DE3041190C2

DE3041190C2 - Zahnstange-Zahnradgetriebe

Info

Publication number: DE3041190C2
Application number: DE19803041190
Authority: DE
Inventors: Gerhard 5210 Troisdorf Orend; Werner Orend
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-11-03
Filing date: 1980-11-03
Publication date: 1982-11-04
Also published as: DE3041190A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Zahnstangen-Zahnradgetriebe zur Umwandlung einer hin- und hergehenden Bewegung in eine Rotationsbewegung oder umgekehrt mit vier auf vier verschiedenen Wellen angebrachten gleichen miteinander kämmenden Zahnrädern, einer beidseitig in mehreren Zahnreihen verzahnten Zahnstange, Zahnradsegmenten, vier treibenden und zwei getriebenen Scheiben sowie vier vollverzahnten Zahnrädern mit Freilauf.

Es ist bekannt, daß beim Kurbeltrieb Zylinderwand und Kolben erheblichen, in den einzelnen Hubphasen in verschiedene Richtung wirkenden, den Kolben verkan-

tenden Reaktionskräften ausgesetzt sind, wodurch beim Otto- und Dieselmotor hohe Reibungsverluste und dadurch erhöhter Kraftstoffverbrauch entsteht und weswegen Zylinderwand, Kolbenringe sowie die Lager der Pleuelstange und Kurbelwelle vorzeitigem Verschleiß unterliegen.

Durch die DE-PS 26 19 645 wurdt bereits versucht, mittels Zahnstange und Zahnkranz eine Alternative zum Kurbeltrieb zu finden, wobei jedoch das Problem des Auftretens von auf die Zylinderwand wirkenden ;o Querkräften und damit einer Verkantung des Kolbens ungelöst biieb. Desweiteren wurde auch das Problem der Bewegungsrichtungsumschaltung in kompliziertumständlicher und im Hinblick auf Verschleiß unzulänglieber Weise gelöst

Ein Zahnstangen-Zahnradgetriebe nach dem Oberbegriff zeigt die CH-PS 1 71 115; jedoch fehlt hier eine zuverlässige Bewegungsrichtungsumschaltung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Getriebe zu schaffen, das zuverlässig bei der Umwandlung einer hin- und hergehenden Bewegung in eine Rotationsbewegung oder umgekehrt schaltet und das Auftreten von auf den Kolben einwirkenden und ihn verkantenden Querkräften verhindert, um damit einen ruhigeren Lauf, einen geringeren Verschleiß und eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs zu erzielen.

Eine vorteilhafte Weiterentwicklung des Zahnstangen-Zahnradgetriebes ist in Anspruch 2 angegeben.

Die Erfindung wird an Hand der Figuren erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt längs der Linie I-I gemäß F i g. 3;

Fig.2 einen Schnitt längs der Linie ΙΙΙ-ΙΠ gemäß Fig.3;

Fig.3 einen Schnitt längs der Linie H-Il gemäß F i g. 1;

Fig.4 Stellung der Zahnkranzverbunde bei der oberen Endstellung der Zahnstange 11;

Fig.5 Stellung der Zahnkranzverbunde und Zahnstange 11 sowie der rotierenden Scheiben 20 und der gleitenden Scheibe 22 zu Beginn des Antriebes der gleitenden oberen Scheibe 22 durch die rotierenden oberen Scheiben 20;

Fig.6 Stellung der Zahnkranzverbunde bei der unteren Endstellung der Zahnstange 11 sowie der rotierenden und gleitenden Scheiben nach Antrieb der oberen gleitenden Scheibe 22 durch die beiden oberen rotierenden Scheiben 20 im Bereich von zwei Zahntetlungen;

F i g. 7 Stellung der Zahnkranzverbunde und Zahnstange sowie der rotierenden und gleitenden Scheiben zu Beginn des Antriebes der gleitenden unteren Scheibe 21 durch die rotierenden unteren Scheiben 20;

F i g. 8 Zahnrad 10; Fig. 9obere Welle8; F i g. 10 untere Welle 9; F i g. 11 die Vorderansicht der Zahnstange 11; F i g. 12 die Seitenansicht der Zahnstange 11; F i g. 13 die Draufsicht der Zahnstange 11; F i g. 14—17 die Zahnradsegmente 14,15,17,18; F i g. 18 Zahnkränze 16; 16'; F i g. 19 mit Freilauf versehene Zahnräder 19; 19'; F i g. 20 rotierende treibende Scheibe 20; F i g. 21,22 gleitende getriebene Scheiben 21; 22;

F i g. 23 schematische Darstellung des Ablaufes der rotierenden treibenden Scheibe 20 und gleitenden getriebenen Scheibe 22; 21.

Im Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 greifen vier gleiche Zahnräder 10 ineinander, wodurch das untere Wellenpaar 9 zum oberen Wel'enpaar 8 gegenläufig angetrieben wird. Hierbei wird die Zahnstange 11 durch vier auf dem oberen Wellenpaar angebrachte Zahnkranzverbunde, die sich aus den auf verschiedenen Ebenen befindlichen Zahnradsegmenten 14,15 und dem Zahnkranz 16 zusammensetzen, nach unten und durch vier auf dem unteren Wellenpaar angebrachte Zahnkranzverbunde, die sich aus den auf verschiedenen Ebenen befindlichen Zahnradfragmenfe 17,18 und dem Zahnkranz 16' zusammensetzen, nach oben bewegt

Zum besseren Verständnis des nachfolgenden Textes sei vermerkt, daß die Zähne der Zahnkranzverbunde, die mit einem Bezugszeichen ohne Strich (z.B. st) versehen sind auf gleicher Zahnreihe liegen. Ebenso verhält es sich mit den Zähnen der Verbünde, die mit einem Bezugszeichen versehen sind, das mir einen Strich (z. B. ft';bzw. zwei Striche (z. B. C^(Fig. 14—18) hat Es sind also auf den Verbunden drei verschiedene Zahnreihen vorhanden, die auf verschiedenen Ebenen liegen. Das gleiche gilt hinsichtlich der Bezugszeichen der Zähne der Zahnstange, die beidseitig je zwei Gruppen Zahnreihen hat, die jeweils in drei teilverzahnte und ein vollverzahntes Unterfeld aufgeteilt sind (Fig.4, 11 u. 13). Was die Kombination der beiden Elemente (Verbünde, Zahnstange) anbelangt, sind ihre Zahnreihen, je nachdem die auf ihnen befindlichen Zähne mit Bezugszeichen ohne Strich, zwei Strichen oder drei Strichen versehen sind, einander zuordnen (F ig. 4-7).

Beim Abwärts· Nichtarbeitsgang des Kolbens eines Viertaktmotors und der Abwärtsbewegung einer mit ihm verbundenen Zahnstange 11 wird die Abwärtsbewegung der Zahnstange dadurch eingeleitet daß sich Zahn a der oberen Zahnkranzverbunde, d. h. Zahn a der zu den Verbunden gehörenden Zahnradsegmente 14, auf den Zahn a der Unterfelder A der Zahnstange legt Bei Betrachtung der Fig.4, ohne räumlich zu sehen, entsteht der Eindruck, daß dieses nicht möglich ist, weil bei der vorangehenden Aufwärtsbewegung der Zahnstange innerhalb des Bereiches von zwei Zahnteilungen die Zähne b' der Zahnstange von den Zähnen a der Verbünde und die Zähne c" der Zahnstange von den Zähnen b' der Verbünde blockiert werden. Das geschieht jedoch nicht, weil die Zähne a der Verbünde und b' der Zahnstange einerseits und die Zähne c" der Zahnstange und ö'der Verbünde andererseits sich nicht im Wege stehen können, weil sie auf verschiedenen Ebenen liegen (F i g. 4,11,14-18).

Nach Ablauf des Zahnes a der Zahnkranzverbunde legt sich ihr auf anderer Ebene befindliche Zahn b', d. h. Zahn ft'der zu den Verbunden gehörenden Zahnradsegmente 15, auf Zahn b'der Unterfelder Bder Zahnstange. Auch bei dieser Bewegung können sich die in Frage kommenden Zähne aus den gleichen Gründen, wie sie im vorangehenden Absatz aufgezeigt wurden, nicht im Wege stehen (F ig. 4).

Nach Ablauf der ersten beiden Zähne der Verbünde kämmen nun ihre auf einer dritten Ebene befindlichen Zähne c", d", e", f", g", h", d. h. die Zähne der zu den Verbunden gehörenden Zahnkränze 16, mit den ihnen zugeordneten Zähnen der Unterfelder C der Zahnstange.

Den Transport der Zahnstange 11 im Bereich der letzten beiden Zahnteilungen übernehmen beim Abwärts-Nichtarbeitsgang je zwei im Querschnitt teilkreisförmig ausgebildete Scheiben 20, welche die in einem am oberen Ende der Zahnstange angebrachten Schlitz gleitende, auf einer Feder 23 sitzende, durch deren

Druck belastete und dadurch auch die Zahnstange antreibende im Querschnitt teilkreisförmig ausgebildete Scheibe 22 geradlinig entgegen dem Federdruck bewegt (Fig. Iu.5).

Beim Abwärts-Arbeitsgang des Kolbens eines Viertaktmotors und der gleichzeitigen Abwärtsbewegung einer mit ihm verbundenen Zahnstange 11 werden, da jetzt die Zahnstange das treibende Element ist, die Zähne der oberen vier vollverzahnten, in der entgegengesetzten Richtung freilaufenden Zahnräder 19 von den Zähnen des durchgehend verzahnten Unterfeldes Oder Zahnstange angetrieben; gleichzeitig treibt die Zahnstange zwangsläufig auch die oberen Zahnkranzverbunde an, deren Funktion an sich nur auf den Antrieb der Zahnstange nach unten beim Nichtarbeitsgang des Kolbens beschränkt ist. weil die Verbünde im Bereich der ersten beiden Teilungen nicht von der Zahnstange angetrieben werden können; die betreffenden Zähne zum Antrieb ihrer Zähne a bzw. b' fehlen auf den ihnen zugeordneten Unterfeldern A bzw. B der Zahnstange (F ig. 4,11,14 u. 15).

Im Bereich der letzten beiden Zahnteilungen werden beim Abwärts-Arbeitsgang des Kolbens die Zähnen /' bzw.yder Zahnkranzverbunde von den Zähnen/bzw. Ar der Zahnstange angetrieben. Diese Zähne der Zahnstange können sich bei der Umschaltung der Bewegungsrichtung der Zahnstange ungehindert nach oben bewegen, da sich oberhalb von ihnen auf den ihnen zugeordneten Zahnreihen der Verbünde keine Zähne befinden (F ig. 6,11,14 u. 15).

Die Aufwärtsbewegung der Zahnstange vollzieht sich im Bezug auf das Zusammenwirken der betreffenden Teile ebenso, wie dieses in Verbindung mit ihrer Abwärtsbewegung beim Nichtarbeitsgang des Kolbens beschrieben wurde. Die Zähne /und Ar fehlen jedoch am unteren Ende der Zahnstange, ebenso fehlen die entsprechenden Zähne /' und j bei den unteren Zahnkranzverbunden. Das Vorhandensein dieser Zähne erübrigt sich hier, da bei der Aufwärtsbewegung der Zahnstange — einen Boxermotor angenommen — stets nur die Zähne der Verbünde treibend sein können, und im Bereich der letzten beiden Teilungen, ebenso wie beim Abwärts-Nichtarbeitsgang des Kolbens, der Transport der Zahnstange von den Scheiben 20 übernommen wird (F i g. 7).

In Fig.23 ist das Zusammenwirken der rotierenden Scheiben 20 mit den gleitenden Scheiben 22 bzw. 21 schematisch dargestellt Der Wert für die Länge der Strecke von Mitte Welle zum Mittelpunkt des Kreises, zu dem der Kreisbogen der Scheibe 20 gehört, die Werte für die Radien r\ und /5 sowie der Wert für den Winkel λ und das Maß χ können rechnerisch ermittelt werden. Es gchi darun, Werte zu errechnen, mittels derer die Mitnahme der gleitenden Scheiben 21 bzw. 22 durch die rotierenden Scheiben 20 über eine zwei Zahnteilungen entsprechende Strecke gewährleistet ist Was die Trennung der beiden Scheiben nach Erfüllung dieser Funktion anbelangt, wirkt sich eine Pulstoleranz von 03 Teilung günstig aus, well dadurch die Anfangsbeschleunigung der Zahnstange Il bei ihrer Bewegungsrichtungsumschaltung elastisch gebremst wird; denn die gleitende, unter Federdruck stehende Scheibe 21 muß sich nach erfolgter Umkehrung der Bewegungsrichtung der Zahnstange an den rotierenden Scheiben 20 im Bereich von 03 Zahnteilung vorbeipressen (F ig. 1).

An beiden Bewegungsrichtungsumschaltungen der Zahnstange sind im Bereich der letzten beiden Zahnteilungen einerseits die verzahnten Elemente und andererseits die rotierenden und gleitenden Scheiben beteiligt, wobei durch erstere eine lineare Bewegung der Zahnstange entsteht Hingegen würde das alleinige Zusammenwirken der rotierenden und gleitenden Scheiben eine nichtlineare Bewegung verursachen; eine

is Asynchronität entsteht jedoch nicht, weil sich die unter

Federdruck stehenden gleitenden Scheiben 21; 22 der

durch die verzahnten Elemente bedingten linearen

Bewegung anpassen können (F i g. 1). Im Hinblick auf den Aufwärtsgang des Kolbens muß

die Feder 24 so ausgelegt und vorgespannt sein, daß die Kraft ihrer Vorspannung etwas größer ist als die für die Kompression erforderliche Kraft Sie darf nur im Bereich der letzten beiden Teilungen, in dem die Scheibe 21 zu einer linearen Bewegung gezwungen wird, komprimiert werden. Das Gleiche gilt für die Feder 23 mit dem Unterschied, daß sie schwächer als die Feder 24 sein kann, da die Kraft ihrer Vorspannung nur etwas größer sein muß als die für das Ansaugen erforderliche Kraft (F i g. 1).

Zu vermerken ist, daß die beiden Wellen 8 (Fig. 1) nur die Drehrichtung haben dürfen, die durch den vom Kolben kommenden Schub entsteht, bzw. es darf an ihnen keine Drehrichtung erzeugt werden, die diesem Schub widerläufig ist Deswegen muß an einer der beiden oberen oder an einer der beiden unteren Wellen eine entsprechende Drehrichtungssperre angebracht werden.

Das Charakteristikum des Getriebes besteht darin, daß bei seiner Verwendung für eine Verbrennungskraftmaschine die oszillierende Zahnstange im Gegensatz zu der Pleuelstange eines Kurbeltriebs frei schwebt d. h, daß ihre Bewegung in die eine oder andere Richtung nicht dadurch limitiert wird, daß sie mit einem anderen Element permanent verbunden ist, sondern daß sie bei

der Erreichung ihrer Endstellungen abgefangen und in die entgegengesetzte Richtung getrieben wird. Verschleiß unterliegende Lager wie beim Kurbeltrieb sowie im Zylinder und am Kolben auftretende und sie verschleißende Querkräfte gibt es nicht und die

Umkehrung der Bewegung erfolgt fließend, federn.

Es ist deswegen zu erwarten, daß der Lauf eines mit dem Getriebe ausgestatteten Otto- oder Dieselmotors bedeutend ruhiger sein wird als der eines mit einem Kurbeltrieb versehenen Motors.

Desweiteren kann damit gerechnet werden, daß infolge geringeren Verschleißes der Teile die Lebensdauer des Motors beträchtlich verlängert wird.

Ein geringerer Kraftstoffverbrauch ist durch geringere Motorreibung gewährleistet

Hierzu 11 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Zahnstangen-Zahnradgetriebe zur Umwandlung einer hin- und hergehenden Bewegung in eine Rotationsbewegung oder umgekehrt mit vier auf vier verschiedenen Wellen angebrachten gleichen, miteinander kämmenden Zahnrädern, einer beidseitig in mehreren Zahnreihen verzahnten Zahnstange, Zahnradsegmenten, vier treibenden und zwei getriebenen Scheiben sowie vier vollverzahnten Zahnrädem mit Freilauf, dadurch gekennzeichnet, daß

die Zahnstange (Fig. 11, 13) beidseitig in je acht Zahnreihen (Unterfelder) aufgeteilt ist, wobei in 12 ihrer 16 Zahnreihen je zwei aus drei Zahnradseg- '5 menten (14, 15, 16; 16', 17,18) zusammengesetzte Verbünde sowie in die restlichen vier Zahnreihen beidseitig je zwei der vollverzahnten Zahnräder (19; 19') mit Freilauf eingreifen,

daß die beiden verzahnten Seiten der Zahnstange (11) jeweils in zwei Felder aufgeteilt sind, die ihrerseits durch Anbringen schmaler Nuten in je vier Unterfelder (A, B, Q D) unterteilt sind, von denen 12 Unterfelder (A, B, C) teilverzahnt und vier Unterfelder fJPJvollverzahnt sind (F i g. 11,13), daß der Zahn a der Unterfelder A (Fig. 11) auf deren Längemitte liegt, daß der Abstand zwischen Zahn a und Zahn k der Unterfelder A so viele Teilungen beträgt, wie die Hälfte der Zähnezahl eines vollverzahnten Zahnrades gleicher Dimensionen mit gerader Zähnezahl ausmacht,
daß der Zahn ϋ'der Unterfelder B (Fig. 11) im Abstand von einer Zahnteilung nach oben von Zahn a liegt,

daß der Zahn }' dieser Unterfelder im Abstand von einer Zahnteilung nach unten von Zahn fliegt,
daß der Zahn c" der Unterfelder C (Fig. 11) im Abstand von einer Teilung nach oben von Zahn b' liegt und sich ihm so viele Zähne anschließen, wie die Hälfte minus vier der Zähnezahl eines vollverzahnten Zahnrades gleicher Dimensionen mit gerader Zähnezahl ausmacht,

daß in der unteren Hälfte der Zahnstange der Zahn 6'der Unterfelder ß(Fig. 11) im Abstand von einer Zahnteilung nach unten von Zahn a liegt, daß in der unteren Hälfte der Zahnstange der Zahn c"der Unterfelder C(F i g. 11) im Abstand von einer Zahnteilung nach unten von Zahn b' liegt und sich ihm so viele Zähne anschließen, wie die Hälfte minus fünf der Zähnezahl eines vollverzahnten Zahnrades so gleicher Dimensionen mit gerader Zähnezahl ausmacht,

daß in die vier Unterfelder A der oberen Hälfte der Zahnstange (11) beidseitig je zwei gleiche mit zwei Zähnen versehene Zahnradsegmente (14) eingreifen, bei denen der kleinere Abstand zwischen den beiden Zähnen so viele Zahnteilungen beträgt, wie die Hälfte minus 1 der Zähnezahl eines entsprechenden vollverzahnten Zahnrades gleicher Dimensionen ausmacht, daß in die vier Unterfelder B der oberen Hälfte der Zahnstange (11) beidseitig je zwei gleiche mit zwei Zähnen versehene Zahnradsegmente (15) eingreifen, bei denen der kleinere Abstand zwischen den beiden Zähnen so viele Zahnteilungen beträgt, wie die Hälfte minus 3 der Zähnezahl des entsprechenden vollverzahnten Zahnrades gleicher Dimensionen ausmacht.

daß in die vier Unterfelder A bzw. B der unteren Hälfte der Zahnstange (11) beidseitig jeweils zwei gleiche mit einem einzigen Zahn versehene Zahnradsegmente (17; 18) eingreifen;
daß in die vier Unterfelder C der oberen bzw. unteren Hälfte der Zahnstange (11) beidseitig je zwei gleiche Zahnkränze (16; 16') eingreifen, deren Zähnezahl die Hälfte minus 4 der Zähnezahl des entsprechenden vollverzahnten Zahnrades gleicher Dimensionen mit gerader Zähnezahl ausmacht,
daß zwei Zahnradsegmente (14, 15) mit einem Zahnkranz (16) zu einem gemeinsamen Zahnkranz verbunden sind, dessen Zähne auf drei verschiedenen Ebenen liegen, dessen Zähneanzahl die Hälfte der Zähneanzahl eines entsprechenden vollverzahnten Zahnrades gleicher Dimensionen mit gerader Zahneanzahl beträgt,

daß beidseitig der Zahnstange in ihre obere Hälfte je zwei solcher Zahnkranzverbunde eingreifen, wobei die Verzahnung der Verbünde der Verzahnung der Zahnstange, den Bezugszeichen entsprechend, zugeordnet ist (F i g. 4),

daß zwei Zahnradsegmente (17, 18) mit einem Zahnkranz (16') zu einem gemeinsamen Zahnkranz verbunden sind, dessen Zähne auf drei verschiedenen Ebenen liegen, dessen Zähneanzahl die Hälfte minus 2 der Zähneanzahl eines entsprechenden vollverzahnten Zahnrades gleicher Dimensionen mit gerader Zähneanzahl beträgt,
daß beidseitig der Zahnstange in ihre untere Hälfte je zwei solcher Zahnkranzverbunde eingreifen, wobei die Verzahnung der Verbünde der Verzahnung der Zahnstange, den Bezugszeichen entsprechend, zugeordnet ist (F i g. 6),
daß auf den Wellen (8, 9) je eine im Querschnitt teilskreisförmig ausgebildete treibende Scheibe (20) und an den beiden Zahnstangenenden je eine im Querschnitt teilkreisförmig ausgebildete Scheibe (21; 22) angeordnet ist, wobei die Umschaltbewegung der Zahnstange im Bereich von zwei Teilungen jeweils dadurch erfolgt,

daß je ein rotierendes Scheibenpaar (20) je eine in einem in der Zahnstange angebrachten Schlitz gleitende, durch den Druck einer Feder (23; 24) belastete und dadurch auch die Zahnstange (U) antreibende Scheibe (21; 22) geradlinig entgegen dem Federdruck bewegt (F i g. 1).

2. Zahnstangen-Zahnradgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnstange (11) zwei zentrale Bohrungen zur Aufnahme von zwei verschieden starken Federn (23, 24) hat (Fig. 1).