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Kombinierte Steuerungs- und Verankerungseinrichtung für Taumelscheiben
Bei Taumelscheibenmechanismen ist es bekanntlich von grundlegender Bedeutung für
deren praktische Anwendbarkeit, daß die Taumelscheibe oder der Taumelscheibenkörper,
wie diese auch genannt wird, in solcher Weise verhindert wird, an der Rotation der
Maschinenwelle teilzunehmen, daß sämtliche in der Taumelscheibenebene liegenden
Radialstrahlen untereinander gleich große, aber phasenversetzte Schwingungen um
die Maschinenachse ausführen, wenn der Taumelscheibenmechanismus bei Rotation der
Maschinenwelle parallel mit deren Längsachse betrachtet wird. Sämtliche in der Taumelscheibenebene
gelegenen Punkte bewegen sich nämlich nicht etwa längs ebenen Kreisbogensegmenten,
sondern auf lemniskatenähnlichen und auf Kugelflächen gelegenen Schleifenkurven.
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Um beispielsweise bei Kolbenmaschinen, welche sich des Taumelscheibenprinzips
für die Kolben-Bewegungen bedienen, überhaupt eine dynamische Ausbalancierung der
auftretenden Massenkräfte erreichen zu können, ist es unumgänglich, dafür zu sorgen,
daß sämtliche Anschlußgelenke für die Kolbenbewegung untereinander kongruente räumliche
Lemniskatenbahnen beschreiben. Nur dann, wenn diese theoretische Grundvoraussetzung
erfüllt ist, werden die Beschleunigungsverhältnisse für sämtliche hin und her gehenden
Massen (Kolben usw.) untereinander gleichartig bzw. gleichwertig mit jenen,
welche
beim gewöhnlichen (das heißt ebenen) Kurbeltrieb mit unendlich langer Schubstange
auftreten.
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Die bisher bekannten Lösungen und Anordnungen für die Erzielung dieser
etwas komplizierten Bewegungsbahnen waren entweder zu kompliziert oder konnten den
im Betriebe vorkommenden Belastungen nicht standhalten oder waren auch hinderlich
für eine zweckmäßige Gestaltung und Dimensionierung anderer vitaler Konstruktionsteile.
In den meisten Fällen war auch ungenügende -Rücksicht auf die bei allen Maschinen
im Betriebe vorkommenden Deformationen od. dgl. genommen worden. Die Folge hiervon
ist, daß es bisher nicht geglückt war, die großen Möglichkeiten und Vorteile in
der Praxis ausnutzen zu können, welche mit Hilfe des Taumelscheibenprinzips bei
dessen richtiger und zweckmäßiger Ausführung erzielt werden können.
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Vorliegende Erfindung ermöglicht eine einfache Lösung dieses für Taumelscheibenmaschinen
grundlegenden Problems unter Berücksichtigung aller praktischen maschinentechnischen
Forderungen und besteht darin, daß wenigstens ein in der Taumelscheibenebene liegender
Punkt in ungefähr tangentialer Richtung durch ein schwingendes, zug- und drucksteifes
Verankerungsglied. mit einem zwangsläufig bewegten Verankerungspunkt gekoppelt ist,
welcher auf einem vom Maschinengehäuse getragenen Bewegungsmechanismus angeordnet
ist, und daß dieser bewegliche Verankerungspunkt mittels des erwähnten Bewegungsmechanismus
zwei einander überlagerte, wenigstens annähernd um go° gegeneinander phasenversetzte
Schwingungshubbewegungen relativ zum Maschinengehäuse und in einer winkelrecht zur
Drehachse der die Taumelscheibe tragenden Welle liegenden Ebene von so gewählten
Schwingungsamplituden erhält, daß ein durch den gekoppelten Punkt gehender Radialstrahl
der Taumelscheibenebene bei jeder Wellenumdrehung zwei komplette, annähernd harmonische
Schwingungen um die Drehachse der Welle mit einem Winkelausschlag von von einer
Mittellage aus gerechnet vollführt, wobei sin ß annähernd den Wert von
besitzt und a der Neigungswinkel zwischen den geometrischen Achslinien der Taumelscheibe
und der Welle ist, so daß alle in der Taumelscheibenebene gelegenen Punkte gleichen
Abstandes von derer Zentrum untereinander kongruente lemniskatenähnliehe, auf einer
Kugelfläche liegende Bewegungsbahnen beschreiben.
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Die Zeichnung zeigt beispielsweise in perspektivischer, schematischer
Darstellung eine der zahlreichen möglichen Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes.
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Es mag einleitend besonders hervorgehoben werden, daß es bei dieser
Illustration notwendig war, teils die meisten Proportionen zu übertreiben bzw. zu
verzerren, vor allem den Neigungswinkel a des schräg gestellten Kurbelzapfens 2
der Maschinenwelle r im Vergleich mit normalen Werten, teils auch die einzelnen
Elemente des Mechanismus in einer vom konstruktiven Gesichtspunkt weniger geeigneten
Weise zu dimensionieren und anzuordnen, um eine annehmbare Deutlichkeit und Übersichtlichkeit
der Eigenheiten und Arbeitsweise des Mechanismus erreichen zu können.
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z ist die Maschinenwelle mit dem Schrägzapfen 2. Die Zentrumlinien
des Zapfens und der Welle schneiden einander unter einem Winkel a in einem Punkt
o, welch letzterer gleichzeitig das sogenannte Taumelscheibenzentrum ist, da die
winkelrecht zum Zapfen 2 gelegene Taumelscheibenebene durch diesen Punkt o geht.
Um die Deutlichkeit der Figur betreffend das Wesentliche für die Erfindung zu erhöhen,
wurden alle jene Organe, welche keine Beziehung bzw. Bedeutung für dieselbe haben,
weggelassen, wie z. B. der ganze Kolbenbewegungsmechanismus inklusive dessen Anschlußorgane,
welche Anschlußorgane, z. B. Kugelgelenke, Gelenkzapfen od. dgl., bei wirklicher
Ausführung in der Taumelscheibenebene und mit untereinander gleich großen radialen
Abständen vom Taumelscheibenzentrum angeordnet sind. Es wurde in der Figur lediglich
jener in der Taumelscheibenebene gelegene Punkt 4 eingezeichnet, welcher mittels
eines schwingenden, aber zug- und drucksteifen Verbindungsgliedes 45 gelenkig mit
dem von einem Bewegungsmechanismus zwangsläufig bewegten Verankerungspunkt 5 gelenkig
verankert bzw. gekoppelt ist, welcher Punkt auf dem vorerwähnten Bewegungsmechanismus
angeordnet ist. Dieser auf der linken Seite der Figur ersichtliche Bewegungsmechanismus
ist seinerseits z. B. schwingbar an einem unbeweglichen Maschinenteil, am zweckmäßigsten
z. B. an der Innenseite des Maschinengehäuses mittels einer Zwischenwelle 8 gelagert,
welche parallel zur Welle z liegt, derart, daß der auf dem Bewegungsmecbanismus
gelegene bewegliche Verankerungspunkt 5 seine charakteristische zusammengesetzte
Bewegung in einer Ebene ausführen kann, welche winkelrecht zur Welle r und zweckmäßig
durch das Taumelscheibenzentrum o geht.
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Wenn der Verankerungspunkt 5 nicht beweglich, sondern in ortsfester
Verbindung mit beispielsweise dem Maschinengehäuse wäre, so würde der Punkt 4, welcher
auf einem in der Taumelscheibenebene gelegenen Radialstrahl liegt, einen Teil einer
Schnittlinie zwischen zwei Kugelflächen beschreiben, wobei der Mittelpunkt der einen
Kugelfläche im Punkt o und jener der andern in Punkt 5 liegen würde und die erstere
Kugelfläche einen Halbmesser entsprechend dem Abstand zwischen den Punkten o und
4 hätte, welcher mit R bezeichnet sei, und die andere Kugelfläche hätte einen Halbmesser
entsprechend der Länge des Verbindungsgliedes 45, das heißt dem Abstand zwischen
den Punkten 5 und 4, welcher mit L bezeichnet sei.
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Wie einleitend erwähnt, ist es eine grundlegende Bedingung für die
praktische Anwendbarkeit eines Taumelscheibentriebes, daß der Punkt 4 eine lemniskatenähnliche
räumliche Schleifenkurve von bestimmter Form und Größe beschreibt, da nur in diesem
Falle auch alle anderen in der Taumelscheibenebene gelegenen Punkte mit gleichem
Abstand vom Taumelscheibenzentrum o untereinander kongruente derartige Bewegungsbahnen
ausführen.
In der Figur ist eine derartige Bewegungsbahn mittels
der strichpunktierten Linie q.o eingezeichnet. Zufolge der perspektivischen Darstellung
erscheint die Schleifenkurve unsymmetrisch, ist aber in Wirklichkeit vollkommen
symmetrisch und mit gleich großen Hälften. Wenn diese räumliche Schleifenkurve in
zur Welle i paralleler Richtung betrachtet wird, so erscheint die Bewegungsbahn
q.o des Punktes q. als eine Kreislinie q.0', welche bei jeder einmaligen Maschinenumdrehung
zweimal durchfahren wird, und zwar in der gleichen Drehrichtung wie jene der Welle
i. In der Figur hat die axiale Projektion der Bewegungsbahn des Punktes q. zufolge
der perspektivischen Darstellung die Form einer Ellipse. Punkt q. bewegt sich bei
Drehung der Welle i in der Pfeilrichtung um eine Umdrehung nicht längs der gestrichelt
eingezeichneten Bogenlinie qq. zwischen den Totpunkten q.' und q.", sondern folgt
der ganzen strichpunktiert bezeichneten Schleifenkurve 40 in der mittels Pfeilspitzen
angegebenen Richturg längs der ganzen Schleifenkurve 40.
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Hieraus folgt, daß sich der Punkt q. nicht nur auf einer Kugelfläche
mit dem Halbmesser R und mit o als Mittelpunkt bewegt, sondern gleichzeitig auch
auf einer Zylindermantelfläche, welche parallel zur Welle i liegt, wobei der Durchmesser
d dieser Zylindermantelfläche = R (i cos a) ist. Legt man durch die Mittellinie
(Achse) der Welle i Meridianebenen, welche diese Zylindermantelfläche an beiden
Seiten tangieren, so bilden dieselben einen Winkel von 2 ß gegeneinander, wobei
ist. Die weitere logische Folge ist, daß
eine durch den Punkt 4 gehende Meridianebene daher zwei komplette harmonische Schwingungen
um die Achse der Welle i mit maximalen Ausschlägen von ± ß ausführt, wenn die Welle
i eine ganze Umdrehung gedreht wird.
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Der Verankerungspunkt 5 muß daher eine zur Taumelscheibe annähernd
tangential gerichtete harmonische Schwingungsbewegung entsprechender Frequenz ausführen,
das heißt der doppelten wie der Maschinendrehzahl und von solcher Größenordnung,
daß der durch Punkt q. gelegte Radialstrahl maximale Ausschläge von ± ß macht, wenn
er parallel zur Maschinenwelle i betrachtet wird. Diese Bewegungskomponente der
Totalbewegung von Punkt 5 wird bei der in der Figur gezeigten Ausführungsform des
Erfindungsgedankens beispielsweise dadurch erreicht, daß der Verankerungspunkt 5
auf einer Hülse 6 angeordnet wird, welche drehbar auf dem Kurbelzapfen einer in
geeigneter Weise zur Welle i parallelen kleinen Kurbelwelle 7 gelagert ist, die
von der Welle i eine Drehbewegung mit doppelter Maschinendrehzahl und gleicher Drehrichtung
erhält. Diese Kraft- bzw. Bewegungsübertragung ist in der Figur durch die schematischen
Kettentriebe g-98-82 und von dort aus 8i-78-71 zu der kleinen Kurbelwelle 7 angedeutet.
Selbstverständlich können auch andere Transmissionsarten angewendet werden; aber
es ist von Wichtigkeit, daß die Kurbelwelle 7 die doppelte Drehzahl, aber gleiche
Drehrichtung wie Welle i erhält, und weiter, daß die Kurbelwelle 7 und die Zwischenwelle
8 bzw. das Übertragungsrad 81 untereinander die gleiche Drehrichtung und Drehzahl
haben. Würde Punkt 5 lediglich die eben beschriebene Bewegung ausführen, so wäre
die Folge, daß sich Punkt q. nicht auf einer geraden Zylindermantelfläche, sondern
zufolge der begrenzten Länge (L) des Verbindungsgliedes 45 längs einer sphärischen
geschlossenen Ringfläche mit ungefähr kreisförmigem Querschnitt bewegt.
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Um die nicht unendliche Länge des Verbindungsgliedes 45 zu kompensieren,
wird dem Punkt 5, wie früher erwähnt, noch eine weitere überlagerte harmonische
Schwingungsbewegung in zum Taumelscheibenmechanismus ungefähr tangentialer Richtung
aufgezwungen und auch diese rriit doppelter Frequenz wie die Maschinendrehzahl und
einer Phasenverschiebung von etwa 9o° in bezug auf die erstgenannte harmonische
Schwingungshubbewegung des Punktes 5 sowie längs einer Strecke, welche
L (i cos y) entspricht, wobei L die Länge des Verbindungsgliedes 45
bedeutet und y der maximale Winkelausschlag des Verbindungsgliedes 45 nach beiden
Seiten und in zur Welle achsparalleler Richtung ist, das heißt, wenn die Winkelausschläge
in zur Wellenachse winkelrechter Richtung betrachtet werden. Wählt man die Länge
des Verbindungsgliedes so, daß diese Winkelausschläge nach jeder Seite kleiner als
etwa 30° werden, das ist eine derartige Anordnung nämlich praktisch gleichwertig
mit einer Geradsteuerung, wodurch die Bahnbewegung des Punktes q. dann auf einer
geraden Zylindermantelfläche zu liegen kommt, in Übereinstimmung mit den theoretischen
Forderungen, welche ein praktisch anwendbarer Taumelscheibenantrieb erfüllen muß.
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Bei der Ausführungsform des Erfindungsgedankens, welche die Figur
illustriert, wird letztgenannte harmonische Schwingung von Punkt 5, welche der erstbeschriebenen
Schwingungsbewegung mit einer Phasenverschiebung von etwa go° überlagert ist, auf
folgende Weise erreicht: Die kleine Kurbelwelle,7 ist nicht direkt im Maschinengehäuse
oder in einem andern unbeweglichen Maschinenteil gelagert, sondern auf dem schwingbaren
Ende eines Pendelrahmens io, welcher um die Zwischenwelle 8 pendeln kann. Die Zwischenwelle
8 ihrerseits ist im Maschinengehäuse oder einem anderen unbeweglichen Mascbinenteil
drehbar gelagert. Wie aus der Figur ersichtlich, dient die Zwischenwelle 8 gleichzeitig
als Transmissionsorgan in der Kraft- und Bewegungsübertragung von der Welle i auf
die kleine Kurbelwelle 7 und hat die gleiche Drehrichtung wie Maschinenwelle i,
aber die doppelte Drehzahl wie diese. Die Zwischenwelle 8 und die Kurbelwelle 7
müssen untereinander die gleiche Drehzahl und gleiche Drehrichtung erhalten, um
Störungsmomente in der Kinematik des Bewegungsmechanismus zu vermeiden, wenn der
Pendelrahmen io um die Zwischenwelle 8 pendelt.
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Die eben genannte, das heißt andere und überlagerte Schwingungsbewegung
von Punkt 5 wird gemäß der gezeigten Ausführungsform auf einfachste Art beispielsweise
dadurch erreicht, daß ein Kurbelzapfen 7a der kleinen Kurbelwelle 7 in etwa 9o°
Winkelabstand von dem Kurbelzapfen angeordnet ist, welcher die Hülse 6 mit dem Punkt
5 trägt, und daß dieser Kurbelzapfen 72 in einer Kulissensteuerung 73 gleiten kann,
welche in fester Verbindung mit dem Maschinengehäuse oder einem anderen unbeweglichen
Maschinenteil
steht. Die Längsrichtung der Kulisse ist hier in geeigneter Weise gegen die Zwischenwelle
8 gerichtet, welche gleichzeitig die Pendelachse bildet, um welche der Pendelrahmen
seine oszillierende Bewegung ausführt. Selbstverständlich kann die oszillierende
Bewegung des Pendelrahmens io auch mit anderen Ausführungsformen erreicht werden,
beispielsweise mittels einer mit ihrem einen Ende auf Kurbelzapfen 72 drehbar gelagerten
Schubstange, deren anderes Ende drehbar an einem unbeweglichen Maschinenteil ortsfest
gelagert wird, od. dgi.
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Wie bereits im Anfang der Beschreibung hervorgehoben, wurden, um die
Deutlichkeit zu erhöhen, gewisse Dimensionen und Proportionen mit Absichtwesentlich
übertrieben. Bei wirklicher Ausführung werden die erforderlichen Ausschläge der
Schwingungsbewegungen so klein, daß es in dem verkleinerten Maßstäbe, mit welchem
Patentzeichnungen gezeichnet werden müssen, kaum möglich wäre, die Funktionen des
Bewegungsmechanismus zu veranschaulichen. Auf Grund der relativ kleinen Ausschläge,
die gefordert werden, dürfte es auch bei wirklicher Ausführung zweckmäßiger sein,
Exzenterwellen an Stelle von Kurbelwellen für den Steuerungsmechanismus von Punkt
5 zu verwenden. Auch im übrigen kann die Ausführung der kombinierten Steuerungs-
und Verankerungseinrichtung für eine Taumelscheibe auf mannigfache Weise im Rahmen
der Erfindung variiert werden. So können z. B. die beiden einander überlagerten
und gegeneinander phasenversetzten Schwingungsbewegungen von Punkt 5 mittels zweier
getrennter Kurbel- oder Exzenterwellen anstatt einer gezeichneten gemeinsamen, 7,
erzielt werden.
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Das Charakteristische für die Erfindung ist die Kombination des schwingbaren
Verbindungsgliedes ¢5 mit einem beweglichen Verankerungspunkt 5, welcher mittels
eines von der Maschine zwangsläufig beeinflußten Bewegungsmechanismus eine solche
Bewegungscharakteristik erhält, daß der mit diesem Bewegungsmechanismus gelenkig
gekoppelte Taumelscheiben-Radialstrahl annähernd die für Taumelscheibentriebe theoretisch
geforderte harmonische Schwingungsbewegung um die Achse der Welle i mit einem Ausschlagwinkel
von ß ausführt, wobei sin ß annähernd den Wert von
erreicht, und welche Schwingung bei jeder Maschinenumdrehung zweimal vollführt wird,
also mit sogenannter doppelter Frequenz wie jener der Maschinendrehzahl.
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Weiter sei erwähnt, daß kein prinzipielles Hindernis vorliegt, mehrere
derartige Steuerungseinrichtungen für jede Taumelscheibe anzuordnen; aber es wäre
ein solches Verfahren teils unnötig, teils mit einer Reihe praktischer Nachteile
verbunden, da dann das ganze System sozusagen kinematisch überbestimmt wäre, abgesehen
von einer teueren Herstellung usw., weshalb es nicht empfohlen wird, mehrere derartige
Mechanismen für die Verankerung bzw. Steuerung ein und derselben Taumelscheibe anzuwenden.