COMBINATION OF A VIBRATOR MOTOR AND A SPRING TRANSMISSION

Abstract: 1. Combination of a vibrator motor and a spring transmission with one or more driving vibrator motors working with periodical to and fro motions or with uniform motions and superimposed to and fro motions and with one or more spring transmissions transferring the driving motion or motions to one or more rotating driven shafts by springs (9) and by overunning (10) and/or engaging and disengaging clutches, the springs (9) being stretched and released periodically dependent on loading and driving, which leads to a driven speed of rotation steplessly variable and dependent on loading and driving, characterised in that the driving vibrator motor or motors contain at least two structural members (1, 2) oscillating against each other, the structural members (1, 2) having no stiff connection to a housing and at least one of the members (1 or 2) co-operating with the housing so that the oscillating motion or motions are not or not very much impeded and no or not very much oscillation energy is transferred to the housing, which can be attained by sliding or floating bearings, by elastic suspension or by spring transmissions supported by the housing, and at least one of the structural members (1 or 2) is connected with at least one spring transmission.

Description: Schwin#otor-Federgetriebe-Kombination Die Erfindung bezieht sich auf eine Schwingmotor-Federgetriebe Kombination mit einem oder mehreren Antriebsnotoren, die periodische Hin- und Herbewegungen oder einer gleichförmigen Bewegung überlagerte periodische Hin- und Herbewegungen ausführen und einem oder mehreren Federgetrieben, die die Äntriebebewegung oder -bewegungen über Federn 9 und Freiläufe 10 und/oder Schaltkupplungen in eine oder mehrere Drehbewegungen übersetzen, wobei die Federn 9 periodisch last- und antriebsabhängig gespannt und entspannt werden, so dass sich die Abtriebsdrehzahl stufenlos lastund antriebsabhängig einstellt. Stufenlose Motor-Getriebe-Kombinationen werden in einer Vielzahl von Maschinen, z.B. in Kraftfahrzeugen, eingesetzt, um die Motorcharakteristik möglichst optimal iii die erforderliche Abtrieb charakteristik zu übersetzen. Die in Kraftfahrzeugen heute überwiegend verwendeten Verbrennungs Hubkolbenmotoren sind Schwingiotoren im Sinne unserer Definition im einleitenden Oberbegriff. Die Hin- und Herbewegungen dieser Motoren werden üblicherweise mit Kurbelwellen in Drehbewegungen umgewandelt und über Stufenschaltgetriebe oder automatische ¯tu- fenlose Getriebe und über. Sperrdifferentialgetriebe auf die Antriebsräder übertragen. Der Wirkungsgrad derartiger Motor Getriebe-Kombinationen ist nicht gut. Im Motor treten hohe Reibungsverluste auf, weil der Motor auch bei kleinen Leistungen die volle Hin- und Herbewegung ausführen muss, die Belastung nicht in der Kolbenbewegungsrichtung erfolgt und hohe Drehzahlen bei starkem Anpressdruck in den Pleuellagern auftreten. Die Verluste in aufwendigen stufenlosen Getrieben sind insbesondere bei grosser Drehzahlübersetzung beachtlich. Hubkolbenmotoren ohne Kurbelwelle, wie sie z B. für Druckpumpen verwendet werden, haben einen besseren Wirkungsgrad. Dieser geht allerdings weitgehend wieder verloren, wenn man die 8chwingbewegung der Druckpumpe mit einem stufenlosen Hydraulikantrieb in eine Drehbewegung übersetzt, da hierbei hohe Reibungsverluste auftreten. Die Kombination von Schwingmotoren mit stufenlosen, lastab hängigen Federgetrieben ist aus der EP 0 021 452 Al bekannt. Federgetriebe bewirken eine verlustarne Übersetzung der Schwing bewegung in eine Drehbewegung, deren Drehzahl lastabhängig stufenlos einstellbar ist. Die bekannten Schwingmotor-Getriebe-Konbinationen übertragen starke Vibrationen auf das Gehäuse. Das wird insbesondere bei Kraftfahrzeugen deutlich, wo durch die Verwindung von Motoren mit mehreren Zylindern, durch grosse Massen, hohe Drehzahlen und aufwendige Dämpfungsmassnahmen die Laufruhe verbessert wird. Die meisten dieser Massnahmen ergeben Leistungsverluste und sind insbesondere bei kieinen Krafttahrzeugen nicht praktikabel. Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung einer Schwingiotor- Getriebe-Kombination, die eine Übersetzung der Hin- und Herbewegungen des Antriebs in Drehbeyegungen Bit last- und antriebs- abhängiger Drehzahl gestattet, wobei der Wirkungsgrad in eine weiten Bereich gut ist w d die Übertragung von Vibrationen auf das Gehäuse auch bei kleinen Gehäusemassen und kleinen Schwingfrequenzen gering ist. Die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Ausgabe durch die Kombination von stufeniosen, lastabhängigen Federgetrieben mit Schwingmotoren, die mindestens zwei gegeneinander schwingende Bauteile 1 und 2 enthalten, die keine starre Verbindung zum Gehäuse haben und mindestens eins der Bauteile 1 oder 2 gleitend oder schwebend und/oder elastisch und/oder über die Federgetriebe nit den Gehäuse verbunden ist und mindestens eins der Bauteile oder 2 mit einem Federgetriebe gekoppelt ist. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 10 festgehalten. Auf das Gehäuse einer erfindungsgemässen Motor-Getriebe-Kombination werden von den gegeneinander schwingenden Bauteilen 1 und 2 durch die lose Befestigung nur geringe Kräfte ausgeübt, die vom starren. Gehäuseaufbau und einer geringen Gehäusemasse aufgenommen werden können. Dadurch ergibt sich der Vorteil weitgehender Vibrationefreiheit des Gehäuse trotz starker Motorvibration. Der Wirkungsgrad von Schwingrotoren ist besser als der von Rotationsmotoren. Da die Verluste in guten Stahlfedern und Freiläufen gering sind, ist der Wirkungsgrad von Federgetrieben wesentlich besser als der von vergleichbaren anderen bekannten Getrieben. Da sich die Abtriebedrehzahl stufenlos in Abhängigkeit vom Äntriebsschub und dem Abtriebsdrehmoment auf den jeweiligen Betriebszustand einstellt, kann der Motor auch bei stark schwankenden Abtriebsbedingungen in einem günstigen Arbeitebereich laufen. Da ausserdem verlustreiche Dämpfungsmassnahmen entfallen, ist der Wirkungsgrad einer erfindungsgemassen Schwingmotor-Federgetriebe-Kombination besser als der von bekannten > iotor-Getriebe-Kombinationen. Erfindungsgemässe Motor-Getriebe-kombinationen sind gut geeignet für den Einsatz in Kraftfahrzeugen und dank ihres einfachen Aufbaus wesentlich billiger herzustellen als die üblicherweise verwendete Kombination von Hubkolbenmotor, Kurbelwelle, etufenlos einstellbarem Getriebe und Sperrdifferentialgetriebe. Durch den einfachen Aufbau und die ausschliessliche Verwendung erprobter Bauteile wie Schwingmotoren, Stahlfedern und Freiläufen ist ein wartungs- und etörungearmer Betrieb und eine gute Lebensdauer erfindungsgemässer Motor-Getriebe-Kombinationen gegeben. Im folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Augführungs- beispielen und einigen Hinweisen auf vorteilhafte Variationen näher beschrieben. Beispiel 1 Zweitakt-Verbrennungs-Hubkolbenmotor mit stufenlosem Federgetriebe für Kraftfahrzeuge mit Zweiradantrieb In Figur 1 ist der prinzipielle Aufbau einer erfindungsgemässen Motor-Getriebe-Kombination mit einem Hubkolbenmotor skizziert. Das eine der gegeneinander schwingenden Bauteile 1 wird durch den Kolben 3, die Schubstangen4 und andere mit dem Kolben 3 verbundene, der Einfachheit halber nicht eingezeichnete Teile gebildet. Das andere der gegeneinander schwingenden Bauteile 2 bildet der Zylinder 5, die Schubrohre 6 und andere, it dem Zylinder 5 verbundene, nicht eingezeichnete Teile. Der Hubkolbenmotor wird durch das Gleitlager 13 im Gehäuse gehalten. Durch abwechselndes Beschicken der Arbeitakammern 7 und 8 schwingen die Bauteile 1 und 2 gegeneinander und zwar mit gegensinnig gleicher Amplitude und Geschwindigkeit, wenn die trägen Massen der Bauteile 1 und 2 gleich gross sind. Die Hinund Herbewegung der Bauteile 1 und 2 wird von der Schubstange 4 und dem Schubrohr 6 durch Federn 9 und Freiläufe 10 in eine Drehbewegung der Wellen 11 übertragen, die durch Zahnräder 12 miteinander gekoppelt sind, so dass jede der im Gehäuse gelagerten Wellen 11 als Abtriebswelle benutzt werden kann. Jedes der gegeneinander schwingenden Bauteile 1 und 2 bewegt zwei gegensinnig angebrachte Federn 9 und die zugehörigen Freiläufe 10, die so angebracht sind, dass von der einen Feder-Freilauf-Kon- bination die Hinbewegung und von der anderen die Herbewegung in eine Drehung der zugehörigen Welle 11 übertragen wird. Die jeweils nicht angetriebenen Wellen 11 laufen über die Zahnrä- der 12 bei offenen Freilauf mit. Bei kleinem Abtriebsdrehmoment werden die Federn nur wenig gespannt, die Abtriebedrehzahl ist gross. Bei grossen Abtriebsdrehmoment werden die Federn stark gespannt und die Abtriebsdrehzahl ist klein. Die Antriebsenergie wird während der Feder spannungsphase zur Bewegung der Abtriebsweile 11 und zum Spannen der Feder 9 benutzt. Während der Federentspannungsphase wird die gespeicherte Federenergie teilweise zur Bewegung der Abtriebswelle 11 benutzt und teilweise an den Antrieb zurückgegeben. Wenn die Feder 9 voll entspannt iet, Iöot sich der Freilauf 10 und die Welle 11 läuft leer mit bis die nächste Federspannung- phase beginnt. In Figur 2 ist ein Zweitakt-Verbrennungs-Hubkolbenmotor skizziert, der in der praktischen Erprobung einen guten Wirkungsgrad zeigte. Zwei durch eine Verbindungsstange 14 verbundene Zweistufenkolben 3, ein Vorverdichtungskolben 15 und die Schubstangen 4 bilden das eine der gegeneinander schwingenden Bauteile 1. Der Zylinderblock 5 mit den Zündkerzen 16 und den vier Schubstangen 6, die die Schubrohre der Figur 1 ersetzen1 bilden das zweite der gegeneinander schwingenden Bauteile 2. Der Zylinderblock 5 ist über Gleitlager 13 mit dem Gehäuse 20 verbunden. Das vom gehäusefesten Vergaser kommende Treibstoff- Luft-Gemisch wird entweder über eine flexible Schlauchleitung oder über eine gleitende Zuführung 17 in den Vorverdichtungsraum 18 geführt, nach der Vorverdichtung in einen der Verbrennungsräume 7 oder 8 geleitet und dort nach der Verdichtung gezündet. Aus dem anderen Verbrennungsraum 8 oder 7 werden gleichzeitig die Verbrennungsprodukte über flexible oder gleitende Auspuffrohre 19 ausgestossen und neues Treibstoff-Luft Gemisch aus dem Vorverdichtungsraum 18 zugeführt. In den Figuren 3 und 4 ist der Aufriss und der Grundriss von zwei stufenlosen Federgetrieben skizziert, die an beiden Seiten des in Figur 2 skizzierten Hubkolbenmotors, der hier nur durch einen unterbrochenen Block 21 angedeutet ist, angebracht sind. Die Federgetriebe sind in Prinzip so aufgebaut wie das in Figur 1 skizzierte, die Bezeichnungen sind dieselben. Von den vier Abtriebswellen 11 der Figur 1 wurden je zwei gleichsinnig drehende zusammengelegt und mit einem Kegel zahnrad 12 versehen. Die sich so ergebenden zwei gegensinnig drehenden Wellen 11 - in Figur 4 punktiert durchgezeichnet - wurden fluchtend angeordnet und der Abtrieb erfolgt über eine Welle 22, die über ein Kegelzahnrad 23 mit den beiden Kegelzahnrädern 12 verbunden ist. Durch diese Anordnung ergibt sich ein kompakter Aufbau der Federgetriebe. Die beiden Federgetriebe, ihre Federn 9, Freiläufe 10 und Wellen 11 und 22 sind spiegelbildlich angeordnet zum Motorquerschnitt. Beim Betrieb der Motor-Getriebe-Kombination befinden sich dann die jeweils diagonal gegenüber liegenden Federn 9 der beiden Federgetriebe in der gleichen Arbeitsphase. Der Motorschub wirkt also im gleichen Sinne auf zwei in Bezug auf die Motorachse gegenüber liegende Stellen, so dass keine nennenswerten Querkräfte auftreten, die die Reibung zwischen Kolben und Zylinder erhöhen. Die beiden Abtriebswellen 22 der Federgetriebe drehen sich beim Betrieb der Motor-Getriebe Kombination im gleichen Sinne. Das beschriebene Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Schwingmotor-Federgetriebe-Kombination ist gut geeignet für den Einsatz in Kraftfahrzeugen mit Zweiradantrieb. Die beiden Abtriebswellen 22 können für die Vorwärts fahrt direkt mit den beiden Antriebsrädern gekoppelt werden. Für die Hückwärtsfahrt ist ein zusätzliches Wendeschaitgetriebe erforderlich. Die Auslegung der Federgetriebe richtet sich nach den Motoreigenschaften und der erforderlichen Äbtriebscharakteristik. In diesem Ausführungsbeispiel benutzen wir Stahlfederkombinationen mit progressiver Federcharakteristik und Vorspannung, die Abmessungen sind so gewählt, dass sich bei einer Motorschwingfrequenz von 6000 pro Minute eine maximale Abtriebsdrehzahl von 2000 Umdrehungen pro Minute ergibt. Die einfach aufgebaute erfindungsgemässe Kombination von Ver brennungc-Hubkolbenmotor, stufenlosem Federgetriebe und Wendegetriebe ist einer etwa leistungsgleichen, heute in Kraftfahr- zeugen üblichen Kombination aus Verbrennungs-Hubkolbenmotor, Kurbelwelle, stufenlosem hydrodynamischen Drehmomentwandler mit Dreigang-Nachschaltgetriebe und Sperrdifferentialgetriebe in Bezug auf Preis, Abmessungen, Wirkungsgrad, Wartungsfreiheit; Laufruhe und Fahrverhalten überlegen. Da die beiden Federgetriebe weitgehend unabhängig voneinander lastabhängig arbeiten, hat z.B. das Durchdrehen eines Antriebsrades nur einen geringen Einfluss auf das Drehmoment des anderen Antriebsrades. Das Anlassen der beschriebenen, in einem Kraftfahrzeug eingebauten Motor-Getriebe-Kombination erfolgt über einen elektromechanischen Schwingmotor, umgekehrt kann dem Hubkolbenmotor über einen Schwinggenerator elektrische Energie zum Laden der Batterie entnommen werden. Bei der beschriebenen Motor-Getriebe-Kombination ist keine Motorbremse vorgesehen. Wenn die Abtriebswellen 22 schneller laufen als der Motor, sind alle Freiläufe 10 frei und das Fahrzeug läuft im Leerlauf. Die Bremsen müssen also stärker dimensioniert sein als die heute üblichen. Da die erfindungsgemässe Motor-Getriebe-Kombination nur einen geringen Platzbedarf hat, ist es möglich Anordnungen unterzubringen, die die Bremsenergie speichern und später wieder zum Antrieb verwenden. Bei elektrischer Speicherung kann z.B. ein vergrösserter Anlassermotor bei geringer oder fehlender Leistung des Hubkolbenmotors zum Antrieb benutzt werden. Beispiel 2 Elektromechanischer Schwingmotor mit stufenlosem Federgetriebe. In den Figuren 5 und 6 ist im Längs- und Querschnitt eine erfindungsgemässe Motor-Getriebe-Kombination skizziert, bei der der Motor um eine Rotationsachse schwingt. Die Motor-Rotationsachse bildet gleichzeitig die Achse für zwei koaxial angeordnete Abtriebswellen 11, die über Freiläufe 10 und gewundene Biegefedern 9 mit den gegeneinander schwingenden Bauteilen 1 und 2 verbunden sind. Das Bauteil 1 besteht aus zwei permanent magnetischen Schwingankern 24 und ihren Befestigungselementen und Lagern, das Bauteil 2 besteht aus zwei Spulen 25, die mit Wechselstrom gespeist werden, und ihren Befestigungselementen und Lagern. Die Trägheitsmomente der Bauteile 1 und 2 und die Charakteristik der zugehörigen Federn 9 müssen aufeinander abgestimmt sein. Vorteilhaft für gleichmässigen Lauf und eine gute Charakteristik sind gleiche Trägheitsmomente und vorge spannte Federn 9 von gleicher, möglichst progressiver Federcharakteristik. Die beiden gewundenen Biegefedern 9 in Figur 5, die auf dieselbe Abtriebswelle 11 wirken, sind zwar von unterschiedlicher Grösse, um einen kompakten Getriebeaufbau zu ermöglichen, aber durch geeignete Wahl von Feder- und Drahtdurchmesser ist eine praktisch gleiche Federcharakteristik zu erreichen. Der beschriebene elektromechanische Schwingmotor mit stuten- losen Federgetrieben besitzt zwei Abtriebswellen 11, die sich mit entgegengesetzt gleichem Drehmoment in entgegengesetzten Richtungen drehen. Für manche Anwendungen, z.B. für Mahlwerke, kann man beide Bewegungen brauchen. Die im Gehäuse gelagerten Wellen 11 - in Figur 5 und 6 nicht eingezeichnet - übertragen dann kein Drehmoment auf das Gehäuse. Da der Motor nur schwingt und nicht rotiert, ist eine Stromzuführung zu den Spulen über elastische Kabel möglich. Bei vielen Anwendungen wird nur eine Drehrichtung benötigt. Man kann dann wie im Beispiel 1 beschrieben und in den Figuren 3 und 4 skizziert, die Drehbewegungen der Wellen 11 über Zahnräder 12 und 23 auf eine gemeinsame Abtriebswelle 22 übertragen. Man kann aber auch eine der beiden Wellen 11 fest mit dem Gehäuse koppeln und die andere Welle 11 als Abtriebswelle benutzen. Der Motor macht dann zusätzlich zu seiner Schwingbewegung eine Drehbewegung, deren Drehzahl bei gleichen Federn die Hälfte der Abtriebsdrehzahl beträgt. Die Stromzuführung muss dann über Schleifkontakte oder kapazitiv oder induktiv erfolgen. Durch Umkoppeln der beiden Wellen 11 erfolgt der Abtrieb in entgegengesetzter Richtung. Durch Kopplung der beiden Abtriebswellen 11 mit Schaltgetrieben lässt sich die Charakteristik der beschriebenen erfindungsgemässen Motor-Getriebe-Kombination an unterschiedliche Arbeitsbedingungen anpassen. Das beschriebene zweite Beispiel einer erfindungsgemässen Motor Getriebe-Kombination kann man als einen Wechselstrom-Rotations- motor auffassen, dessen Drehzahl von der Antriebsleistung und dem Abtriebsdrehmoment abhängig ist. Er zeigt ein ähnliches Regelverhalten wie ein Gleichstrommotor, ohne dass eine Stron- zuführung über Schleifkontakte erforderlich ist. In den beiden Ausführungsbeispielen werden nur einige wenige Punkte angesprochen, die für erfindungsgemässe Schwingmotor Federgetriebe-Kombinationen wichtig sind. Es gibt viele vorteii- hafte Variationen, von denen einige im folgenden kurz behandelt werden. Grundlagen und Variationen von stufenlosen, lastab- hängigen Federgetrieben werden in EP 0 021 452 A1 beschrieben. Als Motoren für erfindungsgemässe Motor-Getriebe-Kombinationen kommen alle Antriebsmechanismen infrage, bei denen mindestens zwei Bauteile eine gegenläufige Schwingbewegung ausführen, oder die so umgebaut werden können, dass das der Fall ist. Die Schwingbewegung kann linear sein wie im Beispiel 1, sie kann auf einer Kreisbahn erfolgen wie im Beispiel 2 oder auf anderen komplizierten Bahnen. Der Schwingbewegung kann auch eine gleichförmige Bewegung, z.B. eine Drehbewegung, überlagert sein. Als Motor geeignet sind alle Hubkolbenmotoren, insbesondere Verbrennungsmotoren, aber auch hydraulische oder pneumatische Motoren, Stirling-Motoren, Dampfmaschinen und andere Kolbennotoren. Anstelle des im Beispiel 1 beschriebenen Zweitaktmotors kommt auch ein Viertaktmotor infrage, der dann drei miteinander verbundene Kolben und vier Verbrennungsräume hat, deren Beschickung über Ventile gesteuert wird. Die beiden Arbeitsräume 7 und 8 des in den Figuren 1 oder 2 skizzierten Hubkolbenmotors können auf einen reduziert werden, wenn die Rückbewegung nicht durch einen zweiten Arbeitstakt erfolgt, sondern z.B. durch eine Stahlfeder, die an der Stelle des anderen Arbeitsraumes angebracht ist. In diesem Fall ist es zweckmässig, auch die Zahl der Freiläufe und Federn zu halbieren, so dass bei jedem Arbeitstakt, nicht aber bei der Rückbewegung Antriebsenergie auf die Federgetriebe übertragen wird. Durch ähnliche Massnahmen kann auch bei einem Viertaktmotor die Zahl der Verbrennungsräume auf die Hälfte reduziert werden. Sogar ein Viertaktmotor mit nur einem Verbrennungsraum ist möglich, wenn man den Motor mit einem schwingungsfähigen Gebilde koppelt und in der Nähe der Eigenresonanz betreibt. Als Motoren für erfindungsgemässe Motor-Getriebe-Kombinationen sind alle elektromechanischen Schwingmotoren geeignet, die mit Wechselstrom oder gepulstem Gleichstrom betrieben werden oder durch Umpolen oder Umschalten aus Gleichstrom einen Wechselstrom oder gepulsten Gleichstrom für ihren Betrieb selbst erzeugen. Das sind einmal die elektromagnetischen Schwinger, von denen eine Ausführungsform mit zwei Ankern und zwei Spulen im Beispiel 2 beschrieben wurde. Es gibt viele andere geeignete Auiführungsformen, etwa solche mit nur einem Anker und einer Spule oder auch linear arbeitende Schwinger. Geeignet sind auch piezoelektrische oder magnetostriktive Schwinger. Die beiden gegeneinander schwingenden Bauteile sind bei einfachen Ausführungsformen dieser Art zwei Massen, die über den piezoelektrischen oder magnetostriktiven Schwinger miteinander verbunden sind und ihre Schwingungsenergie über Federgetriebe in Rotationsenergie umsetzen. Besonders einfache Bauformen ergeben sich, wenn die elastischen Eigenschaften des Schwingmotors die Funktion der Federn des Federgetriebes weitgehend übernehmen. In Figur 7 ist eine derartige erfindungsgemässe Motor-Getriebe-Kombination skizziert, bei dem die Enden eines kreisförmig gebogenen piezoelektrischen Schwingers mit Freiläufen 10 verbunden sind, die wie in Figur 5 auf zwei Abtriebswellen 11 sitzen. Die beiden gegeneinander schwingenden Bauteile 1 und 2 werden jeweils durch ein Ende des piezoelektrischen Schwingers, die äusseren freilaufschalen und die Befestigungselemente gebildet. Die für die stufenlose lastabhängige Getriebefunktion erforderliche Federwirkung übernimmt der piezoelektrische Schwinger selbst. Bei allen Schwingmotoren ist eine gewisse Federwirkung vorhanden, die zwar berücksichtigt werden muss, normalerweise aber eine untergeordnete Rolle spielt. Erfindungsgemässe Schwingmotor-Federgetriebe-Kombinationen sind nicht auf Motoren beschränkt, bei denen exakt zwei Bauteile gegeneinander schwingen. Die Zahl der schwingenden Bauteile ist im Prinzip nicht begrenzt und die Schwingbewegung kann wesentlich komplizierter als die in den einfachen Ausführungs beispielen beschriebene sein. Im Sinne der Erfindung reicht es aus, wenn die Schwingbewegung von einem der gegeneinander schwingenden Bauteile durch ein Federgetriebe in eine Drehbewegung übertragen wird. Durch das Prinzip des Gegeneinander schwingens wird die Schwingungsenergie der Bauteile, die nicht mit einem Federgetriebe verbunden sind, schliesslich auf das Bauteil übertragen, das über sein Federgetriebe Energie an dia Abtriebswelle liefert. Es ist zweckmässig, die Masse eines nicht mit einem Federgetriebe verbundenen schwingenden Bauteils gross zu wählen, damit seine Schwingbewegung klein bleibt. Die Rotationsbewegung der Abtriebswellen 11 oder 22 ist nicht konstant, sie schwankt im selben Sinne wie die Motorschwingungen, allerdings gleichgerichtet und durch die Federn 9 und die Schwungmasse der drehenden Getriebeteile gemildert, so dass die Schwankung normalerweise unberücksichtigt bleiben kann. Um einen möglichst gleichmässigen Lauf zu erreichen, werden die Massen oder die Trägheitsmomente der gegeneinander schwingenden Bauteile und die zugehörigen Federgetriebe gleich gross gewählt. Eine weitere Verbesserung bringt die Verwendung mehrerer gleichartiger Schwingmotoren, die so betrieben werden, dass ihre Schwingbewegung in gleichmässigem Abstand zeitlich versetzt erfolgt. Bei einem elektromechanischen Schwingmotor werden z.B. drei Motoren nach Beispiel 2 zusammengefasst und mit Dreh¯ strom betrieben. Dabei können die drei Motoren mechanisch unabhängig voneinander auf dieselben Abtriebswellen wirken oder aber jeweils zwei schwingende Bauteile miteinander verbunden werden, so dass schliesslich ein Motor mit drei gegeneinander schwingenden Bauteilen entsteht. Drehzahl- bzw. Drehmomentänderungen der Abtriebswelle übertragen sich zwangsläufig auch auf das Gehäuse, wenn der Abtrieb nur in einer Drehrichtung erfolgt. Das gilt für jede Motor-Getriebe Kombination. Beim Kraftfahrzeug z.B. ist man an diese Gehäusebewegungen gewöhnt und empfindet sie allenfalls bei ruckartigem Bremsen als störend. Die Befestigung erfindungsgemässer Schwingmotor-Federgetriebe Kombinationen im Gehäuse erfolgt so, dass abgesehen von der eben beschriebenen unvermeidbaren Drehmomentübertragung nur geringe Kräfte auf das Gehäuse übertragen werden. Im Beispiel 1 sind Gleitlager 13 zwischen Zylinderblock 5 und Gehäuse 20 vorgesehen, die den Motor im Gehäuse fixieren bis auf den Freiheitsgrad, der für die Schwingbewegung erforderlich ist. Durch die gegensinnig angebrachten Federn 9 der Federgetriebe, deren Wellen 11 und 22 im Gehäuse gelagert sind, wird erreicht, dass der Motorschwerpunkt trotz der freien Schwingung seine Lage nur wenig ändern kann. Mit zusätzlichen federnden und/oder gedämpften Anschlägen zwischen Motor und Gehäuse kann man verhindern, dass der Motor bei starken äusseren Kräften in Schwingungsrichtung - Katastrophenfall ! - aus seiner Lagerung rutscht. Bei Schwingmotoren mit etwa gleicher Masse der gegeneinander schwingenden Bauteile ist es von Vorteil, die Lagerung im Gehäuse an allen schwingenden Bauteilen im gleichen Sinne vorzunehmen, da dann die Reibungskräfte in den Lagern gegensinnig gleich sind und vom starren Gehäuse aufgenommen werden. Bei Motoren mit unterschiedlichen Massen der schwingenden Bauteile ist es von Vorteil, die Lagerung an dem Bauteil vorzunehmen, das die kleinste Schwingbewegung ausführt. Die Befestigung des Schwingmotors im Gehäuse kann mit Lagern unterschiedlicher Bauform, auf Magnetkissen oder Luftlagern schwebend oder mit einer Federaufhängung erfolgen. Gegenüber der starren gleitenden Lagerung hat die weiche Lagerung den Vorteil, dass senkrecht zur Schwingungsrichtung wirkende Kräfte aufgefangen werden und nur zu einem Teil auf das Gehäuse übertragen werden. Die weiche Lagerung muss so konstruiert sein, dass keine Resonanzschwingungen entstehen können. Die Befestigung des Schwingmotors im Gehäuse kann auch über das oder die Federgetriebe erfolgen. Im Beispiel 2 ist der Schwinganker 24 bzw. das Bauteil 1 auf den Abtriebswellen 11 und diese im Gehäuse gelagert. Die Spulen 25 bzw. das Bauteil 2 ist auf der Schwingankerhohlwelle gelagert. Der Schwingmotor kann auch frei an den Federn 9 der Federgetriebe hängen. Man kann z.B. anstelle der Spiralfedern 9 des Beispiels 1 Blatt federn verwenden, deren eines Ende mit den Freiläufen 10 und deren anderes Ende mit den Schubstangen 4 oder 6 des Schwingmotors verbunden ist, der dann unter den Federgetrieben hängt. Ein weiteres Beispiel für die direkte Aufhängung eines leichten piezoelektrischen Schwingmotors 26 am Getriebe zeigt Figur 7. Hier sind Getriebe und Motor nicht mehr eindeutig voneinander zu trennen. Die Federgetriebe können in unterschiedlichen Ausführungsformen gebaut werden, wie in der EP 0 C21 452 Al beschrieben wird. Alle elastischen Effekte können als Grundlage für die Federn benutzt werden. Vorteilhaft ist die Verwendung hochwertiger Stahl- oder Metallfedern, weil hier die Verluste sehr klein sind, hohe lsückstellkrartc bei kleinem Volumen und Gewicht erreicht werden und grosse technische Erfahrungen vorliegen. Ausser den in den Beispielen erwähnten Spiralfedern, gewundenen Biegefedern und Blattfedern können alle bekannten Federformen Verwendung finden, z.B. Zug- und Druckfedern, Stabfedern und Tellerfedern. Die Federn können an unterschiedlichen Stellen im Getriebe sitzen, auch miteinander oder mit dem Gehäuse über Hilfsfedern ,eko7,peltsein, sin,wenn nur gewährleistet ist, dass sie während des Betriebes durch den Schwingmotor periodisch iastab- hängig gespannt und entspannt werden und während der Federentspannungsphase ihre gespeicherte energie an die Abtriebswelle weiter und/oder an den Schwingmotor zurückgeben. Vorteilhaft für eine gute Getriebecharakteristik in einem weiten Drehzahlbereich ist die Verwendung von Federn oder Federkombinationen mit progressiver oder S-förmiger Charakteristik. Um auch bei hohen 3rehzahlen grosse Abtriebsdrehmomente erzeugen zu können, empfiehlt sich die Verwendung von vorgespannten Federn. Eine vorteilhafte Federkombination ist in Figur 8 skizziert. Zwei Spiralfedern 9 sind mit ihrem inneren Ende an der Nahe des Freilaufs 10 befestigt. Auf der Nabe befindet sich auch ein Anschlag 27, durch den die äussere der beiden Federn 9 eine Vorspannung erhält. Der Anschlag 27 kann auch selbst eine Feder sein. Das äussere Ende der äusseren Spiralfeder 9 ist an einem der gegeneinander schwingenden Bauteile 1 oder 2 des Schwingmotors befestigt. Bei Betrieb mit einem Drehmoment unterhalb der Federvorspannung wird die Feder kaum gespannt, die Drehzahl ist gross. Bei zunehmendem Drehmoment wird die äussere Feder 9 immer stärker gespannt und entspannt, bis schliesslich bei grossem Drehmoment auch die innere stärkere Feder 9 mitwirkt. Schliesslich legen sich beide Federn 9 in vollgespanntem Zustand an die Nabe an. Das Abtriebsdrehmoment ist dann sehr gross und die Drehzahl sehr klein. Stufenlose Federgetriebe können auch so ausgelegt werden, dass bei kleinen Drehzahlen das Abtriebsdrehmoment wieder abnimmt. Mit unterschiedlichen Konstruktionen und Federcharakteristiken lässt sich fast jede gewünschte Abtriebscharakteristik verwirklichen. Stufenlose Federgetriebe können so ausgelegt werden, dass bei festgehaltener Abtriebswelle ein kupplungsloser Leerlauf des Schwingmotors möglich ist. Das vom Schwingmotor gelieferte Schubmoment ist dann sehr klein, die Federn 9 liefern jeweils ihre gespeicherte Energie an den Schwingmotor zurück und die erfin dungsgemässe Motor-Getriebe-k'ombination läuft in einer Art Eigenschwingung. Wenn die an den Federn 9 der Federgetriebe befestigten schwingenden Motorbauteile 1 oder 2 nicht auf einer Kreisbahn um die Getriebewellen il schwingen, sondern z.B. linear wie im Beispiel 1, so treten quer zur Schwingungsrichtung Kräfte auf, die bei kleinen Schwingungsamplituden von den Federn 9 aufgenommen werden. Bei grossen amplituden kann man entweder den Motor so weich aufhängen, dass er die QuerschwingunÓren verkraftet oder durch eine geeignete Konstruktion der Verbindung zwischen Federende und schwingendem Motorbauteil dafür sorgen, dass das Federende sich auf der gewünschten Kreisbahn bewegt ohne dass der Motor Querschwingungen ausführt. Bisher wurde stillschweigend angenommen, dass die Steifigkeit der Federn 9 ausreicht, um bei offenem Freilauf 10 eine einwandfreie Rückwärtsbewegung der Freilaufnabe zu gewährleisten. Diese Auf- gabe kann auch von einer Vorrichtung übernommen werden, die eine starre Verbindung zwischen schwingendem Motorbauteil und Freilaufnabe herstellt, sobald die zugehörige Feder 9 auf die vorgesehene Vorspannung entspannt ist. Für manche Anwendungsfälle ist es nützlich, wenn während des Betriebes die Charakteristik der Motor-Getriebe-Kombination geändert und an andere Abtriebsbedingungen angepasst werden kann. Bei erfindungsgemässen Schwingmotor-Federgetriebe-Kombinationen kann die Änderung über den Schwingmotor und/oder über das Federgetriebe erfolgen. Durch Ankoppeln von Federn kann man z.B. die Schwingungseigenschaften des Motors ändern. Eine weitere Einflussnahme auf den Motor ist z.B. bei Verbrennungsmotoren über den Zündzeitpunkt und bei elektromechanischen Motoren über die Form des Wechselstromes möglich. Auch über die Federgetriebe gibt es mehrere Singriffsmöglichkeiten. Die Getriebecharakteristik lässt sich ändern durch Änderung der Federvorspannung, durch Zuschalten oder Wegnehmen von Federn über Schaltkupplungen oder durch Änderung des Schwingungswinkels oder des Hebelarmes der Schwinge. Ersetzt man die Freiläufe 10 durch Schaltkupplungen, so hat man über die externe Steuerung der Federspannungszeiten einen direkten Einfluss auf die Getriebecharakteristik. zinke Anpassung an unterschiedliche Abtriebsbedingungen kann man auch dadurch erreichen, dass ein Schwingnotor mehrere Federgetriebe von unterschiedlicher Charakteristik betreibt, von denen jeweils die passenden an die Abtriebswellen angekoppelt werden und die nicht benutzten leer mitlaufen. Natürlich kann man auch bekannte Schaltgetriebe mit erfindungsgemässen Motor Getriebe-Kombinationen koppeln. Durch geeignete Kopplung der Getriebewellen 11 erfindungsgemässer hotor-Getriebe-Kombirationen untereinander, mit dem Gehäuse und/oder mit zusätzlichen Getrieben ergeben sich weitere Variationsmöglichkeiten, von denen einige im Beispiel 2 beschrieben werden. Die beschriebenen Vorrichtungen und Massnahmen zur Änderung der Charakteristik der Schwingrno#or-Federgetriebe-Kombinationen werden durch einen Schaltvorgang von Hand oder automatisch in Abhängigkeit von vorgegebenen Stellgröaen betätigt. Bisher wurden der Einfachheit halber Beispiele und Variationen mit einer oder zwei Abtriebswellen beschrieben. Ein Schwingmotor kann aber über mehrere Federgetriebe mehrere Abtriebswellen bewegen, z.B. bei einem Kraftfahrzeug mit Vierradantrieb. Dabei können die Federgetriebe auch unterschiedlich sein, so dass sich Abtriebe mit unterschiedlichen Eigenschaften ergeben. Es können auch zur Verbesserung der Charakteristik mehrere unterschiedliche Federgetriebe auf eine Abtriebswelle wirken. Ebenso können mehrere, auch unterschiedliche Schwingmotoren über ihre Federgetriebe auf dieselbe Abtriebswelle wirken. Erfindungsgemässe Schwingmotor-Federgetriebe-Kombinationen können also einen wesentlich komplexeren Aufbau haben, als in den einfachen Beispielen beschrieben wurde.

Claims: Patentansprüche 1. SchwinÓmotor-Federgetriebe-om.bination mit einem oder mehreren Antriebsmotoren, die periodische Hin- und Herbe wegungen oder einer gieicnförmigen Bewegung überlagerte periodische Hin- und Herbewegungen ausführen, und einem oder mehreren Federgetrieben, die die Antriebsbewegung oder -bewegungen über Federn (9) und Freiläufe (io) und/ oder Schaltkupplungen in eine oder mehrere Drehbewegungen übersetzen1 wobei die Federn (9) periodisch last- und antriebsabhängig gespannt und entspannt werden, so dass sich die Abtriebsdrehzahl stufenlos last- und antriebsabhängig einstellt, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Antriebs motoren mindestens zwei gegeneinander schwingende Bauteile (1,2) enthalten, die keine starre Verbindung zum Gehäuse haben und mindestens eins der Bauteile (1 oder 2) gleitend oder schwebend und/oder elastisch und/oder über die Feder getriebe mit dem Gehäuse verbunden ist und mindestens eins der Bauteile (1 oder 2) mit mindestens einem Federgetriebe gekoppelt ist. 2. Schwingmotor-Federgetriebe-Kombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gegeneinander schwingenden Bauteile (1,2) eines striebsmotors wenigstens annähernd gleiche träge Massen und/oder Trägheitsmomente haben und über wenigstens annähernd gleiche Federgetriebe ihre Schwing bewegung in eine oder mehrere Drehbewegungen übertragen. 3. Schwingaotor-redergetr; Kombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet1 daa die schwingenden Motorbauteile, die über Federgetriebe ihre Antriebsbewegung auf eine gemein same Abtriebswelle übertragen, in gleichmässigem Abstand zeitlich versetzt schwingen. 4. Schwin6"motor-Feder#etriebe-Kombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet1 dass der Antrieb über einen oder mehrere Hubkolbenmotoren mit zwei gegeneinander schwingen den Massen erfolgt. 5. Schwingmotor-Federgetriebe-Kombination nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubkolbenmotoren Verbrenn ungsmotoren sind. 6. Schwingmotor-Federgetriebe-Kombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb über einen oder mehrere elektromechanische Schwingmotoren erfolgt. 7. Schwingmotor-Federgetriebe-Kombination nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingmotoren piezoelek trische oder magnetostriktive Schwingmotoren sind. 8. Schwingmotor-Federgetriebe-Kombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der für die Federgetriebe erforderlichen Federwirkung durch den oder die Schwingmotoren selbst bereitgestellt wird. 9. Schwingmotor-Federgetriebe-Kombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Federgetrieben Federn (9) oder Federkombinationen mit wenigstens angenähert progressiver, hyperbel oder S-förmiger Federcharakteristik verwendet werden. 10. Schwingmotor-Federgetriebe-kombination nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Vorrichtungen und/oder Massnahmen zur Änderung der Charakteristik der Schwingmotor-Federgetriebe Kombination.

Inventors: SCHNELL, JOACHIM, DR.
Applicants: SCHNELL, JOACHIM, DR.
Application year: 1981
Main classification: F16H33
IPC codes: F16H33