-
Die
Erfindung betrifft das Gebiet von mechanischen Getrieben mit variabler
oder stufenloser Übersetzung
und betrifft insbesondere ein Zahnrad gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1, sowie eine Zahnradgetriebestufe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
6.
-
Stand der Technik
-
Getriebe
mit variabler Übersetzung
(CVT = Continuously Variable Transmission) sind Getriebe, bei denen
das Verhältnis
der Drehzahlen einer antreibenden Welle und einer abtreibenden Welle,
das heißt
das Übersetzungsverhältnis des
Getriebes, in einem bestimmten Übersetzungsbereich
unendlich viele Werte annehmen kann. Getriebe mit variabler Übersetzung
werden unter anderem in Kraftfahrzeugen und in Werkzeugmaschinen
eingesetzt und schließen
mechanische Getriebe, hydrostatische Getriebe, hydrodynamische Drehmomentwandler
und elektrische Getriebe ein. Bei mechanischen Getrieben mit variabler Übersetzung
wird die Kraft zumeist mit einem Umschlingungstrieb übertragen,
bei dem das Zugmittel, wie beispielsweise ein breiter Keilriemen
oder ein Schubgliederband, zwei Paare von Kegelscheiben verbindet,
deren axialer Abstand veränderbar
ist.
-
Da
die Kraftübertragung
bei fast allen bekannten mechanischen Getrieben mit variabler Übersetzung
durch eine reibschlüssige
Kopplung zwischen zwei Elementen des Getriebes erfolgt, tritt zwischen
diesen Elementen Schlupf auf. Dadurch wird ein Teil der mechanischen
Leistung innerhalb des Getriebes in Reibungs- oder Verlustwärme umgewandelt.
In der Regel besitzen Getriebe mit variabler Übersetzung daher im Vergleich
zu Zahnradgetrieben einen schlechteren Wirkungsgrad.
-
Mechanische
Getriebe mit variabler Übersetzung,
bei denen die Kraft- und Leistungsübertragung durch einen ständigen formschlüssigen Eingriff
von Verzahnungen zweier Zahnräder
erfolgt, sind bisher noch nicht bekannt. Herkömmliche, von einem Zahnradpaar
gebildete Zahnradgetriebestufen besitzen stets ein konstantes Übersetzungsverhältnis.
-
Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Zahnrad und
eine Zahnradgetriebestufe der eingangs genannten Art für ein mechanisches
Getriebe mit variabler Übersetzung
zu schaffen, mit denen sich ein schlupffreier formschlüssiger Eingriff
mit veränderlichem Übersetzungsverhältnis realisieren
lässt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Diese
Aufgabe wird im Hinblick auf das Zahnrad dadurch gelöst, dass
die Anzahl und die Form der Zähne
des Zahnrades reversibel veränderbar
ist, während
im Hinblick auf die Getriebestufe vorgeschlagen wird, dass diese
letztere zwei Zahnräder umfasst,
nämlich
ein erstes Zahnrad, bei dem die Anzahl der Zähne reversibel veränderbar
ist, und ein zweites Zahnrad, dessen Verzahnung mit den Zähnen des
ersten Zahnrades kämmt.
-
Um
eine reversible Veränderung
der Anzahl und der Form der Zähne
des Zahnrades zu ermöglichen,
weist das Zahnrad vorzugsweise eine Vielzahl von einzelnen Elementen
auf, die senkrecht zur Drehrichtung des Zahnrades bzw. in Bezug
zu dessen Drehachse radial beweglich sind. Bei den radial beweglichen
Elementen handelt es sich vorzugsweise um längliche oder langgestreckte
zylindrische Nadeln oder Stifte, die in Umfangsrichtung des Zahnrades
hintereinander und in axialer Richtung des Zahnrades nebeneinander
oder versetzt nebeneinander angeordnet sind, wobei sie zweckmäßig Bohrungen eines
ringförmigen
Nabenteils des Zahnrades durchsetzen und in den Bohrungen radial
beweglich geführt
sind.
-
Die
Getriebestufe umfasst Mittel zur Veränderung der Anzahl und der
Form der Zähne
des ersten Zahnrades. Dies Mittel werden zweckmäßig von den Zähnen des
zweiten Zahnrades gebildet, welche im Bereich des gegenseitigen
Eingriffs der beiden Zahnräder
die gegenüberliegenden
radial beweglichen Elemente nach innen in Richtung der Drehachse
des ersten Zahnrades drücken,
während
die den Zahnlücken
des zweiten Zahnrades gegenüberliegenden
radial beweglichen Elemente in ihrer radial äußersten Position verbleiben.
-
Der
Verbleib dieser radial beweglichen Elemente in ihrer radial äußersten
Position bzw. der Verbleib der mit Zahnflanken des zweiten Zahnrades
in Eingriff tretenden radial beweglichen Elemente in einer Zwischenposition
zwischen ihrer radial äußersten und
innersten Position, in die sie von den Zahnflanken verschoben werden,
kann durch Reibschluss zwischen den radial beweglichen Elementen
und ihren Führungen,
durch Schwerkraft oder durch auf die radial beweglichen Elemente
einwirkende Magnetkräfte
unterstützt
werden.
-
Die
Getriebestufe umfasst bevorzugt Mittel zum Zurückstellen oder Zurückführen der
radial beweglichen Elemente des ersten Zahnrades in eine äußere Endstellung,
bevor sie erneut mit der Verzahnung des zweiten Zahnrades in Zahneingriff
treten. Diese Mittel können
zweckmäßig mechanisch
auf die inneren Stirnenden der radial beweglichen Elemente einwirken,
jedoch ist auch eine Rückstellung
durch magnetische Anziehungskräfte
möglich,
die auf die äußeren Stirnenden
der radial beweglichen Elemente einwirken.
-
Das
zweite Zahnrad der Getriebestufe ist vorzugsweise ein Kegelrad,
während
das erste Zahnrad vorzugsweise ein Stirnrad ist, das in axialer
Richtung seiner Drehachse parallel zu einer Mantelfläche des
Kegelrades beweglich ist, um das Übersetzungsverhältnis der
Zahnradgetriebestufe zu verändern.
Je nach Position des ersten Zahnrades entlang der Mantelfläche des
Kegelrades verändern
sich die Anzahl und die Abmessungen der vom Kegelrad im Stirnrad
ausgebildeten Zähne.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
-
1:
eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Getriebestufe
mit zwei Zahnrädern
für ein
mechanisches Getriebe mit variabler Übersetzung;
-
2:
eine teilweise weggeschnittene Querschnittsansicht der Getriebestufe;
-
3:
eine Ansicht ähnlich 2,
jedoch mit einer Abwandlung.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
Die
in der Zeichnung dargestellte Zahnradgetriebestufe 2 für ein mechanisches
Getriebe mit variabler Übersetzung
besteht aus zwei Zahnrädern 4, 6,
die miteinander im Zahneingriff stehen. Jedes der beiden Zahnräder 4, 6 ist
drehfest auf einer Welle 8 bzw. 10 montiert.
-
Von
den beiden Wellen 8, 10 dient eine als Antriebswelle
und die andere als Abtriebswelle. Die beiden Wellen 8, 10 sind
in Bezug zueinander unter einem spitzen Winkel geneigt, wobei sich
ihre Drehachsen in einem Punkt (in der Zeichnung nicht sichtbar)
schneiden.
-
Das
eine der beiden Zahnräder 4, 6 ist
als geradverzahntes Kegelrad 4 ausgebildet und weist eine
Kegelverzahnung mit einer Mehrzahl von Zähnen 12 auf, deren
Kopfkreise 16 eine konische Mantelfläche 14 des Kegelrades 4 aufspannen.
In Umfangsrichtung des Kegelrades 4 weisen die Zähne 12 ebenso
wie die Zahnlücken 18 zwischen
benachbarten Zähnen 12 Abmessungen
auf, die von einer Stirnfläche 20 des
Kegelrades 4 in Richtung der anderen Stirnfläche 22 kontinuierlich
abnehmen.
-
Das
andere der beiden Zahnräder 4, 6 ist
als Stirnrad 6 ausgebildet, das zur stufenlosen Verstellung
des Übersetzungsverhältnisses
der Getriebestufe 2 in axialer Richtung der Welle 10 parallel
zur Mantelfläche 14 des
Zahnrades 4 in beliebige Stellungen verschiebbar ist, wie
in 1 durch Doppelpfeile dargestellt, wobei die Anzahl
und die Form seiner Zähne 24 (in 2 und 3 beispielhaft
dargestellt) reversibel veränderbar
sind, so dass sie sich an die Form der Zähne 12 des Kegelrades 4 anpassen können, mit
denen sie in Zahneingriff treten. Diese Anpassung ist erforderlich,
da sich zum einen entlang des Bewegungswegs des Stirnrades 6 die
Abmessungen der Zähne 12 und
der Zahnlücken 18 des
Kegelrades 4 verändern,
wie in 1 dargestellt, und da sich zum anderen in vielen
Verschiebstellungen des Stirnrades 6 die Position der Zähne 24 und
der Zahnlücken 26 kontinuierlich
in Umfangsrichtung des Stirnrades 6 verschiebt, wenn dessen
Umfangslänge nicht
genau einem Vielfachen der Teilung des Kegelrades 4 entspricht.
-
Um
eine reversible Veränderung
der Anzahl und der Form der Zähne 24 und
Zahnlücken 26 des Stirnrades 6 zu
ermöglichen,
weist dieses an seinem äußeren Umfang
eine Vielzahl von langgestreckten Stiften oder Nadeln 28 auf,
die in engen Abständen voneinander
angeordnet sind, wobei sie in radiale Bohrungen 30 eines
drehfest mit der Welle 10 verbundenen ringförmigen Nabenteils 32 des
Zahnrades eingesetzt und innerhalb der Bohrungen 30 in Bezug
zur Drehachse des Stirnrades 6 radial verschiebbar sind,
wie in 2 und 3 für einen Teil des Stirnrades 6 schematisch
dargestellt.
-
Wenn
sich die Stifte oder Nadeln 28 in ihrer radial äußersten
Position befinden, wie in 2 bei 34 dargestellt,
stehen die Stifte oder Nadeln 28 über eine äußere zylindrische Umfangsfläche 36 des
Nabenteils 32 um ein Maß über, das in etwa der Zahnhöhe der Zähne 12 des
Kegelrades 4 entspricht oder geringfügig größer als die Zahnhöhe ist.
Wenn sich die Stifte oder Nadeln 28 in ihrer radial innersten
Position befinden, wie in 2 bei 38 dargestellt,
stehen die Stifte oder Nadeln 28 im Wesentlichen um dasselbe
Maß über eine
innere zylindrische Umfangsfläche 40 des
Nabenteils 32 über.
-
Die
Verschiebung der Stifte oder Nadeln 28 in den zugehörigen Bohrungen 30 des
Nabenteils 28 aus ihrer radial äußersten Position nach innen
zu erfolgt durch die Zähne 12 des
Kegelrades 4, wenn diese mit den äußeren Stirnenden der Stifte
oder Nadeln 28 in Kontakt treten, wie in 2 bei 42 dargestellt. Dabei
werden diejenigen Stifte oder Nadeln 28 in den Bohrungen 30 des
Nabenteils 32 nach innen gedrückt, die beim Kämmen der
beiden Zahnräder 4, 6 einem
Zahn 12 des Kegelrades 4 gegenüberliegen, während diejenigen
Stifte oder Nadeln 28, die einer Zahnlücke 18 gegenüberliegen,
in ihrer radial äußersten
Position verbleiben. Diejenigen Stifte oder Nadeln 28,
die einer Flanke eines Zahns 12 des Kegelrades 4 gegenüberliegen,
werden teilweise nach innen gedrückt,
so dass der äußere Umfang
des Stirnrades 6 in Drehrichtung (Pfeil D1 in 2 und 3)
im Eingriffsbereich der beiden Zahnräder 4, 6 eine
Form annimmt, die im Wesentlichen der Form der Verzahnung 12, 18 des
Kegelrades 4 entspricht. Dadurch wird in diesem Bereich
ein formschlüssiger, weitgehend
schlupffreier Zahneingriff der beiden Zahnräder 4, 6 erreicht,
da die in Drehrichtung des Stirnrades 6 weisenden Flanken
der Zähne 12 des Kegelrades 4 ähnlich wie
bei einem herkömmlichen geradverzahnten
Stirnrad auf die gegenüberliegenden
Flanken der während
des Zahneingriffs gebildeten Verzahnung 24, 26 des
Stirnrades 6 drücken.
-
Um
sicherzustellen, dass die den Zahnlücken 18 des Kegelrades 4 gegenüberliegenden
Stifte oder Nadeln 28 im Eingriffsbereich der beiden Zahnräder 4, 6 in
ihrer radial äußersten
Position verbleiben und sich nicht in den Bohrungen 30 nach
innen verschieben, können
die Stifte oder Nadeln 28 derart in die Bohrungen 30 eingesetzt
werden, dass ihrer Verschiebung in den Bohrungen 30 eine
gewisse Reibkraft entgegenwirkt. Dazu kann beispielsweise auf die
innere und/oder äußere Umfangsfläche 36, 40 des
Nabenteils 32 eine Schicht aus einem gummielastischen Material
aufgebracht werden, in der die zur Aufnahme der Stifte oder Nadeln 28 dienenden
Bohrungen 30 einen geringfügig kleineren Durchmesser besitzen,
so dass die Stifte oder Nadeln 28 dort reibschlüssig in
den Bohrungen 30 festgehalten werden.
-
Wie
in 3 dargestellt, können alternativ dazu die beiden
Zahnräder 4, 6 so
ausgerichtet werden, dass der Bereich, in dem sie miteinander kämmen, nach
unten weist, so dass die Stifte oder Nadeln 28 im Eingriffsbereich
der beiden Zahnräder 4, 6 durch
ihre Schwerkraft in den Bohrungen 30 nach unten in ihre
radial äußerste Position
gleiten, wobei in diesem Fall die Stifte oder Nadeln 28 leichtgängig in die
Bohrungen 30 eingesetzt werden.
-
Zusätzlich ist
dort das Kegelrad 4 radial einwärts von den Zahnlücken 18 und
einwärts
von den Flanken der Zähne 12 mit
Permanentmagneten 44 bestückt, welche die den Zahnlücken 18 gegenüberliegenden,
aus ferromagnetischem Material bestehenden Stifte oder Nadeln 28 durch
magnetische Anziehungskräfte
in ihrer radial äußersten
Position festhalten.
-
Die
Zurückführung der
von den Zähnen 12 des
Kegelrades 4 nach innen verschobenen Stifte oder Nadeln 28 des
Stirnrades 6 in ihre radial äußerste Position erfolgt bei
dem in 2 dargestellten Stirnrad 6 mechanisch
mit Hilfe eines Rückführelements 46,
das zwischen der Welle 10 und der inneren Umfangsfläche 40 des
ringförmigen
Nabenteils 32 angeordnet ist und in einer definierten Ausrichtung
in Bezug zum Eingriffsbereich der beiden Zahnräder 4, 6 drehfest
gehalten wird, so dass es sich nicht mit dem Stirnrad 6 mitdreht,
sich jedoch zusammen mit diesem in axialer Richtung der Welle 10 verschiebt.
-
Während das
Rückführelement 46 gegenüber vom
Eingriffsbereich der beiden Zahnräder 4, 6 mit
einer Aussparung 48 versehen ist, die eine ungehinderte
Einwärtsbewegung
der Stifte oder Nadeln 28 in den zugehörigen Bohrungen 30 ermöglicht, weist
es in Drehrichtung hinter dem Eingriffsbereich an seinem äußeren Umfang
eine nach außen
weisende Auflauffläche 50 auf,
deren radialer Abstand von der Drehachse der Welle 10 in
Drehrichtung allmählich
größer wird,
so dass die bei der Drehung des Zahnrads 6 mit ihren inneren
Enden mit der Auflauffläche 50 in
Kontakt tretenden Stifte oder Nadeln 28 während ihrer
Bewegung über
die Auflauffläche 50 sukzessive
nach außen
in ihre radial äußerste Position
gedrückt
werden, die sie etwa bei 52 erreichen. Von dort an gleiten
die Stifte oder Nadeln 28 mit ihren inneren Stirneneden über einen
in Drehrichtung an die Auflauffläche 50 angrenzenden
zylindrischen Umfangsflächenabschnitt 54 des
Rückführelements 46,
der einen geringen Abstand von der inneren Umfangsfläche 40 des
ringförmigen
Nabenteils 32 aufweist und sich in Drehrichtung bis kurz
vor den Eingriffsbereich bzw. die Aussparung 48 erstreckt.