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Mechanismus für Bewegungsübertragung. Bei den Mechanismen für Bewegungsübertragung,
wie sie bisher z. B. gewöhnlich für Mischmaschinen verwendet wurden, bewegen sich
die Mischarme oder Schaufeln in derselben Richtung in kreisförmigen Bahnen. Hierbei
neigt die bearbeitete Masse stets dazu, die Drehbewegung im Behälter mit im wesentlichen
der gleichen Geschwindigkeit wie die Schaufeln selbst mitzumachen. Es ist einleuchtend,
daß unter solchen Umständen ein rasches und inniges Mischen von zwei oder mehr Substanzen
nicht wohl möglich ist. Um diesem Nachteil abzuhelfen, sind Vorschläge verschiedener
Art gemacht worden in einem ersten Fall wurden feststehende Arme oder Brechstäbe
in. den Behälter eingebaut, ,in einem zweiten Fall wurden die Schaufeln an der Mischerwelle
so angeordnet, daß sie sich in entgegengesetzten Richtungen bewegten, und in einem
dritten Fall wurde den Schaufeln außer der Bewegung um die Achse des Behälters eine
zusätzliche Bewegung oder mehrere solcher in einer anderen Richtung oder in anderen
Ebenen erteilt.
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Die Anordnung feststehender Arme oder Brechstäbe im Innern des Mischbehälters,
wie im ersten Fall vorgesehen, hat den Nachteil, daß sich im allgemeinen die Entleerung
der bearbeiteten Masse aus dem Behälter schwierig gestaltet.
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Die Anordnung komplexer Bewegungen, wie vorstehend für den zweiten
und dritten Fall erwähnt, bedingt die Verwendung von Gelenken= und Lagern, welche
mit dem behandelten Material in Berührung kommen. Und da das Einbringen von Schmiermitteln
in solche Lager oft unmöglich ist, infolge der Art des bearbeiteten Materials, z.
B. Nahrungsmittel oder Chemikalien, die nicht durch 01 oder Fett verunreinigt werden
dürfen, ist die Abnutzung solcher Gelenke und Lager oft eine außerordentliche, so
sehr, daß feine Metallteilchen ihren Weg in den Inhalt des Mischbehälters finden.
Der
Mechanismus gemäß Erfindung ist ein solcher, bei welchem eine primäre Drehbewegung
in solche Bewegung übergeführt wird, in welcher dauernde Dreh- und Hinundherbewegungen
kombiniert sind, oder umgekehrt. Das Neue besteht darin, daß zwei Organe vorhanden
sind, von denen das eine ein Antriebs- und das andere ein angetriebenes Organ ist,
welche um verschiedene geometrische Achsen umlaufen, sowie ein Verbindungsorgan,
das zwischen diesen beiden vorgenannten Gliedern eingeschaltet und mit ihnen durch
zwei Gelenke verbunden ist, von welchen wenigstens das eine ein Universalgelenk
ist, und wobei der Schnittpunkt der beiden geometrischen Drehachsen des Universalgelenkes
sich in einem Abstand von der Drehachse des Antriebs- oder des angetriebenen Organs,
dem das Gelenk angehört, befindet.
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Diese Anordnung ermöglicht es, den mit der Welle einer Mischmaschine
fest verbundenen Schaufeln nicht nur eine kreisförmige Bewegung, sondern noch eine
zusätzliche Bewegung in der Richtung der Achse dieser Welle zu erteilen. Die unter
Behandlung stehende Masse kann nicht leicht der von den Schaufeln beschriebenen
Bahn folgen; sie kann also nicht sich als ein Ganzes drehen, und infolge hiervon
werden die verschiedenen Bestandteile der Masse zusammengebracht und rasch miteinander
vereinigt. Das Mischelement, d.h. derjenige Teil, an welchem die Schaufeln befestigt
sind, kann ein einziges Stück bilden, ohne irgendwelche beweglichen Gelenke oder
Lager aufzuweisen, welche mit der zu mischenden Masse in Berührung kommen. Es ist
daher ausgeschlossen, daß diese durch 01, Fett oder Metallteilchen irgendwie
verunreinigt werden können, und die Entleerung und Reinigung des Behälters ist eine
sehr leichte.
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Bei Kolben für Flüssigkeitspumpen, Luftkompressoren, Dampf- und Gasmaschinen
u. dgl. ist mit der Absicht, die Anwendung von Ventilen zu vermeiden, eine Bewegung
vorgeschlagen worden, bei welcher die gewöhnliche Hinundherbewegung des Kolbens
mit einer unterbrochenen Drehbewegung um seine Achse verbunden ist. Eine solche
kombinierte Bewegung wurde bisher unter Verwendung eines Kurbelzapfens erreicht,
der mit Bezug zur Achse der Kurbelwelle, von welcher er einen Teil bildet, in einem
Winkel geneigt ist sowie einer mit der Welle durch Universalgelenke verbundenen
Pleuelstange. Dieser Mechanismus gestattet indessen nur eine kombinierte Hinundherbewegung
und. eine Schüttelbewegung in einem Kolben, so daß ein Punkt seiner Oberfläche eine
angenähert elliptische Bahn beschreibt. Obschon eine derartige Bewegung für das
Öffnen und Schließen von in der Kolben- oder Zylinderwandung vorgesehenen Ventilöffnungen
benutzbar ist, so ist sie doch mit erheblichen Nachteilen behaftet: Erstens muß
die Winkelbewegung des Kolbens um seine Achse und diejenige der Verbindungsstange,
mit welcher er verbunden ist, während jeder Umdrehung der Kurbelwelle zweimal unterbrochen
und eine Bewegung in entgegengesetzter Richtung erteilt werden. Wenn die beweglichen
Teile ein erhebliches Gewicht aufweisen, so ergeben sich vielfach große Torsionsbeanspruchungen
der Lager, die übermäßig abgenutzt werden. Da diese Gefahr mit der -Höhe der Geschwindigkeit
zunimmt, so ist klar, daß ein solcher Mechanismus für raschlaufende Maschinen nicht
verwendbar ist.
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Zweitens ist der Ausschlag der Winkelbewegungen des Kolbens um seine
Achse vom Winkel abhängig, welchen die Achse des Kurbelzapfens mit Bezug auf die
Achse der Kurbelwelle einnimmt, welcher Winkel aus praktischen Erwägungen nicht
sehr groß sein darf. Hieraus ergibt sich, daß die Flächen der Einlaß- und Auslaßöffnungen
für das Arbeitsfluidum in einem bestimmten Verhältnis zur Amplitude der Schüttelbewegung
stehen, und da diese letztere innert verhältnismäßig enger Grenzen gehalten werden
muß, ist notwendigerweise die Fläche dieser Öffnungen gleichfalls eine verhältnismäßig
beschränkte.-Drittens gestalten die durch einen solchen Mechanismus verwirklichte
Schüttelbewegung und die Umkehr der Drehrichtung während einer jeden Umdrehung in
zwei bestimmten Punkten die dauernde Abdichtung in den Kolben und Stopfbüchsen außerordentlich
schwierig, insbesondere, wenn es sich um schnellaufende Maschinen handelt.
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Der vorstehend an erster Stelle vermerkte Nachteil ist beim Mechanismus
gemäß Erfindung insofern nicht vorhanden, - als die Drehbewegung des Kolbens eine
dauernde ist, und die Torsionsbeanspruchungen der Gelenke und Lager, abgesehen von
denjenigen, die aus- Reibungswiderständen erwachsen, und die unbedeutend sind, sind
auf diejenigen beschränkt, die auf geringe Änderungen des Momentums zurückzuführen
sind, als Folge der geringen Wechsel der Winkelgeschwindiä keit, und von welchen
später noch die Rede sein wird. Wichtig ist eben, daß die Drehrichtung der wesentlichen
Teile um die Horizontalachsen der treibenden und der angetriebenen Wellen unverändert
bleibt, und daß die umlaufende Masse im wesentlichen in gleicher Weise wie ein Schwungrad
wirkt, Besonderheiten, welche ihre höchste Bedeutung dann erlangen, wenn erhebliche
Kräfte
mit großer Geschwindigkeit zu übertragen sind.
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Die oben an zweiter Stelle erwähnte Beschränkung ist beim Mechanismus
gemäß Erfindung dadurch vermieden, daß bei jeder vollen Umdrehung der Triebwelle
der Kolben eine ebensolche macht, und die durch einen beliebigen Punkt der Kolbenoberfläche
beschriebene Bahn ist keineswegs eine Ellipse mit verhältnismäßig kurzer, kleinerer
Achse, wie dies der Fall bei den vorstehend beschriebenen früheren Mechanismen ist.
Die beschriebene Bahn ist vielmehr eine geschlossene, den ganzen Umfang des Kolbens
umfassende Figur.
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Mit Bezug auf die im vorangehenden an dritter Stelle erörterten Mängel
ist zu sagen, daß die andauernde Drehbewegung des Kolbens in Verbindung mit einer
Hinundherbewegung beim Mechanismus gemäß Erfindung einen gleichmäßigen, ununterbrochenen
Film des Schmiermittels zwischen den miteinander in Berührung stehenden Flächen
zuläßt und aufrechterhält. Eine derart vollkommene Schmierung ist unmöglich bei
bloßer Hinundherbewegung der Teile, noch bei einer kombinierten Schüttelbewegung
und Hinundherbewegung. Des ferneren ist der durch den Kolben auf die Zylinderwände
verursachte Querdruck, der eine Folge der in der Achse der Pleuelstange wirkenden
Kräfte ist, gleichmäßig über die ganze Innenfläche des Zylinders verteilt und ist
keineswegs auf zwei gegebene Linien konzentriert, wie dies dann der Fall ist; wenn
ein Kolben bei einer gewöhnlichen Kurbel und Pleuelstange bewegt wird, oder aber
auf zwei schmale Streifen beschränkt, wenn die Bewegung eine Schüttel-und eine Hinundherbewegung
ist. Aus diesen Gründen- wird ein Zylinder, in welchem ein Kolben nach der Art der
Erfindung arbeitet, seine ursprüngliche Form viel länger beibehalten, als wenn die
Bewegung des Kolbens in einer der bisher bekannten Weisen erfolgt.
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Die beiliegende Zeichnung veranschaulicht schematisch eine beispielsweise
Ausführungsform des Mechanismus gemäß Erfindung.
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Die Abb. i und z sind eine Seitenansicht und eine Draufsicht.
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Die Abb. 3 und 4 sind ebenfalls eine Seitenansicht und eine Draufsicht,
in denen aber gewisse Teile in anderer Stellung gezeigt werden.
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Das eine der eingangs erwähnten Organe wird durch die Triebwelle a
gebildet, die in Lägern b, c aufruht, in denen sie sich wohl drehen, nicht aber
achsial verschieben kann. An dem einen ihrer Enden ist sie mit einer Antriebshandkurbel
d versehen, und an ihrem anderen Ende, senkrecht zur Horizontalachse f der
Welle a, mit einer Kurbel e. Das andere angetriebene Organ wird durch eine
Welle g gebildet, die in Lagern h, i getragen ist, in denen sie sich um die
Horizontalachse j drehen und auch achsial verschieben kann. Die Achse j befindet
sich in derselben Horizontalebene wie die Achse f. Zwischen der Kurbel
e der Welle a und der Welle g ist eine Pleuelstange k angeordnet,
die das Verbindungsorgan darstellt und mit der Kurbel und der Welle durch ein Gelenk
verbunden ist. Sie weist zwei Querstücke w, x auf, von denen :das eine,
w, um die Achse v der Kurbele drehbar, aber auf dieser nicht verschiebbar
ist, während das andere Querstück, x, auf der Welle g befestigt ist, ferner zwei
Längsstücke y ü, die sich auf den Teilen w, x um die Achsen l; in, die erstere
quer mit Bezug auf die Achse y, die zweite quer mit Bezug auf die Achse v, drehen
können. Dabei ist die Achse m in einem gewissen Abstand von der Achse
f, während die Achse l die Achse j schneidet. Das Gelenk e-z@-y-N
ist demnach ein Universalgelenk, während x-y-ü ein einfaches Gelenk ist.
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Die Lager b, c sind von einer Platte n getragen, die in o auf
einer Grundplatte q um eine die Achse f schneidende, senkrechte Achse p drehbar
ist, die sich in der Vertikalebene befindet, welche die durch die Mitte des Gelenkes
e-w-y-z beschriebene Kurve enthält, wenn man die Welle a um die Achse
f dreht. In der Platte n ist ein bogenförmiger Schlitz r ausgespart, durch
welchen eine mit Gewinde versehene Stange s hindurchgeführt ist, die eine Flügelmutter
t trägt. Diese letztere ermöglicht die Einstellung der Platte n in verschiedenen
Stellungen.
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Die Wirkungsweise dieser Ausführungsform ist wie folgt: Wenn die beiden
Achsen f, j der Wellen a, g zusammenfallen, wie in den Abb. i und
gezeigt, so wird die der=- Kurbel d erteilte Drehbewegung ohne weiteres auf die
Welle g übertragen, d. h. diese hat jederzeit die gleiche Winkelgeschwindigkeit
wie die Welle a. Sie wird auch keinerlei achsiale Bewegungen ausführen.
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Es sei nun angenommen, daß man die Achse f durch Drehung der
Platten in die in den Abb. 3 und d. gezeigte Stellung bringt, wobei die Achse
f, statt mit der Achse j zusammenzufallen, einen bestimmten Winkel i.c mit dieser
einschließt. Im Laufe einer Umdrehung der Kurbel d beschreibt der Schnittpunkt der
Achse in, und der Längsachse v der Kurbele einen Kreis, der sich in einer Vertikalebene
befindet, die schräg - und nicht mehr senkrecht - zur Achse j ist. Hieraus folgt,
daß die Welle g, zusätzlich zu ihrer Drehbewegung, noch eine Hinundherbewecung erhält.
Es ist außerdem zu beachten,
daß, wenn man der Kurbel d eine gleichmäßige
Winkelgeschwindigkeit erteilt, die Winkelgeschwindigkeit der Welle g sich im Verlaufe
jeder Umdrehung zwischen einem Höchstwert und einem Mindestwert verändert; dabei
bestehen zwei um iSo° auseinanderliegende Punkte, in denen sie den g <S
leichen
Höchstwert, und zwei gleichfalls um iSo° auseinanderliegende Punkte, in denen sie
den gleichen Mindestwert erreicht; der Abstand eines Punktes, in welchem die Geschwindigkeit
am größten und einem Punkt, in welchem sie am niedrigsten ist, beträgt 9o°.
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Der Wert der achsialen Bewegung der Welle g ist veränderlich zwischen
einem Nullwert und einer oberen Grenze nach dem von den Achsen f und
j eingeschlossenen Winkel lt. Durch eine Verschiebung der Platten lassen
sich alle zwischen diesen beiden Grenzen liegenden Werte erzielen.
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Wenn man nun die Welle g als Antriebswelle und die Welle a als angetriebene
Welle betrachtet und der Welle g neben einer Drehbewegung auch eine Hinundherbewegung
erteilt, so wird die Welle a in Umdrehung versetzt. Bei jedem Richtungswechsel der
achsialen Verschiebung der Welle g ergeben sich zwei Totpunkte, aber die Bewegung
der Welle a.wird nicht unterbrochen, sofern diese Welle a infolge ihres Eigengewichtes
oder dank einer Masse, mit der sie verbunden ist, z. B. mit einem Schwingrad, diese
beiden Totlagen überschreiten kann.
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Die gezeigte Ausführungsform ist rein schematisch, und es kann der
in Frage stehende Mechanismus durch andere Teile und Organe verwirklicht werden.
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Das Verbindungsorgan k kann mit der Welle g statt durch ein einfaches
Gelenk auch durch ein Universalgelenk verbunden sein. In diesem Falle können sich
die Drehachsen f, j entweder in derselben oder in verschiedenen Horizontalebenen
befinden, und es ist nicht mehr notwendig, daß die Kurve, die der Schnittpunkt der
beiden Drehachsen v, m des Gelenkes e-w-y-w beschreibt, in einer durch die
Achse p gehenden Vertikalebene liegt.
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Die Kurbel e und die Achse v brauchen nicht senkrecht
zur Achse f zu stehen. Es ist dann, wenn das Verbindungsorgan k mit der Welle g
durch ein einfaches Gelenk verbunden ist, notwendig, daß die Verlängerung der Achse
j der Welle g, die Achse f der Welle a
und die Achse
v der Kurbel e sich im gleichen Punkte schneiden. Die Winkelgeschwindikeit
der mitgenommenen Welle g verändert sich dann periodisch zwischen zwei oberen Grenzwerten,
die in zwei um iSo° auseinanderliegenden Punkten erreicht werden, und von denen
der eine Grenzwert größer ist als der.andere, und zwischen zwei unteren gleichen
Grenzwerten, welche beide in Punkten erreicht werden, die von einem der oberen Grenzwerte
desselben Winkels abliegen, aber nicht i8o° einer von dem anderen entfernt sind.
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Das Organ k kann aus einem einzigen Stück hergestellt werden.
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Der Mechanismus kann beispielsweise zum Antrieb von Knet- und Mischmaschinen,
wo man gleichzeitig eine Drehbewegung und eine Längsbewegung haben muß, und zum
Antrieb von hydraulischen Pumpen, Vakuumpumpen, Luftverdichtern usw. dienen, bei
denen sich die Verbindung der Längsbewegung und der Drehbewegung als nützlich erweist
für den Zutritt und den Austritt des Fluidums durch in dem Kolben und den Zylinderwänden
ausgesparte bffnungen. Man kann den Mechanismus auch zur Umwandlung der Hinundherbewegung
eines Organs, beispielsweise eines Kolbens, in eine Drehbewegung verwenden; in diesem
Falle wird die Welle g zum Antriebsorgan.