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Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung einer durch Schwingen einer
Masse erzeugten Energie in eine kontinuierlich sich drehende Antriebskraft, insbesondere
zum Betrieb von Kraftfahrzeugen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, das
die durch Schwingen einer Masse, vorzugsweise in einer vertikalen bzw.
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annähernd vertikalen Ebenes entstehende Energie in eine kontinuierlich
sich drehende Antriebskraft umwand-elts insbesondere zum wenigsten teilweisen Betrieb
eines Kraftfahrzeuges, sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
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Allgemein bekannt, sowie gebräuchlich und üblich erfolgt der Antrieb
eines KFZ durch einen Verbrennungsmotorp der mittels eines flüssigen oder gasförmigen
Kraftstoffes betrieben wird. Darüberhinaus gibt es noch elektrische Antriebe dafür,
die - wenn man von stromführenden Leitungen gespeister Autobusse absieht - aus mitgeführten
elektrischen Batterien zum Antrieb eines Elektromotors9 die jeweils immer wieder
aufgeladen werden müssen9 ihren Energie bedarf decken. Erwähnt sollen in diesem
Zusammenhang noch die mit Dampf betriebenen Fahrzeuge früherer Zeiten werden9 womit
sich die Antriebsmittel für motorbetriebene Räderfahrzeuge erschöpfen.
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Da die Nachteile aller dieser AntriebsmittelS von schädlichen Abgasen
bis zur jüngsten Energiekrise und der damit wachsenden Brennstoffknappheit hinlänglich
bekannt sind9 braucht darauf im besonderen nicht mehr eingegangen zu werden0 Aufgabe
der Erfindung ist die Gewinnung einer kontinuierm lich sich drehen den Rotationskraft
aus einer durch Schwingen einer Masse freiwerdenden Energie zum Betrieb einer motorisch
betätigbaren Anordnung, wie z.B. eines elektrischen Dynamos9 einer Pumpe und dergleichen,
oder aber zum Fortbewegen eines Fahrzeugs, wobei ein Teil der Energie für diese
Fortbewegung aus der Schwingbewegung des Fahrzeuges selbst gewonnen wird0
Nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die freiwerdende
Energie einer in einer Ebene hin- und her bzw. auf- und ab schwingenden Masse in
eine nach lediglich in einer Richtung hin wirksam drehbare Rotationskraft umgewandelt
und dabei gleichzeitig ein Drehen zurück in die Gegenrichtung gesperrt wird und
daß diese Rotationskraft mittel- oder unmittelbar über Antriebselemente als eine
motorische Antriebskraft nutzbar gemacht wird.
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Zweckmäßig wird diese Antriebskraft über ein Vorgelege, z.B. eine
Übersetzung und dergleichen auf eine Schwungmasse, welche ein Schwungrad sein kann,
unmittelbar zur Ankoppelung an einen zu betreibenden Mechanismus, z.B. ein Räderwerk,
eine Pumpe und dergleichen übertragen. Es ist auch denkbar, diese Antriebskraft
mittel- oder unmittelbar über eine Schwungmasse'zur Stromerzeugung an einen elektrischen
Generator anzukoppeln. Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird
die freiwerdende Energie eines im wesentlich in vertikaler Ebene schwingenden Fahrzeuges
durch ein die Kraft übertragendes Medium in eine nach lediglich in einer Richtung
hin sich drehende Rotationskraft umgewandelt, während sie nach der anderen Drehrichtung
jeweils gesperrt ist, wobei die Energie durch das kraftübertragende Medium gegebenenfalls
gespeichert wird und die Rotationskraft durch das Medium auf eine Schwungmasse und
über
diese und ein entsprechendes Vorgelege9 zoBo eine Übersetzung, auf Antriebsräder
eines Fahrzeuges unmittelbar übertragen wird. Diese Kraftspeicherung kann zweckmäßig
auch in der Weise erfolgen, daß die Antriebskraft über eine Schwungmasse und ein
Vorgelege, z.BB eine Übersetzung und dergleichen, einem Elektrogenerator zur Stromerzeugung
zugeführt wird, der über entsprechende elektrische Anordnungen9 elektrische Batterien
zum mittelbaren Betrieb des Fahrzeuges durch einen elektromotorischen Antrieb auflädt,
Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem feststehenden
und einem mittels einer Federung darauf abgestützten, relativ zum feststehenden
schwingbaren Teil9 wobei diese beiden Teile mit einer ihnen gemeinsamen Anordnung
versehen sind, die beim Zusammenwirken die Schwingbewegungen in eine Drehbewegung
umwandeln.
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Die Einrichtung, die in Anlehnung an ein Kraftfahrzeug beschrieben
ist, ohne jedoch ausschließlich darauf beschränkt zu sein - sie kann beispielsweise
auch eine jede andere Einrichtung sein, auch eine stationäre, sofern ein feststehender
und ein relativ dazu schwingender Teil gegeben sind besteht aus einem motorbetriebenen
auf Rädern fortbewegbaren Fahrzeug, bei dem der feststehende Teil ein Rahmenteil
und der im wesentlichen in vertikaler Ebene schwingende Teil
ein
Wagenkasten bzw. ein Fahrzeugoberteil ist, der mittels einer Federung auf dem feststehenden
Teil freischwingend gelagert ist, wobei zum gemeinsamen Zusammenwirken der beiden
Teile ein nur in einer Richtung drehbares Ratschengetriebe vorgesehen ist, von dem
ein Zahnrad- bzw. Zahnritzelantrieb am federnden Teil mit einem am eigentlichen
Ratschentrieb vorgesehenen Antriebszahnrad in Eingriff steht und dieses Antriebszahnrad
über eine Überlastungskupplung mit einem kraftübertragenden Medium z.B. einer Welle
aus Feder-bzw. Torsionsstahl verbunden ist, an deren rückwärtigem freien Ende schließlich
ein Antriebsrad 13 befestigt ist.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung
näher erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 einen schematisch dargestellten Kraftfahrzeugunterbau
mit einer erfindungdgemäßen Einrichtung zum Umwandeln einer von einer schwingenden
Masse erzeugten Energie in eine kontinuierlich sich drehende Antriebskraft mit einem
kraftübertragenden Medium, Fig. 2 eine Anordnung zur Verlängerung des Mediums gem.
Fig.1 und Fig. 3 eine bei der Ernergieumwandlung den dabei unmittelbar zusammenwirkenden
mechanischen Teilen zwischengeordnete hydraulische Vorrichtung zur Verbesserung
des Wirkungsgrades der Energieübertragung, in schematischer Darstellung.
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Die Erfindung ist anhand einer schematisch dargestellten Einrichtung
in Anlehnung an ein Motor=Kraftfahrzeug er läutert und veranschaulicht in Figo 1,
daß sie im Prinzip aus einem feststehenden und einem mittels einer Federung darauf
abgestützten relativ zum feststehenden Teil schwingenden Teil besteht. Der feststehende
Teil ist hier ein Rahmenteil 1 des Kraftfahrzeuges und der vorzugsweise in vertikaler
Ebene schwingbare Teil ein Wagenoberteil 2D der mittels einer Federung 3 auf dem
Rahmenteil abgestützt ist0 Die eingangs gestellte Aufgabe wird nunmehr in der Weise
gelöst, daß die während der Fahstbewegung des KFZ zwangsläufig dabei auftretende
Auf- und Abwärtsbewegung des schwingend abgefederten Wagenteils 2 als hierbei erzeugte
Energie9 die zweifellos ansonst in den Stoßdämpfer verlorengeht - nunmehr als neue
Energiequelle genutzt werden soll2 Hierbei liegt die Überlegung zugrunde, daß je
nach Fahrzeuggröße etwa 400 kg bei Kleinfahrzeugenibis zu etwa 20 to bei Lastkraftwagen
und Bussen auf der abgefederten schwingenden Achse liegen, Wenn nun berücksichtigt
wird, daß der vertikale Schwingweg des abgefederten Wagenteils 2, also des Fahrgestells9
relariv zum als feststehend angenommenen Rahmenteil 1 entsprechend der jeweiligen
Abfederung im Vergleich zum jeweiligen Achsgewicht grob gerechnet als proportional
angenommen werden kann, dann ist ohne weiteres zu erkennen, daß bereits kleine Schwingwege
bei großen und schweren Wagen infolge deren
großen Gewichts so
viel Energie erzeugen, daß das Fahrzeug fortbewegt werden kann. Hierbei sind selbst
die Verluste beim Umsetzen der Energie aus einer schwingenden in eine drehende Bewegung
vernachlässigbar klein.
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Die Einrichtung, mittels der die bisher stets unbeachtet gelassen
wordene verlorene Schwingfederungs- bzw. Schwingenergie eines abgefederten Fahrzeuges
nutzbar gemacht werden soll, besteht aus dem notwendigen und an jedem KFZ bereits
vorhandenen feststehenden Rahmenteil 1 und einem demgegenüber mittels einer Federung
3 im wesentlichen in vertikaler Richtung X-X schwingbare Wagenkastenteil bzw.
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dem abgefederten Wagenoberteil 2. Diese im wesentlichen in vertikaler
Ebene X-X reltaiv zueinander und voneinander wieder wegbewegbaren Wagenteile 1 und
2 sind zusammen mit der für die Schwingbewegung erforderlichen Federung 3 im weiteren
der Antriebsmotor und erzeugen während der Relativbewegung der Wegenteile 1 und
2 zueinander die für die Fortbewegung des Fahrzeugs erforderliche Energie. Zu diesem
Zweck ist an der Federung oder am schwingbaren Wagenoberteil oder an sonst einer
geeigneten Stelle eines schwingbaren Teils des Kraftfahrzeuges ein Antrieb, z.B.
ein Antriebszahnrad oder ein Antriebsritzel 4, das mit einem Antrieb, z.B. einem
Ratschenzahnrad 5, für ein Ratschengetriebe 6 in Eingriff steht, befestigt. Mit
diesem Ratschenzahnrad 5, das nur nach einer Richtung hin drehbar, während es nach
der anderen Drehrichtung
hin gesperrt wird, ist mittelbar über
eine Uberlastungskuppt lung 7 mit einem vorderen Teil 8 in einem vorderen Lagerbock
9 und mit einem rückwärtigen Teil 10 in einem rückwärtigen Lagerbock 11 drehbar
ein kraftübertragendes Medium 12, vorzugsweise ein Torsionsstahl bzw0 eine Welle
aus Torsionsstahl, gelagert. Am rückwärtigen Ende 13 des mediums 12 ist ein Antriebsrad
14 befestigt9 das über ein Zwischengetriebe 15 ein Schwungrad 16 antreibt0 Dieses
Schwungrad 16 ist mit einer Kupplung 17 verbunden9 durch das eine Antriebswelle
18 für das Fahrzeug ein- und auskuppelbar ist. Diese Antriebswelle 18 ist in üblicher
Weise wie jede herkömmliche Antriebswelle eines KFZ zum Fahrzeuggetriebe weitergeführt,
über das die vom Medium 12 übertragene, vom Schwungrad 16 herkommende Antriebskraft
über ein Differential schließlich auf die Antriebsräder übertragen wird. Diese nach
der Antriebswelle 18 angeführten Teile zoBo des KFZ sind der besseren Übersicht
wegen lediglich mit einem Hinweispfeil, bei dem richtungsweisend tvp22 angegeben
ist9 symbolisiert.
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Wesentlich zur Umsetzung der in vertikaler Ebene X-X auftretenden
Schwingenergie in eine Rotationskraft eingangs erwähnter Art ist einerseits der
am schwingbaren Fahrzeugoberteil 2 befestigte Antrieb, also das Zahnritzel 4 für
den andererseits am feststehenden Rahmenteil 1 befestigten Ratschentrieb9 also das
Zahnrad 5, mit dem es in Eingriff steht, Hierbei vollfühst
das
Zahnritzel 4 die Bewegung in vertikaler Ebene X-X, während das mit diesem in Eingriff
stehende Zahnrad bzw. Ratschenzahngetrieben/ rad 5 vom Zahnritzel 4/die Rotationsbewegung
ausführt. Das Zahnrad 5 ist mit dem als Torsionswelle ausgebildeten kraftübertragenden
Medium 12 axial über die Überlastungskupplung 7 und über ein zweites Ratschengetriebe
19, das eine gegenläufige Drehung der Torsionswelle verhindern soll und das mittels
einer Ratschenhalterung 20 am Rahmen 1 befestigt ist9 verbunden. Die Torsionswelle
ist hierbei über eine erste Verbindungswelle 21, die das Zahnrad 5 mit einem ersten
Kupplungsteil 22 der Überlastungskupplung 7 verbindet und über eine zweite Verbindungswelle
23, die den zweiten Kupplungsteil 24 der Überlastungskupplung 7 mit dem Ratschengetriebe
19 verbindet, über dieses gekoppelt. Auf der ersten Verbindungswelle 21 sitzt ein
Antriebsritzelrad 25 für einen Hilfsantrieb zum Bewegen des Mediums bei Stillstand
des Fahrzeuges, das über einen hier nicht gezeichneten Anlasser in Drehung versetzt
werden kann. Der Antrieb des Anlassers zu seinem Antriebsritzel 25 kann hierbei
so tief untersetzt sein, bis die Überlastungskupplung zu rutschen beginnt. Dadurch
ist genügend Kraft gegeben, um ohne weiteres über die Überlastungskupplung 7, die
zweite Verbindungswelle 23, das Ratschengetriebe 19, das.medium 12, sowie das Zwischengetriebe
15 über das Schwungrad 16 den Antrieb P anzutreiben.
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Über das Schwungrad 16 kann nun an Stelle der Antriebswelle 18 auch
eine hier nicht eingezeichnete Welle eines Generators zur
Stromerzeugung
angekoppelt werden9 wobei dies mit oder ohne eine Zwischenkupplung 17 erfolgen kann0
Alternativ wäre es auch möglich, über ein weiteres Zwischengetriebe 26 eine weitere
Antriebswelle 27 zu betreiben0 Dies könnte beispiels weise eine Generatorwelle sein,
so daß alternativ durch Umschalten von dem Zwischengetriebe 15 zum Antrieb der Antriebswelle
18 auf das weitere Zwischengetriebe 26 zum Antrieb der weiteren Antriebswelle 27
äin Antrieb für andere VorrichtupQesn usw. vorgesehen werden kann0 In diesem Zusammenhang
ist es auch denkbare eine weitere Antriebswelle in vorstehend beschriebener Weise
auch bei herkömmlich verwendeten KFZ zu betätigen9 und zwar zum unterschiedlichen
Betreiben verschiedener Bordeinrichtungen9 wie Beleuchtung, Scheibenwischer oder
zum Anlassen des Fahrzeuges bei intermittierendem FahrbetriebS beispielsweise im
Stadtverkehr, und dergleichen Einrichtungen mehr9 ohne daß dazu zusätzlich die Energiequelle,
mit der das Fahrzeug betrieben wird, belastet zu werden braucht0 In weiterer Ausführung
der Erfindung sind zur Verbesserung des Wirkungsgrades gegenüber der Grundform des
vorstehenden Ausführungsb eispiels einige weitere Möglichkeiten der Kraftübertragung
vom schwingenden auf den relativ dazu stehenden Teil und somit auf das kraftübertragende
Medium 12 ererläutert.
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Um die Torsionskraft und gegebenenfalls die Speicherfähigkeit im kraftübertragenden
Medium erhöhen zu können, wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen,
dieses Medium in mehrere Torsions-Stahlstäbe 120, die miteinander gekoppelt sind,zu
zu unterteilen. Im vorliegenden Fall sind -wie Fig. 2 zeigtdrei Torsions-Stäbe 28,
29 und 30 über sie jeweils verbindende9 miteinander im Eingriff stehende Zahnräder
31 zu nur einem Medium-zusammen gekuppelt. Hierbei sind auch die entsprechenden
Anordnungen wie ein Ratschengetriebe, eine Überlastungskupplung sowie entsprechende
Lagerböcke u.dgl. Teile wie sie bereits eingangs beim Anordnenen nur eines Mediums
12 beschrieben sind, vorgesehen. Diese Teile sind jedoch der besseren Übersicht
wegen hier nicht mit eingezeichnet. Die die 3 Torsions-Stahlstäbe -es können natürlich
auch nur zwei oder mehr als drei sein- miteinander verbindenden Zahnräder 31 sind
entweder gleich groß oder sie weisen eine relativ zueinander unterschiedliche Größe
auf, um die Ankupplung nach oben oder unten hin zu übersetzen.
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Zur Energieübertragung wird in gleicher Weise wie schon vorstehend
erläutert, die schwingende Energie über das Ritzel 4 auf ein Ratschenzahnrad 5 übertragen
und von diesem über die Torsions-Stahlstäbe 28, 29 und 30 und die diese verbindenden
Zahnräder 31 auf die Antriebswelle 18 weitergeleitet.
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Zur Optimierung der erforderlichen Kraft zur Umwandlung einer schwingenden
Energie in eine kontinuierlich sich drehende Antriebskraft wird zum Betätigen des
Antriebsritzes 4 und somit zum Drehen des Ratschenzahnrades 5 ein an sich bekannter
Hydraulikantrieb
verwendet. Zu diesem Zweck sind am feststehenden
Rahmenteil 1 eine Hydraulikpumpe 32, vorzugsweise eine Öldruckpumpe und ein mit
dieser gekoppelter Druckzylinder 33 zur Betätigung des Antriebsritzes 4 angeordnet.
In gleicher Weise ist am Rahmen teil 1 zum Betätigen der Pumpe 32 ein verlängerter
Pumpenhebel 35 34 zweiarmig in einem Drehpunkt g gelenkte Ein Endteil 36 des längeren
Armes 37 des zweiarmigen Pumpenhebels 34 ist mit einem federnden bzw. schwingenden
Teil 38 des Wagenoberteils 2 -hier als eine Feder symbolisiert- und das Ende des
kürzeren Hebelarmes 39 ist mit der hydraulischen Pumpe 32 verbunden. Hierbei geht
die Energieübertragung in der Weise vor sich9 daß bei Druckbeaufschlagung des Druckzylinders
33 das am freien Ende eines Druckkolbens 40 befestigte Antriebsritzel 4, das mit
dem Ratschenantriebsrad im Eingriff steht, von seiner Ausgangslage A in Pfeilrichtung
nach D hin verschiebt und dabei das Ratschenzahnrad 5 in Pfeilrichtung C in Drehung
versetzt. Sobald das Antriebsritzel 4 mit seinem Endpunkt D am Ratschenzahnrad 5
ausgelaufen und das Medium 12 entsprechend der Wegstrecke A - D des Ritzels 4 in
Pfeilrichtung C verdreht worden ist, wird der Druckzylinder 33 durch ein Überdruckventil
gelüftet und das Antriebsritzel 4 wird mittels einer Rückzugfeder wieder in seine
Ausgangslage A zurückgezogen. Da die Drehkraft zum unmittelbaren Antrieb'oder zur
Speicherung über die erste Verbidnungswelle 21 usw, auf das Medium 12 übertragen
wird, ist die Welle 21 natürlich auch nur in Drehrichtung C des Ratschenzahnrades
5 drehbar während sie in der Gegenrichtung dafür gesperrt ist. Demgegenüber ist
es beim Ratschenzahnrad
5 gerade umgekehrt. Da dieses nur zusammen
mit der Welle 21 in Pfeilrichtung C gedreht werden kann, ist es für sich aller auf
der Welle 21 in Gegenrichtung frei drehbar. Sobald nun das Antriebsritzel 4 in seine
Ausgangslage A zurückgekehrt ist, schließt das Überdruckventil und die Umwandlung
der schwingenden in eine drehende Antriebskraft erfolgt in gleicher Weise vom neuen.
Einem Überdrehen des kraftübertragenden bzw. -speichernden Mediums 12 beugt die
Überlastungskupplung 7 vor.
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Nach einer weiteren Ausführungsformaann das Antrie bsritzel 4 zur
Energieübertragung mechanisch nach dem Prinzip eines Wagenhebers bewirkt und demgemäß
bei verhältnismäßig geringem Energie aufwand große Kräfte freimachen. Auch ein Schneckenantrieb
ist möglich, wobei für ein entsprechendes Übersetzungsverhältnis in den beiden zu
letzt genannten Fällen ein entsprechend dimensioniertes Zwischengetriebe vorzusehen
ist. Schließlich ist zur Umwandlung der schwingenden Energie in eine kontinuierlich
nach einer Richtung hin sich dreh enden Antriebskraft eine Anordnung nach Art eines
an sich bekannten Freilaufes in gleicher Weise verwendbar. Hierbei kann das erste
Ratschengetriebe 6 und/oder das zweite Ratschengetriebe 19 als ein solcher ausgebildet
sein.
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Zweckmäßig ist das kraftübertragende Medium 12 in Ruhestellung fixierbar,
und zwar unmittelbar durch eine beispielsweise am rückwärtigen Lagerbock 11 angebrachte
Bremseinrichtung 41 oder mittelbar durch Blockierung des Schwungrades 16 oder eines
der Zwischengetriebe 15 oder 26. Die Bremseinrichtungen können hier
eine
übliche Anordnung zum Blockieren einer Welle sein0 Vorallem soll durch sie vorgesehen
werden9 daß bei Stillstand des Fahrzeuges eine im Medium 12 noch gespeicherte Torsionskraft
bei versehentlichem Öffnen der Radbremse das Fahrzeug ungewollt in Bewegung setzt.
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Zu den konstruktiven Ausführungen soll noch bemerkt werden9 daß das
Ratschengetriebe 6 als auch das andere Ratschengetriebe 19 am Rahmen 1 jedes über
die Ratschenhalterung 20 befestigt des sind. Zur besseren Veranschaulichung des
Zusammenwirkens/Anist Antriebsritzels 4 mit dem Ratschenzahnrad 5/das Gehäuse des
Ratschengetriebes 6 wie auch die Ratschenhalterung 20 über die die Gehäuse und somit
die jeweiligen Ratschengetriebe 69 19 am Rahmen 1 befestigt sind, nicht mit eingezeichnet0
Im übrigen ist noch darauf hinzuweisen, daß die einzelnen in den Figuren 1 bis 3
eingezeichneten Teile lediglich ihre Funktionsmerkmale sybolisieren und daher auch
nichtwirklichkeitsgetreu maßstäblich miteinander vergleichbar sind0
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