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Mechanisches Getriebe
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Die Erfindung bezieht sich auf ein mechanisches Getriebe mit einer
an eine Kolbenmaschine angeschlossenen Getriebewelle, die zu einer weiteren Getriebewelle
achsenversetzt angeordnet ist, und mit einem an einer der Getriebewellen drehfest
angebrachten Mitnehmer der zum Ausgleich der Achsenversetzung mit einem Gleitstück
in eine radiale Gleitführungsbahn eines an der anderen Getriebewelle fest sitzenden
Gleitführungskörpers eingreift.
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Es ist bereits ein Getriebe dieser Art bekannt (US-PS 379 971), bei
dem die Verbindung beider Getriebewellen aus einer mit einer Kreuzschlitzführung
versehenen Scheibe einerseits und zwei Führungsstiften eines Flansches der zweiten
Getriebewelle andererseits besteht, wobei mit diesem Getriebe eine Drehzahlverdoppelung
erzielt wird. Das ist für Dampfschiffe erwünscht.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Getriebe
der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß am Getriebeeingang intervallmäßig
zur Verfügung gestellte Antriebsenergie zur Erzeugung größerer Drehmomente bzw.
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höherer Kräfte am Getriebeausgang bei der Eingangsdrehzahl entsprechender
Ausgangsdrehzahlt genutzt werden kann.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelOst, daß bei einer als Verbrennunqsmotor
arbeitenden Kolbenmaschine deren Verbrennungsvorgang während derjenigen Getriebewellen-Teildrehung
vorhanden ist, bei der das Gleitstück oder ein Anschlußteil der einen Getriebewelle
von der Drehachse der anderen Getriebewelle eine maximale radiale Entfernung erreicht,
oder daß bei einer als Kompressor od. dgl. arbeitenden Kolbenmaschine deren Kompressionshub
während derjenigen Getriebewellen-Teildrehung vorhanden ist, bei der das Gleitstück
oder ein Anschlußteil der einen Getriebewelle seine minimale radiale Entfernung
von der Achse der anderen Getriebewelle erreicht, wobei jeweils die radiale Gleitführungsbahn
in an sich bekannte Weise einbahnig ist.
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Für die Erfindung ist von Bedeutung, daß die eine Getriebewelle gegenüber
der anderen Getriebewelle versetzt angeordnet ist und diese Versetzung benutzt wird,
um die Antriebsenergie mit großen Hebelarm auszunutzen, so daß sich entsprechend
große Drehmomente erzeugen lassen, bzw. ein bestimmtes Drehmoment so auszunutzen,
daß bei einem vergleichsweise kleinen Hebelarm eine große Kolbenkraft bewirkt wird.
Ein solches Getriebe führt dazu, daß die zu übertragende Antriebsenergie besser
ausgenutzt werden kann. Die von einem Verbrennungsmotor während eines Arbeitstaktes
zur Verfügung gestellte Antriebsenergie kann auf einen großen Hebelarm einwirken.
Geht man davon aus, daß an den Antriebsrädern eines Kraftfahrzeugs Drehmomente bestimmter
Größenordnung erforderlich sind, so können diese Drehmomente wegen des beim Erzeugen
der Antriebsenergie wirksamen großen Hebelarms geringer sein, als wenn dieser Hebelarm
nicht zur Verfügung stünde. Umgekehrt kann bei einem Kompressor mit einem erfindungsgemäßen
Getriebe die Antriebsenergie kleiner sein, da die zur Kompression erforderliche
Kraft bei vergleichsweise kleinem Hebelarm erzeugt wird, mithin ein entsprechend
geringeres Antriebsdrehmoment ausreichend ist, um eine bestimmte Kompressionskraft
zu erzeugen. Das Getriebe ist mithin ein Mittel, Antriebsenergie für intervallmäßig
wirkende Motoren zu sparen, was einen entsprechend geringeren nrennstoffverbrauch
zur Folge hat.
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In Ausgltung der Erfindung ist der die Gleitführungsbahn aufweisende
Gleitführungskörper eine zentrische an einer Getriebewelle sitzende Scheibe mit
einem in der Scheibenebene und durch die Drehachse der Getriebewelle verlaufenden
Querschlitz als Gleitführungsbahn. Der Querschlitz bildet mit dem darin verschiebebeweqlichen
Gleitstück eine konstruktiv einfache Kupplung zwischen den Getriebewellen. Diese
ist wenig aufwendig und robust und genügt auch dem Erfordernis, zur Zeit des Anfalls
der Antriebsenergie den erforderlichen Hebelarm zur Verfügung zu stellen.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die achsenversetzte Getriebewelle
innerhalb der als Hohlwelle ausgebildeten anderen Getriebwelle angeordnet. Hierdurch
ergibt sich eine baulich sehr kompakte Getriebeausbildung.
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Vorteilhafterweise ist der Mitnehmer innerhalb der entsprechend weiten
Gleitführungsbahn angeordnet. Infolgedessen vergroßert der Mitnehmer nicht die axiale
Baulänge des Getriebes.
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Zweckmäßigerweise ist der die Gleitführungsbahn bildende Gleitführungskörper
an der Stirnseite der Hohlwelle fest angebracht. Durch die stirnseitige Anordnung
des Gleitführungskörpers ist es möglich, diesen unabhängig von der insbesondere
axialen Ausbildung der Getriebewellen so zu gestalten, wie es für die Führungs des
Gleitstücks und die Kraftabnahme ererforderlich ist. In diesem Sinne ist der Gleitführungskörper
ein U-förmiges Profilstück, dessen Seitenwangen die Gleitführungsbahn bilden.
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Das Anschlußteil ist an der Hohlwelle angebracht und insbesondere
ein axial über die Gleitführungsbahn vorspringender Kurbelzapfen und insbesondere
dem Gleitstück diagonal gegenüber angeordnet.
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Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine Seitenansicht eines Getriebes bei einer horizontal
liegenden Kröpfung einer Kurbelwelle in schematischer Darstellung, Fig. 2 eine Aufsicht
auf das Getriebe gemäß Fig. 1, Fig. 3 eine Stirnansicht eines Gleitführungskörpers
gemäß Fig. 2 mit davor angeordnetem Kurbelarm, Fig. 4 eine der Fig. 2 entsprechende
Ansicht des Getriebes mit um 180° gedrehter Kurbelwelle, Fig. 5 eine der Fig. 3
entsprechende Ansicht des Gleitführungskörpers der Fig. 4, Fig. 6 einen Längsschnitt
durch eine zweite Ausführungsform des Getriebes und Fig. 7 eine Stirnansicht des
Getriebes der Fig. 6.
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Es ist eine Getriebewelle 1 vorhanden, die eine Drehachse 2 hat.
Des weiteren ist eine Getriebewelle 3 vorhanden, die eine Drehachse 4 hat. Fig.
2 läßt erkennen, daß die Drehachse 2 der Getriebewelle 1 und die Getriebewelle 3
bzw. deren Drehachse 4 zueinander versetzt sind, und zwar um das Maß v in horizontaler
Ebene.
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Die Getriebewelle 1 hat zwei Kurbellager 5 an Getriebewellenenden
6. Mit diesen Kurbellagern 5 ist die Getriebewelle 1 in lediglich schematisch dargestellten
Lagerblöcken 7 gelagert, die z. B. Teil eines Motorgehäuses sein können. Zwischen
den Lagerblöcken 7 sind an der Getriebewelle 1 nahe an jedem Lagerblock 7 je ein
Kurbelarm 8 mit einem Ende angebracht. Beide Kurbelarme 8 weisen in dieselbe Richtung
und sind an ihren außenliegenden Enden durch einen Lagerbolzen 9 fest miteinander
verbunden. Der Lagerbolzen 9 bildet ein Pleuellager für ein Ende einer Pleuelstange,
an deren anderem Ende ein hin- und hergehender Kolben angebracht ist. Die letztgenannten
Bauteile und das dazugehörige Gehäuse sind bekannt und daher nicht dargestellt.
Der Lagerbolzen 9 und die Kurbelarme 8 bilden eine Kröpfung 10 zwischen den Lagerblöcken
7.
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Am linken Getriebewellenende 6 ist in der Nähe des Lagerblocks 7
ein Mitnehmer 11 mit einem Ende befestigt, dessen anderes Ende ein Gleitstück 12
trägt. Der Mitnehmer 11 weist in die Richtung der Kurbelarme 8. Er kann jedoch auch
um 1800 versetzt angeordnet sein, also in die entgegengesetzte Richtung weisen,
falls der hin- und hergehende Kolben nicht oberhalb der Getriebewelle 1 angeordnet
ist, sondern darunter.
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Das Gleitstück 12 ist mit dem außenliegenden Ende des Mitnehmers
11 über einen Kurbelzapfen 17 gelenkig verbunden.
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Es greift in eine Gleitführurigsbahn 13 eines Gleitführungskörpers
14. Die Gleitführungsbahn 13 ist ein Querschlitz in einer Scheibe 11, die zentrisch
an der Getriebewelle 3 befestigt ist. Der Querschlitz verläuft mit seiner Mittelachse
durch die Drehachse 4 der Getriebewelle 3. Er hat einen rechteckigen Querschnitt,
so daß das Gleitstück 12 entsprechend rechteckig ausgebildet ist. Die Scheibe 14
ist rund ausgebildet und hat einen solchen Durchmesser, daß das Gleitstück 12 in
seiner von der Getriebewelle 3 am weitesten entfernten Lage noch so gehalten wird,
daß es den Querschlitz nicht verlassen kann.
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Im dargestellten Fall ist das Gleitstück 12 kurz gehalten und der
Mitnehmer 11 nur so lang, daß die Drehachse 15 der gelenkigen Verbindung zwischen
dem Gleitstück 12 und dem Mitnehmer 11 bzw eines Drehzapfens 17 noch innerhalb des
Scheibenumfangs liegt. Es versteht sich jedoch, daß diese Ausgestaltung abgeändert
werden kann, wenn das erforderlich ist, z. B. dadurch, daß das Gleitstück 12 im
Querschlitz 13 genügend lang gehalten ist und die Drehachse 15 außerhalb des Außenumfangs
der Scheibe 14 liegt.
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Die Scheibe 14 ist mit der Getriebewelle 3 in einem Lagerblock 16
gelagert, der wie die Lagerblöcke 7 nur schematisch dargestellt ist und Teil eines
Gehäuses sein kann.
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Fig. 3 zeigt, daß der Querschlitz 13 dann horizontal liegt, wenn
die in Fig. 2 dargestellte Kurbelkröpfung 10 ebenfalls horizontal ist. Außerdem
ist ersichtlich, daß der Gleitführungskörper
14 eine Scheibe ist,
deren Außenumfang kreisrund ist und die gemäß Fig. 2 eine beträchtliche Stärke hat,
so daß sie als Schwungscheibe dienen kann, welche den Bewegungsablauf im Getriebe
bzw. die Energieabgabe bei pulsierender Antriebs-bzw. Abnahmeenergie zu vergleichmäßigen
vermag.
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Der Gleitführungskörper 14, dessen Gleitführungsbahn 13 und das Gleitstück
12 bzw. dessen Mitnehmer 11 können abweichend von der Darstellung ausgebildet werden,
wenn dies z. B. notwendig ist, um das Getriebe auf den gleichmäßigen Ablauf der
Krafterzeugung abzustimmen. Liegt beispielsweise der Zeitpunkt maximaler Energieerzeugung
durch einen Verbrennungsmotor nicht bei Horizontallage der Kurbelkröpfung 10 sondern
z. B. vorher, so können der Querschlitz und der Mitnehmer 11 in Drehrichtung entsprechend
vorverlegt angeordnet werden, um das Energiemaximum besser ausnutzen zu können.
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Das Getriebe wirkt wie folgt: Bei horizontalem Mitnehmer 11 wirkt
an diesem in vertikaler Richtung eine Kraft P1. Diese erzeugt bezogen auf die Getriebewelle
3 ein Drehmoment M1 = P1 x sl. Dieses Drehmoment M1 ist größer, als ein Drehmoment
Mk = P1 x k, welches von der Kraft P1 erzeugt würde, wenn die Drehachse 2 der Getriebewelle
1 mit der Drehachse 4 der Getriebewelle 3 gleichachsig angeordnet wäre. Das ist
aber gemäß Fig. 3 nicht der Fall, da beide Wellen um das Maß v gegeneinander versetzt
sind. Daraus resultiert umgekehrt, daß bei vorgegebenem bzw. gewünschtem Moment
M1 die Kraft P1 kleiner sein kann, als eine Kraft Pk zur Erzeugung desselben Momentes,
aber Gleichachsigkeit von Getriebewelle 1 und Getriebewelle 3. Entsprechendes gilt
auch für andere Winkellagen des Mitnehmers 11 bzw. der gleichgerichteten Kurbelkröpfung
10 auf dem Weg von deren oberer Vertikallage in deren untere Vertikallage, wenn
auch mit entsprechend sich aus den Winkellagen ergebenden Verringerungen. Wird also
über den nicht dargestellten Kolben Energie übertragen, wenn sich die Getriebewelle
1 mit ihrer Kröpfung 10 aus ihrer oberen Vertikallage in ihre untere Vertikallage
bewegt, so werden entsprechend den
jeweiligen vergleichsweise großen
Hebelarmen sl große Drehmomente M1 an der Getriebewelle 3 erzeugt.
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Auf dem Weg der Getriebewelle 1 aus der unteren Vertikallage ihrer
Kurbelkröpfung 10 zurück in deren obere Vertikallage findet keine Energieerzeugung
statt. Vielmehr ist Energie erforderlich, um das Getriebe entsprechend zu bewegen,
wobei bei einem Verbrennungsmotor, der nach dem Vier-Takt-Verfahren arbeitet, das
verbrannte Gas ausgestoßen wird. Eine weitere volle Umdrehung ist erforderlich,
um Gas anzusaugen und zu komprimieren.
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Auch die hierfür erforderliche Energie ist nur gering. Sie ist geringer,
als bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren, es kann also ebenfalls Energie eingespart
werden und diese kann beispielsweise von dem als Schwungsc-heibe ausgebildeten Gleitführungskörper
aufgebracht werden.
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Fig. 5 zeigt, daß beim Zurücklaufen der Kröpfung 10 der Getriebewelle
1 aus ihrer Tiefstage in ihre Höchstlage vom Mitnehmer 11 eine Horizontallage eingenommen
wird, bei der der Abstand s2 von der Drehachse 4 der Getriebewelle 3 ein Minimum
einnimmt. Dabei gilt s2 = k - v. Wird nun an der Getriebewelle 3 ein Moment M2 aufgewendet,
so gilt M2 = P2 x s2. Da s2 wegen der Versetzung v der Drehachsen 2, 4 gegeneinander
stets kleiner ist als die Länge k des Mitnehmers 11, läßt sich mit einem bestimmten
Moment M2 eine größere Kraft P2 erzeugen, als wenn die Versetzung v nicht vorhanden
wäre. Da Entsprechendes auch für alle anderen Winkellagen zwischen der Tiefstlage
der Kurbelkröpfung 10 und ihrer Höchstlage gilt, können mit dem Getriebe vergleichsweise
große Kräft P2 erzeugt werden, beispielsweise große Kompressionskräfte bei einem
Kolbenkompressor. Geht man davon aus, daß die Kraft P2 lediglich eine bestimmte
Höhe haben muß, so genügt für den Antri-eb eines solchen Kompressors über ein erfindungsgemäßes
Getriebe ein geringeres Moment M2. Dementsprechend kann die Antriebsleistung für
den Kompressor und damit der Brennstoffverbrauch eines den Kompressor beispielsweise
antreibenden Verbrennungsmotors gesenkt werden.
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Fig. 6 zeigt bei einer anderen Ausführungsform eines mechanischen
Getriebes eine Getriebewelle 20, die mittels
zweier schematisch
angedeuteter Lager 21 in einem Zylinderstück 22 radial und radial gelagert ist,
welches an einem lediglich schematisch angedeuteten Getriebegehäuse 23 an der Stelle
24 befestigt ist. Auf dem Zylinderstück 22 ist eine weitere, als Hohlwelle ausgebildete
Getriebewelle 25 drehbar über Lager 26 radial und axial gelagert. An der durch einen
Flansch 28 verstärkten Stirnseite 27 der Getriebewelle 25 ist ein Gleitführungskörper
29 befestigt, der ein U-förmiges Profilstück ist. Die Befestigung erfolgt beliebig,
z. B. gemeinsam mit einem Anschlußteil 30 durch Schraubbefestigung an der Stelle
31. Die einander parallelen Seitenwangen 32 des Gleitführungskörpers 29 haben einen
Abstand voneinander, der größer als der Durchmesser des Zylinderstücks 22 ist. Infolgedessen
kann der Boden des Gleitführungskörpers 29 mit einer Ausnehmung 33 versehen werden,
so daß das Zylinder stück 25 soweit wie möglich in das Gleitführungsstück 29 hineinragen
kann, um das gleitführungskörperseitige Lager 21 axial soweit wie möglich zur Stirnseite
der Getriebewelle 20 anordnen zu können.
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An dem aus der Getriebewelle 25 gleitführungskörperseitig rausragenden
Ende der Getriebewelle 20 ist ein Mitnehmer 34 drehfest angeordnet, der innerhalb
der Gleitführungsbahn 13' bzw. innerhalb der Seitenwangen 32 des Gleitführungskörpers
29 liegt. Dieser auf der Getriebewelle 20 fliegend gelagerte Mitnehmer 34 hat ein
auf der Getriebewelle 20 fest angebrachtes Klemmstück 35, das über einen Gewindestift
36 mit einem zylindrischen Lagerstück 37 verbunden ist. Auf dem Lagerstück 37 ist
ein als Kunststoffkörper ausgebildetes Gleitstück 39 schwenkbeweglich angeordnet
und von einem Ringbund 38 des Lagerstücks 37 axial im Gleitführungskörper 29 gehalten.
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An dem dem Gleitstück 39 gegenüberliegenden Ende des Gleitführungskörpers
29 ist das Anschlußteil 30 angeordnet, das mit Abflachungen 40 zwischen den Seitenwangen
32 des Gleitführungskörpers 29 sitzt. Das Anschlußteil 30 hat einen
axial
über die Gleitführungsbahn der Seitenwangen 32 vorspringenden Kurbelzapfen 41. Dieser
Kurbelzapfen 41 bzw. das Anschlußteil 13 sitzen fest an der Getriebewelle 25, gestatten
also die Abnahme von Kräften bzw. Drehmomenten von der Getriebewelle 25. Wird beispielsweise
über die als Keilriemenscheibe ausgebildete Antriebsscheibe 39 ein Drehmoment in
die Getriebewelle 20 eingeleitet, so können von der Getriebewelle 25 über den Kurbelzapfen
41 Kräfte bzw.
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Drehmomente abgenommen werden. Dabei ist von Bedeutung, daß die Getriebewellen
20, 25 bzw. ihre Drehachsen 2, 4 in aus der Fig. 7 ersichtlichen Weise zueinander
versetzt angeordnet sind. Infolgedessen ist der Kurbelzapfen 41 auf seiner Umlaufbahn
von der Drehachse 2 der Getriebewelle 20 entsprechend der durch die Versetzung gegebenen
Exzentrizität mehr oder weniger entfernt. Diese Entfernung sk setzt sich also zusammen
aus der Länge k' zwischen dem Zentrum des Kurbelzapfens 41 bzw. der Befestigungsstelle
31 und der Drehachse 4 einerseits sowie der Versetzung v andererseits.
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Bei der Darstellung gemäß Fig. 7 gilt sk = k' + v. Nach einer 1800-Drehung
des Kurbelzapfens 41 aus der Lage gemäß Fig. 7 würde gelten: sk = k' - v. In Zwischenlagen
des Kurbelzapfens 41 wird der Hebelarm sk entsprechend kurzer bzw.
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länger sein, so daß sich bei einem in die Getriebewelle 20 eingeleiteten
Drehmoment Ma bestimmter Größe eine entsprechende Kraft Pk erzeugen läßt, deren
Größe durch den jeweils vorhandenen Hebelarm sk nach folgender Beziehung bestimmt
wird: Pk = Ma : sk. Wird also an der Kurbelzapfen 41 eine mit einem Kolben einer
Kompressors zusammenwirkende Pleuelstange angelenkt, so ist es zweckmäßig die erforderliche
Kompressionskraft Pk auf derjenigen Teilumdrehung der Getriebewelle 25 bzw. auf
demjenigen Teil der Umlaufbahn des Kurbelzapfens 41 erzeugen zu lassen, wo dieser
so dicht wie möglich an der Drehachse 2 der antreibenden Getriebewelle 20 vorbeiläuft.
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Es versteht sich, daß statt eines Kurbelzapfens 41 auch eine andere
geeignete Abgriffsmöglichkeit von der Getriebewelle
25 verwendet
werden kann, sofern diese eine Versetzung v zur Getriebewelle 20 aufweist, so daß
sich ein exzentrischer Umlauf ergibt, der in der einen oder anderen Kraftübertragungsrichtung
unterschiedliche Kräfte Pk oder Abtriebsdrehmomente zu erzeugen gestattet.