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Hypozykloidengetriebe für eine Hubkolbenmaschine
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Hypozykloidengetriebe für eine
Hubkolbenmaschine, insbesondere Verbrennungskraftmaschine, dessen Hauptwelle wenigstens
einen drehfesten Primärexzenter trägt, der gegenläufig in einem kreisförmigen Sekundärexzenter
drehbar ist. Unter "Hypozykloidengetriebe" wird nachstehend ein statisch und dynamisch
voll auswuchtbares Getriebe bzw. Schubkurbel getriebe verstanden, das durch die
Kinematik der Hypozykloide 2:1 bzw. der Kardankreise bzw. des zentrischen, gleichschenkligen
Geradschubkurbel getriebes beschrieben werden
kann.
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Ein Hypozykloiden-Getriebe bzw. -Triebwerk der eingangs genannten
Art ist beispielsweise durch die DE-PS 27 20 284 bekannt geworden. Sein Primärexzenter
ist als kreisförmige Scheibe aus-
die dort im Sinne einer Mypozykloide 2:1 im Innern einer zweiten Kreisschelbe, nämlich
dem kreisförmigen SekundErexzenter, abwälzbar ist. Die hin und her bewegbare Masse
dieses Hypozykloidengetriebes wird mittels einer Zusatzmasse ausgewuchtet, während
für den ersten und zweiten Exzenter eine zweite und erste Gegenmasse vorgesehen
sind. Die Abmessungen der letzteren sind nicht zuletzt auch von der Größe ihrer
Exzenter abhängig. Außerdem wird bei einer Hubkolbenmaschine die Bewegung des Kolbens
über ein Kolbenstangen-Ringlager auf den Sekundärexzenter übertragen. Dieses wird
zwangsläufig umso großer, Je größer der Durchmesser des Sekundärexzenters ist.
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Es kommt noch hinzu, daß die übereinander drehbar gelagerten Exzenter
zu sehr großen Lagerdurchmessern führen, was sich insbesondere beim Sekundärexzenter
als sehr nachteilig erweist.
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Besondere Schwierigkeiten ergeben sich dabei durch die lmgewöhnlich
großen Gleitgeschwindigkeiten bzw. Wälzgeschwindigkei ten, falls Wälzlager verwendet
werden. Diese Geschwindigkeiten sind bei üblichen Maschinendrehzahlen etwa doppelt
so hoch wie diejenigen, die man bei einem Hubkolbenmotor herkömmlicher Art heute
antrifft und beherrschen kann. Das Kolbenstangen-
Ringlager neigt
wegen seiner großen Bohrung zu starker Ovalverformung unter Belastung.
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Die großen Abmessungen der genannten Teile führen zu großer Baubreite
und Bauhöhe eines mit einem derartigen Hypozykloidengetriebe ausgestatteten Hubkolbenmotors.
Im Hinblick auf die großen Gegenmassen muß auch das Kurbelgehäuse groß gehalten
werden, was zusätzlich zu einer Vergrößerung des Gesamtvolumens führt. Die Größe
der Exzenter und des Ringlagers sowie der Gegenmassen führen zu einer relativ großen
Belastung des gesamten Motors durch innere Massenkräfte. Aufgrund der Größe und
auch des vergleichsweise großen Gewichts dieses Triebwerks entstehen insgesamt hohe
Kosten.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht infolgedessen darin, ein Hypozykloidengetriebe
für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere Verbrennungskraftmaschineder eingangs genannten
Art so weiterzubilden, daß das Triebwerk kleiner und damit auch leichter ausgebildet
werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß
das Hypozykloidengetriebe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechend dem
kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs ausgebildet ist.
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Aufgrund der Verwendung einer Kurbelkröpfung anstelle eines
kreisförmigen
Exzenters, wobei der Hubzapfen zwangsläufig einen wesentlich kleineren Durchmesser
erhält als der Primärexzenter des Standes der Technik, erreicht man eine wesentlich
geringere Größe, d.h. einen wesentlich kleineren Durchmesser für den Sekundärexzenter
und damit auch für das Kolbenstangen-Ringlager. Weil die genannten Elemente kleinere
Abmessungen und damit auch Jeweils ein geringeres Gewicht haben, können auch die
Gegenmassen und, soweit vorhanden, die Zusatzmasse kleiner und leichter gehalten
werden. Damit wird das gesamte Triebwerk ins gesamt kleiner und leichter, was auch
zu einem hinsichtlich Breite und Höhe kleineren Motor- und KurbelgehEuse führt.
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Ein wesentlicher Vorteil führt aber, wenn man gleiche Zylinderbohrungen,
Spitzendrücke im Zylinder, Zylinderabstände usw.
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voraussetzt, zu wesentlich kleineren Gleitgeschwindigkeiten bzw. Wälzgeschwindigkeiten
in den Lagern, die nunmehr in arössenordnungebereiche kommen, die man bei herkömmlichen
Triebwerken vorfindet. Die Reibleistung in den Lagern wird entsprechend deutlich
herabgesetzt. Die ragerdimensionierung gestattet die Anwendung üblicher Größenordnungen
des Durchmesser-Breiten-Verhältnisses. Insgesamt geht die Triebwerksbelastung durch
innere Massenkräfte auf Werte zurück, die bei heutigen Motoren üblich und voll beherrschbar
sind.
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Die Drehachse des Sekundärexzenters ist zweckmäßigerweise in der geometrischen
Achse des Hubzapfens gelegen und seine
Exzentrizität entspricht
dem Abstand der geometrischen Achsen von Hauptwelle und Hubzapfen. Hierdurch ergibt
sich die Kinematik der D8ypozykloide 2:1.
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Wie bereits erläutert, ist der Sekundärexzenter vorteilhafterweise
in einem seinem Durchmesser entsprechenden Ringlager gelagert, das mittels einer
Kolbenstange geradlinig entlang von deren geometrischer Achse verschiebbar ist,
wobei das Getriebe statisch und dynamisch voll ausgewuchtet ist. In Weiterbildung
der Erfindung ist vorgesehen, daß zum vollständigen statischen und dynamischen Massenausgleich
zumindest der Sekundärexzenter mit einer ersten Gegenmasse und die Hauptwelle mit
einer zweiten Gegenmasse drehfest verbunden sind, und wobei außerdem ein Synohronisiergetriebe
bewirkt, daß der Sekundärexzenter relativ zum PrimErexzenter gegenläufig mit doppelter
Winkelgeschwindigkeit dreht. In bevorzugter Weise handelt es sich bei diesem Synchronisiergetriebe
um ein Umlauf getriebe.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung kennzeichnet sich dadurch,
ds.f.N der Hubzapfen zweiteilig ausgebildet ist und die beiden Zapfenteile über
eine Hirth-Verzahnung od. dgl. Verbindungsvorrichtung drehfest miteinander verbunden
sind. Diese Zweiteilung ist aus Montagegründen notwendig und sie ermöglicht die
Montage des Sekundärexzenters über die Hauptwelle mit ihrem Primärexzenter.
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Eine andere vorteilhafte Lösung dieses Montageproblems ergibt sich
dadurch, daR man den Sekundärexzenter zweiteilig ausbildet.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Hypozykloidengetriebe
für eine Zweizylindermaschine vorgeschlagen, welche dadurch gele) .snet ist, daß
beide Sekundärexzenter der beiden Triebwerke auf ein und demselben Hub zapfen mit
Seitenabstand angeordnet sind und im Zwischenraum zwischen den beiden Sekundärexzentern
eine gemeinsame erste Gegenmasse für die Sekundärexzenter angeordnet ist, während
die Kurbelkröpfung den gemeinsamen Primärexzenter der beiden Triebwerke bildet.
Dabei nehmen also die beiden Kolben dieser Zweizylindermaschine gemeinsam ihre obere
und untere Totpunktlage ein. Im Falle einer Vierzylindermaschine werden auch der
dritte und vierte Kolben in gleicher Weise zusammengefaßt, Jedoch wird man dann
vorteilhafterweise die Anordnung so treffen, daß das eine Kolbenpaar seine obere
Totpunktlage einnimmt, wenn sich das andere Kolbenpaar in der unteren Totpunktlage
befindet. Dementsprechendes gilt für die Maschine mit se u s und mehr Zylindern.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutern.
Es zeigen: Figur 1 eine Hauptwelle mit Primärexzenter nach dem Stand der Technik,
Figur
2 eine als Kurbelwelle ausgebildete Hauptwelle, Figur 3 ein Triebwerk mit ausgewuchtetem
Hypozykloidengetriebe nach dem Stand der Technik, von der Seite gesehen schematisch,
Figur 4 eine vergleichbare Darstellung eines Triebwerks mit dem erfindungsgemäßen
Hypozykloidengetriebe sowie einer Hauptwelle gemäß Fig. 2, Figur 5 die Vorderansicht
der Fig. II, teilweise geschnitten, in schematischer Darstellung, Figur 6 eine abgebrochene
Darstellung eines Mehrzylindermotors mit gerader Zylinderzahl in einem Vertikal-Lkngsmittelschnltt,
mit Hypozykloidengetrieben nach der Erfindung.
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An einer Hauptwelle 1 eines Hypozykloidengetriebes nach dem Stand
der Technik ist drehfest ein Primärexzenter 2 befestigt, der aus einer exzentrisch
angeordneten Kreisscheibe besteht.
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Wenn 3 den Überstand des Primärexzenters der die Hauptwelle bezeichnet,
wie er sich aus den Notwendigkeiten der Fertigung ergibt und 4 den Durchmesser der
Hauptwelle sowie 5 die Exzentrizität
des Primärexzenters 2 gegenüber
der Hauptwelle 1 anselben, so berechnet sich der Durchmesser 6 des Primärexzenters
als Summe aus dem Durchmesser der hauptwelle 4 plus zweimal die Exzentrizität 5
zuzüglich zweimal den überstand 3.
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Erfindungsgemäß wird nun der Primärexzenter 2 durch eine Kurbelkröpfung
ersetzt, die aus den beiden Kurbelwangen 7 und 8 sowie dem Hubzapfen 9 mit dem Durchmesser
10 besteht. Dabei entspricht der Durchmesser 10 des hubzapfens 9 in etwa dem Durchmesser
4 der Hauptwelle 1. Die Exzentrizität 5 soll gleich sein wie beim Stand der Technik
emäP Fig. 1.
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wenn man die Fauptwelle 1 mit detn Primärexzenter 2 gemaß Fig. 1 in
ein tTypozykloidengetriebe der in Frage stehenden Art einbaut, so ergibt stich schematisch
ein Triebwerk gemäß Fig. 3.
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Dabei ist ein Kolben 11 in einem Zylinder 12 im Sinne des Doppelpfeils
13 auf und ab bewegbar. Starr oder über ein Kolben bolzengelenk ist mit dem Kolben
11 eine Kolbenstange 14 verbunden, die an ihrem kolbenfernen Ende ein Ringlager
15 trägt, welches den kreisscheibenförmigen Sekundärexzenter 16 umfaßt.
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Weil bei diesen Hypozykloidengetriebe keine Seitenkräfte auftreten
und der Kolben infolgedessen sehr kurz gehalten werden kann, kann man noch eine
zusätzliche, nicht gezeigte Führung für die Kolbenstange 14 vorsehen.
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Die geometrische Achse 17 des Kolbens 11 soll für die nachfolgende
Btetrachtung
unit der Achse 18 eines woordinatensystems 19 mit einer Y-Achse 20 zusammenfallen.
Außerdem sol.l die geometrische Achse 21 der Hauptwelle 1 im Null-Punkt- des Koordinatensystems
19 liegen.
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Die Exzentrizität des kreissoheibenförmigen Primärexzenters 2 gegenüber
der Hauptwelle 1 mit ebenfalls kreis,zylindrischem verschnitt ist in Fig. 3 mit
5 bezeichnet. Darüber erkennt man in derselben Figur die Exzentrizität 22, die der
den Primärexzenter 2 umgebende Sekundärexzenter 16 gegenüber der geometrischen Mitte
oder Achse 23 des Primärexzenters aufweist. Wenn sich der Primärexzenter 2 und die
Hauptwelle 1 beispielsweise im Sinne des Pfeils 24 drehen, so läuft der Sekundärexzenter
mit Hilfe eines nachstehend noch erläuterten Synchronisiergetriebes in Pfeilrichtung
25 um, und zwar mit doppelter Drehgeschwindigkeit. Die Verbindung zwischen dem Synchronisiergetriebe
26 (Fig. 5) und dem Sekundärexzenter 16 erfolgt über ein Trägerrohr 27, welches
drehfest mit dem Sekundärexzenter verbunden ist und in welchem der Primarexzenter
2 gegenläufig umläuft. Außerdem sind mit dem Trägerrohr 27 drehfest zwei Hälften
einer ersten Gegenmasse 28 verbunden, die mit 29 und 30 bezeichnet sind (Fig. 5).
Mit der Hauptwelle 1 sind die beiden C-egenmassenhalften 31 und 32 einer zweiten
Gegenmasse 33 drehfest verbunden. Die Aufteilung in halbe Gegenmassen erfolgt bei
der Einztylindermaschine wegen des dynamischen, Massenausgleichs.
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Die hin und her bewegbare Masse dieses Triebwerks kann in nicht
gezeigter
Weise mittels einer Zusatzmasse ausgeglichen werden, deren Betrag Einfluß auf die
Größe der ersten und zweiten Gegenmasse hat.
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Man erkennt aus Fig. 3, daß beim Stand der Technik ein verhältnismäßig
großer Sekundärexzenter und ein noch größeres Ringlager notwendig sind. Im übrigen
ist der Mittelpunkt des Ringlagers 15 bzw. dessen geometrische Achse, welche zugleich
auch die geometrische Achse des kreisscheibenförmigen Sekundärexzenters 16 bildet,
mit 34 bezeichnet. In Fig. 3 ist die obere Totpunktstellung eines Einzylinder-Hubkolbenmotors
dargestellt.
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Man erkennt deutlich die Zuordnung der verschiedenen geometrischen
Achsen und der Exzentrizitäten 5 und 22. Aufgrund der gleichen Werte dieser beiden
Exzentrizitäten und der gewählten Abmessungen liegt die Drehachse des Sekundärexzenters
16 im Mittelpunkt bzw. der geometrischen Achse 23 des Primärexzenters 2.
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Fig. 4 zeigt eine Einzylindermaschine, deren Triebwer.k mit dem erfindungsgemäßen
Hypozykloidengetriebe ausgestattet ist. Obwohl die einzelnen Teile nicht notwendigerweise
maßstäblich gezeichnet sind, ist doch die Darstellung so gewählt, daß die Relationen
zwischen den einzelnen Triebwerk- bzw. Getriebeteilen in etwa stimmen. Hierbei ist
unterstellt, daß es sich um Motoren mit gleicher Zylinderbohrung, gleichen Spitzendrücken
im Zylinder usw. handelt.
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Man erkennt auf den ersten Blick, daß aufgrund der erfindungsgemäßen
Ausbildung des Hypozykloidengetriebes, d.h. durch die Verwendung einer Kurbelkröpfung
mit den beiden Kurbelwangen 7 und 8 sowie dem Hubzapfen 9, der Sekundärexzenter
16, das diesen umgebende Ringlager 15 sowie die beiden Gegenmassen 28 und 33 bei
gleichen Exzentrizitäten 5 und 22 bedeutend kleiner ausfallen. Ansonsten ist die
Arbeits- und Wirkungsweise dieses erfindungsgemäßen Hypozykloidengetriebes, soweit
nicht anders angegeben, gleich wie dieJenige des Standes der Technik, weswegen,
um Wiederholungen zu vermeiden, auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen wird.
Gleiche Teile erhalten jeweils gleiche Bezugszahlen.
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Um den Sekundärexzenter 16 montieren zu können, ist es erforderlich,
ihn entweder in radialer Richtung zu teilen und die beiden Teile beispielsweise
wie bei einem Pleuel zusammenzuhalten, oder aber, gemäß dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 5, den Hubzapfen 9 aus den beiden Hubzapfenteilen 35 und 36 zu bilden,
die über eine Mirth-Verzahnung 37 oder eine vergleichbare Verbindungsvorrichtung
zusammengehalten sind.
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Während Fig. 5 schematisch einen Einzylindermotor zeigt, dessen Triebwerk
mit dem erfindungsgemäßen Hypozykloidengetriebe ausgestattet ist, ergibt sich aus
Fig. 6 etwas konkreter die Darstellung des erfindungsgemäßen Hypozykloidengetriebes
in Verbindung mit einem Mehrzylindermotor, beispielsweise Vierzylindermotor.
Gezeigt
sind dabei allerdings nur die beiden Kolben 11 des links außen gelegenen Kolbenpaares.
Sie befinden sich in der oberen Totpunktlage. Die Kolben des rechts außen gelegenen
Kolbenpaares stehen demzufolge in der unteren Totpunktstellung.
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Demnach sind hier also auf einem Hubzapfen 9 bzw. einem gemeinsamen
Trägerrohr 27 zwei Sekundärexzenter 16 im seitlichen Abstand angeordnet. Im Zwischenraum
zwischen letzteren befinden sich die beiden mit dem Trägerrohr 27 drehfest verbundenen,
insbesondere einstückig hergestellten ersten Gegenmassen 28 der beiden Triebwerke
des linken Kolbenpaares, die zu einer gemeinsamen Gegenmasse 38 zusammengefaßt sind.
In diesem Falle ist also weder die Aufspaltung in Gegenmassenhälften notwendig,
noch die Anbringung zweier Einzelgegenmassen 28.
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Die gegenläufige Drehrichtung von Sekundär- und Primärexzenter und
die doppelte Drehzahl des Sekundärexzenters 16 gegenüber dem Primärexzenter 2 erreicht
man, wie gesagt, mit Hilfe eines Synchronisiergetriebes 26. Es ist als Umlaufgetriebe
ausgebildet und besitzt ein Sonnenrad 39 sowie Planetenräder 40. Letztere kämmen
mit den Zähnen eines sie umgebenden Hohlrads 41, in die außerdem noch die Zähne
eines Zahnrads 42 eingreifen. Letzteres ist drehfest mit dem Trägerrohr 27 verbunden.
Außerdem kann man es in sehr vorteilhafter Weise so gestalten, daß in seinem Innern
die Kurbelwange 7 Platz findet, so daß das Getriebe an dieser Stelle trotz der Kurbelwange
keine Verbreiterung erfährt. Auch die Kurbelwange 8 führt, wie die Zeichnung
zeigt,
zu keiner Verbreiterung, weil sie in einem Bereich gelegen ist, der ohnehin für
den rechten Kolben 11 des linken Kolbenpaares benötigt wird.