DE3232974C2

DE3232974C2 - Triebwerk zum Umwandeln von Rotationsbewegung in lineare Bewegung

Info

Publication number: DE3232974C2
Application number: DE19823232974
Authority: DE
Inventors: Michael 6108 Weiterstadt Mayer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-09-04
Filing date: 1982-09-04
Publication date: 1986-09-04
Also published as: DE3232974A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein neuartiges Triebwerk zur Umwandlung von Rotationsbewegung in hin- und hergehende Linearbewegung bzw. umgekehrt, das auch bei kurzhubigen Motoren bzw. Kompressoren die mit dem Kolben verbundenen Hubzapfen einer oder mehrerer rotierender Wellen derart gradlinig bewegt, daß keine Seitenkräfte auf Kolben und Kolbenstangen wirken. Hierbei wird mindestens eine auf eine Kreisbahn umlaufende Welle benützt, die entgegengesetzt zur Umlaufrichtung mit gleicher Winkelgeschwindigkeit um ihre eigene Achse rotiert. Die Welle trägt einen oder mehrere Hubzapfen, deren Exzentrität gleich dem Radius der genannten Kreisbahn ist und auch mindestens einen Kurbelzapfen hat, bei dem der Abstand zwischen den Achsen der Exzenterwellen und der Achsen der Kurbelzapfen gleich dieser Exzentrizität ist. Von der Gesamtzahl der Achsen der Kurbelzapfen und der umlaufenden Welle werden wenigstens zwei Achsen auf getrennten kreiszylindrischen Umlaufbahnen mit der genannten Kreisbahn entsprechendem Radius zwangsgeführt. Durch besondere Mittel werden die Achsen in vorgegebenen Abständen gehalten und außerdem so geführt, daß die jeweils durch zwei dieser Achsen gelegte Ebene bzw. Ebenen parallel zu sich verschoben werden. Ferner sind Mittel zur Synchronisierung der Eigenrotation der umlaufenden Welle mit gleicher Winkelgeschwindigkeit und gegensinnig zur Umlaufbewegung der Achsen vorgesehen.

Description

2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Führung der Achse (10') der umlaufenden Welle (10) in einer Umlaufbahn erfolgt die in einer exzentrischen Bohrung von Schwungscheiben (25) vorgesehen ist (F i g. 1 IA).

3. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Mittel zur Konstanthaltung der Abstände zwischen der Achse mindestens einer umlaufenden Welle (iO) und der Achse mindestens eines Kurbelzapfens (4) als geschlossenes Joch (16) ausgebildet sind, welches Lager zur Aufnahme von mindestens einem Kurbelzapfen, mindestens einer Exzenterwelle (1) sowie für die Lagerzapfen der umlaufenden Welle (10) hat (F ig. 7B).

4. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Mittel zur Synchronisierung der Eigenrotation der umlaufenden Welle (10) mit gleicher Winkelgeschwindigkeit und gegensinnig zur Umlaufbewegung der Achsen der umlaufenden Welle bzw. der Kurbelzapfen (4, 5, 6) darin bestehen, daß an der umlaufenden Welle ein Zahnrad (9) koaxial und drehfest befestigt ist das mit einem weiteren Zahnrad (4', 5' oder 6') gleichen Durchmessers kämmt das koaxial und drehfest an einem Kurbelzapfen einer Exzenterwelle (1,2,3) befestigt ist(F i g. 1).

5. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Joch (16) den Lagerzapfen (12) der umlaufenden Welle (10) und den Kurbelzapfen (4,5,6) jeweils auf einem Teil des Umfanges umgibt, um den maximalen Abstand zwischen den Achsen zu begrenzen, und daß die umlaufende Welle eine koaxiale Scheibe (9S) trägt welche sich an den Exzenterwellen zu Kurbelzapfen koaxial angeordnete Scheibe (45,55, 65; rollend berührt (F i g. 7,8,1 IC).

6. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Kurbelzapfen (4,5,6) und Lagerzapfen

(12) scheibenförmig für eine gegenseitige Rollenberührung vergrößert sind (F i g. T).

7. Triebwerk nach Anspruch 1, wobei mindestens drei, vorzugsweise in zur umlaufenden Welle gleichwinkeligen Abständen sngeortLiete Kurbelzapfen (4,5,6) oder exzentrische Scheiben (45,55,65,} vorgesehen sind, die in Lagerschein 22 eines sie außen umgebenden Joches (16) gelagert sind, dadurch gekennzeichnet daß die mit dem Kurbelzapfe: verbundenen Exzenterscheiben (45,55,65^ die Scheiben (9S) der umlaufenden Welle (10) umgeben und berühren (F i g. 7C).

8. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1—6, dadurch gekennzeichnet daß zur Synchronisierung der S Eigenrotation der umlaufenden Welle (10) mit gleicher Winkelgeschwindigkeit und gegensinnig zur Umlauf- I bewegung von Achsen der Kurbelzapfen (4,5,6) bzw. der umlaufenden Welle bzw. um die umlaufende Welle I

auf einer Kreisbahn zu führen, letztere mindestens zwei, vorzugsweise in gleichen Winkelabständen angeordnete Hubzapfen (HA 115^ trägt die je in einer linear geführten Schubstange drehbar gelagert sind (F ig. 10).

9. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Synchronisierung der Eigenrotation der umlaufenden Welle (10) mit gleicher Winkelgeschwindigkeit und im Gegensinn zur Umlaufbewegung der Achsen der Kurbelzapfen (4,5,6) bzw. der umlaufenden Welle ein an dieser Stelle koaxial und drehfest befestigtes Zahnrad (9) vorgesehen ist, das einen Teilkreisdurchmesser von der 2fachen Exzentrizität ε hat und das mit einem innenverzahnten Rad kämmt, welches einen Effektivdurchmesser der 4fachen Exzentrizität £ hat und ortsfest im Maschinengehäuse befestigt ist

einem Zahnrad exzentrisch zu lagern, das an einem auf der Stirnseite des großen Abtriebszahnrades befindlichen Zapfen gelagert ist und über ein Zwischenzahnrad mit einem koaxial zum Abtriebszahnrad angeordneten ortsfesten zentralen Zahnrad in Eingriff ist

Insbesondere bei Dampflokomotiven erfolgt die Umwandlung der Bewegung mit Hilfe eines sogenannten Kreuzkopfes; infolge der verhältnismäßig großen Länge dieser Getriebeanordnung kann sie bei gedämpfter Bauweise nicht verwendet werden. Bei Brennkraftmaschinen dienen meist Pleuel zur Verbindung zwischen kreisendem Kurbelzapfen und dem linear bewegten Kolben, wobei der Mantel des Kolbens die Geradführung übernimmt; dies führt zu seitlichen Abnutzungen des Kolbens und/oder der Zylinderwand und erfordert verhältnismäßig lange Kolben.

Es sind ferrer sogenannte Kardankreispaar-Triebwerke bekannt, bei denen ein Stirnrad von einer Kurbelwel-Ie zum Umlauf in einem ortsfest montierten innenverzahnten Rad des zweifachen Durchmessers gebracht wird, wobei das Stirnrad eine elliptische Bewegung macht Diese Triebwerke sind für kurzhubige Motoren nicht geeignet Schließlich sind sogenannte Parsons-Triebwerke bekannt, bei denen die Kolben und Kolbenstangen erhebliche Seitenkräfte aufnehmen müssen. Da bei diesen Triebwerken die umlaufenden Wellen in Teilen gelagert sind, die gegensinnig zur Eigenrotation der umlaufenden Welle rotieren, arbeitet diese Lagerung effektiv mit doppelter Winkelgeschwindigkeit der einzelnen Teile.

Durch die vorliegende Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein Triebwerk anzugeben, welches auch bei kurzhubigen Motoren bzw. Kompressoren die mit dem Kolben verbundenen Hubzapfen einer oder mehrerer rotierender Wellen derart geradlinig bewegt, daß keine Seitenkräfte auf Kolben und Kolbenstangen wirken. Hierbei sollen die für das Triebwerk erforderlichen Maschinenelemente einfach und kostengünstig herstellbar sein, und es soll in verhältnismäßig einfacher Weise ein vollständiger Massenausgleich realisiert)--;- sein.

Diese Aufgabe wird bei einem Triebwerk der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des ersten Patentanspruches angegebenen technischer. Mittel gelöst

Weitere Fortbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden nachstehend in Verbindung mit den Ausführungsbeispielen darstellenden, zum Teil schematisch vereinfachten Figuren beschrieben. In diesen sind einander entsprechend«; Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen, und es sind alle zum Verständnis der Erfindung nicht notwendigen Einzelheiten fortgelassen worden. Es zeigt

F i g. 1 ein gemäß der Erfindung ausgeführtes Triebwerk in Verbindung mit einem Zylinder einer Brennkraftmaschine im Längsschnitt;

F i g. 2 einen Schnitt entlang der Linien A-B der F i g. 1, jedoch zwecks leichterer Verständlichkeit der Darstellung mit einer gegenüber der Darstellung in F i g. 1 abgeänderten Stellung der Kurbelzapfen;

F i g. 3 ein Triebwerk mit drei Exzenterwellen, weiche mit der umlaufenden Welle gekoppelt sind und deren Abstand durch die umlaufenden Bänder konstant gehalten wird, in isometrischer Darstellung;

F i g. 4 eine Variante des Triebwerkes nach F i g. 3 in isometrischer Darstellung;

F i g. 5 eine andere Ausführungsform des Triebwerkes in Verbindung mit zwei gleichsinnig bewegten Kolben von zwei Zylindern einer Brennkraftmaschine, das vordere Joch ist links fortgelassen;

F i g. 6 einen Schnitt entlang der Linie A.-B der F i g. 5;

F i g. 7 ein halboffenes Joch mit darin gelagerten Kurbelzapfen und Wellen als Variante zu der in F i g. 5 gezeigten Ausführungsform;

F i g. 7A symbolisch die Exzentrizitäten der Kurbelzapfen und des Hubzapfens der umlaufenden Welle; F i g. 7B ein geschlossenes Joch mit darin gelagerten Kurbelzapfen und Wellen, wie in F i g. 5 dargestellt;

F i g. 7C ein ganz offenes Joch, bei dem die umlaufende WeIL-in drei Scheiben gelagert ist;

F i g. 8 in vereinfachter Darstellung ein erfindungsgemäß ausgebildetes Triebwerk in Verbindung mit drei um je 120° gegeneinander versetzten Kolben einer Dreizylinder-Brennkraftmaschine;

F i g. 9 einen Schnitt entlang der Linien Λ-ßder F i g. 8;

Fig. 10 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Triebwerkes in Verbindung mit einem sogenannten Parsons-Getriebe;

F i g. 11 eine weitere Ausführungsform des Triebwerkes in Verbindung mit einer linear geführten Schubstange eines Kolbens;

F i g. 11 a einen Schnitt entlang der Linie £-Fder F i g. 11; F i g. 1 Ib einen Schnitt entlang der Linie A-B der F i g. 11;

F i g. 1 Ic einen Schnitt entlang der Linie C-Dder F i g. 11;

Fi g. 12 eine mit einem Hubzapfen der umlaufenden Welle gekoppelte ölpumpe im Längsschnitt; eine mit einem anderen Hubzapfen gekoppelte zweite ölpumpe, 4ertji Längsachse rechtwinklig zur erstgenannten ölpumpe verläuft, ist angedeutet; F i g. 13 schematisch eine umlaufende Welle mit dynamischen Ausgleichsmassen.

Die F i g. 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform des Triebwerkes, bei der zwei Exzenterwellen 1 und 2 um ihre Mittelachse 1' bzw. 2' rotieren und je zwei Kurbelzapfen AA und AB bzw. SA und SB tragen. Diese Kurbelzapfen haben alle die gleiche Exzentrizität ε und sind über entsprechend abgekröpfie Seitenwangen mit den zugeordneten Wellen verbunden. Die genannten Kurbelzapfen AA, AB, SA und SB tragen je ein auf ihnen konzentrisch angeordnetes, drehfest verbundenes Zahnrad 4' bzw, 5', Die beiden untereinander gleich großen Zahnräder 4' und 5' kämmen mit einem gleich großen Zahnrad 9, welches konzentrisch und drehfest auf der umlaufenden Welle 10 befestigt ist. Die umlaufende Welle 10 hat einen dieselbe Exzentrizität ε aufweisenden Hubzapfen 11. Dieser ist drehbar in der Schubstange 13 gelagert. Werden die miteinander gekoppelten Wellen 1,2 und 10 in Rotation versetzt, dann beschreibt die Schubstange 13 eine gradlinige Bewegung, wie dies durch den Pfeil 14 in F i g. 1 angedeutet ist. Wenn die Schubstange 13 als Kolbenstange einer Dampfmaschine oder einer Brennkraftmaschine (letzteres ist in F i g. 1 angedeutet) ausgebildet ist, dann werden bei der gradlinigen Bewegung des mit der Schubstange 13 verbundenen Kolbens 15 die umlaufende Welle 10 sowie die Exzenterwellen 1 und 2 in

Rotation versetzt, und die von der Brennkraftmaschine gelieferte Kraft kann über die Exzenterwelle 2 oder — wie in F i g. 2 angedeutet — über die Exzenterwelle 1 abgenommen werden.

Durch die lineare Bewegung der Schubstange 13 wird die umlaufende Welle 10 derart bewegt, daß das Achsmittel 10' parallel zu sich entlang des Mantels eines Kreiszylinders bewegt wird, während sich die umlaufende Welle 10 gegensinnig dazu und mit gleicher Winkelgeschwindigkeit um die eigene Achse 10' dreht

Die Kurbelzapfen AA und SA sowie die umlaufende Welle 10 sind in einem Joch 16,4 drehbar gelagert. Hierdurch werden die Achsen der genannten Kurbelzapfen stets in konstantem Abstand voneinander und von der Mittelachse 10' der umlaufenden Welle 10 gehalten.

In analoger Weise sind die Kurbelzapfen AB und 5B sowie die umlaufende Welle 10 in einem Joch ίβΒ drehbar

to gelagert Durch diese beiden Joche 16Λ und 16ΰ und durch die miteinander kämmenden Zahnräder 4', 5' und 9 wird sichergestellt, daß die Kurbelzapfen AA, AB, 5A und 5B mit untereinander gleicher Winkelgeschwindigkeit rotieren, und die umlaufende Welle 10, gegensinnig zu ihrer Umlaufbewegung, um die eigene Achse rotiert. In

F i g. 1 ist der Umlaufsinn der Exzenterwellen 1 und 2 durch Pfeile angedeutet. Die Achse 10' der umlaufenden Welle 10 wird, wie bereits erwähnt entlang eines Kreiszylindermantels geführt; dieser Kreis ist in F i g. 1

gestrichelt eingezeichnet und mit 10" bezeichnet. Die Richtung der Rotation der Zahnräder ist in Fig. 1 durch die Pfeile angedeutet Die umlaufende Welle 10 rotiert in ihre Achse 10' gegensinnig zur Rotationsbewegung der

Welle 1 und 2 bzw. der diesen Wellen zugeordneten Kurbelzapfen 4 und 5.

Bei einem 4-Takt-Verbrennungsmotor nach Fig. 1 wird die Bewegung des Kolbens 15 zusätzlich dazu benutzt, um Luft bzw. Kraftstoffgemisch vorzuverdichten, bevor es in die Brennkammer gelangt Beim Hochfahren des Kolbens 15 wird Luft über ein Einweg-fviembranventii i9 angesaugt und anschließend bei der Bewegung des Kolbens nach unten verdichtet und über ein weiteres Einweg-Membranventil 20 in ein Zwischenrohr verdrängt das zum Zylinderkopf des Motors führt. Pro Arbeitstakt erfolgen zwei dieser Vorverdichtungstakte und bewirken eine Aufladung des Motors.

In F i g. 5 ist das Grundprinzip eines Triebwerkes für die Umwandlung einer Rotationsbewegung in drei lineare Bewegungsrichtungen dargestellt. Diese drei Bewegungsrichtungen, welche jeweils um 120° gegeneinander verschoben sind, werden durch Pfeile A, B, C angedeutet. Während bei der Ausführungsform nach F i g. 1 und 2 nur zwei Exzenterwellen 1 und 2 vorgesehen sind, werden bei der Ausführungform nach F i g. 3 drei Exzenterwellen 1,2 und 3 vorgesehen. Diese drei Exzenterwellen tragen je einen Kurbelzapfen 4,5 und 6. Jeder dieser Kurbelzapfen trägt ein konzentrisch mit ihm angeordnetes ircid mit ihm fest verbundenes Zahnrad 4' bzw. 5' bzw. 6', welche alle mit einem gleich großen Zahnrad 9 kämmen, welches konzentrisch und drehfest auf der umlaufenden Welle 10 befestigt ist

Die umlaufende Welle 10 trägt bei dieser Ausführungsform drei Hubzapfen HA, Hfl und HC Jeder dieser Hubzapfen trägt ein in der Figur nicht dargestelltes Lager für die in der Figur ebenfalls nicht dargestellten Schubstangen. Die Mittellinien der Schubstangen sind durch die Pfeile A, B, Cangedeutet Mit diesen Schubstangen sind üblicherweise die Kolben einer Brennkraftmaschine verbunden, welche das Triebwerk antreiben.

Der Abtrieb erfolgt — analog zur Ausführungsform der F i g. 1 und 2 — über eine oder mehrere der Wellen 1, 2 und 3.

"wird dieses Triebwerk in einem Kompressor verwendet, dann dient eine der Wellen 1,2 und 3 für den Antrieb,

und die Hubzapfen WA, WB, HCbetätigen die zugeordneten Kolben des Kompressors. Die mit den Kurbelzap fen 4,5 und 6 drehfest verbundenen Scheiben AS, 55 und 65 werden von einem endlosen Band 18 umschlungen.

Die Figur zeigt die Scheiben AS, 5S und 65 mit den gleichen Durchmessern wie die Teilkreise der daneben

befindlichen Zahnräder 4,5 und 6.

Auf der umlaufenden Welle 10 ist neben dem Zahnrad 9 eine Scheibe 95 vorgesehen, welche den gleichen Durchmesser hat wie der Teilkreis des Zahnrades 9. Andere Ausführungen, bei denen die Scheiben nicht denselben Durchmesser haben wie die Teilkreise der zu ihnen koaxial gelagerten Stirnräder, sind grundsätzlich auch möglich. Es müssen nur die Summen der Durchmesser der Teilkreise von kämmenden Stirnrädern und der Durchmesser von den dazu koaxial angeordneten Scheiben gleich sein. Bei dicht nebeneinanderliegenden Zahnrädern und Scheiben erlaubt das Hinterdrehen der Scheibe ein problemloses Fräsen des Zahnrades.

Die Scheiben 45,55 und 65 rollen auf der Scheibe 95, und dadurch und durch die Wirkung des Bandes 18 sowie durch die ortsfeste Lagerung der Exzenterwellen 1,2 und 3 wird sichergestellt, daß die Achsen der Kurbelzapfen 4, 5 und 6 untereinander und von der Achse der umlaufenden Welle 10 stets einen gleichbleibenden Abs'snd einhalten und sich im Gleichlauf bewegen.

Wenn die Scheiben 45,55, 65 und 95 in Achsrichtung eine ausreichende Länge haben, ist die Führung der umlaufenden WeUe 10 gesichert Es ist jedoch meist zweckmäßig, diesen genannten Scheiben nur eine verhältnismäßig geringe axiale Länge zu geben und dafür zusätzlich noch ein in spiegelbildlicher Anordnung — so wie in F i g. 3 rechts dargestellt — zusätzlich drei Exzenterwellen mit je einem Kurbelzapfen, je einem Zahnrad und je einer zugehörigen Scheibe sowie einem zusätzlicher. Band 18' derart anzuordnen, daß die genannten zusätzlichen Scheiben eine auf der umlaufenden Welle befindliche zusätzliche Scheibe 95'berühren. Hierdurch wird die umlaufende Welle 10 im Bereich ihrer beiden Enden gut geführt

Die Wellen 1,2 und 3 können sich auch über praktisch die ganze Länge der umlaufenden Welle 10 erstrecken, wie dies in Fig.4 dargestellt ist in diesem Fall ist es nicht notwendig, an der auf der in der Figur rechts eingezeichneten Seite Zahnräder anzuordnen. Es genügt, wenn die vom Band 18' umschlungenen Scheiben 45', 55'und 65'die Scheibe 95'berühren und auf dieser abrollen.

F i g. 5 zeigt eine Ausführungsform des Triebwerks in Verbindung mit zwei koaxial gleichsinnig bewegten Kolben 15A und i5B einer Brennkraftmaschine. Drehventile 19Λ und 20Λ nach Cross sind angedeutet, welche den Einlaß sowie die Oberleitung des bei der Koibenbewegung auf der Unterseite des Kolbens vorverdichieten Gases in Zwischenrohre steuern, die über bekannte Einlaßventile zu den Brennkammern führen. Die Schubstangen 13/4 und 13ßsind an einem Lager des Hubzapfens ί 1 der umlaufenden Welle 10 befestigt Diese umlaufende

Welle 10 ist mittels eines in der Figur angedeuteten Kugellagers im Joch 16 gelagert. Die Ausführungsform und Arbeitsweise dieses Joches 16 entspricht weitgehend der in Verbindung mit Fi g. 1 beschriebenen Ausführung und Arbeitsweise.

Das auf der umlaufenden Welle 10 befindliche Zahnrad 9 kämmt mit den auf den Kurbelzapfen 4/4 und 5/4 befindlichen und konzentrisch zu diesem angeordneten Zahnrädern 4' und 5'. Auf der in der F i g. 5 linken Seite 5 des Joches befindet sich der Kurbelzapfen AA, der durch einen Kreis angedeuteten Welle 1.

Bei dieser Ausführungsform trägt der Kurbelzapfen AA ein Zahnrad, welches mit dem Zahnrad 9 kämmt, da keine ausreichende Führung des Joches durch eine Geradführung des Hubzapfens 11 bzw. der Schubstangen 13Λ '-nd 13ß gewährleistet wäre.

Zur Verdeutlichung der Konstruktion des Joches 16 und der Anordnung der Exzenterwellen, der Kurbelzap- io fen und der umlaufenden Welle ist in F i g. 6 ein Schnitt entlang der Linien A -B der F i g. 5 dargestellt.

In F Ί g. 7 ist eine Ausführungsform des Joches 16 dargestellt, welches als halboffenes Joch bezeichnet werden kann. In der Figur sind die scheibenförmigen (wie in der Ausführungsform nach F i g. 3) vergrößerten Kurbel- ¹I

zapfen AA und 5/4 der Exzenterwellen 1 und 2 sowie die bei der Beschreibung der Fig.3 bereits erwähnte Scheibe 95 der umlaufenden Welle 10 sowie der Hubzapfen 11 dargestellt. Durch die beiden Lagerschalen 22 15 und die diese verbindenden Seitenteile 23 wird der Abstand der Achsen der Kurbelzapfen und der umlaufenden '·-

Welle konstant gehalten. Mit diesen sind drehfest koaxial verbundene Zahnräder vorgesehen, die miteinander ;

kämmen — jedoch in der Figur nicht dargestellt sind. Neben der F i g. 7 sind als F i g. 7A symbolisch die 1

Exzentrizitäten ε der beiden Kurbelzapfen der Exzenterwellen 4 und 5 sowie des Hubza pfens 5 der umlaufenden Weile iO als kurze Pfeile dargestellt. Der längere uuppelcudigc Pfeil 14 hat die vierfache Länge der kurzen Pfeile 20 ~

und stellt den Hub und die Bewegungrichtung des Hubzapfens 11 dar.

F i g. 7B zeigt zum Vergleich ein innen geschlossenes Joch, das der F i g. 5 entnommen wurde. Die Anordnung der Wellen und der Zahnräder und die Exzentrizitäten sind wie in den F i g. 7 und 7 A.

F i g. 7C zeigt ein innen ganz offenes Joch, bestehend aus drei Lagerschalen 22, die mit Schrauben und Muttern untereinander verbunden sind. Das Joch berührt drei Kurbelzapfen 4,5,6 (nicht dargestellt) oder drei Scheiben 25 _: 1

45,55,65, die mit gleicher Exzentrizität an Exzenterwellen 1,2 und 3 befestigt sind. Im Falle der Scheiben 45.55 \

und 65 werden diese mit einer weiteren Scheibe 95 der umlaufenden Welle 10 durch das Joch in Berührung '

gehalten. Somit wird der Abstand zwischen den Achsen der Kurbelzapfen 4,5,6 bzw. der Scheiben 45,55,65 und f*

der umlaufenden Welle 10 konstant gehalten. Üblicherweise sind koaxial zu diesen Scheiben Stirnräder mit H

gleichem Teilkreisdurchmesser befestigt. Der Einfachheit halber werden in den Figuren Scheiben mit gleichem 30 i

Durchmesser dargestellt, doch ist eine Gleichheit in Berührung stehender Scheiben nicht unbedingt erforderlich. ή

Ein derartiges Joch könnte bei dem in den F i g. 3 und 4 dargestellten Triebwerk ein Band ersetzen. '■;

F i g. 8 und 9 zeigen in schematisch stark vereinfachter Darstellung eine Variante des in F i g. 3 dargestellten ä\

Triebwerkes in Verbindung mit den Kolben 15/4, 15ß, 15C von drei um je 120° gegeneinander versetzten ..\

Zylindern 24<4,245 und 24C Während F i g. 8 alle drei Zylinder zeigt, ist in F i g. 9 ein entlang der Linien A -B der 35 ';.■]

F i g. 8 dargestellter Längsschnitt durch den Zylinder 24Λ dargestellt. ']

Die Wände 24Λ', 24ß', 24C dieser Zylinder sind symbolisch als Axialabschnitt angedeutet. Im mittleren ,,2

Bereich der Figur sind drei zugehörige Hubzapfen HA, HB, llCdurch je einen Kreis angedeutet Die Ar.ord- -j=

nung dieser drei Hubzapfen auf der umlaufenden Welle 10 ist aus F i g. 3 ersichtlich. H

Während bei den Getrieben nach F i g. 3 und F i g. 4 die drei Kugelzapfen 4, 5 und 6 durch umschlingende 40 ^ Bänder 18 und 18' zusammengehalten bzw. in konstantem Abstand gehalten werden, sind bei der Ausführungs- ;ί|

form nach F i g. 8 und F i g. 9 hierzu zwei Joche 16C und 16D vorgesehen — ähnlich wie die Joche 16/4 und 16ß -_;j

der in F i g. 2 dargestellten Ausführungsform. ■;

Während in F i g. 8 die drei Exzenterwellen 1,2 und 3 durch je einen Kreis angedeutet sind, ist in F i g. 9 nur ■ ■ j

eine Exzenterwelle 1 dargestellt Die Kurbelzapfen aller drei Exzenterwellen 1, 2 und 3 sowie die umlaufende 45 ί ί Welle 10 sind in den Jochen 16C und 16D gelagert. Die Wirkungsweise ist analog der in Verbindung mit den Ij

F i g. 1 bis 4 beschriebenen. '^; :j

F i g. 10 zeigt schematisch vereinfacht eine Ausführungsform des Triebwerks in Verbindung mit einem söge- ;,··!

nannten Parsons-Getriebe. Auf diesem werden die um 180° versetzten Hubzapfen 11Λ und llß in zwei rechtwinklig zueinander stehenden Richtungen linear geführt Hierdurch ist bereits gewährleistet daß sich die 50 umlaufende Welle 10 auf einer Kreisbahn bewegt und es ist daher nur eine Exzenterwelle notwendig.

Auf der Welle 1 sitzen exzentrische Zahnräder 4', welche nut Zahnrädern 9' durch Joche 16 in Eingriff gehalten werden. Diese Zahnräder 9' sind auf der umlaufenden Welle 10 konzentrisch und drehfest befestigt. Die umlaufende Welle 10 ist ihrerseits in zwei Schwungscheiben 25 exzentrisch gelagert, die ihrerseits in den Lagern 26 gelagert sind. Die Schwungscheiben 25 dienen zum Massenausgleich, haben zu diesem Zweck auch Ausfrä- 55 sungen 27 sowie Bohrungen 29. In diese Bohrungen können entsprechend schwere Ausgleichsgewichte eingesetzt werden.

Die beiden miteinander fluchtenden Linien 30 deuten die Achse an, um welche die umlaufende Welle 10 umläuft Die Lager für die Exzenterwelle 1 sind mit dem Bezugszeichen 31 versehen.

Wegen der Klarheit der Darstellung bewegt sich in diesem Fall einer der Hubzapfen entlang einer Achse, die 60 durch die Exzenterwelle 1 verläuft Um einen 4-Zylinder-Sternmotor dieser Bauart zu verwirklichen, müßte die Exzenterwelle im Winkel zwischen zwei Zylindern liegen.

Wird das Triebwerk in Verbindung mit einer linear geführten Schubstange 13 verwendet sind konstruktive Vereinfachungen möglich, wenn die Achse dieser Schubstange in ihrer Verlängerung durch die Achse der Exzenterwelle oder nahe an ihr vorbei verläuft Ein derartiges Triebwerk ist in F i g. 11 dargestellt Auf der 65 Exzenterwelle i sind zwei Zahnräder 4' exzentrisch drehfest befestigt, weiche mit zwei Zahnrädern 9 gleichen Durchmessers kämmen, die konzentrisch drehfest auf der umlaufenden Welle 10 befestigt sind.

Außerdem ist neben den Zahnrädern 4' je eine Scheibe 45 drehfest auf der Exzenterwelle 1 befestigt Diese

'':■ beiden Scheiben 45 berühren je eine Scheibe 95, die mit je einem Zahnrad 9 drehfest gekoppelt ist. So

'; übertragen die Scheiben durch rollenden Kontakt einen großen Teil der bei den Verdichtungs- und Arbeitstak-

ten zwischen Schubstange 13 und Exzenterwelle 1 entstehenden Kräfte. Aus diesem Grund sind sie nahe dem

; Hubzapfen 11 angeordnet.

;_; 5 Die Exzenterwelle 1 und die Schwungscheiben 25 sind in entsprechenden Lagern 31 bzw. 26 gelagert (siehe

ti Schnitt E-F in F i g. 11 A), ähnlich wie dies bereits in Verbindung mit F i g. 10 beschrieben ist. Die Schwungschei-

; ben 25 sind hauptsächlich für den statischen Massenausgleich der umlaufenden Welle 10 und von ihr elliptisch

fc bzw. linear mitbewegten Teilen sowie ein Teil der von den Jochen erzeugten Unwucht vorgesehen.

N Die dargestellte Art der Lagerung der Schwungscheiben erlaubt eine Verlängerung der umlaufenden Welle,

ί i ίο bzw. die Stirnseiten der umlaufenden Welle sind leicht zugänglich. Dies ist wichtig für die Schmiermittelzufuhr

j ι an die umlaufende Welle sowie für die Anbringung von dynamischen Ausgleichsmassen an der Welle für den

ti Fall, daß sie mehrere versetzte Hubzapfen trägt.

Dadurch daß der Hubzapfen 11 durch die Schubstange 13 linear geführt wird (die Richtung der Führung geht

durch die Achse der Exzenterwelle 1 — siehe Schnitt A-B in F i g. 11 B) und daß die zu ihrer Umlaufbewegung : is gegensinnige Eigenrotation der umlaufenden Welle 10 durch die miteinander kämmenden Zahnräder 4' und 9

·;■■ gewährleistet ist und Joche 16, in denen Kurbelzapfen 4 und die umlaufende Welle gelagert sind (siehe Schnitt

C-D in Fig. 1 IC), in Zusammenhang mit den Scheiben 45und 95, die aufeinander abrollen, einen konstanten

:. Abstand zwischen den Achsen der umlaufenden Welle 10 und der Kurbelzapfen 4 gewährleisten, ergibt sich in

diesem Fall eine Vereinfachung des Triebwerks, denn es ist nur eine Exzenterwelle 1 erforderlich, die gleichzeitig

--■ ?n als rotierende Ahtriphswelle dient.

■',. Obwohl bei diesem Triebwerk Seitenkräfte im Bereich des Hubzapfens und der Schubstange auftreten, die

von der linearen Führung abgefangen werden, können diese kleiner gehalten werden als bei anderen Kolbentriebwerken, denn die Seitenkraft Fi₁, beträgt

β ^F>" ;

'■·: wobei

= Hubkraft auf Schubstange,

= Exzentrizität des Drehzapfens,

= Winkelstellung: θ = 0 beim oberen Totpunkt,

r = Teilkreisradius der Zahnräder.

Das heißt, je größer die Zahnräder, desto kleiner sind die Seitenkräfte.

Um eine Herstellung der Exzenterwelle 1 mit Scheiben 45 und Zahnrädern 4·' aus einem Stück zu erlauben, müssen die Scheiben leicht hinterdreht sein, um das Fräser, der Zähne an den Stirnrädern zu ermöglichen. Dafür müssen die Scheiben 95an der umlaufenden Welle etwas größer sein, um einen Kontakt mit den Scheiben 4Sder Exzenterwelle zu erlauben. Es entsteht dadurch zwar eine geringe Relativbewegung der Kontaktflächen, aber dies dürfte ohne Bedeutung sein. Die Stirnräder 4' können als schrägverzahnte Zahnräder ausgeführt werden, die lösbar an den Scheiben 45 der umlaufenden Welle befestigt sind, etwa mit Schrauben, so daß sie mittels Ausgleichsscheiben zwischen Zahnrad und Scheibe genau eingestellt werden können. Eine solche Anordnung erlaubt großzügige Fcitigungstoleranzen sowie einen Ausgleich für die langsame Abnutzung der Stirnradzähne im Betrieb.

An der umlaufenden Welle 10 sind Ausgleichsmassen 33 für den Ausgleich des Hubzapfens und der linear mit ihm bewegten Teile vorgesehen. Der Kräftearm der Ausgleichsmassen ist wesentlich länger als die Exzentrizität des Hubzapfens, so daß die Ausgleichsmassen kleiner und die umlaufende Welle 10 insgesamt leichter ausfällt. Dabei bewegen sich die Schwerpunkte der Ausgleichsmassen 33 in einer elliptischen Bahn. Die erforderliche Ausgleichsmasse hierfür errechnet sich aus der Formel

50

Ms = ms, wobei

M= Masse der linear bewegten Teile (Hubzapfen, Kolben usw.),
ε = Exzentrizität des Hubzapiens,
m ■■= Ausgleichsmasse,
5 = Kräfteann der Ausgleichsmasse.

60

65

%■	JO	Fhuö
V		ε
		θ

Bd der auf diese Weise ausgewuchteten umlaufenden Welle 10 entsteht dann eine Unwucht, die durch die Schwungscheiben nach folgender Formel ausgeglichen wird, um dann ein schwingungsfreies Laufen des Triebwerks zu ermöglichen:

Nr - Ws + 2Mb - m(s - ε) - We + m(s + s) ~ e(W + M + m),

N - Masse der Schwungscheibe,

r - Abstand vom Schwerpunkt zur Rotationsachse der Schwungscheibe (Kräftearm), ι ο

W - Masse der umlaufenden Welle,

M = Masse der linear bewegten Teile,

e =■ Exzentrizität des Hubzapfens,

m — Masse der Ausgleichsmasse an der umlaufenden Welle,

s = Kräftearm der Ausgleichsmasse an der umlaufenden Welle.

Fig. 12 zeigt eine umlaufende Welle 10 mit kombinierter Schmierung und dynamischer Auswuchtung. Die umlaufende Welle 10 besitzt zwei um 180° versetzte Hubzapfen 11/4 und 1 Iß, die in Schubstangen 13/4 und 13ß dev zugeordneten Kolben (nicht dargestellt) drehbar gelagert sind. Die Hubzapfen bewegen sich somit jeweils horizontal bzw. senkrecht zur Bildfläche linear hin und her. Koaxial zu den Hubzapien HA und HB sind Ölpumpen-Hubzapfen 35Λ und 35ß an den Enden der umlaufenden Welle 10 angebracht, die sich ebenfalls linear hin und her bewegen. Diese Hubzapfen sind in ölpumpengehäusen 36Λ und 36ßdrehbar gelagert, so daß sie diese auf den zugeordneten Hohlkolben 37 hin und her bewegen. Aussparungen 39 in den Ölpumpen-Hubzapfen dienen als Ventile und gewährleisten, daß Schmiermittel in die Bohrungen 40 in der umlaufenden Welle 10 verdrängt wird.

Die Schmiermittelförderung ist zyklisch, wobei der maximale Durchfluß jeweils beim oberen und unteren Totpunkt der Hubzapfen 11/4 bzw. 1 Iß erreicht wird. Ein Einweg-Ventil 41 verhindert, daß öl zurückläuft, und ein Überdruckventil 42 spricht an, wenn z. B. der Motor zurückschlägt und kurzzeitig rückwärts läuft.

Da die ölpumpengehäuse 36Λ und 36ß dieselbe Bewegung machen wie die bewegten Massen an den Hubzapfen 1 1/4 bzw. 11B, wire die Masse der Ölpumpengehäuse 36A und 36Ö so gewählt, daß das Verhältnis zur Masse der Kolben 15, Schubstangen 13 und Hubzapfen HA und llß gleich ist dem Verhältnis a : b, also der Abstände der Kolbenachsen und der Ölpumpenachsen zur Mitte der umlaufenden Welle 10. Auf diese Weise wird die dynamische Unwucht dieser Welle 10 ausgeglichen, welche dadurch entsteht, daß die Hubzapfen IM und llß seitlich versetzt sind.

Da bei dem Triebwerk üblicherweise die Stirnseite der umlaufenden Welle frei zugänglich ist, können zum Zwecke des dynamischen Massenausgleichs statt der vorstehend erwähnten ölpumpe auch andere Ausgleichsmassen befestigt werden.

Die Anfofderungen an den Massenausgleich beim Triebwerk unterscheiden sich von dem üblichen Massenausgleich bei konzentrischen Triebwerken vor allem dadurch, daß die einzelnen Punkte an und in der umlaufenden Welle 10 eine elliptische Bahn beschreiben. Den dynamischen Massenausgleich einer umlaufenden Welle zeigt symbolisch in räumlicher Darstellung die F i g. 13. Dadurch, daß an der umlaufenden Welle 10 die Hubzapfen 11 und IM seitlich versetzt sind um den Abstand 2d, entsteht eine dynamische Unwucht. Diese Unwucht wird durch an den Stirnseiten der umlaufenden Welle gegengleich angebrachte Ausgleichsmassen m ausgeglichen, die eine elliptische Bahn durchfahren, während die Hubzapfen 11 im rechten Winkel zueinander hin- -ind hergehen, wie von den Pfeilen angedeutet. Die umlaufende Welle wird nach folgender Formel dynamisch ausgewuchtet:

mrs = Med

m = Ausgleichsmasse,

r = Abstand Ausgleichsmasse zu Wellenachse,

s = halber Versatz der Ausgleichsmassen,

M = Masse eines Hubzapfens mit zugehörigem Lager, Kolbenstange, Kolben, Kolbenringen,

ε = Exzentrizität des Hubzapfens von der Welle,

d = halber Versatz der Hubzapfen.

Kennzeichnend für alle bis hier aufgeführten Ausführungsbeispiele ist, daß sie nur eine umlaufende Welle 10 besitzen, Ausführungen mit mehreren umlaufenden Wellen, z. B. um eine gemeinsame Exzenterwelle angeordnet, sind grundsätzlich auch möglich, doch gegenüber einigen Vorteilen stehen die Nachteile, daß sie generell größer bauen und größere umlaufende Massen besitzen.

Hierzu 16 Blatt Zeichnungen

Claims

Die Erfindung betrifft ein Triebwerk zur Umwandlung einer Rotationsbewegung einer Exzenterweile in eine hin- und hergehende Linearbewegung einer Schubstange bzw. umgekehrt unter Verwendung mindestens einer auf einer Kreisbahn mit einem Radius e umlaufenden Welle, wobei die umlaufenden Wellen und die Kurbelzapfen parallel auf getrennten, nicht koaxialen, kreiszylindrischen Umlaufbahnen vom Radius e in gleichsinniger Richtung gleichphasig zwangsgeführt sind. Durch die DE-OS 29 40 386 ist ein Hubkolbenmotor mit mehreren Zylindern bekanntgeworden, bei dem die Kolben jeweils Ober eine fest mit dem Kolben verbundene Kolbenstange auf einen Hubzapfen einwirken, der auf einer exzentrisch um eine raumfeste Achse umlaufenden und sich dabei drehenden Welle angeordnet ist Die Exzentrizität und Anordnung des Hubzapfens sind so gewählt, daß er beim Umlauf der Welle eine lineare Bewegung in Richtung der Zylinderachse ausführt Die exzentrisch umlaufende Welle ist an beiden Enden in exzentrischen, zylindrischen Ausnehmungen von als Lagerscheiben ausgebildeten Wellenbünden von zur raumfesten Achse zentrisch gehaltenen Antriebswellen gelagert Aus dieser DE-OS ist das Abwälzen eines Exzenters bekannt. In der CH-PS 91 393 werden Schubkurbeltriebe und Joche in verschiedenen Ausführungen zum Synchronisieren von Kurbel- bzw. Exzenterwellen beschrieben. Es ist ferner aus der US-PS 41 79 942 bekannt, das vom Kolben abgewendete Ende einer Pleuelstange an Patentansprüche:

1. Triebwerk zur Umwandlung einer Rotationsbewegung einer Exzenterwelle in eine hin- und hergehende Linearbewegung einer Schubstange bzw. umgekehrt unter Verwendung mindestens einer auf einer Kreisbahn mit dem Radius ε umlaufenden Welle, wobei die umlaufenden Wellen und die Kurbelzapfen parallel auf getrennten, nicht koaxialen, kreiszylindrischen Umlaufbahnen von Radius ε in gleichsinniger Richtung gleichphasig zwangsgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Welle (10) mit einer Exzenterwelle (1, 2) antriebsmäßig zu einer gleich großen Winkelgeschwindigkeit verbunden ist und mindestens einen Hubzapfen (11) mit der Exzentrizität ε aufweist der in einer Schubstange drehbar ge'agert