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Die
Erfindung betrifft ein stufenloses Getriebe mit einem variablen
Regelkreis und Umlaufelementen zur formschlüssigen Verbindung
mit einer Antriebskette nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die
bekannten stufenlosen Getriebe besitzen den Nachteil, über
eine reibschlüssige Verbindung nur geringe Kräfte
und Drehmomente übertragen zu können. Dem gegenüber
sind die bekannten formschlüssigen Getriebe nicht stufenlos
regelbar. Hier kommt es unter anderem beim Gangwechsel zur Unterbrechung
der Leistungsübertragung.
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Bei
stufenlosen Getrieben ist unter anderem es wünschenswert,
möglichst hohe Kräfte übertragen zu können.
Die meisten stufenlosen Getriebe übertragen Kräfte
reibschlüssig durch eine Umschlingung. Dies hat zur Folge,
dass nur relativ geringe Kräfte übertragen werden
können. So werden diese Getriebe heutzutage insbesondere
bei kleinen und mittelgroßen Fahrzeugen eingesetzt. In
Lastkraftwagen finden sie so gut wie keine Anwendung. Eine Ausnahme
bilden die stufenlos regelbaren hydraulischen Antriebe. Sie erlauben
jedoch nur eine relativ geringe Höchstgeschwindigkeit und
haben einen schlechten Wirkungsgrad.
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Neben
vielen Anmeldungen für stufenlose Getriebe zur reibschlüssigen
Kraftübertragung gibt es schon Versuche, höhere
Kräfte durch formschlüssige Verbindungen zu übertragen.
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Die
DE 199 53 643 B4 beschäftigt
sich mit einem stufenlosen Getriebe zur Übertragung hoher Kräfte.
Allerdings ist dieses Getriebe ein Freilauf. Es eignet sich daher
nur bedingt für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, da beispielsweise
die Bremswirkung des Motors nicht genutzt werden kann. Außerdem
ist durch nicht exakte Positionierung der Umlaufelemente ein erhöhter
Verschleiß und eine nicht ganz stufenlose Übersetzungsänderung
zu erwarten.
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Auch
die
EP 1 586 792 A2 beschäftigt
sich mit einem stufenlosen formschlüssigen Getriebe. Doch
auch hier gibt es keine genaue Positionierung der eingreifenden
Zahnräder, was den Verschleiß beschleunigt. Außerdem
ist zu erwarten, dass durch die vielen beweglichen Teile kein Einsatz
an einem schnelllaufenden Motor eines Kraftfahrzeuges möglich
ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die Konstruktion eines stufenlosen Getriebes
zu ermöglichen, welches die oben genannten Nachteile verhindert.
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Die
Erfindung löst das Problem durch ein stufenloses Getriebe
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie vorteilhafterweise mit Merkmalen
der weiteren Ansprüche.
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Die
Erfindung löst das Problem durch einen Variator. Dieser
besitzt ein Regelrad, welches zumindest teilweise von einem Umschlingungsmittel
umschlungen ist. Das Regelrad kann Teil eines Kegels sein. Durch
Verschiebung des Kegels ändert sich die Größe
des Regelrades. Es bietet sich an, eine endlose Antriebskette als
Umschlingungsmittel zu nutzen. Ein formschlüssiger Kontakt
zwischen Regelrad und Antriebskette wird unter anderem durch Umlaufelemente
hergestellt. Die Umlaufelemente drehen sich mit dem Regelrad. Die
Umlaufelemente greifen in die Antriebskette ein und stellen so eine
formschlüssige Verbindung her. Die Umlaufelemente müssen
so ausgebildet sein, dass sie in die Antriebskette eingreifen können.
Dies geschieht beispielsweise durch Zahnräder. Es bieten
sich aber auch alle anderen Elemente an, die mit der Antriebskette
eine formschlüssige Verbindung bilden können.
Die Zahnräder müssen drehbar sein um mit ihren
Zähnen passend in die umschlingende Antriebskette eingreifen
zu können. Sobald jedoch die Antriebskette und das Zahnrad
formschlüssig verbunden sind, dürfen die Zahnräder
nicht mehr bewegt werden.
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Ein
Umlaufelement besitzt Kontakt zu beiden Ketten. Zur Steuerkette
besitzt es dauerhaften formschlüssigen Kontakt. Zur Antriebskette
besitzt es nur formschlüssigen Kontakt, wenn diese an der
Stelle des Umlaufelements den Regelkreis umschlingt. Ein Umlaufelement
besitzt ein Eingangszahnrad. Dieses steht in ständiger
formschlüssiger Verbindung mit der Steuerkette. Bei einer
Bewegung der Steuerkette relativ zum Umlaufelement dreht sich das
Eingangszahnrad. Die Bewegung wird auf ein Ausgangszahnrad übertragen.
Dadurch wird dieses so positioniert, dass es mit der Antriebskette
eine formschlüssige Verbindung herstellt, sobald diese
das Regelrad an der Stelle des Umlaufelements umschlingt. Anstatt des
Ausgangszahnrades bietet sich zum Beispiel auch eine Schnecke an.
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Die
Positionierung der Umlaufelemente geschieht durch eine Drehung an
dessen Eingangszahnrad relativ zum Regelrad. Dies erfolgt durch
eine Steuerkette. Die Steuerkette umschlingt ebenso wie die Antriebskette
zumindest teilweise das Regelrad. Auch die Steuerkette ist eine
endlose Kette. Es bietet sich an, dass beide Ketten am Regelrad
denselben Umschlingungsradius besitzen. Außerdem sollten beide
Ketten den gleichen Kettengliederabstand besitzen. So läuft
während der Umschlingung genau ein Kettenglied der Antriebskette
neben einem Kettenglied der Steuerkette. Es gibt ein eindeutiges
Verhältnis für die Position eines Kettengliedes
der Antriebskette zu einem Kettenglied der Steuerkette. So kann jedes
Umlaufelement durch die Steuerkette so positioniert werden, dass
es passend in die Antriebskette eingreifen kann.
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Bei
der Bewegung der Steuerkette relativ zu einem Umlaufelement mit
einer bestimmten Relativgeschwindigkeit muss sich das Ausgangszahnrad
im Eingriffspunkt für die Antriebskette mit derselben Geschwindigkeit
drehen, um ein formschlüssiges Eingreifen mit der Antriebskette
bei der Umschlingung zu ermöglichen. Besitzen Antriebskette
und Steuerkette unterschiedliche Radien zum Mittelpunkt des Regelkreises
bei dessen Umschlingung, so ist ein anderes Geschwindigkeitsverhältnis
erforderlich.
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Das
Eingangszahnrad eines Umlaufelements wird durch die Steuerkette
so gedreht, dass sich das Ausgangszahnrad für eine formschlüssige Verbindung
mit der Antriebskette positioniert. Allerdings darf sich das Ausgangszahnrad
nicht verdrehen, während die Antriebskette mit diesem formschlüssig
verbunden ist. Dies würde eine Kraftübertragung
zwischen der Antriebskette und dem Regelkreis erschweren. So muss
das Umlaufelement so gebaut sein, dass sich zwar bei einer Krafteinleitung am
Eingangszahnrad das Ausgangszahnrad dreht. Anders herum darf aber
eine Krafteinleitung am Ausgangszahnrad nicht zu einer Drehung der
Zahnräder relativ zum Regelrad führen.
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Dies
wird beispielsweise durch einen Schneckentrieb im Umlaufelement
ermöglicht. Die Kraftübertragungswinkel und Materialien
im Schneckentrieb sind so zu wählen, dass eine Drehung
des Schneckentriebs nur einseitig bewirkbar ist. Auch eine Verhinderung
der Drehung durch den Einbau eines bremsenden Elements ist möglich,
jedoch bedeutet dies einen höheren technischen Aufwand.
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Die
Umlaufelemente besitzen immer eine formschlüssige Verbindung
mit der Steuerkette. Um dies zu realisieren, ist es sinnvoll, die
Umlaufelemente so zu befestigen, so dass ihr Abstand zur Drehachse
des Regelrades variabel ist.
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Es
ist auch möglich, dass die Ketten das Regelrad nicht umschlingen
und im Wesentlichen nur Kontakt zu den Umlaufelementen besitzen.
Doch dann entsteht durch die unterschiedlichen Abstände der
Kettenglieder zum Mittelpunkt des Regelrades eine ungleichförmige Übersetzung.
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Die
Steuerkette ist meist länger als der Umfang des Regelrades,
da dessen Durchmesser variabel ist. Deshalb wird die Steuerkette
beispielsweise durch einen Kettenspanner aufgespannt. Damit die Umlaufelemente
nicht mit dem Kettenspanner kollidieren, bietet es sich an, eine
breite Kette zu wählen.
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Der
Variator eignet sich sowohl für den Antrieb, als auch für
den Abtrieb des Getriebes. Um die Kraft weiter zu übertragen,
verläuft die Antriebskette noch über ein weiteres
Zahnrad oder einen zweiten Variator. Dieser zweite Variator kann
auch wie oben beschrieben aufgebaut sein. Die benötigte
Länge der Antriebskette ändert sich mit dem Radius
des Regelkreises. So ist es sinnvoll, die Antriebskette nicht nur noch über
ein zweites Rad zur Kraftübertragung laufen zu lassen,
sondern auch über verstellbares Rad zur Kettenspannung.
Dieses kompensiert die durch unterschiedliche Radien des Regelkreises
benötigte Länge der Antriebskette.
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Die
Veränderung der Spreizung des stufenlosen Getriebes kann
durch den Einsatz eines Planetengetriebes geschehen.
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In
den Zeichnungen ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt:
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1 zeigt
eine schematische Draufsicht des stufenlosen Getriebes.
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2 zeigt
die schematische Darstellung einer möglichen Variante der
Aufnahme.
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3 zeigt
den Kegel in perspektivischer Darstellung. Zu sehen ist auch das
Regelrad.
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4 zeigt
den Kegel von seiner Kegelspitze aus betrachtet. Zu sehen ist die
hier kreuzartige Aussparung für die Halterung der Umlaufelemente.
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5 zeigt
die Halterung der Umlaufelemente.
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In
der 1 ist eine Ausführungsmöglichkeit eines
stufenlosen Getriebes (1) gemäß der Erfindung dargestellt.
Im Variator (2) befindet sich das Regelrad (3)
des Getriebes. Durch den Variator (2) lässt sich der
Radius des Regelrades (3) beeinflussen. Hierüber
lässt sich auch die Übersetzung des stufenlosen Getriebes
(1) beeinflussen. Die Kraftübertragung erfolgt über
die Antriebskette (4). Sie überträgt
Kräfte vom Zahnrad (5) zum Variator (2)
oder anders herum. Die Kraftübertragung zwischen Variator
(2) und Antriebskette (4) erfolgt besonders über
Umlaufelemente (6) auf dem Variator (2), die zeitweise
eine formschlüssige Verbindung zur Antriebskette (4)
besitzen.
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Ein
Umlaufelement (6) wird durch eine Steuerkette (7)
für einen formschlüssigen Kontakt mit der Antriebskette
(4) positioniert. Diese Steuerkette (7) besitzt
vorzugsweise denselben Gliederabstand wie die Antriebskette (4)
und läuft während der Umschlingung des Regelrades
(3) im selben Umschlingungsradius wie die Antriebskette
(4). Die Umlaufelemente (6) haben dauerhaften
Kontakt zur Steuerkette (7). Deshalb sollte ihr Abstand
zur Drehachse des Regelrades (3) variabel sein.
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2 zeigt
schematisch die Mechanik eines Umlaufelements (6) mit unter
anderem einem Eingangszahnrad (8) für den dauerhaften
formschlüssigen Eingriff in die Steuerkette (7),
sowie einem Ausgangszahnrad (9) für einen formschlüssigen
Eingriff in die Antriebskette (4) während diese
das Regelrad (3) umschlingt. Eingangszahnrad (8)
und Ausgangszahnrad (9) sind über eine Mechanik
derart miteinander verbunden, dass die Eingriffsstellen (10)
bei einer Drehung der Zahnräder (8, 9)
dieselben Geschwindigkeiten besitzen. Um das Ausgangszahnrad (9) richtig
zu positionieren, lässt sich dessen Drehung durch eine
Drehung des Eingangszahnrades (8) bewirken. Der Schneckentrieb
(11), der die Drehung der Zahnräder (8, 9)
bei Krafteinwirkung der Antriebskette (4) auf das Ausgangsrad
(9) verhindert, ist ebenfalls dargestellt.
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Der
Kegel (12), als Teil des Variators (2) ist in 3 zu
sehen. Eine Veränderung des Radius des Regelrades (3)
ist durch eine Verschiebung des Kegels (12) entlang seiner
Drehachse (13) bewirkbar.
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Auch
in 4 ist der Kegel (12) zu sehen, hier ist
er von seiner Kegelspitze aus betrachtet. Zu erkennen sind auch
die Aussparungen (14) zur Aufnahme der Umlaufelemente (4),
sowie deren Halterung (15).
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5 zeigt
die Umlaufelemente (4), sowie ihre Halterung (15).
Die Kraftübertragung zwischen Antriebskette (4)
und Regelrad (3) erfolgt über die Umlaufelemente
(4) und deren Halterung (15).
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Zur
Straffung der Antriebskette (4) und der Steuerkette (7)
werden diese durch zusätzliche Elemente, vorzugsweise Rollen
(16), gespannt. Auch eine Straffung durch eine Bewegung
der Drehachse des Zahnrades (5) ist möglich. Auch
mehrere Antriebsketten (4) und/oder mehrere Steuerketten
(7) können verwendet werden.
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- 1
- Stufenloses
Getriebe
- 2
- Variator
- 3
- Regelrad
- 4
- Antriebskette
- 5
- Zahnrad
- 6
- Umlaufelement
- 7
- Steuerkette
- 8
- Eingangszahnrad
- 9
- Ausgangszahnrad
- 10
- Eingriffsstellen
- 11
- Schneckengetriebe
- 12
- Kegel
- 13
- Drehachse
- 14
- Aussparungen
- 15
- Halterung
- 16
- Rollen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19953643
B4 [0005]
- - EP 1586792 A2 [0006]