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Umlaufkurbelgetriebe Die Erfindung betrifft ein Umlaufkurbelgetriebe
zur Umwandlung einer kontinuierlichen Drehbewegung in eine Drehbewegung mit periodisch
veränderlicher Geschwindigkeit von während des Betriebes veränderlicher Periodenlänge,
bei welchem durch Abwälzen eines Planetenrades an einem Zentralrad eine Planetenbewegung
erzeugt wird und eine von dem Planetenrad mitgeführte, zu diesem exzentrisch angebrachte
Kurbel einen drehbaren Abtriebsmechanismus mitnimmt.
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Die Erfindung bezweckt, von einer kontinuierlichen Drehbewegung ausgehend,
die Erzeugung einer im Mittel immer gleichsinnig fortschreitenden Drehbewegung mit
willkürlich veränderbaren periodischen Geschwindigkeitsschwankungert. Je nach den
konstruktion.smäßig gewählten Größenverhältnissen im Getriebe können hierbei entweder
langsame und schnelle Perioden oder auch Pilgerschritt-Umkehrperioden erzielt werden.
Außerdem soll es möglich sein, die Winkelstellungen der charakteristischen Bewegungspunkte,
d. h. die Geschwindigkeitsextrema, Stillstandspunkte und Umkehrpunkte, während
des Betriebes einzuregeln und dadurch auch die Winkel- und zugehörigen Zeitabstände
zwischen den charakteristischen Punkten willkürlich oder programmäßig automatisch
in zyklisch wiederkehrender Folge zu ändern.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Umlaufkurbelgetriebe
der eingangs beschriebenen Art durch eine Vorrichtung gelöst, die das Zentralrad
in eine zyklisch wiederkehrende Reihe von VerstellbewegUngen versetzt.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe tritt sehr häufig bei
den verschiedensten Arbeitsmaschinen auf. So werden z. B. Pilgerschrittbewegungen
oder momentane Stillstände mit sofortigem Weiterlauf zur Beförderung von Teilen
in vollautomatischen Bearbeitungsprozessen gefordert.
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Die Anwendung einer umlaufenden Kurbel bei Getrieben zur Umwandlung
einer kontinuierlichen Drehbewegung in eine periodisch veränderliche Drehbewegung
ist an sich bekannt. Kurbelzapfen mit Umlaufrad werden auch zur Erzeugung von Kardanbewegungen
angewandt. Hierbei führt dann der Zapfen eine geradlinige Pendelbewegung aus, oder
er durchläuft Ellip-
sen. Die geradlinige Kardanbewegung ist zur Lösung der
der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe nicht geeignet, da sie sich nicht zur direkten
Erzeugung eines drehenden Abtriebes eignet.
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Auch ist die Erzeugung von veränderlichen Drehbewegungen, insbesondere
mit momentanen Stillständen, auch mit Umlaufgetrieben ohne Kurbel möglich und bekannt.
Solche Getriebe arbeiten als Summengetriebe und haben den Nachteil, daß das Verhältnis
von An- und Abtriebsdrehmoment konstant ist, d. h. nicht dem veränderlichen
Drehzahlverhältnis entspricht, so daß die übertragbare Leistung bei abnehmender
Austrittsdrebzahl absinkt, und zwar mehr als proportional mit der Drehzahl, da gleichzeitig
der Wirkungsgrad im Inneren des Getriebes durch Blindleistung verschlechtert wird.
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Die bisher bekannten Getriebe zur Erzielung von Pilgerschrittbewegungen
und momentanen Stillständen mit sofortigem Weiterlauf haben den Nachteil, daß Stöße
durch plötzliche Mitnahme, zeitraubende Rastzeiten bei Anwendung von Malteserkreuzgetrieben
oder - bei elektrischer Ein- und Ausschaltung -
Verlust der durch Formschluß
bedingten Sicherheit beim Ineinandergreifen der Mechanismen in Kauf ge-
nommen
werden müssen.
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Diese Nachteile werden durch die erfindungsgemäße Konstruktion des
Umlaufkurbelgetriebes vermieden, bei welchem das Zentralgelenk der Kurbel sich auf
einem Kreis bewegt, während das Kurbelgelenk je nach Konstruktion eine Epi-
oder Hypozykloide durchläuft, die entsprechend verlängert, verkürzt oder gewöhnlich
ausgebildet sein kann. Der Abtrieb bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung geht grundsätzlich
von dem Kurbelgelenk aus, wobei die Zykloidenbewegung durch Abwälzen eines umlaufenden
Zahnrades an einem Zentralrad oder Hohlrad erzeugt wird.
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Weitere Vorteile und Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung gehen
aus der nachfolgenden Beschreibung
an Hand der Zeichnungen hervor,
von denen Figg. 1 schematisch ein Grundgetriebe, Fig. 2 den einfachsten Fall
eines erfindungsgemäßen Umlaufkurbelgetriebes, Fig. 3 den Antrieb des Getriebes
nach Fig. 2 mit einer maschinell betätigten Verstellvorrichtung, Fig. 4 eine Kombinationsmöglichkeit
des erfindungsgemäßen Getriebes und Fig. 5 eine betriebsmäßige Ausführungsform
eines Getriebes gemäß der Erfindung darstellt.
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In Fig. 1 sind mit 1, 2 und 3 Wellen bzw. Hohlwellen
bezeichnet, in die der kontinuierliche Antrieb beliebig eingeführt werden kann.
Erfolgt der Antrieb durch die Welle 1 oder die Hohlwelle 3, dient
die Hohlwelle 2 lediglich zur Zentrierung des Planetenträgers 7,
so daß es
nicht erforderlich ist, diese noch außen durchzuführen. Von den Wellen
1 und 3 wird die nicht zum Antrieb dienende zum Angriffspunkt der
Verstellvorrichtung. Das Umlaufrad 9 ist frei drehbar um den am Planetenträger
7 befestigten Wellenzapfen 8 angeordnet. Der Abtrieb geht von dem
Zapfen 11 aus, der an dem zum Umlaufrad 9 gehörenden Kurbelarm
10 befestigt ist. Der Zapfen 11 greift in eine Gleitführung 12 ein,
die mit einür Abtriebswelle 13 starr verbunden ist. Die Gleitführung 12 kann
geradlinig radial oder C C)i schräg angeordnet bzw. krummlinig ausgebildet werden.
Auch ist es möglich, die Gleitführung 12 durch eine andere geeignete Vorrichtung
zu ersetzen, wie z. B. eine Schwinge auf der Abtriebswelle und eine Koppel zwischen
Schwinge und Umlaufkurbelzapfen.
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Es ist auch möglich, links von der Schwinge ein zweites, identisches
Umlaufkurbelgetriebe spiegelbildsymmetrisch anzuordnen, wobei dann der Zapfen
1.1.
gleichzeitig zu den beiden Umlaufkurbeln gehört. Der Wellenzapfen
8 kann dann mit dem Umlaufrad 9 zusammenwachsen. Diese kurbelwellenartige
Konstruktion des Planetenrades bringt die auf das Planetenrad wirkenden Kippmemente
zum Verschwinden.
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Fig. 2 zeigt schematisch den einfachsten Fall eines Umlaufkurbelgetriebes
gemäß der Erfindung. Bei dieser Konstruktion wird das Zentralrad 4 als Verstellrad
verwendet, und der Antrieb erfolgt über den Planetenträger 7. Umlaufgetriebe
und Abtrieb sind bei dieser Konstruktion achsflüchtend angeordnet. Die Achse des
Zapfens 11 fällt hier mit einer Erzeugenden des Teilkreiszylinders des Umlaufrades
9 zusammen, so daß die charakteristischen Punkte jederzeit Momentanstillstandpunkt
sind, wenn sie, wie vorgesehen, bei stillstehendem Zentralrad 4 durchlaufen werden.
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Bei der in Fig. 2 dargestellten Konstruktion erfolgt der Antrieb über
ein Zahnrad 5, ein Ritzel 14 und einen Motor M.
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Gemäß Fig. 3 ist das in Fig. 2 dargestellte Getnebe mit einem
zwischen die Motorwelle und die Welle 1
des inneren Zentralrades eingeschalteten
Malteserkreuzgetriebe ausgerüstet. Das Malteserkreuz wird hierbei durch eine auf
die Welle 1 aufgekeilte Scheibe Pl gebildet, die in regelmäßigen Abständen
Gleitführungen E aufweist, in die auf einer mit der Motorwelle
1
fest verbundenen Scheibe P2 angeordnete Finger D
greifen.
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Es war hier erforderlich, daß der die Verstellbewe-C aung betätigende
Mechanismus Eigenstillstandspunkte aufweist, die mit jenen des Umlaufkurbel-etriebes
zu-CD sammenfallen müssen. Andernfalls würde die Bewegung des Zentralrades 4 den
Stillstand des Abtriebes zunichte machen. Diese Bedin-ung fällt aber von selbst
fort, wenn dit Verstellbewegung statt von der Motorseite her von dei Abtriebsseite
betätigt wird (mechanische Rückkppelung). Bei dem Konstruktionsbeispiel gemäß Fig.
2 isi es möglich, die Wellen 1 und 13 durch einen beliebigen Mechanismus
zwangläufig zu verbinden, so daß zwischen den beiden Wellen in jedem Moment ein
bestimmtes momentanes Drehzahlverhältnis besteht. In der in Fig. 2 gezeichneten
Totpunktstellung zwingt aber die Gleichheit der Abstände der Eingriffspunkte 11-12
und 4-9 von der Zentralachse die beiden Wellen 1 und 13 zu einer gemeinsamen
Geschwindigkeit. Dies widerspricht der weiter oben genannten zusätzlichen zwangläufigen
Verbindung zwischen denselben Wellen. DieserWiderspruch bedeutet die gegenseitigeVerriegelung
der Wellen 1 und 13, so daß Abtrieb und Verstellbewegung gleichzeitig
zum Stillstand kommen müssen. Andererseits befreit das Zusammenfallen der Ein-,r
JU iffe 11-12 und 4-9 die Bewegung des Umlaufrades 9
und somit des Planetenträgers
7, so daß der Antrieb in diesem Punkt theoretisch kräftefrei läuft. Durch
Weiterdrehen des Antriebes wird der Zapfen 11 aus dem gemeinsamen Eingriff
herausgehoben und die Wellen 1 und 13 gegeneinander verdreht, wodurch
der angenommene zwangläufige Mechanismus, der die beiden Wellen verbindet, in Bewegung
gesetzt wird, Sein Übersetzungsverhältnis bestimmt die Aufteilung der gegenseitigen
Verdrehung von 1 und 13 in zwei Verdrehungen gegenüber dem fixen Raum.
Hiermit löst sich die Verriegelung.
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In gewissen Anwendungsfällen kann es zweckmäßig und erwünscht sein,
je einen Stillstands- oder sonstigen charakteristischen Punkt nur nach mehreren
Umläufen zu bekommen. Dies kann besonders dann der Fall sein, wenn das Umlaufkurbelgetriebe
zwecks Kraft- und Dimensionsverminderung schnellaufend sein soll und eine Unterset
ung nachgeschaltet wird. Nun ist aber 7
bei stillstehendem Zentralrad 4 die
Anzahl der Umläufe zwischen zwei charakteristischen Punkten gleich dem Verhältnis
der Teilkreisdurchmesser der Räder 9
und 4. Soll z. B. ein Stillstand nur
alle zehn Umläufe kommen, so muß das Rad 9 einen zehnmal größeren Durchmesser
haben als das Rad 4. Dadurch würde die gewünschte Dimensionsvenninderung zunichte.
Diesem ungünstigen Sachverhalt wird dadurch abgeholfen, daß dem Rad 4 statt der
pendelnden Verstellbewegung eine im Mittel immer gleichsinnig fortschreitende Bewegunor
erteilt wird. Eine solche Bewegung hat zur Folge, daß die Reihe der charakteristischen
Punkte zusammen- oder auseinandergerückt wird, je
nachdem das Rad 4 der Hauptbewegung
nachläuft oder entgegenläuft. Wird das Rad 4 bei den charakteristischen Punkten
nicht zum Stillstand gebracht, so hat dies eine Änderung der Eigenart dieser Punkte
zur Folge: Gegenlauf tendiert zum Pilgerschritt, Gleichlauf zur Abflachung der Geschwindigkeitskurve
und Verschwinden der Stillstandspunkte.
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Gemäß der Erfindung ist es nun möglich, auch bei immer in gleicher
Richtung fortschreitender Bewegung des Verstellrades die Eiaenart der charakteristischen
Punkte zu wahren. Einzige und hinreichende Bedingung hierfür ist, daß die Bewegung
des Verstellrades vom Gesamtabtrieb her betätigt wird. Insbesondere verbleiben auch
die Stillstandspunkte infolge der bereits beschriebenen gegenseitigen Verriegelung
von Abtrieb und Verstellbewegung.
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Im einfachsten Fall wird das Verstellrad vom Ab-
trieb aus mit
konstanter Untersetzung mitgenommen.
Der Einfluß der Verstellbewegung
auf die Hauptbewegung weist dann von selbst die gleichen Änderungen, Null- und Umkehrpunkte
auf wie die Bewegung selbst. Insbesondere bleiben Momentanstillstandspunkte durch
gegenseitige Verriegelung auch Totpunkte. Bei dieser Schaltung wird die Periodenlänge
der Bewegung verändert, aber die neue Periodenlänge ist jetzt konstant, und die
Stellungen, bei denen die Momentanstillstände oder sonstigen charakteristischen
Punkte eintreten, können nicht mehr während des Betriebes geregelt werden.
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Zyklisch wiederkehrende, Folgen von verschiedenen Periodenlängen oder
Handregelungen können aber durch Anwenduno, eines Hilfs-Summengetriebes als Bewegungsmischer
wieder hereingebracht werden.
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Fig. 4 zeigt ein so ausgestattetes Getriebe. Die Welle 13 gemäß
Fig. 2 ist bei dieser Ausführungsform nach rechts verlängert, so daß die Welle
1- zur Hohlwelle wird. Rechts auf der Zeichnung ist ein gewöhnliches, als
Summenaetriebe arbeitendes Planetengetriebe mit dem Planetenträ g er
23, den Planetenachsen 26, den Umlaufrädern 24 und den konzentrischen
Rädern 25
und 27 dargestellt. Bei stillstehendem Rad 25 erteilt
das auf der Abtriebswelle, 13-13 a befestigte Rad 27
dem Planetenträger
23 und dem damit starr verbundenen Zentralrad 4 eine Bewegung im gleichen
Drebsinn mit konstanter Untersetzung. Hierdurch wird die Periodenlänge am Abtrieb
vergrößert. Durch Verstellen des Rades 25 wird die charakteristische Winkellage
der Punkte verstellt. Diese Verstellung erfolgt durch die Handverstellvorrichtung
15, an deren Stelle aber auch selbstverständlich ein maschineller Antrieb
treten kann, der eine hin- und hergehende Bewegung der Hohlwelle 28 bewirkt.
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Die hin- und hergehende Verstellbewegung kann der Hohlwelle 28 entweder
vom Antrieb aus oder auch vom Abtrieb her erteilt werden.
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Beim Gesamtgetriebe nach Fig, 4 sowie seinen möglichen Abarten werden
die beiden Vorteile, dem Drehzahlverhältnis entsprechendes Momentenverhältnis und
besserer Wirkungsgrad, gegenüber der Verwendung eines Summenaetriebes als Hauptgetriebe
in überwiegendem Maße beibehalten. Es zeigt sich bei der theoretischen Untersuchung'
daß immer nur ein geringer Bruchteil der Gesamtleistung durch die Verstell- und
Hilfssummengetriebe geht. In der Nähe der Tot- und Umkehrpunkte nimmt zwar das auf
das Zentralrad 4 wirkende Drehmoment durch Verkürzung des Hebelarmes am Umlaufkörper
9, 10, 11 bedeutende Werte an, jedoch nähert sich die Drehgeschwindigkeit
des Zentralrades dem Wert Null in dem gleichen Maße, wie das Drehmoment ansteigt.
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Weiter besteht dann noch die Möglichkeit, den Ab-
trieb
13 und das Verstellrad 4 durch Wechsel- oder Schalträder zu verbinden.
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Nachstehend wird an Hand der Fig. 5 eine für den praktischen
Betrieb bestimmte Ausführungsfonn des neuen Getriebes beschrieben.
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Bei dieser Ausführungsform ist, um Beanspruchungen infolge der vorkragenden
Anordnung des Kurbelzapfens zu vermeiden, die Verdoppelung des Umlaufrades und des
Zentralrades symmetrisch in bezug auf eine senkrecht zu der Hauptdrehachse liegende
Ebene, bei der zwei zueinander symmetrische Umlaufräder ein Paar von solchen mit
einem gemeinsamen Kurbelzapfen bilden, gewählt worden. Die Gesamtheit dieser Teile
bildet gewissermaßen eine Kurbelwelle, deren Achse die des Paares von Umlaufrädern
ist. Ferner weist das System aus Gründen des Gleichgewichts zwei oder mehrere Paare
von Umlaufrädern auf, die gleichmäßig um die Achse der Zentralräder verteilt sind.
Die den an Hand der vorhergehenden Figuren besprochenen entsprechenden Teile sind
hier-,leichen Nummern plus 100 bezeichnet. bei mit den g
Die
neu hinzukommenden sind von 130 aufwärts beziffert.
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An Stelle der einfachen Gleitführung 12 tritt jetzt ein Körper 112,
der so viele Gleitführungen aufweist, als Paare von Umlaufrädern vorhanden sind.
Gemäß der Figur ist angenommen, daß zwei Umlaufräder und dementsprechend auch zwei
Gleitführungen vorgesehen sind, von denen die eine in der Verlängerung der anderen
liegt. Das Traggerüst der Vorrichtung besteht aus zwei in geeigneter Weise gegeneinander
distanzierten Ständerhälften 130, die zwei Lager 131
für eine Welle
132 tragen, welche von einem Kettenradritzel 133 aus mit gleichförnüger
Drehbewegung an-,getrieben wird. Die Welle 132 treibt ihrerseits über
je
zwei Zahnräderpaare 134-115 zwei identische Hohlwellen 101.
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Diese Hohlwellen sind über je zwei Lagerbuchsen 135, 136,
auf der durchgehenden Abtriebswelle 113
frei drehbar gelagert. Die mit den
Hohlwellen 101 aus einem Stück bestehenden Ritzel 104 kämmen mit den verzahnten
Scheiben 109 der beiden Planetenräder, von denen jedes außer den genannten
Scheiben 109
noch aus je zwei Wellenzapfen 108, je zwei Kurbelarmscheiben
110 und je einem Kurbelzapfen 111 besteht.
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Die Endzapfen 108 sind über ebenso viele Lagerbuchsen
137 in dem Planetenträger gelagert. Letzterer besteht aus zwei Scheiben
107 sowie aus außerhalb der Bildebene liegenden Verbindungs- und Abstandsstücken.
Der Planetenträger bzw. seine Scheiben 107
sind über Buchsen 138 frei
drehbar auf den Hohlwellen 101 gelagert. Der Planetenträger läuft lose,
d. her dient nicht zur Kraftverbindung nach außen, sondern lediglich zum
Orten der Planetenräder.
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Die verzahnten Scheiben 109 kämmen andererseits mit den beiden
Innenverzahnungen 106 der beiden Gehäusehälften 103. Das ganze Gehäuse
besteht noch aus der Ringscheibe 139, einer gewissen Zahl von Verbindungsbolzen
140, zwei Lagerbuchsen 141, zwei Dichtungsringen 142 und deren Halteplatten 143
nebst Schrauben. Über die Buchsen 141 ist das Gehäuse frei drehbar auf den Hohlwellen
101 -elacert. Die durch-C CD
gehende Abtriebswelle 113 weist
in der Mitte einen keilwellenverzahnten Bund 144 auf. Im Schwingenköper 145, der
auf dem Bund aufgekeilt ist, sind zwei Gleitführungen 112 eingefräst, mit denen
die Kurbelzapfen 111 über zwischengeschaltete Gleitsteine 146 im Eingriff
stehen. Die Gleitsteine sind innen zylindrisch, außen rechteckig und, um die Montage
zu ermöglichen, zweiteilig, wobei die Trennebene der Teile mit der Bildebene der
Figur zusammenfällt.
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Die Ringscheibe 139 ist an einer Stelle mit einer Ausbuchtung
147 versehen, in der eine Bohrung 148 den Angriffspunkt einer beliebigen Vorrichtung
zum Verstellen der Winkellage des Gehäuses darstellt.
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Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, trägt die Abtriebswelle
113 das gesamte Hauptgetriebe. Ihrerseits wird diese Welle durch die Laaer
149 mit den Buchsen 150 von den Ständerhälften 130 getragen. Die Abstandsringe
151 dienen zum Justieren des Achsspiels zwischen den Ständerhälften
130 und dem Hauptgetriebe. Das auf der Abtriebswelle 113 befestigte
Kettenrad
152 leitet die austretende periodische Drehung weiter zu der getriebenen
Maschine.
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Das Gehäuse sei zunächst stillstehend gedacht. Das Ritzel
133 führt über die Welle 132 und die Räderpaare 134-115 den beiden
identischen Hohlwellen und Zentralrädem 101-104 eine gleichförmige Drehbewegung
zu. Die Umlaufräder 109 führen demzufolge eine hypozykloidische Bewegung
gegenüber der Innenverzahnung 106 des Gehäuses 103 aus. Die Kurbelzapfen
111 nehmen die Schwinge 145-112, die Welle 113 und das an deren Ende
angeordnete Ritzel 152 mit und erteilen diesem eine sich periodisch ändernde
Drehbewegung, welche so verläuft, daß die Geschwindigkeit ohne Änderung des Drehsinns
jedesmal dann auf Null absinkt, wenn die Kurbelzapfen 111 der Umlaufräder
sich in dem größten Abstand von der Zentralachse befinden.
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Da das Gehäuse stillsteht, bleibt das Zeitintervall zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Stillständen der Welle 113 ebenso wie der Winkel, der
zwei aufeinanderfolgende Stillstände voneinander trennt, konstant. Sobald jedoch
das Gehäuse um seine Achse verdreht wird, werden sowohl diese Zeitintervalle wie
der Winkel entsprechend geändert. Für diese Verstellung ist die Bohrung 148 vorgesehen.
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Offenbar können die Aufgaben des Gehäuses und der Hohlwellen
101 auch gegeneinander vertauscht worden. In diesem Falle wird das Gehäuse
mit konstanter Geschwindigkeit z. B. durch ein Antriebsritzel, das auf ein statt
der Ringscheibe 139 vorgesehenes Zahnrad wirkt, angetrieben. Durch das Ritzel
1.33 und die Zahnräder 134-115 werden dann auf die Welle 101
die Bewegungen
zur Veränderung der Totpunktlagen und der Zeitintervalle übertragen. Wie ersichtlich,
entsprechen in diesem Falle die Augenblicke, in denen die Geschwindigkeit den Wert
Null annimmt, der in der Figur dargestellten Stellung der Kurbelzapfen
111,
d. h. ihrer der Zentralachse nächsten Stellung, wobei die Bewegung
der Kurbelzapfen 111 jetzt epizykloidisch ist.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die vorstehend im einzelnen
beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen beschränkt,
sondern sie kann insbesondere in baulicher Hinsicht vielfach abgeändert werden,
ohne ihren Grundgedanken zu verlassen.