-
-
Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Getriebe zur Umsetzung einer
hin- und hergehenden geradlinig auf einer Bewegungsachse geführten Bewegung mindestens
einer Masse in eine Drehbewegung einer Welle oder umgekehrt, wobei die Welle mindestens
eine Kurvenscheibe aufweist, auf der sich die hin- und hergeführte Masse über eine
Rolle abstützt und die mit der Masse verbundene Rolle im steten Kontakt mit der
Lauffläche der Kurvenscheibe durch eine mindestens zwei Lenker aufweisende Zwangsführung
gehalten ist.
-
Ein solches Getriebe ist aus der DE-OS 30 20 923 für einen Verbrennungsmotor
oder Kompressor bekannt. Gegenüber einer herkömmlichen Kurbelwelle kann durch die
Verwendung der Kurvenscheibe ein erheblich größeres Drehmoment während des Arbeitshubs
erzielt werden und auch Vorteile für die Druckkurve in einem Verbrennungsmotor während
des Arbeitshub. Das bekannte Getriebe ist massekraftmäßig, wenn überhaupt, nur mit
großem Aufwand ausgleichbar.
-
Das System weist viele kompliziert geformte Einzelteile
auf,
so daß der Herstellungsaufwand erheblich ist und das Konstruktionsgewicht im Vergleich
zur erzielbaren Leistung erheblich ist.
-
Aus der DE-OS 30 38 673 ist ein Verbrennungsmotor bekannt, bei dem
der rotierende Kolben mit einer umlaufenden Kurve versehen ist und über Laufrollen
zwangsgeführt ist. Die überlagerte Dreh- und hin-und hergehende Bewegung bringt
erhebliche Dichtprobleme und auch bei dieser Konstruktion ist ein Massenausgleich
nur mit erheblichem gewichtserhöhenden Aufwand möglich.
-
Schließlich ist aus der DE-OS 25 41 358 eine Kolbenmaschine mit kurbelwellenfreier
Kraftübertragung bekannt, wobei sternmotorartig mehrere Kolben angeordnet über einen
exzentrisch umlaufenden Führungsschlitz zwangsgeführt sind. Auch bei dieser Konstruktion
ist der Massenausgleich problematisch.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Antrieb der eingangs
genannten Art derart zu verbessern, daß in allen Betriebslagen ein vollkommener
Ausgleich der Massenkräfte aller Ordnungen
ohne wesentlichen konstruktiven
Aufwand bei geringem Gewichts/Leistungsverhältnis möglich ist.
-
Die vorliegende Aufgabe kann dadurch gelöst werden, daß die Kurvenscheibe
symmetrisch zu zwei senkrecht zueinander verlaufenden Symmetrieebenen ausgebildet
ist, das symmetrisch angeordnet und mit gleichem Abstand zueinander vier Rollen
vorgesehen sind, die über mindestens vier gleichlange Lenker miteinander verbunden
sind und so die Zwangsführung bilden, durch die alle vier Rollen bei der Drehung
der Welle zwangsgeführt auf der Kurvenscheibe abrollen.
-
Zum vollkommenen Massenausgleich können in vorteilhafter Weise mindestens
gegenüberliegend zwei geradlinig geführte Massen vorgesehen sein, die jeweils mit
einer zugeordneten Rolle verbunden sind.
-
Zur Verdopplung der Funktion kann jede der vier Rollen mit jeweils
einer Masse gekoppelt sein, wobei jeweils zwei Massen auf einer gemeinsamen ersten
Bewegungsachse entgegengesetzt zueinander
bewegbar sind und die
beiden anderen Massen auf einer senkrecht zur ersten Bewegungsachse verlaufenden
zweiten Bewegungsachse gekoppelt bewegbar sind. Bei paarweise gleichen Massen sind
alle Massenkräfte vollkommen ausgeglichen, so daß Geräte mit dem vorgeschlagenen
Getriebe eine außergewöhnliche Laufruhe aufweisen.
-
Besonders vorteilhaft können die Massen Kolben einer Kolbenmaschine
sein, bspw. eines Verbrennungsmotors,eines Kompressors, einer Pumpe oder einer Kombination
hiervon.
-
Zur symmetrischen Kraftübertragung bei möglichst geringem Materialaufwand
und Konstruktionsgewicht können insgesamt acht Lenker paarweise beidseitig der Rollen
und der Kurvenscheibe angeordnet sein.
-
Die Fertigung kann sehr rationell gestaltet werden, weil' alle Lenker
identisch ausgebildet sind. Bei Kolbenmaschinen können auch die einzelnen Kolben
und Zylinder identisch ausgebildet sein, so daß Herstellung, Montage, Wartung und
Ersatzteillagerung optimal rationalisiert werden können. Die Lenker können als flache
Blechstanzteile ausgebildet
sein mit jeweils zwei Durchbrüchen,
in denen Lagerbolzen zur Herabsetzung der Reibung vorzugsweise über Nadellager gelagert
sein können. Der Lagerbolzen kann sowohl zur Lagerung der Rolle als auch der vier
angeschlossenen Lenker dienen und diese mit der Masse bspw. in Form des Kolbens
einer Kolbenmaschine verbinden, so daß möglichst geringe Konstruktionsmassen und
kleine Abmessungen möglich sind.
-
Bei einem Getriebe für eine ventilgesteuerte Kolbenmaschine können
besonders vorteilhaft die Nocken für die Steuerung der Ventile auf der Welle angeordnet
sein, auf der auch die Kurvenscheibe angeordnet ist. Bspw. benötigt man bei einem
Viertaktmotor mit vier Zylindern jeweils nur für die Steuerung aller vier Zylinder
einen einzigen Nocken für die Steuerung der Ansaugventile und einen weiteren für
die Steuerung der Auslaßventile. Eine besondere Nockenwelle mit übersetztem Antrieb
erübrigt sich.
-
Bei jeder Wellenumdrehung führt jeder Zylinder zwei Hübe aus, so daß
ein derart konstruierter Viertaktmotor mit vier Zylindern in der Laufcharakteristik
praktisch einem Achtzylindermotor entspricht. Gegenüber üblichen Kurbelwellenmotoren
weist die Welle die halbe
Drehzahl auf, so daß auch das Getriebe
für den Antrieb entsprechend geringer untersetzt werden muß.
-
Besonders vorteilhaft kann einerseits der Kurvenscheibe ein Nocken
für die Steuerung aller Einlaßventile und auf der anderen Seite der Kurvenscheibe
auf der Welle ein Nocken für die Steuerung aller Auslaßventile vorgesehen sein.
Die Bewegung der Ventile kann in bekannter Weise über Kipphebel und Hubstangen erfolgen.
-
Weiter können besonders vorteilhaft für einen Zweitaktmotor mit zwei
Kolben die Kolben gegenüberliegend gegenläufig in Boxeranordnung vorgesehen sein,
wobei dann der Raum zwischen den Kolben als Ansaug- und Vorverdichtungsraum dienen
kann. Bei einem Zweitaktmotor mit vier Kolben können die Kolben paarweise gegenüberliegend
sternförmig angeordnet sein und es kann dann ein Kolbenpaar mit Zylinder zur Ansaugung
und Vorverdichtung und das andere Kolbenpaar mit Zylinder zur Verbrennung und Energiegewinnung
dienen. Hier kann der Betrieb mit reinem Brennstroff ohne blzusatz erfolgen, da
die Schmierung des Kurventriebs und der Kolben vom Kurvenscheibenraum ohne Aufwand
möglich ist.
-
Besonders vorteilhaft kann das Hubvolumen des zur Ansaugung und Verdichtung
dienenden Kolbenpaars größer sein als beim Kolbenpaar für die Verbrennung. Hierdurch
kann eine besonders gute Spülung erzielt werden. Mit derselben Maßnahme kann eine
derartige Kolbenmaschine auch als zweistufiger Verdichter arbeiten bei vollkommenem
Gewichtsausgleich ohne irgendwelche Zusatzmassen.
-
Zur Reibungs- und Verschleißherabsetzung können im Bewegungsbereich
der Anlenkung der Masse an den Lenkern zwischen der Masse und-seiner Führung besondere
Führungen vorgesehen sein, etwa wie sie bei Kreuzkopfführungen bei Dampfmaschinen
bekannt sind.
-
Zur Erleichterung der Dicht- und Schmierprobleme kann der Bereich
der Führung im Abstand vom eigentlichen Kolben der Kolbenmaschine vorgesehen sein,
so daß-am Kolben praktisch kein Kippmoment mehr auftritt. Besonders reibungsvermindernd
können als besondere Führungen Wälzlager vorgesehen sein, bspw. in Form einer Kugelbüchse,
oder wenn der Bewegungsbereich eben ausgebildet ist, in Form einer flachen Führung,
bspw. mit in einem Flachkäfig geführten Nadeln.
-
Die Form der Kurvenscheibe und die Länge der Lenker ergibt sich konstruktiv
zwangsläufig durch die Wahl der Durchmesser der Rollen der Hubhöhe, und dem geringsten
Abstand der Laufflächen der Kurvenscheibe von der Drehachse der Welle als Hüllkurve
der durch die Lenker verbundenen Rollen bei Drehung der Achse. Diese Kurve ist relativ
leicht herstellbar und weist gegenüber einer Kurbelwelle ein wesentlich niedrigeres
Gewicht auf, da keinerlei Gegengewichte für den Massenausgleich benötigt werden.
Zur Festigkeitserhöhung kann der Wellenanschluß an der Kurven scheibe oval ausgebildet
werden.
-
Auch die Beanspruchung einer solchen Welle ist wesentlich geringer
als die einer vergleichbaren Kurbelwelle. Es treten nämlich zwischen den beiden
erforderlichen Lagern für die Welle keinerlei Biegebeanspruchungen für die Welle
und daraus resultierend keine zusätzlichen Druckbeanspruchungen für die Hauptlager
auf. Die Kurvenscheibenwelle wird nur auf Verdrehung, also für ihren eigentlichen
Zweck, die Übertragung des Drehmoments beansprucht. Die von
den
Massen ausgeübten, das Drehmoment an der Kurvenscheibe erzeugenden Druckkräfte gleichen
sich gegenseitig aus. Die Welle kann deshalb in ihren Abmessungen wesentlich kleiner
gehalten werden, als übliche Kurbelwellen.
-
In besonders vorteilhafter Weise können zwei gegenüberliegende Massen
Kolben einer Kolbenmaschine sein und die anderen beiden Massen bewegte Teile mindestens
eines Generators oder eines Elektromotors. Durch einen solchen Aufbau ist eine besonders
kompakte leichtgewichtige Anordnung möglich, beispielsweise für ein Notstromaggregat.
-
Zweckmäßierweise können die bewegten Teile am Ende jeweils einer vorzugsweise
im Gehäuse geführten und mit einer zugeordneten Rolle verbundenen Verbindungsstange
sein.
-
Bei einer Zweitakt-Motorenanordnung mit einem als Verbrennungsmotor
wirkenden Kolbenpaar und einem zur Ansaugung und Verdichtung der Verbrennungsluft
dienenden Kolbenpaar können besonders vorteilhaft die Kolbenräume des als Verdichter
wirkenden Kolbens über Verbindungskanäle jeweils
mit dem zugeordneten
Verbrennungsraum des anderen Kolbenpaars verbunden sein, wobei die Verbindungskanäle
über eine durch die Kolben selbst gesteuerte Schlitzsteuerung mit den Verbrennungsräumen
verbind- und trennbar sind.
-
Bei einer anderen Ausführungsform kann ein gegenüberliegendes Kolbenpaar
als Verbrennungsmotor und das andere Kolbenpaar jeweils als Kolbenverdichter oder
Kolbenpumpe dienen, wobei zum einfachen Betrieb für die Verdichter oder Pumpfunktion
automatische Ventile verwendet werden können, so daß hier keine zusätzliche Ventilsteuerung
erforderlich ist.
-
Weitere erfindungsgemäße Ausbildungen sind den Unteransprüchen zu
entnehmen und-werden mit ihren Vorteilen in der nachstehenden Beschreibung näher
erläutert. In den beigefügten Zeichnungen zeigt: Figur 1 ein Getriebe eines Zweitaktmotors
mit zwei gegenüberliegenden Zylindern im Schnitt;
Figur 2 einen
der Figur 1 entsprechenden Schnitt durch einen Viertaktmotor mit vier Zylindern;
Figur 3 einen Teilschnitt durch den in Fig. 2 dargestellten Viertaktmotor entlang
der Linie 111-1 II in etwas größerem Maßstab Figur 4 eine schematische Darstellung
der Bildung der Form einer Kurvenscheibe, Figur 5. einen Schnitt durch ein Notstromaggregat,
teilweise schematisiert, Figur 6 einen Schnitt durch einen Zweitakt-Boxermotor mit
Aufladung und Figur 7 einen Schnitt durch ein Motor-Kompressor-Aggregat.
-
Für alle Ausführungsbeispiele werden für entsprechende Teile die gleichen
Bezugszeichen verwendet. Der in Figur 1 dargestellte Zweitaktmotor
weist
als Getriebe 1 eine umlaufende Welle 2 mit einer Kurvenscheibe 3 auf, auf deren
Lauffläche 4 vier nadelgelagerte Rollen 5 bis 8 zwangsgeführt abrollen. Zur Erzielung
der Zwangsführung sind die Rollen 5 bis 8 jeweils mit einem Paar Lenker 9 bis 12
verbunden. Diese acht Lenker 9 bis 12 sind alle identische flache Blechstanzteile
mit jeweils einem Durchbruch 13 im Bereich der gegenüberliegenden Enden. Die Lenker
9 bis 12 sind über nicht dargestellte Nadellager auf Lagerbolzen 14 gelagert, auf
denen jeweils auch die Rollen 5 bis 8 über Nadellager 15 gelagert sind. Mit einem
Lagerbolzen 14 kann jeweils ein Kolben 16 bzw. 16' der zugeordneten Rolle 5 bzw.
7 und den beiden anbindenden Lenkerpaaren 9, 12 bzw. 10, 11 gekoppelt sein. Hierzu
sind die Lagerbolzen 14 entsprechend länger ausgebildet als bei den nicht mit Kolben
verbundenen Rollen 6 und 8 des Getriebes 1.
-
Die Kolben 16, 16' sind in bekannter Weise in mit Einlaßschlitzen
17, 17' und Auslaßschlitzen 18, 18' versehenen Zylindern 19 und 20 geführt und damit
auch die auf den Lagerbolzen 14 gelagerten Rollen 5 und 7. Alle bewegen sich aufw
~ einer geraden Bewegungsachse 21. Die anderen Enden der Lenker 9 bis 12 mit ihren
Rollen 6 und
8 bewegen sich auf einer zur Bewegungsachse 21 senkrechten
Bewegungsachse 22. Beide Bewegungsachsen 21 und 22 verlaufen senkrecht zur Drehachse
23 der umlaufenden Welle 2.
-
Der Raum zwischen den beiden Kolben 16, 16' dient als Saug- und Verdichtungsraum
24, in den über einen nicht dargestellten Vergaser ein Luft-Kraftstoffgemisch ansaugbar
und über Drosselklappen 25, 25' und die Einlaßschlitze 17, 17' einem Verbrennungsraum
26, 26' zugeführt wird.
-
Durch die gegenläufige Bewegung der Kolben 16, 16' wird das Gemisch
in bekannter Weise verdichtet, durch Zündkerzen 27, 27' gezündet und verbrannt.
-
Die entstehenden Abgase können über die Auslaßschlitze 18, 18' in
bekannter Weise abgeführt werden.
-
Jeder Umdrehung der Welle 2 entsprechen zwei volle Arbeitszyklen der
Zylinder 19 und 20. Der dargestellte Zweitaktmotor ist zur Bewegungsachse 22 weitgehend
symmetrisch, so daß praktisch alle erforderlichen entsprechenden Teile identisch
ausgebildet werden können. Zur Kühlung sind die Zylinder 19, 20 gerippt ausgebildet.
-
In Figur 2 ist ein Vierzylinder-Viertaktmotor mit Wasserkühlung dargestellt.
Die vier Zylinder 19, 19', 20, 20' sind sternförmig gegenüberliegend angeordnet.
Anstelle von Einlaßschlitzen und Auslaßschlitzen sind Einlaßventile 17" und Auslaßventile
18" vorgesehen, die wie aus Figur 3 ersichtlich, über Kipphebel 28, 28' und Stößel
29 durch auf der Welle 2 angeordnete Nocken 30, 30' gesteuert werden. Für die Steuerung
aller vier Zylinder ist nur jeweils ein Nocken 30 für den Einlaß bzw. 30' für den
Auslaß erforderlich. Alle vier Zylinder 19, 19', 20, 20' sind identisch ausgebildet,
in Figur 2 für Wasserkühlung, in Figur 3 für Luftkühlung.
-
Die Welle 2 ist über zwei im Gehäuse 31 angeordnete Wälzlager 32,
32' gelagert. Nachdem die Massenkräfte der paarweise gegeneinander laufenden Kolben
über die Lenker 5 bis 8 und die Kurvenscheibe 3 vollkommen ausgeglichen sind, wird
die Welle 2 praktisch keiner Biegebeanspruchung unterworfen, sondern nur einer Torsionsbeanspruchung
durch die abgegebene Leistung.
-
Nachdem jeder Zylinder 16 bei einer Wellenumdrehung einen vollen Viertaktzyklus
durchläuft
und die Massenkräfte aller Ordnungen ausgeglichen sind,
wird eine beachtliche Laufruhe erzielt.
-
Die Schmierung der Kolben 16 erfolgt über einen ölsumpf im Gehäuse
31. Durch Umwälzung mittels einer Ölpumpe und Kühlung durch einen ölkühler kann
die erforderliche ölmenge zur Herabsetzung der Planschverluste relativ niedrig gehalten
werden.
-
In Figur 4 ist das Getriebe 1 mit der Kurvenscheibe 3, den Rollen
5 bis 8 und den Lenkerpaaren 9 bis 12 schematisch dargestellt. Wie ersichtlich,
weist Kurvenscheibe 3 zwei senkrecht zueinander stehende Symmetrieebenen auf. Durch
die Wahl der kleinsten Halbachse a der Kurvenscheibe 3, den Hub H und den Halbmesser
R der Rollen 5 bis 8 ergibt sich geometrisch zwangsläufig die Länge L der identisch
ausgebildeten Lenker 9 bis 12 und es ergibt sich auch zwangsläufig die Lauf fläche
4 der Kurvenscheibe 3 als Hüllkurve der Rollen 5 bis 8. Die einander gegenüberliegenden
Lenker 9, 11 bzw. 10 und 12 verlaufen stets parallel und bilden zusammen ein Parallelogramm.
Selbstverständlich
können zur Leistungserhöhung auf einer Welle 2 auch mehrere Zylinderpaare hintereinander
angeordnet werden.
-
Beim in Figur 5 dargestellten Notstromaggregat laufen die gegenüberliegenden
Kolben 16,16' als Verbrennungsmotor. Senkrecht zur Achse des Verbrennungsmotors
sind als bewegte Teile über jeweils eine Verbindungsstange 33,33' ein Magnet 34
bewegbar, wobei die Verbindungsstangen 33 in Führungen 35, 35' im Gehäuse 31 geführt
sind.
-
Die Führung kann als Gleitlagerführung oder als Wälzlagerführung z.B.
mit Kugelbüchsen ausgebildet sein.
-
Vom Generator 36 ist nur ein Teil dargestellt, nämlich zwei Feldwicklungen
37, 38 und der zugehörige Magnet 34. Bei kleineren Leistungen kann der Magnet 34
ein Dauermagnet sein, bei höheren Leistungen ist ein stromerregter Magnet erforderlich
und daher ist dort der bewegte Teil als Magnetspule ausgebildet, wobei die Stromübertragung
zweckmäßigerweise über Schleifkontakte erfolgen kann.
-
Beim Ausführungsbeispiel der Figur 6 ist ein Zweitakt-Boxermotor dargestellt.
Das Kolbenpaar 16,16' arbeitet als Verbrennungsmotor, während das Kolbenpaar 16z',
16"' als Verdichter arbeitet.
-
Die Verbrennungsluft wird über Schlitze 17, 17' angesaugt, verdichtet
und über Kanäle 39 bzw. 39' dem Verbrennungsraum 26 bzw. 26' zugeführt.
-
Die Kolbenräume 26", 26"' des Verdichters sind größer als die Verbrennungsräume
26, 26' des Verbrennungsmotors, so daß im Zweitaktbetrieb eine gute Durchspülung
und Aufladung erfolgt und damit eine hohe Leistung bei sehr geringem Konstruktionsgewicht
erreichbar ist. Eine solche Motorenkonstruktion ist besonders für Fluggeräte und
tragbare Geräte geeignet, die eine hohe Leistung bei geringem Gewicht erreichen
sollen.
-
Beim letzten in Figur 7 dargestellten Ausführungsbeispiel dient ein
Kolbenpaar 16, 16' als Verbrennungsmotor, während das andere Kolbenpaar 16", 16
"' als Kolbenverdichter oder Kolbenpumpe wirkt. Zur möglichst einfachen Steuerung
sind hier in bekannter Weise automatische Ventile 40 vorgesehen, über die Ansaugung
und Wegförderung des Druckmediums gesteuert sind. Die Förderrichtung ist durch Pfeile
41,- 42 angedeutet.
-
- Ende dc besenreibung -
Leerseite