DE4443321A1 - Federmechanik als Regelmechanik zur lastabhängigen Steuerung von Maschinen und Leistungsgetrieben - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Federmechanik als Regelmechanik zur lastabhängigen Steuerung von Maschinen und Leistungsgetrieben.

In der deutschen Patentoffenlegungsschrift DE 41 01 562 A1 ist ein verstellbares Führungsgetriebe zur stufenlosen Verstellbarkeit der Übersetzung von endlichen Schub und Schwenkbewegungen beschrieben.

Ein derartiges Getriebe ist geeignet in Verbindung mit Federn als Regelmechanik für Kraft- und Leistungsma­ schinen und für Getriebe zu fungieren.

Als Beispiel sei der Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs angeführt, an dem ein solch einfacher Regelme­ chanismus sinnvolle Regelaufgaben übernehmen kann. Schmierölpumpe, Lichtmaschine oder andere Nebenaggregate werden direkt vom Motor angetrieben, ändern also ihre Drehzahl direkt mit der Motordrehzahl.

Der Bedarf an Leistung dieser Aggragate steigt aber nicht proportional mit der Motordrehzahl. Daher müssen die Nebenaggregate in der Regel so ausgelegt werden, daß sie schon bei niedrigen Motordrehzahlen eine hohe Leistung erbringen, was bei höheren Drehzahlen zu Verlustleistungen führt.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie gekennzeichnet ist, ändert selbsttätig mit Erhö­ hung einer Schub- oder Schwenkkraft oder eines Drehmoments die Bewegungslänge oder die Winkelge­ schwindigkeit eines Abtriebsgliedes oder einer Abtriebswelle und regelt so selbsttätig bei unterschiedlichen Antriebsgeschwindigkeiten die Abtriebsgeschwindigkeit.

Die Erfindung und ihre Funktionen wird anhand der Fig. 1-9 erläutert.

Die Fig. 1 und 2 dienen der Funktionserläuterung und zeigen ein Führungsgetriebe der deutschen Patentoffenlegungsschrift DE 41 01 562 A1 mit zwei Federn.

Ein linker Schieber 1 mit einem linken Führungsnut 2 einer ersten Schrägung und ein rechter Schieber 3 mit einem rechten Führungsnut einer zweiten Schrägung sind zwischen zwei Federn 7, 8 eingespannt und durch einen Stift 9, der in beide Führungsnuten 2, 4 eingreift, kraftschlüssig verbunden.

Der Stift 9 greift gleichzeitig in eine Gehäuseführung 5 ein, die um eine gehäusefeste Achse 6 gedreht werden kann. Durch die Schrägstellung der Gehäuseführung 5 wird die Übersetzung zwischen linkem Schieber 1 und rechtem Schieber 3 festgelegt und damit die Federn so ent- bzw. gespannt, daß wieder Gleichgewicht herrscht.

Wird z. B. eine Übersetzung 2 : 1 hergestellt, dann wird von zwei Federn, die bei 1 : 1-Übersetzung beide mit 5 N gespannt sind, die eine auf 3 N entspannt und die andere auf 6 N gespannt. Die eine Feder wird damit um zwei Einheiten verlängert, die andere um eine Einheit verkürzt.

Ein Rückschwenken der Gehäuseführung in 1 : 1 Position muß gegen die seitlichen Stützkräfte erfolgen. Die benötigte Antriebsleistung kann man sich mit Hilfe eines Federdiagramms herleiten.

In Fig. 2 greift ein Schieber 10 mit einer Führung 11 am Stift 9 die Schubkraft nach rechts oder links ab und es ist für zwei verschiedene Getriebepositionen die Kraft am Schieber hergeleitet.

In Fig. 2a ist die linke Feder auf 5.5 N gespannt und die rechte Feder auf 4.5 N entspannt. Da die Gehäuseführung eine 1 : 1 Übersetzung festlegt, wirkt am Schieber 10 eine Kraft 1 N nach rechts.

In Fig. 2b haben beide Federn eine Spannung von 5 N, die Gehäuseführung legt aber eine Übersetzung von 1.4 : 1 fest. Damit wirkt eine Schubkraft von ca. 1.7 N nach rechts.

Fig. 3 zeigt das System mit nur einer Feder. Die beiden Schieber 13 und 14 werden von einer gespannten Feder 15 auseinandergepreßt und sind somit mit gleicher Kraft belastet.

Durch Verschwenken der Gehäuseführung 16 wird die Übersetzung geändert und die Schieber bewegen sich nach links oder rechts.

Die Rückführung der Schieber in die Spannposition der Federn erfolgt durch das Geradeschwenken der Gehäuseführung.

Die linken Skizzen zeigen einen mittigen Schwenkpunkt der Gehäuseführung. Die Schieber oszillieren um diesen Punkt.

Die rechten Skizzen zeigen einen Schwenkpunkt am einen Ende der Gehäuseführung. Die Oszillation endet immer in dieser Stellung.

In Fig. 4 ist ein Beispiel für eine derartige Mechanik für Schwenkbewegungen in perspektivischer Sicht gezeigt.

Die Gehäuseführung 20 ist ein Lager mit einem drehbaren Ring 21, an dem der Stift fest ist, der in die Schlitze 30, 31, 32 in den Schiebern eingreift.

Die Gehäuseführung 20 wird von der Antriebswelle 22 um die Zapfen 23 im Gehäuse hin- und hergeschwenkt. Der erste Schieber 24 mit dem ersten Nut 31 sitzt auf der Innenwelle 25, die mit der ersten Feder 26 am gehäusefesten Ring 35 verspannt ist.

Der zweite Schieber 27 sitzt auf der Außenwelle 28, die mit der zweiten Feder 29 am gehäusefesten Ring 35 verspannt ist.

Man beachte, daß durch Verdrehung des "gehäusefesten" Rings 35, z. B. mit einem selbsthemmenden Schneckengetriebe, die Spannung der Federn 26, 29 verändert werden kann (Nachspannen).

Die Führung 33 des Abtriebsschiebers mit dem Schlitz 30 sitzt an der Abtriebswelle 34.

Diese Mechanik allein kann bereits als Regelelement für schwenkende Bewegungen, wie sie z. B. bei Pumpen oder Generatoren zur Leistungsabgabe möglich sind, genutzt werden.

In Fig. 5a ist ein derartiges Regelelement an einer sehr einfachen Pumpe gezeigt, die z. B. als Schmierölpumpe mit minimalen Reibverlusten für Motoren nutzbar ist.

Heutige Schmierölpumpen benötigen ca. 50-60% ihrer Antriebsleistung zur Überwindung von Reib- und Absteuerverlusten des überschüssigen Drucköls.

Die Pumpe besteht aus einem Gehäuse 40 mit gehäusefesten Stegen 41 und einer Welle 42 mit wellenfesten Stegen 43. Die Regelmechanik schwenkt die Welle 42 hin und her.

In Fig. 5b ist die Schaltung der Pumpe skizziert. Die diagonal gegenüberliegenden Kammern 44, 45; 46, 47; haben stets gleichen Kammerdruck und sind über Leitungen miteinander und mit Rückschlagventilen 48, 49 mit der Druck und Saugleitung verbunden.

Man beachte, daß die Regelmechanik im Ölbad angeordnet sein kann.

Dann sind die Reibverluste der Regelmechanik und vor allem der Pumpe sehr gering(mit steigender Antriebs­ drehzahl abnehmende Schwenklängen; kein Absteueröl als Verlustöl; völliger Druckausgleich an der Pumpenwelle).

In Fig. 6 ist der Aufbau einer Pumpe skizziert, wie er für eine Serienfertigung in Frage kommen sollte.

Eine derartige Schmierölpumpe für Maschinen oder Druckölpumpe für Automatikgetriebe dürfte damit den geringsten Leistungsverbrauch aller bekannten Niederdruckregelpumpen haben und einen geringen Bauraum und günstige Herstellkosten aufweisen.

Durch die Federregelung ist auch eine hinreichende Laufruhe gegeben.

Ähnlich kann man auch einen Generator für Kraftfahrzeuge aufbauen, wenn man den Rotor nicht als Dreh-, sondern als Schwenkelement ausbildet.

Fig. 7 zeigt die Regelmechanik mit nur einer Feder entsprechend der Fig. 2 in perspektivischer Sicht. Die beiden Schieber 50, 51 sind mit einer Feder gegeneinander verspannt. Die Schwenkung der Gehäuseführung erfolgt durch eine Antriebswelle 52, die einen sinusförmigen Nut 53 in dem Außenumfang aufweist. Man erkennt, daß man mit dieser Lösung auch mehrere Schwenkungen pro Umdrehung erzeugen kann.

Fig. 8 zeigt die Regelmechanik innerhalb eines Getriebes zur Umwandlung einer Dreh- in eine Drehbewegung.

Die Antriebswelle 55 dreht und schwenkt dabei die Führung 56 hin und her. Das Abtriebsglied 60 ist an einem großen Zahnrad 61 fest, das mit zwei kleinen Zahnrädern 62, 64 verzahnt ist, die auf der gleichen Welle 66 mit Freiläufen 63, 65 angeordnet sind.

Wird nun das große Zahnrad nach rechts geschwenkt, faßt der rechte Freilauf 63 und dreht die Welle 66, während das linke Zahnrad 64 entgegengesetzt zur Welle 66 dreht. Wird das große Zahnrad nach links geschwenkt, faßt der linke Freilauf 65 und die Welle wird weiterhin gedreht.

Bei Anordnung zweier Regelmechaniken an der Welle wird die Drehkraft gleichförmiger.

Fig. 9 zeigt von unten nach oben den zeitlichen Ablauf einer Halbdrehung der Antriebswelle.

Durch die Dynamik des Systems muß man den Ablauf der Bewegung in einem Umkehrpunkt der Kräfte beginnen.

Zunächst wählt man die Entfernung des Umkehrpunktes von der Mittenposition, bestimmt dort die entgegengesetzten Kräfte der beiden Federn und bestimmt die Übersetzung, bei der die Kraft am Schieber zu Null wird. Unterstellt man gleichförmige Drehung von An- und Abtriebswelle, dann bewegt sich der Schieber bei einer Halbdrehung der Antriebswelle (Drehung um 180°) zum anderen Umkehrpunkt. Teilt man die Antriebsdrehung in gleiche, endliche Teile, dann kann man auch die Abtriebsdrehung in gleiche endliche Abschnitte teilen. Dies ist in Fig. 9 gemacht und für jeden Abschnittspunkt die dann wirkenden Kräfte bestimmt.

In Fig. 10 sind die Längen der Bewegungen des Abtriebsgliedes und die wirkenden Kräfte skizziert. Je zwei Schwingungen entsprechen einer Umdrehung der Antriebswelle. Bei kurzen Abtriebsbewegungen hat man die höchsten Ausschläge und damit die höchste Drehkraft, bei langen Abtriebsbewegungen hat man die kürzesten Ausschläge und damit die geringste Drehkraft.

Bestimmt man die mittlere Drehkraft als waagrechte Drehmomentlinie, und verbindet die Endpunkt als Kurve, dann hat man in etwa den Drehzahl-Drehmoment-Verlauf des erfindungsgemäßen Getriebes.

In Fig. 11 ist die Überlagerung der Drehmomentenabgabe zweier um 90° versetzter, erfindungsgemäßer Mechanismen an einer Welle skizziert. Man erkennt, daß die Drehmomentenabgabe gleichmäßiger wird.

Claims (4)

1. Mechanik zur Umwandlung einer endlichen Linear- oder Schwenkbewegung eines Antriebsgliedes 1; 13; 20; 56 in eine endliche Linear- oder Schwenkbewegung eines Abtriebsgliedes 3; 14; 34; 61, mit einem ersten Verschiebeelement 1; 13; 24; 50, einem zweiten Verschiebeelement 3; 14; 27; 51 und einem im Gehäuse um eine gehäusefeste Achse verdrehbaren Führungselement 5; 1; 20; 56, die so miteinander kraftschlüssig verbunden sind, daß durch die Stellung des Führungselements die Übersetzung der Kraftübertragung zwischen erstem und zweitem Verschiebeelement festgelegt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Getriebeelement mit einer Feder- oder Magnetkraft mit dem Gehäuse oder einem anderen Getriebeelement so verbunden ist, daß bei Übertragung einer Bewegung vom Antriebsglied zum Abtriebsglied durch die Feder die Kraftübertragung so geregelt wird, daß bei gegebener Bewegungslänge und -geschwindigkeit des Antriebsgliedes sich bei bei steigendem Bewegungswiderstand des Abtriebsgliedes dessen Bewegungslänge pro Bewegungsperiode des Antriebsgliedes sich verkürzt.

2. Mechanik unter Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Bewegung des Antriebsgliedes 1, 13; 20; 56 durch eine drehende Antriebswelle erzeugt wird.

3. Mechanik unter Patentanspruch 1, 2, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Bewegung des Abtriebsgliedes 61 in eine kontinuierliche Drehbewegung umgewandelt wird.

4. Mechanik unter Patentanspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Regelelement in Getrieben oder an Kraft- oder Arbeitsmaschinen benutzt wird.