Kurbelgetriebe
Um Trägheitskräfte nutzen zu können, sind im Prinzip eine konstant drehende Bewegung (der Systemwelle), eine Bewegung mit Beschleunigung und Verzögerung, exzentrische Achsen und asymmetrische Massen erforderlich. Rein prinzipiell können diese Erfordernisse durch ein Getriebe mit drei Kurbeln dargestellt werden. In Bild EVDK 01 ist diese generelle Konzeption schematisch dargestellt.

Um die Systemachse (SA, ortsfest) dreht sich gleichförmig ein Rotorträger (RT). An seinem äußeren Ende ist ein Rotorrad (RR) in der Rotorachse (RA) drehbar gelagert.

Zum andern dreht sich ein Exzenterträger (ET) mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten um die Exzenterachse (EA, ortsfest). An seinem äußeren Ende ist das Rotorrad um den Rotorexzenter (RE, hier zugleich Mittelpunkt des Rotorrades) gelagert.

Vom Rotorrad ist hier nur die Linie Rotorachse-Rotorexzenter eingezeichnet bzw. der Radius in Richtung Masseschwerpunkt (MP). Auch dieser Radius kann als Kurbel verstanden werden, welche sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit um die Rotorachse dreht.

Bewegungsablauf und Kraftwirkungen
Alle drei Kurbel überschneiden sich im Bewegungsablauf während einer Systemumdrehung. Ausgehend vom Totpunkt innen des Masseschwerpunktes (links, kurz vor Position A, Drehung im Uhrzeigersinn unterstellt) läuft der Rotorträger dem Exzenterträger voraus, zieht diesen praktisch hinter sich her. Die Masse wird über die Positionen B und C hinaus geschleudert, wobei in dieser Phase sich die Drehkraft des Rotorträgers und die gegebene Trägheitskraft vektoriell addieren.

Die Phase des positiven Schleuder-Effektes (dicke grüne Kurve) mit realem Zugewinn an Energie ist allerdings bereits nach etwa 165 Grad zuende, wenngleich die Masse erst nach 180 Grad ihre höchste Geschwindigkeit erreicht.

Ab etwa D und entsprechend weit über den Scheitelpunkt hinaus zerrt die Masse nurmehr in den Lagern der System- bzw. Exzenterachse. Die Trägheitskraft weist hier z.B. nach H (und wirkt bei normalen Rädern negativ zum Drehsinn).

Die Masse überholt hier den Exzenterträger und dieser wiederum den Rotorträger, der immer mehr zurück bleibt. Die Masse ´hängt´ vorwiegend am Exzenterlager (und zieht also nur am Gehäuse und damit nicht negativ zur Systemdrehung).

Dieses relative Zurückbleiben des Rotorträgers ist entscheidend für den ´negativen´ Schleuder-Effekt, der des Herein-Schleuderns. Die Relativgeschwindigkeit zwischen Masse und dem Rotordrehpunkt wird durch dieses Zurück-Bleiben erhöht, die Masse dabei um die Rotorachse nach innen geschleudert (und zieht damit an dieser vorwärts).

Der relativ voraus-eilende Exzenterträger erlaubt diese Drehbewegung bzw. forciert sie noch, indem er hier die Masse nach innen zieht. Etwa bei E zieht die Trägheit den Rotorträger deutlich nach vorn, etwa bei F wirkt die gesamte Verzögerung der Masse beschleunigend auf den Rotorträger.

Auch das Eintauchen der Masse zum inneren Totpunkt wirkt bei einfach geführten Rädern negativ hinsichtlich des Drehsinns. Hier jedoch wird dies z.B. bei G durch den Exzenterträger bewerkstelligt, also wiederum nur per Zug auf das Lager im Gehäuse.

Apfelbahn
Wenn ein normales Rad auf ebener Bahn abrollt, bewegt sich jeder Massepunkt auf einer bogenförmigen Bahn, welche Phasen der Beschleunigung und Verzögerung in horizontaler wie vertikaler Richtung aufweist. Wenn dieses Rad um ein gleich großes umläuft, bewegt sich ein Massepunkt auf der obigen, ´apfelförmigen´ Bahn.

Hier nun dreht das Rotorrad nicht um seinen Mittelpunkt, sondern um die exzentrische Rotorachse. Damit wird die Beschleunigung und Verzögerung eines entsprechend exzentrisch angeordneten Masseschwerpunktes auf dieser Apfelbahn entscheidend intensiviert.

Die Beschleunigung ist wichtig in der Auswärtsbewegung der Masse, weil sich damit Trägheitskraft und Rotorträger-Zugkraft vektoriell addieren zu hoher kinetischer Energie. Entscheidend wichtig ist jedoch die Verzögerung der Rotorträgerdrehung bei der Einwärtsbewegung der Masse, weil nur damit der Effekt des Herein-Schleuderns zu erreichen ist - wie bereits in 1998 beim Exzenter-Noppen-Getriebe dargelegt.

Eine kleine Animation macht diesen entscheidenden Bewegungsablauf anschaulich.

Dieser Bewegungsablauf erzeugt Überschuß an kinetischer Energie, welche im Drehsinn des Systems eingespeist werden kann. Diese Energie könnte aber auch direkt zum Vortrieb eines Systems genutzt werden. Dieser Aspekt einer ´inertial translation´ soll hier zunächst erörtert werden.

Vortriebs-Richtung
Die Richtung von Kräften aus ´Unwucht´ ziehen also keinesfalls nur dort hin, wo die größte ´Wucht´ gegeben ist, also hier nur nach rechts. Vielmehr wird sich dieses System etwa in Richtung I (hier unten rechts) bewegen, die Vortriebsrichtung damit schräg zur Linie Systemachse-Exzenterachse sein.

Auf dieser Diagonale werden in Summe die Massen einwärts durch Zug auf die Lager nach innen gezogen, während die Masse auf der gegenüberliegenden Seite relativ frei nach außen fallen kann.

Die nach außen wirkenden Kräfte sind also bei dieser Konstruktion keinesfalls ausgeglichen. Es ist natürlich nicht nur eine Kraftrichtung gegeben, wohl aber wird sich aus allen Kräften eine deutliche Resultierende ergeben.

Wenn diese Maschine zum direkten Vortrieb genutzt werden soll, muß natürlich ein gegenläufiges System alle davon abweichenden Kraftkomponenten gegenseitig neutralisieren und damit die resultierende Vortriebskomponente stabilisieren. Zweifelsfrei wird sich das Gesamtsystem entsprechend dieser Konzeption vorwärts bewegen, allein aus der Nutzung von Trägheitskräften.

Wenn dieses System zum Zwecke des Vortriebs eingesetzt werden soll, sind also auf einer Achse gegenläufige Module einzusetzen, oder es können auf zwei Achsen gegenläufige Baugruppen ein Gesamtsystem bilden. In jedem Fall muß die Exzentrität je Systemachse in gleiche Richtung weisen.

Achtzylinder-Motor
Wenn umgekehrt ein solches System als Motor eingesetzt werden soll, müssen alle Module gleichsinnig drehen. Zur Eliminierung der nach außen wirkenden Unwucht, muß dabei jedoch die Exzentrität in unterschiedliche Richtung weisen. Je ein Paar von Modulen muß um 180 Grad versetzte Exzentrität aufweisen. Um axiale Unwucht zu vermeiden, müssen zwei solcher Paare je Achse montiert sein.

Um einen runden Lauf zu erhalten, sollte die Exzentrität in mehr als nur zwei Richtungen weisen. Also wären zwei mal vier Module sinnvoll, würde man wie bei Verbrennungsmotoren ab acht ´Zylindern´ einen ´seidenweichen´ Lauf ohne zusätzliche Ausgleichsgewichte erreichen.

Wenn man je Modul ca. 30 mm Breite ansetzt, so würde bereits eine Baulänge von rund 300 mm einen rund laufenden Motor ergeben. Bei einem Radius der Räder von beispielsweise 80 mm würde der Zylinder des Rotors bzw. Gehäuses rund 600 mm betragen.

Eine nur wenige Gramm schwere Kugel eines Kugellagers drückt bei hoher Drehzahl mit einer Tonne gegen die Wandung. Selbst wenn hier nur wenige Prozent dieser ´Fliehkräfte´ in Drehmoment umgesetzt werden, wird dieser Motor schon bei relativ niedriger Drehzahl Energie für viele Bedarfe liefern können.

Energiebilanz
Wenn eine Masse auf einer Kreisbahn bewegt wird (hier beispielsweise auf dem gestrichelten), so bedarf es nur der Überwindung der Reibung in einem Lager. Hier wird Masse viel aufwendiger bewegt, ist Gleitreibung in mindestens vier Lagern gegeben.

Auf einer Kreisbahn kann es keinen Energiegewinn geben, weil Trägheitsrichtung und Drehmoment immer parallel verlaufen. Auf der Apfelbahn jedoch bilden Trägheit und Drehkraft immer einen Winkel zueinander, können diese Kräfte sich vektoriell addieren.

Wenn beispielsweise eine Masse hier vom inneren Totpunkt links beschleunigt wird hin zu ihrem äußersten Bahnpunkt rechts, so erfordert das weniger Energieaufwand, als wenn die gleiche Masse auf der gestrichelten, halben Kreisbahn auf gleiche Geschwindigkeit beschleunigt würde.

Die Verzögerung auf der Kreisbahn würde genau die Menge Energie wieder einbringen, welche zu ihrer Beschleunigung erforderlich war. Hier jedoch wird durch den umgekehrten Schleuder-Effekt die zusätzliche kinetische Energie in die Drehbewegung des Gesamtsystems eingebracht.

Diese Apfelbahn wird von jedem Masseteilchen jeden normalen Rades auch durchlaufen. Dennoch ist dort kein Energiegewinn gegeben. Das beruht einerseits auf der konzentrischen Masseverteilung eines normalen Rades, wodurch sich alle Kräfte kompensieren. Zum andern beruht es im gleichförmigen Umlauf beim normal geführten Rad. Erst in Verbindung mit der ungleichförmigen Umlaufgeschwindigkeit wird Energie freisetzbar.

Hier ist die relative Verzögerung des Rotorträgers nach Erreichen der höchsten kinetischen Energie entscheidend (praktisch eine ´weichere´ Form des Exzenter-Noppen-Getriebes). Damit wird die exzentrisch zur Rotorachse angeordnete Masse nach innen geschleudert, wird ihre (teilweise ´geschenkte´) Energie in Drehmoment des Gesamtsystems umgesetzt.

Mondsichel
Besonders in dieser Phase ist die ´mondsichelförmige´ Verteilung der wirksamen Masse von Bedeutung, wie aus Bild EVDK 02 ersichtlich. Bei D ist ein Rotorrad (roter Kreis) eingezeichnet und darin das Rotorlager (blauer Kreis). Die verbleibende Fläche ist Rotormasse, hier sind drei Massepunkte (grüne Kreise, MP) hervorgehoben. Diese asymmetrische Masseverteilung begünstigt den gewünschten Bewegungsablauf entscheidend.

Der Massepunkt vorn hat bereits seinen äußersten Bahnpunkt erreicht, der mittige wird ihn bald erreichen. Die mittige Masse drückt dann die vordere Masse bereits nach einwärts. Danach erreicht der hintere Massepunkt seine höchste Fliehkraft und hebelt damit seinerseits die mittige Masse nach innen. Damit haben bereits große Masseanteile eine Trägheitsrichtung erreicht, welche den Rotorträger nach vorne ziehen.

Diese sichelförmige Masseverteilung führt also insbesonders nach Ende der Phase des Hinaus-Schleuderns automatisch für die nachfolgend zweckmäßige Bewegung. Der Übergang der Auswärts- zur Einwärtsbewegung wird damit fließend. Das nachteilige Nur-nach-außen-Zerren der Masse am Scheitelpunkt der Bahn wird damit wesentlich reduziert.

Lange Hebelarme
Ausgangspunkt dieser Überlegungen waren obige (Zahn-) Räder mit gleich großem Radius, um den prinzipiell vorteilhaften Bewegungsablauf in Apfelbahnen zu erreichen. Durch den Einsatz zweier Kurbeln in Form des Rotor- und Exzenterträgers ist Zahneingriff nicht mehr erforderlich. Auch mittig ist dann kein Zahnrad erforderlich, kann also der Innenraum durch größere Rotorräder eingenommen werden.

Die Rotorlager in den Rotorrädern sollten möglichst groß angelegt werden, damit die verbleibende Rotormasse möglichst exzentrisch angeordnet ist. Bei F sind z.B. fünf derartige Massepunkte (MP) hervorgehoben. Es ist offensichtlich, daß damit die oben angeführten Effekte noch deutlicher in Erscheinung treten werden.

Umfassende Lager
Diese Überlegungen mit drei Kurbeln können und sollen nur das Prinzip veranschaulichen. Es ist aber technisch nicht machbar, drei im Bewegungsablauf sich überkreuzende Kurbeln zu realisieren. Diese Konzeption ist nur machbar, wenn die Lager in sich ´geschachtelt´ werden.

Eine erste Konzeption hierzu ist in EVDK 03 oben als schematischer Querschnitt dargestellt. Innen muß nur so viel Raum verbleiben, wie für das Exzenterlager (EL) erforderlich ist. Der Exzenterträger umfaßt dieses Lager wie auch das gesamte Rotorrad (RR), führt es also um seinen Rotorexzenter (RE).

Das Systemlager ist hier beispielsweise nach außen verlegt. Von einem umfassenden Rotorzylinder (ZY) ragen die Rotorträger (RT) in Form von Kreisringen nach innen. Mit dem Rotorträger fest verbunden sind die Rotorlager (RL), welche die Rotorräder auf der Rotorachse (RA) führen.

Der An- bzw. Abtrieb ist in diesem Schema nicht eingezeichnet, er könnte irgendwo und irgendwie am Rotorzylinder oder äußeren Rotorträger erfolgen (wird in nachfolgenden Maschinen detailiert).

In diesem Bild ganz unten ist ein zweites Modul eingezeichnet, wobei die Exzenterachse gegen dem oberen um 180 Grad versetzt ist und der Masseschwerpunkt nach außen zeigt.

Das Bauvolumen ist durch diese großen Rotorräder wesentlich besser genutzt, sodaß bei gleichem Außendurchmesser nahezu die doppelte Masse wirksam werden kann (gegenüber ersten Überlegungen mit gleich großen Zahnrädern). Aber auch diese Lösung zeigt noch nicht die Eleganz des Kornkreisbildes, also muß nach nochmals günstigeren Lösungen gesucht werden.

Ergebnis
Mit dieser Analyse der Bewegungsabläufe und Kraftwirkungen dieses Drei-Kurbel-Getriebes konnte nochmal herausgearbeitet werden, wie und warum diese Konzeption tauglich ist sowohl für den Vortrieb durch Trägheitskräfte wie auch als Motor. Wesentliche Elemente sind die Beschleunigung und Verzögerung sowie der Einsatz exzentrischer Massen.

Diese drei sich gegenseitig überholenden Kurbeln sind per Gestängen nicht machbar, sondern nur wenn die Lager in sich geschachtelt sind, hier indem das Rotorlager eingebettet ist in das Rotorrad, dieses wiederum in das äußere Lager des Exzenterträgers.

Die Vortriebsmaschine wie dieser Motor erfordern die mehrfache Montage von Modulen, je nach Zielsetzung in unterschiedlicher Auslegung. Dennoch sind mit geringer Baugröße rund laufende Maschinen zu produzieren. Der zuletzt angeführte Aspekt der verlängerten Hebelarme wird diese Maschine effektiver machen, die wirksame Masse in Relation zum Bauvolumen nochmals steigern.

Wenn diese effektive Maschine abermals verbessert werden soll, muß dieser Gesichtspunkt weiter entwickelt werden. Die optimale Lösung muß ähnlich zum Ideal des Kornkreisbild sein.

Evert / 05.01.2000