DE3441213C1 - Kurbelgetriebe - Google Patents

Description

• Unteransprüchen.
• Die durch die Erfindung erreichte optimale Anpassung wird beispielshaft anhand eines Windenergiekonverters in Kombination mit einer Kolbenwasserpumpe beschrieben: Die optimale Energieausbeute ist dann gegeben, - wenn der Rotor seine Energie nach der Vorschrift M - n2 (M = Drehmoment, n = Drehzahl) abgeben kann, - wenn die Kolbenwasserpumpe, die ein relativ konstantes Drehmoment über den gesamten Drehzahlbereich verlangt (M > konstant) durch ein zwischengeschaltetes Element so geregelt wird, daß der Rotor seiner optimalen Kennlinie folgt.
• Die Erfindung beinhaltet ein variables Kurbelgetriebe, das mit der Drehzahl den Hub der Kolbenwasserpumpe verändert.
• Der Hub der Kolbenpumpe wird über eine Steuerung oder Regelung so verändert, daß die Charakteristiken von Energieangebot und Energieverbrauch auf optimale Energieausbeute angepaßt sind.
• Das erfindungsgemäße Kurbelgetriebe weist folgende Vorteile auf:
• - Anlauf des energieabgebenden Teils bei Drehmoment Null wegen Nullstellung des Hubs (Bei Vernächlässigung der Reibung), - günstige Leistungsübertragung, da die Wirkung einem stufenlosen Getriebe vergleichbar ist, - minimale Verluste des Kurbelgetriebes, da kaum Reibungselemente im Kurbelgetriebe vorhanden sind, (lediglich die Verstellelemente verbrauchen einen geringen Anteil der Energie), - einfache und robuste Bauweise, - Anpassung von Energieverbraucher und Energieerzeuger optimal. So können Maschinen an den Energieerzeuger angeschlossen werden, deren Drehmoment proportional der Drehzahl ist, proportional dem Quadrat der Drehzahl ist oder eine höhere Abhängigkeit aufweist. Möglich ist ebenfalls der Anschluß von Maschinen, deren Drehmoment unabhängig von der Drehzahl ist.
• Das erfindungsgemäße Kurbelgetriebe kann allgemein eingesetzt werden, sowohl für hydraulische, pneumatische als auch mechanische Energieverbraucher.
• Das variable Kurbelgetriebe kann mechanisch, hydraulisch, elektrisch oder pneumatisch oder durch Kombination der genannten Verfahren gesteuert oder geregelt werden. Das variable Kurbelgetriebe mit seiner Steuerung oder Regelung stellt eine kostengünstige Lösung dar. Der Start der Anlage bei einem Hub = Null ermöglicht ein leichtes Starten auch bei Verwendung von billigen Rotoren mit kleiner Drehzahl oder mit erhöhten Leistungskennwerten.
• Erfindungsgemäß wird der Kurbelzapfen durch die Anordnung an einem exzentrisch gelagerten, verdrehbaren Hebel verstellt. Dabei ist bevorzugt eine selbsthemmende Verzahnung am Kreisumfang eines Kreissegments vorgesehen, die bevorzugt in eine Schnecke oder in ein anderes selbsthemmendes Element eingreift.
• Auf diese Weise kann das sperrende Moment der Schneckenverzahnung am besten angewandt werden.
• Die Verwendung von anderen selbsthemmenden Elementen, wie Spindeln, ist ebenso möglich.
• Wird zum Verstellen des Hebels eine Schnecke verwendet, so kann diese vorteilhaft von einem Hydraulikkolben verdreht werden, der einseitig wirkt und der gegen ein Federelement wirkt. Das Federelement dient zum Aufrechterhalten des Rückstellmoments und zum Sicherstellen des Verstellgleichgewichts in jedem Betriebspunkt.
• Zur Schonung der Zahnflanken kann ein zweites Federelement vorgesehen sein, daß die Verzahnung immer an eine Seite der Zahnflanke der Schnecke drückt. Ein solches Federelement ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn ein einfach wirkender Verbraucher (z. B. eine nur auf Zug wirkende Wasserpumpe) verwendet wird.
• Die Verstellung des Hubs erfolgt über einen Sensor und über Stellelemente und eventuell über weitere Bauteile, wobei der Sensor beispielsweise die Drehzahl der Antriebswelle registriert. Als Sensor kann ein mechanischer Fliehkraftregler verwendet werden, die Verstellung erfolgt dann ebenfalls mechanisch. Ebenso ist eine mitlaufende Hydraulikpumpe oder eine starr befestigte Hydraulikpumpe einsetzbar. Das Verstellsignal ist dann der Druck oder die Menge der Hydraulikflüssigkeit. Das Verstellsignal ist dann proportional der Drehzahl. Als Sensor kann auch ein externes, z. B. die Strömung oder die Windgeschwindigkeit messendes Gerät verwendet werden.
• Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung eines elektrischen Generators, dessen Ausgangsspannung proportional zur Drehzahl oder zu der angebotenen Energie ist.
• Allen Sensoren können Vorrichtungen nachgeschaltet werden, die das Ausgangssignal in eine andere Funktion als eine lineare Funktion von der Drehzahl umwandeln. Bei der mechanischen Lösung kann dies durch eine parabelförmige oder quadratische Führung erfolgen, in der hydraulischen Lösung kann beispielsweise eine Rücklaufleitung und eine Drossel zwischengeschaltet werden, die das Ausgangssignal quadrieren. Auch bekannte elektrische Schaltungen, die aus einer linearen Funktion höhere Funktionen machen, sind anwendbar.
• Sinn der Umformungen ist es stets, die Leistungsabgabe, die variieren kann, dem Verbraucher anzupassen.
• So sind beispielsweise die Arbeitspunkte für eine optimale Arbeit einer windgetriebenen Kolbenpumpe quadratisch von der Drehzahl abhängig.
• Die erfindungsgemäßen Kurbelgetriebe eignen sich besonders für relativ langsam laufende Motoren mit variabler Leistungsabgabe, wie beispielsweise Windrotoren, Biogasmotoren oder solarbetriebene Dampfmaschinen, deren Leistungen stets von dem schwankenden Energieangebot abhängen. Die erfindungsgemäßen Getriebe können hier, beispielsweise bei der Anwendung an Hydraulikpumpen, für stets gleichbleibenden Druck sorgen. Die erfindungsgemäßen Kurbelgetriebe wirken als mechanische Regler, die praktisch ein stufenloses Getriebe ersetzen.
• Die Erfindung wird anhand von vier Figuren näher erläutert.
• Es zeigen F i g. 1 bis 3 erfindungsgemäße Kurbelgetriebe, F i g. 4 einen Verstellmechanismus für das Kurbelgetriebe der Fig. 3.
• Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines Kurbelgetriebes 2a, bestehend aus einer Scheibe 4a, die an der Antriebsachse 6 befestigt ist. Ein Kurbelzapfen 8 ist hier an einem Hebel 18 angebracht, der in einem exzentrischen Lager 20 verdrehbar gelagert ist. Die Verstellung des Hubs h erfolgt durch Verdrehen des Hebels 18 gegen die Scheibe 4a. Die Verdrehung erfolgt durch den zweiseitig wirkenden Servomotor 22, der eine selbstsperrende Spindel 27 verdreht, die in eine im Hebel 18 befestigte Mutter 29 eingreift.
• F i g. 2 zeigt eine ähnliche Konstruktion eines Kurbelgetriebes 2b wie Fig. 1. Hier verdreht der Servomotor 22 eine selbsthemmende Schnecke 24, die in die Verzahnung 38 des segmentförmigen Hebels 26 eingreift. Der Hebel 26 mit Kurbelzapfen 8 ist um das Lager 20 verdrehbar.
• Die Fig. 3a und 3b zeigen zwei Ansichten einer weiteren Ausführungsform eines Kurbelgetriebes 2c. Auf der Antriebswelle (Antriebsachse 6) ist ein Träger 30 starr mitrotierend angebracht. An einem Ende ist ein in Richtung der Achse 6 verlaufender Zapfen 32 angebracht. Ferner weist der Träger 30 zwei Lager 34 auf, deren Bohrungen senkrecht zur Antriebsachse 6 stehen.
• Am Zapfen 32 ist drehbar ein Kreissegment 36 mit Hebel 40 und Kurbelzapfen 8 gelagert. Das Kreissegment 36 weist am Umfang eine Verzahnung auf. Die Lager 34 tragen eine Welle 42 mit starr darauf befestigter Schnecke 44. Die selbsthemmende Schnecke 44 greift in die Verzahnung und hemmt diese (sperrt deren Bewegung bei Stillstand, auch bei Kraftangriff im Kurbelzapfen 8). Am einen Ende der Welle 42 wirkt z. B. über ein Seil 50 und eine Scheibe 46 ein hydraulischer Arbeitszylinder 52, der über Öldruck das Seil 50 gegen die Feder 58 bewegt. An der Welle 42 ist die Scheibe 54 angebracht, auf die über Seil 56 und ein elastisches Element (Feder 58) ein Drehmoment auf die Welle 42 übertragen wird, das die Scheibe so zu verdrehen versucht, daß der Kurbelzapfen 8 auf der Antriebsachse 6 liegt (Hub = Null). Eine Rückstellfeder 59 drückt den Hebel 40 gegen eine Zahnflankenseite der Schnecke 44.
• Zum Verstellen des Hubs h wird der Arbeitszylinder 52 mit Druck beaufschlagt. Der Kolben bewegt über Seil 50 die selbsthemmende Schnecke 44. Die Schnecke 44 verdreht das Kreissegment 36 und damit den Hebel 40 und den Kurbelzapfen 8. Der Hub h wird verändert.
• Am Träger 30 ist mitrotierend die Hydraulikpumpe 60 befestigt, die den Hydraulikzylinder 52 der Hubverstellung versorgt. Die Hydraulikpumpe 60 wird über einen Keilriemen 55 angetrieben, der zwischen einer auf der Pumpenwelle befindlichen Scheibe 51 und einer auf der Achse 6 befestigten Scheibe 53 liegt. Die auf der Achse 6 liegende Scheibe 53 ist starr feststehend befestigt. Bei umlaufenden Träger 30 dreht der Keilriemen 55 die Welle der Pumpe 60 und erzeugt einen von der Drehzahl abhängigen Druck.
• Ein Funktionsbeispiel wird anhand eines Windrotors an Achse 6 mit einer einseitig wirkenden Kolbenpumpe am Kurbelzapfen 8 dargestellt: Steht die Antriebsachse 6, so ist der Servomotor 52 drucklos. Die Feder 58 zieht den Kurbelzapfen 8 in die Antriebsachse 6. Auch ein sehr kleines Drehmoment (sehr wenig Wind) kann den Rotor andrehen, da die Leistungsabnahme durch die Pumpe ebenfalls Null ist.
• Dreht sich der Rotor, so erzeugt ein anhand Fig.4 beschriebener Geber mit Weiterverarbeitung einen Druck, der proportional zur Drehzahl oder in einer anderen Funktion von der Drehzahl abhängig ist und der dem Servomotor 52 zugeführt wird. Dadurch wird der Kurbelzapfen 8 langsam nach außen verstellt, der Hub h wächst, die Leistungsabgabe an die Pumpen ebenfalls.
• Die Vorrichtung regelt also die Leistungsaufnahme der Pumpe selbsttätig nach der zur Verfügung stehenden Leistung: ist der Hub zu groß, also die abgenommene Leistung zu groß oder größer als die ankommende Leistung (z. B. nachlassender Wind oder nachlassende Sonneneinstrahlung), so sinkt die Drehzahl und damit der Druck im Hydraulikkolben. Der Hub wird automatisch zurückgenommen.
• F i g. 4 zeigt den Verstellmechanismus der in F i g. 3 gezeigten Ausführung. Die von einem Windrad 70 angetriebene hydraulische Pumpe 60 erzeugt über eine turbulente Drossel 62 Druck, der dem Hydraulikzylinder 52 zur Verstellung dient. Eine Rückführung der Hydraulikflüssigkeit erfolgt über die Rückleitung 64. Der Hydraulikzylinder 52 verdreht, wie in F i g. 3 gezeigt, die Schnecke 44, die wiederum über ein Schneckenrad den Kurbelzapfen 8 gegenüber der Drehachse 6 des Rotors verstellt. Durch die direkte Kopplung der Hydraulikpumpe mit der Drehachse des Rotors und durch den Einsatz der Drossel ist die geförderte Ölmenge proportional der Drehzahl und der in der turbulenten Drossel 62 erzeugte Druck in quadratisch zur geförderten Ölmenge. Damit ist die Verstellkraft quadratisch zur Drehzahl, was der optimalen Energieabnahme des Rotors entspricht, bei gleichzeitig konstantem Moment der über den Kurbelzapfen 8 angetriebenen Kolbenwasserpumpe.

Claims (7)

1. Patentansprüche: 1. Kurbelgetriebe (2a, 2b, 2c) mit Hubverstellung für die Umwandlung einer Drehbewegung in eine hin- und hergehende Bewegung, insbesondere an einem Motor mit variabler Leistungsabgabe, wie einem Windrotor (70), einem Biogasmotor oder einer solarbetriebenen Dampfmaschine, und an einem Verbraucher (88) mit annähernd drehzahlunabhängigem Drehmoment, wie einer Wasserpumpe, einer Pneumatikpumpe oder einer Hydraulikpumpe (84), wobei - ein Kurbelzapfen (8) auf einer Bahn, die durch die Antriebsachse (6) führt, verstellbar ist, und - zur Verstellung des Kurbelzapfens (8) Stellelemente (52) und ein selbsthemmendes mitrotierendes Kraftübertragungselement (24, 27, 44) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, - daß Sensoren (60) für die drehzahlabhängige, selbststätige Hubverstellung auf den optimalen Hub vorhanden sind und - daß der Kurbelzapfen (8) am Ende eines mitrotierenden exzentrisch gelagerten, verdrehbaren Hebels (18; 40) befestigt ist.
2. 2. Kurbelgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Hebel (26; 40) ein Kreissegment (36) mit Verzahnung (38) am Umfang befestigt ist, dessen Mittelpunkt im Hebeldrehpunkt liegt.
3. 3. Kurbelgetriebe nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein gegen das Stellelement (52) wirkendes elastisches Element, wie eine Feder (58) mit Rollenzug oder Zahnstange, und/oder durch ein elastisches Element, wie eine mechanische Feder (59) oder eine Gasdruckfeder, das den Hebel (40) so vorspannt, daß das selbsthemmende Kraftübertragungselement (44) nur in eine Richtung belastet wird.
4. 4. Kurbelgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Hubverstellung ein Fliehkraftregler vorgesehen ist.
5. 5. Kurbelgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei weitere Elemente (Drossel 62, Rückleitung 64) vorgesehen sind, die das Sensorsignal (Hydraulikdruck, mechanische Verschiebung, elektrische Spannung) in eine Funktion der Drehzahl umwandeln, dadurch gekennzeichnet, daß eine quadratische Abhängigkeit von der Drehzahl vorgesehen ist.
6. 6. Kurbelgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen die Schneckenwelle (42) verdrehenden Servomotor (52).
7. 7. Kurbelgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurbelzapfen (8) so angeordnet ist, daß bei seiner Verstellung die Drehzahl möglichst konstant bleibt.

   Die Erfindung betrifft ein Kurbelgetriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

   Im Maschinenbau sind Kurbelgetriebe für die Umwandlung von Drehbewegungen in hin- und hergehenden Bewegungen bekannt (z. B. für den Antrieb von Kolbenpumpen). Bekannt sind Kurbelgetriebe, deren Hub verstellt werden kann. Damit kann das abzugebende Moment der zur Verfügung stehenden Leistung angepaßt werden.

   Die optimale Nutzung der Energie (zwischen Energieerzeuger und Energieverbraucher) ist im allgemeinen Maschinenbau nur unter bestimmten Randbedingungen (z. B. für bestimmte Drehzahlen oder Drehmomente) gegeben. Werden diese Randbedingungen nicht eingehalten, so wird ein Großteil der angebotenen Energie nicht nutzbar gemacht (Verbrennungsmotor).

   Es sind im Maschinenbau Elemente entwickelt worden, die mittels Drehmomentwandlung eine optimale Energieausbeute gestatten. Sie sind jedoch für viele Anwendungsfälle nicht brauchbar, da sie zu aufwendig sind, zu hohe Wartungsanforderungen stellen oder zu niedrige Wirkungsgrade aufweisen. Insbesondere betrifft dies Anlagen, die häufig im Teillastbereich gefahren werden, wie z. B. Sonnen- oder Windenergieanlagen.

   Bekannt ist aus der DE-OS 32 15571 eine Vorrichtung zur hydraulischen Anpassung einer Arbeitsmaschine an einen Windenergiekonverter.

   Bekannt ist aus der DE-AS in 72 102 ein Kurbelgetriebe mit Hubverstellung für die Umwandlung einer Drehbewegung in eine hin- und hergehende Bewegung, bei dem ein Kurbelzapfen auf einer durch die Antriebsachse führenden Bahn verstellbar ist und bei dem zur Verstellung des Kurbelzapfens Stellelemente und ein selbsthemmendes, mitrotierendes Kraftübertragungselement vorgesehen sind. Eine von der Drehzahl abhängige Verstellung ist nicht offenbart.

   Bekannt ist auf dem Gebiet der Fahrzeugbremsen das Anti-Blockier-System, bei dem Sensoren zur drehzahlabhängigen, selbsttätigen Verstellung der Bremselemente auf den optimalen Hub vorhanden sind.

   Aufgabe der Erfindung ist es, ein mechanisches, sich selbst regelndes Getriebe zu schaffen, das ein stark schwankendes Energieangebot (Wind, Sonne, Biogas) optimal ausnutzt, das also die Leistungsabgabe einer Arbeitsmaschine stets dem Energieangebot anpaßt.

   Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einem Kurbelgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

   Ausführungen der Erfindung sind Gegenstände von