DE102017008201A1 - Eccentric planetary gear for a double crank - Google Patents

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Abstract

Ein exzentrisches Planetengetriebe für die Doppelkurbel wird dadurch gebildet, dass beim herkömmlichen Planetengetriebe die Planetenzahnräder durch die exzentrischen Zahnräder ersetzt werden womit bei der gleichmäßigen Rotation der Innenkurbel der Rotation der Außenkurbel die unharmonische Schwingungen zugefügt werden.Bei der Anwendung eines exzentrischen Planetengetriebes für die Doppelkurbel der Kolben sich in der Umgebung zum Oberen Totpunkt des Motors kürzer aufhält als bei dem herkömmlichen Planetengetriebe für die Doppelkurbel. Mit der Steigung der Exzentrizität fällt der Druck in der Verbrennungskammer des Motors schneller. Durch die kürzere Einwirkung auf die Luft von hohen Druck und Temperatur wird die Bildung von Stickstoffoxiden in Verbrennungskammern des Motors reduziert.An eccentric planetary gear for the double crank is formed by replacing the planetary gears in the conventional planetary gear by the eccentric gears, which in the uniform rotation of the inner crank of the rotation of the outer crank the inharmonic vibrations are added. When using an eccentric planetary gear for the double crank of the piston is shorter in the environment to the top dead center of the engine than in the conventional planetary gear for the double crank. With the slope of the eccentricity of the pressure in the combustion chamber of the engine falls faster. The shorter exposure to high pressure and temperature air reduces the formation of nitrogen oxides in engine combustion chambers.

Description

Nicht ohne Hilfe mancher Auto-Manager ist der bewährte Diesel-Motor wegen seinen Abgas-Werten in den Verruf geraten. Bestimmt werden die Abgasnachbehandlungs Einrichtungen weiterentwickelt um die strengeren Normen für den Schadstoffgehalt im Abgas von Diesel-Motoren einzuhalten. Diese Abgas-Nachbehandlung fällt leichter und billiger aus wenn der Motor selber weniger Stickstoffoxide produziert. Seinen vergleichsweise zum OttoMotor höheren Wirkungsgrad erzeugt der Diesel-Motor durch einen höheren Komprimierungsgrad und entsprechend höheren Druck und Temperatur in den Verbrennungskammern seiner Zylinder. Unter diesen Bedienungen treten die Luftbestandteile der Stickstoff und der Sauerstoff miteinander in Verbindung: Es werden die Stickstoffoxide gebildet. Um die Bildung von Stickstoffoxiden einzudämmen wird bei manchen Motoren ein Teil von Abgas der eingesaugten frischen Luft beigemischt. Durch diese Abgasrückführung wird in Verbrennungskammern des Motors der Sauerstoffgehalt reduziert und somit die Bildung von Stickstoffoxiden gemindert. Die natürliche Einschränkung dieser Maßnahme ist offensichtlich, weil der Sauerstoff eigentlich für das Verbrennen von Kraftstoff benötigt wird. Die Bildung von Stickstoffoxiden kann zusätzlich reduziert werden auch durch die Verkürzung der Zeit der Einwirkung auf die Luft von höheren Druck und Temperatur in den Verbrennungskammern des Motors. Das heißt, der Kolben muss den Oberen Totpunkt (OT) des Motors möglichst schnell verlassen. Dies soll bedeuten dass der Kolben in der Umgebung zum OT schneller beschleunigt werden soll als in der Umgebung zum Unteren Totpunkt (UT). Anders ausgedrückt, die Hubbewegung des Kolbens muss unharmonisch bzw. asymmetrisch geordnet sein.Not without the help of some car managers, the proven diesel engine has fallen into disrepute because of its exhaust emissions. The exhaust aftertreatment equipment will undoubtedly be further developed to meet the stricter exhaust emission standards of diesel engines. This exhaust aftertreatment is easier and cheaper if the engine itself produces less nitrogen oxides. Its higher efficiency compared to the Otto engine, the diesel engine produced by a higher degree of compression and correspondingly higher pressure and temperature in the combustion chambers of its cylinders. Under these conditions, the air components of nitrogen and oxygen communicate with each other: nitrogen oxides are formed. In order to curb the formation of nitrogen oxides, in some engines, a portion of exhaust gas is added to the intake fresh air. This exhaust gas recirculation reduces the oxygen content in combustion chambers of the engine and thus reduces the formation of nitrogen oxides. The natural limitation of this measure is obvious because the oxygen is actually needed for the burning of fuel. The formation of nitrogen oxides can be additionally reduced also by the shortening of the time of exposure to the air of higher pressure and temperature in the combustion chambers of the engine. This means that the piston must leave the engine's top dead center (TDC) as quickly as possible. This means that the piston should be accelerated faster in the environment to the TDC than in the environment to the bottom dead center (UT). In other words, the stroke movement of the piston must be arranged inharmonically or asymmetrically.

Die Hubbewegung des Kolbens wird üblicherweise mithilfe einer Kurbel in die Rotation der Motorwelle umgewandelt. Alternativ besteht die Möglichkeit eine Doppelkurbel anzuwenden. Einige Beispiele für die Ausführung einer Doppelkurbel sind in folgenden Schriften des Deutschen Patentamtes beschrieben:

  • (S1) DE 842 292 B
  • (S2) DE 10 2005 047 634 A1
  • (S3) DE 10 2009 038 061 B
  • (S4) DE 10 2015 002 385 A1
In der Schrift (S3) wird auch betont, dass mittels einer Doppelkurbel vollkommen harmonische lineare Schwingungen des Kolbens erzielt werden können.The stroke movement of the piston is usually converted by means of a crank in the rotation of the motor shaft. Alternatively it is possible to use a double crank. Some examples of the execution of a double crank are described in the following documents of the German Patent Office:
  • (S1) DE 842 292 B
  • (S2) DE 10 2005 047 634 A1
  • (S3) DE 10 2009 038 061 B
  • (S4) DE 10 2015 002 385 A1
In Scripture ( S3 ) also emphasizes that by means of a double crank perfectly harmonious linear oscillations of the piston can be achieved.

Die Ausführung einer Doppelkurbel verlangt die Rotation der beiden Kurbeln mittels eines Getriebes miteinander zu verknüpfen. In der Schrift (S3) sind Planetengetrieben mit 4 bzw. 6 Planetenzahnrädern dargestellt. Diese Getrieben können größere Drehmomente übertragen weil die Kraft auf mehrere Zahnräder verteilt wird. In der Schrift (S4) ist ein Planetengetriebe mit 3 Planetenzahnrädern dargestellt. Für die kleineren Drehmomente können Getrieben mit 2 bzw. 1 Planetenzahnrädern angewendet werden.The execution of a double crank requires the rotation of the two cranks to be linked together by means of a gearbox. In Scripture ( S3 ) are planetary gears with 4 respectively. 6 Planet gears presented. These transmissions can transmit larger torques because the force is distributed to several gears. In Scripture ( S4 ) is a planetary gear with 3 Planet gears presented. For the smaller torques can transmissions with 2 respectively. 1 Planetary gears are applied.

Dies beschreibt im Kurzen den Stand der Technik.This briefly describes the state of the art.

Auf der ist ein Beispiel für das Planetengetriebe für eine Doppelkurbel mit einem Planetenzahnrad dargestellt. Die Motorwelle befindet sich im Koordinatenursprung im Punkt (O). Der Rahmen (Ra) ist an der Motorwelle befestigt und somit ebenfalls um den Punkt (O) rotiert. Im Punkt (OA ) des Rahmens (Ra) ist das Planetenzahnrad (A) gelagert, das eines am Motorgehäuse befestigtes Zahnrad (auch Ritzel genannt) (Ri) umläuft. Das Zahnrad (A) und Ritzel (Ri) befinden sich hinten dem Rahmen (Ra) und sind als punktierte Kreise gezeichnet. Einfachheit halber sind das Zahnrad (A) und Ritzel (Ri) der gleichen Größe gewählt, der Teilradius der beiden ist mit (a) markiert. Vor dem Rahmen (Ra) befindet sich das Zahnrad (C), das mittels einer Achse mit dem Zahnrad (A) fest verbunden ist. Der Teilradius von Zahnrad (C) ist mit (c) markiert. Am zweiten Ende des Rahmens (Ra) im Punkt (OD ) ist das Zahnrad (D) gelagert, das von dem Zahnrad (C) angetrieben wird. Der Teilradius von Zahnrad (D) ist mit (d) markiert. Der Hebel (O - OD ) bildet die Innenkurbel der Doppelkurbel und ist mit (r) markiert, somit ist die Innenkurbel (r) ein Abschnitt vom Rahmen (Ra) und rotiert mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit als die Motorwelle.On the an example of the planetary gear for a double crank is shown with a planetary gear. The motor shaft is located in the coordinate origin at point ( O ). The frame ( Ra ) is attached to the motor shaft and thus also around the point ( O ) rotates. In the point ( O A ) of the frame ( Ra ) is the planetary gear ( A ) mounted on the motor housing fixed gear (also called pinion) ( Ri ) rotates. The gear ( A ) and pinion ( Ri ) are located behind the frame ( Ra ) and are drawn as dotted circles. For simplicity, the gear ( A ) and pinion ( Ri ) of the same size, the partial radius of the two is ( a ). In front of the frame ( Ra ) is the gear ( C ), which by means of an axis with the gear ( A ) is firmly connected. The partial radius of gear ( C ) is with ( c ). At the second end of the frame ( Ra ) in the point ( O D ) is the gear ( D ) stored by the gear ( C ) is driven. The partial radius of gear ( D ) is with ( d ). The lever ( O - O D ) the inner crank forms the Doppelkurbel and is with ( r ), so the inner crank ( r ) a section of the frame ( Ra ) and rotates at the same angular velocity as the motor shaft.

Das Zahnrad (D) hat eine halbe Größe von Zahnrad (C), somit auf die eine Umdrehung des Zahnrades (C) bezüglich des Rahmen (Ra) erfolgen zwei Umdrehungen des Zahnrades (D) in die Gegenrichtung. Bezüglich des unbeweglichen Motorgehäuse erfolgt auf die eine Umdrehung des Rahmens (Ra) eine Umdrehung des Zahnrades (D) in die Gegenrichtung. Am Zahnrad (D) ist ein Zapfen (Z) befestigt, der für das Bewegen des Pleuels bestimmt ist. Der Hebel (OD -Z) bildet die Außenkurbel der Doppelkurbel und ist mit (rZ ) markiert, somit rotiert die Außenkurbel (rZ ) in die Gegenrichtung zur Motorwelle mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit.The gear ( D ) has a half size of gear ( C ), thus to the one revolution of the gear ( C ) concerning the framework ( Ra ) take place two revolutions of the gear (D) in the opposite direction. With respect to the immovable motor housing takes place on the one revolution of the frame ( Ra ) one turn of the gear ( D ) in the opposite direction. On the gear ( D ) is a pin ( Z ), which is intended for moving the connecting rod. The lever ( O D - Z ) the outer crank forms the double crank and is with ( r Z ), so the outer crank ( r Z ) in the opposite direction to the motor shaft at the same angular velocity.

Auf der ist das Planetengetriebe für eine Doppelkurbel gezeichnet als sich der Rahmen (Ra) um einen Winkel α = π/5 = 36° gedreht hat. Falls die Außenkurbel (rZ ) mit der Innenkurbel (r) der gleichen Größe ist, erfolgen auf die Rotation der Motorwelle die linearen harmonischen Schwingungen des Zapfens (Z) entlang der Koordinatenachse (x). Diese Schwingungen des Zapfens (Z) bezüglich des Drehwinkel (α) der Motorwelle sind im Diagramm auf der mit der punktierten Linie (ε=0) gezeigt.On the is the planetary gear for a double crank drawn as the frame ( Ra ) has rotated through an angle α = π / 5 = 36 °. If the outer crank ( r Z ) with the inner crank ( r ) is of the same size, the linear harmonic oscillations of the pin take place on the rotation of the motor shaft ( Z ) along the coordinate axis ( x ). These oscillations of the pin ( Z ) with respect to the angle of rotation ( α ) of the motor shaft are in the diagram on the shown with the dotted line (ε = 0).

Für den Zweck unharmonische bzw. asymmetrische Schwingungen des Zapfens (Z) zu erzeugen wird hier vorgeschlagen das Planetenzahnrad (A) auf den durch ein exzentrisches Zahnrad zu ersetzen. Dementsprechend soll das Außenprofil von Ritzel (Ri) dem rotierenden exzentrischen Planetenzahnrad angepasst sein. Am Einfachsten bietet sich die Lösung an, dass das Zahnrad (A) und Ritzel (Ri) das gleiche Außenprofil einer Ellipse haben. Auf den Abbildungen von 1a bis 1f ist das exzentrische Planetengetriebe für die Doppelkurbel mit den gleichen Ellipse-Zahnrädern (A) und (Ri) in einem Winkel-Schritt α = π/5 = 36° des rotierenden Rahmen (Ra) gezeichnet. Die große Halbachse von Ellipse-Zahnrad (A) ist mit (a) und die kleine Halbachse mit (b) markiert. Der Koordinatenursprung (O) bzw. die Motorwelle befindet sich in einem Brennpunt von Ellipse-Ritzel (Ri). Das Ellipse-Planetenzahnrad (A) rotiert ebenfalls um einen seinen Brennpunkt. Der Abstand von Brennpunkt (O) des Ellipse-Ritzels (Ri) zum Kontakt mit dem Ellipse-Zahnrad (A) wird als laufender Radius von Ellipse-Ritzel (Ri) genannt und ist mit (r1 ) markiert. Der Abstand von Brennpunkt (OA ) des Ellipse-Zahnrades (A) zum Kontakt mit dem Ellipse-Ritzel (Ri) wird als laufender Radius von Ellipse-Zahnrad (A) genannt und ist mit (r2 ) markiert. Die Summe der laufenden Radius (r1 ) und (r2 ) bleibt während der Rotation des Rahmens (Ra) konstant: r1 + r2 = 2a. Im Rahmen (Ra) sind die Zahnräder (C) und (D) gelagert, die ohne Änderung von den übernommen sind. Das Zahnrad (C) und das Ellipse-Zahnrad (A) sind mittels einer Achse miteinander fest verbunden. For the purpose of inharmonic or asymmetric oscillations of the pin ( Z ) to produce here is proposed the planetary gear ( A ) on the to replace with an eccentric gear. Accordingly, the outer profile of pinion ( Ri ) be adapted to the rotating eccentric planetary gear. The easiest way to solve the problem is that the gear ( A ) and pinion ( Ri ) have the same outer profile of an ellipse. 1a to 1f, the eccentric planetary gear for the double crank with the same ellipse gears ( A ) and ( Ri ) at an angle step α = π / 5 = 36 ° of the rotating frame ( Ra ) drawn. The semi-major axis of ellipse gear ( A ) is with (a) and the small half-axis with ( b ). The origin of coordinates ( O ) or the motor shaft is located in a Brennpunt of ellipse pinion ( Ri ). The ellipse planetary gear ( A ) also rotates around its focal point. The distance from focal point ( O ) of the ellipse pinion ( Ri ) for contact with the ellipse gear (A) is called the running radius of Ellipse pinion ( Ri ) and is with ( r 1 ). The distance from focal point ( O A ) of the ellipse gear ( A ) for contact with the ellipse pinion (Ri) is called the running radius of Ellipse gear ( A ) and is with ( r 2 ). The sum of the current radius ( r 1 ) and ( r 2 ) remains during rotation of the frame ( Ra ) constant: r 1 + r 2 = 2a. As part of ( Ra ) are the gears ( C ) and ( D ) stored without modification of the are taken over. The gear ( C ) and the ellipse gear ( A ) are firmly connected to each other by means of an axle.

Das Verhältnis von Zahnräder (C) und (D) auf den bis ist dem Verhältnis auf den gleich. Der Hebel (O - OD ) bildet die Innenkurbel der Doppelkurbel und ist mit (r) markiert. Der Hebel (OD -Z) bildet die Außenkurbel der Doppelkurbel und ist mit (rZ ) markiert. Der Zapfen (Z) ist am Zahnrad (D) befestigt, und ist für das Bewegen des Pleuels bestimmt. Das exzentrische Planetenzahnrad (A) bringt Schwingungen in die Rotation des Zahnrades (D) ein, wodurch unharmonische zweidimensionale Schwingungen des Zapfens (Z) entstehen. Die Abweichung dieser Schwingungen von harmonischen Schwingungen ist durch die Größe der Exzentrizität (ε) der Ellipse bestimmt.The ratio of gears ( C ) and ( D ) on the to is the relationship to the equal. The lever ( O - O D ) the inner crank forms the Doppelkurbel and is with ( r ). The lever ( O D - Z ) the outer crank forms the double crank and is with ( r Z ). The pin ( Z ) is on the gear ( D ), and is intended for moving the connecting rod. The eccentric planetary gear ( A ) brings vibrations into the rotation of the gear ( D ), whereby inharmonious two-dimensional oscillations of the pin ( Z ) arise. The deviation of these vibrations from harmonic oscillations is determined by the magnitude of the eccentricity ( ε ) of the ellipse.

Im Diagramm auf der ist die x-Komponente von zweidimensionalen Schwingungen des Zapfens (Z) bezüglich des Drehwinkel (α) der Motorwelle gezeichnet. Die Kurven zeigen die Schwingungen des Zapfens (Z) zwischen dem Oberen (OT) und Unteren (UT) Totpunkt des Motors bei verschiedener Exzentrizität (ε) des Ellipse-Planetenzahnrades (A). Die Exzentrizität ε = 0 entspricht dem Kreis, die Kurve mit (ε = 0) zeigt die harmonischen Schwingungen des Zapfens (Z) entlang der Achse (x) des ursprünglichen Planetengetriebes von den . Die Kurve mit (ε = 0,4) ist im Diagramm auf der mit den runden schwarzen Punkten markiert. Mit der Exzentrizität ε = 0,4 sind die bis gezeichnet.In the diagram on the is the x-component of two-dimensional oscillations of the pin ( Z ) with respect to the angle of rotation ( α ) of the motor shaft drawn. The curves show the oscillations of the pin ( Z ) between the upper ( OT ) and lower (UT) dead center of the engine at different eccentricity ( ε ) of the ellipse planetary gear ( A ). The eccentricity ε = 0 corresponds to the circle, the curve with (ε = 0) shows the harmonic oscillations of the pin ( Z ) along the axis ( x ) of the original planetary gear of the , The curve with (ε = 0.4) is in the diagram on the marked with the round black dots. With the eccentricity ε = 0.4 are the to drawn.

Auf der sind die zweidimensionalen Schwingungen des Zapfens (Z) während der Rotation der Motorwelle gezeichnet. Die zweidimensionalen Laufbahnen des Zapfens (Z) ähneln einer Ziffer 8. Der Markierungstyp der Kurven und dessen Punkte auf der sind dem Markierungstyp auf der gleich. Die Kurve mit (ε = 0) ist auf der nicht gezeigt, weil sie mit der Achse (x) zusammenfällt.On the are the two-dimensional vibrations of the pin ( Z ) drawn during the rotation of the motor shaft. The two-dimensional tracks of the pin ( Z ) are similar to a number 8th , The marker type of the curves and their points on the are the marker type on the equal. The curve with (ε = 0) is on the not shown because with the axis ( x ) coincides.

Vom Diagramm auf der ist abzulesen, dass bei der Anwendung eines exzentrischen Planetengetriebes für die Doppelkurbel der Kolben sich in der Umgebung zum Oberen Totpunkt des Motors kürzer aufhält als bei dem herkömmlichen Planetengetriebe für die Doppelkurbel. Mit der Steigung der Exzentrizität fällt der Druck in der Verbrennungskammer des Motors schneller. Durch die kürzere Einwirkung auf die Luft von hohen Druck und Temperatur wird die Bildung von Stickstoffoxiden in Verbrennungskammern des Motors reduziert, was dem Vorhaben aus dem Absatz [0001] entspricht.From the diagram on the can be read that when using an eccentric planetary gear for the double crank the piston is shorter in the environment to the top dead center of the engine than in the conventional planetary gear for the double crank. With the slope of the eccentricity of the pressure in the combustion chamber of the engine falls faster. The shorter exposure to high pressure and temperature air reduces the formation of nitrogen oxides in combustion chambers of the engine, which corresponds to the project from paragraph [0001].

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 842292 B [0002]DE 842292 B [0002]
  • DE 102005047634 A1 [0002]DE 102005047634 A1 [0002]
  • DE 102009038061 B [0002]DE 102009038061 B [0002]
  • DE 102015002385 A1 [0002]DE 102015002385 A1 [0002]

Claims (1)

Exzentrisches Planetengetriebe für eine Doppelkurbel das mindestens ein exzentrisches Planetenzahnrad enthält dies ein am Gehäuse befestigtes Ritzel abrollt, womit bei der gleichmäßigen Rotation der Innenkurbel der Rotation der Außenkurbel die unharmonische Schwingungen zugefügt werden, wodurch der Kolben in Umgebung zum Oberen Totpunkt des Motors schneller beschleunigt wird, womit wegen kürzeren Einwirkung auf die Luft von hohen Druck und Temperatur in den Verbrennungskammern des Motors die Bildung von Stickstoffoxiden reduziert wird.Eccentric planetary gear for a double crank that contains at least one eccentric planetary gear that unrolls a pinion fixed to the housing, whereby with the smooth rotation of the inner crank of the rotation of the outer crank the inharmonic vibrations are added, whereby the piston is accelerated faster in environment to top dead center of the engine, thus reducing the formation of nitrogen oxides due to shorter exposure to high pressure and temperature air in the combustion chambers of the engine.
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