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Hypozykloidengetriebe für eine Hubkolbenmaschine
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Hypozykloidengetriebe für eine
Hubkolbenmaschine, insbesondere Verbrennungskraftmaschine. Unter "Hyposykloidengetriebe"
wird im folgenden ein Getriebe bzw. ein Schubkurbelgetriebe verstanden, das statisch
und dynamisch voll auswuchtbar ist und das durch die Kinematik der Hypozykloide
2:1 bzw. der Kardankreise bzw. des zentrischen gleichschenkligen Geradschubkurbelgetriebes
beschrieben werden kann. nie ab gekürzte Schreibweise "Hypozykloidengetriebe" dient
dem leichteren Verständnis und der kürzeren Formulierung der nachstehenden Ausführungen.Vorzugsweise
handelt es sich dabei um ein Hypozykloidengetriebe mit mindestens einem hin und
her bewegbaren Kolben, desser zelle wenigstens tr:n drehfesten, kreisförmigen Primärexzenter
trt, der gegenläufig in einem Sekundärexzenter drehbar
ist, dessen
Drehachse in der geometrischen Achse des Primärexzenters gelegen ist und dessen
Exzentrizität derjenigen des Primärexzenters entspricht, wobei der Sekundärexzenter
in dem seinem Durchmesser entsprechenden Ringlager gelagert ist, das mittels einer
Kolbenstange geradlinig entlang von deren geometrischer Achse verschiebbar ist,
wobei ferner der Sekundärexzenter mit einer ersten Gegenmasse und der Primärexzenter
mit einer zweiten Gegenmasse drehfest verbunden sind und wobei außerdem ein Synchronisiergetriebe
bewirkt, daß der Sekuncirexzenter relativ zum Primärexzenter gegenläufig mit doppelter
Winkelgeschwindigkeit dreht. Dabei dienen die Gegenmassen in bekannter Weise dem
vollständigen statischen und dynamischen Massenausgleich der gesamten bewegten Massen.
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Es kann sich beispielsweise auch um ein Hypozykloidengetriebe handeln,
bei welchem an der Kolbenstange das eine Ende eines Pleuels angelenkt ist, dessen
anderes Ende drehbar mit einer Kurbel verbunden ist, wobei die Kurbel im WotorgehRuse
fest gelagert ist und die Länge des Pleuels gleich dem Kurbelradius ist. Dabei tragen
sowohl das Pleuel als auch die Kurbel in Analogie zum vorstehend beschriebenen Hypozykloidengetriebe
Je eine Gegenmasse.
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flin Hypozykloiden-Getriebe bzw. -Triebwerk der eingangs genannten
Art ist beispielsweise durch die DE-PS 27 20 284 bekannt geworden. Bei diexem Mypozykloidengetriebe
wird bei der Berechnung des
Massenausgleichs davon ausgegangen,
daß die Bewegung des Mittelpunkts des Sekundärexzenters aus einer Uberlagerung der
Drehbewegungen des Mittelpunkts des Primärexzenters um die Hauptwelle und des Mittelpunkts
des Sekundärexzenters um den Mittelpunkt des Primärexzenters resultiert. Der hin
und her bewegbaren Masse die ses Hypozykloidengetriebes des Standes der Technik
wird eine Zusatzmasse hinzugefügt, welche den Schwerpunkt dieses hin und her bewegbaren
Systems in den Mittelpunkt des Sekundärexzenters legt.
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Aufgrund dessen kann man durch eine erste Gegenmasse am Sekundärexzenter
den Schwerpunkt dieser bisher erwähnten Massen in den Mittelpunkt des Primärexzenters
legen. Durch eine zweite Gegenmasse am Primärexzenter kann man den Schwerpunkt des
gesamten Systems in die geometrische Achse der Hauptwelle bringen. Mit Hilfe dieser
Zusatzmasse sowie der ersten und zweiten Gegenmasse ist dieses Triebwerk statisch
und dynamisch vollkommen ausgewuchtet, wobei unterstellt ist, daß zum dynamischen
Ausgleich die Gegenmassen Jeweils aus Gegenmassenpaaren bestehen.
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Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die Zusatzmasse nicht nur die
hin und herbewegbare Masse vergrößert, sondern auch die erste und zweite Gegenmasse.
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Dies führt zu einem vergleichsweise schweren und letztlich auch großen
Triebwerk.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht infolgedessen darin, ein Triebwerk
der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß es leichter und zweckmäßigerweise
auch kleiner wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß
bei einem Hypozykloidengetriebe für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere Verbrennungskraftmaschine
die hin und her bewegbare, im wesentlichen aus Kolben, Kolbenstange und Kolbenstangen-Ringlager
bestehende Masse zusatzmassenlos ist.
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Schon allein aufgrund des Wegfalls einer Zusatzmasse für die hin und
her bewegbare Masse erreicht man eine Gewichtsreduzierung dieses Hypozykloidengetriebes.
Weil Jedoch die Zusatzmasse beim "tand der Technik die erste sowie die zweite Gegenmasse
im Sinne einer Massenvergrößerung beeinflußt, können die erste und zweite Gegenmasse
des erfindungs gemäßen Hypozykloidengetriebes wegen entfallender Zusatzmasse bei
einem Getriebe bzw. Triebwerk gleicher Größe kleiner dimensioniert werden, ohne
einen Nachteil hinsichtlich des vollständigen Massenausleichs in Kauf nehmen zu
müssen.
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Aufgrund der nunmehr insgesamt kleineren Masse dieses Hypozykloidengetriebes
erreicht man auch eine leichtere Bauform mit geringerem Platzbedarf.
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Der Schwerpunkt der hin und her bewegbaren Masse des mit dem erfindungsgemäßen
Hypozykloidengetriebe versehenen Triebwerks liegt zwischen dem Kolben und dem Mittelpunkt
des Sekundärexzenters auf der geometrischen Achse des Kolbens. Für die Berechnung
der ersten und nachfolgend auch der zweiten Gegenmasse kann man den
Massenschwerpunkt
der hin und her bewegbaren Masse in Uberelnstimmung mit den Gesetzen der technischen
Mechanik gedanklich entlang der geometrischen Achse des Kolbens in den Mittelpunkt
des- Sekundärexzenters verschieben. Dadurch ist die bei der Berechnung der ersten
und nachfolgend auch der zweiten Gegenmasse zu berücksichtigende Masse aus der hin
und her bewegbaren Masse wesentlich kleiner als beim bekannten Stand der Technik.
Es kann sich bei-spielsweise für das gesamte Triebwerk eine Massenreduzierung in
der Größenordnung von etwa 30 % ergeben.
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Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 Ein Schema eines Triebwerks mit dem
erfindungsgemäßen Hypozykloidengetriebe als Kreuzkopfmaschine mit dem Kurbel verhältnis
3 = 1, Fig. 2 In schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Triebwerk mit Primär-
und Sekundärexzenter von vorne, und Fig. 3 das Triebwerk der Fig. 2 von der Seite,
teilweise geschnitten.
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In einem Zylinder la ist ein Kolben 2 im Sinne des Doppelpfeils 3
auf und ab bewegbar. Die geometrische Achse 4 des Kolbens 2 und gleichzeitig auch
einer aber ein Kolbenbolzengelenk mit dem Kolben
verbundenen Kolbenstange
5, welche in einer Führung lb gerade geführt werden kann, soll für die nachfolgende
Betrachtung mit der X-Achse 6 eines Koordinatensystems 7 mit Y-Achse 8 zusammenfallen.
Außerdem soll die geometrische Achse 9 einer Hauptwelle 10 im Null-Punkt des Koordinatensystems
7 liegen. Mit der Hauptwelle 10 ist eine Kurbelkröpfung 11 drehfest verbunden, die
sich um die geometrische Achse 9 dreht. Der Mittelpunkt des Kurbelzapfens liegt
im Schema der Fig. 1 im Punkt 12. Er ist in einem Pleuel 13 drehbar gelagert, dessen
kolbenseitiges Pleuelauge 14 auf der geometrischen Achse 4 bzw. der X-Achse 6 gelegen
ist. Mit dem Pleuel 13 ist eine erste Gegenmasse 15 und mit der Kurbelkröpfung 11
eine zweite Gegenmasse 16 verbunden.
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In den Fig. 2 und 3 sind ein Primärexzenter 25 und ein Sekundärexzenter
26 als kreisscheibenförmige Exzenter dargestellt, wobei sich der Primärexzenter
25, wie Fig. 3 der Zeichnung deutlich zeigt, im Innern des Sekundärexzenters 26
befindet.
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Der Primärexzenter 25 ist drehfest auf die Hauptwelle 10 aufgesetzt,
während mit dem Sekundärexzenter 26 ein Trägerrohr 17 drehfest verbunden ist. Letzteres
stellt gewissermaßen ein Kupplun£sglied zwischen dem Sekundärexzenter 26 und einem
Synchronisiergetriebe 18 dar. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Umlauf getriebe
handeln. Es bewirkt, daß der Sekundärexzenter 26 relativ zum Primärexzenter 25 gegenläufig
mit doppelter Winkelgeschwindigkeit dreht.
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Der Primärexzenter ist, wie gesagt, mit einer zweiten Gegenmasse 16
verbunden. Wegen des dynamischen Massenausgleichs besteht diese gemäß Fig. 3 aus
einem Gegenmassenpaar, wobei die Gegenmassenhälften drehfest auf die Hauptwelle
10 aufgesetzt sind, die ihrerseits, wie bereits ausgeführt wurde, drehfest mit dem
Primärexzenter 25 gekoppelt ist. Auch die erste Gegenmasse 15 besteht aus einem
Gegenmassenpaar mit Jeweils der halben Gegenmasse. Diese beiden halben Gegenmassen
der ersten Gegenmasse 15 sind drehfest am Trägerrohr 17 gehalten, das drehfest mit
dem Sekundärexzenter 26 verbunden ist (Fig. 3) und, wie auch die Hälften der zweiten
Gegenmasse, beidseits der Synmetriemittelebene angeordnet. Die Hälften der ersten
Gegenmasse 15 sind in Fig. 3 mit 15a und 15b bezeichnet. Analog tragen die Hälften
der zweiten Gegenmasse 16 in dieser Figur die Bezeichnungen 16a und 16b.
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Der Sekundärexzenter 26 ist in einem Ringlager 19 drehbar gelaperlt,
das fest mit der Kolbenstange 5 verbunden, gFegebenenfalls -zumindest teilweise
- einstückig damit gefertigt sein kann. In Fig. 2 erkennt man den Mittelpunkt 20
der Hauptwelle 10, den Mittelpunkt 21 des Primärexzenters 25 und den Mittelpunkt
22 des Sekundärexzenters 26, der zugleich auch der Mittelpunkt des Ringla gers 19
ist. Durch diese Mittelpunkte verlaufen die geometrischen Achsen der genannten Teile
senkrecht zur Bildebene der Fig. 2.
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Des weiteren ersieht man aus Fig. 2, die das Hypozykloidengetriebe
in der oberen Totpunktstellung darstellt, daß der Abstand
23 des
Mittelpunkts 20 der Hauptwelle vom Mittelpunkt 21 des Primärexzenters genau so groß
ist wie der Abstand 24 des Mittelpunkts 21 des Primärexzenters vom Mittelpunkt 22
des Sekundärexzenters und wie die Exzentrizitäten einander zugeordnet sind. Zugleich
bildet aber der Mittelpunkt 20 bzw. die dort hindurchgehende geometrische Achse
die Drehachse für den Primärexzenter 25, worauf vorstehend bereits hingewiesen wurde.
Außerdem erkennt man aus diesen geometrischen Zusammenhängen, daß die Exzentrizität
des Primärexzenters derJenigen des Sekundärexzenters entspricht. Infolgedessen liegt
also die Drehachse des Sekundärexzenters im Mittelpunkt 21 des Primärexzenters.
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Obwohl die Darstellung in den Fig. 2 und 3 nicht maßstäblich ist,
erkennt man die kompakte Bauform dieses Triebwerks mit dem neuen Hypozykloidengetriebe
und insbesondere die geringe Größe der ersten und zweiten Gegenmasse 15,16. Dies
wird, wie gesagt, durch den Verzicht auf eine Zusatzmasse zu der hin und hergewegbaren
Masse des mit diesem Hypozykloiden- oder Schubkurbelgetriebe ausgegestatteten Triebwerks
erreicht. Möglich wurde dies allerdings erst aufgrund eingehender theoretischer
Überlegungen zur Kinematik solcher Getriebe und Triebwerke, insbesondere im Hinblick
auf ihren Massenausgleich. Hierzu war es notwendig, im Gegensatz zu der in der DE-PS
27 20 284 angewandten Theorie, die Bewegung der Massen im Absolutsystem zu betrachten.
Eine weitere wichtige Überlegung besteht darin, daß es für die Errechnung der ersten
Gegenmasse, d.h. der Gegenmasse des Sekundärexzenters, möglich und sinnvoll ist,
den
Massenmittelpunkt der hin und her bewegbaren Masse gedanklich
in den Mittelpunkt des Ringlagers bzw. Sekundärexzenters zu legen, obwohl er in
Wirklichkeit - z.B. bei der Einzylindermaschine -zwischen dem Mittelpunkt des Ringlagers
und dem Kolben bzw. der freien Kolbenfläche liegt. Es ist nicht erforderlich, den
Schwerpunkt körperlich dort hinzulegen. Das bedeutet, daß der Abstand des Schwerpunktes
der hin und her bewegbaren Masse vom Mittelpunkt 22 des Ringlagers 19 für die Berechnung
des Massenausgleichs der ersten Gegenmasse und damit auch der zweiten Gegenmasse
unberücksichtigt bleiben kann. Hierzu gehört auch noch die Fr' is, daß die XfassenlfrSte
in x-T?ichtung von der Beschleunigunr, nicht aber von der Lage des Gesamtschwerpunktes
des Triebwerks auf der x-Achse abhängig sind. Allein aufgrund dieser theoretischen
Überlegungen war die erfindungsgemäße Ausbildung des Hypozykloidengetriebes möglich.
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Das Hypozykloidengetriebe wurde vorstehend anhand einer Hubkolbenmaschine
mit einem Zylinder erläutert. Selbstverständlich kann es genau so wie das vorbekannte
auch für Hubkolbenmaschinen mit zwei und mehr Zylindern verwendet werden. Diese
Zylinder müßten keinesfalls ein Reihe stehen, vielmehr ist auch eine V-Anordnung
möglich.