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Umsteuerbare Vorrichtung zur Umwandlung einer hin und her gehenden
in eine kreisende Bewegung vermittels Zahnräder und Zahnstangen. Die Erfindung betriff
Verbesserungen an der Vorrichtung zur Umwandlung einer hin und her gehenden Bewegung
in eine kreisende Bewegung vermittels Zahnräder und Zahnstangen. Die Vorrichtung
besteht aus zwei Zahnstangen, welche mit dem hin und her gehenden Organ verbunden
sind, und aus einem mit dem drehenden Organ verbundenen Zahnrad oder Zahnradabschnitt.
Beide Zahnstangen am Ende jeder ihrer Hubbewegung verstellen sich in der Querrichtung,
um abwechselnd mit dem Zahnrade in Eingriff zu treten. Bei dieser Anordnung verstreicht
am Ende jedes Ausschlages des hin und her gehenden Teiles eine gewisse Zeit zwischen
dem Einrücken der einen Zahnstange und dem Ausrücken der anderen, und diese Zeit
ist als neutrale Zeit zu betrachten, während welcher die Bewegungen des rotierenden
und des hin und her gehenden Organs ungekuppelt bleiben, wenn beide Teile unabhängig
sind. Bei Viertaktmotoren, im besonderen bei denen am Ende der Kompression und der
Ansaugung die Zahnstangen durch den Kolben eine dem Zahnrad entgegengesetzte Bewegung
erfahren, würden die Zahnstangen das Bestreben haben, sich unabhängig von dem Zahnrade
zu bewegen, wenn sie in diesem Moment nicht festgehalten würden. Die Verbesserung
entsprechend der vorliegenden Erfindung hat zum Gegenstand, die Bewegungen der Zahnstangen
und des Zahnrades während dieser neutralen Zeit, während welcher die betreffenden
Teile nicht in gegenseitigem Eingriff stehen, zwangläufig zu verbinden. Zu diesem
Zwecke sitzen an dem hin und her gehenden oder kreisenden Teil eine oder mehrere
Rollen auf, welche auf einer oder mehreren Rampen geeigneten Profiles sich abwälzen,
die auf einem mit dem anderen Organ befestigten Teil angebracht sind.
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Andere kennzeichnende Merkmale ergeben sich aus nachstehender Beschreibung
unter Bezugnahme auf die Zeichnung, welche Ausführungsbeispiele darstellt.
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Abb. I ist ein Achsenschnitt einer ersten Ausführungsform der Erfindung
mit nur einer an jedem Ende des Rahmens angeordneten Rolle, welche sich auf nur
eine Rampe auflegt.
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Abb. 2 ist ein Achsenschnitt durch dieselbe etwas umgeänderte Ausführungsform.
Abb.3 ist ein Achsenschnitt einer dritten Abweichung derselben Ausführungsform.
Abb. ¢ ist ein schematischer Achsenschnitt einer - zweiten Ausführungsform, bei
der an jedem Ende des Rahmens ebenfalls nur eine Rolle angebracht ist, die aber
zwischen zwei
mit dem kreisenden Teil verbundene Auflaufflächen
oder Rampen greift.
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Abb. 5 zeigt in vergrößertem Maßstabe die Rampe für die Rolle.
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Abb. 6 ist ein schematischer Achsenschnitt der Anordnung der vorhergehenden
Vorrichtung. Abb. 7 ist ein schematischer Achsenschnitt einer dritten Ausführungsform,
der entsprechend an jedem Ende des Rahmens zwei Rollen angebracht sind, die sich
auf je eine besondere Rampe auflegen.
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Die Vorrichtung entsprechend der voraufgegangenen Erfindung besteht
aus zwei Zahnstangen I und 2, welche die zwei gegenüberstehenden Längsseiten eines
starren Rahmens D D' F F' bilden, der in Querführungen E E' gleitet, welche letzteren
ihrerseits in Längsführungen mit Erhöhungen 5, 6, 7', 8', 7, 8 des Gestelles sich
bewegen. Die Querbewegung des Rahmens in den Gleitführungen E E' entsteht dadurch,
daß eine oder mehrere Daumenscheiben C sich auf die Erhöhungen 3 und 4 des beweglichen
Rahmens auflegen, so daß die Teile k l und m n jeder Daumenscheibe einer Querverstellung
des Rahmens innerhalb eines Winkels ß entsprechen. Dieser Winkel entspricht mehreren
Zahngängen des Zahnrades. Bei dieser Anordnung gehen die hin und her bewegten Teile
ohne weiteres am Ende jeder Bewegung von der Geschwindigkeit der letzteren zum Stillstand
über, und zwar auf eine Dauer, die der Drehung des Zahnrades innerhalb des Winkels
ß entspricht. Im Beginn jeder Bewegung, wenn die Zähne des Zahnrades in die Zahnstangen
greifen, müssen in gleicher Weise dieselben Teile plötzlich aus der Ruhelage in
eine der Tangentialgeschwindigkeit des Zahnrades entsprechende Geschwindigkeit übergehen,
hauptsächlich während des Totganges der Explosionsmotoren, wo die Kolbengänge keine
Eigengeschwindigkeit besitzen. Im ersten Falle entsteht infolgedessen ein Stoß durch
Auftreffen der Querschienen E E' auf die Erhöhungen 5, 6 und 7', 8', im zweiten
Falle durch Auftreffen der ersten Zähne des Zahnrades auf die entsprechenden Zähne
der Zahnstangen. Nach der Erfindung stellt man diesen übelstand dadurch ab, daß
man die Querschienen E, E' mit Trägern S und S' versieht, an deren Enden eine Rolle
aufsitzt, die entweder, wie in den Abb. 1, 2, 3 dargestellt ist, sich auf nur ein
und dieselbe Rampe geeigneter Profilierung, die mit dem drehbaren Teil fest verbunden
ist, auflegt oder auf zwei Rampen, entsprechend Abb. 4, 5 und 6, oder aber, daß
man jede Querschiene mit einem Organ mit zwei Rollen versieht, wovon sich jede auf
eine besondere in Abb. 7 dargestellte Daumenscheibe auflegt. Entsprechend der ersten
Ausführungsform nach Abb. I wird die Profilierung u, v, x, y, der Daumenscheibe
des Zahnrades P in folgender Weise bestimmt : Die Winkel u o v und x o y schneiden
auf dem ursprünglichen Umfang des Zahnrades einen Kreisbogen aus, der gleich ist
einem Zahngänge, und die Geraden u u' und v v' entsprechen ihrerseits selbst einem
einzelnen Zahngange. Betrachtet man die Lage der Zahnstange, wenn sie mit dem Zahnrad
in Eingriff steht, und zwar vor Beendigung der Querbewegung um einen Zahn, so kommt
die Rolle G beim Punkte u in tangentiale Berührung mit der Rampe u v, deren Profilierung
einer Komponente der geradlinigen Bewegung der Zahnstange und der Kreisbewegung
des Zahnrades entspricht. Von da ab wälzt sich die Rolle bis zum Ende ihrer Bewegung
auf dieser Rampe ab. Bei v ist die Laufbahn bogenförmig abgerundet, um allmählich
und ohne Stoß die Geschwindigkeit der hin und her gehenden Bewegung aufzuheben.
Der Winkel v ox ist gleich dem Winkel ß, d. h. gleich der Größe der Unidrehung,
welche das Ein- und Ausrücken der Zahnstangen bewirkt. Somit stehen die Zähne des
Zahnrades, kurz bevor die Rolle bei x anlangt, im Begrifft, mit den Zähnen der Zahnstange
in Eingriff zu treten. Die Rampe x y ist somit so profiliert, daß der Stoß der Zahnradzähne
auf die Zahnstangenzähne vermieden wird, und daß die Rampe durch allmähliches Wegdrücken
der Rolle die hin und her gehende Bewegung einleitet, die dann durch die Zähne des
Zahnrades fortgesetzt wird, bis die Rolle bei y anlangt und die Rampe xy verläßt.
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Was die Ausführungsform mit zwei das Ein- und Ausrücken der Zahnstangen
bewirkenden Daumenscheiben betrifft, die auf mit dem Zahnrad nicht gemeinschaftlichen
Achsen aufsitzen, müssen auf den Seiten des Zahnrades eine oder mehrere Daumenscheiben
zur Enleitung und zum Abstellen der hin und her gehenden Bewegung angeordnet werden,
deren Anzahl durch das Verhältnis zwischen der Ausschlagsweite und dem Zahnradhalbmesser
bestimmt wird. Wenn entsprechend Abb.2 zwei Daumenscheiben Cl und C2 zum Ein- und
Ausrücken der Zahnstangen benutzt werden, die auf zwei Achsen O', die von der Achse
O des Zahnrades unabhängig sind, aufsitzen, trägt das Zahnrad P zwei Daumenscheiben
für die Einleitung und Abstellung der Bewegung. Die Daumenscheibe u o y dient als
Bahn für die Rolle der Querschiene E und die Daumenscheibe u" o y" als Bahn für
die Rolle der zweiten Gleitschiene E'.
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Ein weiterer Vorteil dieser Einrichtung besteht darin, daß in den
Wandungen des Gehäuses die Erhöhungen 5, 6, 7' und 8' als
zwecklos
in Wegfall kommen können, da während der ganzen Zeit, die der Drehbewegung um den
Winkel ß entspricht, die Kolben an den Enden ihres Hubes einerseits durch die Rolle
G, die auf der Rampe x y läuft, und andererseits durch die Enden der Erhöhungen
3 und 4, die sich auf die Mitnehmer- und Sperrampen k l und m,n auflegen, festgehalten
werden.
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Wie außerdem in Abb. 1 gezeigt ist, sind zur besseren Führung des
Rahmens D D' F F' während der hin und her gehenden Bewegung Rollen Io an den Wänden
des Gehäuses bei 5, 6, 7' und 8' angeordnet, so daß bei der Bewegung in Richtung
des Pfeiles/ der Rahmen in der Querrichtung geführt und festgehalten wird, einerseits
durch seine Berührungspunkte mit den bei 6 und 8' liegenden Rollen und andererseits
durch die Berührung der Erhöhung 4 mit der Daumenscheibe C. Bei der umgekehrten
Bewegung wird der Rahmen in der einen Richtung durch die Rollen bei 5 und 7' und
in der anderen Richtung durch die Erhöhung 3, welche sich an die Exzenterscheibe
C anlegt, festgehalten. Bei der Ausführungsform entsprechend Abb. 2, bei der die
Wände des Gehäuses behufs Raumersparnis einander genähert sind, sind bei 5, 6, 7'
und 8' ebenfalls Rollen angebracht. Die Führung des Rahmens AD' FF' erfolgt in der
einen Richtung der hin und her gehenden Bewegung, und zwar in Richtung des Pfeiles
f3 einerseits durch den Rahmen, welcher sich auf die Rollen bei 5 und 7' auflegt,
während andererseits die Erhöhung 4 sich an die Daumenscheibe C2 anlegt. Bei der
umgekehrten Bewegung in Richtung des Pfeiles f4 erfolgt die Führung einerseits durch
die Rollen bei 6 und 8', auf welche sich der Rahmen auflegt, und andererseits durch
die Erhöhung 3, die sich an die Scheibe C' anlegt. Zur Verhinderung der Reibung
der Mitnahme- und Sperrampen auf dem Ende der Erhöhungen 3 und 4 und demnach zur
Verhinderung der raschen Abnutzung dieser Teile, ist an den Enden jeder Erhöhung
eine Rolle I I angebracht. Ebenso um Reibungen des kreisbogenförmigen Teiles r der
Rampe auf den Erhöhungen 3 und 4 zu vermindern, sind diese mit Rollen oder Laufkugeln
versehen.
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Entsprechend der Ausführungsform (Abb. 3; sind die Zahnstangen I und
2 außerhalb des Rahmens verlegt, um das Raumbedürfnis des Rahmens D D' F F' und
damit das Gewicht der hin und her gehenden Teile zu vermindern. In diesem Falle
trägt die Welle O kein Zahnrad, sondern lediglich nur Daumenscheiben zum Einleiten
und zum Abstellen der hin und her gehenden Bewegung. Das Antriebsrad für die hin
und her gehende Bewegung wird durch zwei Zahuräder P1 und P2 ersetzt, welche auf
besonderen Achsen O' aufsitzen. Sie bewegen sich demgemäß in demselben Sinne wie
die Daumenscheiben Cl und C=2 jedoch umgekehrt zur Antriebswelle für die drehende
Bewegung, und ihr Halbmesser, am Scheitel der Zähne gemessen, ist gleich 0'K. Das
Zahnrad P1 veranlaßt die Bewegung in Richtung des Pfeiles f3 und das Zahnrad P2
in Richtung des Pfeiles f4. Die Sperrampen m n spielen in diesem Falle die Rolle
von Mitnehmerrampen, während die Rampen k l umgekehrt die der Sperrrampen spielen.
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Bei dieser Einrichtung wird die innere Breite des Rahmens auf den
Durchmesser der Welle 0 vermehrt und um 2h herabgesetzt, denn die auf der Welle
0 aufsitzenden Daumenscheiben können sehr wohl in einer vom Rahmen verschiedenen
Ebene liegen. Die Laufbahnen der Führungsrollen bei 5, 6, 7' und 8' sind an der
Seite der Zahnstangen befestigt. Bei dem Ausführungsbeispiel der Abb. 4. und 5 sind
zwei Zahnstangen I und 2 vorhanden, welche die gegenüberstehenden Seiten eines starren
Rahmens D D' F F' bilden, der mit dem die hin und her gehende Bewegung veranlassenden
Organ fest verbunden ist und sich in der Längsrichtung in dem Gestell 13 bewegt.
Die Bewegung des Rahmens wird durch Rollen Io unterstützt. Ein Zahnrad P, dessen
Durchmesser so groß gewählt ist, daß er nur auf dem unteren Teil, der kleiner ist
als die Hälfte des Gesamtumfanges, gezahnt zu werden braucht, um so viel Zähne wie
jede Zahnstange I und 2 zu besitzen. Dieses Zahnrad sitzt auf der Welle O und greift
bei seiner stets im gleichen Sinne gerichteten Drehung abwechselnd in die eine und
die andere Zahnstange. Das Ausrücken dieser am Ende ihres Ausschlages geschieht
selbsttätig im Laufe der Drehung des Zahnrades, wenn der letzte Zahn desselben aus
der entsprechenden Zahnlücke der Zahnstange austritt im Augenblicke, wo deren geradlinige
Bewegung beendet ist. Der Eingriff der gegenüberstehenden Zahnstange dagegen erfolgt,
sobald der erste Zahn des Zahnrades in die entsprechende Zahnlücke der Zahnstange
eintritt, Zum abwechselnden Eingriff der Zahnstangen ist es somit überflüssig, den
Rahmen am Ende der hin und her gehenden Bewegungen noch eine Querbewegung ausführen
zu lassen. Dadurch ist man in der Lage, den Rahmen D D' F F' unmittelbar
an den Schienen F_@ und E' des Kolbens zu befestigen. «renn man mit I? den
Halbmesser des Zahnrades an der Basis der Zähne bezeichnet und mit lt
die
Höhe der Zähne, so geht die innere Weite des Rahmens an der Basis der Zähne der
Zahnstangen in diesem Falle auf den Wert
2R 2h herab und beträgt
nicht mehr 2R 4h der vorgenannten Ausführungsformen, bei welchen die Zahnstangen
infolge jeder ihrer Querverschiebungen mit dein Zahnrade oder den Zahnrädern in
Eingrill treten. Zum Wechseln der hin und her gehenden Bewegung werden Träger S
und S1 auf den Schienen E E' angebracht, an deren Enden Rollen G bzw. G' aufsitzen.
Diese wälzen sich bei jedem Richtungswechsel zwischen zwei Rampen ab, die auf einer
mit dem drehenden Teil verbundenen Scheibe angebracht sind. Der Zwischenraum der
beiden Rampen entspricht dem Durchmesser der Rolle, und der Mittelpunkt der letzteren
beschreibt zwischen den Rampen eine Bahn u v z x y (Abb. 5), die in folgender Weise
bestimmt wird: der Winkel u o v entspricht einer Bewegung, deren Dauer zwischen
dem Moment liegt, wo beispielsweise die Achse des letzten Zahnes des Zahnrades senkrecht
zur Längsseite des Rahmens steht, und wo das Zahnrad die Zahnstange nicht mehr mitnimmt,
ohne daß aber diese Bewegungsgrenze unbedingt innegehalten zu werden braucht. Das
rechtsliegende Segment u u' ist gleich der Längsbewegung der Zahnstange während
derselben Zeit, und die Kurve u v stellt die Resultierende der Drehbewegung des
Zahnrades und der geradlinigen Bewegung der Zahnstange dar. Die Kurve x y wird in
analoger Weise bestimmt, ausgehend von dem Moment, wo der erste Zahn des Zahnrades
in die gegenüberstehende Zahnstange eingreift und das Zahnrad umgekehrt sich dreht,
um dem freien Spiel des Zahnes innerhalb der Zahnlücke Rechnung zu tragen. Infolgedessen
funktioniert der Apparat in entgegengesetzter Richtung unter gleichen Bedingungen.
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Der Winkel v o x entspricht dann einer Teildrehung des Zahnrades in
der Zeit, wo der letzte Zahn des Zahnrades die Zahnstange nicht mehr mitnimmt, und
wo der erste Zahn sich in die entsprechende Lücke der gegenüberstehenden hineinlegt.
Diese Zeit ist neutral, d. h. entspricht in diesem Augenblicke einem vollständigen
Stillstand des Kolbens an den Enden seines Hubes, wo die Kurve v x einen Kreisbogen
vom Halbmesser O v darstellt. Man kann diesen neutralen Zeitabschnitt dazu benutzen,
um den plötzlichen Stillstand der geradlinigen Bewegung des Kolbens zu dämpfen,
indem man diese neutrale Zeit mittels einer geeigneten Kurve bis z verlängert, d.
h. um eine Zeit, die der Hälfte der Drehung um den Winkel v o x entspricht. Das
Einleiten der geradlinigen Bewegung der _gegenüberstehenden Zahnstange kann in derselben
Weise allmählich bei z beginnen, indem die Kurve z x, welche zur Kurve z l;, symmetrisch
liegt. bei x an den letzten Teilx p der Rcimpe rr v.r 1, angeschlossen wird.
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Aus der Profilierung dieser Kurve i- z y ergibt sich, daß der Kolben
sich unter allmählicher Verzögerung weiterbewegt, nenn eine der Zahnstangen auf
eine Länge ausgerückt ist, die gleich ist dem Unterschied zwischen den Halbmessern
O v und Oz.
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Dieser Abschnitt v z x der Rampe u v z x y arbeitet also ausschließlich
während des Wechsels der Bewegung, und diese Arbeit ist um so größer, als die Bewegung
eine raschere ist. Somit ist es von Vorteil. diesen Abschnitt möglichst groß zu
machen, entweder durch Vergrößerung des Abstandes vom Mittelpunkte O oder durch
Vergrößerung des Winkels v o x. Man kann auch zugleich in einfacher Wise dessen
Breite vermehren. Die Vergrößerung des Winkels v o x durch Wegfall eines oder mehrerer
Zähne des Zahnrades hat zur Folge, daß der Kolbenhub entsprechend verringert wird.
Will man letzteren unverändert lassen. so muß man den Durchmesser des Zahnrades
entsprechend vergrößern. Statt nur eine Rolle zu verwenden, die abwechselnd auf
der einen oder anderen der beiden Rampen der mit dem rotierenden Teil fest verbundenen
Daumenscheibe sich abwälzt, kann man auch zwei Rollen benutzen, welche zueinander
etwas exzentriert sind, so daß jede derselben ständig auf derselben Rampe sich abwälzt.
Aus Symmetrie- und Gleichgewichtsgründen kann man auch auf jeder Seite des Rahmens
D D' F F' und zu jeder Seite des Zahnrades eine Nut mit Rolle anbringen.
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Entsprechend der Ausführungsform nach Abb. 6, bei welcher die Zahnstangen
außerhalb des Rahmens liegen, trägt die Welle 0 nur die Daumenscheibe, auf welcher
die beiden Rampen zum Einleiten und Abstellen der hin und her gehenden Bewegung
befestigt sind und zwischen denen die Rollen G G' der Träger S und S', die an den
Kolbenschienen E E' befestigt sind, sich abwälzen. Jede der Zahnstangen I und 2
steht mit einem gesonderten Zahnrad in Eingriff, die Zahnstange I mit einem Zahnrad
P1, die Zahnstange 2 mit einem Zahnrad P2. Bei dieser Anordnung ist die innere Breite
des Rahmens auf den Durchmesser der Welle 0 beschränkt, denn der Rahmen
D D' F F' führt lediglich eine Längsbewegung aus. und der Teil, welcher die
Rampen zur Umkehr der Bewegung trägt, liegt außerhalb der Ebene des Rahmens.
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Entsprechend der Ausführungsform der Abb. 7 befinden sich die Rampen
u1-1,1 und ra' y' auf der Daumenscheibe, die mit dem rotierenden Teil verbunden
ist, d. h. mit dem
Zahnrade P, und der Träger S', der mit der Kolbenschiene
I_- verbunden ist, trägt zwei Rollen G1 G2. Diese Rollen liegen selbstverständlich
zwischen dem Träger S' und der Daumenscheibe, weshalb sie auf der Zeichnung gestrichelt
dargestellt sind. Bei dieser-Ausführungsform bilden die Rampen auf den äußeren Seiten
eine Erhöhung 12 der Daumenscheibe. Jude dieser Rampen wird in der oben artgegebenen
Weise bestimmt und besteht aus drei Kurvenabschnitten u1 1', v' x', .x' r' für die
erste Rampe und u2 v2, v2 x2, x2 y2 für die zweite Rampe. Es muß jedoch bemerkt
werden, daß in diesem Falle, da die Achsen der beiden Rollen G1 G2 verhältnismäßig
voneinander entfernt liegen, die beiden Kurven. die geometrischen Orte der Projektion
der beiden Achsen auf die Daumenscheiben darstellen, die infolgedessen unter ich
nicht parallel sind. Die Kurvet', die der äußeren Rolle G1 entspricht, besitzt eine
schwächere Krümmung als die Kurve L=, welche der inneren Rolle G' entspricht. Die
Rampenabschnitte u' y1 und u= y2 sind zu den Kurven t1 und t= parallel und liegen
von diesen in einem Abstand, der gleich ist dem Halbmesser der Rollen. Infolgedessen
läuft jede Rolle stets auf derselben Rampe und in gleicher Richtung. Man kann infolgedessen
das freie, sogar sehr geringe Spiel, welches unentbehrlich ist, wenn man nur eine
Rolle verwendet, die abwechselnd auf zwei zu beiden Seiten ihrer Achse angeordneten
- Rampen läuft, in Wegfall bringen. Diese letzte Einrichtung kann selbstverständlich
auch für alle vorhergenannten Ausführungsformen in bezug auf die gegenseitige Stellung
der Zahnräder, der Zahnstangen und der Daumenscheiben benutzt werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt. diese dienen lediglich als Beispiele, und es können verschiedene Änderungen
in den Einzelheiten getroffen werden, ohne aus dem Rahmen der Erfindung herauszutreten;
im besonderen kann die Rolle auf einem mit dem drehenden Teil fest verbundenen Träger
und die Rampen an dem Kolben selbst oder einem mit diesem befestigten Teil aufsitzen.
In diesem Falle muß die Profilierung der Rampen entsprechend gestaltet werden.