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Stand
der Technik
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Aus
der
DE 10 2004
011 583 A1 ist eine Kreiskolbenmaschine, die über ein
elliptisches Getriebe gesteuert wird, bekannt. Dabei stehen sog.
elliptische Kopplungskörper
miteinander in Wirkverbindung und bewirken die periodisch variierende
Umfangsgeschwindigkeit der Kolben. Diese Wirkverbindung wird u.a.
durch die Form der elliptischen Kopplungskörper, durch eine magnetische
Kopplung oder durch einen Endlosriemen erreicht.
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Der
wesentliche Nachteil dieser kraftschlüssigen Kopplung ist jedoch
die Tatsache, dass durch eine mögliche
Verschiebung der Kopplungskörper zueinander
die Relativbewegung der Kolben beeinträchtigt wird, so dass der Prozessverlauf
gestört bzw.
unterbrochen wird.
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Bei
der Verwendung von elliptischen Zahnrädern kann die zu erreichende
Drehwinkelverstellung durch die Ellipse beeinflusst werden, um somit
ein optimales Verhältnis
zwischen Kolbenbreite (Länge) und
Hub herstellen zu können,
jedoch sind elliptische Zahnräder
in Bezug auf ihre Laufkultur vorwiegend in unteren Drehzahlbereichen
einsetzbar.
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Die
FR 2 760 786 hat einen Kolbenmotor zum
Inhalt, der über
elliptische Zahnräder,
die durch eine Kette bzw. Zahnriemen miteinander gekoppelt sind,
gesteuert wird. Dadurch ist eine dauerhafte Übertragung der periodisch veränderlichen
Relativgeschwindigkeiten auch bei höheren Drehzahlen möglich. Jedoch
wird in der
FR 2 760 786 die
wechselnde Vorspannung der Kette nicht berücksichtigt, die für exakte Übertragungseigenschaften
innerhalb einer Umdrehung sorgt.
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Aus
der
DE 1536 525 ist
ein Klassierungsmagazin mit einem Spannmechanismus für ein elliptisches
Kettengetriebe bekannt. Dieser Mechanismus beruht jedoch auf federbelastete
Spannrollen, die für
den dauerhaften Betrieb bei hohen Drehzahlen nicht für Brennkraftmaschinen
geeignet sind.
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Die
DE 4241231 A1 beschreibt
ein Umschlingungsgetriebe mit periodisch veränderlicher Übersetzung, das durch exzentrische
Schieben und einem Umschlingungsorgan gebildet wird.
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Aufgabe
der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Erzeugung der Relativbewegung
der Rotationskolben einer Verbrennungs- oder Arbeitskraftmaschine
unter dem Aspekt, die Laufeigenschaften, die Laufruhe in hohen Drehzahlbereichen
und die Übertragung
des Drehmomentes zu optimieren. Der Erfindung liegt ein elliptisches
Zahnradgetriebe zu Grunde, welches mit einem Hülltriebsystem in Form eines Zahnriemen,
einer Zahnkette oder einer Kette versehen ist, wobei elliptische
Steuerzahnritzel die Vorspannung des Hülltriebsystems während des
Betriebs konstant halten.
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Beschreibung:
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1 – ein Längsschnitt
durch ein erstes Ausführungsbeispiel
einer Rotationskolbenmaschine
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1a – das Ausführungsbeispiel
einer Rotationskolbenmaschine mit den sich um 45° weitergedrehten Hülltriebsystemen
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2 – die Stellung
zweier übereinanderliegender
Hülltriebsysteme
der Rotationskolbenmaschine zum Zeitpunkt des obersten Todpunktes
der sich gerade gegenüberliegenden
Rotationskolben
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2a – das Ausführungsbeispiel
einer Rotationskolbenmaschine nach 2 mit den
sich um 45° weitergedrehten
Hülltriebsystemen
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3 – den obersten
Todpunkt der gegenüberliegenden
Rotationskolben
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3a – das Ausführungsbeispiel
einer Rotationskolbenmaschine nach 3 mit den
sich um 45° weitergedrehten
Hülltriebsystemen
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4 – ein Hülltriebsystem
in seiner Grundstellung, die Hauptzahnscheiben liegen auf parallelen
Achsen und sind um 90° zueinander
verdreht, sowie die Innenanordnung der Steuerzahnritzel
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5 – eine Ansicht
analog 4 – das Hülltriebsystem
in einer symmetrisch gleich gedrehten Stellung, sie zeigt die Position
der Hauptzahnscheiben und der Steuerzahnritzel zueinander
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6 – eine Ansicht
analog 4 – ein
Hülltriebsystem
in seiner Grundstellung, sowie die um 90° verdrehte Position der Hauptzahnscheiben
und die Position der Steuerzahnritzel dazu
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7 – eine Ansicht
analog 6 – ein
Hülltriebsystem
von seiner Grundstellung aus um plus, bzw. minus 45° verdrehten
Stellung der unteren Hauptzahnscheiben sowie die Position der Steuerzahnritzel
dazu
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8 – eine Ansicht
analog 4 – ein
Hülltriebsystem
in seiner Grundstellung und dessen Auslenkung der Teilkreislinie
im Trumm im halben Achsabstand, bei innen Angeordneten Steuerzahnritzeln
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9 – eine Ansicht
analog 5 – ein
Hülltriebsystem
in einer symmetrisch gleich gedrehten Stellung und der Umhüllungslinie
(16) sowie der sich daraus ergebenden Zusammenhänge der
Achsabstände
(A1....A4) bei innen angeordneten Steuerzahnritzeln
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10 – eine Ansicht
analog 5 – ein Hülltriebsystem
in einer symmetrisch gleich gedrehten Stellung und dessen Auslenkung
der Teilkreislinie im Trumm im halben Achsabstand bei innerer Anordnung
der Steuerzahnritzel
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11 – eine Ansicht
analog 8 – ein Hülltriebsystem
in seiner Grundstellung und dessen Auslenkung der Teilkreislinie
im Trumm im halben Achsabstand, bei außen angeordneten Steuerzahnritzeln
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12 – eine Ansicht
analog 5 – ein Hülltriebsystem
in einer symmetrisch gleich gedrehten Stellung und der Umhüllungslinie
(16) sowie der daraus sich ergebenen Zusammenhänge der
Achsabstände
(A1....A4) bei außen
angeordneten Steuerzahnritzeln
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Die 1, 1a, 2, 2a; 3 und 3a erläutern den
Aufbau einer Rotationskolbenmaschine mit diametral liegenden Rotationskolben,
die durch zwei entsprechend gekoppelte Hülltriebsysteme (8)
zyklisch rotatorisch bewegt werden.
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Das
Arbeitsprinzip dieser Rotationskolbenmaschine ist bekannt und wird
hier nicht näher
erläutert.
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Die
Besonderheit beim Hülltrieb
mit gleichen elliptischen Übertragungsscheiben
ist, dass sich die freie Treibriemenlänge, d.h. die Treibriemenlänge, die
zwischen den Übertragungsscheiben
nicht im Eingriff ist, je nach Einbauwinkel der Übertragungsscheiben zueinander
periodisch verändert.
Diese Längenänderung
kommt durch die sich ständig ändernden
Winkel der Abrollellipse zwischen treibender und angetriebener Scheibe
zustande, sie wiederholt sich periodisch.
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Die
zu erreichenden Laufeigenschaften sind u.a. abhängig von der Elliptizität der Scheibenpaare und
von einer immer gleichen Vorspannung der verwendeten Übertragungselemente
während
einer Drehperiode.
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Da
sich aber die freie Treibriemenlänge
nicht von selbst periodisch verändern
kann, muss diese durch eine Umfangsänderung im System der elliptischen Übertragungsscheiben
ausgeglichen werden. D.h., um die benötigte Vorspannung zu sichern,
muss sich entweder ein Achslager ständig im Rhythmus bewegen oder
sich eine dem Rhythmus anpassende Spannrolle die Länge im Trieb
konstant halten.
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Dieses
wird bei allen bekannten klassischen Hülltrieben über das Anstellen von Spannrollen, Spannschienen
usw. im Trumm erreicht.
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Beim
Hülltrieb
ohne perforierten Treibriemen würden
die Übertragungsscheiben
nach einigen Umdrehungen ihre Stellung zueinander verändern, d.h. der
Effekt der Winkelverdrehung der Übertragungsscheiben
ist undefiniert und somit unsinnig.
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Aus
diesen Überlegungen
erweist sich ein Übertragungselement
mit Zahneingriff als Vorteil, denn dessen Zähne können gleich zur Steuerung des Systems
zur Umfangsänderung
genutzt werden, zugleich Übertragen
sie winkelgenau bzw. mit entsprechender Winkelverdrehung den Eingangsimpuls.
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In
der 4 ist der Prinzipaufbau der Erfindung erläutert, einen
Hülltrieb
(8) für
ein elliptisches Zahnscheibenpaar (9, 10) zu erfinden,
der neben der Änderung
der Drehwin kel zwischen treibender (A2) und getriebener Achse (A1)
auch den sich daraus ergebenden periodisch wechselnden Belastungsrichtungen
im Trieb standhält
und der zugleich eine konstante Vorspannung von Zahnriemen, Zahnkette, Kette
(13–15)
innerhalb einer Umdrehung gewährleistet.
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Die
Bedingung ist, dass sich die elliptischen Hauptzahnscheiben (9, 10)
mit 90° Achsverdrehung und
verbunden über
einen Zahnriemen, Zahnkette, Kette (13–15) im gleichen Drehsinn
drehen.
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Bei
diesem Hülltrieb
(8) mit elliptischen Scheiben, wie in 5 dargestellt,
verändert
sich die freie, also nicht im Eingriff befindliche Umhüllungslinie
(16) nach ca. einer ¼ – Umdrehung
zwischen dem maximalem und minimalem Umfangswert. Innerhalb einer
Umdrehung wiederholt sich dieses 4× periodisch unter der Voraussetzung,
dass die elliptischen Hauptzahnscheiben (9, 10)
einen konstanten Achsabstand (A1, A2) haben, eine Übersetzung
von 1:1 aufweisen und sich die Scheiben um 90° winkelverdreht um die Achsen
(A1, A2) drehen.
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Bei
jeder periodischen Umdrehung der elliptischen Hauptzahnscheiben
(9, 10) mit der Bedingung eines konstanten Achsabstandes
von A1 und A2 erfolgt bei diesem erfindungsgemäßen Hüllantrieb (8) ein
Längenausgleich
durch periodisch – veränderliche
Steuerzahnritzel (11, 12).
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Die
Steuerung der Steuerzahnritzel erfolgt synchron zur Drehbewegung
der elliptischen Hauptzahnscheiben (9, 10) durch
Zahneingriff in die Zähne des
Zahnriemens, einer Zahnkette oder einer Kette (13–15).
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Wie
in der 5 gezeigt, stehen dabei alle elliptischen Rotationskörper genau
spiegelbildlich zueinander. Dabei wird der freie Hüllumfang
zwischen den Achsen (A1, A2) und den Hauptzahnscheiben (9, 10)
kürzer,
so dass er periodisch durch das Auslenken des Zahnriemens; der Zahnkette
oder Kette (13–15)
mittels periodisch – veränderlichem
Steuerzahnritzel (11, 12) korrigiert wird.
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Der
Hülltrieb
(8) nach 2 besteht aus zwei Zahnscheiben,
den Hauptzahnscheiben (9, 10) und aus zwei Steuerritzeln,
den Steuerzahnritzeln (11, 12).
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Die
Anordnung der Steuerzahnritzel (11, 12) erfolgt
symmetrisch zu den Hauptzahnscheiben (9, 10).
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Sie
können
sowohl im Innen- als auch im Außenbereich
des Hülltriebes
angeordnet werden. In 8–10 ist
die Innenanordnung und in den 11 und 12 die
Außenanordnung
der Steuerzahnritzel (11, 12) dargestellt.
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Beim
Einsatz eines einfachen Zahnriemens oder einer Zahnkette als Antriebselement
ist nur die innere Anordnung der Steuerzahnritzel möglich Fig. (4–10).
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Bei
Verwendung eines doppelseitigen Zahnriemens oder beim Einsatz einer
Kette als Hülltrieb (8)
können
die Steuerzahnritzel (11, 12) sowohl im inneren
als auch im äußerem Bereich
des Trumms angeordnet werden.
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Die
Außenkontur
der Steuerzahnritzel (11, 12) entspricht der einer
Ellipse, beide Steuerzahnritzel sind in den Außenkonturen gleich.
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Ein
Steuerzahnritzel (11 bzw. 12) hat die halbe Zähnezahl
im Vergleich zu den Hauptzahnscheiben (9, 10).
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Die
Ellipse der Steuerzahnritzel (11, 12) hängt neben
den Parametern der elliptischen Hauptzahnscheiben (9, 10),
wie Ellipsenverhältnis
oder Achsabstand (A1 , A2), auch von der Anordnung der Steuerzahnritzel
(11, 12) im System vom verwendeten Umschlingungselement
sowie vom Umschlingungswinkel zwischen Antriebs- und Abtriebseite
ab.
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In
den 8 und 10 sowie den 11 und 12 ist
die Länge
der Umhüllungslinie
(16) der Summe aus F und G ebenso groß wie der Abstand in den 8 bzw. 11,
der sich aus der Anzahl der Zähne(n)
des Umschlingungselementes einer Seite im Trumm mal der Teilung
(T) ergibt. T × n = F + G
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Die
Auslegung der Steuerzahnritzel (11, 12) ist in
der kleinsten Kurve ihrer Ellipse an die Parameter des kleinsten
zulässigen
Radius' des verwendeten
Umschlingungselements wie Zahnriemen, Zahnkette oder Kette (13–15)
gebunden, d.h. sie bestimmen die nachfolgenden Größenverhältnisse
der Übertragungselemente.
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Bei
der Entwurfsskizze des elliptischen Hülltriebes (8) ist
das notwendige Zähnezahlverhältnis von
1:2 zwischen Steuerzahnritzel (11, 12) und den Hauptzahnscheiben
(9, 10) zu berücksichtigen,
dabei spielt die Teilkreislinie des verwendeten Übertragungselementes für die Festlegung
der Achsabstände
(A1, A2, A3, A4) eine entscheidende Rolle.
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Während der
Rotation dürfen
Hauptzahnscheiben (9, 10) und Steuerzahnritzel
(11, 12) in ihrer Kopfkreisellipse nicht kollidieren.
Dieses ist vorwiegend bei der inneren Anordnung der Steuerzahnritzel (11; 12)
zu berücksichtigen.
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Die
Parameter zur Konstruktionsauslegung der Zähne bzw. Zahnlücken in
den elliptischen Zahnscheiben (9, 10, 11, 12)
sind aus den Datenblättern des
einzusetzenden Zahnriemens, der Zahnkette oder Kette zu entnehmen
und entsprechend zu korrigieren.
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Bei
der Konstruktion des ellipsoiden Zahnrades ist immer vom Teilkreisdurchmesser
(Z1, Z2) eines runden Zahnscheibenrades oder Kettenrades auszugehen.
Dieses wird genau in seinem Umfang ermittelt und auf ein ellipsoides
Zahnrad äquivalent übertragen.
Dabei gibt das Verhältnis
von D – d
(oder DD – dd)
= das Ellipsenverhältnis
an. Es entspricht annähernd
dem der Teilkreisellipse des ellipsoiden Zahnrades.
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Durch
Interpolation müssen
die Teilkreisellipsen der ellipsoiden Zahnräder (9, 10, 11, 12)
optimal auf die Zähnezahl
(Teilung) aufgeteilt werden.
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Zur
Bestimmung der Steuerzahnritzelellipse muss die Änderung der Längendifferenz
der freien Umhüllungslinie
im Trumm plus der daraus resultierenden zusätzlichen Auslenkung durch die
Steuerzahnritzel (11, 12), die sich während der
periodischen Drehphase aus dem Abrolleffekt ergibt, in das Ellipsenverhältnis zur
Bestimmung mit einbezogen werden.
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Dieses
Verhältnis
ist genau zu berechnen oder an Hand eines Musters zu ermitteln.
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Aus
den 8 bis 12 sollen die Veränderungen
bzw. soll der Zusammenhang einzelner Längenänderungen innerhalb einer periodischen Drehphase
veranschaulicht werden.
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Die
Ableitungen der sich daraus ergebenden Maßbedingungen stehen in bestimmten
Verhältnissen
der rotierenden Hüllteilkreisellipsen
zueinander.
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In
den Erläuterungen
zu den 8 bis 12 werden nachfolgende Kürzel verwendet:
- L1
- – Abstand der Hauptzahnscheiben
(9, 10) zueinander, Strecke von A1 zu A2
- L2
- – Maß zur Bestimmung der Achsabstände zwischen
A3 und A4
- L3
- – tatsächliche Auslenkung der Umhüllungslinie
(16) in symmetrisch gleicher Drehposition im kurzen Trummbereich
- L4
- – tatsächliche Auslenkung der Umhüllungslinie
(16) in symmetrisch gleicher Drehposition im langen Trummbereich
- B
- – Abstand der Steuerzahnritzel
(11, 12) zueinander, Strecke von A3 zu A4
- C
- – Übergansbereich der tatsächlichen
Auslenkung der Umhüllungslinie
(16) im kurzen bzw. im langen Trummbereich
- D
- – Durchmesser der großen Achse
der elliptischen Steuerzahnritzel (11, 12)
- DD
- – Durchmesser der großen Achse
der elliptischen Hauptzahnscheiben (9, 10)
- d
- – Durchmesser der kleinen Achse
der elliptischen Steuerzahnritzel (11, 12)
- dd
- – Durchmesser der kleinen Achse
der elliptischen Hauptzahnscheiben (9, 10)
- E
- – Maß zum konstruktiven Festlegen
der symmetrisch gleichen Drehposition der Hauptzahnscheiben (9, 10)
- F
- – tatsächliche Länge der Umhüllungslinie (16) in
symmetrisch gleicher Drehposition im langen Trummbereich
- G
- – tatsächliche Länge der Umhüllungslinie (16) in
symmetrisch gleicher Drehposition im kurzen Trummbereich
- T
- – Zahnteilung von Zahnriemen,
Zahnkette, Kette (13–15)
- n
- – Zähnezahl im Trumm
- Z1
- – Teilkreisdurchmesser der
elliptischen Hauptzahnscheiben (9, 10) bezogen
auf ein rundes Zahnscheibenrad
- Z2
- – Teilkreisdurchmesser der
elliptischen Steuerzahnscheiben (11, 12) bezogen
auf ein rundes Zahnscheibenrad
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Bei
den Vorgabewerten der Hauptzahnscheiben (9, 10),
Teilkreisellipse von DD und dd, wird die Teilkreisellipse der Steuerzahnritzel
wie folgt bestimmt: D = Z2 + (L3 + L4 )/4 d = Z2 – (L3
+ L4 )/4
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Dieses
sind theoretische Werte, die durch praxisnahe Versuche noch optimiert
werden sollten.
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Durch
die ständigen
Seitenwechsel zwischen langem und kurzem Trummbereich während der
Drehbewegungen des Systems ergibt sich durch unterschiedliche Auslenkungen
von L3 und L4 ein Verdrehsinn der Hauptscheiben nach je einer Drehung
um 90°.
Dieser Verdrehsinn resultiert aus dem Differenzmaß C, welches
durch die Berechnung vermittelt wird.
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Betrachtet
man nach diesem Umstand ein Hülltriebsystem
allein, dann würde
die Drehwinkelverstellposition innerhalb von zwei Perioden nicht
exakt synchron verlaufen. Bei der Anordnung zweier Hülltriebe
(8) nach Anspruch 1 überlagert
sich diese Ungenauigkeit der Drehwinkelposition so, dass sich die
Fehler gegenseitig aufheben.
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Aus
den 8 bis 12 sind die einzelnen Längen der
Umhüllungslinie
(16) und die sich daraus ergebenden Zusammenhänge der
Achsabstände (A1
bis A4) ersichtlich.
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Um
aber die Zahnteilung von Zahnriemen und Kette ermitteln zu können, ist
Folgendes zu beachten:
Es besteht ein unmittelbarer Zusammenhang
zwischen den Zahnstellungen der Hauptzahnscheiben, den Steuerzahnritzeln
und der Zähnezahl
von Zahnriemen bzw. Kette.
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Die
Zahnstellung der ineinandergreifenden Elemente muss so aufeinander
abgestimmt sein, dass sich der Hülltrieb
(8) innerhalb einer Umdrehung in allen vier Perioden auf
ein genau symmetrisches Stellungsbild ausrichtet.
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Die
gewählte
Anzahl der Zähne
des Zahnriemens bzw. der Kette muss dabei immer durch zwei teilbar
sein.
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Ordnet
man zu diesem Hülltriebsystem
(8) ein zweites System parallel und mit 90° zueinander verdrehten
Hauptzahnscheiben an, wobei beide Systeme auf einer gemeinsamen
Abtriebsachse untereinander verbunden sind (4, 5),
so erhält
man die doppelt erreichbare Winkelverdrehung in den Achsen jeder
Hauptzahnscheibe (10) der Antriebsseiten.
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Diese
beschriebene Anordnung der beiden Hülltriebe (8) erlaubt
es, dass die Achsen (A2) der Abtriebseite und die der spiegelbildlich
angeordneten Steuerzahnritzel (A3 oder A4) jedes Hülltriebes
auf gleichen Achsen liegen, die Antriebsseiten und deren gleichen
Achsen (A2) liegen jedoch auf unterschiedlichen Wellen, die über ineinandergeschobene
Wellen das Drehmoment zyklisch von den Rotationskolben übernehmen.
Die Steuerzahnritzel (11, 12) drehen sich dabei
pro Hülltriebsystem
(8) nicht synchron zueinander. Sie sind paarweise je Achse
(A3 spiegelbildlich A4) einzeln gelagert.
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Die
Vorteile eines elliptischen Hülltriebes
bestehen darin, dass er laufruhiger ist und in der Leistungsübertragung
optimaler als beim elliptischen Zahnradpaar, da nicht nur ein Zahn
im Eingriff steht.
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Durch
Formschluss zwischen den elliptischen Hauptzahnscheiben (9, 10)
und den elliptischen Steuerzahnritzeln (11, 12)
und deren Stellung zueinander im System und zum Zahnriemen, zur Zahnkette
oder Kette (13–15)
wird eine Kraftübertragung
mit wechselnder Kraftrichtung im Trumm möglich bzw. kann die Drehrichtung
des Hülltriebes
unabhängig
des Kraftrichtungswechsels verändert
werden.