DE2236159A1 - Antriebseinheit - Google Patents

Description

Patentanmeldung

Anmelder: Prof. Dr.-Ing. Hans Kleinwächter . /1Z O D I 0 3 Forschungs- und Entwicklungslabor 7850 Lörrach, Kreuzstrasse 105 '

Erfinder: Prof. Dr.-Ing. Hans Kleinwäch'ter Jürgen Kleinwächter

Antriebseinheit

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Patentanmeldung (

Die vorliegende Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine Antriebseinheit, die aus Motor und Getriebe besteht, zu verwirklichen, welche den Forderungen moderner Technologien nach leichten, leistungsfähigen, trägheitsarmen und robusten Antriebselementen nachkommt. Dabei soll ein von einem flüssigen, gasförmigen oder magnetischen Arbeitsmittel betriebener Motor über ein Deformatiohsgetriebe entweder Rotations- oder Translationsbewegungen erzeugen. Die Energie des Arbeitsmittels soll dabei über ein System von elastisch verformbaren Expan— sionskammern oder ein System von Magneten eine kontinuierlich fortschreitende Deformationswelle in einer biegsamen Fläche erzeugen, die den Flexplineteil (θ) eines Deformationswellengetriebes darstellt.

Die erfindungsgemässe Antriebseinheit dient der Umwandlung der Energie eines flüssigen, gasförmigen oder magnetischen Arbeitsmittels in die Rotation oder Translation einer Abtriebsachse. - Zunächst sei der Fall der Umwandlung in die Rotation der Abtriebsachse bei flüssigen oder gasförmigen Arbeitsmitteln besprochen. Hierbai sind zwei grundsätzliche Fälle zu unterscheiden: Im ersteren Falle führen die Expansionskammern eine radiale (Fig.i) im zweiten Falle eine axiale Bewegung ""bezüglich der Rotationsachse (Fig.2) aus. Im ersteren Falle wird auf die bekannten Konstruktionsmerkmale eines Deformationswellengetriebes zurückgegriffen. In bekannter Weise wirkt an einem solchen Getriebe ein verformbares Zahnrad mit einem starren (3) zusammen. Die Wellenachsen beider Zahnräder liegen koaxial zueinander; bei dem verformbaren Zahnrad ist der Zahnkranz aussen auf einen dünnwandigen, in radialer Richtung'leicht verformbaren Zylindermantel aus Metall angebracht. Das starre Zahnrad hat eine Innenverzahnung mit der gleichen Zahnteilung, wie das verformbare Zahnrad und mindestens einen Zahn mehr als das verforrnbare Zahnrad. Ein sogenannter Daformationswellenarzeugerj der auf der sbenfalls koaxialen Antriebswelle angebracht ist, sorgt dafür,

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dass wenigstens an einer Stelle ein Teil des Radkranzes des verformbaren Zahnrades gegen den festen Zahnkranz gedrückt wird und damit dia Zähne beider Räder damit in Eingriff kommen. Die mit dem starren Zahnrad verbundene Abtriebsachse (1) bewegt sich im selben Drehsinn wie der Wellengenerator, jedoch stark untersetzt.

Erfindungsgemäss wird im vorgeschlagenen FbIIb der mechanisch rotierende Deformationswellenerzeuger durch ein System von elastisch deformier— baren Expansionskammern ersetzt. Diese befinden sich in regelmassigen Abständen längs des.Umfanges einer starren Kreisscheibe, die konzentrisch auf einem Rohr sitzt, dessen Mittelgerade diesslbe wie die der Antriebsachse ist.

Erfindungsgemäss werden jeweils zwei bis vier metral gegenüber liegende Expansionskammern von einem das flüssige oder gasförmige Arbeitsmittel enthaltenden Behälter aus über pneumatische oder hydraulische Steuerschieber unter Druck gesetzt, während sich die anderen Kammern in drucklosem Zustand befinden. Die Steuerschieber verteilen so in fortschreitender Weise den Druck auf alle diametralen Kammerpaare. Der Druck dieser Kammerpaare breitet sich erfindungsgemäss auf den dünnwandigen, in radialer Richtung leicht verformbaren Zylindermantel aus, dessen äusserer Rand mit einer Verzahnung versehen ist und an den Andruckstellen mit der Innenverzahnung des starren Antriebsrades in Eingriff kommt. Bei der in diesem Falle beschriebenen Ausführung der vorgeschlagenen Erfindung wird also der sich auf einer rotierenden Antriebsachse befindliche rotierende Spannungswellengenerator durch einen nicht rotierenden auf einer nicht rotierenden Scheibe befestigten pneumatischen oder hydraulischen Spannungswellengenerator ersetzt. Das System, das aus dem Behälter mit dem Arbeitsmittel, den Steuerschiebern und den Expansionskammern besteht, stellt gleichzeitig einen Motor dar. Die vorgeschlagene Konstruktion beschreibt somit eine Antriebseinheit, bestehend aus Motor und Getriebe, bei der nur ein einziger rotierender Teil, nämlich die Antriebsachse, vorkommt und bedeutet somit eine wesentliche technische Verbesserung.

Im zweiten Teil (Fig.2) wird der oben beschriebene erfindungsgemäss neuartige Spannungswellengenerator zur axialen Verformung einer leicht deformierbaren Kreisscheibe benutzt. Die elastisch verformbaren

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Expansionskammern liegen in diesem Falle längs dBS äusseren Randes der starren Kreisscheibe, die koaxial auf Teil (IG) sitzt. Erfindungsgemäss befindet sich im Abstand d.(d kleiner als die Höhe einBr Expansionskammer unter Druck) eine parallele, ebenfalls koaxiale, am Teil (θ) sitzende, elastische, deformierbare Kreisscheibe. Unter dem paarweisen Druck der Expansionskammern verformt sie sich. Dies führt zur Ausbildung einer periodisch umlaufenden Deformationswelle, deren Umlauffreidquenz von der Steuerfrequenz der Schieber abhängt. Die den Expansionskammern abgewandte äussere ringförmige Zone der biegsamen Kreisscheibe ist ebenso wie die äussere Seite des Abtriebsrades, das im Abstand d' (d, ist ungefähr die Höhe einer Expansionskarnmer unter Druck) von der biegsamen Kreisscheibe konzentrisch auf der drehbaren Antriebsachse sitzt, mit Mitteln versehen, die an den von der Deformationswelle verformten Orten eine form- oder kraftschlüssige Verbindung gewährleistet. Bei einem Umlauf der Spannungswelle wird auf diese Weise die äussere Zone der biegsamen Kreisscheibe auf dem Umfange des Abtriebsrades abgewickelt. Die Abtriebsachse rotiert im gleichen Drehsinn wie die Deformationswelle, jedoch stark untersetzt. Die in diesem Falle beschriebene Konstruktion hat erfindungsgemäss gegenüber der ersten verschiedene Vorteile:

1. Lässt sich die Antriebseinheit nach viel kleineren Norman realisieren, da der biegsame Teil des Spannungswellengenerators hier statt eines Zylinders eine Kreisfläche istj

2. ist - mit den Worten der analytischen Geometrie ausgedrückt- beim Betrieb des Getriebes die Gauß'sehen Krümmung an jeder Stelle der verofrmten Fläche des flexiblen Elementes zu jedar Zeit gleich 0.

Die Fläche ist eine Torse. Folglich gibt es im Gegensatz zu den herkömmlichen Spannungswellengetrieben bei der erfindungsgemässen Antriebseinheit keinerlei Flächendehnung mit all ihren Nachteilen. In beiden Punkten besteht ein grundsätzlicher und wesentlicher technischer Fortschritt bei erfindungsgemässen Antriebseinheiten gegenüber bisher bekannten Systemen dieser Art. Ferner ist es erfindungsgemäss möglich, dis beiden oben genannten Antriebseinheiten mit einem Getriebe derart zu versehen, dass zwischen Abtriebsachse und umlaufender Deformationswelle das Übersetzungsverhältnis 1 : 1 besteht (Fig.3). Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass das Abtriebselement die Form zweier Rollen (17) hat, die auf dem äusseren Umfang der

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elastisch verformbaren Kreisscheibe (18) mit der Umlauffrequenz der Deformationswelle abrollen.

Im folgenden sei der Fall beschrieben, bei dem die Energie des gasförmigen oder flüssigen Arbeitsmittels in die Translationsbewegung einer Antriebsachse verwandelt wird, was einen linearen Antrieb darstellt. Die elastisch deformierbaren Expansionskammern sind in diesem Falle erfindungsgemäss so angeordnet, dass es in einem radial leicht auszubiegendem Streifen (19) zur Ausbildung einer geradlinig fortschreitenden Deformationswelle kommt. Der verformbare Streifen stellt wieder den Flexplineteil .eines Spannungsgetriebes dar und ist an seiner Oberseite mit form- oder kraftschlüssigen Mitteln versehen, die wiederum zum Eingriff mit den form- oder kraftschlüasigen Mitteln eines beweglichen Teiles von einer Stange kommt und somit eine Bewegung dieses Teiles verursacht. Die Stange bewegt sich in entgegengesetzter Richtung wie die Deformationswelle, jedoch mit stark untersetzter Geschwindigkeit.

Weiterhin ist es erfindungsgemäss vorgesehen, die umlaufende Deformationswelle durch magnetische Zugkräfte zu erzeugen. Erfindungsgemäss wird ein ringförmig konisches Rad aus ferromagnetischem Material, das mit form- oder kraftschlüssigen Mitteln versehen ist, durch Elektromagnete erregt. Die Erregung wandert kontinuierlich längs des Umfanges des Zahnrades, was erfindungsgemäss dadurch erreicht wird, dass die ebenfalls ringförmig angeordneten Elektromagnete so angesteuert werden, dass zwei sich diametral gegenüber liegende Magnetpolpaare magnetisiert werden und dies in zeitlicher Reihenfolge nacheinander mit allen Magnetpolpaaren geschieht. Eine axial leicht verformbare, aus ferrömagnetischen Material bestehende Scheibe, die ebenfalls mit form- oder kraftschlüssigen Mitteln versehen ist, wird durch die magnetischen Zugkräfte an das konische Zahnrad gedruckt. Da die Orte, von denen magnetische Zugkräfte ausgehen, in periodischer Weise umlaufen und zwischen der Anzahl der form- oder kraftschlüssigen Mittel des konischen Zahnrades und der auf der biegsamen Kreisscheibe der Unterschied zwei besteht, bewegt sich die biegsame Kreisscheibe (4), die auf einer drehbaren Welle (5) angebracht ist, mit stark untersetzter Bewegung. Die die umlaufende Deformationswelle erzeugenden Elektromagnete besitzen keinerlei mechanische Trägheit

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und auch bei der rotierenden verformbaren Kreisscheibe ist diese sehr klein, aodass diese vorgeschlagene Antriebseinheit einen wesentlichen technischen Fortschritt darstellt. ■ . ■ >

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   ( 1J Antriebseinheit, bestehend aus Motor und Getriebe, den Forderungen moderner Technologien nach Leichtigkeit, TrMgheitsarmut, Leistungsfähigkeit und Robustheit nachkommend, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie eines flüssigen, gasförmigen oder magnetischen Arbeitsmittels ein elastisches Bauteil derart deformiert, dass dieses sich plastisch in der Weise einer kontinuierlich fortschreitenden Deformationswelle verformt und aufgrund von kraft- oder formschlüssigen Mitteln, die sich auf seiner Oberfläche befinden, sich selbst oder ein Abtriebselement, welches ebenfalls mit kraft— oder formschlüssigen Mitteln in der Weise versehen ist, dass durch die oben beschriebene Deformationswelle eine stark untersetzte Bewegung zustande kommt, bewegt.
2. 2. Antriebseinheit, nach Anspruch,1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Energie des flüssigen oder gasförmigen Arbeitsmittels über eine Anordnung von hydraulischen oder pneumatischen Steuerschiebern in die elastisch deformierbaren ExpansionskammBrn geleitet wird, die so angeordnet sind, dass eine durch pneumatische oder hydraulische Schieber gesteuerte zeitlich aufeinander folgende Ausdehnung der Expansionskammern in dem elastischen Bauteil eine kontinuerlich fortschreitende Deformationswelle erzeugt.
3. 3. Antriebseinheit, nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Deformationswelle im verformbaren Beuteil durch Zugkräfte von geeignet angesteuerten Elektromagneten erfolgt, wobei der verformbare Teil an den Stellen der magnetischen Anziehung mit seinen form- oder kraftschlüssigen Mitteln mit den sich auf der Oberfläche einer starren Fläche befindlichen form- oder kraftschlüssigen Mitteln zum Eingriff kommt und sich selbst im Verhältnis zur umlaufenden magnetischen Deformationsenergie stark untersetzt bewegt.
4. 4. Antriebseinheit, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich-

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   net, dass sich die Expansionskammern in regelmässigem Abstand auf dem Umfange einer starren Kreisscheibe befinden und einen dünnwandigen, in radialer Richtung leicht verformbaren Zylindermantel derart verformen, dass auf ihm eine periodisch umlaufende Deformationswelle entsteht.
5. 5. Antriebseinheit, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeic hn e t, dass sich die Expansionskammern in regelmässigem Abstand längs des äussBren Randes einer starren Kreisscheibe befinden und den äusseren Rand einer sich dazu parallel und koaxial befindlichen biegsamen Kreisscheibe derart verformen, dass längs ihres Randes eine periodisch umlaufende Deformationswelle entsteht.
6. 6. Antriebseinheit, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kraft- oder formschlüssigen Mittel zwischen dem elastischen Bauteil und dem starren Abtriebselement aus kleinen, am Abtriebselement befestigten Rollen bestehen, die zur Folge haben, dass zwischen der Umlaufgeschwindigkeit der Deformationswelle und derjenigen des Abtriebselementes die i'bersetzung 1 : 1 besteht.
7. 7. Antriebseinheit, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Deformationskammern so angeordnet sind, dass es zur Ausbildung einer sich geradlinig fortpflanzenden Deformationswelle kommt, welche ein Abtriebselement in geradliniger, der Bewegung der Deformationswelle entgegengesetzter Richtung mit stark untersetzter Geschwindigkeit fortbewegt, was einem linear Antrieb« entspricht.

   Lörrach, den 1. Juli 1972 (Prof.Dr.-Ing. Hans Kleinwächter)

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