DE102012012880A1

DE102012012880A1 - Schwingungsmechanismus eines stufenlosen Nicht-Friktions-Getriebes von großem Drehmoment

Info

Publication number: DE102012012880A1
Application number: DE201210012880
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-09-22
Filing date: 2012-06-28
Publication date: 2013-03-28
Also published as: RU2475663C1

Abstract

Die vorliegende Erfindung gehört zum Bereich des Maschinenbaus, insbesondere zu Schwingungsmechanismen eines stufenlosen Nicht-Friktions-Getriebes von großem Drehmoment. Der Mechanismus beinhaltet das Gehäuse, die im Gehäuse auf den Kugellagern aufgestellten Eingangswelle und sich mit dieser rechtwinklig kreuzende Schwingungswelle sowie den Mechanismus der Taumelscheibe, der eine auf die Eingangswelle mittels Zapfen aufgesetzte Kurbel, eine Vorrichtung zur zwangsläufigen Änderung des Kurbel-Neigungswinkels bezüglich der Achse der Eingangswelle sowie eine mit der Kurbel das Rotationspaar bildende Taumelscheibe, die mit dem Gehäuse mit der Möglichkeit der Fortbewegung einer der zentralen Achsen der Taumelscheibe in der Ebene der Eingangswellenachse verbunden ist, aufweist. Die Schwingungswelle ist mit einem Kipphebel ausgestattet und an der Schwingungsscheibe wird eine rohrförmige Leitschiene mit deren Rotationsmöglichkeit aufgestellt, die sich mit der Kurbel-Achse rechtwinklig kreuzt und eine darin angeordnete Kugelrolle aufweist, die mit dem Kipphebel ein Schwing-Hub-Paar bildet. Die Lösung ist auf die Vereinfachung und Erhöhung von Betriebscharakteristika gerichtet. 16 Abbildungen.

Description

Die anmeldungsgemäße Erfindung betrifft den Maschinenbau und ist für die Wandlung der Einseitendrehung des Eingangsglieds in die Schwingungsdrehung des Ausgangsgliedes mit stufenloser Änderung seiner Schwingbreite bestimmt, was in stufenlosen Nicht-Friktions-Getrieben von großem Drehmoment, regulierten hydrostatischen Maschinen und in anderen Vorrichtungen bei einer großen übertragenen Leistung eingesetzt werden kann.
Bekannt sind Schwingungsmechanismen mit stufenloser Änderung von Schwingungen der Schwingungswelle, die das Ausgangsglied des Mechanismus ist. Ein solcher Mechanismus stellt eine notwendige Vorrichtung in stufenlosen Getrieben des Nicht-Friktions-Typs von großem Drehmoment dar. Bekannt sind, z. B. nockengesteuerte Mechanismen, die die Rotationsgleichmäßigkeit der Ausgangswelle von stufenlosen Nicht-Friktions-Getrieben von großem Drehmoment [1–3] gewährleisten, dabei gewährleisten die baulich einfacheren nicht-nockengesteuerten Schwingungsmechanismen, z. B. [4], keine hohe Rotationsgleichmäßigkeit von Getriebeausgangswellen. Bekannt sind auch Mechanismen mit der Taumelscheibe, in denen der Winkel der Scheibenposition bezüglich der Achse der Ausgangswelle am arbeitenden Mechanismus [5 und 6] zwangsläufig geändert wird.
Nehmen wir als Prototyp einen von technischem Wesen und herbeigeführtem Resultat her am nächsten stehenden Schwingungsmechanismus [7], der folgende Bestandteile aufweist:

– das Gehäuse,
– die innerhalb des Gehäuses auf den Kugellagern installierten Eingangswelle sowie mit ihrer Achse der der Eingangswelle perpenikulär angeordnete Schwingungswelle,
– den Mechanismus der Taumelscheibe, der beinhaltet:
– die auf den Zapfen der Antriebswelle angeordnete, in Form einer Buchse ausgeführte Kurbel
– die Vorrichtung zur zwangsläufigen Änderung des Kurbel-Neigungswinkels in Bezug auf die Achse der Eingangswelle
– und die mit der Buchse ein Schwing-Hub-Paar bildende Taumelscheibe, die durch Scheibenzapfen mit der Schwingungswelle mittels einer in der Schwingungswelle angeordneten Stützgabel gekoppelt ist, wobei die Möglichkeit der Fortbewegung einer der zentralen Achsen der Taumelscheibe in der Ebene der Eingangswellenachse besteht.

Die Merkmale des bekannten Mechanismus (des Prototyps), die mit der anmeldungsgemäßen Erfindung übereinstimmen, sind die folgenden. Der bekannte Mechanismus beinhaltet das Gehäuse, die innerhalb des Gehäuses auf den Kugellagern installierten Eingangswelle und Schwingungswelle sowie den Mechanismus der Taumelscheibe, der die auf den Zapfen der Antriebswelle angeordnete Kurbel, die Vorrichtung zur zwangsläufigen Änderung des Kurbel-Neigungswinkels in Bezug auf die Achse der Eingangswelle und die mit der Kurbel ein Rotationspaar bildende Taumelscheibe, die mit dem Gehäuse so verbunden ist, dass die Möglichkeit der Fortbewegung einer der zentralen Achsen der Taumelscheibe in der Ebene der Eingangswellenachse besteht, z. B. mittels einer auf dem Kugellager im Gehäuse angeordneten Stützgabel, deren Rotationsachse zur Rotationsachse der Eingangswelle perpendikulär verläuft, dabei ist die Stützgabel mit der Taumelscheibe mittels Scheibenzapfen verbunden.
Im bekannten Mechanismus weist die Schwingungswelle in toten Punkten einen nicht genügenden Stillstand auf, um eine hohe Rotationsgleichmäßigkeit der Ausgangswelle des stufenlosen Getriebes von großem Drehmoment zu gewährleisten, und weil der Mechanismus nur eine Schwingungswelle aufweist, benötigt das stufenlose Getriebe ein einschlägiges Mechanismenpaar, was die Konstruktion des stufenlosen Getriebes verkompliziert.
Das Ziel der anmeldungsgemäßen Erfindung besteht in der Vereinfachung und Verbilligung der Konstruktion mit gleichzeitiger Erhöhung von Betriebscharakteristika.
Der anmeldungsgemäße Schwingungsmechanismus weist folgende wesentliche Merkmale auf. Er beinhaltet das Gehäuse, die im Gehäuse auf den Kugellagern angeordnete Eingangswelle, die sich mit dieser rechtwinklig kreuzende Schwingungswelle sowie den Mechanismus der Taumelscheibe, der einen auf die Eingangswelle mittels Zapfen angeordnete Kurbel, eine Vorrichtung zur zwangsläufigen Änderung des Kurbel-Neigungswinkels bezüglich der Achse der Eingangswelle und eine mit Kurbel das Rotationspaar bildende Taumelscheibe aufweist, die mit dem Gehäuse so verbunden ist, dass die Möglichkeit der Fortbewegung einer der zentralen Achsen der Taumelscheibe in der Ebene der Eingangswellenachse besteht, z. B. mittels einer im Gehäuse auf dem Kugellager aufgestellten Stützgabel, deren Rotationsachse zur Rotationsachse der Eingangswelle perpendikulär angeordnet ist, wobei die Stützgabel mit der Taumelscheibe mittels Scheibenzapfen verbunden ist, dabei ist die Schwingungswelle mit einem Kipphebel ausgestattet und auf der Schwingungsscheibe wird eine rohrförmige Leitschiene mit Rotationsmöglichkeit angeordnet, die sich mit der Kurbel-Achse rechtwinklig kreuzt und eine in ihr angeordnete Kugelrolle aufweist, die mit dem Kipphebel ein Schwing-Hub-Paar bildet.
Die vom Prototyp unterscheidenden Merkmale der Erfindung sind die folgenden. Die Eingangs- uns Ausgangswellen sind so montiert, dass sie sich rechtwinklig kreuzen, die Schwingungswelle ist mit einem Kipphebel ausgerüstet und auf der Schwingungsscheibe wird eine rohrförmige Leitschiene mit deren Rotationsmöglichkeit angeordnet, die sich mit der Kurbel-Achse rechtwinklig kreuzt und eine in ihr untergebrachte Kugelrolle aufweist, die mit dem Kipphebel ein Schwing-Hub-Paar bildet.
In 1–7 wird eine Konstruktionsvariante des anmeldungsgemäßen Schwingungsmechanismus dargestellt; in 8 – Diagramme γ(α) und φ(α); in 9–12 ist ein Einsatzbeispiel des Schwingungsmechanismus in einem stufenlosen Nicht-Friktions-Getriebe von großem Drehmoment dargestellt; in 13 und 14 werden kinematische Charakteristika des stufenlosen Getriebes angegeben; in 15 – Diagramme Ω(β) und M(β); in 16 – eine Ausführungsvariante der Eingangswelle.
Der anmeldungsgemäße Mechanismus (1–7) beinhaltet das Gehäuse 1, die im Gehäuse auf den Kugellagern angeordneten Eingangswelle 2 mit der Achse Z und sich mit ihr rechtwinklig kreuzende Schwingungswelle 3 mit dem Kipphebel 4 (X₁ – die Achse der Schwingungswelle) sowie den Mechanismus der Taumelscheibe, der die mittels zwei Zapfen 5 auf die Eingangswelle angeordnete Kurbel 6 (z – die sich mit der Achse Z im Punkt O kreuzende Kurbelachse) und die auf den Kurbel-Kugellagern 7 angeordnete Taumelscheibe 8 mit zylinderförmigen Ösen 9 mit Dornen 10 aufweist, auf die mit deren Rotationsmöglichkeit und mit der Achse AB, die sich rechtwinklig mit der Kurbelachse z kreuzt, die rohrförmige Leitschiene 11 mit Kugelrolle 12 angeordnet ist. O – die Mitte der Taumelscheibe, Oxyz – das mit der Taumelscheibe verbundene Descartessche Koordinatensystem. Auf der Taumelscheine werden ein Gegengewicht 13 und koaxial der zentralen Achse der Scheibe x ein Zapfen-Paar der Scheibe 14 angeordnet sowie koaxial der Achse z zwei Lagerhälse 15 von Lagern 7 befestigt. Im Gehäuse wird mit Rotationsmöglichkeit die Stützgabel 16 angeordnet, die mit der Taumelscheibe mittels Zapfen der Scheibe 14 in Wechselwirkung steht, Y – die durch das Zentrum O senkrecht zu den Achsen Z und x verlaufende Rotationsachse der Stützgabel. OXYZ – das mit dem Gehäuse verbundene Descartessche Koordinatensystem.
Der Mechanismus ist mit der Vorrichtung zur zwangsläufigen Änderung des Neigungswinkels β der Achse z der Kurbel 6 in Bezug auf die Achse Z der Eingangswelle 2. Diese Vorrichtung weist die Schraube 17 mit dem Steuerungshebel 18 und die am Gehäuse befestigte Mutter 19 auf, die ein Schraubenpaar bilden. An der Schraube wird mit Rotationsmöglichkeit und mit Achsenfixierung das Gleitstück 20 angeordnet, das durch Stift 21 mit dem Drehstück 22 verbunden ist. Im Drehstück sind rechteckige Nut 23 und zylindrischer Daumen 24 ausgeführt, in der Nut wird mit Rotationsmöglichkeit in der Kurbel 6 die Leiste 25 angeordnet, die mit dem Drehstück ein Schubgelenk bildet. Das Drehstück 22 mit dem Gleitstück 20 sind innerhalb der Eingangswelle mit Möglichkeit der achsenmäßigen Fortbewegung aufgrund der Leitschiene 26 und des Zylinders 27 angeordnet, dabei wird das Drehstück von seiner Rotation in Bezug auf die Eingangswelle mittels einer flachen Leitschiene 28 fixiert.
Der Mechanismus funktioniert auf folgende Weise. Die mit der Umlaufgeschwindigkeit ω rotierende Eingangswelle 2 vermittelt zusammen mit der Kurbel 6 der Taumelscheibe 8 die Bewegung in Bezug auf das relativ feste Zentrum O. Der Bewegungscharakter verschiedener Punkte der Taumelscheibe hängt von derer Position ab. Die Fortbewegung der Punkte auf der Achse x ist wegen der kinematischen Verbindung mit der Stützgabel 16 nur in der Ebene OXZ möglich. α – Drehungswinkel der Eingangswelle. Die Schwingungsrotation der Schwingungswelle 3 mit der Umlaufgeschwindigkeit ω_κa erfolgt von der Taumelscheibe her über den Kipphebel 4, der mit der in die rohrförmige Leitschiene 11 gesetzten Kugelrolle 12 in Wechselwirkung steht. Solche Besonderheit der Konstruktion gestattet es, den Kontaktpunkt E innerhalb der zentralen Ebene Oxy der Taumelscheibe zu bewegen, was auf den Charakter der Schwingungen der Schwingungswelle Auswirkung hat, d. h. auf die Funktion des Rotationswinkels γ_a(α), die von den Parametern des Mechanismus abhängt (s. 1, 4 und 5):

1) die Position der Schwingungswelle 3 (Y_D);
2) die Position des Kipphebels 4 (XD, τ);
3) die Orientierung der Achse AB der rohrförmigen Leitschiene 12 (yA und μ).

Die Schwingungsamplitude der Schwingungswelle λ = 2|γ_a|_max hängt vom Winkel β der Achsenneigung z der Kurbel 6 zur Achse Z der Eingangswelle ab, der sich durch Drehung des Steuerungshebels 18 ändern lässt. Dabei bewegt sich die Schraube 17 zusammen mit dem Gleitstück 27 und dem Drehstück 22 entlang der Achse der Eingangswelle. Das Drehstück verleiht mit seiner rechteckigen Nut 23, indem es mit der Leiste 25 kontaktiert, der Kurbel eine Drehung. Bei β = 0 ist die Umlaufgeschwindigkeit der Schwingungswelle ω_κa = 0, und bei maximaler Versetzung der Schraube h ist der Winkel β_max und die Schwingungsamplitude λ maximal.
Die Abhängigkeit des Rotationswinkels der Schwingungswelle γ_a(α) bei einer Halbdrehung der Eingangswelle wird in 8 abgebildet, wo mit Strichlinie die Funktion des Rotationswinkels der Stützgabel φ(α) bei β = 28,8° angegeben ist. φ – Rotationswinkel der Schwingungswelle im Mechanismus [7], der als Prototyp gilt. Aus den vorgestellten Diagrammen ist es ersichtlich, dass man in der Umgebung des toten Punktes k einen relativ längeren Stillstand der Schwingungswelle der anmeldungsgemäßen Vorrichtung hat, als es beim Prototyp der Fall ist, da die Krümmung γ_a(α = 90°) geringer ist, als die Krümmung φ(α = 90°). Es gestattet, im Vergleich zum Prototyp eine doppelt so geringe Unregelmäßigkeit der Rotation der Ausgangswelle des stufenlosen Getriebes bei der Nutzung des anmeldungsgemäßen Mechanismus zu haben.
Die Schwingungswelle, die der in 4 dargestellten symmetrisch angeordnet ist, weist kinematische Charakteristika auf, die um 90° phasenverschoben sind.
Der Rotationswinkel dieser Schwingungswelle γ_b(α) ist in 8 abgebildet.
Diese Eigenschaft gestattet es, den anmeldungsgemäßen Mechanismus in einem stufenlosen Nicht-Friktions-Getriebe von großem Drehmoment mit einer Taumelscheibe und einem Schwingungswellenpaar 3a
3b einzusetzen. Die Konstruktion eines solchen stufenlosen Getriebes ist in 9–12 abgebildet, wo 2 – die Eingangswelle, 29 – die Ausgangswelle sind. An der Ausgangswelle wird ein Differenzial mit einem mit Möglichkeit relativer Rotation aufgestellten Zahnräderpaar 30 montiert, auf dieser Welle wird ein Käfig 31 mit einem mit den Zahnrädern verzahnten Ausgleichkegelrad 32 befestigt. Auf den Keilen 33 jeden Zahnräderpaares wird ein Überholungskupplungspaar 34 mit Antriebskupplungshälften 35 und 36 angeordnet, die in Form von Rollen ausgeführt sind. An jeder Schwingungswelle werden Rollenpaare 37 und 38 angeordnet, die mit Antriebskupplungshälften 35 und 36 verbunden sind, die an den Rollen mittels Drahtseile 39 befestigt sind, mit Möglichkeit, die unidirektionale Rotation von den Schwingungswellen über Überholungskupplung an die Zahnräder mit Geschwindigkeiten
zu übersetzen, wo r und R – Rollenradien (10).
Die Geschwindigkeit des Käfigs 31 des Differenzials, und folglich der Ausgangswelle 29 des stufenlosen Getriebes, beträgt Ω = 0,5(ω_a + ω_b).
Der Koeffizient der Rotationsunregelmäßigkeit der Ausgangswelle beträgt
wo
– die Durchschnittsgeschwindigkeit der Ausgangswelle.
M – der durch die Ausgangswelle übertragene Drehmoment.
Der Koeffizient der Rotationsunregelmäßigkeit δ hängt wesentlich von den Parametern des Schwingungsmechanismus (13) ab. Der Minimalwert δ = 0,07 wird bei der Neigungswinkel der Achse AB der zylinderförmigen Leitungsschiene μ = 30° erreicht.
In 14 sind die kinematischen Parameter des stufenlosen Getriebes bei der Rotationsfrequenz der Eingangswelle n = 1000 U/Min (ω = 104,7 rad/s) und β = 20° angegeben.
Bei Veränderung des Winkels β von 0° bis 20° mittels des Steuerungshebels 18 variiert der übertragene Moment M und die Geschwindigkeit Ω der Ausgangswelle 29 von 0 bis 18,4 rad/s, und im Stopp-Modus (bei β ~ 0°) haben wir an der Ausgangswelle einen Peak-Übertragungsmoment M_st (15).
Der Einsatz des anmeldungsgemäßen Schwingungsmechanismus im stufenlosen Nicht-Friktions-Getriebe von großem Drehmoment gestattet es, seine Konstruktion aufgrund fehlender komplizierter Nocken-Schwingungsmechanismen zu vereinfachen [1–3], dabei wird eine relativ hohe Rotationsregelmäßigkeit der Ausgangswelle, die aufgrund der Überholung in den Überholungskupplungen bis auf null herabgesetzt werden kann. Dank der Überholung (15) ist die automatische Änderung der Übertragungszahl des stufenlosen Getriebes vorhanden (Selbstregulierungseffekt [8
9]): mit der Verringerung des übertragenen Moments M steigt die Geschwindigkeit der Ausgangswelle Ω bei dem fixierten Steuerungshebel 18.
Die statische Balancierung des Mechanismus erfolgt mittels des Gegengewichtes 13 auf der Taumelscheibe und die dynamische – durch den Einsatz von zwei Schwungrädern 40 und 41, die an den Enden der Eingangswelle 2 (16) angeordnet sind.
In den stufenlosen Getrieben von diesem Typ sollen verzahnte Nicht-Friktions-Überholungskupplungen [10–12] eingesetzt werden, bei denen der Ansprechwinkel bei einem großen übertragenen Moment gleich null ist.
Die Informationen über stufenlose Nicht-Friktions-Getriebe von großem Drehmoment sind auf der Internet-Seite [13] zu finden.
Informationsquellen:

1. DE 3309044 , F 16 H 29/08, 14.03.83.
2. RU 2242654 C2 , F 16 H 29/08, 20.01.2003 (B. W. Pylajew).
3. RU 2409779 C1 , F 16 H 29/08, 06.07.2009 (B. W. Pylajew).
4. RU 2250400 C1 , F 16 H 29/08, 06.10.2003 (B. W. Pylajew).
5. DE 2659958 , F 16 H 23/08, 30.07.76.
6. SU 1096417 A , F 16 H 23/04, 03.06.82.
7. RU 2207463 C2 , F 16 H 23/04, 06.03.2001 (B. W. Pylajew).
8. RU 2313019 C2 , F 16 H 29/08, 28.12.2005 (B. W. Pylajew).
9. B. W. Pylajew. Anpassungsfähigkeit des stufenlosen Nicht-Friktions-Getriebes von großem Drehmoment an Außenbelastung//Westnik Maschinostrojenija. 2009.
5. S. S. 12–16.
10. B. W. Pylajew, A. A. Schamin. Verzahnte Überholungskupplung für stufenloses Nicht-Friktions-Getriebe von großem Drehmoment//Westnik Maschinostrojenija. 2008.
6. S. S. 3–6.
11. RU 2353835 C2 , F 16 D 41/08, 27.03.2007 (B. W. Pylajew, A. A. Schamin).
12. RU 2353836 C2 , F 16 D 41/08, 27.03.2007 (B. W. Pylajew, A. A. Schamin)
13. www.vmvp.ru

Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Eingangswelle
3: Schwingungswelle
4: Kipphebel
5: Zapfen
6: Kurbel
7: Kurbel-Kugellager
8: Taumelscheibe
9: Ösen
10: Dornen
11: Leitschiene
12: Kugelrolle
13: Gegengewicht
14: Scheibe
15: Lagerhälse
16: Stützgabel
17: Schraube
18: Steuerungshebel
19: Mutter
20: Gleitstück
21: Stift
22: Drehstück
23: Nut
24: Daumen
25: Leiste
26: Leitschiene
27: Zylinder
28: Leitschiene
29: Ausgangswelle
30: Zahnräderpaar
31: Käfig
32: Ausgleichskegelrad
33: Keile
34: Überholungskupplungspaar
35: Antriebskupplungshälfte
36: Antriebskupplungshälfte
37: Rollenpaar
38: Rollenpaar
39: Drahtseile
40: Schwungrad
41: Schwungrad

Claims

Der Schwingungsmechanismus des stufenlosen Nicht-Friktions-Getriebes, der das Gehäuse, die im Gehäuse auf den Kugellagern angeordneten Eingangs- und Schwingungswellen sowie den Mechanismus der Taumelscheibe aufweist, der Letztere beinhaltet die auf den Zapfen der Eingangswelle angeordnete Kurbel, die Vorrichtung zur zwangsläufigen Änderung des Neigungswinkels der Kurbel in Bezug auf die Achse der Eingangswelle und die mit der Kurbel ein Rotationspaar bildende Taumelscheibe, die mit dem Gehäuse mit Möglichkeit der Fortbewegung einer der zentralen Achsen der Taumelscheibe in der Achsenebene der Eingangswelle verbunden ist, z. B. mittels der im Gehäuse auf dem Kugellager angeordneten mit den Scheibenzapfen mit der Taumelscheibe gekoppelten Stützgabel, deren Rotationsachse der Rotationsachse der Eingangswelle perpendikulär angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangswelle und die Schwingungswelle zueinander rechteckig gekreuzt montiert sind, die Schwingungswelle einen Kipphebel aufweist, und auf der Taumelscheibe mit Rotationsmöglichkeit die sich mit der Kurbelachse rechtwinklig kreuzende rohrförmige Leitschiene mit der in ihr angeordneten und mit dem Kipphebel ein Schwing-Hub-Paar bildende Kugelrolle angeordnet ist.