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Freiflugkolbenmaschine mit gegenläufigen Flugmassen Bei Freiflugkolbenmaschinen
mit gegenläufigen Flugmassen ist es bekannt, zur Sicherung der Gegenläufigkeit jeder
Flugmasse eine zahnstangenartige Verzahnung zu geben und diese Zahnstangen über
eine Reihe von um Schwingachsen hin und her drehbaren Gliedern (Sch«zngglieder)
zwangsläufig miteinander zu verbinden, wobei die beiden Endglieder der Reihe in
die Zahnstangen eingreifen. Es ist hierbei auch vorgeschlagen worden, zu dieser
Verbindung eine Reihe von um parallele Achsen hin und her drehbaren Stirnrädern
vorzusehen.
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Bei der Ausgestaltung aller Schwingglieder als volle Stirnräder wird
man, um deren Verzahnung voll auszunutzen, die Anordnung so treffen, daß jedes Stirnrad
bei jedem Flugmassenhub etwa eine volle Umdrehung macht. Will man hierbei zur Vereinfachung
und zur Verringerung der Reibungsarbeit mit möglichst wenig Schwinggliedern auskommen,
so muß man die Stirnräder so groß machen, daß ihr Umfang ein Mehrfaches des Flugmassenhubes
ist. Sie müssen also, wenn ihre Verzahnung voll ausgenutzt werden soll, mit einer
solchen Übersetzung angetrieben werden, daß@ die U mfangsgeschwindigkeit ihrer Verzahnung
ein @entsprechend Mehrfaches der Flugm.assengeschwindigkeit ist. Die Erreichung
dieser erhöhten Geschwindigkeit :erfordert ,aber so hohe Beschleunigungskräfte,
daß es kaum noch möglich ist, die Verzahnung ausreichend dauerhaft und betriebssicher
zu gestalten.
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Die Erfindung betrifft eine Weiterausbildung des Verbind:ungsgetriehes
mit um parallele Achsen hin
und her drehbaren Schwinggliedern. Ihr
Zweck ist, ein solches Getriebe so zu ,gestalten, @daß die auftretenden Massenwirkungen,
insbesondere die bei jeder Umkehr der Bewegungsrichtung für die Beschleunigung der
Schwingglieder erforderlichen Kräfte, möglichst klein ausfallen.
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Erfindungsgemäß werden mindestens die, mittleren, d. h. die nicht
in die Zahnstangen eingreifenden. Glieder der Schwinggliedreihe nicht als volle
Stirnräder, sondern als Zahnradsektoren ausgebildet, die sich nur über einen Winkel,
der beträchtlich kleiner als i8o° ist, erstrecken. Dje erfindungsgemäß gestalteten
Schwingglieder bestehen also nicht aus einem vollen Stirnrad, sondern aus zwei starr
miteinander verbundenen Zahnradsektoren mit gemeinsamer Drehachse.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Schwinggli,eder läßt sich
die Anordnung so treffen, daß die Bogenlänge des Zahnradsektors etwa gleich der
Länge des Flugmassenhubes ist, so daß eine Übersetzung ins Schnelle nicht erforderlich
ist und ,daß demzufolge die auftretenden B,eschleuni,brungskräfte entsprechend niedrig
bleiben und noch -gut beherrscht werden können. Dia der Radius der Zahnradsektoren
an sich beliebig groß gewählt werden kann, benötigt man höchstens zwei, erfindungsgemäß
aus Zahnradsektoren zusammengesetzte Schwingglieder zur Verbindung der Flugmassen,
und zwar ;gilt dies für den Fall, daß die Flug massenzahnstangen auf der gleichen
Seite der Maschinenlängsachse liegen. Man kann hierbei nvischendiese Zahnstangen
-und die von den Zahnstangen her anzutreibenden Zahnradsektoren noch besondere Zwischenzahnräder
einschalten, deren Umfangslänge dem Flugmassenhub zweckmäßig angenähert gleich ist;
die Anordnung läßt sich aber auch so treffen, daß die genannten Sektoren unmittelbar
in !die Zahnstangen eingreifen, so daß zur Verbindung der beiden Flugmassen lediglich
zwei Schwingglieder vorzusehen sind. Ordnet man die Flugmassenzahnstangen so an,
daß sie auf v ers-chiedenen Seiten der Maschinenlängsachse liegen, so kommt man
sogar mit einem einzigen, aus Zahnradsektoren zusammengesetzten Schwingglied aus.
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Zur Kleinhaltung der Beschleunigungskräfte trägt es weiterhin bei,
wenn man die Breite derjenigen Zahnkränze, die Beschleunigungskräfte übertragen,
der Größe dieser Kräfte anpaßt, also diiese Breite an den Stellen, welche zum Eingriff
kommen, wenn sich die Flugmassen in der Nähe ihrer Hubendlager befinden, größer
macht .als an den anderen Stellen. Dadurch wird das Gewicht der Zahnkränze der Zahnräder
bzw. der Zahnradsektoren weiter vermindert und, da gerade di;e Zahnkränze den größten
Anteil der Beschleunigungsla@aft --erfordern, wird auch diese Kraft und somit ,auch
die. Beanspruchung der Verzahnung noch weiterhin herabgesetzt. Schließlich ist diese
weitere Vermindernuig der 'hin und her bewegten Massen aus dem Grunde vorteilhaft,
weil dadurch bei sonst gleichbleibenden Umständen die Hubzahl und demzufolge in
gleichem Maße die Leistung der Maschine erhöht wird. Die Zeichnung zeigt Ausführungsbeispiele
dies Erfindungsgeg enstandes.
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Abb. 1, 7, 9 und i i zeigen je ein Verbindungsgetriebe, in Seitenansicht;
Abb. 2 zeigt das Getriebe nach Abb. i im waagerechten Schnitt nach Linie II-II .der
Abb. i ; Abb. 3 zeigt einen Teil dieses Getriebes in schaubildlich--er Darstellung;
Abb. ¢ bis 6 zeigen Abwicklungen von Zahnkränzen dieses Getriebes; Abb. 8 zeigt
einen Querschnitt nach Linie VII I-VIII der Abb. 7, Abb. i o einen Querschnitt nach
Linie X-X der Abb. 9; Abb. 12 zeigt das Getriebe nach Abb. i i im Grundriß, teilweise
im Schnitt nach Linie XII-XII der Abb. i i.
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übereinstimmende Teile der verschiedenen Beispiele sind gleich bezeichnet.
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Die zwecks Sicherung der Gegenläufigkeit'miteinander zu verbindenden
Flugmassen bestehen je aus einem Motorkolben i und einem Verdichterkolben 2 bzw.
3. In den dargestellten Beispielen ist angenommen, daß die Verdichterkolben einem
zweistufigen Verdichter angehören, sie haben also verschiedene Größe. Die Kolben
laufen in bekannter Weise in nicht dargestellten Zylindern, wobei sich zwischen
den einander zugekehrten Stirnfiä.chen der Motorkolben der motorische Arbeitsprozeß
abspielt, während die Außenseiten der Verdichterkolbien die Förderung des zu verdichtenden
Gases bewirken. Jeder der Motorkolben i trägt ran der Unterseite eine zahnstangenartige
Verzahnung ¢, in welche je ein Zahnrad 5 eingreift, das auf einer Welle 6 festsitzt.
Auf der gleichen Welle sitzt in einiger Entfernung von der Längsachse der Maschine
ein zweites Zahnrad 7 fest. Diese Zahnräder sind durch zwei Schwingglieder 8 untereinander
verbunden, welche um zu den Wellen 6 parallele Achsen 9 schwingbar sind. Jedes dieser
Schwingglieder besteht aus zwei Zahnradsektoren io und i i, von welchen die erstgenannten,
io, in die Zahnräder 7, die letztgenann,-ten, i i, ineinandergreifen. Die Anordnung
ist so getroffen, daß die Teilkreisumfangslänge .der Zahnräder 5 und 7 je etwa,
denn Hub der Flugmassen 1, 2 bzw. 1, 3 entspricht, und daß demzufolge auch die «%irksame
Länge der Zahnradsektoren i o je etwa. gleich der Länge dies Flugmassenhubes ist.
Die Radien r1 und r: der -Zahnradsektoren i o und i i sind im vorliegenden Beispiel
gleich groß, so daß auch die wirksame Länge der letztgenannten Sektoren, i i, etwa
gleich der Länge des FIugmass:enhub.es ist. Bei dieser Anordnung wird der Durchmesser
jedes Schwinggliedes 8 so groß, daß die Zahnradsektoren io und i i nur je einen
Teil .des vollen Kreisumfanges erfordern, der beträchtlich kleiner als 18o° ist.
Die Schwingglieder 8 sind deshalb nicht als längs ihres ganzen Umfanges verzahnte
Räder ,ausgebildet, sondern ,an den Stellen, welche keine Verzahnung erfordern,
so begrenzt, daß sie unter Aufrechterhaltung der nötigen Festigkeit -ein möglichst
geringes Schwungmoment aufweisen. Die Radien Y1 und i»., könnten auch verschieden
groß
sein. Wird beispielsweise der Radius r@ des Zahnradsektors t r verkleinert, so muß
der Radius r1 des Zahnradsektors io vergrößert werden. Dieser ITnterschied der Radien
hat zur Folge, daß die Geschwindigkeit des Zahnkranzes des Sektors i i sich verringert
und daß dem:entsprechend auch die zu dessen Beschleunigung .erforderliche Kraft
kleiner wird. Andererseits vergrößern sich hierbei die Zahndrücke, welche von einem
der Sektoren i i auf den anderen dann zu übertragen sind, wenn die auf die Flugmassen
einwirkenden äußeren Kräfte ungleich groß sind. Auch die Zahnräder 5 und 7 können
innerhalb gewisser Grenzen verschieden große Teilkreisdurchmesser haben. Dabei ergibt
eine Verkleinerung des Zahnrades 7 eine Herabsetzung der Beschleunigungskräfte,
aber wiederum eine Vergrößerung der aus einer Ungleichheit der äußeren, auf die
Flugmassen einwirkenden Kräfte herrührenden Zahndrücke zwischen diesem Rad 7 und
dem Sektor i o. Man ist sonach in der Lage, den im Betrieb zu erwartenden Kräftewirkungen
durch entsprechende Wahl der Radien der Sektoren i o und i i bzw. der Zahnräder
5 und 7 derart Rechnung zu tragen, daß sich eine möglichst geringe Gesamtbeanspruchung
des Getriebes ergibt.
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Die Verzahnung der Zahnräder 7 und der darin eingreifenden Zahnradsektoren
i o ist nicht überall gleich breit, sondern an den Stellen, welche zum Eingriff
kommen, solange die Beschleunigungskräfte besonders hoch sind, d. h. während sich
die Flug massen in der Nähe ihrer Hubendlagen befinden, breiter als an den .anderen
Stellen. Dementsprechend weisen die Zähne der äußeren Teile der Verzahnung io der
Schwingglieder 8 leine verhältnismäßig große Breitea, dagegen die Zähme des mittleren
Teils eine kleinere Breite b auf.
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Abb. 5 zeigt die Verzahnung dieses Sektors io in der Abwicklung.
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Beim Zahnrad 7, dessen Umfangslänge etwa gleich der Hublänge ist,
schließen sich die beiden in der Nähe der Hubendlagen in den Sektor io eingreifenden,
die größere Breitea aufweisenden Verzahnungsteile in Umfangsrichtung aneinander,
so daß jedes dieser Zahnräder 7 je aus einem breiteren Teil mit Zähnen -der
Längea und einem schmaleren Teil mit Zähnen :der Länge b besteht. Abb. ¢ zeigt die
Abwicklung dieser Räder 7.
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Die ineinandergreifenden Sektoren i i der Schwingglieder 8
brauchen keine Beschleunigungskräfte zu übertragen; in diesen Verzahnungen treten
nur dann Kräfte auf, wenn die auf die Flugmassen einwirkenden, einander :entgegengesetzten
Kräfte nicht völlig gleich sind. Diese Verzahnungen weissen daher überall die gleiche,
verhältnismäßig geringe Breite c auf.
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Abb.6 zeigt die Abwicklung der Verzahnung der Sektoren i i.
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Die Anordnung nach Abb. 7 und 8 unterscheidet sich von derjenigen
nach Abb. i und 2 dadurch, daß die mit den Rädern 5 starr gekuppelten Räder 7 fortfallen
und daß die zwischen die Räder 5 einzuschaltenden Schwingglieder 8- so ausgebildet
sind, daß ihre von dm Flugmassen her anzutreibenden Sektoren i o unmittelbar in
die Räder 5 eingreifen. Hierbei liegen die Sektoren io und i i einander nicht mehr,
wie im vorgenannten Beispiel, diametral gegenüber, sondern beide Sektoren liegen
im wesentlichen auf der gleichen Seite eines Durchmessers. Diese Anordnung hat den
Vorteil, daß die Zahl der vorzusehenden Verzahnungen infolge Fortfalls der Zahnräder
7 kleiner ist als im vorerwähnten Beispiel. Da der Schwerpunkt der Schwingglieder
Sa infolge der einseitigen Lage derselben relativ zu ihrer Schwingachse 9 nicht
mehr mit der Schwingachse zusammenfällt, wodurch sich beim Hinundherschwingen senkrecht
gerichtete resultierende Massenkräfte ergeben, sind mit den Schwinggliedern Gegengewichte
12 starr verbunden, welche bewirken, daß der Gesamtschwerpunkt in die Schwingachse
fällt und demzufolge die genannten resultierenden Massenkräfte verschwinden. Auch
bei diesem Beispiel können die Radien r1 und r. der Zahnradsektoren verschieden
groß sein. Die Lage der Schwingachsen 9 ist so zu wählen, daß die Schwingglieder
8a, welche in einer die Maschinenlängsachse enthaltenen Ebene schwingen, bei ihrer
Schwingbewegung immer in einem solchen Abstand von den Flugmassen bleiben, daß diese
Flugmassen und die sie umhüllenden Zylinder die Schwingbewegung der Schwingglieder
nicht stören.
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Das Beispiel nach Abb.9 und io ist, was die Zahl der bewegten Teile
anbelangt, gegenüber demjenigen nach Abb.7 und 8 dadurch weiterhin vereinfacht,
daß auch die Zahnräder 5 fortfallen, und zwar wird dies dadurch .erreicht, daß die
von den Flugmassen her .anzutreibenden Zahnradsektoren i o der Schwingglieder 8b
unmittelbar in die Zahnstangen ¢ der Flugmasse eingreifen. Bei dieser Ausgestaltung
ergibt sich zwar, da der Abstand der Schwingachsen 9 der Schwingglieder 8b nunmehr
ebenso groß sein muß wie der Achsabstand der Zahnräder 5 der vorerwähnten Beispiele;
ein ziemlich großer Raumbedarf für die Unterbringung der Schwingglieder 8a. Trotzdem
sind, da die bewegten Massen infolge Fortfalls der Zahnräder 5 bzw. 5 und 7 kleiner
geworden sind, die Kraftverhältnisse im ganzen günstiger als bei den vorerwähnten
Beispielen. Außerdem sind außer .den Flugmassen nur noch zwei bewegte Teile, nämlich
die beiden Schwingglieder 8b vorhanden. Dies ist auch insofern wichtig, als die
Zahl der Zahneingriffe entsprechend vermindert ist und die durch den unvermeidlichen
toten Gang der Verzahnungen mögliche geringe Störung der Gegenläufigkeit der Flugmassen
entsprechend kleiner wird. Weiterhin :ergibt sich auch eine entsprechende Herabsetzung
der Reibungsarbeit.
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Beim Beispiel nach den Abb. i i und 12 liegen die an den beiden Flugmassen
i, 2 bzw. i, 3 vorgesehenen Verzahnungen q. auf verschiedenen Seiten der Maschinenlängsachse.
In die Verzahnungen greifen, wie im Beispiel-nach Abb. i und 2, Zahnräder 5 ein,
deren jedes über eine Welle 6 mit einem zweiten, etwa gleich großen und seitlich
der Maschinenlängsachse liegenden Zahnrad 7 starr gekuppelt
ist.
Zur Verbindung der beiden Zahnräder 7 ist eineinziges Schwingglied 8, vorgesehen,
welches um eine in der Mittelquereblene der Maschine liegende Achse 9 schwingbar
ist und zwei einander diametral gegenüberliegende Zahnradsektoren i o aufweist,
welche in :die Zahnräder 7 eingreifen. Diese Anordnung hat gegenüber derjenigen
nach Ab@b. i und z den Vorteil, daß die Zahl der bewegten Teile vermindert ist,
da nur noch ein einziges Schwingglied vorhanden ist, und daß ferner infolge Fortfalls
der Zahnradsektoren i i auch die Zahl der Verzahnungen kleiner geworden ist.