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Die Erfindung bezieht sich auf einen Kurbeltrieb zur Umsetzung einer Linearbewegung in eine Rotationsbewegung oder umgekehrt.
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Ein gattungsgemäßer Kurbeltrieb ist aus der
DE 297 14 516 U1 bekannt. Der Kurbeltrieb weist ein Planetenrad und ein Ringrad auf, in welchem das Planetenrad rotiert. Ein auf dem Umfang des Planetenrades angeordneter Punkt beschreibt bei einem Umlauf des Planetenrades eine lineare Hin- und Herbewegung mit einer Amplitude, welche dem Innendurchmesser des Ringrades entspricht. Es kann also ein Kurbeltrieb für einen Kolben einer Energiewandlungsmaschine, insbesondere für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt werden, bei welchem der Kolben rein translatorisch bewegt wird.
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Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, einen weiter verbesserten Kurbeltrieb bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche. Diese können in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
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Vorgesehen ist demgemäß ein Kurbeltrieb zur Umsetzung einer Linearbewegung in eine Rotationsbewegung oder umgekehrt, aufweisend
- – eine um eine Kurbelwellenachse rotierbar gelagerte erste Kurbelscheibe und eine mit der ersten Kurbelscheibe verdrehfest gekoppelte zweite Kurbelscheibe,
- – zwei achsparallel zu den Kurbelscheiben angeordnete, innenverzahnte Ringräder,
- – zwei jeweils in den Ringrädern angeordnete und damit im Eingriff befindliche außenverzahnte Planetenräder, und
- – einen Hebelarm, mit welchem die Planetenräder verdrehfest verbunden sind, wobei der Hebelarm um eine exzentrisch zur Kurbelwellenachse angeordnete Kurbelachse drehbar in den Kurbelscheiben gelagert ist und wobei der Hebelarm radial versetzt zu der Kurbelachse um eine Pleuelachse drehbar mit einem Pleuel verbunden ist.
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Durch die Kurbelscheibe wird der Hebelarm lediglich im Kreis geführt, unter Erhaltung eines Freiheitsgrades, nämlich einer Rotierbarkeit um die Kurbelachse. Um diesen Freiheitsgrad wird der Hebelarm zugleich durch das verdrehfest mit dem Hebelarm verbundene Planetenrad gedreht. Dadurch, dass der Zapfen axial beabstandet von dem Lagerbolzen angeordnet ist, wirken im Betrieb Kippmomente in dem Hebelarm. Die Kippmomente belasten die Zapfen bzw. die Lagerbohrungen. Dadurch, dass der Hebelarm an zwei Kurbelscheiben abgestützt ist, welche miteinander gekoppelt sind, so dass sie sich stets synchron bewegen, heben sich die Kippmomente an einem Hebelarm gegenseitig auf. Dadurch werden an drei Lagerungen Kräfte in den Hebelarm eingeleitet. Zum einen an zwei äußeren Lagerungen, nämlich den Lagerungen, in welchen die Zapfen in den Lagerbohrungen der Kurbelscheibe liegen. Zum andern wirken in der Lagerung, in welcher der Pleuel mit dem Hebelarm verbunden ist, entgegengesetzte Kräfte. Die Kräfte heben sich gegenseitig auf, so dass die im Hebelarm herrschenden Kippmomente ausgeglichen werden. Die Lagerbohrungen der Kurbelscheibe werden demnach rein radial belastet. Dies führt zu einer günstigeren Belastung der Lagerbohrung. Die mit dem Hebelarm verbundene Pleuelstange wird dadurch nicht seitlich ausgelenkt und bewegt sich rein translatorisch und senkrecht zur Kurbelwellenachse. Das Ringrad ist verdrehfest bezüglich der Kurbelwellenachse gehalten. Dadurch wird der Hebelarm bei einer Umdrehung der Kurbelscheibe stets um seine eigene Achse gedreht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Kurbelscheiben außenumfänglich angeordnete Verzahnungen auf, welche in Eingriff mit an einer Nebenwelle angeordneten Stirnrädern stehen, wodurch die Kurbelscheiben miteinander gekoppelt sind. Die Koppelung der Kurbelscheiben kann jedoch grundsätzlich auch auf andere Weise erfolgen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste Kurbelscheibe breiter ausgeführt als die der anderen Kurbelscheiben. Die Breite ist dabei von dem eingeleiteten Drehmoment abhängig. Die Verzahnung der Kurbelscheibe übernimmt damit zusätzlich die Aufgabe das gesamte Drehmoment der Nebenwelle, das durch die Kurbelscheiben eingeleitet wird, auf die erste Kurbelwelle zu übertragen. Die zweite Kurbelscheibe ist dazu ausgestaltet, den Hebelarm vor Torsionskräften zu befreien, indem sie sich synchron zur ersten Kurbelscheibe mitdreht. Die zweite Kurbelscheibe kann somit als Leichtbaumaßnahme schmaler ausgeführt sein.
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Vorzugsweise handelt es sich bei der Verzahnung um eine Schrägverzahnung. Dadurch kann ein stetiger und somit geräuscharmer Eingriff der Zähne ineinander gewährleistet werden.
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Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich bei der Lagerung des Zapfens in den Kurbelscheiben um eine Gleitlagerung. Dadurch müssen zur Montage des Kurbeltriebes keine zusätzlichen Lagerelemente an den Kurbelscheiben vorgesehen werden. Dies hat den Vorteil, dass der Zusammenbau des Kurbeltriebes nicht viel Zeit in Anspruch nimmt.
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In einer alternativen, gleichwohl vorteilhaften Ausgestaltung ist als Lagerung des Hebelarmes um die Kurbelachse in den Kurbelscheiben eine Wälzlagerung vorgesehen. Dadurch kann die Lagerung auch bei verhältnismäßig geringen Drehzahlen (beispielsweise beim Starten eines Verbrennungsmotors) bereits hohe Kräfte aufnehmen.
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Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Pleuel auf dem zweiten Lagerbolzen über ein Nadellager drehbar gelagert. Nadellager weisen eine verhältnismäßig hohe radiale Belastbarkeit bei geringer Reibung auf. Durch die Anordnung eines Nadellagers zwischen dem Pleuel und dem Hebelarm kann somit ein langlebiger und reibungsarmer Kurbeltrieb bereitgestellt werden.
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Entsprechend einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung ist der Pleuel auf dem Lagerbolzen über ein Gleitlager drehbar gelagert. Dadurch kann eine kostengünstige Lagerung bereitgestellt werden.
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Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist an dem Planetenrad sowie an dem Ringrad eine Evolventenverzahnung vorgesehen. Dadurch berühren sich beim Abrollen des Planetenrades innerhalb von dem Ringrad stets mehrere Zähne, so dass einerseits hohe Kräfte übertragen werden können und andererseits der Eingriff stetig und ruckfrei erfolgt.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist an dem Planetenrad sowie an dem Ringrad eine Schrägverzahnung mit entgegengesetzten Schrägungswinkeln vorgesehen. Der Hebelarm ist vorzugsweise starr mit den Planetenrädern verbunden. Im Betrieb wirken durch die Schrägverzahnung entgegengesetzte Axialkräfte auf die Lagerung des Pleuels, welche sich gegenseitig aufheben. Die Lagerung des Pleuels wird dadurch axial fixiert.
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Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1: in einer schematischen Darstellung eine Seitenansicht eines Kurbeltriebes mit drei außenverzahnten Kurbelscheiben, wobei zwischen der ersten und der zweiten Kurbelscheibe ein Hebelarm angeordnet ist,
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2: in einer schematischen Darstellung eine Seitenansicht eines Kurbeltriebes, wobei der Hebelarm über ein Gleitlager in der Kurbelscheibe gelagert ist,
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3: schematisch eine Frontalansicht der in den 1 und 2 dargestellten Kurbeltriebe, und
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4a bis 4f: schematisch in 6 Bildern einen Bewegungsablauf des Kurbeltriebes.
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5: schematisch aus einer seitlichen Perspektive ein Kurbelwellengehäuse mit zwei entgegengesetzt daran angeordneten Kolben, deren Kräfte über einen Kurbeltrieb auf eine Kurbelwelle übertragen werden.
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Die 1 und 2 zeigen schematisch einen Kurbeltrieb 1 zur Übertragung einer translatorischen Bewegung eines Pleuels 2 in eine rotatorische Bewegung einer Kurbelwelle 3. Die Kurbelwelle 3 ist um eine Kurbelwellenachse 23 drehbar gelagert. An der Kurbelwelle 3 ist eine erste Kurbelscheibe 4 angeordnet. Die Kurbelscheibe 4 weist eine Lagerbohrung 5 auf, in welcher ein Zapfen 6 um eine Kurbelachse 15 drehbar gelagert ist. Der Zapfen 6 ist ein Teil eines Hebelarmes 7. Darüber hinaus ist eine mit einer zweiten Kurbelwelle 33 verbundene zweite Kurbelscheibe 34 vorhanden, welche mit der ersten Kurbelscheibe 3 gekoppelt ist. Achsparallel zu den Kurbelscheiben 4 und 34 sind zwei nicht drehbar gelagerte Ringräder 8 angeordnet. Die Ringräder 8 sind fest mit einem in 1 nicht dargestellten Kurbelgehäuse verbunden. Die Ringräder 8 weisen innen eine Verzahnung 9 auf. An dem Hebelarm 7 sind jeweils innerhalb des Ringrades 8 Planetenräder 10 angeordnet. Die Planetenräder 10 weisen außen eine Verzahnung 11 auf, welche in kämmendem Eingriff mit der Verzahnung 9 der Ringräder 8 steht. Vorzugsweise handelt es sich bei den Verzahnungen 9 und 11 um Evolventenverzahnungen.
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Die Planetenräder 10 sind verdrehfest an dem Hebelarm 7 angeordnet, so dass der Hebelarm 7 bei einem Umlauf der Planetenräder 10 innerhalb des Ringrades 8 um eine Kurbelachse 15 gedreht wird. weiterhin weist der Hebelarm 7 einen Lagerbolzen 13 auf, an dem ein Nadellager 14 angeordnet ist. Über das Nadellager 14 ist der Hebelarm 7 um eine Pleuelachse 12 drehbar mit dem Pleuel 2 verbunden. Der Pleuel 2 kann mit einem oder mehreren in den 1 und 2 nicht dargestellten Kolben verbunden sein. Der Kolben kann Teil eines Verbrennungsmotors, beispielsweise eines Diesel- oder eines Ottomotors sein. Durch den Kurbeltrieb 1 wird der Kolben alleine axial belastet. Die in herkömmlichen Kurbeltrieben auftretenden Belastungen durch seitlich wirkende Kräfte entfallen.
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Die Übertragung der Kolbenkräfte über den Pleuel 2 auf den Kurbeltrieb 1 und über den Kurbeltrieb 1 auf die Kurbelwelle 3 erfolgt über den in den Ringrädern 8 festgehaltenen Hebelarm 7. Dieser erfährt durch den Pleuel 2 eine in der Hochachse wirkende Kraft. Die in der Hochachse wirkende Kraft hängt von einem jeweiligen Arbeitstakt des Verbrennungsmotors ab. In einem Ansaugschritt wirkt bei nicht aufgeladenen Verbrennungsmotoren eine Zugbelastung auf den Pleuel 2. In den anderen Arbeitsgängen drückt der Kolben auf den Pleuel 2, es wirkt also eine Kraft von oben auf den Pleuel 2. Die Kraft wird über das Nadellager 14 auf den Hebelarm 7 eingeleitet. Bedingt durch die verdrehfest mit dem Hebelarm 7 verbundenen und mit der Verzahnung in den Ringrädern 8 in Eingriff befindlichen Planetenräder 10 wird der Hebelarm 7 um die Kurbelachse 15 gedreht und nach unten gedrückt. Die an beiden Enden des Hebelarmes 7 angeordneten Zapfen 6 übertragen dabei eine tangential wirkende Kraft auf die Kurbelscheibe 4.
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In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist als Lagerung des Hebelarmes 7 in der Kurbelscheibe 4 ist ein Wälzlager 16 vorgesehen. Das Wälzlager 16 kann als Nadellager ausgestaltet sein.
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Eine alternative Ausgestaltung eines Kurbeltriebes 1 zeigt 2. Anstelle des Nadellagers 14 zwischen dem Pleuel 2 und dem Hebelarm 7 kann hier ein Gleitlager 27 verwendet werden. Auch die Lagerung des Hebelarmes 7 bzw. der Hebel 18 und 19 kann über Gleitlager 28 erfolgen. Der Hebelarm 7 kann zur Versorgung der Gleitlager 27 und 28 mit Schmieröl nicht dargestellte Schmierölkanäle aufweisen.
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Die Planetenräder 10 sind verdrehfest auf dem Hebelarm 7 angeordnet. Dies kann wie an dem rechten Planetenrad 10 dargestellt über eine Passverzahnung 17 (Splineverzahnung) erfolgen. Hierfür weist der Hebelarm 7 eine außenumfängliche Verzahnung 21 auf, welche in eine in den Planetenrädern 10 angeordnete, nicht dargestellte Verzahnung hineinpasst (siehe 1).
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Der in den 1 und 2 dargestellte Hebelarm 7 ist im Wesentlichen aus einem ersten Hebel 18 und einem zweiten Hebel 19 gebildet. Der zweite Hebel 19 weist einen Zapfen 6 sowie die koaxial zu dem Zapfen 6 angeordnete Verzahnung 21 auf. Auf die Verzahnung 21 ist ein Planetenrad 10 aufgeschoben. Achsversetzt zu dem Zapfen 6 bzw. dem Planetenrad 10 trägt der zweite Hebelarm 19 den Lagerbolzen 13, welcher das Nadellager 14 trägt. Der Lagerbolzen 13 ist in eine am ersten Hebel 18 angeordnete Bohrung 20 einsetzbar. Der Lagerbolzen 13 kann nach Art einer Presspassung in der Bohrung 20 angeordnet sein, es kann auch eine weitere Passverzahnung vorgesehen sein. Achsversetzt zu der Bohrung 20 trägt der erste Hebel 18 den in der linken Kurbelscheibe 4 gelagerten Zapfen 6. Der erste und der zweite Hebel 18 und 19 halten zwischen sich das Nadellager 14, sodass darin angeordnete, einzelne Wälzkörper 22 nicht herausfallen können.
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In 2 sind der Hebelarm 7 und die Planetenräder 10 nicht geschnitten dargestellt. Man erkennt die Verzahnung 9, welche um einen Schrägungswinkel a schräg ausgeführt ist (Schrägverzahnung). Dabei ist die Ausrichtung der Verzahnung 9 an einem Hebelarm 7 entgegengesetzt ausgestaltet. Durch die Schrägverzahnung wird die Lagerung 14, 27 des Pleuels 2 axial fixiert. Axialkräfte heben sich gegenseitig auf.
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Weiterhin weist der Kurbeltrieb 1 Stirnräder 24 auf. Die Stirnräder 24 sowie die Kurbelscheiben 4 weisen außen eine miteinander im Eingriff befindliche Verzahnungen 25 auf. Die Stirnräder 24 sind auf einer Nebenwelle 26 angeordnet und verdrehfest mit dieser verbunden. Dadurch werden die Kurbelscheiben 4 stets synchron bewegt. Der Hebelarm 7 wird durch diese Ausgestaltung entlastet, da er keinen Torsionskräften ausgesetzt ist. Dies wirkt sich auch positiv auf die Lager 16, 14, 27 und 28 aus, da diese überwiegend radiale Kräfte aufnehmen müssen und weder Kippmomente noch axial wirkende Kräfte. An der Nebenwelle 26 können nicht dargestellte Ausgleichsmassen zum Massenausgleich vorgesehen sein.
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3 zeigt schematisch in einer Frontalansicht und in einer Drahtgestellansicht der in 1 bzw. 2 dargestellten Kurbeltriebe 1. Die Verzahnungen 9 und 11 des Planetenrads 10 bzw. des Ringrads 8 greifen an Teilkreisdurchmessern D1 und D2 ineinander. Der Teilkreisdurchmesser D1 des Ringrades 8 ist dabei doppelt so groß wie der Teilkreisdurchmesser D2 des Planetenrades 10. Dadurch dreht sich das Planetenrad 10 bei einer vollständigen Auf- und Abbewegung des Pleuels 2 zweimal um die eigene Achse (welche mit der Kurbelachse 15 zusammenfällt, siehe 2). Der Pleuel 2 wird dabei rein translatorisch von oben nach unten und zurück bewegt.
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Einen Bewegungsablauf des Kurbeltriebs 1 bei einer zweifachen Umdrehung des Planetenrades 10 ist in den 4a bis 4f dargestellt. Der Pleuel 2 wird bei einer Rotation des Hebelarmes 7 bzw. des Planetenrades 10 rein translatorisch bewegt. Der Hub des Pleuels entspricht dabei dem Teilkreisdurchmesser D1 des Ringrades 8 (siehe 3).
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5 zeigt schematisch eine teilweise geschnittene Ansicht eines Motors mit einem entsprechend der vorhergehenden Beschreibung ausgestalteten Kurbelwellentrieb 1. Der Motor weist um 180° zueinander angeordnete Kolben 29 auf. Die Kolben 29 sind translatorisch beweglich in einem Zylinder 30 angeordnet. Die Kolben 29 übertragen Kolbenkräfte auf einen Pleuel 2, welcher an einem Hebelarm (siehe 1 bis 4) drehbar gelagert ist. die Kolbenkräfte können direkt von dem einen auf den anderen Kolben 29 übertragen werden. Das erhöht den Wirkungsgrad des Motors. Gleichzeitig werden sowohl das Gewicht als auch der Raumbedarf des Motors gegenüber herkömmlichen Kurbeltrieben reduziert. An herkömmlichen Kurbelwellen wirken auf die Kolben auch seitliche Kräfte. Die Kolben 29 werden in dem gemäß 5 dargestellten Motor keinen seitlichen Belastungen ausgesetzt. Dadurch ist der Verschleiß zwischen den Kolben 29 und den Zylindern deutlich reduziert. Die Nebenwelle 26 ist um 90° versetzt zu den Zylindern 30 angeordnet. Der Kurbelwellentrieb 1 ist in einem Kurbelwellengehäuse 31 angeordnet, aus dem sich die Zylinder 30 erstrecken. Das Kurbelwellengehäuse 31 weist darüber hinaus Gehäuseabschnitte 32 auf, welche die Ringräder 8 festhalten und abstützen.
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Gleichwohl in der vorangegangenen Beschreibung einige mögliche Ausführungen der Erfindung offenbart wurden, versteht es sich, dass zahlreiche weitere Varianten von Ausführungen durch Kombinationsmöglichkeiten aller genannten und ferner aller dem Fachmann naheliegenden technischen Merkmale und Ausführungsformen existieren. Es versteht sich ferner, dass die Ausführungsbeispiele lediglich als Beispiele zu verstehen sind, die den Schutzbereich, die Anwendbarkeit und die Konfiguration in keiner Weise beschränken. Vielmehr möchte die vorangegangene Beschreibung dem Fachmann einen geeigneten Weg aufzeigen, um zumindest eine beispielhafte Ausführungsform zu realisieren. Es versteht sich, dass bei einer beispielhaften Ausführungsform zahlreiche Änderungen bezüglich Funktion und Anordnung der Elemente vorgenommen werden können, ohne den in den Ansprüchen offenbarten Schutzbereich und dessen Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kurbeltrieb
- 2
- Pleuel
- 3
- erste Kurbelwelle
- 4
- erste Kurbelscheibe
- 5
- Lagerbohrung
- 6
- Zapfen
- 7
- Hebelarm
- 8
- Ringrad
- 9
- Verzahnung
- 10
- Planetenräder
- 11
- Verzahnung
- 12
- Pleuelachse
- 13
- Lagerbolzen
- 14
- Nadellager
- 15
- Kurbelachse
- 16
- Wälzlager
- 17
- Passverzahnung
- 18
- erster Hebel
- 19
- zweiter Hebel
- 20
- Bohrung
- 21
- Verzahnung
- 22
- Wälzkörper
- 23
- Kurbelwellenachse
- 24
- Stirnräder
- 25
- Verzahnung
- 26
- Nebenwelle
- 27
- Gleitlager
- 28
- Gleitlager
- 29
- Kolben
- 30
- Zylinder
- 31
- Kurbelwellengehäuse
- 32
- Gehäuseabschnitt
- 33
- zweite Kurbelwelle
- 34
- zweite Kurbelscheibe
- a
- Schrägungswinkel
- D1
- Teilkreisdurchmesser am Ringrad
- D2
- Teilkreisdurchmesser am Planetenrad
- D3
- Außendurchmesser des Ringrades
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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