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Einrichtung zur Kraftübertragung zwischen hin und. her gehenden und
rotierenden Bewegungen, insbesondere Schubkurbelgetriebe Der große Vorteil der bekannten
Schubkurbelgetriebe mit Kurbel, Pleuelstange und geradegeführtem Schieber oder Kolben
(im folgenden mit Pleuelgetriebe bezeichnet) liegt in ihrer technischen Einfachheit.
Ihre wesentlichsten Nachteile sind folgende: Komplizierte Verbindung Kurbelwelle-Pleuelstange
und Pleuelstange-Schieber bzw. Kolben; komplizierte Formen der Kurbelwelle. Am Schieber
treten auch senkrecht zur Bewegungsrichtung Kräfte auf. Nur bei bestimmten Kombinationen
mehrerer Schieber entlang einer Kurbel-,velle ist ein völliger Massenausgleich möglich.
Bei einer Kolbenmaschine läßt sich der Zylinder nur einseitig als abgedichteter
Raum ausnützen.
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Bekannte Getriebeformen, welche das Pleuel-Betriebe ersetzen sollen,
vermeiden stets nur einen. Teil der oben angegebenen Nachteile, bringen aber ein
in den meisten Fällen untragbares Maß an technischen Schwierigkeiten. Gegenstand
des Patents sind Schubkurbelgetriebe, welche u. a. -die oben angeführten Nachteile
vermeiden. Dabei ist die kinematische Grundiform des Pleuelgetriebes nur so weit
erweitert, wie es zur Erfüllung der dadurch gestellten Anforderungen. gerade nötig
ist.
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Das einfachste kinematische System, welches es gestattet, Schubbewegungen
derart mit der rotierenden Bewegung einer Kurbel zu verbinden, daß zwischen Schubgeschwindigkeit
und Kurbelgeschwindigkeit ein sinusförmiger Zusammenhang besteht, ist der sog. Ellipsograph.
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Hat man, wie Abb. r zeigt, zwei auf der Geraden in-n im Abstand
d fixierte Punkte P1 und P2 und, werden diese auf je einer der beiden Achsen
eines rechtwinkligen Koordinatensystems x, y geradegeführt, so sind die Bahnen sämtlicher
Punkte von m-n Ellipsen. Dabei können. die Bahnen der Punkte P, und P2 als zu geraden
Strecken entartete
Ellipsen aufgefaßt werden. Der Mittelpunkt P3
der Strecke d durchläuft als Bahn den Spezialfall der Ellipse, einen Kreis um o
mit dem Radius d/2. Für die Lage der Punkte P, und P2 ergibt sich: y,=
sin a - dx2 = cos a - d.
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Würde man versuchen, die in Abb. i gezeigte Grundfigur des Ellipsographen
unmittelbar zu einem Schubkürbelgetriebe zu erweitern, so erhielte man ein technisch
kaum realisierbares Gebilde. Der Weg zur Lösung dieses Problems zeigt sich in einer
kinematisch völlig gleichwertigen: Figur, welche in Abb. a dargestellt ist. Es handelt
sich um den Sonderfall, daß bei der Erzeugung von, Hypozykloiden durch Abrollen
eines Kreises in einem Kreis das Verhältnis der Kreisradien von K1 und K2 gleich
1/z ist. Jedem Punkt auf dem Umfang von K1 ist als Bahn ein Durchmesser von K2
zu-
geordnet. Zwei auf dem Umfang von K1 einander gegenüberliegende Punkte
P1 und. P2 durchlaufen zwei zueinander senkrecht stehende Durchmesser von K2. Der
Mittelpunkt P2 von K, durchläuft dabei einen Kreis mit dem Radius . d/2 um den Mittelpunkt
von, K2. Damit ist wieder der Zusammenhang zwischen P1, P2 und P, hergestellt.
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Wie ein auf dieser Grundlage gebautes Getriebe arbeitet, ist in den
Abb. 3 a bis 3d an einem schematischen Beispiel gezeigt.
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Die Scheibe Si ist in S2 drehbar gelagert. S2 seinerseits dreht sich
in dem Ring R; an welchem die Schubstange P angreift. Die Punkte Pi und. P2, welche
fest auf der Scheibe S2 am Rande von si liegend gedacht sind, seien auf der x- bzw.
y-Achse geradegieführt. Der Punkt A, welcher fest auf dem Rande von S1 liegend gedacht
ist, sei im Nullpunkt des Koordinatensystems drehbar gelagert. Greift ein Drehmoment
um Aals Drehpunkt an S1 an, so entsteht die in den Figuren Abb. 3 a bis 3 d gezeigte
Bewegung.
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Bei der technischen Ausführung kommt es darauf an,, daß die Geradeführungen
von P, und P2 sowie die in A zu lagernde Kurbelwelle sich nicht gegenseitig stören.
Ein Beispiel deutet Abh.4a und 4b schematisch an. In der Achse eines zylindrischen
Gehäuses i ist die :gerade Welle z gelagert. Sie trägt den Exzenter 3. Dieser ist
drehbar in der Ausgleichsscheibe 4 gelagert. 4 besteht aus zwei mit den Drehachsen
um den Abstand d gegeneinander verschobenen, fest aufeinanderliegenden Kreisscheiben
4x und 4?'. Die Kreisscheiben von 4 drehen sich jeweils in einem Ring 5 bzw. 6,
welche in zueinander senkrecht stehenden Richtungen, in i geführt sind. Die Abb.
4c und 4d zeigen die gleichen Schnitte nach einer Drehung der Welle 2 -
um
45°.
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Das Beispiel der Abb. 4 ist schematisiert, um .den Bewegungsvorgang
übersichtlich darzustellen. Der Vergleich mit dem Pleuelgetriebe ergibt folgende
Beziehungen.: An die -Stelle der gekröpften Kurbelwelle ist die gerade Welle 2 mit
dem Exzenter 3 getreten. Die Funktion der Pleuelstange hat die Ausgleichsscheibe
4 - übernommen, während die Ringe 5 und 6 bereits Schubteile sind. Beachtet man
die gegenseitige Lagerung der einzelnen Getriebeteile, so stellt man fest, daß 4y
mit einer Pleuelstange von der Länge des Kurbelarmes vergleichbar ist. Während die
Länge des Kurbelarmes vom Mittelpunkt der Welle 2 bi>s zum Mittelpunkt des Exzenters
3 zu rechnen ist, entspricht die Länge der Pleuelstange der Strecke vom Mittelpunkt
des Exzenters 3 bis zum Mittelpunkt der Scheibe 4y. Auf Grund dieser Längenbeziehung
ergibt sich dann aus mechanischen Gründen die zweite Geradeführung über 4x in x-Richtung.
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Wegen seiner Anordnung und- seinen Eigenschaften kann man das in Abb.
4a, 4h, 4c, 4d gezeigte Getriebe mit Schubkurbelausgleichsgetriebe bezeichnen. Man
kann es als eine spezielle Form des üblichen Pleuelgetriebes auffassen, und zwar
als die einzige; welche die reine sinusförmige Beziehung zwischen Schuh- und Drehgeschwindigkeit
ermöglicht. Dies wird bei der in Abb. 4 gezeigten Art im wesentlichen durch vergrößerten
Raumbedarf des Getriebes sowie eine zweite Geradeführung erkauft. Die Frage ist,
oh die erzielten Vorteile den. Aufwand rechtfertigen.
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Im Schema der Abb. 4 sind die Lager 5 und 6 für 4x und 4? so :groß
gehalter, daß keine Kröpfung der Welle 2 nötig wird. Diese Maßnahme ist erforderlich,
wenn. der technisch einfachste Getriebeaufbau erreicht werden soll. Der Durchmesser
des Getriebegehäuses nimmt auf diese Weise um den Durchmesser des Kurbelkreises
zu. Dies bedeutet noch keine Verdoppelung des Gehäusedurchmessers. Die Geraideführungen
in x- bzw. y-Richtung werden natürlich meistens im Gehäuse selbst angeordnet und
stellen ,den wesentlichen technischen Mehraufwand dar. Bei geeigneter Ausbildung
lassen. sie sich technisch einfach und mit geringem Raumbedarf ausführen.
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Diesem Aufwand steht eine Reihe wichtiger Vorteile gegenüber.
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Zunächst ist die gekröpfte Kurbelwelle durch eine gerade Welle ersetzt.
Alle Getriebeteile können als leicht montierhare Drehteile ausgeführt werden. Weiterhin
ergibt sich, daß stets ein vollständiger Massenausgleich ausgeführt werden kann.
Auch bei einem einzelnen Schubkurbelausgleichsgetriebe lassen sich freie Kräfte
und Kippmomente völlig vermeiden. (In den schematischen Darstellungen wurde hierauf
der Übersichtlichkeit halber nicht näher eingegangen.) Dies ist besonders für An:
ordnungen mit einem Schieber oder Kolben von Bedeutung.
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Das Getriebe selbst ist in sich abgeschlossen und liefert eine reine
Schubbewegung, so daß an dem an die Schubstange angeschlossenen Schieber keine Querkräfte
auftreten. Hierdurch ergeben sich eine ganze Reihe von Vorteilen. Dabei kann: der
Kolben bis auf die zur Dichtung nötige Länge verkürzt werden, was mit der Verringerung
der Zylinderhöhe eine Gewichtsersparnis bringt.
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Da die Verbindung des Kolbens mit der Schuhstange starr ist, läßt
sich eine völlige Trennung zwischen Getriebe- und Zylinderteil erreichen. Der
Zylinder
kann gegenüber dem Getriebe abgedichtet werden, was sich in vielfacher Hinsicht
technisch verwerten läßt. So ist es bei geeigneter Bauweise z. B. möglich, den Zylinder
doppelt auszunutzen. Grundsätzlich besteht auch die Voraussetzung; Kolben und Schubstange
um die Zylinderachse rotieren zu lassen, was verschiedene technisch,.- Vorteile
bringen kann.
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DieseAufzählung, welche sich noch ergänzen läßt, zeigt, daß die konstruktiven
Möglichkeiten gegenüber dem üblichen Pleu"elgetrieb:e beträchtlich erweitert sind:.
Nach Umfang und Gewicht dürften sich im Gesamten: die Werte einer vergleichbaren
Anordnung mit Pleuelgetriebe nicht nur einhalten, sondern auch unterschreiten lassen.
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Versuche, welche darauf hinzielen, Sclzublzurl:.lausgleichsgetriebe
mit geringem Raumbedarf zu erzielen, zeigen die Ab:b, 5 a bis 5 c sowie Abb.. 6
a und 6b. Natürlich kann es hier eine große Zahl von Lösungen geben, welche auch
die Grundform aus Abb. d. in stärkerem Maße beibehalten. Es sollen hier nur zwei
besondere Gruppen von. Ausführungsformen angedeutet werden.
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Abb. 5 a bis 5 c zeigt die schematische Zeichnung eines Getriebes,
welches auf eine durchgebende Achse verzichtet, dafür aber mit wesentlich geringerem
Raumbedarf auskommt. Die schematische Zeichnung ist für mehrere fortlaufend um 9o'
gegeneinander phasenverschobene Schubbewegungen ausgeführt. Die Schubstange 7 befindet
sich bei Abb. 5 a und. 5 b, gerade im oberen Totpunkt. Sie läuft in. einen rechteckigen
Führungsschieber aus, "welcher zwischen den Führungsschienen 8 und 9 gleitet. Im
Führungsschieber ist der Zapfen io gelagert, welcher die beiden Scheiben i i und
12 fest miteinander verbindet. i i und. 12 entsprechen jeweils dem Kreis El der
Abb. 2. Die Lage des Zapfens io entspricht dem Punkt P1 und weiterhin die Lage der
Zapfen 13 und 14 dem Punkt P, in. Ab f. 2. Die Führungsschieber i 5 und 16 gleiten
zwischen, den Führungsschienen 17, 18, i9, 20 und sorgen so für die Geradeführung
in P#, (Abb.2). Die Scheiben ii und 12 sind, unterstützt durch die Zapfen 21 und
22, in den Scheiben 23 und 2,4 kippfest gelagert. Die Scheiben 23 und 24 sind ihrerseits
kippfest im Gehäuse 25 gelagert, wie die Zeichnung andeutet. Zusammen mit der AGG.
2 und. der AGG. 5 c, welche den gleichen Schnitt wie Abb. 5 a nach einer Drehung
um 45' zeigt, läßt sich das Arbeiten d-es Getriebes .erkennen. Die Führungsschienen
17, 1S, i9. 20 müssen in der Mitte unterbrochen sein, damit der Zapfen io
frei durchlaufen kann. Aus diesem Grund ergibt sich für den Schieber 16 eine bestimmte
günstigste Länge.
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Die konstruktiven Vorteile, welche dieses Getriebe bietet, können
unter Umständen den Nachteil des komplizierten Aufbaues aufwiegen.
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Die Abb.6a und 6b, zeigen ein Beispiel, in welchem die rotierende
`Felle 26 aus dem Kreuzungspunkt der hin und. her gehenden. Getriebeteile heraus
verschoben ist. Der Exzenter 27 ist fest mit 26 verbunden und in dem Ring 28 drehbar
gelagert. Die Schubstange 29 gleitet zwischen den Führungsschienen 3o und 31. Der
Zapfen P1 der Kurbel 32 ist am Ende der Kurbel drehbar gelagert. 3-2 ist
als doppelte Kurbel ausgebildet. Ihr Zapfen P, ist über den Führungsschieber 33
zwischen den Führungsschienen 34. und 35 geradegeführt. Da P3 die Strecke Pi- P,
halbiert, beschreibt P3 -entsprechend der Abb. i eine Kreisbahn. 1'3 wirkt auf den:
Ring 2,8. Da die Welle 26 aus der Rotationsachse der Bahn von P3 heraus verschoben
ist, wird eine dritte Kurbel 36 erforderlich. Die schematische Darstellung
der Abb.6a und 6b berücksichtigt nicht die auftretenden: Kippmomente. Das G-etri.eb@e
ermöglicht trotz gedrängter Bauweise die Verwendung einer geraden: Welle 26.
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Abschließend kann gesagt werden, daß die beschriebenen Schubkurbelausgleichsgetrie:be
gegenüber den Pleuelgetrieben günstige Eigenschaften sowie erheblich erweiterte
konstruktive Möglichkeiten bieten, "welche nähere praktische Untersuchungen aussichtsreich
erscheinen lassen.