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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Differential-Aufhängung für n-gliedrige Gelenkringe gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1.
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Gelenkringe können eine Symmetrie- oder Hauptachse besitzen. In den Patentschriften
DE 10 2004 018 247 B3 und
WO 2005/100822 A1 wurde die raumfeste Achse von sechsgliedrigen Gelenkringen mit dem Bezugszeichen (
19) als Symmetrieachse bezeichnet, in den Patentschriften
DE 10 2005 006 621 B3 und
DE 10 2013 011 765.8 die raumfeste Achse von Gelenkketten mit dem Bezugszeichen (
1) als Hauptachse bezeichnet. Im Folgenden wird die etwas allgemeinere Bezeichnung Hauptachse benutzt.
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Die Patentschriften
DE 10 2004 018 247 B3 ,
DE 10 2005 006 621 B3 ,
WO 2005/100822 A1 und
DE 10 2013 011 765.8 offenbaren inversionskinematische Vorrichtungen, die Gelenkketten mit beliebigem charakteristischen Winkel (ψ) so an- bzw. abtreiben, dass die jeweilige Hauptachse bis auf eventuelle Parallelverschiebungen raumfest bleibt.
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Bei den sechsgliedrigen Gelenkringen führt die Positionierung der zwangläufigen Inversionsbewegung mit raumfester Hauptachse zum vollständigen und dynamischen Massenausgleich. Die Impulse und die Drehimpulse der einzelnen Glieder des Gelenkrings addieren sich in jeder Bewegungslage derart, dass das Gesamtsystem in Ruhe bleibt.
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Den in den Patentschriften
DE 10 2004 018 247 B3 ,
DE 10 2005 006 621 B3 und
WO 2005/100822 A1 offenbarten inversionskinematischen Vorrichtungen haftet die Problematik an, dass die Gelenkketten nicht direkt, sondern nur indirekt an- oder abgetrieben werden. Bei diesen Vorrichtungen wird die Inversionsbewegung der Gelenkkette nur über die Vorgabe der räumlichen Position einzelner Gelenkachsenmittelpunkte bzw. der entsprechenden Versatzglieder, d. h. über die dynamische Lagerung der Gelenkkette erzeugt. Ein Nachteil dieser indirekten An- oder Abtriebsart ist, dass enorme Reibungsverluste und Totpunkte auftreten können, die im ungünstigsten Fall zum Stillstand der Inversionsbewegung führen.
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Die Patentschrift
DE 10 2013 011 765.8 offenbart direkte An- und Abtriebe für die Inversionsbewegung von n-gliedrigen Gelenkketten. Ein Nachteil dieser direkten An- und Abtriebe sind die im Vergleich zur Gelenkkette voluminösen Getriebe und die Schwierigkeit, Getriebe und Gelenkkette räumlich zu trennen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Differential-Aufhängung für n-gliedrige Gelenkringe mit beliebigem charakteristischem Winkel (ψ) zu entwickeln, die gewährleistet, dass die Hauptachse (1) des jeweiligen Gelenkrings während der gesamten Inversionsbewegung punktweise gestellfest bleibt. Die einzelnen Gelenkglieder des Gelenkrings sollen als Arbeitshebel einsetzbar sein und je nach Einsatzgebiet entsprechend modifiziert und mit Zusatzelementen versehen werden.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe ist in dem unabhängigen Patentanspruch 1 wiedergegeben. Bevorzugte Ausführungsvarianten ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen 2–9. Die unabhängigen Patentansprüche 10–12 betreffen bevorzugte Verwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Im Vergleich zu den in dem Patent
DE 10 2013 011 765.8 offenbarten An- und Abtrieben führt die hier offenbarte Differential-Aufhängung dazu, dass die in der Nähe des Gelenkrings befindlichen Getriebeteile einerseits schlanker und andererseits Gelenkring und Getriebe besser trennbar sind. Der Gelenkring kann weiterhin direkt an- und abgetrieben werden.
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Anhand der Zeichnungen werden der Erfindungsgegenstand und seine Komponenten näher erläutert. Es zeigen:
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1 bis 3 schematisch einen n-gliedrigen Gelenkring mit charakteristischem Winkel (Ψ) und einer geraden Anzahl n ≥ 6 von Gliedern am Beispiel des sechsgliedrigen Gelenkrings (g0, g1, g2, g3, g4, g5) mit charakteristischem Winkel Ψ = 90° (Gelenkring des umstülpbaren Würfels);
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4 und 5 schematisch einen n-gliedrigen Gelenkring mit charakteristischem Winkel (Ψ) und einer geraden Anzahl n ≥ 6 von Gliedern am Beispiel des sechsgliedrigen Gelenkrings (g0, g1, g2, g3, g4, g5) mit charakteristischem Winkel Ψ = 65°;
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6 schematisch die raumfesten Hauptebenen (H0, H1, H2), die raumfeste Hauptachse (1) und die ovalen Gelenkachsenmittelpunktskurven (2) am Beispiel des sechsgliedrigen Gelenkrings mit charakteristischem Winkel Ψ = 90°;
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7 schematisch die raumfesten Hauptebenen (H0, H1, H2), die raumfeste Hauptachse (1) und die ovalen Gelenkachsenmittelpunktskurven (2) am Beispiel des sechsgliedrigen Gelenkrings mit charakteristischem Winkel ψ = 65°;
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8 schematisch den Parallelversatz (v0, v1, v2, v3, v4, v5) der Gelenkachsen am Beispiel des sechsgliedrigen Gelenkrings (g0, g1, g2, g3, g4, g5) mit charakteristischen Winkel ψ = 90°;
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9 schematisch den Gelenkring aus 8, wobei die sechs Glieder mit Mitnehmerelementen (3, 4) versehen sind;
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10 schematisch den Gelenkring aus 8 innerhalb eines raumfesten Lagergestells (5);
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11 schematisch die Mittelebene (EM) und den Mittelpunkt (M) eines Gelenkrings am Beispiel des sechsgliedrigen Gelenkrings mit charakteristischem Winkel Ψ = 65° aus den 4 und 5;
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12 schematisch die Mittelebene (EM) und den Mittelpunkt (M) eines Gelenkrings mit Parallelversatz am Beispiel des sechsgliedrigen Gelenkringes mit charakteristischem Winkel Ψ = 90° und Parallelversatz (v0, v1, v2, v3, v4, v5) gemäß 8;
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13 den Schnitt entlang der Mittelebene (EM) eines sechsgliedrigen Gelenkrings (g0, g1, g2, g3, g4, g5) mit Parallelversatz (v0, v1, v2, v3, v4, v5), wobei die sechs Glieder des Gelenkrings als Oloide (6) ausgestaltet sind;
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14 bis 16 die isometrische Ansicht eines Beispiels der erfindungsgemäßen Differential-Aufhängung für den sechsgliedrigen Gelenkring, dessen Glieder als Oloide ausgestaltet sind;
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17 einen Aufriss des in den 14 bis 16 gezeigten Beispiels für die erfindungsgemäße Differential-Aufhängung;
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18 einen Seitenriss des in den 14 bis 16 gezeigten Beispiels für die erfindungsgemäße Differential-Aufhängung.
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Für die gesamte Patentschrift gilt, dass die Bezugszeichen aller Figuren eindeutig festgelegt sind. Es müssen deshalb nicht in jeder Zeichnung alle Bezugszeichen neu erklärt werden.
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Die 1–3 zeigen den n-gliedrigen Gelenkring mit charakteristischem Winkel (Ψ) und einer geraden Anzahl n ≥ 6 von Gliedern am Beispiel des sechsgliedrigen Gelenkrings des umstülpbaren Würfels mit den sechs Gelenkachsenmittelpunkten (M0, M1, M2, M3, M4, M5), den sechs Gliedern bzw. Arbeitshebeln (g0, g1, g2, g3, g4, g5) und den sechs Gelenkachsen (a0, a1, a2, a3, a4, a5). Je zwei aufeinanderfolgende Gelenkachsen, also (a0) und (a1) oder (a1) und (a2) usw., schließen innerhalb eines Gelenkrings immer denselben, sogenannten charakteristischen Winkel (Ψ) ein. Im Fall des umstülpbaren Würfels ist Ψ genau 90°. 3 zeigt, dass sich die Gelenkachsen (a0, a2, a4) einerseits und die Gelenkachsen (a1, a3, a5) andererseits jeweils in einem Punkt schneiden. Diese beiden Schnittpunkte legen die Hauptachse (1) fest, welche beim Gelenkring des umstülpbaren Würfels gleichzeitig die dreizählige Symmetrieachse darstellt. In 1 sind die sechs Arbeitshebel des sechsgliedrigen Gelenkrings mit jeweils zwei dreiecksförmigen Mitnehmerelementen versehen. Das Mitnehmerelement (3) wird durch die Gelenkachse (a1) und den Gelenkachsenmittelpunkt (M2), das Mitnehmerelement (4) durch die Gelenkachse (a2) und den Gelenkachsenmittelpunkt (M1) festgelegt. Entsprechend werden die Mitnehmerelemente der anderen Arbeitshebel befestigt. (Die Arbeitshebel können auch mit andersartig geformten Mitnehmerelementen wie z. B. Oloiden versehen werden.)
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Die 4 und 5 zeigen den n-gliedrigen Gelenkring mit charakteristischem Winkel (Ψ) und einer geraden Anzahl n ≥ 6 von Gliedern am Beispiel des sechsgliedrigen Gelenkrings mit charakteristischen Winkel Ψ = 65°. Wieder besteht der Gelenkring aus den sechs Gelenkachsenmittelpunkten (M0, M1, M2, M3, M4, M5), den sechs Gliedern bzw. Arbeitshebeln (g0, g1, g2, g3, g4, g5) und den sechs Gelenkachsen (a0, a1, a2, a3, a4, a5). Je zwei aufeinanderfolgende Gelenkachsen, also (a0) und (a1) oder (a1) und (a2) usw., schließen innerhalb des sechsgliedrigen Gelenkrings immer denselben, sogenannten charakteristischen Winkel (Ψ) ein. 5 zeigt, dass sich die Gelenkachsen (a0, a2, a4) einerseits und die Gelenkachsen (a1, a3, a5) andererseits jeweils in einem Punkt schneiden. Diese beiden Schnittpunkte legen die Hauptachse (1) fest, welche beim sechsgliedrigen Gelenkring mit beliebigem charakteristischem Winkel (Ψ) gleichzeitig die dreizählige Symmetrieachse darstellt. Die Mitnehmerelemente (3) und (4) der 4 werden auch im allgemeinen Fall durch jeweils eine Gelenkachse und einen Gelenkachsenmittelpunkt befestigt. Sie schneiden sich im Arbeitshebel (g1) und schließen den charakteristischen Winkel (Ψ) ein. Alle anderen Arbeitshebel sind entsprechend mit zwei Mitnehmerelementen ausgerüstet. (Die Arbeitshebel können auch mit andersartig geformten Mitnehmerelementen versehen werden.)
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6 zeigt die Hauptebenen eines Gelenkrings am Beispiel des sechsgliedrigen Gelenkrings des umstülpbaren Würfels (Ψ = 90°) mit den Gelenkachsenmittelpunkten (M0, M1, M2, M3, M4, M5), den Gelenkachsen (a0, a1, a2, a3, a4, a5), der Hauptachse (1) und den drei Hauptebenen (H0 = H3, H1 = H4, H2 = H5). Wenn die Inversionsbewegung des Gelenkrings so durchgeführt wird, dass die Hauptachse und die Hauptebenen punktweise raumfest bleiben, dann beschreiben alle Gelenkachsenmittelpunkte gleichartige ovale Bahnen (2), die in der jeweiligen Hauptebene liegen. Die Gelenkachsen (a0) und (a3), (a1) und (a4), (a2) und (a5) liegen zu jedem Zeitpunkt als Ganzes und paarweise in der Hauptebene (H0), (H1) respektive (H2).
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7 zeigt die Hauptebenen eines Gelenkrings am Beispiel des sechsgliedrigen Gelenkrings mit charakteristischem Winkel Ψ = 65°. Wenn die Inversionsbewegung des Gelenkrings so durchgeführt wird, dass die Hauptachse (1) und die Hauptebenen (H0 = H3, H1 = H4, H2 = H5) punktweise raumfest bleiben, dann beschreiben alle Gelenkachsenmittelpunkte ovale Bahnen (2), die in den Hauptebenen liegen. Auch die Gelenkachsen liegen zu jedem Zeitpunkt der Inversionsbewegung als Ganzes in jeweils einer Hauptebene.
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8 zeigt den Parallelversatz der Gelenkachsen am Beispiel des sechsgliedrigen Gelenkrings mit charakteristischem Winkel Ψ = 90°. In diesem Beispiel werden gegenüberliegende Gelenkachsen um denselben Betrag und senkrecht zur entsprechenden Hauptebene parallel verschoben. Im Allgemeinen können die Längen der Versatzglieder (v0, v1, v2) jeweils beliebig vorgegeben werden. Dies schließt auch den Fall mit ein, dass ein oder mehrere gegenüberliegende Gelenkachsen nicht gleich weit parallel versetzt werden.
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Ein Beispiel für den Fall, dass gegenüberliegende Versatzglieder nicht gleich lang sind, ist in
28 der Patentschrift
DE 10 2013 011 765.8 dargestellt.
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Durch Parallelversatz werden aus der Gelenkachse (a0) aus 1–3 die zwei parallel verlaufenden Gelenkachsen (a01, a02), aus der Gelenkachse (a3) die zwei parallel verlaufenden Gelenkachsen (a31, a32), aus dem Gelenkachsenmittelpunkt (M0) die zwei Gelenkachsenmittelpunkte (M01, M02) und aus dem Gelenkachsenmittelpunkt (M3) die zwei Gelenkachsenmittelpunkte (M31, M32). Entsprechendes gilt für die anderen Gelenkachsen (a11, a12, a21, a22, a41, a42, a51, a52) und die anderen Gelenkachsenmittelpunkte (M11, M12, M21, M22, M41, M42, M51, M52). Die Länge der Arbeitshebel (g0, g1, g2, g3, g4, g5) verändert sich nicht durch den Parallelversatz von Gelenkachsen.
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Entsprechendes gilt für Gelenkringe mit beliebigem charakteristischen Winkel (Ψ).
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9 zeigt den Gelenkring mit Parallelversatz aus 8 zusätzlich versehen mit zwei Mitnehmerelementen pro Arbeitshebel. Form, Größe und gegenseitige Stellung der Mitnehmerelemente, z. B. (3) und (4), ändern sich gegenüber dem Gelenkring ohne Parallelversatz aus der 1 nicht.
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Entsprechendes gilt für Gelenkringe mit beliebigem charakteristischen Winkel (Ψ).
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10 zeigt den Gelenkring mit Parallelversatz aus 8 eingebettet in das schematisch angedeutete Lagergestell (5). Die sechs Arme des raumfesten Lagergestells (5) verlaufen entlang den Hauptebenen (H0, H1, H2) des Gelenkrings. Die Gelenkachsenmittelpunkte, z. B. (M21), beschreiben ovale, geschlossene Bahnkurven (2) parallel zu genau einer Hauptebene, wenn die Hauptachse (1) während der gesamten Inversionsbewegung des Gelenkrings punktweise raumfest gehalten wird.
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In den 11 und 12 sind die Mittelebene (EM) und der Mittelpunkt (M) eines Gelenkrings hervorgehoben. Die 11 zeigt das Beispiel eines Gelenkrings ohne, die 12 das Beispiel eines Gelenkrings mit Parallelversatz. In beiden Fällen gilt, dass die Mittelebene (EM) eines sechsgliedrigen Gelenkrings durch die Mittelpunkte der Glieder (g0, g1, g2, g3, g4, g5) verläuft. Der Mittelpunkt (M) des Gelenkrings ist der Schnittpunkt seiner Mittelebene (EM) mit der Hauptachse (1).
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Entsprechend sind die Mittelebene (EM) und der Mittelpunkt (M) bei n-gliedrigen Gelenkringen mit charakteristischem Winkel (Ψ) und einer geraden Anzahl n ≥ 6 von Gliedern festgelegt.
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13 zeigt den Schnitt entlang der Mittelebene (EM) eines sechsgliedrigen Gelenkrings (g0, g1, g2, g3, g4, g5) mit Parallelversatz (v0, v1, v2, v3, v4, v5), wobei die sechs Glieder des Gelenkrings als Oloide (6) ausgestaltet sind. Hervorgehoben sind auch die Gelenkachsenmittelpunkte (M01, M02, M11, M12, M21, M22, M31, M32, M41, M42, M51, M52) welche jeweils zu zweit die Drehachsen (d0, d1, d2, d3, d4, d5) festlegen, d. h. (d0) ist die Verbindungsgerade von (M01) und (M02), (d1) ist die Verbindungsgerade von (M11) und (M12) etc..
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Für den Fall, dass ein Parallelversatzglied verschwindet, verläuft die entsprechende Drehachse durch den Gelenkachsenmittelpunkt und steht senkrecht auf der dazugehörigen Hauptebene. Wenn also zum Beispiel die Länge des Versatzgliedes (v0) verschwindet, so geht die Drehachse (d0) durch den Gelenkachsenmittelpunkt (M0) und steht senkrecht auf der Hauptebene (H0).
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Entsprechend werden die Drehachsen (d0, d1, ..., dn-1) bei n-gliedrigen Gelenkringen mit charakteristischem Winkel (Ψ) und einer geraden Anzahl n ≥ 6 von Gliedern festgelegt.
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Die Versatzglieder (v0, v1, ..., vn-1) und die zugehörigen Gelenkachsen (a01, a02, a11, a12, ..., a(n-1)1, a(n-1)2) rotieren – bei verschwindender Länge des Versatzgliedes vi, i ∊ {0, 1, ..., n – 1}, rotiert nur die Gelenkachse ai = ai1 = ai2 – um die entsprechenden momentanen Drehachsen (d0, d1, ..., dn-1) während der Inversionsbewegung des n-gliedrigen Gelenkrings. Bei der erfindungsgemäßen Differential-Aufhängung wird der Gelenkring über mindestens eine dieser Rotationen an- oder abgetrieben.
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Die 14 bis 16 zeigen isometrische Ansichten eines Beispiels der erfindungsgemäßen Differential-Aufhängung für den sechsgliedrigen Gelenkring, dessen Glieder als Oloide ausgestaltet sind.
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Über Führungspleuel (8) sind die Versatzglieder (v0, v2, v4) des Gelenkrings mit dem ersten Führungselement (Fg) und über weitere drei Führungspleuel (8) die Versatzglieder (v1, v3, v5) des Gelenkrings mit dem zweiten Führungselement (Fu) verbunden. Der Waagebalken (W) ist einerseits über den Dreh- und Auflagepunkt (D) mit dem raumfesten Lagergestell (5), andererseits über den einen Arm mit dem ersten Führungselement (Fg) und über den anderen Arm mit dem zweiten Führungselement (Fu) mechanisch verbunden. Im vorliegenden Beispiel wird der Gelenkring an zwei gegenüberliegenden Versatzgliedern über Zahnriemen an- oder abgetrieben. Im Antriebsmodus enthält die Vorrichtung einen Motor (7), im Abtriebsmodus einen Generator (7). Durch den Zwanglauf, der über den Waagebalken (W) zwischen den Führungselementen (Fg) und (Fu) hergestellt ist, kann sich der Gelenkring während der Inversion nur so bewegen, dass sowohl seine Hauptachse (1) als auch seine Mittelebene (EM) gestellfest verbleiben.
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Die 17 zeigt einen Aufriss, die 18 einen Seitenriss des in den 14 bis 16 gezeigten Beispiels für die erfindungsgemäße Differential-Aufhängung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004018247 B3 [0002, 0003, 0005]
- WO 2005/100822 A1 [0002, 0003, 0005]
- DE 102005006621 B3 [0002, 0003, 0005]
- DE 102013011765 [0002, 0003, 0006, 0009, 0030]
