DE202012000781U1 - Mechanical assembly for the conversion of a translational into a rotational, as well as vice versa from a rotary to a translatory movement with the innovation that only the linear axes perform a translatory, oscillating motion and the transformation into a rotational movement only over rotational, with constant angular velocity Machine elements is realized. Selected designation of the mechanical unit: "ring gear drive" - Google Patents
Mechanical assembly for the conversion of a translational into a rotational, as well as vice versa from a rotary to a translatory movement with the innovation that only the linear axes perform a translatory, oscillating motion and the transformation into a rotational movement only over rotational, with constant angular velocity Machine elements is realized. Selected designation of the mechanical unit: "ring gear drive" Download PDFInfo
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Abstract
Mechanische Baueinheit (Benennung „Hohlradtrieb”) für die Umwandlung von einer translatorischen in eine rotatorische als auch umgekehrt von einer rotatorischen in eine translatorische Bewegung, folgendes umfassend: ein oder mehrere in einem Gehäuse drehbar gelagerten (3) Rotoren (1) in denen eine oder mehrere Kurbelwellen mit Außenverzahnung (4) exzentrisch gelagert sind und einem oder mehreren im Gehäuse eingebrachte, feststehende bzw. verstellbare Hohlräder (2). Die Geometrie der Bewegungs- bzw. Übertragungsglieder wird durch die mathematischen Vorgaben der Hypozykloidenvariante für einen linearen Verlauf eines Punktes auf dem Wälzkreisradius des abrollenden Kreises bestimmt. Der unter Zugrundelegung dieser Vorgaben aufgebaute Hohlradtrieb realisiert eine direkte Umwandlung von einer Dreh- in eine Linearbewegung bzw. umgekehrt ohne eine Mechanik mit ungleichförmigen Bewegungsabläufen implementieren zu müssen.Mechanical assembly (termed "ring gear drive") for the conversion from a translatory to a rotary and vice versa from a rotary to a translational movement, comprising: one or more rotors (3) rotatably mounted in a housing (1) in which one or several crankshafts with external toothing (4) are eccentrically mounted and one or more fixed or adjustable ring gears (2) incorporated in the housing. The geometry of the movement or transmission elements is determined by the mathematical specifications of the hypocycloid variant for a linear course of a point on the pitch circle radius of the rolling circle. The ring gear drive built on the basis of these specifications realizes a direct conversion from a rotary to a linear movement or vice versa without having to implement a mechanism with non-uniform movement sequences.
Description
Inhaltsverzeichnis:Contents:
- Gebiet der ErfindungField of the invention
- Beschreibung des bisherigen Standes der TechnikDescription of the Prior Art
- Ziel der ErfindungObject of the invention
- Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
- Beschreibung der ZeichnungenDescription of the drawings
- Beschreibung der bevorzugten AusführungsformDescription of the preferred embodiment
- GebrauchsmusterschutzansprücheUtility model claims
- Zeichnungendrawings
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mechanik, mit welcher sowohl rotatorische direkt in translatorische als auch umgekehrt translatorische direkt in rotatorische Bewegungen umgewandelt werden können. Zusätzlich kann durch Verstellung der Bauteilkomponenten der translatorische Hub variiert werden. Der Grundaufbau der Mechanik besteht aus einem Hohlrad mit Innenverzahnung, einem drehbar gelagertem Rotor mit Abtriebswelle und einer im Rotor exzentrisch drehbar gelagerten Kurbelwelle mit Außenverzahnung auf Höhe des Hohlrades. Die Kurbelwelle kann mit einem oder mehreren Kurbelzapfen ausgeführt werden, die aufgrund der speziellen Hohlrad- und Kurbelwellen-Abwälzgeometrie die Umdrehungen der Abtriebs- bzw. Eingangswelle in eine cosinusförmig verlaufende, exakt linear geführte translatorische Bewegung umwandeln. Für Ausführungen der Mechanik die zwei oder mehr Kurbelzapfen besitzen, kann das System mit zwei oder mehreren Hohlrad-, Rotor-, Kurbelwellen-Abwälzgeometrien aufgebaut werden. Somit ist eine beidseitige bzw. mehrfache Lagerung der Kurbelwelle realisierbar.The present invention relates to a mechanism with which both rotational translational translational and inverse translatory can be converted directly into rotational movements. In addition, the translational stroke can be varied by adjusting the component components. The basic structure of the mechanism consists of a ring gear with internal teeth, a rotatably mounted rotor with output shaft and a rotor eccentrically rotatably mounted crankshaft with external teeth at the height of the ring gear. The crankshaft can be executed with one or more crankpins, which convert the revolutions of the output or input shaft into a cosinusoidal, exactly linearly guided translational movement due to the special Hohlrad- and crankshaft Abwälzgeometrie. For designs of the mechanics having two or more crankpins, the system may be constructed with two or more ring gear, rotor, crankshaft take-off geometries. Thus, a two-sided or multiple storage of the crankshaft can be realized.
Einsatzgebiete der Erfindung sind alle technischen Anwendungen wo die Umsetzung einer Dreh- in eine Linearbewegung, deren Hub evtl. auch während des Betriebes kontinuierlich verstellt werden soll, benötigt wird (Press-, Schmiede- und Schneidwerkzeuge, Pumpen- und Ventiltriebskomponenten, Handhabungstechnik etc.) Für den umgekehrten Einsatzfall, Umsetzung einer Linear- in eine Drehbewegung, ist das Einsatzgebiet der Erfindung jedweder Anwendungsfall, bei denen durch Kolben- oder anderweitig aufgebrachte Druck- bzw. Zugkräfte erzeugte Linearbewegungen in kontinuierliche rotatorische Bewegungen umgewandelt werden sollen. Hierbei können die Kolben-, Druck- oder Zugkräfte sowohl durch Komponenten von Verbrennungsmotoren (Otto- und Dieselverfahren, Gasmotoren etc.) als auch durch die Expansion von gasförmigen Stoffen (Wasserdampf, Druckluft, Silikonöl etc.) oder durch den Arbeitsdruck von flüssigen Medien (Wasser, Öl etc.) erzeugt werden.Fields of application of the invention are all technical applications where the conversion of a rotary into a linear movement whose stroke is possibly to be continuously adjusted during operation is required (pressing, forging and cutting tools, pump and valve train components, handling technology, etc.). For the reverse application, implementation of a linear in a rotary motion, the field of application of the invention is any application in which linear movements generated by piston or otherwise applied pressure or tensile forces to be converted into continuous rotational movements. In this case, the piston, pressure or tensile forces can be determined both by components of internal combustion engines (petrol and diesel methods, gas engines, etc.) and by the expansion of gaseous substances (water vapor, compressed air, silicone oil, etc.) or by the working pressure of liquid media ( Water, oil etc.).
Beschreibung des bisherigen Standes der TechnikDescription of the Prior Art
Speziell für den Anwendungsfall der Umsetzung von einer translatorischen in eine rotatorische Bewegung auf dem Gebiet der Verbrennungs- und Expansionsmotoren, die ihre kinematische Energie über linearbewegte Kolben erzeugen, gibt es verschiedene technische Ausführungen. Die bekannteste und am meisten eingesetzte Mechanik ist die des Kurbelwellentriebs. Alternativ zu dieser Mechanik gibt es, speziell im Dampfmaschinenbau, noch weitere Varianten für die Umwandlung der Bewegungsenergie (z. B. Linearführung Kolben mit Kreuzkopf), die jedoch beim derzeitigen Stand der Technik weniger Verwendung finden. Deshalb soll die vorliegende Erfindung mit dem Stand der Technik des Kurbelwellentriebes verglichen werden.Especially for the application of the implementation of a translational in a rotary motion in the field of combustion and expansion engines, which generate their kinematic energy on linearly moving pistons, there are various technical designs. The most well-known and most used mechanic is that of the crankshaft drive. As an alternative to this mechanism, there are other variants, especially in steam engine construction, for the conversion of the kinetic energy (eg linear guide piston with crosshead), which, however, are less used in the current state of the art. Therefore, the present invention should be compared with the prior art crankshaft drive.
Nachteilig bei einem aus Kurbelwelle, Pleuel und Kolben aufgebautem Kurbelwellentrieb ist, dass aufgrund der rotierenden und oszillierenden Bauteile beim Betrieb der Arbeitskraftmaschine Massenkräfte und -momente indiziert werden, die nur schwer bzw. gar nicht eliminiert werden können. Speziell aufgrund der überlagerten translatorischen und oszillierenden Bewegung des Pleuels entstehen Massenkräfte höherer Ordnung, die bei Mehrzylindermotoren nicht vollständig ausgeglichen werden können. Zusätzlich ergeben sich durch die zyklische Auslenkung des Pleuels Querkräfte auf den Arbeitskolben, die über die Anlage des Kolbenhemdes an die Zylinderwand mit abgefangen werden müssen. Diese zusätzlichen Reibkräfte mindern den Wirkungsgrad der Arbeitsmaschine und erhöhen den Verschleiß von Kolben und Zylinderlauffläche.A disadvantage of a built-up crankshaft, connecting rod and piston crankshaft drive is that due to the rotating and oscillating components during operation of the engine mass forces and moments are indexed, which can be difficult or impossible to eliminate. Especially due to the superimposed translational and oscillating movement of the connecting rod arise mass forces of higher order, which can not be fully compensated in multi-cylinder engines. In addition, due to the cyclical deflection of the connecting rod, transverse forces are produced on the working pistons, which must be absorbed by the piston skirt on the cylinder wall. These additional frictional forces reduce the efficiency of the machine and increase the wear of the piston and cylinder surface.
Ein weiterer Nachteil des Kurbelwellentriebes ist es, dass es nicht möglich ist, zwischen dem Arbeitsraum des Kolbens und dem Kurbeltrieb eine Abdichtung zu realisieren. D. h. bei dem derzeitigen Stand der Technik kann der Raum zwischen Kolbenunterseite und Kurbelwellentrieb nicht gasdicht getrennt werden.Another disadvantage of the crankshaft drive is that it is not possible to realize a seal between the working space of the piston and the crank drive. Ie. In the current state of the art, the space between the piston bottom and crankshaft drive can not be separated in a gas-tight manner.
Ziel der ErfindungObject of the invention
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Mechanik zu realisieren, die eine Linear- in eine Drehbewegung (bzw. auch umgekehrt) umwandelt, bei der die Pleuelstangen bzw. Linearführungen nur translatorische, d. h. exakt linear verlaufende, oszillierende Bewegungen durchführen. Mit diesem Maschinenlauf wird vermieden, dass das Pleuel bzw. die Linearführung während des Laufes seitliche, oszillierende Bewegungen ausführt, die eine Radialkraft auf den Kolben bzw. das Führungselement ausüben. Durch den exakt linearen Laufs des Pleuels ergibt sich der weitere Vorteil, dass zwischen dem Arbeitsraum des Kolbens bzw. des Elements der Linearführung bei z. B. einer runden Pleuelstangengeometrie eine vollständige Abdichtung zwischen Arbeitsraum und der Mechanik für die Bewegungsumwandlung (im folgenden „Hohlradtrieb” genannt) realisiert werden kann. Weiterhin vorteilhaft ist, dass, im Gegensatz zu dem herkömmlichen Kurbelwellentrieb, ein Maschinenlauf ohne zyklisch wechselnden Pleuelstangenwinkel realisiert werden kann.The aim of the present invention is to realize a mechanism that converts a linear into a rotary motion (or vice versa), in which the connecting rods or linear guides only perform translational, ie exactly linear, oscillating movements. This machine run avoids that the connecting rod or the linear guide executes lateral, oscillating movements during the run, which exert a radial force on the piston or the guide element. By exactly linear barrel of the connecting rod, there is the further advantage that between the working space of the piston or the element of the linear guide at z. B. a round Connecting Rod Geometry a complete seal between the work space and the mechanics for the motion conversion (hereinafter called "Hohlradtrieb") can be realized. It is also advantageous that, in contrast to the conventional crankshaft drive, a machine run without cyclically changing connecting rod angle can be realized.
Aufgrund dieser Tatsache werden beim Hohlradtrieb auch keine Massenkräfte höherer Ordnung erzeugt. D. h. es besteht die Möglichkeit, die Massenkräfte vollständig auszugleichen. Da die gesamte Mechanik aus bewährten Maschinenbauelementen aufbaut werden kann, ist auch sichergestellt, dass der Hohlradtrieb einen hohen Wirkungsgrad aufweist, der dem heutigen Standard von einstufigen Getrieben entspricht.Due to this fact, the Hohlradtrieb no mass forces of higher order are generated. Ie. there is a possibility to fully balance the mass forces. Since the entire mechanics can be built from proven machine components, it is also ensured that the ring gear has a high efficiency, which corresponds to the current standard of single-stage gearboxes.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Der Erfindung liegt die mathematische Tatsache zugrunde, dass einer mit einer abgestimmten Hohlrad-, Rotor- und Kurbelwellen-Abwälzgeometrie aufgebaute Mechanik den Bewegungsablauf einer speziellen Variante einer Hypozykldoide besitzt. Für den Hohlradtrieb muss der Radius des festen Kreises dem Durchmesser des abrollenden Kreises entsprechen. Durch die Positionierung der Kurbelzapfen direkt auf dem Abrollkreis der Kurbelwelle ergibt sich eine exakt lineare Bewegung des translatorischen Teils des Hohlradtriebes. Hierbei können die Kurbelzapfen in jedem beliebigen Winkel angeordnet werden, so dass z. B. Mehrzylindermotoren oder andere Arbeitskraftmaschinen mit Zylinderlaufbahnen zwischen 0° bis 360° zueinander verdreht realisiert werden können.The invention is based on the mathematical fact that a mechanism constructed with a tuned ring gear, rotor and crankshaft rolling geometry has the motion sequence of a special variant of a hypocyclodoid. For the ring gear, the radius of the fixed circle must correspond to the diameter of the rolling circle. The positioning of the crank pin directly on the Abrollkreis the crankshaft results in an exactly linear movement of the translational part of the ring gear. Here, the crank pin can be arranged at any angle, so that z. B. multi-cylinder engines or other labor with cylinder barrels between 0 ° to 360 ° rotated each other can be realized.
In der bevorzugten Ausführung der Erfindung besitzen das Hohlrad eine Innenverzahnung und die Kurbelwelle eine entsprechende Außenverzahnung. Die Verzahnung kann hierbei als Gerad- oder Schräg- oder anderweitige Verzahnung ausgeführt werden. Ebenso können die Lagerungen der Kurbelwelle sowohl als Gleit- als auch als Wälzlager ausgebildet werden.In the preferred embodiment of the invention, the ring gear has an internal toothing and the crankshaft has a corresponding external toothing. The toothing can be designed here as straight or oblique or other teeth. Likewise, the bearings of the crankshaft can be designed both as a sliding and as a rolling bearing.
Der Linearhub besitzt den Wert des Durchmessers des festen Kreises. D. h. für eine Ausführung des Hohlradtriebes mit Verzahnungsgeometrie entspricht der Linearhub dem Durchmesser des Hohlrad-Wälzkreises.The linear stroke has the value of the diameter of the fixed circle. Ie. for an embodiment of the ring gear drive with toothing geometry of the linear stroke corresponds to the diameter of the ring gear pitch circle.
Eine Reduzierung des Linearhubes erhält man durch Verdrehung des Hohlrades. Wie unter dem folgenden Punkt „Beschreibung der Zeichnungen” dargestellt, kann durch diese Verstellmöglichkeit z. B. die Verdichtung eines Hubkolbenmotors variiert werden.A reduction of the linear stroke is obtained by rotation of the ring gear. As shown under the following item "Description of the drawings", can be adjusted by this adjustment z. B. the compression of a reciprocating engine can be varied.
Bzgl. des Ausgleichs der Massenkräfte ist es aufgrund des vorgegebenen Bewegungsablaufes möglich, die Massenkräfte der Hohlradtriebe die ein oder mehrere translatorische Bewegungsbahnen besitzen, vollständig auszugleichen. So heben sich z. B. die Massenkräfte eines Ein- oder Mehrzylindermotors durch gegenläufige oder rotatorisch laufende Ausgleichsgewichte, die der Masse von Kurbelzapfen, Pleuel und Kolben entsprechen, theoretisch vollständig auf.Concerning. the compensation of the mass forces, it is possible due to the predetermined sequence of movements, the mass forces of Hohlradtriebe having one or more translational trajectories completely compensate. To lift z. B. the inertia of a single or multi-cylinder engine by opposing or rotationally running counterweights that correspond to the mass of crank pin, connecting rod and piston, theoretically completely.
Eine weitere Innovation der Erfindung ist es, dass durch den exakt linearen Verlauf von Kurbelzapfen und Pleuelstange bei entsprechender Pleuelstangengeometrie eine gasdichte Trennung zwischen dem Gehäuse des Hohlradtriebes und dem Arbeitsraum der Linearachse realisiert werden kann. Another innovation of the invention is that a gas-tight separation between the housing of the Hohlradtriebes and the working space of the linear axis can be realized by the exact linear course of crank pin and connecting rod with appropriate connecting rod geometry.
Beschreibung der ZeichnungenDescription of the drawings
Die Erfindung wird nun beispielartig näher erläutert, unter Bezugnahme auf die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen.The invention will now be described further, by way of example, with reference to the embodiments illustrated in the accompanying drawings.
Dabei zeigen:Showing:
Beschreibung der bevorzugten AusführungsformDescription of the preferred embodiment
Die
Im Einzelnen ist aus
Die
Um noch einmal den exakten linearen Bewegungsablauf des Kurbelzapfen und die zugehörigen Stellungen der Kurbelwelle und des Rotors zu visualisieren, sind in den
Der Bewegungsablauf vom UT zurück nach OT auf Höhe 270° KW ist aus
Um beispielhaft die Möglichkeiten des Massenausgleiches eines Hohlradtriebes aufzuzeigen, sind die Abbildungen in den
In
In
Allgemein kann gesagt werden, dass die im Hohlradtrieb erzeugten Massenkräfte auf einen rein cosinusförmigen Kraftverlauf reduziert werden können. Aufgrund dieser Tatsache ist es prinzipiell möglich für jedwede Anzahl und jede Winkelstellung der Linearachsen die auftretenden Massenkräfte auszugleichen.Generally, it can be said that the mass forces generated in the ring gear can be reduced to a purely cosinusoidal force curve. Due to this fact, it is possible in principle for any number and each angular position of the linear axes to compensate for the mass forces occurring.
Eine weitere dem Hohlradtrieb zugrunde liegende Innovation ist die einfache Realisierung einer Verstellmechanik zur Variation des Hubes der Linearbewegung. Durch das Verdrehen des Hohlrades (
In
In
Aus
In
In
Um die Möglichkeit einer Hubverstellung für zwei- oder mehrfach unterteilte Hohlradtriebe die ein, zwei oder mehrere Linearachsen besitzen, darzustellen, ist beispielhaft in
Claims (4)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE201220000781 DE202012000781U1 (en) | 2012-01-26 | 2012-01-26 | Mechanical assembly for the conversion of a translational into a rotational, as well as vice versa from a rotary to a translatory movement with the innovation that only the linear axes perform a translatory, oscillating motion and the transformation into a rotational movement only over rotational, with constant angular velocity Machine elements is realized. Selected designation of the mechanical unit: "ring gear drive" |
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DE (1) | DE202012000781U1 (en) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102016101479A1 (en) * | 2016-01-28 | 2017-08-03 | Pierburg Gmbh | diaphragm compressors |
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2012
- 2012-01-26 DE DE201220000781 patent/DE202012000781U1/en not_active Expired - Lifetime
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