DE102017008201B4

DE102017008201B4 - Planetengetriebe mit exzentrisch bezüglich eigener Symmetrieachse gelagerten Zahnrädern für eine Doppelkurbel

Info

Publication number: DE102017008201B4
Application number: DE102017008201.4A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-08-30
Filing date: 2017-08-30
Publication date: 2021-06-24
Anticipated expiration: 2037-08-31
Also published as: DE102017008201A1

Abstract

Planetengetriebe mit exzentrisch bezüglich eigener Symmetrieachse gelagerten Zahnrädern 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 unharmonischen Schwingungen zugefügt werden, wodurch der Kolben in Umgebung zum oberen Totpunkt des Motors schneller beschleunigt wird, weshalb eine kürzere Einwirkung des hohen Drucks und der hohen Temperatur auf die Luft in den Verbrennungskammern des Motors erfolgt und die Bildung der Stickstoffoxide reduziert wird. Das Planetengetriebe mit exzentrisch bezüglich eigener Symmetrieachse gelagerten Zahnrädern für eine Doppelkurbel wird folgendermaßen zusammengebaut:- in einem um die Achse (O) rotierenden Rahmen (Ra) im Abstand (r) zur Achse (O) ein Zahnrad (D) gelagert ist, der Hebel (r) bildet die Innenkurbel der Doppelkurbel;- im Abstand (rz) zur Drehachse (OD) des Zahnrades (D) auf dessen Seitenfläche ein Zapfen (Z) für ein Pleuellager befestigt ist, der Hebel (rz) bildet die Außenkurbel der Doppelkurbel;- ein Kolben über ein Pleuel mit zwei Pleuellagern, mit dem Zapfen (Z) verbunden ist, wobei im oberen Pleuellager der Kolben mit einem Kolbenbolzen und der Zapfen (Z) im unteren Pleuellager gelagert ist;- das Zahnrad (D) wird zur Rotation mithilfe des Planetenzahnrades (C) gebracht, das im selben rotierenden Rahmen (Ra) gelagert ist und eine doppelte Zähnezahl des Zahnrades (D) hat;- das Planetenzahnrad (C) in seiner Drehachse (OA) mit einem Brennpunkt des ellipsenförmigen Planetenzahnrades (A) mittels einer Welle drehfest verbunden ist;- das Ellipse-Planetenzahnrad (A) rollt ein baugleiches Ellipse-Ritzel (Ri) ab, das am Gehäuse des Getriebes befestigt ist, wobei in einem der Brennpunkte des Ellipse-Ritzels (Ri) die Achse (O) des rotierenden Rahmens (Ra) angebracht ist;- die Summe des Ellipse-Radius (r1) des Ritzels (Ri) und des Ellipse-Radius (rz) des Ellipse-Planetenzahnrades (A) bleibt konstant und bestimmt den Abstand (r1+ r2) der Drehachse (OA) des Planetenzahnrades (C) zur Drehachse (O) des Rahmens (Ra);- das oszillierende Übersetzungsverhältnis der zwei Ellipse-Radius (r1:r2) bestimmt die unharmonischen Schwingungen des Zapfens (Z), wodurch der Kolben in Umgebung zum oberen Totpunkt des Motors schneller, als bei einem Getriebe mit kreisförmigen Planetenzahnrädern mit der Exzentrizität ε = 0 und einer hervorgehenden harmonischen Hubbewegung des Kolbens, beschleunigt wird, wobei je höher die Exzentrizität (ε) des Ellipse-Planetenzahnrades (A) und des Ellipse-Ritzels (Ri), desto kürzer verweilt der Kolben in Umgebung des oberen Totpunktes des Motors.

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 der 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 der Stickstoffoxide einzudämmen wird bei manchen Motoren ein Teil des Abgases der eingesaugten frischen Luft beigemischt. Durch diese Abgasrückführung wird in Verbrennungskammern des Motors der Sauerstoffgehalt reduziert und somit die Bildung der Stickstoffoxide gemindert. Die natürliche Einschränkung dieser Maßnahme ist offensichtlich, weil der Sauerstoff eigentlich für das Verbrennen von Kraftstoff benötigt wird. Die Bildung der Stickstoffoxide kann zusätzlich reduziert werden auch durch die Verkürzung der Zeit der Einwirkung auf die Luft der 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.
Die Hubbewegung des Kolbens wird üblicherweise mithilfe einer Kurbel in die Rotation der Motorwelle umgewandelt, wobei der Kolben mittels eines Pleuels mit dem Kurbelzapfen verbunden ist. Außer einer direkten Verbindung des Kolbens mittels eines Pleuels mit dem Kurbelzapfen sind in der Patentliteratur verschiedener Art Getrieben für diese Umwandlung beschrieben:

- US 2006 / 0 053 964 A1 ;
- WO 2007/ 019 645 A1 ;
- DE 86 24 014 U1 .

In der Patentschrift US 2006 / 0 053 964 A1 wird der untere Pleuellager (10) auf einem exzentrischen Zapfen (30) gelagert der zur Rotation mithilfe der zwei Zahnräder (26, 27) gebracht wird, wobei die kreisförmigen Zahnräder (26, 27) um die eigenen Symmetrieachsen (sprich, um ihre eigenen Kreiszentrums) rotieren. In den Patentschriften WO 2007 / 019 645 A1 , DE 86 24 014 U1 rotieren die eingesetzten kreisförmigen Zahnräder wiederum um ihre eigenen Symmetrieachsen. Alternativ besteht die Möglichkeit für die Umwandlung der Hubbewegung des Kolbens in die Rotation der Motorwelle eine Doppelkurbel anzuwenden. Einige Beispiele für die Ausführung einer Doppelkurbel sind in folgenden Schriften des Deutschen Patentamtes beschrieben:

In der Schrift DE 10 2009 038 061 B4 wird auch betont, dass mittels einer Doppelkurbel vollkommen harmonische lineare Schwingungen des Kolbens erzielt werden können. Bei allen genannten Getrieben für die Doppelkurbel werden kreisförmige Zahnräder eingesetzt, deren Exzentrizität ε=0 beträgt, die um ihre eigenen Symmetrieachsen (sprich, um die eigenen Kreiszentrums) rotieren. Diese Anmeldung befasst sich mit einem Planetengetriebe für die Doppelkurbel dessen Zahnräder exzentrisch bezüglich eigener Symmetrieachse gelagert sind.
Die Ausführung einer Doppelkurbel verlangt die Rotation der beiden Kurbeln mittels eines Getriebes miteinander zu verknüpfen. In der Schrift DE 10 2009 038 061 B4 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 DE 10 2015 002 385 A1 ist ein Planetengetriebe mit 3 Planetenzahnrädern dargestellt. Für die kleineren Drehmomente können Getrieben mit 2 bzw. 1 Planetenzahnrädern angewendet werden. Dies beschreibt im Kurzen den Stand der Technik.
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 (O_A ) 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 des Zahnrades (C) ist mit (c) markiert. Am zweiten Ende des Rahmens (Ra) im Punkt (O_D ) ist das Zahnrad (D) gelagert, das von dem Zahnrad (C) angetrieben wird. Der Teilradius des Zahnrades (D) ist mit (d) markiert. Der Hebel (O - O_D ) bildet die Innenkurbel der Doppelkurbel und ist mit (r) markiert, somit ist die Innenkurbel (r) ein Abschnitt des Rahmens (Ra) und rotiert mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie die Motorwelle.
Das Zahnrad (D) hat eine halbe Größe von Zahnrad (C), somit auf die eine Umdrehung des Zahnrades (C) bezüglich des Rahmens (Ra) erfolgen zwei Umdrehungen des Zahnrades (D) in die Gegenrichtung. Bezüglich des unbeweglichen Motorgehäuses 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 (O_D-Z) bildet die Außenkurbel der Doppelkurbel und ist mit (r_z ) markiert, somit rotiert die Außenkurbel (r_z ) in die Gegenrichtung zur Motorwelle mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit.
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 (r_z ) 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.
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 des Ritzels (Ri) dem rotierenden exzentrischen Planetenzahnrad (A) 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 Planetengetriebe mit exzentrisch bezüglich eigener Symmetrieachse gelagerten Zahnrädern für die Doppelkurbel mit den gleichen Ellipse-Zahnrädern (A) und (Ri) in einem Winkel-Schritt α = π/5 = 36° des rotierenden Rahmens (Ra) gezeichnet. Die große Halbachse des Ellipse-Zahnrades (A) ist mit (a) und die kleine Halbachse mit (b) markiert. Der Koordinatenursprung (O) bzw. die Motorwelle befindet sich in einem Brennpunt des Ellipse-Ritzels (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 des Ellipse-Ritzels (Ri) genannt und ist mit (r₁ ) markiert. Der Abstand von Brennpunkt (O_A ) des Ellipse-Zahnrades (A) zum Kontakt mit dem Ellipse-Ritzel (Ri) wird als laufender Radius des Ellipse-Zahnrades (A) genannt und ist mit (r2) markiert. Die Summe der laufenden Radius (r₁ ) und (r_z ) 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.
Das Übersetzungsverhältnis der Zahnräder (C) und (D) auf den bis ist dem Übersetzungsverhältnis auf den gleich. Der Hebel (O - O_D ) bildet die Innenkurbel der Doppelkurbel und ist mit (r) markiert. Der Hebel (O_D-Z) bildet die Außenkurbel der Doppelkurbel und ist mit (r_z ) 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.
Im Diagramm auf der ist die x-Komponente der zweidimensionalen Schwingungen des Zapfens (Z) bezüglich des Drehwinkel (a) 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.
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.
Vom Diagramm auf der ist abzulesen, dass, bei der Anwendung eines Planetengetriebes mit exzentrisch bezüglich eigener Symmetrieachse gelagerten Zahnrädern für die Doppelkurbel, der Kolben sich in der Umgebung zum Oberen Totpunkt des Motors kürzer aufhält als bei dem herkömmlichen Planetengetriebe für die Doppelkurbel von den . Mit der Steigung der Exzentrizität (ε) fällt der Druck in der Verbrennungskammer des Motors schneller. Durch die kürzere Einwirkung auf die Luft der hohen Druck und Temperatur wird die Bildung der Stickstoffoxide in Verbrennungskammern des Motors reduziert, was dem Vorhaben aus dem Absatz [0001] entspricht.

Claims

Planetengetriebe mit exzentrisch bezüglich eigener Symmetrieachse gelagerten Zahnrädern 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 unharmonischen Schwingungen zugefügt werden, wodurch der Kolben in Umgebung zum oberen Totpunkt des Motors schneller beschleunigt wird, weshalb eine kürzere Einwirkung des hohen Drucks und der hohen Temperatur auf die Luft in den Verbrennungskammern des Motors erfolgt und die Bildung der Stickstoffoxide reduziert wird. Das Planetengetriebe mit exzentrisch bezüglich eigener Symmetrieachse gelagerten Zahnrädern für eine Doppelkurbel wird folgendermaßen zusammengebaut: - in einem um die Achse (O) rotierenden Rahmen (Ra) im Abstand (r) zur Achse (O) ein Zahnrad (D) gelagert ist, der Hebel (r) bildet die Innenkurbel der Doppelkurbel; - im Abstand (r_z) zur Drehachse (O_D) des Zahnrades (D) auf dessen Seitenfläche ein Zapfen (Z) für ein Pleuellager befestigt ist, der Hebel (r_z) bildet die Außenkurbel der Doppelkurbel; - ein Kolben über ein Pleuel mit zwei Pleuellagern, mit dem Zapfen (Z) verbunden ist, wobei im oberen Pleuellager der Kolben mit einem Kolbenbolzen und der Zapfen (Z) im unteren Pleuellager gelagert ist; - das Zahnrad (D) wird zur Rotation mithilfe des Planetenzahnrades (C) gebracht, das im selben rotierenden Rahmen (Ra) gelagert ist und eine doppelte Zähnezahl des Zahnrades (D) hat; - das Planetenzahnrad (C) in seiner Drehachse (O_A) mit einem Brennpunkt des ellipsenförmigen Planetenzahnrades (A) mittels einer Welle drehfest verbunden ist; - das Ellipse-Planetenzahnrad (A) rollt ein baugleiches Ellipse-Ritzel (Ri) ab, das am Gehäuse des Getriebes befestigt ist, wobei in einem der Brennpunkte des Ellipse-Ritzels (Ri) die Achse (O) des rotierenden Rahmens (Ra) angebracht ist; - die Summe des Ellipse-Radius (r₁) des Ritzels (Ri) und des Ellipse-Radius (r_z) des Ellipse-Planetenzahnrades (A) bleibt konstant und bestimmt den Abstand (r₁ + r₂) der Drehachse (O_A) des Planetenzahnrades (C) zur Drehachse (O) des Rahmens (Ra); - das oszillierende Übersetzungsverhältnis der zwei Ellipse-Radius (r₁:r₂) bestimmt die unharmonischen Schwingungen des Zapfens (Z), wodurch der Kolben in Umgebung zum oberen Totpunkt des Motors schneller, als bei einem Getriebe mit kreisförmigen Planetenzahnrädern mit der Exzentrizität ε = 0 und einer hervorgehenden harmonischen Hubbewegung des Kolbens, beschleunigt wird, wobei je höher die Exzentrizität (ε) des Ellipse-Planetenzahnrades (A) und des Ellipse-Ritzels (Ri), desto kürzer verweilt der Kolben in Umgebung des oberen Totpunktes des Motors.