DE803142C

DE803142C - Kurbelgetriebe

Info

Publication number: DE803142C
Application number: DES2120A
Authority: DE
Original assignee: Scintilla AG
Current assignee: Scintilla AG
Priority date: 1949-03-29
Filing date: 1950-03-10
Publication date: 1951-03-01
Also published as: NL76879C; GB671157A; CH276230A; US2595464A; BE492965A; FR1004024A

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Kurbelgetriebe zur Umwandlung einer hoch tourigen motorischen Drehbewegung in eine erschütterungsfreie, hochfrequente geradlinig hin und her gehende Bewegung, insbesondere für den erschütterungsfreien Antrieb \'on hin und her zu bewegenden Werkzeugen.

Bei Kurbelgetrieben ist es üblich, die unausgeglichenen bewegten Massen der Kurbel und der Schubstange einerseits sowie die Wirkung der hin und her bewegten Massen andererseits durch ein dem Kurbelzapfen in bezug auf die Kurbelwellenachse diametral gegenüber angeordnetes Gegengewicht auszubalancieren zu trachten. Bei Getrieben, die mit hohen Drehzahlen, beispielsweise 3000 in der Minute und darüber betrieben werden, wird mit derartigen unzureichenden Mitteln jedoch der Zweck nur teilweise erreicht. Zudem sind es nicht allein die Trägheitskräfte der obengenannten Massen, die störend wirken und daher auszugleichen sind. Durch die komplexe Bewegung der Schubstange hervorgerufen, treten noch zusätzlich Schwingungen auf, deren Frequenz doppelt so groß ist wie diejenige der hin und her bewegten Teile und die dieser letzteren Frequenz überlagert ist. Diese doppelte Frequenz erklärt sich wie folgt: Während der ersten Vierteldrehung der Kurbel aus einer Totpunktlage heraus tritt infolge der zu-

nehmenden Schräglage der Schubstange, bezogen auf die durch beide Totpunkte der Kurbel gehende Mittelachse, eine Verzögerung der geradlinigen Bewegung des Kreuzkopfes ein, weil ein großer Teil des durch den Kurbelzapfen zurückgelegten Viertelkreisbogens für die Vollführung des seitlichen Ausschlages dieses Endes der Schubstange, die mit der genannten Mittelachse einen Winkel einschließt, aufgewendet und nicht in geradlinige ίο Bewegung umgesetzt wird. Bei der an die erste Vierteldrehung anschließenden zweiten Vierteldrehung der Kurbel gegen den zweiten Totpunkt hin findet demgegenüber wiederum ein ähnlicher Vorgang, jedoch in umgekehrtem Sinne statt, d. h.

»5 der Kurbelzapfen nähert sich wiederum der Mittelachse, während der von dieser und der Schubstange eingeschlossene Winkel abnimmt. Infolgedessen tritt nun eine Beschleunigung der geradlinigen Bewegung des Kreuzkopfes ein, welche die

ao anfängliche Verzögerung wieder aufholt. Diese verstärkte Ungleichförmigkeit der geradlinigen Bewegung erzeugt bei jeder halben Kurbelumdrehung eine Schwingung, somit zwei zusätzliche Schwingungen bei jeder Kurbelumdrehung,

as woraus die Schwingungen doppelter Frequenz bezüglich der einfachen Schwingungen der geradlinig bewegten Teile resultieren. Diese zusätzlichen Schwingungen gilt es durch die Erzeugung einer Gegenfrequenz ebenfalls harmonisch auszugleichen, sollen keine störenden Erschütterungen in Erscheinung treten. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß das Getriebe zwei Radsätze mit einem gemeinsamen Antriebsrad aufweist, bei welchen, außer dem gemeinsamen Antriebsrad, jedes Rad ein exzentrisches Gegengewicht trägt und je ein Rad des einen Satzes mit einem gleichdimensionierten Rad des anderen Satzes ein Radpaar von in entgegengesetzten Richtungen umlaufenden Rädern bildet, von welchen Radsätzen der eine zur Übertragung der Motorleistung auf das Kurbelorgan dient, wobei seine exzentrischen Gegengewichte einen Teilausgleich der durch die in rotierender und in geradliniger Bewegung befindlichen unausgeglichenen Massen erzeugten Schwingungen bewirken, während gleichzeitig der andere Radsatz und seine exzentrischen Gegengewichte zum harmonischen Schwingungsausgleich beitragen.

Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in vereinfachter Darstellung. Fig. ι stellt eine Seitenansicht der- hauptsächlichsten Organe des Getriebes und des Motors dar; Fig. 2 ist eine um 90⁰ gedrehte Vorderansicht der nämlichen Organe, in der Richtung des Pfeiles A gesehen;

Fig. 3 ist ein Bewegungsschema der Kurbel und der Schubstange.

Ein Elektromotor, von dem in Fig. 1 nur das Ende des Ankers 1 dargestellt ist, trägt am Ende seiner Welle ein Ritzel 2, das mit einem System von Zahnrädern zusammenwirkt und diese in Betrieb in Umdrehung versetzt.

Das genannte Zahnrädersystem besteht aus zwei Radsätzen von je drei Rädern, von welchen das Antriebsrad beiden Radsätzen gemein ist. Von den verbleibenden Rädern bildet je eines des einen Radsatzes mit einem gleichdimensionierten des anderen Radsatzes ein Paar, wobei sich die Zähnezahlen der beiden Paare wie 1 : 2 zueinander verhalten. Die großen Zahnräder 3 und 4, die ein Zahnräderpaar bilden, und die ihnen zugehörigen kleinen Räder 5 und 6, die ebenfalls ein Zahnräderpaar bilden, sind jeweils übereinander, d. h. in ungleichen parallelen Ebenen angeordnet. Das große Rad 3 steht mit dem kleinen Rad 5 und das große Rad 4 mit dem kleinen Rad 6 in Eingriff. Das Motorritzel 2 hat eine solche Breite, daß es gleichzeitig mit zwei in verschiedenen Ebenen liegenden Zahnrädern, von welchen je eines einem der genannten Zahnräderpaare zugehört, in Eingriff stehen kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel treibt das Motorritzel 2 ein großes Zahnrad 4 und gleichzeitig ein kleines Zahnrad 5 an. Wie oben erwähnt, liegen die großen Zahnräder 3 und 4 nicht in derselben Ebene; sie drehen sich auch dank der beschriebenen Anordnung in entgegengesetzten Richtungen. Dadurch ist es erforderlich, daß die Drehachse des einen Rades in bezug auf die Drehachse des andern Rades um etwas mehr als eine Zahnhöhe so versetzt ist, daß nur die Zähne des einen der beiden Räder, in diesem Falle des Rades 4, mit denjenigen des Motorritzels 2 in Eingriff sein können, während diejenigen des Rades 3 das Ritzel nicht berühren. Die Achsen der beiden Räder 3 und 4 liegen in einer durch die beiden Totpunktlagen der Kurbelachse gehenden Mittelebene. Diese beiden Zahnräder können eine gemeinsame feste Drehachse 7 haben, bei welcher die Drehzapfen um den Betrag e, der im wesentlichen einer Zahnhöhe entspricht, zueinander exzentrisch sind. Die Achsen der kleinen Räder 5 und 6 sind beidseitig der Mittelebene angeordnet, derart, daß nur die Zähne des einen Rades mit dem Antriebsritzel 2 in Eingriff stehen. Da je eines dieser Räder mit einem der großen Räder in Eingriff steht, laufen sie ebenfalls in entgegengesetzten Richtungen um.

Ein Werkzeugträger 8 ist in Führungen 9 gleitbar gelagert, so daß er längsweise hin und her bewegt werden kann. Als Werkzeug ist mit dem Träger eine Säge 10 dargestellt, es könnte sich aber ebensogut um eine Feile oder um ein Stechwerkzeug handeln, ohne das Wesen der Erfindung zu beeinträchtigen. Zur Übertragung der Motorleistung auf das Werkzeug und Umwandlung der Drehbewegung in eine hin und her gehende Bewegung ist zwischen dem Zahnrad 3 und dem Werkzeugträger 8 eine Schubstange 11 vorgesehen. Das eine Ende dieser Schubstange ist auf einem am großen Zahnrad 3 befestigten Kurbelzapfen 12 und das andere Ende an einem mit dem Werkzeugträger 8 verbundenen Kreuzkopf 13 drehbar gelagert.

Das Zahnrad 3 weist dem Kurbelzapfen 12 diametral gegenüberliegend ein exzentrisches Gegengewicht 3' auf, welches das Massenmoment des

Kurbelzapfens plus einen angemessenen Anteil der Schubstangenmasse sowie einen Teil der aus den schwingenden Massen von Werkzeug und Werkzeughalter resultierenden Trägheitskräfte kompensiert. Der noch verbleibende Anteil an aus den gleichen Massen entstehenden Trägheitskräften wird durch die Anbringung eines weiteren Gegengewichtes 4' am gegenläufigen Zahnrad 4 kompensiert. Die Gegengewichte 3' und 4' sind so zueinander angeordnet, daß ihre Schwerpunkte beim Umlaufen die vorerwähnte Mittelebene ' jeweils gleichzeitig in einer dem jeweiligen Kurbeltotpunkt um i8o° gegenüberliegenden Lage schneiden. Dadurch werden schädliche Schwingungen der einfachen Frequenz in ihrer Entstehung unterdrückt. Nun hat sich aber, wie eingangs erwähnt, gezeigt, daß bei jedem Hub des Kreuzkopfes in beiden Richtungen infolge der durch die Schubstange verursachten Verzögerungen und Beschleunigungen eine zusätzliche Schwingung doppelter Frequenz entsteht, die der genannten Schwingung einfacher Frequenz überlagert ist. Dies ist im Schema (Fig. 3) sichtbar dargestellt. Die Schubstange 11 schließt mit der durch die beiden Totpunktlagen T₁ und T₂ der Kurbel 12 gelegten Achse 14 einen Winkel a ein, der während der ersten Vierteldrehung der Kurbel aus einem Totpunkt heraus zunimmt und bei einem Kurbelwinkel β = 90⁰ das Maximum erreicht. Der Kurbelzapfen hat nun in dieser Lage die halbe der einem Hube S entsprechenden Bogenlänge zurückgelegt; der Kreuzkopf 13 dagegen hat die Mittelachse 15 des Hubes S noch nicht erreicht, wozu die Strecke j noch fehlt. Dies ist die Folge der durch die Zunahme des Winkels « am Kreuzkopf verursachten Verzögerung. Beschreibt nun der Kurbelzapfen die zweite Vierteldrehung bis zum andern Totpunkt, so tritt dann umgekehrt eine Abnahme des Winkels α ein, bis er den Wert o° erreicht und die Schubstange die Achse 14 deckt. Dies hat, im Gegensatz zur ersten Vierteldrehung, eine Beschleunigung des Kreuzkopfes zur Folge, was daraus ersichtlich ist, daß während der ersten Vierteldrehung der Kurbel

Cf

.- der Kreuzkopf einen Weg = - — ί und während •0 2

der zweiten Vierteldrehung einen Weg = — + ί in

der gleichen Zeit zurücklegt. Auch weist die Verzögerungs- und Beschleunigungskurve C bezüglich der Mittelachse 15 eine asymmetrische Form auf. Damit nun diese Schwingungen doppelter Frequenz ebenfalls bei der Entstehung unterdrückt werden, sind die Räder des kleinen Paares, die dementsprechend mit der doppelten Drehzahl der großen Räder umlaufen, auch mit exzentrischen Gegengewichten 5' und 6' versehen. Diese Gegengewichte des kleinen Räderpaares sind so zueinander angeordnet, daß beim Umlaufen ihre Schwerpunkte jeweils ihre höchste Lage, entgegengesetzt zu der in Fig. 2 dargestellten Lage, gleichzeitig dann erreichen, wenn sich die Kurbel nach jeder halben Umdrehung in einer ihrer Totpunktlagen befindet. Durch zweckentsprechendes und genaues Abstimmen der verschiedenen Gegengewichtsmassen aufeinander kann ein praktisch vibrationsloser Gang des Getriebes erreicht werden. Ein kleiner Schwingungsrest, der auch in einer zur Bewegungsrichtung des Werkzeuges verschiedenen Richtung in Erscheinung treten kann, könnte, falls erforderlich, durch Anbringen eines oder mehrerer weiterer Zahnräderpaare eliminiert werden. Der vorhandene meßbare Schwingungsrest ist jedoch so geringfügig, daß er kaum wahrnehmbar ist und ohne weiteres vernachlässigt werden kann.

Claims

Patentansprüche:

i. Kurbelgetriebe zur Umwandlung einer hochtourigen motorischen Drehbewegung in eine erschütterungsfreie, geradlinig hin und her gehende Bewegung hoher Periodenzahl, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe zwei Radsätze mit einem gemeinsamen Antriebsrad aufweist, bei welchem, außer dem gemeinsamen Antriebsrad, jedes Rad ein exzentrisches Gegengewicht trägt und je ein Rad des einen Satzes mit einem gleichdimensionierten Rad des andern Satzes ein Radpaar von in entgegengesetzten Richtungen umlaufenden Rädern bildet, von welchen Radsätzen der eine zur Übertragung der Motorleistung auf das Kurbelorgan dient, wobei seine exzentrischen Gegengewichte einen Teilausgleich der durch die in rotierender und in geradliniger Bewegung befindlichen unausgeglichenen Massen erzeugten Schwingungen bewirken, während gleichzeitig der andere Radsatz und seine exzentrischen Gegengewichte zum harmonischen Schwingungsausgleich beitragen.
2. Kurbelgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Radsatz aus drei Zahnrädern besteht, und daß die jeweils ein Paar bildenden Räder in ungleichen Ebenen liegen, wobei die Zähnezahlen der Räder des einen Paares sich zu denjenigen des andern Paares wie 1 : 2 verhalten.
3. Kurbelgetriebe nach Ansprüchen 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß eines der das größere Paar bildenden Zahnräder (3, 4) als no Kurbelorgan ausgebildet ist, an dessen Kurbelzapfen (12) zur Übertragung der Kurbelbewegungen auf das hin und her gehende Organ (8) eine Schubstange (11) angelenkt ist, sowie durch eine gegenseitige Anordnung der beiden Räder dieses Radpaares, bei welcher ihre Achsen in einer durch die zwei Totpunktlagen der Kurbelachse gehenden Mittelebene liegen und etwa um den Betrag einer Zahnhöhe voneinander distanziert sind, so daß nur die Zähne des einen Rades mit dem Antriebsritzel (2) im Eingriff stehen, wobei die Schwerpunkte der beiden Gegengewichte (3', 4') dieses Radpaares beim Umlaufen die Mittelebene jeweils gleichzeitig in einer dem jeweiligen Kurbeltotpunkt um i8o° gegenüberliegenden Lage schneiden.

4· Kurbelgetriebe nach Ansprüchen ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der das kleine Radpaar bildenden Räder (5, 6) beiderseits der Mittelebene angeordnet sind, derart, daß nur die Zähne des einen Rades mit dem Antriebsritzel (2) im Eingriff stehen, wobei die Gegengewichte (5' 6') dieses Radpaäres so zueinander angeordnet sind, daß beim Umlaufen ihre Schwerpunkte jeweils ihre höchste Lage gleichzeitig dann ereichen, wenn sich die Kurbel (12) nach jeder halben Umdrehung in einer ihrer Totpunktlagen befindet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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