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Stufenlos einstellbares Keilriemengetriebe mit asymmetrischem Keilriemen
Die Erfindung betrifft ein stufenlos einstellbares Keilriemengetriebe mit einem im Querschnitt asymmetrischen Keilriemen und entsprechend geformten Riemenscheiben zur Leistungsübertragung unter Konstanthaltung der eingestellten Antriebsdrehzahl.
Stufenlos einstellbare Getriebe mit asymmetrischen Keilriemen sind an sich bekannt, und man arbeitethiebeimit Zweischeibenregelung mit festem Achsabstand und mit zwangsläufiger Kegelscheibenverstellung. Stufenlos einstellbare Getriebe mit symmetrischen Keilriemen, sogenannten Normkeilriemen mit Zwei- und Vierscheibenverstellung, die mit festem wie auch variablem Achsabstand arbeiten, haben sich bisher bewährt, ihre Konstruktion lässt aber nur einen sehr kleinen Regelbereich zu. Nur mit fingerartig ineinander verschiebbaren Kegelscheiben ist bei diesen Getrieben ein grösserer Regelbereich erzielbar, wobei man jedoch eine Leistungsübertragungsminderung in Kauf nehmen muss auf Grund der wellenförmigen Lage des Riemens in den Fingerscheiben. Um mit Keilriemen ebenfalls stufenlos mit grossem Regelbereich regeln zu können, hat man den sogenannten Breitkeilriemen geschaffen.
Der Leistungsübertragung mit derartigen Breitkeilriemen, die symmetrische Querschnitte haben, sind Grenzen gesetzt durch ihr Schlupfverhalten und durch ihre Erwärmung, die sich in noch stärkerem Masse als bei Normkeilriemen ergibt, da relativ grosse Querschnittsbereiche gar nicht an der Übertragung beteiligt sind, diese Riementeile aber einer beträchtlichen Walkarbeit unterliegen, die zu vorschneller Erwärmung führt. Ausserdem biegen sich diese Breitkeilriemen im Profil durch, wobei sich teilweise die Riemenflanken von den Scheiben abheben, womit ebenfalls einer grösseren Leistungsübertragung Grenzen gesetzt sind.
Die Ausstattung einschlägiger Getriebe mit selbsttätig wirkender Vorspanneinrichtung ist ebenfalls bekannt.
Demgemäss resultiert die gegenständliche Erfindung aus der Aufgabenstellung, ein Keilriemenwechselgetriebe zu schaffen, mit spezifisch höheren Leistungen bei gutem Wirkungsgrad unter Konstanthaltung der eingestellten Abtriebsdrehzahl bei zu vergleichbaren bekannten Getrieben gleich hoher Lebensdauer.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss durch die Kombination folgender an sich bekannter Merkmale gelöst : a) ein asymmetrischer Keilriemen mit einer bis auf etwa 10 geraden und einer unter etwa 190 ge- neigten Flanke mit Cordeinlagen mindestens in der neutralen Zone bei einem Höhen- und Brei- tenverhältnis von h : b = 1 : 1 bis 1 : 3, b) eine lastabhängige axiale Vorspanneinrichtung am Antriebsriemenscheibensatz, bestehend aus einer als Kurve ausgebildeten Nabe der kegeligen Riemenscheibe, mindestens einer Rolle auf der
Welle der zugehörigen geraden Riemenscheibe, die im Wege der Nabenkurve liegt und einer parallel dazu angeordneten Feder, c) Riemenscheibe aus einer selbstaushärtenden, verschleissfesten und gut wärmeleitenden Alumini- umlegierung mit Zn, Si, Mg, Cu und Fe-Bestandteilen.
Mit diesem erfindungsgemässen Getriebe ist eine erhebliche Leistungssteigerung erreichbar, bei Beachtung aller Faktoren, die zur Verminderung der Erwärmung des Keilriemens dienen. Bekanntlich sind den herkömmlichen Keilriemengetrieben, gleich welcher Bauart, Leistungsgrenzen gesetzt, weil der
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zulässigen Temperatur des Keilriemens Grenzen gesetzt sind.
Die Temperaturgrenzen eines Keilriemens aus Kautschuk-Gummi liegen bekanntlich bei etwa 70 C. Überschreitung dieser Temperaturgrenze vermindert die Lebensdauer des Keilriemens. Die Ursachen einer solchen Erwärmung sind : a) Walkarbeit, wie sie bei Biegung des umlaufenden Keilriemens, besonders bei hoher Biegewech- selzahl, entsteht. b) zu hohes Schlupfverhalten des Keilriemens auf den Riemenscheiben bei ungenügender Riemen- vorspannung, besonders bei kurzfristiger Überlastung. c) Verformung des Riemenquerschnittes (Durchbiegen des Profiles) der herkömmlichen Breitkeilrie- men bei Vollast, wobei die Riemenflanken zum Teil nicht mehr satt auf den Laufflächen der
Riemenscheiben anliegen und dadurch die spezifische Flächenpressung weitgehend überschritten wird. d) Schlechte Wärmeabführung durch den Riemenscheibenwerkstoff.
Diese Nachteile werden durch die erfindungsgemässe Kombination vorteilhaft weitgehend beseitigt : e) durch Verwendung eines an sich bekannten asymmetrischen Keilriemens mit schmalem Profil wird die Walkarbeit und damit die Erwärmung herabgesetzt ; f) durch Verwendung einer an sich bekannten Drehmomentkurve erhält der Keilriemen bei jeder Be- lastungsgrösse, selbst bei Überlast, auch beim Anfahren immerdierichtigeRiemenvorspannung.
Da- mit wird das Schlupfverhalten auf ein unbedeutendes Mass reduziert und damit die Reibungswär- me weiter herabgedrückt ; g) durch das schmale Riemenprofil wird eine höhere Seitensteifigkeit des Keilriemens gewährleistet, ein sattes Anliegen der Keilriemenflanken auf den Riemenscheibenlaufflächen erzielt, womit eine weitere Verminderung der Erwärmung und des Verschleisses des Regelkeilriemens sicherge- stellt ist ; h) durch die genannte an sich bekannte Alu-Speziallegierung ist eine gute Wärmeabführung gege- ben.
Bei Wechsellast ist ausserdem vorteilhaft erreicht, dass die Druckfeder die Kegelscheiben und den Keilriemen derart zusammengepresst, dass der Riemen immer im Zug bleibt, Schaltschläge aufgefangen und Flattererscheinungen vermieden werden.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Kombination wird an Hand einer biespielsweisen zeichnerischen Darstellung näher erläutert. In dieser Darstellung zeigen Fig. l schematisch ein stufenlos regelbares Keilriemengetriebe mit Einscheibenverstellung, Fig. 2 einen Schnitt durch den Regelkeilriemen und Fig. 3 einen Schnitt durch den oberen Scheibensatz gemäss Fig. 1.
Zur Veranschaulichung der erfindungsgemässen Getriebekombination ist ein Getriebe mit Einscheibenverstellung gewählt, dessen Übersetzungsregelung mit einem verstellbaren Motorschlitten oder einer
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ein Riemen mit annähernd gerader und schräger Flanke, Winkel ss etwa 10, ot etwa 19 , läuft von dem Riemenscheibenpaar 3, 4 auf die getriebene Riemenscheibe l, die fest auf der Welle 5'sitzt. Die angenähert ebene Scheibe 3 sitzt fest auf der Motorwelle 5, wogegen die kegelige Scheibe 4 axial verschieblich auf der Welle 5 sitzt.
Diese Scheibe 4 hat eine etwas verlängerte Nabe 6, deren Ende zwei sich in der Form entsprechende Kurven 7 aufweist, in deren Bereich zwei fest mit der Welle 5 verbundene Rollen 8 liegen und eine Mitnehmerverbindung bilden, d. h. jeweils die Hälfte des Antriebsmomentes der Welle 5 auf die Scheibe 4 übertragen. Die Welle 5 endet auf dieser Seite in einer Scheibe 9 oder ist am Ende mit einer Büchse 91 (s. Fig. 3) versehen, die als Widerlager für eine Druckfeder 10 dient. Die verlängerte Nabe 6 mit Kurven 7 und die Rollen 8 bilden eine an sich bekannte lastabhängige Riemenvorspanneinrichtung.
Wird im gezeigten Beispiel der Achsabstand der Wellen 5, 5' vergrössert, so bleibt zwar der Riemen 2 in seiner Laufebene, aber die Scheibe 4 entfernt sich von der Festscheibe 3 in axialer Richtung, wodurch eine Übersetzung ins Langsame erzielt wird. Je nach Drehrichtung laufen die Rollen 8 gleichsinnig auf den schiefen Ebenen der Kurven 7 hoch, wodurch dem Riemen 2 eine zusätzliche Spannung in Abhängigkeit von der Belastung mitgeteilt wird. Diese zusätzliche Spannung erhält der Riemen in jeder beliebigen Regelstellung unabhängig von der Drehrichtung des Getriebes. Im kurzen Moment des Drehrichtungs-oder Lastwechsels liegen die Rollen 8 nicht mehr an den Kurven 7 an.
Hiebei kommt die Wirkung der Druckkraft der Druckfeder 10 zum Zuge, die in der Zeitspanne, in der die Rollen 8 auf der gegenüberliegenden Seite der Kurven 7 zum Anliegen kommen, dafür sorgt, dass durch die
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Kegelscheiben 3 und 4 der Keilriemen 2 derart zusammengepresst wird, dass er immer in Spannung bleibt, wodurch Schaltschläge an den Kurven 7 aufgefangen und Flattererscheinungen vermieden werden.
Gleichzeitig wird durch die Anordnung der Kurven 7 in vorteilhafter Weise erreicht, dass die Drehzahlen zwischen Leerlauf- und Vollast absolut konstant gehalten werden können, selbst bis zu einer 10%*Drehzahlminderung des Antriebs-Motors (Asynchron-Verhalten der handelsüblichen Drehstrom- Kurzschlussläufer-Motoren).
Dies geschieht automatisch wie folgt : Bei Belastung des Motors bzw. des Regeltriebes werden das Drehmoment und die resultierenden Abstützkräfte an den Kurven 7 und Rollen 8 grösser, so dass die Kegelscheibe 4 gegen die Kegelscheibe 3 um einen geringen Betrag nachrückt, wobei der Keilriemen 2 zwischen diesen beiden Scheiben 3 und 4 noch stärker zusammengepresst und dadurch auf einen grösserenlaufdurchmesser desAntriebs-Regelscheiben-Satzes gezwungen wird. (Bei Entlastung des Keilriemens stellt sich automatisch ein kleinerer Laufdurchmesser ein).
Durch diesen an sich kleinen Lauf-Durchmesserunterschied zwischen Leerlauf- und Vollast wird zwangsläufig das Übersetzungsverhältnis der Laufdurchmesser vom Antrieb zum Abtrieb derart geändert, dass bei sich einstellen der Änderung der Antriebsdrehzahl jeweils das gewünschte stufenlos eingestellte Gesamtuntersetzungsverhältnis unverändert gleich bleibt und somit zwischen Leerlauf und Vollast die Konstanthaltung der eingestellten Abtriebsdrehzahl vollkommen gewährleistet ist.
Erwähnt sei noch folgendes : Falls die Scheibe 3 und der entsprechend gegenüberliegende Teil der Scheibe 1 mit gleicher Wandstärke ausgebildet sind, lässt sich das genaue Fluchten des Keilriemens 2 vorteilhaft durch Anlegen eines Lineales an den Scheibenrücken ermöglichen.
Was nun den Riemen selbst angeht, so ist dieser, wie erwähnt, in seiner asymmetrischen Form an sich bekannt, wobei man bei dieser Formgebung offenbar grundsätzlich von der Überlegung ausging, dass damit in vorteilhafter Weise erreicht werden konnte, den Riemen bei Regelverstellungen in seiner Laufebene zu halten. Für hohe Leistungsübertragungen waren diese Riemen schon insofern nicht geeignet und gedacht, als sie keine Cordfadeneinlagen hatten.
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nutzten Breitkeilriemen, deren Verwendung, wie erläutert, einer Leistungsübertragung Grenzen setzt, auf Grund ihres ungünstigen Höhen-Breitenverhältnisses.
Würde man dem dargestellten Riemenquerschnitt einen entsprechenden mit beidseitig geneigten Flanken gegenüberstellen, so ist sofort erkennbar, dass für diesen Riemen automatisch der Regelbereich kleiner wird. Will man den gleichen Regelbereich erzielen, so muss der Riemen breiter dimensioniert werden. Um nicht zu unzuträglichen Breitenverhältnissen zu kommen, hat man einen Kompromiss derart gesucht, dass man den Riemen etwas breiter, aber mit steileren Flanken ausbildete, wobei man in Kauf nahm, dass man in den Bereich der Riemenselbsthemmung geriet.
Um nun zu einer Erhöhung der Leistungsübertragung zu kommen, wurde gefunden, dass ein solcher Riemen für stufenlose Regelung und für einen möglichst grossen Regelbereich eine weitgehend gerade Flanke haben und die andere Flanke eine Neigung erhalten muss, die gerade über dem Bereich der Selbsthemmung liegt, wodurch das Höhen-Breitenverhältnis h : b des Riemens im Hinblick auf den gewünschen Regelbereich in günstigen Grenzen gehalten werden kann, u. zw. in dem Sinne, dass sich ein Querschnitt mit grosser Seitensteifigkeit ergibt, der mit seiner ganzen Fläche an der Übertragung beteiligt ist.
Als vorteilhaft im Sinne der gegenständlichen Erfindung hat sich erwiesen, bei Getrieben für grosse Regelbereiche die kegelige Verstellscheibe 4 leicht ballig auszubilden, u. zw. mit einem Neigungswinkel von etwa 180 in Achsnähe über einen Mittelwert von 190 und auslaufend am Scheibenumfang etwa mit 200. Hiedurch ist bei kleinem Laufdurchmesser gewährleistet, dass keine Quetscherscheinungen auf Grund der Riemendeformation am Innenbereich des Riemens mit der kegeligen Scheibe auftreten.
Die Anwendung des Regelkeilriemens beschränkt sich natürlich nicht allein auf die beschriebene Getriebeform, sondern kann auch bei andern Bauarten erfolgen, z. B. bei Getrieben mit festem Achsabstand, die mit Zwei-oder Vierscheibenregelung arbeiten. Eine besondere Möglichkeit bietet die Verwendung in Kraftfahrzeuggetrieben, die meistens mit einem Regelbereich von R = 1 : 3 ausgelegt sind.
Hiebei sind Leistungssteigerungen bis zu 805o möglich.
Erwähnt sei noch, dass mit dem asymmetrischen Keilriemen bei gleicher Leistungsübertragung wie
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beim Breitkeilriemen ein Regelbereich R = 1 : 30 bis R = 1 : 40 erzielt werden kann, wobei dann h : b etwa bei 1 : 4. 8 bis 1 : 5 liegt. Grosse Regelbereiche über R = 1 : 10 wurden bisher nur erreicht durch anoder abtriebsseitiges Hinzuschalten von Zusatzgetrieben, wie Zahnrad-, Zwei- oder Mehrganggetriebe oder Leistungsverzweigungsgetriebe bzw. Umlaufrädergetriebe.
In Fig. 3 ist der obere Regelscheibensatz gemäss Fig. l nochmals im Schnitt dargestellt. Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, dass die Scheiben 3, 4 auf einer Büchse 11 sitzen, die aus Bronze hergestellt ist. Diese Materialauswahl erfolgt sowohl im Hinblick auf eine längere Lebensdauer, als auch auf die Leistungsübertragung. Wenn die Scheiben unmittelbar auf der Welle 5 sässen, so stellt sich früher oder später ein sogenannter Passungsrost ein, der den Anpressdruck der Scheiben und damit die Riemenvorspannung negativ beeinflusst. Dies wird durch das Bronzematerial der Büchse 11 und durch den korrosionsfesten Werkstoff der Kegelscheibennabe 6 verhindert, der erfindungsgemäss aus einer Spezial-Alu-Legierung besteht.
Der asymmetrische Keilriemen kann vorteilhaft mit Rücksicht auf eine weitere Minderung der Walkarbeit auf seinem Innenumfang in an sich bekannter Weise als gezahnter Keilriemen ausgebildet sein.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Stufenlos einstellbares Keilriemengetriebe mit einem im Querschnitt asymmetrischen Keilriemen und entsprechend geformten Riemenscheiben zur Leistungsübertragung unter Konstanthaltung der eingestellten Abtriebsdrehzahl, gekennzeichnet durch die Kombination folgender an sich bekannter Merkmale : a) ein asymmetrischer Keilriemen (2) mit einer bis auf etwa 10 geraden und einer unter etwa 190 geneigten Flanke mit Cordeinlagen mindestens in der neutralen Zone bei einem Höhen-Breiten- verhältnis von h : b = 1 : 1 bis 1 :
3. b) eine lastabhängige axiale Vorspannungseinrichtung am Antriebsriemenscheibensatz, bestehend aus einer als Kurve ausgebildeten Nabe (6) der kegeligen Riemenscheibe (4), mindestens einer
Rolle (8) auf der Welle (5) der zugehörigen geraden Riemenscheibe (3), die im Wege der Naben- kurve liegt, und einer parallel dazu angeordneten Feder (10), c) Riemenscheiben aus einer selbstaushärtenden, verschleissfesten und gut wärmeleitenden Alumi- niumlegierung mit Zn, Si, Mg, Cu und Fe-Bestandteilen.
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