DE19538798A1 - Zahnstangengetriebe - Google Patents

Description

Stand der Technik ist, daß aus die Richtung wechselnder linearer Bewegung (zum Beispiel erzeugt durch Hubkolbenmaschinen) durch Kurbel und Kurbelwelle bei Motoren und durch Tretmühle beim Fahrrad bei einer Kurbelumdrehung ein sinusförmiges Drehmoment erzeugt wird. Der Muskelkraftantrieb/Gebrauchsmuster B62M-1/04 DE 91 15 059 erzeugt ein gleichmäßiges Drehmoment.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein möglichst gleichmäßiges Drehmoment aus die Richtung wechselnder linearer Bewegung (zum Beispiel bei Hubkolbenmaschinen) zu erzeugen und dabei möglichst dauernde Schaltungen von Freilaufkupplungen zu vermeiden.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst:

• - Zwei fest miteinander verbundene im Wirkungsbereich parallel und geradlinig in einer Ebene geführte Zahnstangen 2 (auch flexible Zahnstangen aus z. B. Gummi, Zahnketten und ähnliches), deren Zahnreihen einander zugewandt sind.
• - Ein Zahnrad 3 mit feststehender Drehachse (Antrieb von Welle 4), dessen Umfang weniger als zur Hälfte mit Zähnen besetzt ist.
• - Die Zähne (Grenzzähne) am Anfang und am Ende des Zahnkranzes des Zahnrades und der Zahnreihen der Zahnstangen sind in Form, Größe, Abstand und Winkel so abgewandelt, das sie eine zwangsweise und möglichst fließende Übergabe des Kontakts des Zahnrades von einer Zahnstange auf die andere ermöglichen und dabei die Drehung des Zahnrades möglichst wenig stören.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß während eines Arbeitsintervalls ein annähernd gleichmäßiges Drehmoment erzeugt wird und eine Freilaufkupplung eventuell sinnvoll ist, aber nicht unbedingt benötigt wird.

Es werden mehrere Ausführungen der Erfindung in Zeichnungen dargestellt und im folgenden näher erläutert.

Allgemeine Angaben/Zusätze von Bauteilen, gültig für alle folgenden Figuren

Zahnstangenführung 1.1
Ausgestaltung der Führung der Zahnstangen:
Kugellager, Walzenlager - eventuell mit aktiver Schmierung
Exoten: Magnetlager, Luftkissenlager

Zahnstangen 2
Ausgestaltung der Zahnstangen um die Baugröße zu verringern:
Flexible Zahnstangen (Gummi, Kunststoff), Zahnketten, Zahnbänder, Aufrolleinrichtung, Kugelge­ lenkketten, Faltketten mit Scharnieren; jeweils mit entsprechenden Führungen. Sinnvoll besonders für Patentanspruch 7 und 8.

Welle 4
Sinnvolle (aber nicht unbedingt notwendige) Ergänzungen der angetriebenen Welle um das Gleich­ laufverhalten zu verbessern:
Auswuchtgewichte, Schwungrad, Freilaufkupplung

Es zeigen Fig. 1 bis Fig. 6 Ausführungen des Patentanspruchs 1 (Unterschiedliche Zahnstangen­ führungen).

Fig. 1 Grundversion bestehend aus:

• - Gestell 1 mit integrierter Halterung für die anzutreibende Welle (könnte auch beid­ seitig sein) und die Verbindungsstange und integrierter Zahnstangenführung 1.1 im Wirkungsbereich (Kontaktbereich) von Zahnstangen und Zahnrad,
• - Zahnstangen 2 (fest miteinander verbunden, starr) mit speziellen Begrenzungs­ zähnen,
• - Zahnrad 3 (Zahnkranz durchgehend, aber weniger als die Hälfte des Umfangs),
• - anzutreibender Welle 4,
• - Verbindungsstange 5 (Stange zur Krafteinleitung/Verbindung zu Motoren etc.).

Fig. 2 Führung der Zahnstangen 2 erfolgt durch starre Verbindungsstange 5 zur kraft­ einleitung bzw. -ableitung und Lagerung im Gestell 1.

Fig. 3 Konstruktion wie Fig. 2 aber höhere Anzahl (kleinere) Zähne.

Fig. 4 Die Zahnstangenführung 1.1 erstreckt sich über den gesamten Bewegungsbereich der Zahnstangen 2, keine Begrenzungs-/Aufschlagstellen.

Fig. 5 Führung der Zahnstangen 2 erfolgt durch Zahnstangenführung 1.1 im Wirkungs­ bereich (Kontaktbereich) von Zahnstangen und Zahnrad mit Begrenzungs-/Aufschlag­ stellen 1.2 an beiden Seiten.

Es zeigen Fig. 6 bis Fig. 10 Ausführungen des Patentanspruchs 2 (Pufferausführungen).

Die Puffereinrichtungen dienen dazu, den Aufprall abzumildern, das Arbeitsgeräusch des Zahnstangengetriebes zu senken und einen Teil der Aufprallenergie an die Zahnstangen und das Zahnrad weiterzugeben, um daraus ein Drehmoment zu erzeugen.

Die Puffereinrichtungen müssen nicht unbedingt in der eigentlichen Wirkungsebene von Zahnrad und Zahnstangen liegen, sie können auch einseitig oder beidseitig außerhalb der eigentlichen Zahnspur angebracht werden.

Fig. 6 Konstruktion wie Fig. 5, zusätzlich Luftfederung 6 an den Begrenzungs-/Aufschlags­ teilen. Zwei verschiedene Einbaumöglichkeiten innerhalb der Zeichnung

• 1. Einbau in die Zahnstangen (obere Hälfte der Zeichnung)
• 2. Einbau in das Gestell (untere Hälfte der Zeichnung)

Fig. 7 Konstruktion wie Fig. 5, zusätzlich Permanentmagneten 7 als Magnetfederung an den Begrenzungs-/Aufschlagstellen.

Fig. 8 Konstruktion wie Fig. 5, zusätzlich Spiraldruckfedern 8 an den Begrenzungs-/Aufschlagstellen.
Zwei verschiedene Einbauversionen

• 1. Einbau in das Gestell (in Zeichnung dargestellt)
• 2. Einbau in die Zahnstangen (ähnlich Fig. 6/nicht dargestellt)

Fig. 9 Konstruktion wie Fig. 5, zusätzlich Spiraldruckfedern 8 an den Begrenzungs-/Auf­ schlagstellen 1.2, die an die Führung im Wirkungsbereich von Zahnrad und Zahn­ stangen verlegt worden sind. Geeignet für flache Konstruktion.

Fig. 10 Konstruktion wie Fig. 5/9, zusätzlich (große) Spiraldruckfedern 8 an den Begrenzungs-/ Aufschlagstellen 1.2, die an die Führung im Wirkungsbereich verlegt worden sind. Geeignet für zylinderförmige Motorkonstruktionen.

Es zeigt Fig. 11 eine Ausführung des Patentanspruchs 3.

Fig. 11 Einseitig oder beidseitig verbreiterte Grenzzähne 2.2, 3.2 als Verstärkung und Druck­ entlastung an exponierten, stark beanspruchten Stellen/Begrenzungs-/Aufschlagstellen/ Reibstellen.

Es zeigen Fig. 12 bis Fig. 15 Ausführungen des Patentanspruchs 4.

Die Einrastvorrichtung dient dazu, um das Spiel bei der Kontaktübergabe von einer Zahnstange zur anderen zu verkleinern. Rollen führen zu einem besseren Abrollverhalten im Grenz-/ Kontaktübergabebereich.

Fig. 12 Ausführung mit beweglichem Zahn mit Verbreiterung an der Kontaktstelle zu der Einrastführung 9 im Zahnrad, Einrastführungen 2.3 außerhalb des Zahnweges und Spiraldruckfeder 8.

Fig. 13 Ausführung mit beweglichen Zähnen mit Einrastführungen in den Zahnstangen 9, Spiraldruckfedern 8 und Zahnverbreiterung an der Kontaktstelle zu den Einrast­ führungen 3.3.

Fig. 14 Ausführung mit beweglichem Zahn mit Rolle als Verbreiterung an der Kontaktstelle zu der Einrastführung 11 im Zahnrad, Einrastführungen 2.3 außerhalb des Zahnweges und Spiraldruckfeder 8.

Fig. 15 Ausführung mit beweglichen Zähnen mit Einrastführungen in den Zahnstangen 9, Spiraldruckfedern 8, Zahnverbreiterung in Form von Rollen an der Kontaktstelle zu den Einrastführungen 3.4 und Zahn als Rolle 3.1 im Zahnrad.

Es zeigen Fig. 16 bis Fig. 17 Ausführungen des Patentanspruchs 5. Sinnvoll wenn das Zahnrad die Zahnstangen antreiben kann (z. B. Pumpe). Die Rolle führt zu einem besseren Abrollverhalten im Grenz-/Kontaktübergabebereich.

Fig. 16 Grenzzahn auf dem Zahnrad mit Rolle 2.1.

Fig. 17 Grenzzähne auf den Zahnstangen mit Rollen 3.1.

Es zeigen Fig. 18 bis 19 Anwendungsbeispiele

Fig. 18 Anwendungsbeispiel des Patentanspruchs 6
Expansionsmotor mit innenliegendem Zahnstangengetriebe, exponierte Bereiche der Zähne an den Zahnstangen und dem Zahnrad sind verbreitert (Patentanspruch 3), die Aufschlagstellen werden durch Spiraldruckfedern 8 gepuffert (Patentanspruch 2). Die Ventile 12 werden über die Hauptwelle angetrieben/angesteuert (keine Darstellung). Die Kolben 14 sind beweglich mit den Zahnstangen verbunden, das unter Druck stehende Gas tritt bei Gas-Eintritt 15 ein, das entspannte Gas bei Gas-Austritt 16 aus.

Fig. 19 Anwendungsbeispiel des Patentanspruchs 1
Expansionsmotor mit außenliegendem Zahnstangengetriebe (ungepuffert). Die Kolben 14 sind starr mit den Zahnstangen verbunden, das unter Druck stehende Gas tritt bei Gas-Eintritt 15 ein, das entspannte Gas bei Gas-Austritt 16 aus.

Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird auch durch die im Patentanspruch 7 und 8 aufgeführten Merkmale gelöst (Alternative zu Patentansprüchen 1-6):

• - Zwei fest miteinander verbundene im Wirkungsbereich parallel und geradlinig in zwei Ebenen geführte Zahnstangen 18 (auch flexible Zahnstangen aus z. B.: Gummi, Zahnketten und ähnlichem), deren Zahnreihen einander zugewandt sind.
• - Zwei nebeneinander angeordnete, der Geometrie (Masse, Anzahl Zähne) nach identische Zahnräder mit integrierten gleichgerichteten Freilaufkupplungen 17 auf einer feststehenden Drehachse (Antrieb von Welle 4).
• - Die Verminderung der Schaltrate der Freilaufkupplungen wird durch eine entsprechend große Zahnzahl der Zahnstangen und einer möglichst geringen Zahnzahl der Zahnräder erreicht - pro Arbeitstakt möglichst viele Umdrehungen der anzutreibenden Welle 4.

Es zeigt Fig. 20 eine Ausführung des Patentanspruchs 7.

Fig. 20 Ausführung mit 2 Zahnrädern mit integrierter Freilaufkupplung 17 und Zahnstangen in zwei Ebenen 18 ohne Pufferung.
Einbau in Motoren derart wie in Fig. 18 und Fig. 19 gezeigt möglich.

Es zeigt Fig. 21 eine Ausführung des Patentanspruchs 8.

Fig. 21 Konstruktion wie Fig. 20/zusätzlich durch Spiraldruckfeder 8 gepuffert. Die Puffermöglichkeiten von Fig. 6-10 sind auch möglich.
Einbau in Motoren derart wie in Fig. 18 und Fig. 19 gezeigt möglich.

Bezugszeichenliste

 1 Gestell
 1.1 Zahnstangenführung
 1.2 Begrenzungs-/Aufschlagstelle
 2 Zahnstangen
 2.1 Zahn als Rolle
 2.2 Verbreiterung als Verstärkung exponierter Stellen
 2.3 Einrastführung
 3 Zahnrad (Zahnkranz durchgehend, aber weniger als die Hälfte des Umfangs)
 3.1 Zahn als Rolle
 3.2 Verbreiterung als Verstärkung exponierter Stellen
 3.3 Zahnverbreiterung an der Kontaktstelle zu den Einrastführungen
 3.4 Zahnverbreiterung in Form von Rollen an der Kontaktstelle zu den Einrastführungen
 4 Welle
 5 Verbindungsstange
 6 Luftfeder/pneumatische Feder
 7 Permanentmagnet (für Magnetfederung)
 8 Spiraldruckfeder (Stahl)
 9 Beweglicher Zahn mit Einrastführung in den Zahnstangen
10 Beweglicher Zahn mit Verbreiterung an der Kontaktstelle zu der Einrastführung
11 Beweglicher Zahn mit Rollen als Verbreiterung an der Kontaktstelle zu den Einrastführungen 12 Ventil
13 Schubventil
14 Kolben
15 Gas-Eintritt
16 Gas-Austritt
17 Zahnrad mit integrierter Freilaufkupplung
18 Zahnstangen in zwei Ebenen

Claims (8)

1. Zahnstangengetriebe zur Wandlung von linearer Bewegung mit wechselnder Richtung in eine rotierende Bewegung mit gleicher Richtung, Getriebe als Kurbelersatz, gekennzeichnet durch:

• - Zwei fest miteinander verbundene im Wirkungsbereich parallel und geradlinig in einer Ebene geführte Zahnstangen (2) (auch flexible Zahnstangen aus z. B. Gummi, Zahnketten und ähnlichem), deren Zahnreihen einander zugewandt sind,
• - Ein Zahnrad (3) mit feststehender Drehachse [Antrieb von Welle (4)], dessen Umfang weniger als zur Hälfte mit Zähnen besetzt ist.
• - Die Zähne (Grenzzähne) am Anfang und am Ende des Zahnkranzes des Zahnrades und der Zahnreihen der Zahnstangen sind in Form, Größe, Abstand und Winkel so abgewandelt, das sie eine zwangsweise und möglichst fließende Übergabe des Kontakts des Zahnrades von einer Zahnstange auf die andere ermöglichen und dabei die Drehung des Zahnrades möglichst wenig stören.

2. Zahnstangengetriebe nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungs-/Aufschlagstellen (1.2) (Gestell/Zahnstangen, Zahnstangen/Zahnrad) durch Federn (allgemein), Luftfedern/pneumatische Federn (6), Permanentmagneten (7), Spiraldruckfedern (8), Gummipuffer oder ähnliches gepuffert werden.

3. Zahnstangengetriebe nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die Grenzzähne als Verstärkung breiter als die übrigen Zähne sind, oder von außerhalb der Zahnbahnen gestützt werden.

4. Zahnstangengetriebe nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das einzelne Grenzzähne beweglich (gefedert) in mit Einrastführung (2.3) versehenen Einrast­ einrichtungen eingebaut sind.

5. Zahnstangengetriebe nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das in einzelne Grenzzähne Rollen integriert sind, oder einzelne Grenzzähne als Rollen ausgebildet sind.

6. Zahnstangengetriebe nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das einzelne der Patentansprüche 2 bis 5 kombiniert werden.

7. Abgewandeltes Zahnstangengetriebe nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch:

• - Zwei fest miteinander verbundene im Wirkungsbereich parallel und geradlinig in zwei Ebenen geführte Zahnstangen (18) (auch flexible Zahnstangen aus z. B. Gummi, Zahnketten und ähnliches), deren Zahnreihen einander zugewandt sind.
• - Zwei nebeneinander angeordnete, der Geometrie (Masse, Anzahl Zähne) nach identische Zahnräder mit integrierten gleichgerichteten Freilaufkupplungen (17) auf einer feststehenden Drehachse [Antrieb von Welle (4)].
• - Die Verminderung der Schaltrate der Freilaufkupplungen wird durch eine entsprechend große Zahnzahl der Zahnstangen und einer möglichst geringen Zahnzahl der Zahnräder erreicht - pro Arbeitstakt möglichst viele Umdrehungen der anzutreibenden Welle (4).

8. Zahnstangengetriebe nach Patentanspruch 1/Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, das die Aufschlagbereiche (Gestell/Zahnstangen, Zahnstangen/Zahnrad) durch Luftfedern/ pneumatische Federn, Permanentmagneten, Federn, Spiraldruckfedern (8), Gummipuffer oder ähnliches gepuffert werden.