DE202011110211U1

DE202011110211U1 - Einrichtung zur Drehmomentübertragung von einer Antriebswelle auf eine Abtriebswelle

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Publication number: DE202011110211U1
Application number: DE202011110211U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2013-05-27
Anticipated expiration: 2021-03-19
Also published as: WO2011119072A1; RU2426021C1; DE112011101052T5; US20130098182A1

Abstract

Einrichtung zur Drehmomentübertragung von einer Antriebswelle auf eine Abtriebswelle mit wenigstens drei Exzentern, die auf jeder der Wellen befestigt sind, sowie mit Pleueln, die die Exzenter der Antriebs- und der Abtriebswelle über Lager verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass, um die spezifischen Belastungen zu erhöhen und das Gewicht der sich fortschreitend bewegenden Massen zu reduzieren, nichtstarre Elemente = Seile (11, 12, 13) als Pleuel verwendet sind, die nur auf Zug beanspruchbar sind, dass die Exzenter (5, 7, 9 bzw. 6, 8, 10) auf jeder der Wellen (2, 4) sowohl gleichmäßig über Drehwinkel als auch unter gleichzeitiger Versetzung (z. B. 180 Grad) der jeweiligen Exzenter auf der Antriebs- (2) und Abtriebswelle (4) über einen Drehwinkel bis zu 50 Grad befestigt sind, um zu verhindern, dass die durch die Pleuel (11, 12, 13) induzierten Schwingungen zu einem Mitschwingen der gesamten Einrichtung führen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Drehmomentübertragung von einer Antriebswelle auf eine Abtriebswelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung ist im Maschinenbau einsetzbar. Zur Zeit wird die Drehmomentübertragung zwischen einer gleichläufigen Antriebswelle und Abtriebswelle mit Hilfe einer Transmissionswelle erreicht. Die Antriebswelle und die Abtriebswelle haben dabei einen Abstand von einem bis zu einigen Metern. Die Transmissionswelle wird in der Regel senkrecht zu diesen Wellen angeordnet und ist mit jeder davon über ein Winkelgetriebe verbunden. Die zweifache Umsetzung des Drehmoments vermindert den Wirkungsgrad des Getriebes. Das gilt insbesondere für Schraubenkegelräder der Winkelgetriebe, denn ihre Ritzelzähne haben einen gewissem Schlupf. Ein aus den Konstruktionen der Dampflokomotiven gut bekanntes Verfahren wird aber nie angewendet.
Das Antriebsrad einer Dampflokomotive wird vom Kolben der Dampfmaschine über eine Pleuelstange (bzw. über eine Kurbelstange) angetrieben. Es wird mit einem anderen Rad mittels eines Kuppelpleuels (einer Kuppelstange gemäß einer Lokbauterminologie) verbunden und leitet damit das Drehmoment an die parallel angeordnete Welle weiter. Eine Ursache beim Versagen der Drehmomentübertragung mittels eines Kuppelpleuels in modernen Fahrzeugen ist das Gewicht der Pleuelstange. Das Gewicht nimmt proportional mit dem Wellenabstand zu. Die Anwendung eines Kuppelpleuels führt dazu, dass unausgeglichene größen- und richtungsvariable Kräfte entstehen. Dadurch wird man gezwungen, bei der Anwendung eines Kuppelpleuels Gegengewichte einzusetzen. Diese Gewichte vergrößern jedoch das gesamte Gewicht der Konstruktion beachtlich. Das ist auch offensichtlich, wenn man den Aufbau der Antriebslaufräder einer Dampflokomotive betrachtet. Die Radachse ist mit einem Radkranz an der Seite des Kuppelpleuels mittels Speichen und an der Gegenseite mittels einer Gussfelge verbunden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die bei der Anwendung eines Kuppelpleuels bestehenden Mängel zu beseitigen.
Als Prototyp der Einrichtung gilt die im Patent US 2203975 (A) – 1940-06-11 (ipc B61C 9/04; B61C 9/00) beschriebene Bauweise. Der Prototyp schlägt folgende Lösung vor: Um das zu übertragende Drehmoment auszugleichen, sind die nächstliegenden Radachsen von zwei unabhängigen Treibdrehgestellen von Dampflokomotiven in Form von Kurbelwellen mit drei Kurbeln im Abstand von 120 Grad angeordnet und mittels Kuppelstangen verbunden.
Die Anordnung der Kurbeln im Abstand von 120 Grad ermöglicht es, dass das Drehmoment ständig übertragbar ist. Wenn das Drehmoment mit einer oder mit zwei Pleuelstangen übertragen wird, gibt es solche Stellen, an denen das übertragene Moment gleich Null ist. Das ist aber in den meisten Fällen unerwünscht. Der Prototyp beschreibt Kurbelwellen. Die Kurbelwellen können durch Exzenter ersetzt werden, deren Exzentrizität mit der Kröpfungsgröße gleich ist. Sie können auch abwechslungsweise angewendet werden.
IPC F16C 3/04 beschreibt Kurbelwellen, Wellen mit Exzentern, Kurbel/Kröpfungen und Exzenter. Das heißt, manche ihrer Eigenschaften werden in einer Untergruppe betrachtet. Somit werden nachfolgend in der Beschreibung mit Exzentern ähnliche Möglichkeiten für Kurbel/Kröpfungen (Kurbelwellen) und umgekehrt beschrieben.
Die Pleuelstangen nehmen zur Zeit Zugwechselbeanspruchungen auf. Sie sind aus legiertem Stahl mit einer spezifischen Festigkeit bis zu 100 kg pro Quadratmillimeter gefertigt. Dieser Wert ist die max. Festigkeitsgrenze für dieses Material. Zugleich gibt es aber auch auf Zug beanspruchte Stahlerzeugnisse mit einer spezifischen Festigkeit von 200 kg pro Quadratmillimeter, z. B. Stahldraht für Seile.
Es wird vorgeschlagen, die spezifischen Belastungen zu vergrößern, indem starre Pleuelstangen durch nichtstarre Seile ersetzt werden (1). Es sind drei Exzenter an der Antriebswelle und drei Exzenter an der Abtriebswelle aufgebaut, wobei ihre Exzentrizität zueinander jeweils um 120 Grad versetzt ist. Diese Exzenter sorgen für die Arbeitsfähigkeit der Vorrichtung (1, 2, 3 und 4).
Bei der Montage der Stahlseile als Pleuelstangen kann das Gewicht der Pleuelstangen und gleichzeitig das Gewicht der Gegengewichte um das Zweifache vermindert werden.
Zur Zeit werden Seile aus Aramidfasern weit verwendet (Kevlar ist die Handelsbezeichnung der Fa. DuPont http://ww.chinaprice.ru/sell//n4c7c26718G2bl, Armos und Rusar sind die Namen der russischen Vergleichserzeugnisse: http://www.aramid.ru.)
Die Aramidfasern sind bis zu 450 kg pro Quadratmillimeter belastbar. Dabei beträgt das spezifische Gewicht der Aramidfasern 1,45 g pro Kubikzentimeter. Das ist 5,38-mal kleiner als das spezifische Gewicht von Stahl. Bei einem Einsatz von Aramidfaserseilen als Pleuelstangen kann das Gewicht der Pleuelstangen sowie das Gewicht der Gegengewichte um das 24-fache vermindert werden.
Da die Seile nur auf Zug beansprucht werden, können sie die Belastung nur bei 180 Grad der Wellenumdrehung übertragen. Der gemäß dem Drehwinkel in der 120-Grad-Position angeordnete Exzenter fängt an, an der zweiten Pleuelstange (Seil) zu ziehen, und zwar früher als der Arbeitsgang der ersten Pleuelstange (des Seils) zu Ende ist. Die dritte Pleuelstange (das Seil) fängt an zu ziehen, bevor der Arbeitshub der zweiten Pleuelstange (des Seils) abgeschlossen ist. Auf eine solche Weise ist eine Dauerwirkung des Drehmoments auf der Abtriebswelle gesichert. Die Überschneidung des Arbeitshubs mit der nächsten Pleuelstange (Seil) beträgt 60 Grad. Das Drehmoment am Drehwinkel der Abtriebswelle verändert sich (s. Kurvenbild in 5). Eine solche Schwankung des Drehmoments kann in Einzelfällen eine Steigerung der Vibrationen der Vorrichtung verursachen und sogar zu einer Zerstörung der Einrichtung führen, wenn Resonanzschwingungen entstehen. Die durch die Koppelpleuel induzierten Schwingungen sind durch die Winkelversetzung der Exzentrizität von einem oder zwei Exzentern der Antriebswelle und von entsprechenden Exzentern auf der Abtriebswelle vermindert. Diese Versetzung muss kleiner als die Überschneidung des Arbeitshubs von 60 Grad sein. Somit darf die gesamte Winkelversetzung 50 Grad nicht überschreiten.
Um die Gleichmäßigkeit des Drehmomentverlaufs auf der Abtriebswelle zu erhöhen, sind mehr als drei Exzenter verwendet. Zur Kraftübertragung ist der Einsatz von zwölf Exzentern ausreichend. Da die Seile nur bei einer Halbumdrehung beansprucht werden, sind zwölf Seilpleuel für die Arbeit von sechs üblichen Pleuelstangen erforderlich.
Die Ausgeglichenheit von sechs Pleuelstangen bei einem Sechszylindermotor gilt als optimal und ist weit verwendet. Dabei sind Pleuelstangen im Motor nach viel komplizierteren Gesetzen als die Kuppelpleuel wie im vorliegenden Fall beansprucht. Wenn zwölf Exzenter verwendet sind, sind einige Seilpleuel gleichzeitig an der Drehmomentübertragung beteiligt. Folglich kann die Seilstärke vermindert werden. Die Schwankung des auf die Abtriebswelle übertragenen Drehmoments wird 1 Prozent nicht überschreiten.
Besonders interessant ist der Fall, wenn die Anzahl der Exzenter sechs bis zwölf beträgt, und wenn diese paarweise unter einem Winkel von 180 Grad zueinander angeordnet sind. Bei einer solchen Anordnung sind die Trägheitskräfte der sich fortschreitend bewegenden Pleuel und die Zentrifugalträgheitskräfte der Exzenter gegenseitig ausgeglichen (6, 7, 8 und 9). Die Gleichmäßigkeit des übertragenen Drehmoments bleibt unverändert (10). Die Gegengewichte entfallen. Man kann sagen, dass die mittels Seilen über zwei gepaarte Exzenter übertragenen Kräfte die Kräfte völlig ersetzen, die von der Stahlpleuelstange übertragen werden. Dabei ist das Gewicht von zwei Pleueln aus Aramidfasern im Vergleich zur Stahlpleuelstange um das 12-fache vermindert.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Die Einrichtung zur Drehmomentübertragung mit drei nichtstarren Pleueln (Seilen) ist in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
1 die Draufsicht,
2 den Schnitt A-A,
3 den Schnitt B-B und
4 den Schnitt C-C dieser Einrichtung.
Dabei bedeuten:

1 – Kraftkreis, 2 – Antriebswelle, 3 – Abtriebswelle, 4 – Lager, 5, 7, 9 – Exzenter der Antriebswelle, 6, 8, 10 – Exzenter der Abtriebswelle, 11 – (Pleuel) Seil zwischen Exzenter 5 und 6, 12 – (Pleuel) Seil zwischen Exzenter 7 und 8, und 13 – (Pleuel) Seil zwischen Exzenter 9 und 10.

Das Kurvenbild bei einer Drehmomentveränderung auf der Abtriebswelle je nach Drehwinkel bei drei (Pleueln) Seilen ist in 5 abgebildet.
Darin zeigen:
Bezugszeichenliste

24: die Momentveränderung während der Arbeit des (Pleuels) Seils 11,
25: die Momentveränderung während der Arbeit des (Pleuels) Seils 12 und
26: die Momentveränderung während der Arbeit des (Pleuels) Seils 13.

Die Einrichtung zur Drehmomentübertragung mit Hilfe von sechs nichtstarren (Pleueln) Seilen ist in Draufsicht in der Zeichnung 6 abgebildet (Exzenter und Pleuel, die ihrer Lage nach den jeweiligen aus 1 entsprechen, haben die gleichen Bezugsziffern), wobei 7 den Schnitt D-D, 8 den Schnitt E-E und 9 den Schnitt F-F zeigen.
Darin bedeuten:
Bezugszeichenliste

15: Exzenter, der um 180 Grad dem Exzenter 5 zugewandt ist,
16: Exzenter, der um 180 Grad dem Exzenter 6 zugewandt ist,
17: Exzenter, der um 180 Grad dem Exzenter 7 zugewandt ist,
18: Exzenter, der um 180 Grad dem Exzenter 8 zugewandt ist,
19: Exzenter, der um 180 Grad dem Exzenter 9 zugewandt ist,
20: Exzenter, der um 180 Grad dem Exzenter 10 zugewandt ist,
21: Pleuel = Seil der Exzenter 15 und 16,
22: Pleuel = Seil der Exzenter 17 und 18,
23: Pleuel = Seil der Exzenter 19 und 20.

Das Kurvenbild des Momentverlaufs auf der Abtriebswelle je nach Drehwinkel bei sechs Pleueln = Seilen ist in 10 dargestellt Es zeigen:
Bezugszeichenliste

24: Momentveränderung während der Arbeit des Pleuels = Seils 11,
25: Momentveränderung während der Arbeit des Pleuels = Seils 12,
26: Momentveränderung während der Arbeit des Pleuels = Seils 13,
27: Momentveränderung während der Arbeit des Pleuels = Seils 21,
28: Momentveränderung während der Arbeit des Pleuels = Seils 22,
29: Momentveränderung während der Arbeit des Pleuels = Seils 23.

Die einfachste Ausgestaltung für die Ausführung der Erfindung könnte der Einsatz von Seilkuppelpleueln in Dampflokomotiven sein. Aber die Dampfloks kommen infolge des niedrigen Wirkungsgrads der darin verwendeten Dampfmaschinen nicht in Verwendung. Die Dampfmaschinen können theoretisch durch Freikolbenturboanlagen ersetzt werden. Der Wirkungsgrad dieser könnte dem von Dieselmotoren gleich sein. Heutzutage gibt es aber keine funktionsfähigen Einrichtungen, deren Leistungswerte für den Einsatz im Eisenbahnverkehr geeignet wären. Dabei liegt der Bedarf am Einsatz der Pleuel aus Aramidfasern bei Schienenfahrzeugen vor.
Eine solche Anwendung kann hier am Beispiel der Diesellok 2T
116 betrachtet werden. (Die Angaben über die Diesellok sind den technischen Daten auf der Seite http//rustrain.narod.biblio/2tel16/soder.htm entnommen). Jede Maschineneinheit der Diesellok ist mit einem Dieselgenerator bestückt, welcher auf einem Rahmen aufgebaut ist. Die Maschineneinheit weist auch sechs E-Motoren auf, die das Drehmoment über Getriebe auf die sechs Antriebsrädersätze übertragen. Der E-Motor mit Getriebe ist mit einem Radsatz mit Hilfe einer Tatzenlageraufhängung gekoppelt. Dabei befindet sich ein Lager des E-Motors auf dem Rahmen, und das zweite Lager ist starr mit dem Radsatz verbunden. Das Gesamtgewicht des ungefederten Teils beträgt 4,25 Tonnen. Dies beeinträchtigt die Laufleistung des E-Motors, des Getriebes und des Radsatzes sowie die Lebensdauer der Schienen. Wenn der mit Getriebe zusammengebaute Triebmotor auf dem Fahrgestellrahmen aufgebaut ist, ist auf der Ausgangswelle des Getriebes eine Einheit aus sechs Exzentern montiert. Diese Einheit ist mittels Aramidfaserseilen mit einer Einheit der Exzenter verbunden, die auf der Achse des Radsatzes montiert sind. Das Gewicht der ungefederten Massen ist auf das Gewicht des Radsatzes mit der auf seiner Achse installierten Einheit der Exzenter reduziert. Das Gewicht dieser Exzenter beträgt ca. zehn Kilogramm. Das wirkt sich positiv auf die Laufleistung des E-Motors, des Getriebes und des Radsatzes sowie auf die Lebensdauer der Schienen aus. Dabei ermöglichen die nichtstarren Pleuel während der Fahrt, dass der Radsatz in Bezug auf den Fahrgestellrahmen ein wenig versetzt sein kann (11 und 12).
Die gewerbliche Anwendbarkeit der Erfindung ist anhand der 11 und 12 erläutert. Hier ist der Radsatz der Diesellok von drei Pleueln = Seilen aus Aramidfasern angetrieben. Es zeigen dabei:
Bezugszeichenliste

30: einen E-Motor,
31: ein Planetengetriebe,
32: eine Einheit der Exzenter auf der Achse des Radsatzes,
33: eine Einheit der Exzenter auf der Ausgangswelle des Getriebes,
34: einen Radsatz,
35: ein Pleuel = Seil,
36: Satelliten,
37: eine Ausgangswelle des Getriebes = Planetenradträger,
38: ein Zentralrad und
39: einen Fahrgestellrahmen.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2203975 A [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://ww.chinaprice.ru/sell//n4c7c26718G2bl [0011]
http://www.aramid.ru [0011]
http//rustrain.narod.biblio/2tel16/soder.htm [0030]

Claims

Einrichtung zur Drehmomentübertragung von einer Antriebswelle auf eine Abtriebswelle mit wenigstens drei Exzentern, die auf jeder der Wellen befestigt sind, sowie mit Pleueln, die die Exzenter der Antriebs- und der Abtriebswelle über Lager verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass, um die spezifischen Belastungen zu erhöhen und das Gewicht der sich fortschreitend bewegenden Massen zu reduzieren, nichtstarre Elemente = Seile (11, 12, 13) als Pleuel verwendet sind, die nur auf Zug beanspruchbar sind, dass die Exzenter (5, 7, 9 bzw. 6, 8, 10) auf jeder der Wellen (2, 4) sowohl gleichmäßig über Drehwinkel als auch unter gleichzeitiger Versetzung (z. B. 180 Grad) der jeweiligen Exzenter auf der Antriebs- (2) und Abtriebswelle (4) über einen Drehwinkel bis zu 50 Grad befestigt sind, um zu verhindern, dass die durch die Pleuel (11, 12, 13) induzierten Schwingungen zu einem Mitschwingen der gesamten Einrichtung führen.
Einrichtung zur Drehmomentübertragung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, um die Gleichmäßigkeit des Drehmomentverlaufs auf der Abtriebswelle (4) zu erhöhen, auf jeder der Wellen (2, 4) vier bis zwölf Exzenter (5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 16, 17, 18, 19, 20) befestigt sind.