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Triebwerk zur Umwandlung der translatorischen Kolbenbewegung einer
Brennkraftmaschine in die rotierende Bewegung der Abtriebswelle mit Schwinghebeln,
Schwingkurbeln und Freilaufkupplungen Es sind Brennkraftmaschinen mit mindestens
zwei hin- und hergehenden Kolben bekannt, von denen jeder mit einem Schwinghebel
gekuppelt ist, welcher zusammen mit anderen Triebwerksteilen zur LUbertragung der
Antriebskraft auf die Abtriebswelle dient. Die Schwinghebel sind über Gleitkörper,
Lenker od. dgl. mit zu beiden Seiten in einem verstellbar angeordneten Joch gelagerten
Schwingkurbeln sowie über diese mit nur in einer Drehrichtung wirksamen Kupplungen
kraftschlüssig verbunden. Die letzteren versetzen über Zahnräder die senkrecht zur
Zylinderachse verlaufende Abtriebswelle der Brennkraftmaschine abwechselnd und absatzweise
in Rotation. Zum Antrieb der Hilfsmaschinen ist vorzugsweise eine eigene von der
Abtriebswelle unabhängige Kurbel- oder Exzenterwelle zwischen den einander gegenüberliegenden
Kolben vorgesehen. Die Exzenterwelle trägt jeweils eine oder mehrere in einer Zylinderlängsmittelebene
bzw. in Parallelebenen hierzu liegende Exzenterscheiben, an der bzw. an denen die
Stirnflächen von einander diametral gegenüberliegenden, einseitig abgeschlossenen
Gleithülsen anliegen. Diese Gleithülsen sind in den Kolben in ihrer Längsrichtung
axial verschiebbar gelagert und stehen jeweils unter dem Druck einer vorzugsweise
zwischen den abgeschlossenen Enden der Gleithülsen und den Kolbeninnenseiten wirksamen
Feder.
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Die Erfindung bezieht sich auf derartige Triebwerke, welche die translatorische
Kolbenbewegung der Brennkraftmaschine in die rotierende Bewegung der Abtriebswelle
umwandeln. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einmal ein präziseres Ein- und Auskuppeln
der den pulsierenden Kraftschluß herstellenden Kupplungen zu erreichen und zum anderen
den konstruktiven Aufbau der letzteren sowie des die Drehmomentwandlung durch Änderung
seiner Winkelstellung herbeiführenden Getriebe-Jochs zu vereinfachen.
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Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die
im Zeitpunkt des Richtungswechsels der Kolben gelösten Kupplungen koaxial zur Schwenkachse
des Joches angeordnet sind. Die Steuerung des Ein- und Ausrückens der Kupplungen
soll mittels eines Arbeitskolbens oder mittels eines mit diesem in Verbindung stehenden
Motorteils erfolgen. Der Kupplungseingriff kann auch über einen Impulsgeber gesteuert
werden, dessen Stromkreis nach erfolgter Verbrennung im Arbeitszylinder durch Ionisation
der Verbrennungsgase geschlossen wird.
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Die Verwendung findenden mechanischen Kupplungen bestehen aus zwei
Kupplungsglocken und einem mit der Abtriebswelle fest verbundenen Kupplungsring.
Die eine Kupplungsglocke ist über eine Verzahnung mit dem Zahnsegment des einen
Schwingkurbelzapfens und die andere, ihr diametral gegenüberstehend - angeordnete
zweite Kupplungsglocke über eine Verzahnung mit dem Zahnsegment des anderen Schwingkurbelzapfens
verbunden. Der mit der Abtriebswelle kraftschlüssig verbundene, abwechselnd mit
einer der beiden vorgenannten Kupplungsglocken in Reibschluß stehende Kupplungsring
weist zwei beidseitig konisch ausgebildete, mit Reibbelag versehene Ringflächen
auf. Der Kupplungsring steht mit der Abtriebswelle über eine aus zwei Einzelscheiben
zusammengesetzte, geschlitzte Tellerfederscheibe und über kugelig gelagerte Schwenkstücke
in kraftschlüssiger Verbindung.
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Die elastisch mit den Arbeitskolben der Brennkraftmaschine verbundene
Exzenterwelle ist mit einem Zahnrad ausgerüstet, welches mit einem Zahnrad kämmt,
das auf seiner Zylinderinnenfläche mit einer beidseitig annähernd sinusförmig ausgebildeten
Leiste versehen ist, auf der Rollen abrollen, welche über einen Stößel und. Drucklager
die axiale Steuerbewegung auf den mit der Tellerfederscheibe umlaufenden Lagerring
und damit auf den Kupplungsring übertragen. Die Steuerbewegung kann ebenso hydraulisch
übertragen werden, wobei der Geberteil auf der Kurbel- bzw. Exzenterwelle angeordnet
sein kann.
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Die Kupplung der Schwingkurbeln mit der Abtriebswelle kann auch über
elektromagnetisch betätigte Reibkupplungen erfolgen. In diesem Fall wird mit der
Abtriebswelle eine Scheibe fest verbunden,
welche den Kraftschluß
gemäß der eingeschalteten Feldwicklung der elektromagnetisch betätigten Reibkupplung
mit einem der beiden Kupplungsteile herstellt.
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In Weiterbildung der Erfindung wird ferner vorgeschlagen, die Kupplungen
-so auszubilden, daß sie ohne Reibungsschluß arbeiten. Hierzu können auch die rotierenden
Teile ebenso wie die schwingenden Kupplungsteile mit felderzeugenden Mitteln ausgestattet
werden, um den Reibungsschluß zu vermeiden. Eine Drehmomentübertragung erfolgt dann
durch Wechselwirkung der elektrischen Felder von schwingendem und rotierendem Kupplungsteil.
Die Stromzuführung zum rotierenden Teil muß dabei schleifend erfolgen.
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In den Fig. 1 bis 8 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, für welches
zwei verschiedene Kupplungsausführungen vorgesehen sind. Gewählt wurde als Beispiel
eine Vierzylinder-Flugkolbenmaschine, bei der jeweils zwei Kolben voneinander gegenüberliegenden
Zylindern synchron arbeiten. Es sind nur die Maschinenteile mit einem Bezugszeichen
versehen, die zum Verständnis des Erfindungsgedankens notwendig sind.
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Fig. 1 zeigt das erfindungsgemäß ausgebildete Triebwerk im Längsschnitt;
aus Fig. 2 ist ein um 90' verdrehter Schnitt entlang der Linie A-B in Fig. 1 zu
ersehen; Fig. 3 veranschaulicht einen Schnitt entlang der Linie C-D in Fig. l; Fig.
4 zeigt einen Schnitt entlang der Linie E-F in Fig. 1; in Fig. 5 ist eine schematische
Darstellung des verschwenkbaren Getriebejochs gezeigt; Fig. 6 läßt eine schematische
Abwicklung der mechanischen Betätigung der in Fig. 1 und 2 veranschaulichten Kupplung
erkennen; in Fig. 7 ist in vergrößertem Maßstab die das Kupplungsmoment übertragende
Tellerfederscheibe dargestellt. Die diese Scheibe haltenden Teile sind entlang der
Linie G-H in Fig. 1 geschnitten; die Fig. 8 entspricht bezüglich des Schnittes der
Fig. 2. Das Triebwerk ist hier jedoch mit elektromagnetischen Kupplungen anstatt
mit mechanisch betätigten Kupplungen ausgerüstet.
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In den Zeichnungen sind mit 1 und 2 die in den Zylindern 3 und 4 gleitenden
oberen Kolben und mit 5 und 6 die in den Zylindern 7 und 8 gleitenden unteren Kolben
bezeichnet. Die Zylinderköpfe 72 und 73 schließen die Zylinder ab. Die beiden oberen
Kolben stehen über Druckfedern 9, 10 und Druckstücke 11, 12 mit den auf den Exzentern
13, 14 der Exzenterwelle 17 gelagerten Laufringen 15, 16 in kraftschlüssiger Verbindung.
Die Kolben 1 und 5 bzw. 2 und 6 haben über in Nuten 22, 24 bzw. 23, 25 eingreifende
Gleitkörper 18, 20 bzw. 19, 21 Kraftschluß mit den Schwinghebeln 26 und 27, deren
Lagerzapfen 28 und 29 mittels Gleitlager 30 und 31 im Motorgehäuse 32 gelagert sind.
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Die Schwinghebel 26 und 27 sind mit verzahnten Fortsätzen 33
und 34 ausgerüstet, die - wie Fig. 4 und 5 erkennen lassen - miteinander im Eingriff
stehen. Die Fortsätze 35 und 36 dienen zum Massenausgleich. Die Schwinghebel weisen
auf der von den Zylindern abgekehrten Seite eine durchgehende Nut 37 bzw. 38 auf,
in die mittels Gleitkörper 39 und 40
die in dem schwenkbaren Joch 41 gelagerten
Schwinghebel derart eingreifen, daß bei Verschwenken des Jochs 41 eine Verzögerung
oder Verkleinerung der wirksamen Hebelarmlänge erreicht werden kann.
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Die Zapfen 44 und 45 sind jeweils zusammen mit den Schwinghebeln 42
und 43 und den Zahnsegmenten 46 und 47 aus einem Stück gefertigt. Das Zahnsegment
46 der Schwingkurbel 42 kämmt mit dem im Zentrum des Jochs 41 gelagerten Zahnsegment
48, das mit der - im Takt der Arbeitskolben schwingenden - konischen Kupplungsglocke
49 verbunden ist. Entgegengesetzt hierzu ist die Kupplungsglocke 51 schwenkbar gelagert,
deren Zahnsegment 50 mit dem Zahnsegment 47 der Schwingkurbel 43 kämmt.
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In dem von den beiden Kupplungsglocken gebildeten Hohlraum ist der
Kupplungs-Abtriebsteil, der mit der Abtriebswelle 52 in kraftschlüssiger Verbindung
steht, angeordnet. Dieser besteht aus dem beidseitig konisch ausgebildeten, an den
Reibflächen zweckmäßigerweise mit metallischem oder metallkeramischem Reibbelag
versehenen Kupplungsring 53. Letzterer steht einerseits in Drehrichtung über die
in Fig. 6 vergrößert gezeigte, aus zwei Einzelscheiben zusammengesetzte, radial
geschlitzte Tellerfederscheibe 54 mit der Abtriebswelle 52 über kugelig gelagerte
Schwenkstücke 55 in kraftschlüssiger Verbindung, andererseits wird er durch die
in Längsrichtung in jeweils einer Richtung gespannte Tellerfederscheibe entweder
an die konische Lauffläche der Kupplungsglocke 49 oder 51 gepreßt. Zur Anpressung
des Kupplungs-Abtriebsteils an die im Takt der Kolbenbewegung schwingenden Kurbeln
42 und 43 ist die elastisch mit den Arbeitskolben verbundene Exzenterwelle 17 mit
einem Zahnrad 56 ausgerüstet, das - im vorliegenden Beispiel im übersetzungsverhältnis
1 :2 - mit einem im Schwenkzentrum des Jochs 41 in einer zum Gehäuse 32 gehörenden
Wand 59 gelagerten Zahnrad 57 kämmt, das auf seiner Zylinderinnenläche mit einer
beidseitig annähernd sinusförmig ausgebildeten Leiste 58 ausgerüstet ist, auf der
Rollen 61 abrollen. Diese Rollen laufen auf Achsen 62, die die von der Nockenleiste
58 ausgehende axiale Bewegung über die Rollen 61 auf den Stößel 63, der durch eine
federnde, mit der Wand 59 verschraubte federnde Scheibe 60 in Umfangsrichtung festgehalten
wird, übertragen. Drucklager 64 und 65 leiten die Axialbewegung über den mit der
Tellerfederscheibe 54 umlaufenden Lagerring 66 über die sich um die Schwenkstücke
55 schwenkende Tellerfederscheibe in den Kupplungsring 53.
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Damit zwei gegenüberliegende Rollenpaare 61 auf dem Stößel 63 angeordnet
werden können, ist im vorliegenden Beispiel die Übersetzung der Räder 56, 57 mit
1: 2 gewählt. Die Abtriebswelle 52 ist an dem Durchmesser, an dem die Schwenkstücke
55 angeordnet sind, mit einem rohrförmigen Fortsatz 67 verschraubt, der in der Gehäusewand
59 gelagert ist. Das Joch 41 ist im Gehäuse 32 mittels Kugellager 68, 69 schwenkbar
gelagert und kann durch eine Spindel 70, die in eine auf dem Joch 41 befestigte
Verzahnung 71 eingreift, verstellt werden.
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Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Triebwerks soll nachstehend
an Hand des Zusammenspiels der Kolben-Kraftmaschine mit dem Schwingen-Kupplungs-Abtrieb
erläutert werden.
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Die mit der Exzenterwelle 17 starr verbundenen Exzenter 13 und 14
drehen sich entgegen dem Uhrzeigersinn. Fig. 3 läßt erkennen, daß die Kolben 1 und
2 verdichten, während die über die Schwinghebel
26 und 27 mit dem
Kolben 1 und 2 starr verbundenen Kolben 5 und 6 das Gemisch so hoch verdichtet haben,
daß Zündung eintritt, kehren diese Kolben ihre Bewegungsrichtung um, und es beginnt
ein neuer Arbeitstakt. Dasselbe spielt sich um 180° versetzt in den Zylindern 3
und 4 ab. Die Arbeitskolben 1 und 2 stehen mit der Exzenterwelle über Federn 9 und
10 in elastischer Verbindung. Mit den Schwinghebeln 26 und 27, die untereinander
über die verzahnten Fortsätze 33 und 34 kraftschlüssig verbunden sind, sind sie
jedoch durch schwenkbar gelagerte Gleitkörper 18, 20 bzw. 19, 21 starr gekuppelt.
Die Schwinghebel wiederum übertragen über die schwenkbaren Gleitkörper 39 bzw. 40,
die in ihren Nuten 37 bzw. 38 durch Verschwenken des Jochs 41 zur Veränderung der
Übersetzung verschoben werden können, um 180° versetzte Impulse über die Schwingkurbeln
42 bzw. 43, dann deren Zahnsegmente 46 bzw. 47 über die Zahnsegmente 48 bzw. 50
auf die Kupplungsglocken 49 bzw. 51. Im Augenblick, wo die betreffende Kupplungsglocke
- durch Kolbenumkehr -die Drehrichtung der Abtriebswelle 52 annimmt, wird der mit
dieser in Verbindung stehende Kupplungsring 53 über die Steuerglieder 56,
57, 58, 61, 62, 63, 64 bzw. 65 und die Tellerfeder 54 mit dieser in Reibverbindung
gebracht. Nach 180° Exzenterwellen-Umlauf wird der Kupplungsring mit der anderen
Kupplungsglocke verbunden.
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In Fig. 8 ist ein Triebwerk dargestellt, bei dem die Kupplungsübertragung
durch elektromagnetisch betätigte Reibkupplungen erfolgt. Die Teile des Triebwerks,
die auch in den bisher beschriebenen Lösungen vorkommen, haben die gleichen Bezugszeichen
behalten. In Fortfall kommt bei dieser Lösung der Zahnradantrieb 56, 57 mit der
mechanischen Kupplungsbetätigung.
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Das Zahnradsegment 46 kämmt mit dem Zahnsegment 72, das mit dem schwingenden
Teil 73 der elektromagnetischen Kupplung verschraubt ist. Der Kupplungsteil 73 trägt
die Feldwicklung 74 und die Reibscheibe 75. Auf der anderen Seite kämmt das Zahnradsegment
47 mit dem Zahnradsegment 76, das wiederum mit dem schwingenden Kupplungsteil 77
mit Feldwicklung 78 und Reibscheibe 79 verbunden ist. Bei eingeschaltetem Strom
wird das jeweilige magnetische Feld durch die Scheibe 80 der Abtriebswelle 81 geschlossen
und der Kraftschluß hergestellt.