DE69835171T2

DE69835171T2 - Desmodromischer Antrieb

Info

Publication number: DE69835171T2
Application number: DE69835171T
Authority: DE
Inventors: Roger Bajulaz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-03-18
Filing date: 1998-03-10
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2018-03-11
Also published as: EP1286084A2; AU6227198A; EP1286084A3; CA2284739C; WO1998041781A1; DE69810909T2; US6231468B1; CH697259B1; ES2266390T3; EP0968381B1; AU730221B2; JP4278184B2; EP1286084B1; DE69810909D1; ATE332459T1; DE69835171D1; ATE231593T1; CA2284739A1; EP0968381A1; JP2001515573A

Description

Die vorliegende Erfindung hat einen desmodromischen Antrieb zum Gegenstand, der ein primäres und ein sekundäres Element umfasst, die durch eine desmodromische Verbindung mechanisch miteinander verbunden sind, womit gesagt ist, dass die Geschwindigkeit eines dieser Elemente eine ganz bestimmte Geschwindigkeit des anderen Elements bewirkt.
Solche Antriebe finden sich in stufenlos regelbaren Getrieben, Über- oder Untersetzungsgetrieben, Wasser-, Druckluft- oder Verbrennungsmotoren, Verdichtern, Pumpen, Winden, linearen Stellgliedern usw.
Um Winkel- oder Linearantriebe zu realisieren, die für Antriebe bestimmt sind, deren Zweck darin besteht, Bewegungen zu übertragen, die es gestatten, Volumina zu verändern, um Pumpen, Verdichter usw. zu erhalten, oder Geschwindigkeiten mit einer gewissen Präzision zu verringern oder zu vervielfachen, werden Zahnradgetriebe verwendet, die in bestimmten Fällen wichtige Nachteile aufweisen, zum Beispiel Probleme der Schmierung, Geräusch, Raumbeanspruchung, Schwierigkeiten, Bewegungen ohne Spiel zu erhalten, Gestehungspreise usw.
In der Patentschrift DE 338 495 wird ein Antrieb vorgestellt, der einen Primär- und einen Sekundärnocken sowie ein Zwischenelement umfasst, worin Körper untergebracht sind, die in ihren Lagerungen gleiten oder rollen und eine Drehbewegung dieser drei Hauptbestandteile zueinander ermöglichen. Die Lagerungen der Körper im Zwischenelement stellen Führungen für ihre Bewegungen dar. Diese Körper haben glatte Oberflächen, die eine dauernde Berührung mit dem Primärnocken und dem Sekundärnocken gewährleisten sowie die gegenseitige Mitnahme dieser beiden Nocken und des Zwischenelements ermöglichen. Die Nocken sind so eingerichtet, dass sich das angetriebene Element mit einer Geschwindigkeit dreht, die im Voraus bestimmt ist und sich von der Geschwindigkeit des antreibenden Elements unterscheidet, das ebenfalls eine Drehbewegung ausführt.
In der Patentschrift GB 1 199 257 wird ein Untersetzungsgetriebe beschrieben, das ebenfalls einen Primärenocken, einen Sekundärnocken sowie ein Zwischenelement umfasst. In einer Ausführungsform können diese Elemente gegenseitige lineare Bewegungen ausführen, indem die Geschwindigkeit des oder der angetriebenen Elemente relativ zur Geschwindigkeit des antreibenden Elements verändert wird. Dieser Antrieb umfasst Elemente, die in dauernder Berührung mit den beiden Nocken stehen und in den Lagerungen des Zwischenelements rollen, die als Bewegungsführungen dienen. Der Zusammenbau und die Auslegung der Bestandteile unterscheiden sich von denen des vorangehenden Antriebs.
Im Dokument US 3 468 175 wird ein Mechanismus der Bewegungsübertragung offenbart. In einer Ausführungsform dient dieser Mechanismus der Übertragung von linearen Bewegungen unter Veränderung der Bewegungsgeschwindigkeit und umfasst ebenfalls zwei Nocken sowie ein Zwischenelement. Wie im vorangehenden Antrieb kann mit Hilfe dieses Antriebs eine lineare Bewegung des antreibenden Elements in eine lineare Bewegung unterschiedlicher Geschwindigkeit des angetriebenen Elements umgewandelt werden.
Keiner der vorerwähnten Antriebe ist jedoch dafür geeignet, als ein Mittel zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine lineare Bewegung genutzt zu werden, weshalb sie also nur auf die Umwandlung von Geschwindigkeiten, aber nicht auf die Umwandlung von Bewegungsformen angewendet werden können, was einen wichtigen Nachteil darstellt.
In der veröffentlichen deutschen Patentanmeldung 1 083 833 wird ein Kolbenmotor beschrieben, der einen Zylinder umfasst, der einen Primärnocken bildet, wobei ein Kolben, der in diesem Zylinder gleitet und als Führung für Kugeln dient, die mit dem Zylinder und einer Kolbenstange in Berührung kommen, Sekundärnocken bildet.
Diese Ausführung umfasst die Merkmale des Oberbegriffs der Ansprüche 1 und 5 des vorliegenden Patents, aber mit dieser Vorrichtung kann nicht realisiert werden, was die Erfindung anstrebt, nämlich die Drehbewegung eines ersten Elements in eine lineare Bewegung gewünschter Grösse eines zweiten Elements umzuwandeln und umgekehrt. Tatsächlich ist der Kolbenhub ein für allemal konstruktiv festgelegt, und ausserdem bewirkt eine kontinuierliche Drehung des Nockens in der gleichen Richtung eine abwechselnde Hin- und Herbewegung des Kolbens. Es handelt sich also nicht wie in der vorliegenden Erfindung um ein System, das die Umwandlung einer Drehbewegung in eine konstante lineare Bewegung ermöglicht, wobei sich die Richtung der linearen Bewegung umkehrt, wenn sich die Richtung der Drehbewegung ändert.
Das Ziel besteht darin, die oben erwähnten Antriebe durch ein einfaches, genaues, robustes desmodromisches System zu realisieren.
Dieses System erlaubt den Einsatz von Kunststoffen oder Keramik unter optimalen Bedingungen. Antriebe können realisiert werden, die ohne Schmierung funktionieren können und einen hohen mechanischen Widerstand besitzen.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen solchen desmodromischen Antrieb zu realisieren, der robust und einfach zu verwirklichen ist, der keinerlei Zahnradgetriebe enthält und der es erlaubt, eine lineare Bewegung des angetriebenen Elements ausgehend von einer Drehbewegung des antreibenden Elements oder umgekehrt zu bewirken.
Die vorliegende Erfindung hat einen desmodromischen Antrieb zum Gegenstand, der darauf gerichtet ist, die vorgenannten Nachteile zu überwinden, und es gestattet, die ausgesprochenen Ziele zu realisieren. Dieser desmodromische Antrieb ist durch die Kombination von Elementen gekennzeichnet, wie sie im Anspruch 1 oder im Anspruch 5 aufgezählt werden.
Die beigefügte Zeichnung veranschaulicht schematisch und beispielhaft mehrere Ausführungsformen des Antriebs der Erfindung.
Die 1, 2 und 3 sind Längs- bzw. Querschnitte einer ersten Ausführungsform des Antriebs.
Die 4 bis 8 sind Längsschnitte, die 4a bis 8a sind Axialschnitte einer zweiten Ausführungsform des Antriebs, die dessen aufeinanderfolgende Stellungen für 45°-Schritte des Primärelements veranschaulichen, wobei das Zwischenelement unbewegt bleibt.
Eine erste, in 1 bis 3 veranschaulichte Ausführungsform des erfindungsgemässen Antriebs stellt eine Winde bzw. ein lineares mechanisches Stellglied dar, das auf einem Prinzip von Betätigung und Teilung beruht, das hierunter eingehend erklärt werden wird.
Dieser Antrieb umfasst einen ortsfesten Körper 110, der ein Zwischenelement bildet, aus dem ein Ring 111 gedreht wurde, dessen exzentrische Innenseite 112 einen einhübigen Primärnocken des Antriebs darstellt. Ein zylindrischer oder polygonaler Schaft 113 für lineare Betätigung gleitet im Körper 110 und weist auf seinem im Körper unter gebrachten Endabschnitt zumindest eine, im veranschaulichten Beispiel zwei diaboloförmige Segmente 114 auf, die einen Sekundärnocken darstellen.
Bohrungen 115, im veranschaulichten Beispiel vier, queren den Körper radial. Diese Bohrungen sind gegeneinander jeweils um einen Winkel von 90° und axial jeweils um eine Strecke von ¼ der Länge L des diaboloförmigen Sekundärnockens 114 versetzt. Die vier Kugeln sind somit über ¾ der Länge L eines diaboloförmigen Segments des Sekundärnockens verteilt.
Die aus sphärischen Kugeln 116 bestehenden Übertragungsorgane sind gleitend in die Bohrungen 115 eingebaut und stehen in dauernder Berührung mit dem Körper 110 und sowohl mit dem Primärnocken 112 als auch mit dem Sekundärnocken 114.
Für eine volle Umdrehung des Rings 111 und folglich des Primärnockens erhält man eine lineare Bewegung der Strecke L des vom Schaft 113 getragenen diaboloförmigen Sekundärnockens.
3 veranschaulicht den Antrieb, nachdem der Ring 111 von der in 1 veranschaulichten Stellung ausgehend ¼ Umdrehung ausgeführt hat. Die vier Kugeln haben den Schaft 113 um ein Viertel der Länge des diaboloförmigen Nockens vorangebracht.
Auf 1 Bezug nehmend, sieht man, dass das Übertragungsorgan 116c mit dem Scheitel des Primärnockens 112 und mit der Senkung des Sekundärnockens 114 in Berührung steht. In dieser Stellung sind die Tangenten an den Berührungspunkten des Übertragungsorgans 116c mit dem Primär- bzw. Sekundärnocken wie beim Übertragungsorgan 116a zueinander parallel. In dieser Stellung können die Übertragungsorgane 116a, c weder eine Kraft noch eine Bewegung übertragen.
Wenn man die gleichen Tangenten für die Übertragungsorgane 116a und 116c zeichnet, wie in 3 angedeutet, so befinden sich die Berührungspunkte dieser Übertragungsorgane mit dem Primär- und Sekundärnocken nicht auf einem Durchmesser des Übertragungsorgans, sondern diese Tangenten bilden spitze Winkel β, γ zwischeneinander. Man bemerkt, dass sich diese Winkel β, γ in Opposition befinden. Somit ist die relative Stellung der drei Elemente, des Primärnockens 112, des Sekundärnockens 114 und des Zwischenelements 110, bei stillstehendem Antrieb in der einen Richtung durch das Übertragungsorgan 116a und in der anderen Richtung durch das Übertragungsorgan 116c blockiert. Der Antrieb kann daher keine ungewollte Bewegung erleiden.
Im Gegensatz dazu wird, sobald der Primärnocken 112 im Gegenuhrzeigersinne der 2 gedreht wird, das Übertragungsorgan 116a nach innen gedrückt und verursacht eine lineare Bewegung des Schafts 113. Dies wird ermöglicht, weil gleichzeitig durch die Drehung des Primärnockens 112 eine passive Bewegung des Übertragungsorgans 116c ermöglicht wird.
Die Bewegungsrichtung des Schafts 113 hängt für eine gegebene Drehrichtung des Rings 111 von der Anordnung der Kugeln 116 ab, die einen Gewindelinks- oder -rechtsgang bilden.
Diese spitzen Winkel β und γ zwischen den Tangenten an den Berührungspunkten der beiden Kugeln 116 mit dem Primärnocken 112 und dem Sekundärnocken 114 gewährleisten daher bei Stillstand eine Blockierung des Antriebs.
Diese Ausführungsform des Antriebs ist besonders interessant, da der Betätigungsschaft 113 unabhängig von seinen durch den Ring 111 gesteuerten linearen Bewegungen Drehbewegungen um sich selbst ausführen kann, ohne dabei seine axiale Stellung zu ändern.
Der beschriebene Antrieb ist streng desmodromisch, was besagt, dass die Geschwindigkeiten der Elemente 111 und 113 streng proportional sind. Wenn die Drehgeschwindigkeit des Rings 111 konstant ist, wird die Geschwindigkeit der linearen Bewegung des Schafts 113 ebenfalls konstant und welligkeitsfrei sein.
Die Summe der Strecke y zwischen dem Mittelpunkt des Übertragungsorgans und seinem Berührungspunkt mit dem Primärnocken und der Strecke z zwischen dem Mittelpunkt des Übertragungsorgans und seinem Berührungspunkt mit dem Sekundärnocken ist für alle Elemente eines gegebenen Antriebs die gleiche und bleibt in allen Betriebsstellungen unveränderlich (3).
Man bemerkt in dieser Ausführungsform, dass im Verlauf der Bewegung des Antriebs die Mittelpunkte der vier Übertragungsorgane 116 ständig auf einem Kreis liegen, dessen Mittelpunkt mit der Achse des Primärnockens 112 zusammenfällt. Hier besteht der Primärnocken 112 aus einem Exzenter, während der Sekundärnocken aus diaboloförmigen Oberflächen besteht. Der Sekundärnocken 114 sitzt im Inneren des Primärnockens 112. Die Reibungs- bzw. Rollreibungskräfte sind sehr gering, da sie auf das Gleiten der Übertragungsorgane 116 in ihren Führungen 115 und auf ihr Rollen am Primärnocken 112 bzw. Sekundärnocken 114 beschränkt sind.
Nach der Beschreibung dieser ersten Ausführungsform des erfindungsgemässen desmodromischen Antriebs ist es offensichtlich, dass dieser Antrieb sich im Wesentlichen aus einem Primärnocken, einem Sekundärnocken sowie einem Zwischenelement, das lineare Führungen definiert, in denen Organe der Bewegungsübertragung gleiten, zusammensetzt; die beiden Nocken und das Zwischenelement sind dabei gegeneinander bewegbar. Im Sinne einer deutlichen und genauen Formulierung der folgenden Beschreibung muss an dieser Stelle bereits festgehalten werden, dass sich der Primärnocken im Inneren des Sekundärnockens befinden kann oder umgekehrt, bzw. dass sich die beiden Nocken axial gegenüberstehen können; das Zwischenelement befindet sich aber immer zwischen den beiden Nocken.
Die beiden Nocken können beweglich sein, während das Zwischenelement unbewegt ist, oder einer der Nocken und das Zwischenelement können beweglich sein, während dann der andere Nocken unbewegt ist. Entweder der eine oder der andere Nocken kann angetrieben sein, wobei dann der andere Nocken oder das Zwischenelement das antreibende Element ist, oder umgekehrt.
Man sieht somit, dass der erfindungsgemässe Antrieb verwendet wird, um die Bewegungsform umzuwandeln, nämlich eine Drehung in eine lineare Bewegung oder umgekehrt. Er wird also angewendet, um lineare Bewegungen zum Beispiel bei Winden und bei linearen Stellgliedern für die Bewegung von Elementen über eine unbestimmte Strecke als Ersatz von Zahnstangen, Ketten usw. zu realisieren. Somit lassen sich unter Einsatz des gleichen mechanischen Prinzips mehrere sehr unterschiedliche Anwendungen realisieren, was diesen Antrieb besonders polyvalent macht.
In allen Ausführungsformen des Antriebs sind die Übertragungsorgane immer in dauernder Berührung mit dem Primär- und Sekundärnocken sowie mit dem Zwischenelement, in denen sie radial und/oder senkrecht bezüglich der Achse des Antriebs gleiten. Dieser Antrieb, der also keinerlei Spiel aufweist, ermöglicht eine vollkommene desmodromische Übertragung der Bewegung eines Elements auf ein anderes. Es liegt ein dauerndes Gleiten bzw. Rollen von Übertragungsorganen mit vollkommen glatten, kreisförmigen oder kugelförmigen Berührungsflächen auf dem Primärnocken und gleichzeitig auf dem Sekundärnocken vor.
Die Gestalt der Übertragungsorgane kann variieren. Sie haben aber im Allgemeinen einen peripheren kugelförmigen oder kreiszylindrischen Abschnitt, der mit beiden Nocken, dem primären und dem sekundären, in Berührung steht.
Eine zweite, in 4 bis 8a veranschaulichte Ausführungsform des Antriebs ist ebenfalls ein Antrieb mit linearer Bewegung. Er umfasst einen Rahmen 120, der das Zwischenelement darstellt, hier im Längsschnitt H-förmig. Im oberen Abschnitt des Rahmens gibt es zwischen den Armen des H eine gedrehte Primärwelle 121, die fest mit dem Primärnocken verbunden ist, der hier von vier Exzentern 122a, b, c, d gebildet wird, die gegeneinander jeweils um einen Winkel von 90° versetzt sind. Der Querbalken des H des Rahmens 120 enthält vier Bohrungen 123, jede auf einen der Exzenter 122a, b, c, d ausgerichtet und die Führungen für Kugeln 124 darstellend, die die Übertragungsorgane bilden.
Im unteren Abschnitt des Rahmens 120 ist ein Raum eingelassen, in dem längs und parallel zur Achse der Primärwelle 121 ein Teil eines Schafts oder Barrens 125 gleitet, der sich linear auf Rollen 126 bewegen kann. Die den Bohrungen 123 des Rahmens 120 zugewandte Oberseite dieses Barrens 125 weist einen Sekundärnocken 127 auf, der aus aufeinanderfolgenden Senkungen gebildet wird, die die Hübe dieses Sekundärnockens bilden. Die der Länge von drei aufeinanderfolgenden Hüben entsprechende Strecke D ist gleich dem vierfachen Mittenabstand der Bohrungen 123.
Die glatten Kugeln 124 sind in dauernder Berührung mit je einem der Exzenter 122a, b, c, d des Primärnockens und mit dem Sekundärnocken und ruhen am Rahmen 120. Diese Baugruppe entspricht einem Antrieb mit einem einhübigen Primär- und einem dreihübigen Sekundärnocken.
Für eine volle Drehung der Primärwelle 121 und daher des Primärnockens 122 erhält man eine lineare Bewegung des Barrens von ¹/₃ der Strecke D.
Auch in dieser Ausführungsform bilden die Tangenten an den Berührungspunkten der beiden Kugeln 124 mit dem Primärnocken 122 und dem Sekundärnocken 125 spitze Gegenwinkel β und γ, so dass die Elemente 120, 121 und 125 des Antriebs blockiert sind, wenn die Primärwelle 121 nicht gedreht wird.
In Abwandlungen können die Übertragungsorgane einen zylindrischen Körper und bauchige Enden haben. Diese Übertragungsorgane können auch durch die Anordnung von mehreren sich drehenden Elementen nebeneinander gebildet werden, um die Reibungen zu begrenzen.
In allen Ausführungsformen des Antriebs sind die Führungsachsen der geradlinigen Führungen des Zwischenelements radial und/oder senkrecht zur Achse des Antriebs angeordnet.
In nicht veranschaulichten Ausführungsformen des Antriebs kann so vorgegangen werden, dass die Übertragungsorgane durch andere Mittel als geradlinige Führungen, in denen sie gleiten, mit dem Zwischenelement oder dem Körper dieses Zwischenelements verbunden sind. So kann jedes Übertragungsorgan über eine beweglich am Körper des Zwischenelements angebrachte und das Übertragungsorgan tragende Pleuelstange mit dem Körper des Zwischenelements verbunden werden. In einer solchen Ausführungsform gibt es keine Reibung, sondern lediglich ein Rollen der Übertragungsorgane am Primär- und Sekundärnocken sowie am Körper des Zwischenelements. In einer solchen Ausführungsform folgt die Bewegung der Übertragungsorgane relativ zum Körper des Zwischenelements einem Kreisbogen, also einer gekrümmten und nicht einer geradlinigen Bahn.

Claims

Desmodromischer Antrieb mit a) Bewegungsübertragungsorganen (116; 124), die mit einem Zwischenelement (110; 120) verbunden sind und sich auf diesem abstützen; b) zumindest einem Primärnocken (112, 122) in dauernder Berührung mit jedem der Übertragungsorgane; c) Sekundärnocken (114; 127) in dauernder Berührung mit den Übertragungsorganen; bei dem die Übertragungsorgane Berührungsoberflächen mit den Nocken aufweisen, deren Gestalt eine dauernde und gleichzeitige Berührung mit dem Primär- und den Sekundärnocken gewährleistet; wobei der Primärnocken, die Sekundärnocken und das Zwischenelement so zusammengefügt sind, dass sie sich in allen Stellungen des Antriebs zwangsläufig und mit unveränderlichen differentiellen Geschwindigkeiten drehend und/oder linear gegeneinander bewegen; dieser Antrieb dadurch gekennzeichnet ist, dass er einen Körper, der das Zwischenelement (110) bildet, einen auf diesem Körper drehbaren Nocken (111), dessen Oberfläche den Primärnocken (112) darstellt, sowie eine Welle (113), die axial in diesem Körper bewegbar ist, umfasst; dadurch, dass der im Körper befindliche Abschnitt dieser Welle zumindest eine Zone umfasst, die die Sekundärnocken (114) darstellt; dadurch, dass der Körper radiale Führungen umfasst, die axial und winkelmäßig gegeneinander versetzt sind; und dadurch, dass sich die Übertragungsorgane (116) in diesen Führungen senkrecht zur Achse des Antriebs radial bewegen und jedes in dauernder Berührung mit dem Primärnocken und mit den Sekundärnocken sowie mit dem Zwischenelement steht.
Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsachsen der geradlinigen Führungen des Zwischenelements (110) radial und/oder senkrecht zur Achse des Antriebs angeordnet sind.
Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungen (115) des Körpers (110) auf einer Schraubenlinie von 360° verteilt sind, deren Ganghöhe 3/4 der Länge L beträgt.
Antrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der axialen Versetzung der Führungen des Körpers gleich der Länge eines hohlen Abschnitts des Sekundärnockens (114), geteilt durch die Anzahl von Übertragungsorganen (116) plus eins ist.
Antrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement aus einem Rahmen (120) besteht, der eine Eingangswelle (121) hält, und der einhübige Primärnocken (122) aus mehreren winkelmässig gegeneinander versetzten Exzentern besteht, die alle die gleiche Amplitude besitzen und der Eingangswelle entlang gegeneinander axial versetzt sind; dadurch, dass der Rahmen Bohrungen umfasst, die mit diesen Exzentern ausgefluchtet sind; dadurch, dass ein Barren (125) parallel zur Eingangwelle und bezüglich des Rahmens linear bewegbar angebracht ist, wobei dieser Barren eine den Bohrungen zugewandte Oberfläche aufweist, die aufeinanderfolgende Senkungen umfasst, die einen Sekundärnocken (127) bilden, und dadurch, dass die Übertragungsorgane (124) in diesen Bohrungen gleiten und jedes in dauernder Berührung mit einem der Exzenter des Primärnockens (122) und mit dem Sekundärnocken (127) stehen und sich auf dem Rahmen (120) abstützen.
Antrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strecke D, die der Länge einer Anzahl von aufeinanderfolgenden Senkungen des Sekundärnockens (127) entspricht, die der Anzahl von Übertragungsorganen (124) minus eins gleich ist, dem Achsenabstand zwischen zwei Exzentern des Primärnockens (122), multipliziert mit der Anzahl von Übertragungsorganen (124), gleich ist.