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Getriebe mit selbsttätig veränderlicher Übersetzung.
Es ist bekannt, Reibungsgetriebe z. B. nach Fig. 1 auszuführen, wobei 10 ein umlaufendes Reibungrad sein kann, welches in der Regel aus Stoffen hergestellt wird, die während der Arbeit keine ins Gewicht fallenden Formänderungen erleiden, während 11 ein Ringkörper sein kann, der aus nachgiebigem Material, z. B. aus Leder oder Gummi hergestellt ist und dem Anpressungsdruck ausweicht.
Ein solches Getriebe beansprucht, wenn aus Übersetzungsgründen das Rad 10 einen relativ geringen Durchmesser und der Ring 11 einen relativ grossen Durchmesser aufweist, im allgemeinen das nachgiebige Mittel sehr
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nimmt an dem Reibungsvorgang natürlich ein grösseres Kreissegment vom Ring 11 teil, so dass die Beanspruchungsverhältnisse in dieser Beziehung günstiger werden, dagegen fällt die Dehnung des elastischen Mittels, die sich zwischen dem Aussenmantel von Rad 10 und dem Innenmantel von Ring 11 abspielt, und ein Gleiten des elastischen Mittels auf dem Aussenmantel von 10 verursachen muss, gerade wegen der Vergrösserung des beanspruchten Segments sehr unangenehm auf.
Die Dehnung des elastischen Mittels breitet sich nämlich von der Stelle der grössten Durchbiegung symmetrisch nach beiden Seiten hin aus und wirkt somit nur nach einer Seite hin im Sinne des zu übertragenden Drehmomentes, während die Dehnung nach der anderen Seite hin diesem entgegenwirkt. Namentlich bei Verwendung von Gummi als elastisches Mittel kann die sich ergebende Reibung einen sehr hohen Wert annehmen.
Die Erfindung beruht nun darauf, dass man die erwähnten schädlichen Wirkungen der Reibung ganz ausserordentlich herabmindern bzw. beseitigen kann, wenn man an Stelle des Rades 10 ein wellenförmig ausgefrästes Rad 12 zur Anwendung bringt. Dem elastischen Stoff wird dann Gelegenheit gegeben, nach dem Hohlraum hin, der durch je zwei Wellenberge eingeschlossen wird, auszuweichen bzw. diesen Hohlraum mehr oder weniger auszufüllen. Die dann noch entstehende, relativ kleine Reibung wirkt schon deswegen im Sinne der Übertragung, weil jeder einzelne Zahn bzw. Wellenberg des elastischen Mittels im Sinne des Drehmomentes etwas auszuweichen vermag.
Man kann sogar je nach dem An- pressungsdruck und der Tiefe der Zähne usw. eine in weiten Grenzen wirkende selbsttätige Übersetzungs- änderung erreichen, die einerseits durch den Schlupf und anderseits durch das Ausweichen, d. h. die Durchbiegung der elastischen Verzahnung begründet ist.
Das beschriebene Getriebe, das im Grunde genommen aus einem starren Zahn-bzw. Wellenrad besteht. welches sich die eingreifende Verzahnung des zweiten Organes gewissermassen selbst nach Bedarf schneidet bzw. drückt, verhält sich also wie ein elektrischer Motor, der mit zunehmender Belastung infolge des Schlupfes seine Tourenzahl ändert.
Bei relativ starkem Anpressungsdruck, der naturgemäss eine erhöhte Reibung und Verringerung des Schlupfes bedingt, kann man in Fällen, wo ein grösserer Schlupf erwünscht sein sollte, diesen dadurch herbeiführen, dass man das Getriebe. dessen elastisches Mittel beispielsweise aus Gummi bestehen kann, unter Wasser, Glyzerin oder Rizinusöl laufen lässt, d. h. unter Einwirkung von Stoffen, die als Schmiermittel und kühlende Mittel wirken, ohne den Gummi anzugreifen oder seine elastischen Eigenschaften herabzusetzen.
Natürlich spielt sich in allen Fällen zwischen dem Rad 12 und dem Rad 13 ein Wälzvorgang ab, der bis auf die Schlupfvorgänge und die Elastizität des übertragenden Mittels aus der Theorie der Zahnradgetriebe bekannt ist. Es ist somit durchaus möglich, das vorliegende Getriebe in all jenen Kombinationen anzuwenden, die sich bei Zahnradgetrieben bewährt haben. Darüber hinaus bietet aber das
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Getriebe überall dort besonderen Vorteil, wo, wie beim Übersetzungsgetriebe, der Schlupf den Arbeitvorgang beeinflusst oder wo die Elastizität des Materials, wie beispielsweise beim Schwingungsvorgang, kraftaufspeichernd wirkt. Wird z.
B. angenommen, dass das Rad 12 (Fig. 2 und 3) durch irgendeine Welle 14 mittels Leder-Gummischeiben oder Kreuzgelenkkardan 15 an der Ausführung einer Drehbewegung gehindert wird, anderseits aber durch das umlaufende Exzenter 16 Auslenkungen in radialer Richtung erfährt, so führt das Rad 12 Kreisschwingungen, d. h. Bewegungen aus, bei denen jeder beliebige Punkt seiner Masse sich auf einem Kreise vom Radius des Exzenters 16 bewegt und immer wieder an seinen Ausgangspunkt zurückkehrt. Auch in diesem Falle findet aber eine Abwälzung zwischen 12 und 13 statt, d. h. das Rad 13 muss im Sinne des eingezeichneten Pfeiles rotieren, wenn das Rad 12 Kreisschwingungen im Uhrzeigersinne ausführt.
Durch Anbringung eines Gegengewichtes 17 kann das Getriebe in bezug auf Kraft-und Massenwirkung ausgeglichen werden.
Eine Umkehrung des dargestellten Vorganges ist in Fig. 4 und 5 veranschaulicht. Hierin stellt 18 einen Rahmen dar, an dem Gummiringe 19 so gelagert sind, dass sie innerhalb des Rahmens 18 keine Drehung auszuführen vermögen, während die mit Wellenverzahnung versehenen Räder 20 in einem feststehenden Rahmen 21 drehbar gelagert sind. Ferner ist im Rahmen 21 eine Exzenterwelle 22 dreh-
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Punkt des Rahmens Kreisschwingungen im Sinne des Uhrzeigers, wie eingezeichnet, ausführt.
Setzt man nun eine solche Vorrichtung in Umlauf, so laufen die Räder 20 im Sinne der eingezeichneten Pfeile je nach der Rotationsgeschwindigkeit der Welle 22 bzw. der durch ihr Grössenverhältnis zu den Ringen 19 gegebenen Übersetzung um. Es entsteht also in diesem Falle eine Rotation, deren
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mechanismus beispielsweise durch zwei umlaufende exzentrisch angeordnete Gewichte 23 in bezug auf Kraft und Massenwirkung vollkommen auszugleichen.
Im vorliegenden Falle sind drei umlaufende Räder angegeben ; ihre Zahl kann natürlich beliebig vermehrt und ihr Ort insbesondere dann beliebig gewählt werden, wenn die Erregung des Rahmens 18 durch zwei oder mehrere parallel angeordnete und in bezug auf ihre Exzentrizität synchron laufende Wellen angetrieben wird.
Da eine andere Verbindung als der Kreisschwingungen ausführende Rahmen zwischen den einzelnen umlaufenden Rädern 20 nicht vorhanden ist, so eignet sich die Vorrichtung besonders für alle jene Zwecke, wo der Antrieb von umlaufenden, beliebig im Rahmen verteilten Wellen Schwierigkeiten begegnet. Der Vorteil fällt um so stärker ins Gewicht, als die übertragenen Leistungen bzw. Kräfte relativ gross werden bzw. beliebig gesteigert werden können. Auch in diesem Falle kann das Gesamtgetriebe in bezug auf Kraft und Massenwirkung dadurch ausgeglichen werden, dass auf den Wellen 22 Unbalanzen angebracht werden, die dem Exzenter gegenüber um 1800 verschoben sind und Fliehkräfte hervorbringen, welche die Fliehkräfte des Rahmens 18 aufheben.
Während bei Fig. 2-5 Vorrichtungen verwendet wurden, die entsprechend der Exzentrizität des Antriebsorganes Kreisschwingungen von konstantem Ausschlag ausführen, soll im nachfolgenden noch ein Ausführungsbeispiel beschrieben werden, bei welchem der Ausschlag (die Amplitude der Kreisschwingungen) variabel ist, woraus sich eine Reihe neuer Effekte ergibt.
In Fig. 6 und 7 ist ein Mechanismus im Querschnitt und Draufsicht dargestellt, bei welchem 24 ein auf der hohlen Achse 37 umlaufendes Rad darstellt, welches durch ein Getriebe der beschriebenen Art in Umlauf gesetzt wird. Man kann sich vorstellen, dass solche Räder an Traktoren, aber auch an jeder beliebigen anderen Leistung übertragenden Maschine verwendet werden. Handelt es sich um Antriebsräder für Fahrzeuge, Schlepper, Autos usw., so kann der Aussenkranz in bekannter Weise mit Gummireifen 35, 36 versehen werden, im anderen Falle kommen sie in Wegfall. Im Sinne der Erfindung ist im Innern des Rades ein Gummiring 25 angebracht, in dessen inneren Hohlraum das mit Wellenverzahnung versehene Rad 26 angeordnet ist.
Das Rad 26 ist an seinem hinteren Ende durch ein Kardangelenk 27 an dem festen Rahmen 28 gehalten, so dass seine einzelnen Massenpunkte Kreisschwingungen auszuführen vermögen, ohne dass eine Drehung des Rades 26 möglich wäre. Die Antriebswelle 29, die den ganzen Mechanismus in Bewegung setzt, ist mit einem Exzenter 30 versehen, das von einem Lager 31 umschlossen wird. Das Lager 31 ist durch eine Anzahl radial angeordneter elastischer Körper, Federn, Gummielemente usw. 32 mit dem Rad 26 elastisch verbunden, d. h. in diesem Falle lose gekoppelt. Die Welle 29 kann natürlich im Deckel 33 des Rades 24 zentrisch gelagert sein. Setzt man nun die Welle 29 in Umlauf, so werden durch die Exzenterwirkung abwechselnd die elastischen Elemente 32 gespannt und entspannt, wodurch das Rad 26 zu Kreisschwingungen angeregt wird.
Da die Übertragung der Kräfte jedoch im vorliegenden Falle nicht zwangsläufig durch das Exzenter 30 auf das Rad 26 erfolgt. sondern unter Vermittlung der elastischen Körper 32, so ist der Ausschlag des Rades 26 nicht konstant, sondern er beginnt bei Null und wächst mit steigender Tourenzahl je nach der Elastizität des Gummiringes 25 bzw. der Dämpfung immer stärker an.
Die Grenze des Ausschlages wird in jedem Falle dort erreicht, wo die durch die Welle 29,30 zugeführte Energie die Grösse der durch Dämpfung verbrauchten Energie erreicht. Da die Dämpfung beispiels-
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weise bei Antriebsrädern für Traktoren stark wechselt, so wird der resultierende Ausschlag einmal kleiner und einmal grösser ausfallen, woraus sich bereits der Charakter des Übersetzungsgetriebes, auf das noch später eingegangen werden soll, ergibt.
Es steht also fest, dass das Rad 26 durch das Exzenter 30 über die lose Kopplung 32 zu Kreisschwingungen angeregt wird, die veränderliche Amplitude aufweisen und die in dem Falle, wo die Erregung im Uhrzeigersinne erfolgt, auch einen Umlauf des Gummiringes 25 bzw. des Rades 24 im Uhrzeigersinne bewirken müssen, u. zw. um so schneller, je tiefer die Wellenverzahnung des Rades 26 in den Gummiring 25 eingreift, d. b. je geringer die Dämpfung ist, desto grösser wird die Amplitude (der Eingriff) und desto grösser die Umlaufzahl des Rades bzw.
umgekehrt, je grösser die Dämpfung wird, desto grösser wird der Widerstand, die Reibung und der Schlupf und desto kleiner der Ausschlag (die Amplitude) des schwingungsfähigen Gebildes und desto langsamer die Umlaufzahl. Es liegt also im vorliegenden Falle, wie schon angedeutet, ein besonders wirksames, selbsttätig veränderliches Übersetzungsgetriebe vor.
Das bisher beschriebene Getriebe ist in bezug auf Kraft-und Massenwirkung unausgeglichen, d. h. das Rad 26 belastet, während es Kreissehwingungen ausführt, periodisch den Gummiring 25 bzw. das Rad 24 und ruft infolgedessen in dem Mechanismus Erschütterungen hervor, zu deren Ausgleich ein um 180 in der Phase gegen die Auslenkungen des Bades 26 verschobenes Gewicht 34 angebracht ist, u. zw. wirkt dieses Ausgleichsgewicht wie folgt :
Wenn die Welle 29, 30 in Umlauf versetzt wird, so erreicht sie relativ rasch ihre grösste Umlaufzahl, die beispielsweise zirka 1000 Umdrehungen pro Minute sein möge, so dass das Gewicht 34 durch seine entsprechend grosse Fliehkraft periodisch das Rad 24 über die Lagerung 36 belastet, d. h. unter anderem dem Sehlepperrad Erschütterungskräfte zuführt, die sich nach dem Boden hin so lange durch Adhäsionsvergrösserung auswirken, bis das um 180 in der Phase verschobene Rad 26, deren Wirkung durch seine eigenen entgegengerichteten periodischen Belastungen aufzuheben vermag.
: Nähert sich das Rad 26 einer Amplitude x, die sich zur : Masse. J1 des Rades so verhält, wie die Masse M des Gegengewichtes zu seinem Sehwerpunktradius X, so ist nach dem Newtonschen Gleichgewichtsgesetz, nach dem sich die Wege umgekehrt verhalten müssen wie die Masse, ein vollkommener Kräfte-und Massenausgleich erreicht, d. h. der Schlepper läuft bei dieser Umlaufzahl vollkommen erschütterungsfrei. Mit anderen Worten : Die dargestellte Ausgleichsvorrichtung wirkt in der Weise, dass bei grosser Dämpfung (beispielsweise beim Anlauf des Schleppers) die unausgeglichenen Massenkräfte
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Dämpfung der Mechanismus dem absoluten Kräfte-und Massenausgleieh nähert und ihn bei einer gewünschten Marschgeschwindigkeit vollkommen erreicht.
Fällt durch auftretende Widerstände die Marschgeschwindigkeit des Schleppers ab, so wird automatisch wieder die Adhäsion vergrössert und damit die Zugleistung erhöht. Es werden also im vorliegenden Falle mit zunehmender Dämpfung nach aussen wirkende Erschütterungskräfte hervorgerufen, die eine Adhäsionserhöhung und eine damit im Zusammenhang stehende Zugleistungssteigerung im Gefolge haben.
Der so erreichte Vorteil beruht darauf, dass die beiden Organe des Getriebes (das kreisschwingende und das umlaufende Organ), von denen das eine vorwiegend elastische und das andere Masseneigenschaften aufweist, zu einem mit veränderlicher Amplitude schwingenden System ausgebildet werden, d. h. der Radius der kreisschwingenden Masse 26 ist veränderlich, während der Schwerpunkt der Ausgleichsmasse 34 mit konstantem Radius umläuft.
Die Vorgänge, die oben kurz als Schlupf bezeichnet worden sind, treten natürlich nicht ausschliesslich dadurch ein, dass die Metallteile auf der Gummioberfläehe gleiten, sondern sie werden selbst bei zwangsläufig angetriebenen Organen unter Umständen zum überwiegenden Teil dadurch hervorgerufen, dass die Zähne des elastischen Mittels durch die in ihrer Grösse wechselnden Umfangskräfte eine wechselnde Durchbiegung erfahren, durch die im Verein mit dem unvermeidlichen Reibungsschlupf eine Weg-, d. h. Übersetzungsänderung hervorgerufen wird.
Beim schwingungsfähigen Getriebe, d. h. bei einem durch lose Kopplung mit veränderlicher Amplitude schwingenden Getriebe, erfährt die Übersetzungsfähigkeit noch durch die Anderungsfähigkeit der Amplitude mit der Dämpfung eine erhebliche Steigerung.
Es ändert nichts an der Erfindung, wenn in geeigneten Fällen statt einer Innenverzahnung eine Aussenverzahnung oder ein Kegelradgetriebe oder selbst elliptische Radeinheiten, Zahnstangen oder andere an sich bekannte Formen unter Beibehaltung der charakteristischen Merkmale verwendet werden.
Ferner ist es grundsätzlich gleichgültig, ob der Antrieb von dem aus Metall bestehenden Organ oder dem elastischen Organ aus erfolgt.
Von besonderem Vorteil ist es, dass eines der beiden Organe nur Kreisschwingungen auszuführen braucht ohne umzulaufen, da dieses Kreisschwingungen ausführende Organ, eben weil es nicht umzulaufen braucht, als Stange, Rahmen oder als Gebilde von beliebiger Form und Abmessung hergestellt werden kann.
Die einzige Bedingung, die das genannte Organ zu erfüllen hat, ist die, dass es Kreisschwingungen ausführt, die durch starre Mittel (Exzenter oder Kurbel) mit konstanter Amplitude erzwungen oder durch lose Kopplung mit veränderlicher Amplitude erregt werden können, wobei Kreis-
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Selbstverständlich kann auch das als beliebig geformtes Konstruktionselement ausgebildete, Kreisschwingungen ausführende Organ das zweite als Rad ausgebildete Organ, wie in Fig. 2 dargestellt, in sich aufnehmen oder es kann auch in den Hohlraum eines Rades eingreifen, ohne dass am Prinzip der Erfindung etwas geändert wird.
Ebenso können durch entsprechende Dimensionierung (Vergrösserung des Durchmessers usw. ) des rotierenden Organs bzw. dadurch, dass das Kreissehwingungen ausführende Organ durch synchron laufende Kurbeln oder Exzenter verschiedenen Hubes angetrieben wird, an ver- schiedenen Punkten desselben verschiedene Übersetzungen erzielt werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Getriebe mit automatisch veränderlicher Übersetzung, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus Metall bestehendes, mit wellenförmiger Verzahnung versehenes Rad in ein zweites, mit einer Schicht von Gummi oder anderem elastisch nachgiebigem Stoff versehenes Rad eingreift bzw. sich an der elastischen Schicht abwälzt.