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Planetenradgetriebe zur automatisch stufenlos veränderbaren
Kraftübertragung
Die Erfindung betrifft ein Planetenradgetriebe zur automatisch stufenlos veränderbaren Kraftübertra- gung von einer Antriebswelle auf eine angetriebene Welle mit mindestens zwei, vorzugsweise vier Pla- netenrädern, die um mit der einen Welle verbundene Achsen umlaufen und dauernd mit einem mit der andern Welle verbundenen Zentralrad in Eingriff stehen, wobei jedem Planetenrad eine um seine Achse schwenkbare Schwungmasse zugeordnet ist, deren Schwerpunkt bezüglich dieser Achse exzentrisch ist und beim Umlauf der Planetenräder eine Bahn beschreibt, die abwechselnd zwischen Bahnpunkten mit klein- stem und grösstem radialen Abstand von der Drehachse des Getriebes verlauft, wobei sich bei jeweils zwei
Planetenrädern die radialen Abstände,
der Schwerpunkte ihrer Schwungmassen von der Drehachse des Ge- triebes gegensinnig ändern.
Bei einem Getriebe dieser Art wird beim Umlauf der Planetenräder von jeder Schwungmasse, während ihr Schwerpunkt einen Abschnitt der Umlaufbahn mit zunehmendem radialem Abstand von der Getriebedrehachse durchläuft, wenigstens ein Teil der von der Antriebswelle gelieferten Kraft als kinetische Energie gespeichert (Speicherphase) und während der Bewegung des Schwerpunktes dieser Schwungmasse auf einem Abschnitt der Umlaufbahn mit abnehmendem radialem Abstand von der Getriebedrehachse an die getriebene Welle abgegeben (Arbeitsphase), wodurch diese um einen bestimmten Winkel in Drehung versetzt wird.
Während dieser Arbeitsphase der erstgenannten Schwungmasse speichert die bchwungmasse eines andern Planetenrades in der Speicherphase kinetische Energie und gibt diese Energie während der folgenden Speicherphase der erstgenannten Schwungmasse an die getriebene Welle ab, so dass diese kontinuierlich in Drehung gehalten wird. Da bei steigender Belastung der getriebenen Welle der Winkel der bei einer Aufzehrung der gespeicherten Energie bewirkten Verdrehung der getriebenen Welle kleiner wird, nimmt bei steigender Last die Drehzahl ab, ohne dass die Drehzahl der Antriebswelle übermässig stark verändert wird.
Bei bekannten Planetenradgetrieben der einleitend beschriebenen Art sind die Schwungmassen mit den zugeordneten Planetenrädern fest verbunden und werden beim Umlauf der Räder zwangsläufig durch Abschnitte mit abnehmendem und Abschnitte mit zunehmendem radialem Abstand des Schwerpunktes von der Getriebedrehachse bewegt. Infolgedessen kann weder die Speicherung noch die Abgabe von Energie durch die einzelnen Schwungmassen unabhängig von den Vorgängen in den andern Schwungmassen vor sich gehen und ausserdem kann bei einem Wechsel der Belastung der angetriebenen Welle eine Rückwirkung auf die Antriebswelle nicht verhindert werden. Es kann somit weder eine vollkommene Anpassung der Drehzahl der angetriebenen Welle an deren jeweilige Belastung, noch eine vollständig verlustfreie Kraftübertragung von der Antriebswelle an die getriebene Welle erreicht werden.
Die Erfindung zielt darauf ab, ein Planetenradgetriebe der einleitend beschriebenen Art so auszubilden, dass sich bei Veränderungen der Belastung der angetriebenen Welle deren Drehzahl sofort automatisch und stufenlos im Bereich zwischen Null und dem durch die Abmessungen des Getriebes bestimmten Höchstwert vollkommen verlustfrei und ohne Rückwirkung auf die Drehzahl oder Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle verändert.
Dieses Ziel wird bei einem Planetenradgetriebe der einleitend erläuterten Art im wesentlichen dadurch erreicht, dass die Schwungmassen relativ zu den zugehörigen Planetenrädern verdrehbar sind und mit diesen durch in Umfangsrichtung bis zu einer vorbestimmten Länge streckbare Zugglieder verbunden sind, die in Strecklage eine starre Kupplung zwischen der Schwungmasse und dem zugehörigen Planetenrad bilden.
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Beim erfindungsgemässen Planetenradgetriebe bleibt anschliessend an den Durchgang des Schwerpunk- tes durch den innersten Teil der Umlaufbahn zunächst die Schwungmasse unter Verkürzung des Zuggliedes hinter dem zugehörigen Planetenrad zurück, sie wird aber dann durch die Wirkung der Fliehkraft mit zu- nehmender Stärke nach aussen getrieben und holt das Planetenrad wieder ein, wobei das Zugglied ge- streckt wird und bei voller Streckung die Schwungmasse starr mit dem Planetenrad kuppelt, wenn der
Schwerpunkt etwa den äussersten Punkt der Umlaufbahn erreicht.
Die Schwungmasse sucht nun dem am
Zentralrad abrollenden Planetenrad vorzueilen und erteilt diesem, weil ein Voreilen durch das gespannte
Zugglied verhindert wird, eine Drehgeschwindigkeit, die grösser ist als die Drehgeschwindigkeit, die dem
Planetenrad durch das Abrollen am Zentralrad erteilt wird. Das Zentralrad wird daher durch das Planeten- rad bis zum Aufbrauch der in der Schwungmasse gespeicherten kinetischen Energie um einen Winkel ver- dreht, dessen Grösse umgekehrt proportional der Belastung der angetriebenen Welle ist.
Die Drehzahl der angetriebenen Welle fällt somit bei steigender Belastung dieser Welle und erreicht bei Überschreitung der durch die-Konstruktionsverhältnisse bestimmten Höchstlast oder bei Unterschreitung einer vorbestimmten unteren Grenzdrehzahl der Antriebswelle den Wert Null, d. h. die angetriebene Welle bleibt stehen, und die Planetenräder laufen mit der Antriebswelle weiter um, ohne dass durch ein Schleifen voneinander be- rührenden Teilen des Getriebes Energie vernichtet wird.
Infolge des bei den Schwungmassen voneinander unabhängigen Verlaufes der Speicher- und Arbeitsphasen wird beim erfindungsgemässen Planetenradgetriebe auch das Auftreten des sogenannten"Pirouette-Effektes", d. h. ein schädlicher Einfluss von Änderungen der (auf die Getriebeachse bezogenen) Umfangsgeschwindigkeit der Schwungmasse auf ihre (auf die Pla- netenradachsen bezogene) Umlaufgeschwindigkeit verhindert.
Die Schwungmassen haben vorzugsweise die Form von Zylinderquadranten, wodurch sich ein optima- les Verhältnis zwischen der wirksamen Masse und der günstigsten Schwerpunktslage in bezug auf die Pla- netenradachse ergibt.
Die Verbindung der Schwungmassen mit ihren zugehörigen Planetenrädern durch einen Gelenkhebel, eine Kette, ein Stahlband oder ein Drahtseil, wobei dieser Verbindungsteil mit einem Ende an der
Schwungmasse und mit dem andern Ende am Planetenrad verankert ist, ergibt einen einfachen konstrukti- ven und. mechanisch zuverlässigen Aufbau des Getriebes.
Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemässen Planetenradgetriebes ist jeder Schwungmasse eine Regelschwungmasse gleicher Form und Schwere zugeordnet, die auf der zugehörigen Planetenradachse relativ zur Schwungmasse verdrehbar gelagert und mit einem Hilfsplanetenrad drehfest verbunden ist, das dauernd in ein Regelzentralrad eingreift, das mit der das Zentralrad tragenden Getriebewelle in zwischen zwei Grenzwerten veränderbarer Winkellage auf Drehung verbunden ist, wobei zweckmässig das Regelzentralrad mit der Getriebewelle durch eine in axialer Richtung wahlweise verschiebbare Hülse auf Drehung verbunden ist, wobei die Hülse mit dem einen Teil, z. B. dem Regelzentralrad, durch ein Steilgewinde und mit dem andern Teil, z. B. der Getriebewelle, durch einen Mitnehmer, z. B.
Längskeil oder Vierkant, auf Drehung verbunden ist und das Regelzentralrad gegen axiale Verschiebung festgehalten ist.
Bei dieser Ausbildung des Getriebes sind bei der unteren Grenzwinkellage des Regelzentralrades auf jeder Planetenradachse die Schwungmasse und die Regelschwungmasse miteinander eingefluchtet und sie sind daher bei der Kraftübertragung mit der Summe ihrer Massen wirksam, so dass die getriebene Welle mit der jeweils höchsten möglichen Drehzahl in Drehung versetzt wird.
Bei Verdrehung des Regelzahnrades in die obere Grenzwinkellage liegen die Regelschwungmassen genau gegenüber den zugehörigen Schwungmassen. Die gegensinnigen Wirkungen der Regelschwungmasse und der Schwungmasse können einander jedoch nicht vollständig aufheben, weil mit Ausnahme der Durchgangsstellungen, in denen die Schwerpunkte symmetrisch zu der durch die Getriebehauptwellenachse und die Planetenradachse verlaufenden Radialebene liegen, der für die Grösse der Fliehkraft (und damit für die Grösse der auf die getriebene Welle übertragenen Kraft) massgebende Schwerpunktabstand von der Achse der Antriebs- bzw. Abtriebswelle bei den Regelschwungmassen niemals gleich gross wie bei den Schwungmassen ist.
Bei der erläuterten Einstellung kommt somit die angetriebene Welle niemals ganz zum Stillstand, sie wird aber, da nur eine relativ kleine Kraft auf sie übertragen wird, mit einer sehr niedrigen Drehzahl in Umlauf versetzt, ohne dass Energie vernichtet wird.
Durch Verstellen des Regelzentralrades in eine Zwischenstellung kann die Drehzahl der angetriebenen Welle verlustfrei und ohne Verschlechterung des Wirkungsgrades wahlweise auf einen zwischen der höchsten möglichen Drehzahl und einer sehr niedrigeren unteren Grenzdrehzahl liegenden gewünschten Wert eingestellt werden.
Wenn die Zugglieder mit ihrem an derschwunamasse verankertenende nach beiden Seiten von ihrem am Planetenrad verankerten Ende ausstreckbar sind, so kann das Planetenradgetriebe in beiden Richtungen
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mit gleicher Regelwirkung betrieben werden.
Wenn nach einem besonderen Merkmal der Erfindung die getriebene Welle bei Vorlauf gegen die An- triebswelle mit dieser durch eine einseitig wirksame, mit sägezahnförmigen Klauen ausgestattete Klauen- kupplung direkt kuppelbar ist, deren verstellbarer Kupplungsteil mit der angetriebenen Welle auf Drehung verbunden ist und längs dieser Welle von aussen gesteuert bis zum Eingriff mit dem mit der Antriebswelle verbundenen Kupplungsteil axial verschiebbar ist, beim Zurückbleiben der getriebenen Welle gegen die
Antriebswelle hingegen automatisch durch die sägezahnförmigen Klauen aus dem Kupplungsteil der An- triebswelle ausrückbar ist, so kann bei einem Vorlauf der getriebenen Welle, z.
B. bei einem auf schwa- chem Gefälle talwärts fahrenden Kraftfahrzeug, mit Freilauf gearbeitet werden oder in einem beliebigen
Zeitpunkt durch direktes Kuppeln der getriebenen Welle mit der Antriebswelle das Vorlaufen der getrie- benen Welle verhindert und z. B. das Fahrzeug mit dem Motor gebremst werden. Nach Aufhören des vom
Fahrzeug ausgeübten Schubes schaltet sich das Getriebe durch Herausdrängen des Kupplungsgliedes aus der
Eingriffsstellung selbsttätig wieder auf die automatische stufenlose Drehzahlregelung um.
Zum besseren Verständnis werden nachstehend zwei in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispie- le des erfindungsgemässen Planetenradgetriebes näher erläutert. Die Fig. 1 und 2 zeigen ein erstes Ausfüh- rungsbeispiel des erfindungsgemässen Planetenradgetriebes im Querschnitt nach der Linie I-I in Fig. 2 bzw. im Axialschnitt nach der Linie Il-li in Fig. 1. Die Fig. 3 - 5 erläutern drei Bewegungsphasen des Getriebes nach Fig. 1. Fig. 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Getriebes im Axialschnitt und die Fig. 7 und
8 erläutern zwei Einstellungen am Getriebe.
Das in den Fig. 1 und 2 veranschaulichte Planetenradgetriebe weist eine auf der Antriebswelle 1 befestigte Trägerscheibe 2 und eine mit dieser durch Bolzen 3 verbundene zweite Trägerscheibe 4 auf. Das Getriebe hat ferner vier Planetenradachsen 5, die in den Trägereinheiten 2,4 befestigt oder gelagert sind, Auf jeder Planetenradachse 5 ist ein Planetenrad 6 drehbar gelagert und eine Schwungmasse 7,8, 9, 10 mit exzentrisch liegendem Schwerpunkt schwenkbar angeordnet. Die Planetenräder 5 greifen in ein mit der getriebenen Welle 11 verbundenes Zentralrad 12 ein.
Die Schwungmassen 7,8, 9, 10 sind mit ihren zugehörigen Planetenrädern 6 durch Gelenkhebel 13 verbunden, die mittels Zapfen 14 am Planetenrad und mittels Zapfen 15 an der Schwungmasse angelenkt sind.
Wie in Fig. 3 ersichtlich ist, eilt am Beginn der Speicherphase eines Planetenrades 6 die Schwungmasse z. B. 7 zuerst dem Planetenrad 6 unter Ausknicken des Gelenkhebels 13 nach, wie aus den die Um- laufwegstrecken des Planetenrades bzw. der Schwungmasse bezeichnenden Pfeilen 16, 17 erkennbar ist.
Im anschliessenden Abschnitt der Drehbewegung (Fig. 4) holt die Schwungmasse 7 das Planetenrad ein und überholt es schliesslich (Pfeile 18 bzw. 19 für das Planetenrad bzw. die Schwungmasse), wobei sich die Abknickung des Gelenkhebels verringert.
Wenn die Schwungmasse ihre radiale äusserste Lage erreicht hat (Fig. 5), ist die Umfangsgeschwindigkeit der Schwungmasse 7 um einen bestimmten Betrag (Pfeil 20) grösser als die Drehgeschwindigkeit (21) des Planetenrades 6. Da der Gelenkhebel 13 bereits vollständig gestreckt ist, wird durch die Schwungmasse 7 das Planetenrad 6 unter Abgabe der vorher gespeicherten Energie bis zu deren Aufzehrung in Richtung des Pfeiles 22 gedreht und dadurch über das Zentralrad 12 die getriebene Welle um einen bestimmten Winkel in Drehung versetzt. Bei gleichbleibender Leistung und Drehzahl der Antriebswelle 1 ist die Grösse des bei einer Speicher- und Arbeitsphase auftretenden Verdrehungswinkels der getriebenen Welle angenähert umgekehrt proportional der Belastung der getriebenen Welle.
Am Ende der Arbeitsphase gelangt die Schwungmasse, wie bereits früher erläutert worden ist, in den inneren wellennahen Bereich, wonach der nächste Zyklus wieder mit einer Speicherphase beginnt.
Wie aus Fig. 1 deutlich erkennbar ist, arbeiten die Schwungmassen 7,9 bzw. 8, 10 paarweise gleichsinnig, wobei jeweils die Schwungmassen 7 und 9 gleichzeitig eine Speicherphase und zur selben Zeit die Schwungmassen 8 und 10 gleichzeitig eine Arbeitsphase durchlaufen und umgekehrt. Der Phasenwechsel erfolgt stets in gleichen Zeitpunkten.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 sind die Planetenräder 6, deren Schwungmassen 7,8, 9, 10 (davon nur 8 und 10 sichtbar), die getriebene Welle 11, die Gelenkhebel 13 und das Zentralrad 12 wie beider Ausführung nach Fig. 2 ausgebildet. JederSchwungmasse 7,8, 9, 10 ist aber eine gleichgeformte und gleich schwere Regelschwungmasse, z. B. 8', 10' zugeordnet, die auf der Planetenradachse 5 drehbar gelagert und mit je einem Hilfsplanetenrad 6'drehfest verbunden ist, das in ein Regelzentralrad 12'eingreift. Dieses Regelzentralrad 12'ist auf einem Steilgewinde 23 einer Hülse 24 gelagert, die ihrerseits auf der getriebenen Welle 11 mittels eines Längskeiles 25 axial verschiebbar geführt und durch diesen mit der Welle jrehfest verbunden ist.
Die Hülse 24 kann durch eine Druckscheibe 26, die durch eine aussen gelagerte Schaltstange 27 betätigbar ist, axial in das Regelzentralrad 12'hinein verschoben werden. Da das Regel-
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zahnrad durch eine Spurscheibe 28 axial unverschiebbar gehalten wird, wird es beim axialen Verschieben der Hülse 24 gegenüber dem Zentralrad 12 verdreht. Bei dieser Verdrehung werden die Regelschwungmassen, z. B. 8'aus der eingefluchteten Lage verschwenkt. Diese Regelschwungmassen z. B. 8'liegen in normaler Lage mit ihren zugehörigen Schwungmassen, z. B. 8, in Flucht (Fig. 6, rechte Hälfte und Fig. 7). wobei der Schwerpunkt S des auf der gemeinsamen Planetenradachse angeordneten Schwungmassensystemes im maximalen Abstand a von der Drehachse des Planetenrades liegt.
In der andern Grenzlage liegen die Schwungmasse 8 und die Regelschwungmasse 8'massensymmetrisch in bezug auf die Drehachse des zugehörigen Planetenrades 6 (Fig. 6, linke Hälfte und Fig. 8), wobei der Systemschwerpunkt S in der Drehachse des Planetenrades liegt, also von ihr den Abstand Null hat. In den Zwischenstellungen nimmt der Abstand (a 0) des gemeinsamen Schwerpunktes S2 von der Drehachse des Planetenrades verschiedene Werte an.
Wie bereits weiter oben erläutert worden ist, kann auf diese Weise die Wirksamkeit der Schwungmassen und damit die Drehzahl der getriebenen Welle stufenlos zwischen einem vorbestimmter. Höchstwert und einem relativ niedrigen unteren Grenzwert verändert werden.
Die Hülse 24 kann durch eine nicht dargestellte Rückholfeder oder durch Eingriff der Druckscheibe 26 in eine Ringnut der Hülse oder in anderer Weise axial aus dem Regelzentralrad 12'herausgezogen werden.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt und kann in konstruktiven Einzelheiten noch verschiedenartig abgewandelt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Planetenradgetriebe zur automatisch stufenlos veränderbaren Kraftübertragung von einer Antriebswelle auf eine angetriebene Welle mit mindestens zwei, vorzugsweise vier Planetenrädern, die um mit der einen Welle verbundene Achsen umlaufen und dauernd mit einem mit der andern Welle verbundenen Zentralrad in Eingriff stehen, wobei jedem Planetenrad eine um seine Achse schwenkbare Schwungmasse zugeordnet ist, deren Schwerpunkt bezüglich dieser Achse exzentrisch ist und beim Umlauf der Planetenräder eine Bahn beschreibt, die abwechselnd zwischen Bahnpunkten mit kleinstem und grösstem radialem Abstand von der Drehachse des Getriebes verläuft, wobei sich bei jeweils zwei Planetenrädern die radialen Abstände der Schwerpunkte ihrer Schwungmassen von der Drehachse des Getriebes gegensinnig ändern, dadurch gekennzeichnet,
dass die Schwungmassen (7,8, 9, 10) relativ zu den zugehörigen Planetenrädern (6) verdrehbar sind und mit diesen durch in Umfangsrichtung bis zu einer vorbestimmten Länge streckbare Zugglieder (13) verbunden sind, die in Strecklage eine starre Kupplung zwischen de Schwungmasse (7,8, 9, 10) und dem zugehörigen Planetenrad (6) bilden.
2. Planetenradgetriebe nachAnsprucn l, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwungmassen (7,8, 9, 10) die Form von Zylinderquadranten haben.