DE102021003329A1

DE102021003329A1 - Verbundexzentergetriebe zur Umwandlung gerader hin- und hergehender Bewegungen in eine kontinuierliche Drehbewegung und umgekehrt im Sinusverhältnis

Info

Publication number: DE102021003329A1
Application number: DE102021003329.9A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-06-28
Filing date: 2021-06-28
Publication date: 2022-12-29

Abstract

Bei einem Verbundexzentergetriebe arbeiten zwei gegenläufige Exzenter so zusammen, dass sich ihre Auslenkungen in einer Achse gegenseitig aufheben, sich jedoch im rechten Winkel dazu addieren und dadurch die Umwandlung einer hin- und hergehenden Bewegung in eine kontinuierliche Drehbewegung ermöglichen, oder umgekehrt.Meistens enthalten solche Getriebe jedoch Lager, die mit doppelter Drehzahl betrieben werden und dazu noch aufgrund einer 2:1 Hebelwirkung hohen Kräften ausgesetzt sind. Sie sind daher erhöhter Reibung und Verschleiß unterworfen und sind für den Einsatz in Verbrennungsmotoren ungeeignet. Mit dem aus DE3232974 (Offenlegung 15.03.1984) bekannten MultiFAZE (Multiple Fixed Axis Shaft Compound Eccentric) -Getriebe wurden die gegenläufigen Wellen getrennt und stattdessen über Stirnräder und/oder gegeneinander abrollende Scheibenradpaare antriebsmäßig miteinander verbunden.Diese Konstruktion erfordert jedoch immer noch einen hohen konstruktiven Aufwand und größere bewegte Massen, um einen vollständigen Massenausgleich und ein präzises Kämmen der Zahnräder bzw. einen guten Kontakt der Scheibenräder zu erreichen. Diese Nachteile werden beim erfindungsgemäßen MonoFAZE (Single Fixed Axis Shaft Compound Eccentric) -Getriebe durch die Verwendung nur einer ortsfest gelagerten Abtriebswelle (1) und mehrerer untereinander gekoppelter umlaufender Wellen (3) behoben. Im gezeigten Beispiel wird dies durch die Verbindung der beiden Drehzapfen (5a) mit der Ausgleichsstange (7) erreicht,.Das erfindungsgemäße Getriebe ist vor Allem aber nicht ausschließlich für die Verwendung in Kolbenmotoren gedacht.

Description

Bei einem Verbundexzentergetriebe arbeiten zwei gegenläufige Exzenter so zusammen, dass sich ihre Auslenkungen in einer Achse gegenseitig aufheben, sich jedoch im rechten Winkel dazu addieren und dadurch eine kontinuierliche Drehbewegung in eine geradlinige hin- und hergehende Bewegung oder umgekehrt im Sinusverhältnis umwandeln.
Die ersten Anwendungen von Verbundexzentergetrieben dieser Art werden Cardano (Druckpresse, 1570) und Parsons (Hochgeschwindigkeitsdampfmaschine für Generatoren, 1877) zugeschrieben. Die zugrundeliegende Kinematik geht auf astronomischen Forschungen von al-Tusi resp. Archimedes zurück, wobei sie in Parsons' Dampfmaschine umgekehrt wurde. Der Baker-Cross-Motor von 1974 verwendet ebenfalls ein Getriebe, das auf dem Prinzip des Ellipsenzirkels von Archimedes basiert. Alle drei Getriebe enthalten jedoch Lager, die mit doppelter Drehzahl betrieben werden und dazu noch aufgrund einer 2:1 Hebelwirkung hohen Kräften ausgesetzt sind. Zudem können wegen geometrischer Einschränkungen die hochbelasteten Teile nicht nach Belieben dimensioniert werden. Sie sind daher erhöhter Reibung und Verschleiß unterworfen.
Mit dem aus DE3232974 (Offenlegung 15.03.1984) bekannten MultiFAZE (Multiple Fixed Axis Shaft Compound Eccentric) -Getriebe wurden die sich berührende gegenläufige Wellen der früheren Konstruktionen getrennt und der Antrieb stattdessen über Stirnräder und/oder gegeneinander abrollende Scheibenradpaare ohne Geschwindigkeitsdifferenz und daher ohne Reibung von der einen Welle auf die andere übertragen. Ein 2-takt Motor mit vier Zylindern im 90° Winkel, der mit einem solchen Verbundexzentergetriebe nach dem MultiFAZE-Prinzip arbeitet, ist ca. 1985 von Stiller und Smith an der University of West Virginia, USA gebaut worden.
Nachteilig beim MultiFAZE-Prinzip ist jedoch immer noch, dass der Massenausgleich und die Gewährleistung einer gleichbleibend sicheren Kraftübertragung zwischen den Zahn- und/oder Scheibenrädern einen hohen konstruktiven Aufwand und größere bewegte Massen erfordern. Diese Nachteile werden beim erfindungsgemäßen MonoFAZE (Single Fixed Axis Shaft Compound Eccentric) -Getriebe durch die Verwendung nur einer ortsfest gelagerten Abtriebswelle und mehrerer umlaufender Wellen behoben, wobei Letztere mit verschiedenen Mitteln derart gekoppelt sind, dass der Kontakt zwischen den Rädern und damit eine gleichbleibend sichere Kraftübertragung zwischen den Wellen sichergestellt wird auch und insbesondere bei 4-Takt Motoren bei der Umkehrbewegung der Kolben vom Auspuff- zum Ansaugtakt. Zudem entfällt das Joch (in seiner Funktion einer Koppelstange einer Dampflokomotive ähnlich), dessen Masse zusätzlich ausgeglichen werden muss. Stattdessen kann ein Ausgleichskörper verwendet werden, der nebenbei zum Massenausgleich beiträgt und auch noch die Schmiermittelzufuhr zu den umlaufenden Wellen vereinfacht.
Das erfindungsgemäße MonoFAZE-Prinzip kann in Kolbenmotoren und -pumpen, Textilmaschinen, Pressen, Instrumente, realen oder virtuellen Demonstrations- und Unterrichtsmodellen, medizinischen Anwendungen (Hypnose, Meditation, Achtsamkeit usw.), Spielzeug und Ähnlichem zur Anwendung kommen. Im Folgenden wird jedoch hauptsächlich die Anwendung des erfindungsgemäßen Getriebes in Kolbenmotoren beschrieben.
Die exzentrischen und die umlaufenden Zahnräder bewegen sich zwar im Eingriffsbereich kinematisch komplementär, da an dieser Stelle die kreisrunde Bahn eines Zahnes des exzentrischen Rades und die elliptische Bahn der gegenüberliegenden Zahnlücke des umlaufenden Rades parallel verlaufen und sich berühren. Sie bewegen sich jedoch nur in zwei Stellungen genau tangential zum Umfang des Rades, wie es bei Zahnrädern sonst rundum der Fall ist, so dass es sogar Stellungen gibt, wo sich das antreibende Rad dazu neigt, vom Rad, das es antreiben soll, weg zu bewegen.
Da die Zahnflanken eines Zahnrads in einem bestimmten Winkel zum jeweiligen Radius stehen, kann sich diese nicht-tangentiale Belastung an der einen Flanke eines Zahnes günstig, dafür aber auf der anderen Flanke umso ungünstiger auswirken, je nachdem welches Zahnrad das andere antreibt, bei einer gegebenen Drehrichtung (1). Unter Belastung kann sich dadurch die Eingriffstiefe eines Zahnradpaares verändern und extreme Druckbelastungen und Reibung an den Zahnflanken mit abruptem Kontaktabbruch der Zähne auftreten. Im Extremfall könnte ein Zahnrad dabei ganz aus dem Eingriff springen, um an falscher Stelle wieder einzugreifen, was sofort einen schweren Schaden nach sich ziehen würde. Für eine einwandfreie betriebssichere und geräuscharme Kraftübertragung zwischen den exzentrischen und den umlaufenden Zahn- und Scheibenrädern kann jedoch ein gleichbleibender Abstand bzw. Kontakt durch eine ausgleichende Kopplung der umlaufenden Wellen untereinander sichergestellt werden.
In Motoren mit Zylindern in H-, X- oder A-Anordnung erfolgt die Kopplung der umlaufenden Wellen besonders vorteilhaft über die Hub- bzw. Drehzapfen der umlaufenden Wellen. Diese, die sonst in getrennten Gleitstücken drehbar gelagert wären, werden stattdessen in einem gemeinsamen Ausgleichskörper gelagert, der sich zwischen Führungen hin- und her bewegt.
Umgekehrt kann auch ein umlaufendes Zahn- oder Scheibenrad mit zwei Lagerbohrungen versehen werden, die Hub- bzw. Drehzapfen aufnehmen, die fest im Ausgleichskörper sitzen und sich mit diesem hin und her bewegen. Der Abstand und daher auch der Durchmesser der Lagerbohrungen in einem Rad ist zwar als Funktion des Kolbenhubs begrenzt, aber da ein MonoFAZE-Getriebe mehrere umlaufende Räder hat, kann die Belastung auf alle verteilt werden.
In Reihenmotoren erfolgt die Kopplung der umlaufenden Wellen über deren Drehachsen mit einer Ausgleichsscheibe mit zwei exzentrischen Lagerbohrungen, in denen sich die umlaufenden Wellen drehen oder umgekehrt mit einer Halbkurbelwelle, auf der sich die umlaufenden Wellen drehen. Dazu besitzen die Wellen entweder Lagerzapfen an den Enden oder eine axiale Lagerbohrung. Diese Lager dienen nur der Kopplung der umlaufenden Wellen, während die eigentliche Kraftübertragung über die Zahn- oder Scheibenräder auf die Abtriebswelle erfolgt.
Gleitstücke, die von einem Hubzapfen einer umlaufenden Welle hin und her bewegt werden, können auch hydraulisch miteinander gekoppelt werden, wenn sie Kolben in mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten und untereinander verbundenen Zylindern so hin- und her bewegen, dass die Flüssigkeit von einem Zylinder zum Anderen verdrängt wird, sodass im Wechsel ein Kolben den anderen antreibt. Durch die Verwendung von Tauchkolben in einer gemeinsamen geschlossenen Kammer können Strömungs- und Reibungsverluste verringert werden.
Anmeldungen seit DE3232974 beschreiben verschiedene Ausführungen des MultiFAZE-Prinzips. Es sind dies: USA-Anmeldenr. 628248 vom 06.07.1984 (aufgegeben), US4641611, US4682569 , US5046469 , EP0167149 (alle University of West Virginia (UWV); F16H wurde bei der Prüfung nicht berücksichtigt), des Weiteren US5419572 , US6910701 , DE4430423 , WO2011110325 und US020070295121A1 .
Bei der Patentserie der UWV sind brauchbare Fortschritte über den damaligen Stand der Technik hinaus nicht zu erkennen. Auf die Kolbenstangen wirken hohe Biegekräfte, so dass diese sehr stabil dimensioniert werden müssen. Die in einer Ausführung dargestellte Kraftübertragung mittels Zahnriemen würde grundsätzlich nicht funktionieren, weil sich die Zahnscheiben dann gleich- statt gegensinnig drehen würden.
Vor Allem erscheint das „Floating Trammel Gear“, eine asymmetrisch fliegend gelagerte umlaufende Welle bestehend aus einem Zahnrad mit einem Hubzapfen auf jeder Seite als gewagte Konstruktion, weil die Welle als Kragarm wirkt und im Wechsel die Kräfte von einer Kolbenbaugruppe verstärkt auf das Lager der anderen Kolbenbaugruppe als Kippmoment überträgt. Dabei konzentriert sich zwangsläufig der mechanische Druck in den Lagern und durch das unvermeidbare Kippen auch am Zahnrad auf einen kleinen Teil deren Arbeitsflächen. Zudem ist nicht erkennbar, wie die ortsfest gelagerten Wellen gekoppelt werden sollen, um einen betriebssicheren Eingriff der Zahnräder zu gewährleisten.
Die durch den Versatz der Hubzapfen auftretenden Massenmomente können bei dieser Konstruktion nicht ausgeglichen werden. Sogar ein einfacher Massenausgleich der Konstruktion erfordert auch bei der dargestellten Ausführung mit 8 Zylindern im HX-Format wegen der außermittigen Abtriebswelle eine zusätzliche Ausgleichswelle.
DE4430423 und WO2011110325 lassen keinen wesentlichen Schritt über den Stand der Technik hinaus erkennen.
US020070295121A1 (F16H 21/22) schlägt ein MultiFAZE-Getriebe in einer Ausführung mit kämmenden Stirnrädern und einer Ausführung mit Zahnscheiben und Zahnriemen vor. Allerdings würde keine von beiden Ausführungen funktionieren, weil die Räder 24 und 25 gleich- statt gegensinnig rotieren würden.
Das erfindungsgemäße MonoFAZE-Getriebe hingegen ermöglicht einfachere Konstruktionen, die die oben erwähnten Nachteile vermeiden.
Verschiedene Ausführungen des MonoFAZE-Getriebes werden in den folgenden Figuren erläutert. Zur besseren Übersichtlichkeit sind mit Ausnahme von 7 die Zeichnungen stark vereinfacht und zeigen oft nur die beweglichen Teile des Getriebes. Zahnräder werden in manchen Figuren nur als Kreis dargestellt. Grundsätzlich funktionieren alle Ausführungen mit Zahnrädern, bei Ausführungen mit drei oder mehr umlaufenden Wellen ist bei entsprechenden Vorkehrungen eine Funktion mit Scheibenrädern allein möglich.
1 zeigt das Grundprinzip der Erfindung anhand eines Getriebes für einen Motor mit Zylindern im H-Format in einer 45°-Stellung zwischen einem Totpunkt und der Hubmitte. Die Hubzapfen (5) sind drehbar über nicht dargestellte Kolbenstangen mit je zwei nicht dargestellten Kolben verbunden, die sich horizontal hin und her bewegen. Die gleitenden Drehzapfen (5a) bewegen sich senkrecht zu den Hubzapfen (5) und sind in eine Ausgleichsstange (7) drehbar gelagert, die zwischen mit gestrichelten Linien angedeuteten Führungen (8) senkrecht auf und ab läuft. Die gestrichelten Kreise und Ellipsen stellen die Bahnen dar, auf denen sich die aktuellen Berührungspunkte der Teilkreise der Zahnräder bewegen und die beiden großen Pfeile zeigen als gemeinsame Tangenten je eines Kreises und einer Ellipse die momentane Bewegungsrichtung an der Eingriffsstelle. Es ist daraus erkennbar, dass die Bewegungsrichtung der Zähne, die sich gerade im Eingriff befinden, von der Tangente der Teilkreise der Räder abweicht. Die Größe der Abweichung hängt vom Verhältnis des Zahnraddurchmessers zur Exzentrizität ab, variiert aber auch je nachdem, welcher Bereich der Zahnräder gerade kämmt. Ob diese Abweichung günstig oder ungünstig ist, hängt davon ab, welche Seite eines Zahns belastet wird.
In der gezeigten Konstellation, bei der der Verbrennungsdruck in einem nicht dargestellten Zylinder des Motors auf den oberen Kolbenhubzapfen (5) wirkt, stehen die belasteten Zahnflanken schief zur Bewegungsrichtung derart, dass sich das obere Zahnrad vom mittleren Zahnrad wegbewegt. Ein Abrutschen wird jedoch dadurch verhindert, dass der obere Drehzapfen (5a) über die Ausgleichsstange (7) und den unteren Drehzapfen (5a) mit dem unteren Zahnrad verbunden ist, bei dem die belasteten Zahnflanken annähernd senkrecht und damit günstig zur Bewegungsrichtung stehen. Mit dem mittleren Zahnrad an der Abtriebswelle (1) sind in jeder Situation immer eines der umlaufenden Zahnräder in einem ungünstigen schiefen und eines in einem günstigen annähernd geraden Eingriff. Durch die Verbindung der Drehzapfen (5a) über die Ausgleichsstange (7) wird also ein ungünstiger Eingriff bei einem Zahnradpaar vom anderen Zahnradpaar ausgeglichen.
Durch Kopplung mehrerer umlaufender Wellen unabhängig von der Abtriebswelle wird ein solcher Ausgleich nicht nur bei tangential belasteten Zahnrädern, sondern auch bei radial belasteten Scheibenrädern erreicht, die die Zahnräder ergänzen oder ersetzen können, was der Fachmann aus 1 unschwer ableiten können wird.
2 zeigt die geradlinige Führung eines Hubzapfens (5) durch die die Kolbenstange (6b) und der Kolben von Seitenkräften verschont werden. Der Hubzapfen (5) ist drehbar im Kolbenstangenfuß (6) gelagert, der sich zwischen Kreissegment-Führungen (8) hin und her bewegt, die in einem nicht dargestellten Tunnelgehäuse befestigt sind. Dies vermeidet eine seitliche Belastung der Kolbenstangen und sie können leichter und mit rundem Querschnitt ausgeführt werden. Dies ermöglicht wiederum eine Abdichtung der Zylinder gegenüber dem Getriebe.
In den meisten Ausführungsbeispielen wird eine solche gerade Führung der Hub- und Drehzapfen als wünschenswert angenommen, um Biegekräfte in den Kolbenstangen und Seitenkräfte an den Kolben zu vermeiden. Solche gerade Führungen werden zwecks Übersichtlichkeit nur dort dargestellt, wo es zum Verständnis dienlich ist.
3a zeigt schematisch ein Getriebe nach der Erfindung für einen Motor im H-Format. Das Getriebe besitzt eine zentrale Abtriebswelle (1) mit exzentrischem Zahnrad (2), das beiderseits mit axialen Zahnrädern (4) der umlaufenden Wellen (3) kämmt. Die Zahnräder besitzen Hubzapfen (5) an der Vorderseite und zu diesen um 180° versetzte gleitende Drehzapfen (5a) an der Rückseite. Die Hubzapfen (5) sind in angedeuteten Kolbenstangen mit zwei Kolben drehbar gelagert. Die Hubzapfen (5) bewegen sich zwischen nicht dargestellten Führungen hin und her analog 2.
Die beiden Drehzapfen (5a) sind in der Ausgleichsstange (7) (3b) drehbar gelagert, die sich senkrecht zu den Kolbenstangen zwischen nicht dargestellten Führungen hin und her bewegt. Die Ausgleichsstange (7) besitzt ein längliches Loch für die Abtriebswelle (1).
3c zeigt eine Ansicht auf das Getriebe im rechten Winkel zu 3a. Um ein Verdrehen oder Verkanten der umlaufenden Wellen zu verhindern, sind diese vorzugsweise symmetrisch ausgeführt: die Kolbenhubzapfen (5) befinden sich zwischen zwei Zahnrädern (4), die wiederum zwei Drehzapfen (5a) auf der Außenseite besitzen. Die insgesamt vier Drehzapfen (5a) sind in zwei Ausgleichsstangen (7) gelagert (3b). Neben den Zahnrädern (4) befinden sich Scheibenräder (4a), die gegen Scheibenräder (2a) neben den Zahnrädern (2) abrollen. Die Scheibenräder begrenzen die Eingriffstiefe der Zahnräder und übernehmen zudem die innere seitliche Führung der Kolbenhubzapfen (4). Auf die inneren der Abtriebswelle (1) zugewandten Führungsschienen (7) kann dann verzichtet werden. So entsteht mehr Raum für eine Lagerung der Abtriebswelle (1) in der Mitte.
Die Darstellung des Getriebes in 3c entspricht der Mittelstellung der Kolben in den Zylindern eines Motors. Hier wäre der Druck in einem Zylinder etwa 1/5 des Drucks beim OT nach der Zündung.
4a stellt ein ähnliches Getriebe für einen Doppel-A Zweitaktmotor mit Gleichstromspülung dar. Jede umlaufende Welle besitzt statt einen zwei um 50° versetzte Kolbenhubzapfen (5) für einen Zylinderwinkel von 25°.
Die erforderlichen Führungselemente sind symbolisch aufgereiht in 6a zu sehen. Doppelte Linien weisen auf eine Gleitfläche hin. In weniger anspruchsvollen Anwendungen dürfte es ausreichen, an jeder umlaufenden Welle nur einen von beiden Kolbenhubzapfen (5) geradlinig zu führen.
In 4b verbindet die Ausgleichsstange (7) die beiden umlaufenden Wellen über deren Drehzapfen (5a).
4c zeigt eine umlaufende Welle von der Seite mit je zwei Hubzapfen (5), Drehzapfen (5a) und Zahnrädern (4). Die Hubzapfen sind um 50° zueinander versetzt, was aus dieser Ansicht nicht erkennbar ist.
5a zeigt eine Version des Getriebes aus 4a, bei der die „Kurbelwange“, die die Kolbenhubzapfen (5) verbindet, durch einen weiteren Hubzapfen (5b) ersetzt wurde, der sich dann genau rechtwinkelig zu der Ausgleichsstange (7) bewegt. Dies eröffnet verschiedene Möglichkeiten, die Hubzapfen (5) zu führen. Der Hubzapfen (5b) kann beidseitig geführt werden, wodurch eine Führung auch der anderen beiden Hubzapfen gegeben ist. Für diesen Fall sind Führungselemente wie in 6b dargestellt erforderlich. Es können aber auch alle drei Hubzapfen einer umlaufenden Welle je einseitig an gegenüberliegenden Seiten geführt werden, beispielsweise die Hubzapfen (5) jeweils an der Außenseite und der Hubzapfen (5b) innen.
5c zeigt das Getriebe von der Seite. Es ist zu erkennen, dass die umlaufenden Wellen spiegelgleich sind. In jedem Zylinderblock liegen dann die beiden Zylinder in einer Ebene und demnach kreuzen die gemeinsamen Schwerpunkte der beiden parallel bewegten Kolbenpaare jeweils die Drehachse der Abtriebswelle am selben Punkt. Der Versatz der Zylinderblöcke erzeugt somit keine Massenmomente.
Anstelle der Hubzapfen (5b) können die Kolbenhubzapfen (5) durch Scheibenräder vom gleichen Durchmesser wie die Zahnräder verbunden werden, die an exzentrischen Scheibenrädern an der Abtriebswelle abrollen. Dann würden die inneren trapezförmigen Elemente nicht mehr als Geradführungen, sondern nur als Lagerträger für die Abtriebswelle dienen (5d). Hierfür wären Führungen, wie in 6c zu sehen, erforderlich.
In den 6a bis c ist sind Art und Anzahl der Führungen für die Kolbenstangenfüße verschiedener Ausführungen eines Doppel-A-Motors zu sehen. Es kommen jeweils die Führungen für die Ausgleichsstangen (7) hinzu.
7 zeigt im Detail einen luftgekühlten Doppel-A Zweitaktmotor mit Gleichstromspülung und Gemischschmierung. Die Zylinderblöcke sind um den Abstand der beiden Kolbenhubzapfen (5) einer umlaufenden Welle versetzt, wobei der untere Zylinderblock hinten liegt. Eine Ausführung mit Wasserkühlung wäre ohne Einfluss auf die eigentliche Erfindung ebenfalls möglich. Die Möglichkeit, das erfindungsgemäße Getriebe gegenüber den Zylindern und damit auch die gegenüberliegende Zylinder gegeneinander abzudichten, indem die Kolbenstangen durch Dichtungen geführt werden, ermöglicht einerseits die Vorverdichtung der Frischgase durch die Kolben und andererseits eine Druckumlaufschmierung des Getriebes. Das Schmiermittel wird dann auch nicht von Abgasen verunreinigt und die Wechselintervalle dürften denen eines Schaltgetriebes entsprechen. Da es sich um einen Gleichstrom-Zweitaktmotor handelt, verteilt sich der Verbrennungsdruck auf zwei Kolben und die Abtriebswelle (1) wird von zwei Seiten angetrieben, was die Belastung verringert.
Das Tunnelgehäuse (11) des Getriebes hat eine ovale Form und beherbergt an den Enden kreissegmentförmige Führungsschienen (8) für die Kolbenstangenfüße. Die Führungsschienen (8a) in der Mitte sind trapezförmig, könnten aber bei entsprechender Gehäuseform ebenfalls als Kreissegmente ausgestaltet sein. Die Bahnen zwischen den Führungen haben dieselbe Breite wie die Zylinderbohrungen, um beide in einem Arbeitsgang herstellen zu können. Dazu wird am Tunnelgehäuse jeweils ein Zylinderblock und der dazugehörige Satz Führungen an- bzw. eingebaut.
Die Ausgleichsstangen (7) laufen zwischen Führungen (8b) hin und her. In jedem Zylinderblock befinden sich die Zylinder in einer Ebene und die umlaufenden Wellen sind spiegelgleich. Damit ist ein vollkommener Massenausgleich einfach zu erreichen.
Ein Luft-Kraftstoff-Öl-Gemisch wird durch eine nicht dargestellte Öffnung im Getriebegehäuse angesaugt und gelangt über Membranventile (12) von unten in die Zylinder. Beim Herabfahren der Kolben wird das Gemisch in die Überströmkanäle (13) gedrückt, um über Einlassöffnungen (14) in die Brennräume zu gelangen. Am Ende des Arbeitstaktes öffnet der Auspuff (15) und nach 25°-Drehung der Abtriebswelle im Uhrzeigersinn auch wieder der Einlass (14).
8 zeigt eine Getriebeanordnung für einen Tripel-A-Gleichstrom-Zweitakt-Motor (siehe auch Doppel-A-Motor, 4 und 7) nach der Erfindung mit einer Abtriebswelle (1) mit exzentrischer Scheibe (2a) zwischen drei umlaufenden Wellen (3) mit axialen Scheiben (4a), die sich in einem dreiseitigen Joch (18) als Ausgleichselement drehen. Bei einem Getriebe mit mindestens drei umlaufenden Wellen (3) mit koaxialen Scheiben (4a), kann auf Zahnräder (2 und 4) verzichtet werden. Um das Gewicht und die Reibung zu verringern, ist das Joch nach innen offen und seine Lagerflächen umfassen nur den Teil des Umfangs der Scheiben (4a), wo Kräfte aufzufangen sind. Werden die umlaufenden Wellen (3) zusätzlich mit axialen Lagerzapfen ausgestattet, können diese statt der Scheiben in einem kleineren Joch (18), das nach innen geschlossen sein kann, drehbar aufgenommen werden. Wird die Abtriebswelle (1) mit einem zur exzentrischen Scheibe (2a) koaxialen Lagerzapfen ausgestattet, kann dieser ebenfalls in einem Joch (18) drehbar aufgenommen werden.
9a zeigt einen 8-Zylinder-Sternmotor mit einer zentralen Abtriebswelle (1) mit exzentrischem Zahnrad (2) und zwei umlaufenden Wellen, die symmetrisch beiderseits des exzentrischen Zahnrads (2) angeordnet sind, parallel zu diesem kreisen und über Zahnräder (4) mit diesem antriebsmäßig verbunden sind. Es wäre möglich, das exzentrische Zahnrad (2) mit vier statt zwei umlaufenden Wellen mit Zahnrädern (4) zu umgeben, um die Belastungen gleichmäßiger zu verteilen. Die Hubzapfen (5) und (5a) der umlaufenden Wellen sind in Ausgleichsplatten (7 und 7a), die der Übersichtlichkeit halber hier lediglich als Rechtecke dargestellt sind, drehbar gelagert. Sie bewegen die Platten (7 und 7a) hin und her zwischen durch gestrichelte Linien angedeutete Führungen (8, 8a), die in zwei Ebenen rechtwinkelig zueinander angeordnet sind. An jeder Ausgleichsplatte sind vier Kolben über je eine Kolbenstange befestigt.
Bei dieser Konstruktion fungieren jeweils die in einer Ausgleichsplatte (7, 7a) drehbar gelagerten Kolbenhubzapfen gleichzeitig als Drehzapfen für die Kolbenhubzapfen in der anderen Ausgleichsplatte.
9b zeigt etwas detaillierter eine Ausgleichsplatte (7) mit vier Kolben und zwei Lager für Kolbenzapfen (5), der sich zwischen zwei Führungen (8) im Getriebegehäuse hin- und herbewegt.
9c zeigt das Getriebe von der Seite. Zu jeder Seite eines Kolbenhubzapfens 5 befindet sich ein weiterer um 180° versetzter Drehzapfen (5a) damit jeder Kolbenhubzapfen zu beiden Seiten einen um 180° versetzten Kolben- oder Hubzapfen hat. Die Scheibenräder (2a) und (4a) begrenzen die Eingriffstiefe der Zahnräder.
10 zeigt eine Version des Motors aus 8 die nur mit Scheibenrädern arbeitet. Die vier Scheiben (4a) wirken auf eine exzentrische Scheibe (2a) an der zentralen Abtriebswelle (1). Der stetige Kontakt der Scheiben (4a) mit der Scheibe (2a) wird durch die Lagerung der Hubzapfen (5) und (5a) in den Ausgleichsplatten (7) und (7a) gewährleistet, die sich zwischen angedeuteten Führungen (8, 8a) bewegen.
In 11a haben die Scheiben (4a) eines Getriebes nach 10 keine Hub- oder Drehzapfen, sondern an deren Stelle Lagerbohrungen (5c), welche Hubzapfen (5), die in den Ausgleichsplatten (7) fest eingebaut sind, aufnehmen, wie in 11b zu sehen ist, die den Schnitt AB in 11a darstellt. Dies ergibt eine sehr stabile Führung der Scheiben (4a), denn alle Lagerbohrungen (5c) liegen in einer Ebene, wodurch Kippmomente vermieden werden. Kippmomente in der Baugruppe Kolben/Ausgleichsplatte erzeugen aufgrund der Länge dieser Baugruppe nur geringe Seitenkräfte an den Kolben. Eine Verdrehung dieser Baugruppe um die Längsachse kann durch diverse einfache, dem Fachmann naheliegende Mittel unterbunden werden. Zudem können bei der Montage die Scheiben (4a) einfach auf die Hubzapfen (5) aufgesteckt werden. Des Weiteren können die Ausgleichsplatten einteilig ausgeführt werden. Das vereinfacht die Montage und macht sie leichter und stabiler.
Der Durchmesser der Lagerbohrungen (5c) wird zwar durch deren Abstand, der den halben Kolbenhub beträgt, begrenzt, doch die Belastung verteilt sich auf mehrere Lagerbohrungen (5c).
Zum Ausgleich des Massenmoments, der aus dem Versatz der Ausgleichsplatten (7) mit Kolben und Kolbenstangen etc. resultiert, können zwei weitere Ausgleichsplatten parallel zu den Erstgenannten von weiteren Scheibensätzen (2a und 4a) in einer Anordnung ähnlich wie in 9c zu sehen, angetrieben werden. Da die zusätzlichen Ausgleichsplatten weiter von der Mitte entfernt sind als die Ausgleichsplatten (7), werden sie entsprechend leichter ausgeführt.
Die Scheiben übertragen nur Schubkräfte, so dass immer nur zwei Scheiben (4a) die vom Gasdruck in den Zylindern erzeugten Kräfte auf die exzentrische Scheibe (2a) der Abtriebswelle weiterleiten. Vorteilhafter sind hier freilich entsprechende Zahnräder, die alle gleichzeitig Drehmoment rundum auf ein exzentrisches Zahnrad (2) an der Abtriebswelle übertragen können. Die Massenmomente werden von einer Kolbenbaugruppe auf die andere immer von allen vier Zahn- oder Scheibenrädern übertragen und letztendlich von den Führungen (8) im Gehäuse aufgefangen.
12 zeigt ein Getriebe für einen 180°-Boxermotor mit zwei verschiedenen Mitteln zum Ausgleich zwischen den umlaufenden Wellen. Die umlaufenden Wellen besitzen jeweils am inneren Ende Lagerzapfen (3a), die in einer Ausgleichsscheibe (9) drehbar gelagert sind, die ihrerseits im nicht dargestellten Gehäuse des Getriebes drehbar gelagert ist.
Die Drehzapfen (5a) sind in Gleitstücken (6a) drehbar gelagert, die gerade geführt werden. Diese sind mit Tauchkolben (21) fest verbunden, die sich in der Ausgleichskammer (22), die mit einer hydraulischen Flüssigkeit gefüllt ist, befinden. Ein Tauchkolben (21), der in die Ausgleichskammer hinein fährt drückt über diese hydraulische Verbindung den anderen Tauchkolben (21) heraus. Dies sorgt für einen Ausgleich zwischen den äußeren Enden der umlaufenden Wellen und dafür, dass die Zahnräder (2 und 4) stets mit dem richtigen Abstand kämmen. Sind die Positionen der Zahnräder und Scheiben vertauscht und die Scheiben (2a und 4a) außen, stellt der hydraulische Ausgleich den Kontakt zwischen den umlaufenden Scheiben (4a) und den exzentrischen Scheiben (2a) sicher.
Der Kontaktdruck kann erhöht werden, indem die Hydraulikflüssigkeit mit Druck beaufschlagt wird. Der große Durchmesser der Ausgleichskammer (22) verringert die Fließgeschwindigkeit und den Fließwiderstand der hydraulischen Flüssigkeit.
Der Massenausgleich aller bewegten Teile erfolgt durch Ausgleichsgewichte (17) an der Abtriebswelle (1). Die Breite des Zahnkranzes der exzentrischen Zahnräder (4) steht im umgekehrten Verhältnis zur radialen Entfernung von der Drehachse der Abtriebswelle (1).
13 stellt ein Reihenmotor nach der Erfindung dar, bei dem 3 Getriebeeinheiten um 120° phasenversetzt arbeiten. Dadurch ist eine kontinuierliche Kraftübertragung in beide Richtungen abwechselnd über die 3 Scheibenpaare (2a und 4a) gewährleistet, obwohl ein einziges Scheibenpaar nur Druck- und keine Zugkräfte übertragen kann. Die gezeigte Ausführung ist für einen 6-Zylinder Boxermotor gedacht. Da gegenüberliegende Kolben fest miteinander verbunden sind, wäre die Konstruktion insbesondere für einen 2-Takt-Motor mit gleichmäßigen Zündintervallen interessant. Ein getrennter Kompressor für die Spülung ist trotz der gleichsinnigen Bewegung gegenüberliegender Kolben nicht erforderlich, da durch die geradlinige Bewegung der Kolbenstangen der untere Teil der Zylinder gegen das Getriebegehäuse abgedichtet werden können und dieser Raum dann dazu benutzt werden kann, um die Frischluft vor zu verdichten.
Bei einer Vertauschung der Verwendung der Dreh- und Hubzapfen wäre das Getriebe auch für einen 3-Zylinder Reihenmotor geeignet. In Verbindung mit einer Selbstaufladung durch Nutzung des unteren Teils der Zylinder als Ladepumpe könnte eine solche Konstruktion als 3-Zylinder-Viertaktmotor verbrauchsoptimiert nach dem Downsizing-Prinzip ausgelegt werden.
Die drei umlaufenden Wellen, von denen die linke im Schnitt dargestellt ist, bestehen je von links nach rechts aus einem Drehzapfen (5a) einer Scheibe (4a) und einem Hubzapfen (5). Die Hubzapfen (5) sind in einem Kolbenlager (6) drehbar gelagert, der mit zwei nicht dargestellten Kolbenstangen und zwei Kolben fest verbunden ist, die sich senkrecht zur Zeichnungsfläche vor und zurück bewegen. Die Drehzapfen (5a) sind in nicht dargestellten Gleitsteinen drehbar gelagert und bewegen sich in der Ebene der Zeichnung hin und her. Die Scheiben (4a) rollen gegen die mit der Abtriebswelle (1) fest verbundenen exzentrischen Scheiben (2a) ab. In einer anspruchsvolleren Ausführung kann das Getriebe mit Zahnrädern anstelle der Scheiben (2a und 4a) oder zusätzlich zu diesen bestückt werden.
Die umlaufenden Wellen besitzen eine koaxiale Lagerbüchse (3b), durch die ein Kurbelzapfen (9a) der Ausgleichswelle (9) führt. Die Funktion der 4-fach kugelgelagerte Ausgleichswelle (9) besteht im Ausgleich zwischen den drei umlaufenden Wellen, aber sie kann auch anstelle der Abtriebswelle (1) an den Enden mit Schwungrädern und Gegengewichten bestückt werden, um Platz zu sparen. Die Exzentrizität des Kurbelzapfens (9a) der Ausgleichswelle (9) beträgt ein Viertel des Kolbenhubs, sodass die Ausgleichswelle (9) zur Hälfte des Kolbenhubs beiträgt. Neben der ausgleichenden Wirkung dieser Welle (9) verhindert sie ein Kippen der umlaufenden Wellen infolge ihrer asymmetrischen Belastung. Vorteilhaft an den asymmetrischen umlaufenden Wellen ist, dass sie von der Seite zugänglich sind und daher eine einteilige Kolbengruppe auf der einen und einen einteiligen Gleitstein auf der anderen Seite aufnehmen können. Die Ausgleichswelle (9) ist „gebaut“.
In 14 ist der Aufbau eines Zahnrads (2) mit getrenntem Scheibenring (2a) zu sehen. Nach Herstellung der Verzahnung (2) kann der Ring (2a) auf die Schulter (2b) aufgeschoben und befestigt werden. Es kann auch ein Zahnkranz auf eine solche Schulter oder Nabe montiert werden.
So können sowohl tangentiale wie auch radiale Kräfte zwischen der Abtriebswelle (1) und einer (nicht dargestellten) ähnlich ausgestatteten umlaufenden Welle übertragen werden. Ebenfalls kann das Zahnrad (2) aus einem Zahnkranz bestehen, das auf einer Schulter (2b) montiert ist. Eine feste Verbindung zwischen Reifen oder Zahnkranz und der exzentrischen Schulter ist mit dem Fachmann bekannten Mitteln durch die große Kontaktfläche gewährleistet. Diese Konstruktion hat zudem den Vorteil, dass die Ausrichtung eines Zahnkranzes bei der Montage mit präzise justiert werden kann und dadurch die Herstellung der Verzahnung vereinfacht wird. Sofern ein Verbindungsmittel gewählt wird, das oberhalb der Betriebstemperatur des Motors sich erweichen oder zersetzen lässt, können verschlissene Reifen oder Zahnkränze durch Wärme gelöst und dann ersetzt werden. Die Konstruktion ist auch für die Herstellung von Reihenmotoren mit Getrieben nach der Erfindung von Vorteil.
15 zeigt axial auseinandergezogen eine am Hubzapfen (5) geteilte umlaufende Welle. Die Hubzapfenstümpfe sind so geformt, dass sich eine formschlüssige Verbindung ergibt, wenn sie in die Hülse (5') gedrückt werden. Die Außenseite der Hülse bildet dann die Lagerfläche des Hubzapfens. Die Verbindung kann beispielsweise als in der Fachwelt bekannte Hirthkupplung ausgeführt werden, wobei die beiden Wellenhälften von einer Schraube zusammengehalten werden. Da bei einer symmetrischen umlaufenden Welle die Verbindung kein Drehmoment übertragen muss, sondern eher eine hohe Biegefestigkeit aufweisen muss, kann auch eine einfachere Verbindung in Betracht gezogen werden. Bei einer umlaufenden Welle mit zwei oder mehr Hubzapfen, die sich großzügig überlappen, wie bei einem 2-Takt-Motor mit Gleichstromspülung, ist eine zweifache Teilung der Welle zwischen den Hubzapfen und den Zahnrädern sinnvoll.
Während es an einer einteiligen umlaufenden Welle nicht möglich ist, eine Verzahnung herzustellen, wenn diese nicht über die Hubzapfen hinausragt, ist das bei einer wie dargestellt geteilten Welle schon der Fall. Dadurch können einerseits die Zahnräder im Durchmesser und dadurch wiederum ihr Abstand von Achse zu Achse kleiner gehalten werden, um ein kompakteres Getriebe zu erhalten und andererseits kann das Kolbenlager und evtl. die ganze Kolbenbaugruppe einteilig und damit leichter und fester ausgeführt werden.
Bezugszeichenliste

1: Abtriebswelle
2: Exzentrisches Zahnrad
2a: Exzentrisches Scheibenrad
2b: Schulter
3: Umlaufende Welle
3a: Axialer Lagerzapfen
3b: Axiale Lagerbohrung oder-büchse
4: Umlaufendes Zahnrad
4a: Umlaufendes Scheibenrad
5: Hubzapfen
5a: Gleitender Drehzapfen/hinterer Hubzapfen
5b: Extradrehzapfen
5c: Exzentrische Lagerbohrung
5': Hülse
6: Kolben(stangen)lager
6a: Drehzapfengleitstück
6b: Kolbenstange
7: Ausgleichsstange oder -platte
8: Führung
9: Verbindungsscheibe/Ausgleichswelle
9a: Exzentrische(r) Lager zapfen oder -bohrung
10: Zylinder
11: Gehäuse
12: „Dalek“ Membranventil
13: Überströmkanal
14: Einlassöffnungen
15: Auslassöffnungen
16: -
17: Ausgleichsmasse
18: Joch
19: -
20: -
21: Tauchkolben
22: Kammer
23: Verbindungsleitung Hydraulik
24: Tauchrohr
25: Bohrung
26: Verbindungsleitung Schmierstoff

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3232974 [0003, 0012]
US 4682569 [0012]
US 5046469 [0012]
EP 0167149 [0012]
US 5419572 [0012]
US 6910701 [0012]
DE 4430423 [0012, 0016]
WO 2011110325 [0012, 0016]
US 020070295121 A1 [0012, 0017]

Claims

Verbundexzentergetriebe zum Umwandeln einer hin- und hergehenden Bewegung in eine kontinuierliche Drehbewegung im Sinusverhältnis und umgekehrt bei dem - die Drehachse der ortsfest gelagerten An- oder Abtriebswelle (1) und die Achse der Umlaufbahn der umlaufenden Welle (3) parallel getrennt sind, - diese Wellen über fest mit ihnen verbundenen gleich großen Zahnrädern (2 und 4) und/oder Scheibenrädern (2a und 4a) antriebsmäßig miteinander verbunden sind, - die Räder der An- oder Abtriebswelle (1) exzentrisch zur Drehachse der Welle angeordnet sind, - die Räder der umlaufenden Welle (3) koaxial zur Drehachse der Welle angeordnet sind - eine umlaufende Welle (3) in der einfachsten Form mindestens aus einem Rad und zwei exzentrischen Lagerteilen ohne axiale Lagerteile oder einem Rad und einem exzentrischen Lagerteil und einem axialen Lagerteil besteht - ein Lagerteil entweder ein Lagerzapfen oder eine Lagerbohrung sein kann dadurch gekennzeichnet, dass - mehrere umlaufende Wellen (3) über Räder (2 und 4 und/oder 2a und 4a) mit genau einer An- oder Abtriebswelle (1) antriebsmäßig verbunden sind und - die umlaufenden Wellen (3) eine ausgleichende Antriebsverbindung untereinander haben.
Getriebe nach Anspruch 1. bei dem die Umlaufachsen der umlaufenden Wellen (3) sternförmig um die Abtriebswelle (1) herum und parallel zu dieser angeordnet sind und die ausgleichende Antriebsverbindung darin besteht, dass je ein exzentrisches Lagerteil (5, 5a, 5b, oder 5c) der umlaufenden Wellen (3) gleichsinnig, parallel und vorzugsweise noch auf einer Linie sich hin- und herbewegen und mit dazu komplementären Lagerteilen einer Ausgleichsstange oder -platte (7) drehbar verbunden sind, die zwischen geraden Führungen (8) geführt wird, die vorzugsweise im rechten Winkel zu anderen geradlinig bewegten Teilen, wie Kolbenstangen und Kolben eines Motors stehen, wobei eine Ausgleichsstange oder - platte (7) ebenfalls über weitere Kolbenstangen mit weiteren Kolben verbunden sein kann (Ausgleich über die geradlinige Kraftübertragung).
Getriebe nach Anspruch 1. bei dem die Umlaufachsen der umlaufenden Wellen (3) sternförmig um die Abtriebswelle (1) herum und parallel zu dieser angeordnet sind und die ausgleichende Antriebsverbindung darin besteht, dass axiale Lagerzapfen (3a), Lagerbohrungen (3b), oder Scheibenräder (4a) der umlaufenden Wellen mit einem kreisenden Joch (18) drehbar verbunden sind (Ausgleich über die Umlaufbewegung).
Getriebe nach Anspruch 1. bei dem die Umlaufbahnen der umlaufenden Wellen (3) in einer Reihe parallel zur Abtriebswelle (1) angeordnet sind und die ausgleichende Antriebsverbindung darin besteht, dass axiale Lagerteile (3a oder 3b) von zwei umlaufenden Wellen (3) mit dazu komplementären exzentrisch angeordneten Lagerteilen (9a) in oder an einer ortsfest drehbar gelagerten Ausgleichsscheibe oder Ausgleichswelle (9) drehbar verbunden sind (Ausgleich über die Umlaufbewegung).
Getriebe nach Anspruch 1. bei dem die Umlaufbahnen der umlaufenden Wellen (3) in einer Reihe parallel zur Abtriebswelle (1) angeordnet sind und die ausgleichende Antriebsverbindung darin besteht, dass exzentrische Lagerteile (5, 5a, 5b, oder 5c) der umlaufenden Wellen (3), bei denen die Summe ihrer Hubbewegungen immer gleich Null ist, über Gleitstücke (6a) Tauchkolben (21) im Wechsel antreiben und von diesen angetrieben werden, die in eine Kammer (22) eines geschlossenen hydraulischen Systems ein- und austauchen (Ausgleich durch geradlinige Kraftübertragung).
Getriebe nach Anspruch 1, bei dem die Breite der exzentrischen Zahn- oder Scheibenräder (2, 2a) der Abtriebswelle (1) an verschiedenen Stellen im Wesentlichen proportional zu den an der jeweiligen Stelle im Betrieb auftretenden Kräften ist, insbesondere bei dem die Breite der Räder an der von der Drehachse am weitesten entfernten Stelle am geringsten und an der der Drehachse am nächsten gelegenen Stelle am größten ist und die Räder (4, 4a) der umlaufenden Wellen (3) in der Breite dazu passend gestaltet sind,
Getriebe nach Anspruch 1, bei dem ein Zahn- oder Scheibenrad aus einem Ring oder Reifen mit der jeweiligen glatten oder verzahnten Arbeitsfläche besteht (14), der mit einem Klebstoff, Lot oder einem anderen Verbindungsmittel auf einem runden Kern oder einer Nabe einer Welle befestigt oder auf diese thermisch aufgeschrumpft ist, wobei die Verbindung sich vorzugsweise bei einer Temperatur oberhalb der Betriebstemperatur des Getriebes sich lösen lässt, jedoch unterhalb einer Temperatur bei der die Eigenschaften der Maschinenteile in ihrer Funktion beeinträchtigt würden, um etwa bei Verschleiß einen Austausch des Rings zu ermöglichen.
Getriebe nach Anspruch 1 bei dem Ausgleichsplatten oder -stangen (7) oder Gleitstücke (6a), die von in ihnen drehbar gelagerten Hub- oder Drehzapfen (5, 5a) hin und her bewegt werden, eine Schmiermittelleitung verschiebbar aufnehmen, um Schmiermittel mit Ventilen aktiv oder ohne Ventile passiv über besagte Hub- oder Drehzapfen (5, 5a) in eine umlaufende Welle zu fördern oder zu leiten und so auch benachbarte Hub- oder Drehzapfen (5, 5a) zu schmieren.
Zahnrad in einem Getriebe nach Anspruch 1 das schräg verzahnt und entlang einer Welle axial verschiebbar ist und mittels Distanzscheiben oder ähnliche Mittel genau in die optimale Position bzw. Drehung gebracht und gehalten werden kann.
Umlaufende Welle in einem Getriebe nach Anspruch 1 die senkrecht zur Drehachse geteilt ist, um die Herstellung einer Verzahnung auch dann zu ermöglichen, wenn der oder die Hubzapfen radial über die vorgesehene Verzahnung hinausragen und um die Verwendung eines ungeteilten Kolbenlagers zu ermöglichen.