DE29714516U1 - Device for implementing a reversing linear movement - Google Patents
Device for implementing a reversing linear movementInfo
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Vorrichtung zur Umsetzung einer reversierenden LinearbewegungDevice for implementing a reversing linear movement
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umsetzung einer reversierenden Linearbewegung in eine Drehbewegung oder umgekehrt. Derartige Vorrichtungen sind insbesondere von Antrieben für Fahrzeuge bekannt. Die Hubbewegung eines Verbrennungsmotors wird mittels einer Pleuelstange auf eine Kurbelwelle übertragen und dabei in eine Drehbewegung umgesetzt. Es ist hierbei notwendig, daß die Pleuelstange an der Kurbelwelle an einem Abschnitt angelenkt ist, welcher exzentrisch zur Drehachse der Kurbelwelle angeordnet ist. Bei exzentrisch angeordneten, rotierenden Massen entstehen unerwünschte Schwingungen. Diese Schwingungen müssen bei den Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik durch relativ aufwendige Maßnahmen kompensiert oder zumindest abgeschwächt werden, beispielsweise durch die Anordnung von Ausgleichsmassen.The invention relates to a device for converting a reversing linear movement into a rotary movement or vice versa. Such devices are known in particular from drives for vehicles. The stroke movement of an internal combustion engine is transmitted to a crankshaft by means of a connecting rod and is thereby converted into a rotary movement. It is necessary for the connecting rod to be hinged to the crankshaft at a section which is arranged eccentrically to the axis of rotation of the crankshaft. With eccentrically arranged, rotating masses, undesirable vibrations occur. In the devices according to the state of the art, these vibrations must be compensated or at least weakened by relatively complex measures, for example by arranging balancing masses.
Ein weiterer Nachteil derartiger Vorrichtungen liegt darin, daß abhängig von der Exzentrizität zwischen der Drehachse der Kurbelwelle und der Anlenkung der Pleuelstange diese zur Hubrichtung des Kolbens eine Auslenkung erfährt. Diese Auslenkung führt zu Querkräften im Kolben, was einen erhöhten Verschleiß an Kolben und der Zylinderwandung des Verbrennungsraumes zur Folge hat. Bei längeren Hüben, wie sie beispielsweise bei Dieselmotoren für Schiffsantriebe auftre-Another disadvantage of such devices is that, depending on the eccentricity between the axis of rotation of the crankshaft and the linkage of the connecting rod, the latter is deflected in the direction of the piston stroke. This deflection leads to transverse forces in the piston, which results in increased wear on the piston and the cylinder wall of the combustion chamber. With longer strokes, such as those found in diesel engines for ship propulsion,
ten, wird der Auslenkwinkel so groß, daß ein sogenannter Kreuzkopf zwischen der Pleuelstange und dem Kolben angeordnet werden muß.the deflection angle becomes so large that a so-called crosshead must be arranged between the connecting rod and the piston.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Umsetzung einer reversierenden Linearbewegung in eine Drehbewegung oder umgekehrt anzugeben, welche bei einem einfachen Aufbau das Auftreten von Querkräften an einer Kolbenstange weitgehend vermeidet.The invention is based on the object of specifying a device for converting a reversing linear movement into a rotary movement or vice versa, which largely avoids the occurrence of transverse forces on a piston rod with a simple construction.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Demnach ist eine Vorrichtung zur Umsetzung einer reversierenden Linearbewegung in eine Drehbewegung oder umgekehrt vorgesehen, mitThe object is achieved according to the invention by a device with the features of claim 1. Accordingly, a device for converting a reversing linear movement into a rotary movement or vice versa is provided, with
- einem Hohlrad, welches eine Hohlradachse aufweist,- a ring gear which has a ring gear axle,
- einem Planetenrad, dessen Planetenradachse parallel zur Hohlradachse angeordnet ist und welches durch Abrollen an einem Innenumfang des Hohlrades mit diesem in kämmender Verbindung steht, wobei der Außendurchmesser des Planetenrades die Hälfte des Innendurchmessers des Hohlrades beträgt,- a planetary gear, the planetary gear axis of which is arranged parallel to the ring gear axis and which is in meshing connection with the ring gear by rolling on an inner circumference of the ring gear, the outer diameter of the planetary gear being half the inner diameter of the ring gear,
- einem Mitnehmerbolzen, welcher in Achsrichtung versetzt- a driving pin which is offset in the axial direction
zu dem Planetenrad angeordnet und drehfest mit diesem verbunden ist sowie eine Bolzenachse aufweist, die parallel und versetzt zur Planetenachse in einem Abstand angeordnet ist, welcher der Hälfte des Außendurchmessers des Planetenrades entspricht, so daß bei Umlauf des Planetenrades in dem Hohlrad sich die Bolzenachse in einer Ebene hin und her bewegt, undto the planet gear and is connected to it in a rotationally fixed manner and has a bolt axis which is arranged parallel and offset to the planet axis at a distance which corresponds to half the outer diameter of the planet gear, so that when the planet gear rotates in the ring gear, the bolt axis moves back and forth in a plane, and
- einer an dem Mitnehmerbolzen drehbar angelenkten Kolbenstange, welche in einer senkrechten Richtung zur Bolzenachse und in der Ebene linear geführt ist, in welcher sich die Bolzenachse hin und her bewegt.- a piston rod pivotally connected to the driving pin, which is guided linearly in a direction perpendicular to the pin axis and in the plane in which the pin axis moves back and forth.
Die Erfindung basiert auf einem Sonderfall der sogenannten Kardankreise, welche schematisch in Fig. 1 gezeigt sind. Ein Planetenrad P rollt am Innenumfang eines Hohlrades R ab, wobei der Innendurchmesser des Hohlrades R das Doppelte des Außendurchmessers des Planetenrades P beträgt. Ein innerhalb des Außendurchmessers des Planetenrades P liegender Punkt F beschreibt bei einem Umlauf des Planetenrades P eine elliptische Bahn, dessen Längsachse kleiner als der Innendurchmesser des Hohlrades R ist. Ein außerhalb des Außendurchmessers des Planetenrades P liegender Punkt E beschreibt ebenfalls eine elliptische Bahn, dessen Längsachse jedoch größer als der Innendurchmesser des Hohlrades R ist. Ein auf dem Umfang des Planetenrades P liegender Punkt beschreibt bei einem Umlauf des Planetenrades eine reversierende Linearbewegung mit einer Amplitude, welche dem Innendurchmesser des Hohlrades R entspricht.The invention is based on a special case of the so-called cardan circles, which are shown schematically in Fig. 1. A planetary gear P rolls on the inner circumference of a ring gear R, the inner diameter of the ring gear R being twice the outer diameter of the planetary gear P. A point F lying within the outer diameter of the planetary gear P describes an elliptical path during one revolution of the planetary gear P, the longitudinal axis of which is smaller than the inner diameter of the ring gear R. A point E lying outside the outer diameter of the planetary gear P also describes an elliptical path, but the longitudinal axis of which is larger than the inner diameter of the ring gear R. A point lying on the circumference of the planetary gear P describes a reversing linear movement with an amplitude that corresponds to the inner diameter of the ring gear R during one revolution of the planetary gear.
Gemäß einem Grundgedanken der Erfindung wird ein Mitnehmerbolzen an einem Planetenrad derart befestigt, daß die Achse des Mitnehmerbolzens tangential zum Abrollaußendurchmesser des Planetenrades angeordnet ist. Wenn das Planetenrad in dem Hohlrad umläuft, führt der Mitnehmerbolzen und die daran angelenkte Kolbenstange eine reversierende Linearbewegung mit einer Amplitude entsprechend dem Innendurchmesser des Hohlrades aus. Das Umlaufen des Planetenrades kann durch Drehen des Hohlrades oder eines Planetenträgers bewirkt werden, auf dem das Planetenrad um seine Planetenradachse drehbar gelagert ist. Eine derartige Umsetzung einer rotierenden Bewegung in eine Linearbewegung ist beispielsweise für einen Kompressor oder eine Pumpe geeignet. Umgekehrt kann durch die erfindungsgemäße Anordnung eine reversierende Linearbewegung, wie sie bei Verbrennungsmotoren auftritt, in einfacher Weise in eine Rotationsbewegung umgesetzt werden.According to a basic idea of the invention, a driving pin is attached to a planetary gear in such a way that the axis of the driving pin is arranged tangentially to the rolling outer diameter of the planetary gear. When the planetary gear rotates in the ring gear, the driving pin and the piston rod connected to it perform a reversing linear movement with an amplitude corresponding to the inner diameter of the ring gear. The rotation of the planetary gear can be brought about by rotating the ring gear or a planet carrier on which the planetary gear is mounted so that it can rotate about its planetary gear axis. Such a conversion of a rotating movement into a linear movement is suitable, for example, for a compressor or a pump. Conversely, the arrangement according to the invention can easily convert a reversing linear movement, as occurs in combustion engines, into a rotating movement.
Da bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Achse einer geraden Kolbenstange stets parallel zur Hubrichtung verläuft, wird das Auftreten von Querkräften, insbesondere an einem Hubkolben praktisch völlig vermieden. Bei einer Hubbewegung des Kolbens innerhalb einer Zylinderbohrung wird hierdurch das Auftreten von Reibungsverschleiß drastisch reduziert. Zudem ist es nicht mehr notwendig, ein Gelenk zwischen dem Hubkolben und der Pleuel- oder Kolbenstange vorzusehen. Vielmehr kann eine einfache starre Verbindung verwendet werden. Hierdurch kann der Kolben insgesamt kürzer und leichter ausgebildet werden, was sich positiv auf den Wirkungsgrad des Motors auswirkt.Since in the device according to the invention the axis of a straight piston rod always runs parallel to the stroke direction, the occurrence of transverse forces, especially on a reciprocating piston, is practically completely avoided. When the piston moves in a reciprocating motion within a cylinder bore, the occurrence of frictional wear is drastically reduced. In addition, it is no longer necessary to provide a joint between the reciprocating piston and the connecting rod or piston rod. Instead, a simple rigid connection can be used. This allows the piston to be made shorter and lighter overall, which has a positive effect on the efficiency of the engine.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß am Innenumfang des Hohlrades eine Innenverzahnung und an einem Außenumfang des Planetenrades eine Außenverzahnung ausgebildet ist, wobei die Außenver&zgr;ahnung und die Innenverzahnung zur Übertragung eines Drehmoments aufeinander abgestimmt sind. Für die Verzahnungen kann jede beliebige Verzahnungsart verwendet werden. Besonders geeignet ist eine Evolventenverzahnung, wobei sich die Begriffe des Innen- und Außendurchmessers auf den jeweils für die Abrollbewegung wirksamen Durchmesser, den sogenannten Teilkreisdurchmesser, beziehen.A preferred development of the invention consists in that an internal toothing is formed on the inner circumference of the ring gear and an external toothing is formed on an outer circumference of the planet gear, whereby the external toothing and the internal toothing are coordinated with one another to transmit torque. Any type of toothing can be used for the toothing. Involute toothing is particularly suitable, whereby the terms inner and outer diameter refer to the diameter effective for the rolling movement, the so-called pitch circle diameter.
Eine besonders robuste Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß zwischen dem Planetenrad und dem Mitnehmerbolzen ein Trägerarm angeordnet ist, der mit dem Planetenrad und dem Mitnehmerbolzen starr verbunden ist. Insbesondere können das Planetenrad, der Trägerarm und der Mitnehmerbolzen einstückig ausgebildet sein. Durch entsprechende Dimensionierung des Trägerarmes kann ein Mitnehmerbolzen mit einem beliebigen Bolzendurchmesser vorgesehen werden.A particularly robust embodiment of the invention consists in that a carrier arm is arranged between the planetary gear and the driving pin, which is rigidly connected to the planetary gear and the driving pin. In particular, the planetary gear, the carrier arm and the driving pin can be formed as one piece. By dimensioning the carrier arm accordingly, a driving pin with any pin diameter can be provided.
Erfindungsgemäß wird eine kompakte Bauform dadurch erreicht, daß das Planetenrad auf einem Planetenträger drehbar gelagert ist, daß der Planetenträger mit einer zur Hohlradachse koaxialen Welle verbunden ist und daß die PIanetenradachse zu der Hohlradachse in einem Abstand angeordnet ist, welcher der Hälfte des Außendurchmessers des Planetenrades entspricht. An der Welle kann in einfacher Weise eine Verzahnung oder eine andere Drehmomentübertragungseinrichtung, etwa ein Keilnutprofil vorgesehen werden.According to the invention, a compact design is achieved in that the planetary gear is rotatably mounted on a planetary carrier, that the planetary carrier is connected to a shaft coaxial with the ring gear axis, and that the planetary gear axis is arranged at a distance from the ring gear axis that corresponds to half the outer diameter of the planetary gear. A toothing or another torque transmission device, such as a keyway profile, can be provided on the shaft in a simple manner.
Es ist eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, daß ein Hubkolbenmotor mit einem in einen Verbrennungsraum verschiebbaren Hubkolben vorgesehen ist und daß der Hubkolben mit der Kolbenstange an dem von dem Mitnehmerbolzen abgewandten Ende verbunden ist. Der Hubkolbenmotor kann insbesondere ein Otto- oder Dieselmotor sein, welcher bekanntlich in vielen Bereichen Anwendung findet. Für jeden Zylinder des Motors kann jeweils eine Vorrichtung vorgesehen werden, die über ein geeignetes Getriebe miteinander gekoppelt sind.It is an advantageous embodiment of the invention that a reciprocating piston engine is provided with a reciprocating piston that can be moved into a combustion chamber and that the reciprocating piston is connected to the piston rod at the end facing away from the driving pin. The reciprocating piston engine can in particular be a petrol or diesel engine, which is known to be used in many areas. For each cylinder of the engine, a device can be provided that is coupled to one another via a suitable gear.
Bei einer anderen Ausführungsform ist es erfindungsgemäß, daß ein Kompressor oder eine Pumpe mit einem Kompressorbzw. Pumpenkolben vorgesehen ist und daß der Kompressorbzw. Pumpenkolben mit der Kolbenstange an dem von dem Mitnehmerbolzen abgewandten Ende verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform liegt also zunächst ein Drehmoment vor, welches nahezu querkraftfrei in eine reversierende Linearbewegung umgesetzt wird.In another embodiment, it is according to the invention that a compressor or a pump is provided with a compressor or pump piston and that the compressor or pump piston is connected to the piston rod at the end facing away from the driving pin. In this embodiment, there is initially a torque which is converted into a reversing linear movement with almost no transverse force.
Die Erfindung wird weiter anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, welches schematisch in den Zeichnungen dargestellt ist.The invention is further explained using an embodiment which is shown schematically in the drawings.
In den Zeichnungen zeigen:The drawings show:
Fig. 1 eine Prinzipskizze zur Erfindung und zu Kardankreisen; Fig. 1 is a schematic diagram of the invention and of gimbals;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;Fig. 2 is a perspective view of a device according to the invention;
Fig. 3 eine Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung von Fig. 2 von unten;Fig. 3 is a view of the device according to the invention from Fig. 2 from below;
Fig. 4 eine Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung von vorne;Fig. 4 is a front view of the device according to the invention;
Fig. 5 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig. 5 is a side view of the device according to the invention;
Fig. 6 eine Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung von oben;Fig. 6 is a top view of the device according to the invention;
Fig. 7 eine Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung von hinten; undFig. 7 is a rear view of the device according to the invention; and
Fig. 8 eine weitere Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung.Fig. 8 shows a further side view of the device according to the invention.
Gemäß den Fig. 2 bis 8 weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 ein ringförmiges Hohlrad 11 auf, an dessen Innenumfang 12 eine nicht dargestellte Verzahnung ausgebildet ist. Das Hohlrad 11 weist an seiner Stirnseite 13 Bohrungen 14 zum Befestigen an einer Drehmomentstütze auf, welche beispielsweise ein Gehäuse sein kann. Mit der Verzahnung am Innenumfang 12 steht ein Planetenrad 16 mit einer ebenfalls nicht dargestellten Außenverzahnung in kämmender Verbindung. Der für den Abrollvorgang maßgebliche Außendurchmes-According to Figs. 2 to 8, a device 10 according to the invention has an annular ring gear 11, on the inner circumference 12 of which a toothing (not shown) is formed. The ring gear 11 has holes 14 on its front side 13 for fastening to a torque support, which can be a housing, for example. A planetary gear 16 with an external toothing (also not shown) is in meshing connection with the toothing on the inner circumference 12. The external diameter, which is decisive for the rolling process,
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ser des Planetenrades 16 beträgt die Hälfte des entsprechenden Innendurchmessers des Hohlrades 12. Die Breite des Planetenrades 16 ist größer als die Breite des Hohlrades 11, so daß das Planetenrad 16 zu beiden Seiten des ringförmigen Hohlrades 11 vorsteht. An einer Seite ist das Planetenrad 16 auf einem scheibenförmigen Planetenträger 21 drehbar gelagert, welcher koaxial mit einer Welle 22 drehfest verbunden ist. Die Achse der Welle 22 fällt zusammen mit einer Hohlradachse 15 des Hohlrades 11. Das Planetenrad 16 kann über ein Wälzlager auf einem nicht dargestellten Bolzen angeordnet sein, welcher starr mit dem Planetenträger 21 verbunden und parallel zur Hohlradachse 15 gerichtet ist. Der radiale Abstand zwischen der Hohlradachse 15 und einer parallel dazu angeordneten Planetenradachse 20 entspricht der Hälfte des Außendurchmessers des Planetenrades 16.The diameter of the planetary gear 16 is half the corresponding inner diameter of the ring gear 12. The width of the planetary gear 16 is greater than the width of the ring gear 11, so that the planetary gear 16 protrudes on both sides of the annular ring gear 11. On one side, the planetary gear 16 is rotatably mounted on a disk-shaped planet carrier 21, which is coaxially connected to a shaft 22 in a rotationally fixed manner. The axis of the shaft 22 coincides with a ring gear axis 15 of the ring gear 11. The planetary gear 16 can be arranged via a roller bearing on a bolt (not shown), which is rigidly connected to the planet carrier 21 and is directed parallel to the ring gear axis 15. The radial distance between the ring gear axis 15 and a planetary gear axis 20 arranged parallel to it corresponds to half the outer diameter of the planetary gear 16.
Bei Rotation der Welle 22 rollt das Planetenrad 16 am Innenumfang 12 des Hohlrades 11 ab und läuft um die Hohlradachse 15 um.When the shaft 22 rotates, the planet gear 16 rolls on the inner circumference 12 of the ring gear 11 and rotates around the ring gear axis 15.
Auf der von der Welle 22 abgewandten Seite des Planetenrades 16 ist an diesem ein Trägerarm 17 starr befestigt. Ein Mitnehmerbolzen 18 ist an dem Trägerarm 17 auf der von dem Planetenrad 16 abgewandten Seite drehfest in der Weise ausgebildet, daß eine Bolzenachse 19 des Mitnehmerbolzens 18 parallel zur Planetenradachse 20 und in einem Abstand angeordnet ist, welcher dem halben Durchmesser des Planetenrades 16 entspricht. Diese Anordnung der Bolzenachse 19 entspricht dem in Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Sonderfall, bei dem ein Kardankreis zu einer Gerade wird. Bei Umlauf des Planetenrades 16 führt so die Bolzenachse 19 eine reversierende Bewegung in einer Ebene aus, welche durch die Hohlradachse 15 verläuft.On the side of the planetary gear 16 facing away from the shaft 22, a carrier arm 17 is rigidly attached to it. A driver pin 18 is formed on the carrier arm 17 on the side facing away from the planetary gear 16 in a rotationally fixed manner in such a way that a pin axis 19 of the driver pin 18 is arranged parallel to the planetary gear axis 20 and at a distance that corresponds to half the diameter of the planetary gear 16. This arrangement of the pin axis 19 corresponds to the special case described in connection with Fig. 1, in which a cardan circle becomes a straight line. When the planetary gear 16 rotates, the pin axis 19 carries out a reversing movement in a plane that runs through the ring gear axis 15.
Mittels eines Drehgelenks 25 ist eine Kolbenstange 23 als ein Übertragungselement an dem Mitnehmerbolzen 18 drehbar angelenkt. An dem von den Mitnehmerbolzen 18 abgewandten Ende der Kolbenstange 23 ist ein Kolben 26 vorzugsweise starr befestigt. Eine Kolbenstangenachse 24 ist gleichgerichtet mit der reversierenden Bewegung, welche durch den Mitnehmerbolzen 18 ausgeübt wird.A piston rod 23 is pivotally connected to the driving pin 18 as a transmission element by means of a rotary joint 25. A piston 26 is preferably rigidly attached to the end of the piston rod 23 facing away from the driving pin 18. A piston rod axis 24 is aligned with the reversing movement exerted by the driving pin 18.
Der Kolben 26 kann bei einer Ausführungsform der Hubkolben eines Verbrennungsmotors sein, beispielsweise eines Ottooder Dieselmotors. Die bei diesen Motoren erzeugte reversierende Linearbewegung des Kolbens wird durch die Kolbenstange 23 auf den Mitnehmerbolzen 18 übertragen. Durch diese Linearbewegung wird ein Abrollen des Planetenrades 16 am Innenumfang 12 des dazu relativ ruhenden Hohlrades 11 erzeugt. Die Umlaufbewegung des Planetenrades 16 erzeugt eine Rotation des Planetenträgers 21 und der Welle 22 um die Hohlradachse 15. Diese Rotation kann als ein Drehmoment abgegriffen werden.In one embodiment, the piston 26 can be the reciprocating piston of an internal combustion engine, for example a gasoline or diesel engine. The reversing linear movement of the piston generated in these engines is transmitted to the driving pin 18 by the piston rod 23. This linear movement causes the planetary gear 16 to roll on the inner circumference 12 of the ring gear 11, which is relatively stationary. The orbital movement of the planetary gear 16 generates a rotation of the planet carrier 21 and the shaft 22 around the ring gear axis 15. This rotation can be tapped as a torque.
In umgekehrter Weise kann ein Drehmoment von der Welle 22 in eine Linearbewegung des Kolbens 26 übergeführt werden. Dies ist beispielsweise bei Kompressoren oder Pumen einsetzbar. Conversely, a torque from the shaft 22 can be converted into a linear movement of the piston 26. This can be used, for example, in compressors or pumps.
Claims (5)
dadurch gekennzeichnet, daß am Innenumfang (12) des Hohlrades (11) eine Innenverzahnung und an einem Außenumfang des Planetenrades (16) eine Außenverzahnung ausgebildet ist, wobei die Außenverzahnung die Innenverzahnung zur Übertragung eines Drehmoments aufeinander abgestimmt sind.2. Device according to claim 1,
characterized in that an internal toothing is formed on the inner circumference (12) of the ring gear (11) and an external toothing is formed on an outer circumference of the planet gear (16), wherein the external toothing and the internal toothing are coordinated with one another for the transmission of a torque.
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