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Die Erfindung bezieht sich auf ein Stromaggregat mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ein derartiges Stromaggregat ist beispielsweise aus
WO 2012/056275 A1 bekannt.
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Bei dem bekannten Stromaggregat wird der Antrieb des Generators durch einen Zweizylinder-Hubkolbenmotor mit gegenläufigen Kurbelwellen, die durch Stirnräder an den Wellenzapfen gekoppelt sind, realisiert. Die Stirnräder stehen miteinander in Eingriff und synchronisieren so die gegenläufigen Kurbelwellen. Der Generator ist mit einer der beiden Kurbelwellen durch ein Zwischenzahnrad gekoppelt, das einerseits mit dem Stirnrad der betreffenden Kurbelwelle und andererseits mit einem weiteren Stirnrad auf der Antriebswelle des Generators in Eingriff steht.
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Der Hubkolbenmotor des bekannten Stromaggregats weist bereits hervorragende Eigenschaften mit Blick auf die Laufruhe, die Vibrationsarmut und den kompakten Aufbau auf. Das Stromaggregat wird daher bevorzugt für den Antrieb eines Hybridfahrzeuges eingesetzt. Um die Geräuschentwicklung des Motors zu dämpfen, wird der Stirnradsatz der beiden Kurbelwellen aufwändig bearbeitet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Serientauglichkeit des bekannten Stromaggregats zu verbessern, ohne die hervorragenden Motoreigenschaften, wie Laufruhe, Vibrationsarmut und Kompaktheit, aufzugeben. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zu Grunde, ein Fahrzeug mit einem derartigen Stromaggregat anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Stromaggregat mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
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Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, ein Stromaggregat, insbesondere für ein Hybridfahrzeug, vorzuschlagen, das einen Zweizylinder-Hubkolbenmotor und einen Generator aufweist. Der Zweizylinder-Hubkolbenmotor weist zwei Kolben, die in zwei Zylindern in Tandem-Anordnung geführt sind, und zwei gegenläufige Kurbelwellen auf. Die Kurbelwellen sind mit den Kolben durch Pleuel verbunden. Der Generator ist durch die Kurbelwellen antreibbar, wobei die Kurbelwellen mechanisch phasengleich gekoppelt sind. Erfindungsgemäß sind die Kurbelwellen durch eine beidseitig verzahnte Zahnkette gekoppelt, wobei die erste Seite der Zahnkette mit einem Kettenrad der einen Kurbelwelle und die zweite Seite der Zahnkette mit einem Kettenrad der anderen Kurbelwelle in Eingriff stehen. Die Zahnkette und die Kurbelwellen bilden einen Zahnkettentrieb, der mit dem Generator verbunden ist.
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Die Drehrichtungsumkehr der beiden Kurbelwellen wird durch die beidseitig verzahnte Zahnkette erreicht, so dass die beiden Kurbelwellen synchronisiert sind. Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die erste Seite der Zahnkette mit dem einen der beiden Kettenräder und die zweite Seite der Zahnkette mit dem anderen der beiden Kettenräder in Eingriff stehen. Dadurch behält der Zweizylinder-Hubkolbenmotor seine hervorragenden Eigenschaften bezüglich Laufruhe, Vibrationsarmut und Kompaktheit. Die für die Übertragung der Antriebsmomente von den Kurbelwellen auf die Zahnkette vorgesehenen Kettenräder sind einfach zu fertigen, so dass der Herstellungsaufwand des Stromaggregats signifikant verringert wird. Das erfindungsgemäße Stromaggregat ist daher in vorteilhafter Weise serientauglich.
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Die Nutzung der Zahnkette eröffnet verschiedene konstruktive Möglichkeiten, wie der Generator in Bezug auf den Hubkolbenmotor räumlich angeordnet wird. Überdies bringt die Verwendung der beidseitig verzahnten Zahnkette den Vorteil, dass weitere Motorkomponenten auf sehr einfache und platzsparende Weise mit den Kurbelwellen antriebsverbunden werden können. Die konkrete Ausgestaltung dieser Motorkomponenten ist Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Generator seitlich neben den Kettenrädern in einem Gehäuse des Motors fest oder austauschbar angeordnet. Der Hubkolbenmotor und der Generator bilden also eine Einheit, die in unterschiedlichen Positionen, beispielsweise liegend oder stehend, in ein Fahrzeug eingebaut werden kann. Die austauschbare Anordnung des Generators verbessert die Wartungsfreundlichkeit des Stromaggregats.
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Um die Wechseldrehmomente des Generators zumindest teilweise auszugleichen, bewegen sich der Generator und die Zahnkette im Betrieb vorteilhafterweise gegenläufig.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Generator zwischen einem Spannrad und einem Umlenkrad für die Zahnkette angeordnet. Die erste Seite der Zahnkette steht jeweils mit dem Spannrad und dem Umlenkrad und die zweite Seite der Zahnkette mit einem Antriebsritzel des Generators in Eingriff. Die Anordnung des Generators zwischen dem Spann- und Umlenkrad ist besonders platzsparend. Die Drehrichtungsumkehr zwischen Generator und Zahnkette wird bei dieser Ausführung dadurch erreicht, dass die eine Seite der Zahnkette mit dem Spannrad und dem Umlenkrad und die andere Seite der Zahnkette mit dem Antriebsritzel des Generators in Eingriff steht. Das Spannrad ermöglicht die automatische Spannung der Zahnkette. Dies kann mechanisch, beispielsweise mittels einer Feder, und/oder hydraulisch erfolgen. So kann mit Hilfe einer Ölpumpe ein hydraulischer Druck aufgebaut werden, der zu einer Spannung der Zahnkette führt. Das automatische Spannen der Zahnkette optimiert den Kettenlauf und reduziert so den Verschleiß der Zahnkette und der Kettenräder bzw. Antriebsritzel. Außerdem ist eine hydraulische Dämpfung oder eine Reibungsdämpfung für das Spannrad vorgesehen. Die hydraulische Dämpfung kann durch die Ölpumpe betrieben werden. Das Spannrad kann einen selbstnachstellenden bzw. selbsthemmenden Mechanismus umfassen.
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Für einen Ausgleich der Massenkräfte zweiter Ordnung sind vorzugsweise zwei gegenläufige Ausgleichswellen mit der Zahnkette verbunden, wobei die erste Seite der Zahnkette mit einem Antriebsritzel der einen Ausgleichswelle und die zweite Seite der Zahnkette mit einem Antriebsritzel der anderen Ausgleichswelle in Eingriff stehen. Diese Kopplung der Zahnkette mit den Ausgleichswellen führt zu einer Drehrichtungsumkehr der beiden Ausgleichswellen, so dass diese entsprechend gegenläufig zueinander drehen.
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Wenn der Eingriffswinkel der Zahnkette in das in Bewegungsrichtung der Zahnkette vordere Kettenrad zwischen 60° und 80°, insbesondere zwischen 65° und 75° beträgt, wird eine besonders gute Momentenübertragung zwischen der Zahnkette und dem Kettenrad erreicht.
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Wenn die Zahnkette im Verlauf zwischen den Kettenrädern der Kurbelwellen eine gerade Kettenstrecke bildet, die mindestens ca. 30 mm beträgt, werden die Laufeigenschaften der Zahnkette, konkret der Einlauf der Zahnkette, in das in Bewegungsrichtung der Zahnkette vordere Kettenrad verbessert. Bei einem Zündversatz von 360° ergibt sich die Situation, dass sich die in Laufrichtung der Zahnkette hintere Kurbelwelle im Arbeitstakt befindet während die vordere Kurbelwelle im Ansaugtakt steht. Dies führt zu einer hohen Kraft die über das Zugtrum der Kette an den Generator geleitet wird. Währenddessen wird die vordere Kurbelwelle über das Lostrum der Zahnkette im Ansaughub angetrieben. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich das gesamte Spiel der Zahnkette in dem geraden Stück zwischen den beiden Kurbelwellen, da beide Kettentrume unter Zug stehen. Die beidseitig verzahnte Zahnkette kann folglich auf der Außenseite einer Krümmung die Zähne aufspreizen, so dass ein sauberes Einlaufen in gekrümmten Zustand in eine gegenüberliegende Krümmung nicht ohne Verschleiß und Geräusch möglich ist. Durch die gerade Kettenstrecke wird dies kompensiert, wodurch Verschleiß und Geräuschentwicklung reduziert werden.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Zahnkette eine Wiegezapfenkette ist.
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Eine weitere Verringerung des Gaswechsel-Drehmoments und der Belastung des Zahnkettentriebs wird dadurch erreicht, dass der Zündabstand 0° Kurbelwinkel beträgt. Dies gilt für den Fall, dass der Motor ein Viertaktmotor ist. Die Gas-Wechseldrehmomente beider Zylinder treten bei 0° Zündversatz zum selben Zeitpunkt auf und kompensieren sich wegen der gegenläufigen Bewegung der Kurbelwellen. Zudem wird die Beanspruchung des Kettentriebs deutlich verringert, da beide Kurbelwellen zeitgleich Drehmoment produzieren und dieses über das Zugtrum der Zahnkette gemeinsam auf den Generator übertragen. Das Lostrum der Kette erfährt dadurch weniger Wechselbelastung und das Einlaufen der Kette in die in Bewegungsrichtung der Zahnkette vordere Kurbelwelle erfolgt im Wesentlichen schwingungsfrei.
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Für den Ausgleich von Massenkräften/-momenten ist es besonders vorteilhaft, wenn die Antriebsritzel und die Kettenräder der Kurbelwellen in einem Übersetzungsverhältnis von jeweils 1:2 stehen, also die Antriebsritzel mit doppelter Drehzahl drehen. Dies betrifft insbesondere die Antriebsritzel der Ausgleichswellen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Zylinder parallel oder zueinander geneigt mit einem Neigungswinkel von 3° bis 7°, insbesondere 4° bis 6° pro Zylinder angeordnet. Der Neigungswinkel wird zwischen einer Vertikalebene und der Mittelachse des jeweiligen Zylinders gemessen. Mit anderen Worten ist der Gesamtwinkel zwischen den beiden Zylindern die Summe der Neigungswinkel der Einzelzylinder. Die Parallelanordnung der Zylinder ist konstruktiv einfach umzusetzen. Die geneigte Anordnung hat den Vorteil, dass das Gehäuse im Bereich der Zylinder kompakt gebaut werden kann.
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Durch eine Schränkung der Zylinder zur Gegendruckseite und eine phasenverschobene Anordnung der Ausgleichsgewichte an den Kurbelwellen wird die Laufruhe des Stromaggregats insgesamt verbessert. Der Abstand der Zylindermittelachsen ist in diesem Fall kleiner als der Achsabstand der Kurbelwellen.
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Die Laufruhe wird weiter dadurch verbessert, dass die gegensinnig zum Generator drehende Kurbelwelle eine größere Schwungmasse als die gleichsinnig zum Generator drehende Kurbelwelle aufweist.
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Die Erfindung wird nachfolgend in weiteren Einzelheiten unter Bezug auf die beigefügte schematische Figur anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Die einzige Figur zeigt eine Draufsicht auf die Frontseite eines Stromaggregats nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.
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Das in der einzigen Figur dargestellte Stromaggregat kommt vorzugsweise, aber nicht ausschließlich, in einem Hybridfahrzeug zum Aufladen der Hybridbatterie zum Einsatz. Andere Einsatzgebiete, bei denen es auf einen ruhig laufenden, vibrationsarmen und kompakten Hubkolbenmotor ankommt, sind möglich. In der einzigen Figur nicht dargestellt sind die beiden Kolben und die beiden Zylinder, die in Tandem-Anordnung geführt sind. Die zwei gegenläufigen Kurbelwellen 10, 11 sind mit den beiden Kolben durch Pleuel antriebsverbunden. Mit anderen Worten weist jede Kurbelwelle eine eigene Kolben-Zylinderanordnung auf. Die Zylindermittelachsen verlaufen in ein- und derselben Ebene quer zu den Kurbelwellenachsen (Tandem-Anordnung). Die beiden Kurbelwellen sind gegenläufig, d.h. sie drehen in gegensinniger Richtung. Dies wird durch eine entsprechende Anordnung der Kurbelzapfen und Pleuel in an sich bekannter Weise erreicht.
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In der einzigen Figur sind die Wellenzapfen der beiden Kurbelwellen 10, 11 zu sehen, die aus dem Gehäuse 22 des Stromaggregats herausragen. Auf den Wellenzapfen sind koaxial und drehfest zwei Kettenräder 12, 13 angeordnet. Die beiden Kettenräder 12, 13 befinden sich in derselben Drehebene. Zur Synchronisierung der beiden Kettenräder 12, 13 ist eine beidseitig verzahnte Zahnkette 14 vorgesehen, deren erste Seite mit dem ersten Kettenrad 12 und deren zweite Seite mit dem zweiten Kettenrad 13 in Eingriff steht. Dadurch wird die Drehrichtungsumkehr erreicht. Eine der beiden Seiten der Zahnkette 14 kann auch als Rücken bezeichnet werden. Die Zahnkette 14 bildet zusammen mit den beiden Kurbelwellen 10, 11 einen Zahnkettentrieb, der mit einem Generator 15 verbunden ist. Zusammen bilden der Zweizylinder-Hubkolbenmotor und der Generator 15 das Stromaggregat bzw. Stromerzeugungsaggregat, das beispielsweise zum Aufladen einer Batterie, insbesondere für einen Hybridantrieb, genutzt werden kann.
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Wie in der einzigen Figur ferner zu sehen ist, ist der Generator 15 in derselben Drehebene wie die Kettenräder 12, 13, seitlich neben diesen, angeordnet. Dabei verläuft die Drehachse des Generators 15 oberhalb der beiden Kurbelwellenachsen, die in ein- und derselben Horizontalebene angeordnet sind. Zwischen dem Generator 15 und den beiden Kettenrädern 12, 13 verläuft das Zugtrum der Zahnkette 14. Die Kopplung des Generators 15 mit der Zahnkette 14 erfolgt durch ein Antriebsritzel 24, das auf der Generatorantriebswelle 21 sitzt. Das Antriebsritzel 24 steht mit derselben, insbesondere der ersten Seite der Zahnkette 14 in Eingriff, wie das in Bewegungsrichtung der Zahnkette 14 vordere Kettenrad 12. Die Generatorantriebswelle 21 und das erste Kettenrad 12 drehen also gleichsinnig. Dementsprechend drehen die Generatorantriebswelle 21 und das in Bewegungsrichtung der Zahnkette 14 hintere Kettenrad 13 gegensinnig. Der Generator 15 ist dabei so angeordnet, dass das Zugtrum der Zahnkette 14 annähernd horizontal zwischen dem Antriebsritzel 24 des Generators 15 und dem ersten Kettenrad 12 verläuft. Eine andere Höhenposition des Antriebsritzels 15 bzw. des Generators 15 bezogen auf die Kurbelwellenachsen ist möglich.
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Wie in der einzigen Figur zu sehen ist, sind der Generator 15 und der Hubkolbenmotor im selben Gehäuse 22 des Stromaggregats vorgesehen. Dabei kann der Generator 15 im Gehäuse 22 fest oder austauschbar angeordnet sein.
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Durch die Verbindung des Generators 15 mit der ersten Seite der Zahnkette 14 wird erreicht, dass der Generator 15 und die Zahnkette 14 sich im Betrieb gegenläufig bewegen. Mit anderen Worten bewegt sich die Zahnkette 14 im Gegenuhrzeigersinn, wohingegen sich der Generator 15 im Uhrzeigersinn dreht.
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Der Generator 15, konkret die Antriebswelle 21 des Generators, ist zwischen einem Spannrad 16 und einem Umlenkrad 17 angeordnet. Das Spannrad 16 ist verstellbar im Gehäuse 22 gelagert, um die Kettenspannung einstellen zu können. Das Umlenkrad 17 dient der Führung der Zahnkette 14 und ist dem Spannrad 16 in Bewegungsrichtung der Zahnkette 14 vorgeordnet. Das Spannrad 16 ist unterhalb der Antriebswelle 21 des Generators angeordnet und weist ein Ritzel auf, das mit der Zahnkette 14 in Eingriff steht. Das Umlenkrad 17 ist oberhalb der Antriebswelle 21 des Generators angeordnet und weist ebenfalls ein Ritzel auf, das mit der Zahnkette 14 in Eingriff steht. Das Spannrad 16 und das Umlenkrad 17 stehen jeweils mit der anderen Seite der Zahnkette 14 als der Generator 15 in Eingriff, woraus sich die Drehrichtungsumkehr zwischen dem Spannrad 16 und dem Umlenkrad 17 einerseits und dem Generator 15 andererseits ergibt. Mit anderen Worten drehen das Spannrad 16 und das Umlenkrad 17 sowie das in Bewegungsrichtung der Zahnkette 14 hintere Kettenrad 13 gleichsinnig.
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Bei einer vergleichsweise großen Länge der Zahnkette 14, insbesondere bei einem großen Abstand zwischen den Ausgleichswellen 18, 19, der von der Zahnkette 14 frei überbrückt werden muss, kann in vorteilhafter Weise eine Führungsschiene zur Führung einer freien Kettenstrecke vorgesehen sein.
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Das Spannrad 16 und das Umlenkrad 17 sind schräg versetzt übereinander angeordnet. Der Achsabstand zwischen dem Spannrad 16 und dem Umlenkrad 17 ist so bemessen, dass die Antriebswelle 21 des Generators dazwischen angeordnet sein kann. Das Spannrad 16 ist unterhalb der horizontalen Ebene durch die beiden Kurbelwellenachsen und das Umlenkrad 17 oberhalb dieser Horizontalebene angeordnet. Das Umlenkrad 17 ist, bezogen auf das Spannrad 16, nach innen versetzt angeordnet, so dass die Zahnkette 14 zwischen dem Spannrad 16 und dem Umlenkrad 17 nach innen in Richtung der beiden Kurbelwellen 10, 11 geneigt verläuft.
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Die Zahnkette 14 ist mit zwei gegenläufigen Ausgleichswellen 18, 19 verbunden. Dazu ist die erste Seite der Zahnkette 14 mit dem Antriebsritzel der ersten Ausgleichswelle, d.h. der in Bewegungsrichtung der Zahnkette 14 hinteren Ausgleichswelle 18, verbunden. Die zweite Seite der Zahnkette 14 ist mit dem Antriebsritzel der zweiten Ausgleichswelle 19, d.h. der in Bewegungsrichtung der Zahnkette 14 vorderen Ausgleichswelle 19, verbunden. Dadurch ergibt sich die Drehrichtungsumkehr der beiden Ausgleichswellen 18, 19. Die beiden Ausgleichswellen 18, 19 sind auf derselben Höhe wie das Umlenkrad 17 angeordnet. Eine andere Anordnung der Ausgleichswellen 18, 19 ist möglich. Die beiden Ausgleichswellen 18, 19 sind im Lostrum der Zahnkette 14 angeordnet. Wie in der einzigen Figur zu sehen ist, weisen die beiden Ausgleichswellen 18, 19 Gegengewichte 23 auf, die gleichphasig, aber gegenläufig, angeordnet sind. Die Ausgleichswellen 18, 19 wirken zum Ausgleich der Massenkräfte zweiter Ordnung zusammen. Der Achsabstand zwischen den beiden Ausgleichswellen 18, 19 ist so bemessen, dass dazwischen Bauraum für die in der einzigen Figur nicht dargestellten Zylinder vorgesehen ist.
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Ausgehend von dem in Bewegungsrichtung der Zahnkette 14 ersten Kettenrad 12 verläuft die Zahnkette 14 gerade zwischen dem ersten und zweiten Kettenrad 12, 13 und bildet dabei eine gerade Kettenstrecke 20 mit einer Länge von ca. 30 mm. Die Zahnkette 14 umschlingt das in Bewegungsrichtung der Zahnkette 14 hintere Kettenrad 13. Nach dem Kettenrad 13 ist die Zahnkette 14 mit der zweiten Ausgleichswelle 19 gekoppelt und verläuft von dort unter einem Wechsel der Eingriffsseite der Zahnkette 14 zur ersten Ausgleichswelle 18. Von der ersten Ausgleichswelle 18 verläuft die Zahnkette 14 weiter zur Umlenkrolle 17, wobei hier wieder ein Wechsel der Eingriffsseite der Zahnkette und somit eine Drehrichtungsumkehr erfolgt. Von dem Umlenkrad 17 erstreckt sich die Zahnkette 14 weiter bis zum Spannrad 16, das mit derselben Seite der Zahnkette 14 wie das Umlenkrad 17 verbunden ist. Nach dem Spannrad 16 ist die Zahnkette 14 über das Antriebsritzel 24 des Generators 15 geführt, wobei die Eingriffsseite und damit die Drehrichtung wechseln. Nach dem Antriebsritzel 24 des Generators 15 schließt sich der Verlauf der Zahnkette 14 am ersten Kettenrad 12.
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Der Eingriffswinkel der Zahnkette 14 in alle treibenden Kettenräder 12, 13 oder die angetriebenen Zahnräder bzw. Ritzel 15, 18, 19 beträgt zwischen 60° und 80°, insbesondere zwischen 65° und 75°. Das Übersetzungsverhältnis zwischen den Antriebsritzeln 15, 18, 19 und den Kettenrädern 11, 12 beträgt 1:2.
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Die doppelseitig verzahnte Zahnkette weist in an sich bekannter Weise Zahnlaschen auf, die in die entsprechende Verzahnung der Kettenräder 12, 13 eingreifen und die Zugkraft übernehmen. Das Wiegegelenk der Zahnkette weist Gelenkzapfen oder Wiegezapfen auf, die die Bewegung der Zahnkette ermöglichen. Derartige Zahnketten sind allgemein bekannt. Die Besonderheit bei der vorstehend verwendeten Zahnkette 14 besteht darin, dass die Zahnkette auf beiden Seiten verzahnt ist.
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Zur Bewegung einer Nockenwelle des Hubkolbenmotors verbindet eine Steuerkette 26 die erste Kurbelwelle 10 mit einem Nockenwellenritzel 25, das stirnseitig an der Nockenwelle angeordnet ist. Dazu weist die erste Kurbelwelle 10 ein Kettenritzel 27 auf, welches fest mit der ersten Kurbelwelle 10 und/oder dem ersten Kettenrad 12 verbunden ist. Das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Kettenritzel 27 und dem Nockenwellenritzel 25 beträgt in an sich bekannter Weise 1:2.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 11
- Kurbelwellen
- 12, 13
- Kettenrad
- 14
- Zahnkette
- 15
- Generator
- 16
- Spannrad
- 17
- Umlenkrad
- 18, 19
- Ausgleichswellen
- 20
- Kettenstrecke
- 21
- Generatorantriebswelle
- 22
- Gehäuse
- 23
- Gegengewicht
- 24
- Antriebsritzel des Generators
- 25
- Nockenwellenritzel
- 26
- Steuerkette
- 27
- Kettenritzel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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