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Die
Erfindung betrifft ein stufenloses Getriebe.
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Ein
stufenloses Getriebe dient der Kraftübertragung und der Drehzahlübersetzung
von einer Antriebswelle auf eine Abtriebswelle. Die Änderung
des Drehzahlübersetzungsverhältnisses
erfolgt während der
Drehung der Antriebswelle und der Abtriebswelle gleichmäßig und
stufenlos, ohne dass die Drehung der Antriebswelle oder der Abtriebswelle
gestoppt wird oder die Antriebswelle und die Abtriebswelle entkoppelt
werden. Derartige Getriebe finden beispielsweise Anwendung in Drehmaschinen
oder in Kraftfahrzeugen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein stufenloses Getriebe mit
einer Vielzahl möglicher Drehzahlübersetzungsverhältnisse
und mit einfachem technischen Aufbau zu schaffen.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit einem stufenlosen Getriebe
mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das stufenlose Getriebe hat ein
kegelförmiges
Antriebsrad mit konkaver Mantelfläche, ein kegelförmiges Abtriebsrad
mit konkaver Mantelfläche
und mindestens ein Übertragungsrad,
das sich in Eingriff mit der Mantelfläche des Antriebsrads und mit
der Mantelfläche
des Abtriebsrads befindet, so dass durch Drehung des Übertragungsrads
eine Drehung des Antriebsrads auf das Abtriebsrad übertragbar
ist. Die Rotationsachse des Übertragungsrads
ist derart schwenkbar, dass die Angriffspunkte des Übertragungsrads
sich entlang der Mantelflächen
des Antriebsrads und des Abtriebsrads gegenläufig verschieben, d. h., dass sich
die Angriffspunkte des Übertragungsrads
mit dem Antriebsrad in Richtung des zunehmenden Durchmessers des
Antriebsrads verschieben, wenn sich die Übertragungspunkte des Übertragungsrads mit
dem Abtriebsrad in Richtung des abnehmenden Durchmessers des Abtriebsrads
verschieben oder umgekehrt. Liegen die Angriffspunkte zwischen Antriebsrad
und Übertragungsrad
auf einem größeren Durchmesser
als die Angriffspunkte zwischen Übertragungsrad
und Abtriebsrad, so wird die Drehung bei der Übersetzung beschleunigt. Die
Drehgeschwindigkeit der Abtriebswelle ist dann größer als
die Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle. Sind die Angriffspunkte
des Antriebsrads an dem Übertragungsrad auf
einem kleineren Radius als die Angriffspunkte des Übertragungsrads
an dem Antriebsrad, wird die Drehung untersetzt, also reduziert.
Die Drehgeschwindigkeit der Abtriebswelle ist dann geringer als die
Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle. Durch Schwenken des Antriebsrads
ist das Übersetzungsverhältnis einfach
und stufenlos variierbar. Das stufenlose Getriebe besteht aus wenigen
Teilen und besitzt einen einfachen technischen Aufbau.
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Das
Antriebsrad und das Abtriebsrad können auf einer gemeinsamen
Rotationsachse angeordnet sein. Die der Übertragungsrad-Rotationsachse
zugewandten Seiten der Mantelflächen
des Antriebsrads und des Abtriebsrads können einen Kreisbogen mit Mittelpunkt
in dem Drehpunkt bilden, um den die Übertragungsrad-Rotationsachse
schwenkbar ist. Dadurch ist eine einfache Geometrie geschaffen,
mit Hilfe der das Übersetzungsverhältnis durch
Schwenken des Übertragungsrads
stufenlos variierbar ist.
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An
dem Rand des Übertragungsrads
können Kugeln
angeordnet sein. Die Mantelflächen
des Antriebsrads und des Abtriebsrads können Rillenbahnen aufweisen,
in die die Kugeln eingreifen können. Die
in die Rillenbahnen eingreifenden Kugeln bilden eine einfache Kopplung
zwischen Übertragungsrad und
Antriebsrad bzw. Abtriebsrad. Die Rillenbahnen können spiralförmig sein.
Beim Schwenken des Übertragungsrads,
während
sich das Antriebsrad und das Abtriebsrad drehen, rollen die Kugeln
in den Rillenbahnen entlang der Mantelfläche. Dadurch kann das Übersetzungsverhältnis des
stufenlosen Getriebes verstellt werden, während sich das Antriebsrad
und das Abtriebsrad drehen.
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Die
Kugeln können
in einem Kugelhalter geführt
sein. Der Kugelhalter kann ein sphärischer Ring mit radial ausgerichteten
Langlöchern
zur Führung der
Kugeln sein, wobei die Kugeln entlang der Lochlänge in den Langlöchern verschiebbar
sind. Durch radiales Verschieben der Kugeln in den Langlöchern des
Kugelhalters ändert
sich der Abstand zwischen benachbarten Kugeln. Da die Rillenbahnen auf
unterschiedlichen Durchmessern des Antriebsrads und des Abtriebsrads
unterschiedliche Abstände
voneinander haben, können
die Kugeln durch Verschieben in den Langlöchern des Kugelhalters sowohl
in Rillenbahnen auf einem geringen als auch auf einem großen Durchmesser
eingreifen.
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Das Übertragungsrad
kann zur Führung
der Kugeln eine kreisförmige
Führungsrinne
haben.
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Das
Antriebsrad und das Abtriebsrad können von einem Gehäuse umschlossen
sein, in dessen Außenfläche eine
kugelkappenförmige
Mulde für
das Übertragungsrad
vorgesehen ist, wobei der Mittelpunkt der Kugelkappe im Schwenkmittelpunkt
des Übertragungsrads
liegt und wobei die Mulde in ihrem Boden eine Öffnung hat, durch die ein Teil
der Umfänge
des Antriebsrads und des Abtriebsrads in das Innere der Mulde hineinragen.
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Das
Getriebe kann ferner drei Übertragungsräder gemäß obiger
Beschreibung enthalten, um die von dem stufenlosen Getriebe übertragbare
Kraft zu erhöhen.
Die drei Übertragungsräder können umfangsmäßig um das
Antriebsrad und das Abtriebsrad verteilt angeordnet sein. Die Achsen
der drei Übertragungsräder bilden
dann jeweils Winkel von etwa 60 Grad. Bei Verwendung mehrerer Übertragungsräder werden
diese vorteilhafterweise synchron angetrieben.
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Im
Folgenden wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
näher erläutert:
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Es
zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch das stufenlose Getriebe bei einem Übersetzungsverhältnis von 1,
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2 eine
Draufsicht auf das Getriebe gemäß II in 1,
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3 einen
Querschnitt durch das Getriebe gemäß der Linie III-III in 1,
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4 den
Längsschnitt
nach 1 bei maximalem Übersetzungsverhältnis,
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5 eine
Seitenansicht des Antriebsrads und des Abtriebsrads mit jeweils
einer Kugel in einer Rillenbahn, und
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6 einen
Schnitt entlang der Line VI-VI in 5.
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Das
Getriebe 10 hat ein Gehäuse 12,
in dem ein Antriebsrad 14 und ein Abtriebsrad 16 enthalten sind.
Das Antriebsrad 14 und das Abtriebsrad 16 sind im
Wesentlichen kegelstumpfförmige
Rotationskörper,
wobei die Mantelflächen 18, 20 konkav
in Richtung auf die Rotationsachse 22 gewölbt sind,
derart, dass die Mantelflächen 18, 20 in
der Seitenansicht des Antriebsrads 14 bzw. des Abtriebsrads 16 eine kreisbogenförmige Kontur
haben. Der Durchmesser des Antriebsrads 14 und des Abtriebsrads 16 nimmt zwischen
den beiden Stirnseiten des betreffenden Rads im Wesentlichen stetig
zu bzw. ab.
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Das
Antriebsrad 14 und das Abtriebsrad 16 sind auf
einer gemeinsamen Rotationsachse 22 derart in dem Gehäuse 12 angeordnet,
dass die beiden Räder 14, 16 an
ihrem geringsten Durchmesser aneinander grenzen und an ihrem größten Durchmesser auf
einander gegenüberliegenden
Seiten an das Gehäuse 12 grenzen.
Das Antriebsrad 14 ist auf einer um die Rotationsachse 22 rotierenden
Antriebswelle 24 angeordnet. Das Abtriebsrad 16 ist
auf einer um die Rotationsachse 22 rotierenden Abtriebswelle 26 angeordnet.
Die Wellen 24, 26 sind auf einander gegenüberliegenden
Seiten durch Öffnungen
aus dem Gehäuse 12 geführt. Auf
den Mantelflächen 18, 20 sind
jeweils sechs schneckenförmig
umlaufende Rillenbahnen 28, 30 ausgebildet.
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Das
Gehäuse 12 ist
außen
im Wesentlichen quaderförmig
und grenzt innen bis auf einen geringen Abstand an das Antriebsrad 14 und
das Abtriebsrad 16. In einer Oberseite 32 des
Gehäuses 12 ist
eine kugelkappenförmige
Mulde 34 ausgebildet. Der Boden 36 der Mulde 34 hat
eine Öffnung 38,
durch die ein Teil der Mantelflächen 18, 20 in
das Innere der Mulde 34 hineinragt.
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Auf
dem Boden 36 und in den durch die Öffnung 38 hindurchragenden
Rillenbahnen 28, 30 sind neun Kugeln 40 in
einem Kreis angeordnet. Die Kugeln 40 sind von einem kugelkappenförmigen Kugelhalter 42 gehalten,
der radial ausgerichtete Langlöcher 44 hat,
durch die die Kugeln 40 teilweise in das Innere des Kugelhalters 42 hineinragen.
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Im
Inneren des Kugelhalters 42 befindet sich ein Übertragungsrad 46 mit
einer kreisförmigen
Führungsrinne 48 zur
Führung
der Kugeln 40. Die Führungsrinne 48 hält die Kugeln 40 auf
einer Kreisbahn. Der Radius der Führungsrinne 48 und
der Rillenbahnen 28, 30 ist geringfügig größer als
der Radius der Kugeln 40. Das Übertragungsrad 46 ist
an einer Achse 50 befestigt. Die Achse 50 ist
mit Lagern 52 schwenkbar gelagert, wobei die Schwenkachse 54 durch
den Mittelpunkt 56 der Kugelkappe der Mulde 34 und
der Kugelkappe des Kugelhalters 42 verläuft. Dadurch ist das Übertragungsrad 46 und
der Kugelhalter 42 entlang der Innenseite der Mulde 34 und entlang
der durch die Öffnung 38 in
die Mulde 34 hineinragenden Mantelflächen 18, 20 schwenkbar.
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Durch
Rotation der Antriebswelle 24 rotiert das Antriebsrad 14.
Diejenigen Kugeln 40, die sich in Rillenbahnen 28 des
Antriebsrads 14 befinden, werden von den um die Antriebswelle 24 rotierenden
Rillenbahnen 28 transportiert. Die Kugeln 40 sind
von dem Kugelhalter 42 und der Führungsrinne 48 des Übertragungsrads 46 auf
einer Kreisbahn gehalten. Die von den Rillenbahnen 28 auf
die Kugeln 40 übertragene
Bewegung wird von dem Kugelhalter 42 in eine Rotation der
Kugeln 40 entlang der Führungsrinne 48 des Übertragungsrads 46 umgesetzt.
In dem Randbereich der Öffnung 38 verlassen
die Kugeln 40 auf ihrer Kreisbahn die Führungsrinnen 28 des
Antriebsrads 14 und rollen anschließend auf dem Boden 36 der
Mulde 34 bis sie die Rillenbahnen 30 des Abtriebsrads 16 erreichen.
Durch Eingriff in die Rillenbahnen 30 übertragen die Kugeln 40 ihre
Bewegungskraft auf die Mantelfläche 20 des
Abtriebsrads 16, wodurch das Abtriebsrad 16 in
Rotation versetzt wird. Das Abtriebsrad 16 treibt die Abtriebswelle 26 an.
Der Kraftfluss von der Antriebswelle 24 verläuft über das Antriebsrad 14,
die Kugeln 40 in den Rillenbahnen 28 des Antriebsrads 14,
den Kugelhalter 42, die Kugeln 40 in den Rillenbahnen 30 des
Abtriebsrads 16 und das Abtriebsrad 16 auf die
Abtriebswelle 26.
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1 zeigt
das stufenlose Getriebe bei einem Übersetzungsverhältnis von
1. Die Achse 50 des Übertragungsrads 46 ist
nicht geschwenkt, so dass sich die Kugeln 40 in der in 1 gezeigten Schnittebene
auf gleichen Durchmessern D des Antriebsrads 14 und des
Abtriebsrads 16 befinden. Das heißt, dass die Kugeln die Umfangsgeschwindigkeit des
Antriebsrads 14 im Bereich des Durchmessers D über den
Kugelhalter 42 auf das Abtriebsrad 16 im Bereich
desselben Durchmessers D abgeben, so dass das Abtriebsrad 16 mit
derselben Geschwindigkeit wie das Antriebsrad 14 rotiert.
In dem in 1 gezeigten Zustand erfolgt
durch das Getriebe 10 somit keine Geschwindigkeitsübersetzung,
sondern lediglich eine Kraftübertragung
von der Antriebswelle 24 auf die Abtriebswelle 26.
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Während der
Rotation des Antriebsrads 14 und des Abtriebsrads 16 kann
das Übersetzungsverhältnis des
Getriebes 10 durch Schwenken der Achse 50 des Übertragungsrads 46 stufenlos
geändert werden.
Bei Schwenken des Übertragungsrads 46 werden
die Kugeln 40 von der Führungsrinne 48 des Übertragungsrads 46 und
von dem Kugelhalter 42 in Bereiche unterschiedlicher Durchmesser
des Antriebsrads 14 und des Abtriebsrads 16 bewegt.
Mit zunehmendem Durchmesser des Antriebsrads 14 bzw. Abtriebsrads 16 nimmt
der Abstand zwischen benachbarten Rillenbahnen 28 bzw. 30 zu.
Die durch den Kugelhalter 42 bestimmten Abstände benachbarter
Kugeln 40 sind durch die radial ausgerichteten Langlöcher 44,
in denen die Kugeln 40 verschiebbar sind, variabel. Dadurch
können
sich die Abstände
benachbarter Kugeln 40 den sich ändernden Abständen benachbarter
Rillenbahnen 28, 30 entlang unterschiedlicher
Durchmesser des betreffenden Rads 14, 16 anpassen.
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4 zeigt
das Getriebe 10 bei maximalem Übersetzungsverhältnis. Die
Achse 50 des Übertragungsrads 46 ist
in Richtung des zunehmenden Durchmessers des Antriebsrads 14 geschwenkt.
Die Kugeln 40 werden mit der Umfangsgeschwindigkeit des
Antriebsrads 14 im Bereich eines großen Durchmessers D2 angetrieben
und treiben das Abtriebsrad 16 im Bereich eines kleinen
Durchmessers D1 an. D2 ist größer als
D1. Die Umfangsgeschwindigkeit des Antriebsrads 14 im Bereich
des Durchmessers D2 ist größer als
die Umfangsgeschwindigkeit des Antriebsrads 14 im Bereich
des Durchmessers D1. Mit dieser Umfangsgeschwindigkeit im Bereich
des Durchmessers D2 wird das Abtriebsrad 16 im Bereich
des Durchmessers D1. angetrieben. Das Abtriebsrad 16 rotiert
im Bereich des Durchmessers D1 schneller als das Antriebsrad 14 im
Bereich D1. Dadurch ist die Rotationsgeschwindigkeit der Abtriebswelle 26 größer als
die der Antriebswelle 24.
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4 zeigt,
dass die Kugeln 40 im Bereich des größeren Durchmessers D2 und den
damit verbundenen größeren Abständen der
Rillenbahnen 28 sich in den Langlöchern 44 in Richtung
der radial äußeren Enden
der Langlöcher 44 verschoben
haben. Dort besitzen benachbarte Kugeln 40 größere, den Abständen der
Rillenbahnen 28 angepasste Abstände. Im Bereich des kleinen
Durchmessers D1 und den damit verbundenen geringeren Abständen benachbarter
Rillenbahnen 30 sind die Kugeln 40 in den Langlöchern 44 in
Richtung der radial inneren Enden der Langlöcher 44 verschoben.
Dort besitzen benachbarte Kugeln 40 geringere, den Abständen der Rillenbahnen 30 angepasste
Abstände.
Die Kugeln 40 sind von der Führungsrinne 48 weiterhin
auf einer Kreisbahn geführt.
Die Abstände
benachbarter Kugeln 40 auf dieser Kreisbahn verändern sich
entsprechend der Verschiebung der Kugeln 40 in den Langlöchern 44.
Diese Abstände
sind im Bereich des kleinen Durchmesser D1 des Abtriebsrads 16 minimal und
im Bereich des großen
Durchmessers D2 des Antriebsrads 14 maximal.
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Durch
Schwenken der Achse 50 des Übertragungsrads 46 während der
Rotation des Antriebsrads 14 und des Abtriebsrads 16 verändert sich
das Übersetzungsverhältnis des
Getriebes 10 stufenlos und ist in dem in 4 gezeigten
rechten Endpunkt der Schwenkbewegung maximal und größer als
1. Bei Schwenken in entgegengesetzter Richtung sinkt das Übersetzungsverhältnis stufenlos.
In dem in 1 gezeigten nicht-geschwenkten
Zustand der Achse 50 ist das Übersetzungsverhältnis gleich
1 und wird bei weiterem Schwenken der Achse 50 in Richtung
des linken Endpunktes kleiner als 1. Dort findet eine Geschwindigkeitsuntersetzung
statt. Die Abtriebswelle 26 rotiert dann langsamer als
die Antriebswelle 24.