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Führungseinrichtung für die. Taumelscheibe von Taumelscheiben-Triebwerken
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Überführung des Drehmomentes
von einer Taumelscheibe auf das Maschinengehäuse sowie der zwangsmäßigen Steuerung
der scheinbaren taugentialen Bewegungen der Taumelscheibe. Die Erfindung ist also
z. B. bei jener Gruppe von Taumelscheiben-Triebwerken anwendbar, bei der die Taumelscheibe,
die z. B. auch eine Ringscheibe (Ring) sein kann, nicht an der Rotation der Kurbelwelle,
auf welcher die Scheibe schräg zur Kurbelwellenachse gelagert ist, teilnimmt, sondern
lediglich die charakteristische taumelnde Bewegung ausführt. Die vorliegende Erfindung
ist gleich vorteilhaft auf sämtliche Varianten dieser Gruppe von Taumelscheibentrieben,
die bekanntlich räumliche Kurbeltriebe bilden, anwendbar. Ebenso ist die Erfindung
unabhängig von der Formgebung sowohl der Kurbelwelle als auch der Taumelscheibe.
Die grundlegende Bedingung ist lediglich, daß die Taumelscheibe relativ zur Kurbelwelle
drehbar gelagert ist, aber nicht an deren Rotation teilnimmt oder aber, falls das
Gehäuse und die Arbeitszylinder rotieren (wie etwa bei sog. Rotationsmotoren od.
dgl.), auch die Taumelscheibe mit gleicher Drehzahl rotiert, dagegen aber die Kurbelwelle
dann stillsteht. In diesem Falle führt dann die Taumelscheibe außer ihrer Rotation
gegenüber der Kurbelwelle überdies ihre taumelnde Bewegung relativ zum Maschinengehäuse
und z. B. zum Arbeitskolben aus.
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Der Erfindungsgegenstand ist weiter auch unabhängig von derArt der
Gestaltung der kraftschlüssigen Bewegungsübertragung zwischen Taumelscheibe
und
z. B. den-Arbeitskolben und ebenso auch unabhängig vom Zwecke, dem der Taumelscheibentrieb
dient; die Einrichtung kann also bei Kraft- oder bei Arbeitsmaschinen verwendet
werden.
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Zufolge der vielseitigen und wesentlichen Vorteile, welche mit einem
gut arbeitenden Taumelscheibentrieb mit richtig geführter Taumelscheibe erzielt
werden können, besonders was Raum- und auch Gewichtsersparnis anbetrifft, wurden
bereits zahlreiche Versuche unternommen, um das Problem der richtigen Führung der
Taumelscheibe zu lösen, bisher aber ohne praktischen Erfolg. Meist war die Ursache
des Mißlingens oder der Aussichtslosigkeit für praktische Resultate darin zu suchen,
daß schon die rein theoretischen bzw. rein kinematischen Forderungen entweder unbekannt
oder nicht beachtet worden waren. In jenen Fällen, welche deif Forderungen der eigenartigen
Kinematik des vorliegenden räumlichen Kurbeltriebes Rechnung tragen, waren die vorgeschlagenen
Konstruktionen bisher teils zu kompliziert, teils nicht den bei hochwertigen Maschinen
oder Motoren auftretenden Beanspruchungen und sonstigen Betriebsbedingungen auch
nur annähernd gewachsen.
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Als theoretische Grundvoraussetzung für die praktische Anwendbarkeit
eines sphärischen Kurbeltriebes zur Umsetzung der hin und her gehenden Kolbenbewegung
in Drehbewegung der Maschinenwelle oder vice versa kann angesehen werden, daß die
Kinematik des sphärischen Kurbeltriebes gleichwertig ist dem ebenen Kurbeltrieb
mit unendlich langer Schubstange. Nur dann ist es überhaupt möglich, eine vollkommene
dynamische Ausbalancierung der Maschine zu erzielen, das heißt sie auch praktisch
anwenden zu können. Ein Taumelscheibentrieb, bei dem die Taumelscheibe nicht an
der Drehung der Maschinenwelle teilnimmt, sondern auf derselben drehbar gelagert
ist, erfüllt die genannte kinernatische Grundforderung nur dann, wenn sämtlidhe
Anschlußpunkte des Kolbenmechanismus untereinander Icongrueife und auf
- einer Kugelfläche liegende lemniskatenförinige Bahnen durchlaufen. Es ist
also nicht möglich, die Taumelscheibe an der Drehung gegenüber dem Maschinengehäuse
etwa dadurch hindern zu wollen bzw. das Drehmoment der Maschine dadurch aufzunehmen,
daß man z. B. einen Punkt oder Radius der Taumelscheibenebene in einem Bogensegment
führt. Es würden dann sämtliche anderen Punkte bzw. Radien der Taumelscheibenebene,
also auch Kolbenanschlüsse, untereinander verschiedene Bahnen beschreiben und verschiedene
Beschleunigungsverhältnisse sehr komplizierter Natur aufweisen.
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Es ist andererseits genügend und sogar zweckmäßig, die Bewegungen
nur eines einzigen Punktes oder Radius der Taumelscheibenebene entsprechend den
kinematischen Gesetzen des Taumeltriebes richtig zu steuern, denn dann führen auch
alle anderen Punkte bzw. Radien identische Bewegungen aus.
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In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Einrichtung dargestellt, welche gestatten, mit einfachen und betriebssicheren mechanischen
Mitteln die theoretische geforderte Bewegungscharakteristik zu erzwingen.
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Fig. i zeigt eine perspektivische Prinzipskizze eines Taumelscheibentriebes;
Fig. 2 zeigt eine Variante des Erfindungsgegenstandes, ebenfalls in perspektivischer
Ansicht; Fig. 3 veranschaulicht eine weitere Variante in zur Maschinenwelle
rechtwinkliger Projektion, wobei einzelne. Details im Schnitt gezeigt -sind.
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In Fig. i sieht man die Kurbelwelle i für das Taumelscheibentriebwerk
mit einem schräg gestellten Kurbelzapfen 2, dessen Achse im Punkt 5 die Zentrumslinie
der Kurbelwelle i unter einem Winkel a schneidet. Die durch diesen Schnittpunkt
5 und winkelrecht zum schräg gestellten Kurbelzapfen 2 gelegte Ebene wird
Taumelscheibenebene und Punkt 5
oft auch das Zentrum der Taumelscheibe genannt.
Auf dem schrägen Kurbelzapfen 2 ist die Taumelscheibe 3 drehbar, aber in
axialer Richtung unverschiebbar gelagert. Die Taumelscheibe 3 wurde in -Fig.
i der Einfachheit und Anschaulichkeit halber als eine zylindrische Scheibe gezeichnet.
In Wirklichkeit wird dagegen die Taumelscheibe meist in der Grundform eines Doppelkegels
mit gemeinsamer Basis, welche dann in der Taumelscheibenebene liegt, ausgeführt.
Die Taumelscheibe 3 ist mit in radialer Richtung strahlenförmig nach außen
ragenden Anschlußzapfen 4 ausgerüstet, welche jeder für sich an Arbeitskolben bzw.
Kolbenstangen od. dgl. z. B. mittels Kugelgelenke angeschlossen werden. Die Arbeitskolben
und Kolbenstangen usw. wurden in den Figuren der Deutlichkeit halber fortgelassen,
da
dieselben vollkommen unabhängig vom vorliegenden Erfindungsgedanken beliebig
ausgeführt werden können. Aus gleichem Grunde wurden auch die Arbeitszylinder in
der Zeichnung weggelassen. Die Anschlüsse für die Arbeitskolben, welche in den Figuren
als Kugelzapfen angedeutet sind, können ebenso in Wirklichkeit in mannigfachen anderen
Formen ausgebildet sein, unter der Voraussetzung, daß sie die erforderliche Anzahl
Freiheitsgrade gestatten.
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Wenn die Taumelscheibe 3 nicht daran gehindert wi#rde, an der
Drehung von Welle i bzw. des schrägen Kurbelzapfens 2 teilzunehmen, -könnte der
ganze Mechanismus nicht funktionieren bzw. das Reaktionsdrehmoment nicht aufgenommen
werden. Diese Aufgabe wird, wie eingangs schon erwähnt, dadurch erschwert, daß sämtliche
Anschlußgelenke 4 untereinander kongruente räumliche lemniskatenförmige Schleifenbahnen
beschreiben müssen, damit das Taumelsch#ibentriebwerk praktisch anwendbar ist.
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Der Erfindungsgedanke ist auf die Tatsache aufgebaut, daß die axiale
Projektion der lemniskatenförrnigen räumlichen Schleifenbahn, welche jeder Anschlußpunkt
4 bei einer vollen Umdrehung der I#,'urbelwelle durchläuft, als kleiner Kreis' erscheint,
welcher hierbei in gleicher Drehrichtung wie die Welle i, aber mit doppelter Drehzahl
wie diese umfahren wird. Diese kleinen Kreise werden hierbei von einem Kreis umhüllt,
dessen Radius gleich dem Abstand der Punkte 4 von Punkt 5 entspricht. Das
Obige bedeutet, daß die räumliche Lemniskate, welche ein in der-Taumelscheibenebene
liegender Punkt beschreibt, auch als Schnittlinie
definiert werden
kann zwischen einer Kugelfläche mit obenerwähntem Radius und einer Zylindermantelfläche.
Der Radius dieser Zylinderfläche wird dadurch bestimmt, daß die durch die geometrische
Achse der Welle i gehenden Tangentialebenen an die Zylinderfläche einen Winkel 2
ß einschließen, wobei
ist, wenn a der Neigungswinkel des schrägen Kurbelzapfens:z gegenüber der Welle
i ist. Anders ausgedrückt bedeutet es auch, daß jeder Radius der Taumelscheibenebene
eine scheinbare tangentiale und harmonische Oszillation um eine Mittellage mit der
Ainplitude von ± ß ausführt, aber mit doppelter Frequenz als diejenige, die
der Drehzahl der Kurbelwelle entsprechen würde.
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In Übereinstimmung mit den eben skizzierten Tatsachen wird eine Drehung
der Taumelscheibe 3 mit der Welle i dadurch verhindert, daß zweckmäßig ein
in der Taumelscheibenebene gelegener Punkt, z. B. 7, mittels eines Universalgelenkes
mit drei Freiheitsgraden, z. B. eines Kugelgelenkes, mit einer zur Welle i parallel
angeordneten Geradführung gekuppelt ist, beispielsweise, wie in Fig. i gezeigt,
mit einem Gleitstück 8, welches auf einem geraden und zur Welle i parallelen
Führungsstück 9 in axialer Richtung gleiten kann. Dieses Geradführungsstück
9 steht aber seinerseits nicht unbeweglich gegenüber dem Maschinengehäuse,
sondern ist zweckmäßig mit einem Kurbeltrieb vereinigt oder, wie in Fig. i gezeigt,
beispielsweise selbst als Kurbelzapfen einer Kurbelwelle io mit Kurbelarmen ii ausgebildet.
Diese Kurbelwelle io ist mittels Radiallagern 12 drehbar, aber axial unverschiebbar
im Maschinengehäuse gelagert und wird durch Vermittlung irgendeiner geeigneten Transmission,
z. B. Zahnräder, Kettentrieb od. dgl., in gleicher Drehrichtung, aber mit doppelter
Drehzahl wie die Welle i, zweckmäßig von dieser ausgehend, angetrieben. Das Geradführungsstück
9 bzw. dessen geometrische Achse beschreibt also dann eine Zylindermantelfläche,
welche parallel zur Welle i liegt, und zwar zweimal bei jeder Einzelumdrehung von
Welle i. Das Verbindungsstück oder Gleitstück 8 hält hierbei den Punkt
7 auf konstantem Abstand vom Geradführungsstück g. Wird nun, wie früher erwähnt,
die Hubhöhe des Kurbeltriebes 9-io-ii so gewählt, daß der Taumelscheibenstrahl durch
Punkt 7 zufolge seiner Kupplung mit dem erwähnten Kurbeltrieb eine Amplitude
um die Achse i erhält, wobei wieder sinus
und a der Neigungswinkel des schrägen Zapfens ?, bedeutet, dann beschreibt Punkt
7
die theoretisch vorgeschriebene Bahn, welche in Fig. i als strichpunktierte
Schleifenlinie 77 gezeichnet ist. (Durch die perspektivische Darstellung
ist die Schleife unsymmetrisch und verzerrt.) Die axiale Projektion der räumlichen
Lemniskate 77
erscheint in Fig. i zufolge der perspektivischen Darstellung
als Ellipse 77', ist aber wie erwähnt in Wirklichkeit ein Kreis.
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Sämtliche in der Taumelscheibenebene liegenden Anschlußzapfen 4 führen
untereinander kongruente Bewegungsbahnen aus, was, wie erwähnt, die Grundvoraussetzung
dafür ist, daß das ganze Taumelscheibentriebwerk inklusive aller hin und her gehenden
Massen dynamisch vollkommen ausbalancierbar ist.
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Fig. i ist selbstredend nur als eine schematische Prinzipskizze anzusehen,
bei der alle Teile, welche nicht für die Veranschaulichung des Erfindungsgedankens
erforderlich sind, absichtlich weggelassen wurden; überdies wurde die Dimensionieiung
der einzelnen Teile ausschließlich vom Standpunkt der übersichtlichen Anschaulichkeit
gewählt. So möge unter anderem hervorgehoben werden, daß die räumliche Schleifenlinie77
bei wirklicher praktischer Ausführung eines Taumeltriebes ungleich schlanker ausfallen
würde mit etwa nur 1/" der gezeichneten Breite. Infolgedessen braucht auch die Hubhöhe
des Kurbeltriebes, welcher das Geradführungsstück trägt, in Wirklichkeit auch nur
entsprechend kleiner gewählt zu werden als in Fig. i USW.
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Fig. 2 zeigt eine Variante des Erfindungsgegenstandes mit dem Unterschied,
daß Punkt 7 statt an ein Gleitstück und ein Geradführungsstück mit gleitender
Reibung an eine Lenkergeradführung, zweckmäßig einen sogenannten Robertschen Dreiecklenker
angeschlossen ist.
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Die Anwendung- einer Geradführung mittels sogenannter Lenkersteuerungen,
vorzugsweise des Robertschen Dreiecklenkers, bringt eine ganz wesentliche Verminderung
des Geradführungswiderstandes mit sich, da dieser sich auf die äußerst geringe Zapfenreibung
in den Gelenkpunkten beschränkt, welche noch weiter durch eventuell dort angeordnete
Nadellager vermindert werden kann.
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Außerdem zeigt Fig. 2 eine Variation des Erfindungsgedankens, die
in vielen Fällen vorteilhaft ist, nämlich den Kurbeltrieb für die Steuerung der
scheinbaren tangentialen Schwingungen der Taumelscheibenradien in beispielsweise
zwei koordinierte Stirnkurbeltriebe g', io', ii' und g", io", ii" aufzulösen.
Durch diese Aufteilung können die verschiedenen Nachteile vermieden werden, die
ein verhältnismäßig langer Kurbelzapfen 9,
wie in Fig. i gezeigt, mit sich
führen könnte. Ein solcher durchgehender Kurbelzapfen 9 wäre im Falle der
Anwendung eines Robertschen Dreiecklenkers schon deshalb unerwünscht, da er
ja das Dreieckglied dieses Lenkers durchdringen müßte. Bei dieser Aufteilung
des Kurbeltriebes für die auf einer Zylinderfläche kreisende Bewegung der Geradführung
in zwei Einzeltriebe, welche gleich Spiegelbildern zueinander angeordnet sind, müssen
diese ihre Rotation entweder jeder für sich beispielsweise von der Welle i erhalten,
wie es in Fig. 2 gezeichnet ist, oder eventuell durch Vermittlung einer daneben
angeordneten Hilfsachse, welche dann durch irgendwelche Transinission die beiden
koordinierten Kurbeltriebe g', io', ii' und g", io", ii" synchron zueinander mit
doppelter Maschinendrehzahl antreibt. An jedem dieser Kurbeltriebe ist
je ein Radiallager 13 angeordnet, mittels welcher die Aufhängung der Lenkersteuerung
drehbar auf den Kurbelzapfen g' und g" eingerichtet ist.
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In Fig. 2 wurde der Deutlichkeit halber der Taumelscheibenkörper nicht
gezeichnet, sondern nur die Welle i sowie der zu steuernde Punkt 7 und dessen
Radius zu Punkt 5 angedeutet.
Fig. 3 zeigt eine weitere
der zahlreichen Varianten, welche der Erfindungsgedanke ermöglicht. Auch diese ist
auf dem Bestreben basiert, nicht den Kurbelze#pfen 9
selbst unmittelbar als
Geradführungsstück zubenutzen. Außerdem wird gezeigt, wie die Erfindung auch auf
solche Formen des Taumelscheibentriebes angewendet werden kann, bei denen keine
durchlaufende Z-förmige Kurbelwelle i angewandt wird. Die Welle i in Fig.
3
geht nicht durch den Taumelscheibenkörper 3 hindurch, sondern besteht
aus einer einfachen Stirnkurbel mit z. B. einem schräg gestellten Gleitlager, um
den im Zentrum seiner liasisfläche mittels Kugelgelenk gelagerten kegelfönnigen
Taumelscheibenkörper 3 an seiner Spitze in kreisender Bewegung rundzuführen.
Da bei dieser Form eines Taumelscheibentriebes die Mög-
lichkeit fehlt, von
der Welle i aus direkt die Rotation auch des unteren Kurbeltriebes g", io" herbeizuführen,
wird gezeigt, wie die Rotation des letzteren beispielsweise durch ein drehsteifes
Verbindungsstück go bewirkt werden kann. Dieses überträgt das erforderliche Drehmoment
vom oberen Kurbeltrieb g', io' auf den unteren g", io". Der obere Kurbeltrieb erhält
seine Rotation in bekannter Weise z. B. durch Zahntrieb od. dgl. von der Welle i
analog wie in den früheren Beispielen.
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Das Verbindungsstück go, welches die drehsteife Kupplung zwischen
den beiden koordinierten Teiltrieben darstellt, wird vorzugsweise so ausgeführt,
daß dessen Schwerpunkt auf der der Achse 90 des Rohres 99
entgegengesetzten
Seite der Rotationsachse io'-io" zu Regen kommt, um hierdurch gleichzeitig als Gegengewicht
zur dynamischen Ausbalancierung der eine Zylindermantelfläche durchfahrenden Geradführung
zu dienen.
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Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform sind die Kurbelzapfen
des koordinierten Steuerungskurbeltriebes beispielsweise als Exzenter q'und
9 " ausgeführt, welche die Radiallager 13 für die Aufhängung der Geradführung
tragen. Die Geradführung hat in diesem Falle zweckmäßig ein Rohr - 99 von
relativ großem Durchmesser. Dies wird vorgs6hlagen, um einerseits die erforderliche
Biegungsfestigkeit und Steifigkeit zu erzielen und gleichzeitig den spezifischen
Flächendruck zwischen Geradführungsstück 99 und Gleitstück 8
innerhalb
betrie-bstechnisch erprobter Werte halten zu können. Die GeradführLmg muß ja imstande
sein, die gesamte Beanspruchung aus dem Reaktionsmoment der Maschine aufnehmen zu
können. Um unter anderem diese Beanspruchung zu vermindern, ist es auch zweckmäßig,
einen Punkt der Taumelscheibenebene für die Kopplung mit der Geradführung zu wählen,
welcher größtmöglichen Abstand vom Taumelscheibenzentrum hat, also zweckmäßig einen
außerhalb des eigentlichen Taumelscheibenkörpers, eventuell einen auf der Verlängerung
eines Anschlußzapfens 4 liegenden Punkt.
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Die iin Verhältnis zum Steuerungskurbeltrieb (g', io'und
g", io") drehbare Lagerung des Geradführungsrohres 99 trägt ebenso
wesentlich zur Verminderung der Friktion bei wie auch zur Erhöhung der Betriebssicherheit.
Wäre das Geradführungsrohr nicht relativ drehbar zum Steuerungskurbeltrieb gelagert
(wie z. B. in Fig. i), dann würde die Friktion und die Gleitgeschwindigkeit zwischen
Gleitstück 8 und Geradführungsrohr 99 sich aus einer Überlagerung
der in achsparalleler Richtung hin und her gehenden Bewegung des Gleitstückes mit
der mit doppelter Maschinendrehzahl rotierenden Bewegung des Geradführungsrohres
im Gleitstück zusammensetzen. Durch die drehbare Lagerung des Geradführungsrohres
99
wird diese Überlagerung vermieden, und es kommt lediglich die hin und her
gehende Bewegung zur Wirkung.
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Selbstredend könnte die gleitende Reibung zwischen Gleitstück
8 und Geradführungsrohr 99 in die geringere rollende Reibung dadurch
umgewandelt werden, daß Axialgleitwälzlager bekannter Konstruktion angewendet würden,
wie etwa bei modernen Konstruktionen von Federbeinen bei Flugzeugfahrgestellen.
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Das Gleitstück 8 ist im Punkt 7 z. B. mittels Kugelgelenk
mit dem Taumelscheibenkörper gekoppelt oder durch irgendein anderes Gelenk mit drei
Freiheitsgraden an einen der Anschlußzapfen 4 angeschlossen.
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Außer den gezeigten und beschriebenen Beispielen kann natürlich eine
große Zahl anderer Varianten -und Kombinationen im Rahmen des Erfindungsschutzes
ausgeführt werden. Weiter könnten selbstverständlich zwei oder mehr Punkte bzw.
Radien der Taumelscheibe gemäß der Erfindung gesteuert werden, es dürfte aber aus
vielerlei Ursachen vorzuziehen sein, nur einen Punkt bzw. Radius der Taumelscheibenebene
zwangsweise in die theoretische richtige Bahnbewegung zu steuern. Es mag noch erwähnt
sein, daß lediglich unbedeutende Abweichungen von der mathematisch absolut korrel,--ten
Bewegungsbahn keine Schwierigkeiten im praktischen Betrieb mit sich führen, also
keine kostensteigernde, übertriebene Genauigkeit in der Herstellung erforderlich
ist.