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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Schubkurbelsystem mit einer mindestens einen Hubzapfen aufweisenden
Hauptwelle, einem mit dem Hubzapfen in Wirkverbindung stehenden
Exzenter und einem mit dem Exzenter in Wirkverbindung stehenden Ring,
wobei der Ring mindestens mit einem in Richtung der z-Achse der
Hauptwelle nach außen
gerichteten Kolben in Wirkverbindung steht.
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Es ist bereits ein Schubkurbelsystem
mit einem oder mehreren kraftschlüssig auf der Hauptwelle angeordneten
Primärexzentern,
deren Dreh- und Schwereachsen im Abstand E
Hy2 parallel
zur z-Achse der
Hauptwelle verlaufen aus der
DE 27 20 284 C3 bekannt. Auf dem Primärexzenter
ist mittels eines Lagers ein Trägerrohr
gelagert, das kraftschlüssig
ein oder mehrere Sekundärexzenter
trägt,
deren Dreh- und Schwereachsen parallel zur z-Achse der Hauptwelle
verlaufen. Der Abstand der Sekundärexzenter von der z-Achse der
Hauptwelle beträgt
maximal 2 × E
Hy2 und die Achse des Sekundärexzenters
verläuft durch
das resultierende Massezentrum M3. Um den Sekundärzylinder ist ein Ringlager
mit Drehachse durch das Massezentrum drehbar angeordnet, wobei das
Ringlager kraftschlüssig
die Schubstange mit dem Arbeitsglied trägt. Auf beiden Seiten der Hauptauswuchtebenen
sind entsprechende Gegenmassen angeordnet, deren resultierender
Gesamtschwerpunkt im resultierenden Massezentrum M2 liegt, das auf
der Hauptwelle mit einem Kreis mit dem Radius E
Hy2 um
das Massezentrum M1 rotiert, dem primäre, kraftschlüssig mit
der Hauptwelle verbundene Auswuchtmassen entgegengesetzt sind, sodass sich
ein resultierendes Gesamtmassezentrum M1 auf der z-Achse der Hauptwelle
ergibt. Ein Nachgetriebe ist so angeordnet, dass die Wirkungslinien
der Schwerpunkte seiner Bauelemente durch die Hauptauswuchtebene
verlaufen. Die Kraftübertragung
durch das Nachgetriebe ist sehr aufwendig und schwer.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Schubkurbelsystem leichter, kompakter und einfacher auszubilden
und anzuordnen.
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Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch,
dass der Hubzapfen über
ein außen
verzahntes Hubzapfenritzel mit dem Ring in Wirkverbindung steht
und der Kolben als linear bewegtes Bauteil am Ring befestigt ist.
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Hierdurch wird erreicht, dass der
Durchmesser des Rings identisch dem Hub ist und somit das Schubkurbelsystem
sehr kompakt ist und die Verzahnung zwischen dem Hubzapfenritzel
und dem Ring nur der Führung
und nicht dem Kraftfluss dient.
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Hierzu ist es vorteilhaft, dass der
Durchmesser des Hubzapfens kleiner oder nahezu gleich dem Durchmesser
der Hauptwelle ist und die Hauptwelle einen Hubradius aufweist.
Eine gekröpfte
Kurbelwelle lässt
kleinere Bauteilabmessungen zu und ist aufgrund zahlreicher Erfahrungsschätze einfacher
herzustellen.
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Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbildung,
dass der Sekundärexzenter
scheibenförmig
als Exzenterscheibe ausgebildet ist, wobei die Abmessungen der Exzenterscheibe
und des Hubzapfenritzels in axialer Richtung maximal der Breite des
Hubzapfens entsprechen. In der bevorzugten Ausbildung kommen zwei
Exzenterscheiben zum Einsatz, die gleitend auf dem Hubzapfen gelagert sind.
Die Exzenterscheiben weisen ein sehr günstiges Verhältnis von
Bauvolumen zu Belastbarkeit auf. Sie dienen der reinen Kraftübertragung.
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Ferner ist es vorteilhaft, dass der
Ring eine Innenverzahnung aufweist und als Innenverzahnungsring
ausgebildet ist. Das auf dem Hubzapfen fest angeordnete Hubzapfenritzel
kämmt mit
der Innenverzahnung des Innenverzahnungsrings. Damit wird die Zwangsführung gewährleistet.
Die Zwangsführung über das
Hubzapfenritzel und die Kraftübertragung über die
Exzenterscheibe sind baulich getrennt.
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Vorteilhaft ist es hierzu auch, dass
das Hubzapfenritzel und die Exzenterscheibe parallel zueinander
auf dem Hubzapfen der Hauptwelle angeordnet sind, wobei das Hubzapfenritzel
eine zentrische Lage und die Exzenterscheibe eine Exzentrizität aufweist.
Das Hubzapfenritzel ist wahlweise direkt auf den Hubzapfen bearbeitet
oder als separates Bauteil aufgeschrumpft oder auf andere Weise
form- oder kraftschlüssig
mit dem Hubzapfen verbunden. Die Trennung der Kraftübertragung
und der Zwangsführung
ist konstruktiv einfach gelöst.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Lösung ist
schließlich
vorgesehen, dass der Innenverzahnungsring neben der Innenverzahnung
mindestens eine innere Gleitlagerfläche für jede Exzenterscheibe aufweist,
auf der die Exzenterscheibe im Innenverzahnungsring gelagert ist.
Durch diese Anordnung ist der Kraftfluss vom Hubzapfen zum Innenverzahnungsring
sichergestellt. Die Umfangsgeschwindigkeiten in den Gleitlagern
sind nicht problematisch.
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von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende
Erfindung, dass der Teilkreisdurchmesser des Innenverzahnungsrings
den doppelten Wert des Teilkreisdurchmessers des Hubzapfenritzels
aufweist. Der Teilkreisdurchmesser stellt denjenigen Durchmesser
dar, auf dem die Zahnflanken aufeinander wälzen.
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Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung
und Anordnung ist es von Vorteil, dass der Teilkreisdurchmesser
des Innenverzahnungsrings den vierfachen Wert des Hubradius der Hauptwelle
beträgt
und der Hubradius der Hauptwelle identisch der Exzentrizität der Exzenterscheibe
ist. Die Exzenterscheibe und der Hubzapfen bilden einen Doppelexzenter.
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Vorteilhaft ist es hierzu, dass der
Gesamthub des Kolbens identisch dem Teilkreisdurchmesser des Innenverzahnungsrings
ist. Die Kraftübertragung vom
Hubzapfen auf den Innenverzahnungsring und auf den Kolben erfolgt
durch die Exzenterscheibe. Das Hubzapfenritzel und die Verzahnung
im Innenverzahnungsring dient der Zwangsführung für das Schubkurbelsystem.
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Außerdem ist es vorteilhaft,
dass der Fußkreisdurchmesser
des Innenverzahnungsrings maximal dem Lagerdurchmesser der Gleitlagerfläche des Innenverzahnungsrings
entspricht. Der Fußkreisdurchmesser
stellt denjenigen Durchmesser dar, der den Zahnfüßen zuzuordnen ist. Diese Konstruktion lässt sich
fertigungstechnisch besonders einfach herstellen und findet vornehmlich
Anwendung, wenn die Innenverzahnung und der Außenring einteilig ausgebildet
sind.
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Um die Komplexität des erfindungsgemäßen Schubkurbelsystems
zu begrenzen, ist es von Vorteil, dass das Schubkurbelsystem durch
ein Gehäuse aufgenommen
wird, das die Zylinder bildet und in dem die Hauptwelle gelagert
ist, wobei das Gehäuse in
einer Ebene teilbar ist, die senkrecht zur Kolbenoberfläche verläuft und
in der die x-Achse der Hauptwelle liegt. Das Einbringen der Getriebeglieder
des Schubkurbelsystems ist unproblematisch. Die Lager der Hauptwelle
sind wahlweise geteilt oder werden als ganze Lagerschale eingesetzt.
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Von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende
Erfindung, dass der Innenverzahnungsring zwei gegenüberliegend
angeordnete Kolben aufweist und der Innenverzahnungsring mit den
Kolben linear oszillierend bewegbar ist. Der Innenverzahnungsring bildet
eine Doppel-Kolbenstange, die fertigungstechnisch zusammen mit den
zwei gegenüber
liegenden Kolben in einem Bauteil hergestellt wird. Die Kolben sind
gegenüber
dem Innenverzahnungsring starr angeordnet. Der Abstand zwischen
den Kolben und dem Innenverzahnungsring weist je nach Langhub- oder
Kurzhub-Bauweise verschiedene Abmessungen auf.
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Ferner ist es vorteilhaft, dass der
Außendurchmesser
des Innenverzahnungsrings kleiner als der Kolbendurchmesser ist.
Dadurch wird eine Kurzhub-Variante des Schubkurbelsystems bereitgestellt, die
eine sehr kompakte Bauweise erlaubt. Der Abstand der Kolben zum
Innenverzahnungsring und das Kolbenhemd sind dabei sehr kurz gewählt. Das gesamte
Schubkurbelsystem liegt im Gehäuse.
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Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung
und Anordnung ist es von Vorteil, dass die Hauptwelle Gegengewichte
aufweist und die Gegengewichte innerhalb des Gehäuses vorgesehen sind. Die Gegengewichte
sind in ihrer äußeren Form
an die innere zylindrische Kontur des Gehäuses angepasst und gleichen
die rotierenden Massen innerhalb des Schubkurbelsystems weitgehend
aus.
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Außerdem ist es vorteilhaft,
dass das Gehäuse
eine zylindrische äußere Kontur
aufweist. Somit wird eine sehr flache Bauweise einer Kurzhubvariante
bereitgestellt, die eine Unterflurbauweise erlaubt. In der Höhe beträgt das Gehäuse etwa
nur den dreifachen Wert des Kolbendurchmessers.
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Eine Langhubvariante hat den Vorteil,
dass in Richtung der z-Achse
pro Kolben jeweils überhalb und
unterhalb des Kolbens ein Arbeitsraum gebildet wird. Bei der Langhubvariante
ist der Teilkreisdurchmesser des Innenverzahnungsrings größer als
der Kolbendurchmesser. Das einem Kolben zugeordnete Paar von Ar beitsräumen arbeitet
um eine halben Takt versetzt, was zu einer Verdopplung des Hubvolumens
pro Umdrehung führt.
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Das erfindungsgemäße Schubkurbelsystem ist im
Bereich der Antriebs- oder Fördertechnik
vielseitig einsetzbar. Dort, wo Linear- in Drehbewegung oder Dreh-
in Linearbewegung umgesetzt werden soll, findet das Schubkurbelsystem
Einsatz. Hierbei ist neben den Verbrennungsmotoren an Pumpen, Hydraulikmotoren
oder an Getriebe z.B. für
Webstühle
zu denken. Im Bereich der Verbrennungsmotoren ist das erfindungsgemäße Schubkurbelsystem
bei allen 4-Takt und 2-Takt Motoren einsetzbar.
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Im Einsatz als einfacher und langsam
drehender Hub-Dreh-Mechanismus ist die erfindungsgemäße zweidimensionale
Kulisse halbseitig offen, d.h. der Hubzapfen ist einseitig fliegend,
ohne Gegengewichte gelagert. Anstatt der Kolbenstange und der Kolben
ist ein Lineargestänge
vorgesehen.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten
der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung
erläutert
und in den Figuren dargestellt.
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Dabei zeigen:
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1 eine
Schnittansicht eines kurzhubigen Schubkurbelsystems in der xz-Ebene
einer Hauptwelle;
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2 eine
Schnittansicht eines kurzhubigen Schubkurbelsystems in der yz-Ebene
einer Hauptwelle;
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3 eine
schematische Darstellung eines langhubigen Schubkurbelsystems in
der xz-Ebene einer Hauptwelle;
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4 eine
schematische Darstellung eines langhubigen Schubkurbelsystems in
der yz-Ebene einer Hauptwelle;
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5 eine
Prinzipskizze der Bewegungsabläufe
eines kurzhubigen Schubkurbelsystems in der yz-Ebene einer Hauptwelle.
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1 zeigt
eine Schnittansicht eines kurzhubigen Schubkurbelsystems 1 in
der xz-Ebene einer Hauptwelle 2. Die Hauptwelle 2 weist
eine x-Achse auf, die identisch der Drehachse der Hauptwelle 2 ist. Senkrecht
zur x-Achse verlaufen entsprechend dem kartesischen Koordinatensystem
die y-Achse und die z-Achse, wie auch in 2 dargestellt.
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Das Schubkurbelsystem 1 besteht
im Wesentlichen aus einer Hauptwelle 2, zwei Exzenterscheiben 3, 3a,
einem Innenverzahnungsring 4, einem Hubzapfenritzel 5,
einem Gehäuse 6 und
zwei Kolben 7, 7a.
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Die Hauptwelle 2 ist gekröpft und
im Gehäuse 6 an
zwei Lagerpunkten gelagert. Die Lager weisen einen Durchmesser 2.3 auf.
Der Hubzapfen 2.1 bildet einen Hubradius 2.4 und
weist einen Durchmesser 2.2 auf, der kleiner als der Durchmesser 2.3 der
Lager der Hauptwelle 2 ist. Zusätzlich weist die Hauptwelle 2 Gegengewichte 8 auf,
mit denen die rotierenden Massen des Schubkurbelsystems 1 ausgeglichen
werden. Aufgrund der Drehung der Gegengewichte 8 um die
x-Achse der Hauptwelle 2 sind die Gegengewichte 8 an
die zylindrische Form des Gehäuses 6 angepasst.
Die zylindrische Form des Gehäuses 6 in
der xy-Ebene der Hauptwelle 2 ist mit gestrichelten Teilkreisen
dargestellt.
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Auf dem Hubzapfen 2.1 der
Hauptwelle 2 ist in einer zentrischen Lage 5.1 ein
Hubzapfenritzel 5 angeordnet. Jeweils benachbart zum Hubzapfenritzel 5 sind
die Exzenterscheiben 3, 3a auf dem Hubzapfen 2.1 gleitend
gelagert. Die Breite 2.5 des Hubzapfens 2.1 entspricht
der doppelten Breite 3.2 der Exzenterscheibe 3.plus
der Breite des Hubzapfenritzels 5.
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Die Exzenterscheiben 3, 3a weisen
eine Exzentrizität 3.1 auf
und sind gleitend im Innenverzahnungsring 4 gelagert. Hierzu
weist der Innenverzahnungsring 4 zwei Gleitlagerflächen 4.2, 4.2a
auf. Damit ist eine Kraftübertragung
von der Hauptwelle 2 über
den Hubzapfen 2.1 auf die Exzenterscheiben 3, 3a zum
Innenverzahnungsring 4 gewährleistet.
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Das Hubzapfenritzel 5 ist
außen
verzahnt und greift in die Innenverzahnung 4.6 des Innenverzahnungsrings 4 ein.
Die Innenverzahnung 4.6 des Innenverzahnungsrings 4 ist
zwischen den Gleitlagerflächen 4.2, 4.2a
vorgesehen. Der Lagerdurchmesser 4.4 der Gleitlagerflächen 4.2, 4.2a
ist geringfügig
größer als
der Fußkreisdurchmesser 4.3 des
Innenverzahnungsrings 4.
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Durch die Verzahnung des auf dem
Hubzapfen 2.1 fest angeordneten Hubzapfenritzels 5 mit dem
Innenverzahnungsring 4, ist die notwendige Zwangsführung für das Schubkurbelsystem 1 gewährleistet.
Die Summe des Hubradius 2.4 und der Exzentrizität 3.1 ergibt
den Teilkreisdurchmesser 5.2 des Hubzapfenritzels 5.
Der Teilkreisdurchmesser 5.2 des Hubzapfenritzels 5 weist
den halben Wert des Teilkreisdurchmessers 4.1 des Innenverzahnungsrings 4 auf.
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An den Innenverzahnungsring 4 sind
in Richtung der z-Achse der Hauptwelle 2 gegenüberliegend zwei
Kolben 7, 7a vorgesehen. Die Kolben 7, 7a bilden
mit dem Innenverzahnungsring 4 ein materialidentisches
und einstöckiges
Bauteil. Der Innenverzahnungsring 4 bildet dabei eine Doppelkolbenstange.
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In 2 ist
eine Schnittansicht eines kurzhubigen Schubkurbelsystems 1 in
der yz-Ebene der Hauptwelle gemäß 1 dargestellt. In dieser
Ansicht ist die Ebene 9 dargestellt, in der das Gehäuse 6 geteilt
ist, um das Schubkurbelsystem 1 einzubringen.
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Der Innendurchmesser 6.2 des
Gehäuses 6 ist
größer als
der Gesamtdurchmesser 4.7 des Innenverzahnungsrings 4.
Das Gehäuse 6 enthält das gesamte
Schubkurbelsystem 1 und bildet gleichzeitig die Zylinder 6.1, 6.1a
für einen
Kompressions- oder Pumpvorgang.
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In 3 ist
eine schematische Darstellung eines langhubigen Schubkurbelsystems 1 in
der xz-Ebene der Hauptwelle dargestellt. Im Vergleich zu dem vorstehend
beschriebenen kurzhubigen Schubkurbelsystem 1 bildet das
Gehäuse 6 eine
nicht durchgehend zylindrische Außenkontur aus.
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Der Gesamthub 7.3, 7.3a
ist abhängig
vom Teilkreisdurchmesser 4.1 des Innenverzahnungsrings 4 und
somit vom Hubradius 2.4 und von der Exzentrizität 3.1 der
Exzenterscheibe 3. Die Kurzhub- oder Langhub-Variante unterscheidet
sich lediglich im Verhältnis
vom Innendurchmesser 6.2 der Zylinder 6.1, 6.1a
zum Teilkreisdurchmesser 4.1 des Innenverzahnungsrings 4.
Durch die längere
Kolbenstange der Langhubvariante ergibt sich die Möglichkeit,
jeweils einen zusätzlichen
Arbeitsraum in Richtung der z-Achse unterhalb der beiden Kolben 7, 7a zu
schaffen.
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4 zeigt
eine schematische Darstellung eines langhubigen Schubkurbelsystems 1 gemäß 3 in der yz-Ebene der Hauptwelle.
Der Teilkreisdurchmesser 4.1 des Innenverzahnungsrings 4 ist doppelt
so groß wie
der Teilkreisdurchmesser 5.2 des Hubzapfenritzels 5.
Der Gesamtdurchmesser 4.7 des Innenverzahnungsrings 4 ist
größer als
der Innendurchmesser 6.2 des Zylinders 6.1.
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5 zeigt
eine Prinzipskizze der Bewegungsabläufe eines Schubkurbelsystems 1 in
der yz-Ebene der Hauptwelle. Um die x-Achse der Hauptwelle 2 ist
die Kreisbahn des Mittelpunktes E des Hubzapfens 2.1 durch
eine Strich-Punkt-Linie dargestellt. Die Kreisbahn weist den Hubradius 2.4 auf.
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In der OT-Stellung befindet sich
der Mittelpunkt E auf der z-Achse
der Hauptwelle 2. Der Mittelpunkt E ist gleichzeitig der
Dreh- und Mittelpunkt des Hubzapfenritzels 5, das auf dem
Hubzapfen 2.1 angeordnet ist und gleichzeitig der Drehpunkt
der Exzenterscheibe 3. Der Teilkreis 5.2 des Hubzapfenritzels 5 ist
durch einen durchgezogenen Kreis dargestellt.
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Der Mittelpunkt K des Innenverzahnungsrings 4 befindet
sich in der OT-Stellung ebenfalls auf der z-Achse der Hauptwelle 2.
Der Mittelpunkt K ist gleichzeitig der Mittelpunkt der Exzenterscheibe 3. Der
Teilkreis 4.1 des Innenverzahnungsrings 4 ist durch
einen durchgezogenen Kreis dargestellt.
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Von der OT-Stellung verdreht die
Hauptwelle 2 um einen Drehwinkel φ in einen Betriebspunkt B. Der
Teilkreis 5.2 des Hubzapfenritzels 5 rollt dabei auf
dem Teilkreis 4.1 des Innenverzahnungsrings 4 ab.
Dabei verdreht sich die Exzenterscheibe 3 in entgegengesetzter
Richtung um den gleichen Drehwinkel φ. Der Mittelpunkt E verdreht
zu Eφ.
Der Mittelpunkt K verfährt
nach dem Prinzip von Archimedes rein translatorisch auf der z-Achse zu
Kφ. Der
Teilkreis 5.2 des Hubzapfenritzels 5 und der Teilkreis 4.1 des
Innenverzahnungsrings 4 sind im Betriebspunkt B gestrichelt
dargestellt.
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Der Kolben 7 verfährt bei
der Drehung der Hauptwelle 2 um den Drehwinkel φ von der
OT-Stellung um eine Strecke Δz
in Richtung der UT-Stellung in den Betriebspunkt B.
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Durch die vorstehend beschriebene
Kinematik oszillieren die Kolben zwischen einer OT-Stellung und
einer UT-Stellung. Diese in 5 dargestellte
Kinematik bezieht sich sowohl auf den in Richtung der z-Achse der
Hauptwelle 2 oben gelegenen Kolben 7 als auch
auf den unten gelegenen Kolben 7a. Die Kolben 7, 7a sind
entsprechend mit den Indices 1 und 2 versehen.