist, – dass eine sekundäre Achse (A) exzentrisch zu einer primären Achse (O) in einem an der primären Achse (O) befestigten, rotierenden Rahmen gelagert ist, – dass ein die primäre Achse (O) mit der sekundären Achse (A) verbindender Hebel (OA) eine Innenkurbel bildet, – dass am Ende der sekundären Achse (A) ein Zahnrad (B_a) befestigt ist, das mittels einiger Planetenzahnräder zur Rotation mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit in die Gegenrichtung zum rotierenden Rahmen gebracht wird, – dass auf seiner Seitenfläche im Abstand (r) zur sekundären Achse (A) das Zahnrad (B_a) einen Zapfen (B) besitzt, – dass ein die sekundäre Achse (A) mit dem Zapfen (B) verbindender Hebel (AB) eine Außenkurbel mit gleicher Länge wie die Innenkurbel bildet, – dass durch Zusammenwirken des die Innenkurbel bildenden Hebels (OA) mit dem die Außenkurbel bildenden Hebel (AB) mittels des Planetengetriebes eine Umwandlung einer gleichmäßigen Rotation der primären Achse (O) in lineare harmonische, eine Hubhöhe definierende Schwingungen des Zapfens (B) erfolgt, – und dass der Radius (r) der Innenkurbel ein Viertel der Hubhöhe des Zapfens (B) beträgt.