EP2454459B1

EP2454459B1 - Kurbeltrieb

Info

Publication number: EP2454459B1
Application number: EP10705391.0A
Authority: EP
Inventors: Konrad Heimanns
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-07-14
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2019-04-03
Anticipated expiration: 2030-02-26
Also published as: CN102472164A; WO2011006683A1; EP2454459A1; KR20120053500A; US9464570B2; RU2012104401A; PL2454459T3; JP5716253B2; RU2535590C2; US20120180752A1; DE102009033249B3; JP2012533023A; BR112012001066A2

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft einen Kurbeltrieb. Er umfasst einen Rahmen, der insbesondere durch ein Gehäuse gebildet sein kann, und eine ortsfest an dem Rahmen gelagerte Schwinge. Des weiteren weist der Kurbeltrieb eine den Abtrieb ausbildende ortsfest an dem Rahmen gelagerte Kurbel auf. Eine Koppel verbindet die Schwinge und die Kurbel. Die Koppel ist hierfür jeweils mit der Kurbel und mit einem zur ortsfesten Lagerung entgegengesetzten Ende der Schwinge gelenkig verbunden.
Solche Kurbeltriebe werden genutzt, um eine lineare Hin- und Her-Bewegung in eine kreisförmige Bewegung umzuwandeln. Beispielsweise zeigt das DE 1 698 561 U einen totpunktfreien Doppelkurbeltrieb mit zwei Schwingen, die jeweils über eine Koppel kniegelenkartig mit einer Kurbelwelle verbunden sind. Die den Doppelkurbeltrieb betätigenden Personen üben über Hände oder Füße Druck und Zug auf die Schwingen auf. Die hieraus resultierende hin- und herschwingende Bewegung der Schwingen wird über jeweils eine die Schwinge mit der Kurbelwelle verbindende Koppel in eine drehende Bewegung der Kurbelwelle umgewandelt.
Nachteil dieses Kurbeltriebs sind insbesondere die Ausbildung der Schwingen als lange Hebel, die für die Übersetzung der ausgeübten Kraft auf die Abtriebswelle benötigt werden. Die langen Hebel führen zu einem großen Platzbedarf des gezeigten Kurbeltriebs und verhindern eine kompakte Bauweise.
Aus dem DE 10 2005 061282 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit Kurbeltrieb bekannt, dessen Gelenkgestänge aus einem am Kolben angelenktem ersten Pleuel, einem an der Kurbelwelle angelenkten zweiten Pleuel und einen das erste und zweite Pleuel gelenkig verbindenden Schwenkhebel besteht. Die mit dem zweiten Pleuel verbundenen Kurbelwelle ist rechtsdrehend.
FR977781 offenbart eine Brennkraftmaschine mit Kurbeltrieb aufweisend einen Kolben, zwei Pleueln und eine Schwinge.
Aufgabe der vorliegenden Anmeldung ist es, einen einfach aufgebauten Kurbeltrieb vorzuschlagen, der durch seine kompakte Bauweise neue Verwendungsmöglichkeiten eröffnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Kurbeltrieb nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Wesentlich bei der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass zum Antrieb der Kurbel ein erster Zylinder mit einem verschieblich gelagerten Kolben vorgesehen ist, und dass der Kolben und die Schwinge über eine Schubstange gelenkig miteinander verbunden sind, so dass die Axialbewegung des Kolbens die Schwinge in eine hin- und herschwingende Bewegung versetzt.
Ein Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, dass in einem mit einem Druckmedium betriebenen Zylinder trotz kompakter Bauweise starke Kräfte aufgebaut werden können. Insbesondere kann der Druckzylinder flach ausgebildet sein, so dass der erfindungsgemäße Kurbeltrieb eine besonders geringe Bauhöhe beansprucht.
Der Druckzylinder ermöglicht die Ausbildung der Schwinge als kurzer Hebelarm. Durch die von dem Kolben des Zylinders auf die Schwinge ausübbare Kraft ist ein kleiner Hebel zur Erzeugung eines großen Moments an der Kurbel ausreichend. Zudem verstärkt das aus der Schwinge und der Koppel bestehende kniegelenkartige Getriebe das an der Kurbel anliegende Moment. Mit einer zunehmend gestreckten Ausrichtung von Schwinge und Koppel wird ein stark ansteigendes Moment auf die Kurbel übertragen.
Auf diese konstruktiv besonders einfache Weise wird trotz kompakter Abmessungen des Kurbeltriebs ein an der Kurbel zur Verfügung stehendes hohes Moment erzeugt. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Kurbeltriebs ist die leichte Ansteuerung des Druckzylinders. Der Zylinder kann zudem zwischen den Endpunkten seiner linear oszillierenden Axialbewegung in unterschiedlichen Geschwindigkeiten betrieben werden und so optimal auf die verschiedenen Winkelpositionen des kniegelenkartigen Getriebes und die daraus resultierende Drehung der Kurbel eingestellt werden.
Der erfindungsgemäße Kurbeltrieb bildet demzufolge einen Motor, der mit seiner kompakten und insbesondere besonders flachen Bauart ein großes Spektrum an Einsatzmöglichkeiten bietet.
Die Schwinge umfasst einen der ortsfesten Lagerung der Schwinge abgewandten Abschnitt, der zur Koppel hin in einem fest stehenden Winkel geknickt ist. Durch diesen Knick ist die Längsachse der Schwinge und die Längsachse ihres von der ortsfesten Lagerung der Schwinge abgewandten Abschnitts schräg zueinander ausgerichtet. Die Schwinge und ihr zur Koppel hin geneigter Abschnitt sind einstückig ausgebildet.
Der zur Koppel hin geneigte Verlauf der Schwinge führt zu einem abgestumpften Winkel des kniehebelartigen Gelenks zwischen Schwinge und Koppel. Hierdurch wird das Gelenk über einen großen Drehwinkel der Kurbel hinweg in einem für den Kniehebel-Effekt günstigen Winkelbereich bewegt. Die Kraftverstärkung des Kniehebels kommt somit während der Drehung der Kurbel stärker zur Geltung.
Insbesondere kann durch eine Veränderung der Länge des abgeknickten Abschnitts und/oder eine Variation seiner Winkelstellung zur Längsachse der Schwinge hin der erfindungsgemäße Kurbeltrieb in einfacher Weise auf die jeweiligen Einsatzbedingungen abgestimmt werden. Hierdurch kann der Drehwinkel der Kurbel, in dem ein besonders hohes Moment übertragen wird, präzise festgelegt werden.
Vorteilhaft ist es ferner, wenn die Hubachse des ersten Zylinders in einem Winkel schräg zu einer senkrecht auf der Schwinge stehenden Ebene ausgerichtet ist. Je spitzer der Winkel gewählt wird, umso mehr verringert sich die axiale Breite des Kurbeltriebs. Der erfindungsgemäße druckgetriebene Motor kann auf diese Weise noch kompakter ausgebildet werden.
Erfindungsgemäß ist die Schubstange im Knickpunkt der Schwinge angelenkt ist. Für den Wirkungsgrad des Zylinders spielt die auf den Kolben wirkende Querkraft eine wichtige Rolle. Die Querkraft ist umso größer, je stärker die den Kolben mit der Schwinge verbindende Spurstange während der Axialbewegung des Kolbens gegen die Hubachse angewinkelt wird. Deshalb ist es besonders vorteilhaft, die Positionen der Hubachse des Kolbens, der ortsfester Lagerung und der Anlenkung an der Schwinge derart zueinander auszurichten, dass die Spurstange während der Schwingbewegung der Schwinge ihre Bewegung in möglichst geringer Winkelabweichung zur Hubachse ausführt. Die erfindungsgemäße Anlenkung der Spurstange am Knickpunkt der Schwinge ermöglicht eine die axiale Breite des Kurbeltriebs verringernde Stellung des Zylinders bei gleichzeitig geringen Querkräften am Kolben unter Ausnutzung der für diese Anordnung des Zylinders größtmöglichen Hebelwirkung an der Schwinge.
Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn die Schwinge mit einem in einem zweiten Zylinder enthaltenen zweiten Kolben gelenkig verbunden ist, wobei der zweite Zylinder auf einer dem ersten Zylinder gegenüberliegenden Seite der Schwinge angeordnet ist. Durch den zweiten Zylinder kann das an der Kurbel wirkende Moment weiter verstärkt werden, ohne den Platzbedarf des Kurbeltriebs wesentlich zu erhöhen. Dabei ist die in dieser Anmeldung gewählte Bezeichnung der Zylinder als erster und zweiter Zylinder an keine besondere Funktion gebunden und kann gegeneinander ausgetauscht werden.
Vorteilhafterweise sind die Schubstangen an einem jeweils quer zur Schwinge angeordneten Fortsatz der Schwinge angelenkt. Hierdurch wird einer Verringerung des Querschnitts der Schwinge im Bereich der Anlenkpunkte der Schubstangen entgegengewirkt und eine Schwächung der Schwinge verhindert.
Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn der seitliche Fortsatz der Schwinge an dem zur Koppel hin geneigten Abschnitt der Schwinge angeordnet ist.
Vorteilhafterweise sind der erste und der zweite Zylinder entlang der Längsachse der Schwinge versetzt zueinander angeordnet, wobei der Hub des Kolbens des näher an der Schwingachse der Schwinge liegenden Zylinders kleiner ist als der Hub des Kolbens des anderen Zylinders.
Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn die Hubachse des ersten Zylinders in einem Winkel schräg zu der Hubachse des zweiten Zylinders verläuft. Hierdurch kann jeder einzelne Zylinder so positioniert werden, dass die an seinem Kolben wirkende Querkraft minimiert wird.
Vorteilhafterweise ist im oberen Wendepunkt der Axialbewegung des Kolbens der Totpunkt der Kurbel überschritten. Hierdurch kann durch die beginnende Axialbewegung des Kolbens direkt ein erhöhtes Moment übertragen werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Zylinder Teil eines Verbrennungsmotors. Kolben und Zylinder bilden demnach eine Brennkammer aus, in der ein Luft-Kraftstoff-Gemisch zur Zündung gebracht wird. Der Kolben des Verbrennungsmotors wird durch den mit der Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs erzeugten Druck in Richtung seines unteren Totpunkts getrieben. Mit dem sich vergrößernden Volumen der Brennkammer reduziert sich auch der Druck in der Brennkammer. Gleichzeitig verändert die Bewegung des Kolbens den Winkel des Kniehebels und damit dessen Kraftübersetzung.
Während der Bewegung des Kolbens vom oberen zum unteren Totpunkt ist der Winkel des Kniehebels aufgrund der erfindungsgemäß geknickten Schwinge stärker gestreckt als bei einem Kurbeltrieb mit einer geraden Schwinge. Der Kniehebel ist demzufolge über den gesamten Hub des Kolbens in einem für den Kniehebel-Effekt vergleichsweise günstigeren Winkel gestellt. Insbesondere unterliegen die direkt nach der Zündung des Gemischs den Kolben treibenden hohen Drücke durch den gestreckteren Kniehebel einer besseren Kraftübersetzung.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel.
Die Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kurbeltriebs mit einem Antrieb der Kurbel mittels eines Zylinders.
Der in Figur 1 skizzierte Kurbeltrieb umfasst eine Schwinge 1, die an ihrem einen Ende über eine Schwingachse 2 an einem nicht gezeigten Rahmen ortsfest gelagert ist. Der Abtrieb des Kurbeltriebs erfolgt über eine Kurbel 3, die mit ihrer Achse 4 ebenfalls ortsfest an dem Rahmen gelagert ist. Die Schwungachse 2 und die Achse 4 sind parallel zueinander ausgerichtet. Eine Koppel 5 ist über ein Gelenk 6 mit einem zur Längsachse 7 der Schwinge 1 abgewinkelten Abschnitt 8 verbunden.
Der abgewinkelte Abschnitt 8 ist im Verhältnis zu der Längsachse 7 der Schwinge 1 in einem fest stehenden Winkel zur Koppel 5 hin geneigt und ist vorzugsweise einstückig mit der Schwinge 1 ausgeführt. Hierdurch bildet sich zwischen einer Längsachse 9 des zur Koppel 5 hin angewinkelten Abschnitts 8 und einer Längsachse 10 der Koppel 5 ein sich mit der Drehbewegung der Kurbel 3 verändernder Winkel a aus. Der Winkel a verläuft während der Drehbewegung der Kurbel 3 stumpfer als der zwischen der verlängerten Längsachse 7 der Schwinge 1 und der Längsachse 10 der Koppel 5 bestehende Winkel. Im Vergleich mit einem durch eine gerade verlaufende Schwinge erzeugbaren Kniehebel-Effekt, also einer Schwinge, die keinen abgewinkelten Abschnitt aufweisen würde, wird der durch den abgewinkelten Abschnitt 8 am Gelenk 6 wirkende Kniehebel-Effekt verstärkt.
Außerdem ermöglicht es der Winkel zwischen der Längsachse 7 der Schwinge 1 und der Längsachse 10 der Koppel 5, den Abstand zwischen der ortsfesten Lagerung der Schwinge 1 an der Schwingachse 2 und der ortsfesten Lagerung der Kurbel 3 an der Achse 4 zu verkürzen. Dies erlaubt einen verstärkten Kniehebel-Effekt unter Beibehaltung der kompakten Bauform des erfindungsgemäßen Kurbeltriebs. Das Winkelmaß des fest stehenden Winkel wird entsprechend der gewünschten Kraftübersetzung im Kniehebel und/oder der gewünschten Verkürzung der Bauform gewählt. In dem Ausführungsbeispiel beträgt es ca. 15 Grad.
Am einem dem Gelenk 6 entgegengesetzten Ende der Koppel 5 ist diese mit dem Außenbereich der Kurbel 3 gelenkig verbunden. Eine über dieses Gelenk 11 auf die Kurbel 3 wirkende Kraft erzeugt eine Drehbewegung der Kurbel 3, die in eine Abtriebswelle des erfindungsgemäßen Motors übergeleitet wird.
Als Antrieb der Schwinge 1 ist ein mit einem Druckmedium befüllbarer Zylinder 12 vorgesehen, dessen Kolben 13 über eine Schubstange 14 an der Schwinge 1 angelenkt ist. Ein Gelenk 15 zwischen Schubstange 14 und Schwinge 1 liegt im Knickpunkt zwischen der Schwinge 1 und deren abgewinkelten Abschnitt 8. Die Hubachse 16 des Zylinders 12 ist bei vollständig eingefahrenen Kolben 13 schräg zu einer senkrecht auf der Schwinge 1 stehenden Ebene ausgerichtet.
Durch den Kniehebel-Effekt wird im Bereich der Streckung des Winkels a die eingeleitete Kraft erheblich verstärkt. Die auf die Kurbel 3 ausgeübte resultierende Kraft berechnet sich gemäß der Formel F= G / (2 * cos a/2), wobei G die durch den Kolben auf die Schwinge wirkende Kraft und F die Resultierende ist. Das über die Resultierende F an der Kurbel 3 anliegende Moment ist somit desto größer, je stärker der Winkel a gestreckt ist.

Claims

Kurbeltrieb, aufweisend einen Rahmen, der insbesondere durch ein Gehäuse gebildet sein kann, eine ortsfest an dem Rahmen gelagerte Schwinge (1), eine den Abtrieb ausbildende ortsfest an dem Rahmen gelagerte Kurbel (3) und eine die Schwinge (1) und die Kurbel (3) verbindende Koppel (5), wobei die Koppel (5) jeweils mit der Kurbel (3) und mit einem zur ortsfesten Lagerung (2) entgegengesetzten Ende der Schwinge (1) gelenkig verbunden ist, so dass die Schwinge (1) und die Koppel (5) einen Kniehebel ausbilden, wobei zum Antrieb der Kurbel (3) ein mit einem Druckmedium betriebener erster Zylinder (12) mit einem verschieblich gelagerten Kolben (13) vorgesehen ist, und wobei der Kolben (13) und die Schwinge (1) über eine Schubstange (14) gelenkig miteinander verbunden sind, so dass die Axialbewegung des Kolbens (13) die Schwinge (1) in eine hin- und herschwingende Bewegung versetzt, wobei die Schwinge (1) einen der ortsfesten Lagerung der Schwinge (1) abgewandten Abschnitt (8) umfasst, der zur Koppel (5) hin um einen fest stehenden Winkel geneigt ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das aus der Schwinge (1) und der Koppel (5) bestehende kniegelenkartige Getriebe das an der Kurbel (3) anliegende Moment verstärkt,
wobei die Schwinge und der abgewandte Abschnitt (8) einstückig ausgebildet sind,
und wobei die Schubstange (14) im Knickpunkt der Schwinge (1) angelenkt ist.
Kurbeltrieb nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Hubachse (16) des ersten Zylinders (12) in einem Winkel schräg zu einer senkrecht auf der Schwinge (1) stehenden Ebene ausgerichtet ist.
Kurbeltrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwinge (1) mit einem in einem zweiten Zylinder enthaltenen zweiten Kolben gelenkig verbunden ist, wobei der zweite Zylinder auf einer dem ersten Zylinder (12) gegenüberliegenden Seite der Schwinge (1) angeordnet ist. einer dem ersten Zylinder (12) gegenüberliegenden Seite der Schwinge (1) angeordnet ist.
Kurbeltrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schubstangen (14) jeweils an einem quer zur Schwinge (1) angeordneten Fortsatz der Schwinge (1) angelenkt sind.
Kurbeltrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der seitliche Fortsatz der Schwinge (1) an dem zur Koppel (5) hin geneigten Abschnitt (8) der Schwinge (1) angeordnet ist.
Kurbeltrieb nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (12) und der zweite Zylinder entlang der Längsachse (10) der Schwinge (1) versetzt zueinander angeordnet sind, wobei der Hub des Kolbens (13) des ersten Zylinders (12) größer ist als der Hub des Kolbens des zweiten Zylinders.
Kurbetrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubachse (16) des ersten Zylinders (12) in einem Winkel schräg zu der Hubachse des zweiten Zylinders verläuft.
Kurbeltrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im oberen Wendepunkt der Axialbewegung des mindestens einen Kolbens (13) der Totpunkt der Kurbel (3) überschritten ist.
Kurbeltrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (13) in einem Verbrennungsmotor angeordnet ist.