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Die Erfindung bezieht sich auf ein stufenloses Getriebe mit zwei entgegengesetzt gerichteten Kegeln.
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Ein derartiges Getriebe oder auch Kegelringgetriebe ist z. B. in der
EP 2 137 433 B1 beschrieben.
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Zwei entgegengesetzt gerichtete Kegel sind parallel und auf Abstand zueinander ausgerichtet. Der zwischen ihnen verlaufende Spalt weist über die Länge der Kegel eine gleich bleibende Höhe auf. In diesem Spalt befindet sich ein Reibring, der in dem Spalt verschiebbar ist, so dass die Momentübertragung zwischen den Kegeln veränderbar ist.
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Bei einer anderen Art von stufenlosen Getrieben wird über einen Keilriemen das Drehmoment zwischen zwei im Durchmesser veränderbaren Scheiben hergestellt. Jede Scheibe besteht aus zwei gegeneinander verstellbaren flachen Kegeln. Sind die Kegel eng zusammengestellt, so läuft der Keilriemen am Rand der beiden Kegel, so dass die von den beiden Kegeln gebildete Scheibe einen großen Durchmesser realisiert. Im umgekehrten Fall, wenn die Kegel auseinander gestellt sind, läuft der Keilriemen nahe ihrer Achse, so dass die beiden Kegel eine Scheibe mit einem geringen Durchmesser realisieren.
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In beiden Fällen liegt ein Übertragungsglied vor, nämlich entweder ein Reibring bzw. der Keilriemen. Der Verstellmechanismus zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses ist fliehkraftgesteuert.
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Die Erfindung beruht auf der Aufgabe, den Übertragungsmechanismus konstruktiv zu vereinfachen und darüber hinaus so einzurichten, dass er lastabhängig gesteuert werden kann.
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Zur Lösung des Problems sieht die Erfindung vor, dass die Mantelfläche zumindest eines der Kegel verformbar ist, dass jede Mantellinie zumindest dieses oder des anderen Kegels konvex gekrümmt verläuft und dass der eine Kegel gegenüber dem anderen Kegel in axialer Richtung verschiebbar gelagert ist.
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Unter einer Mantellinie versteht man eine Linie, die in der Mantelfläche von der Spitze des Kegels zu seinem Fuß verläuft und die in einer Ebene mit der Achse des Kegels liegt.
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Durch die konvex gekrümmte Form des einen oder anderen Kegels berühren sich die Kegel nicht über eine ganze Mantellinie, sondern nur in einem Kontaktpunkt, der in der praktischen Ausführung des Getriebes eine kleine Ausdehnung aufweist, diefür die hier vorgenommene theoretische Betrachtung als punktförmig angenommen werden kann. Das Verhältnis der Durchmesser der Kegel im Kontaktpunkt ist das Übersetzungsverhältnis des aus den beiden Kegeln gebildeten Getriebes.
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Aus der Verformbarkeit des einen Kegels resultiert, dass die beiden Kegel in axialer Richtung gegeneinander verschiebbar sind, wobei bei einer Verschiebung des einen Kegels die verformbare Mantelfläche nachgibt, wodurch sich der Kontaktpunkt zwischen den beiden Kegeln entlang der Mantellinie verschiebt, so dass sich das Übersetzungsverhältnis zwischen den Kegeln ändert.
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Ein solches Getriebe bedarf keines Übertragungsgliedes, da die Kegel unmittelbar aneinander gelegt werden können, wobei sich durch die konvexe Krümmung des zumindest einen Kegels jeweils ein bestimmter Kontaktpunkt ergibt, der – je nach axialer Lage der Kegel zueinander – entlang der Mantellinie verschoben ist.
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Des Weiteren lässt sich dieses Getriebe lastabhängig steuern, da die Last als Axialkraft auf den axial verschiebbaren Kegel geleitet werden kann, der dadurch gegenüber dem anderen Kegel axial verschoben wird, wobei sich wegen der Nachgiebigkeit zumindest einer der Mantelflächen der Kontaktpunkt zwischen den beiden Kegeln verlagert und sich damit das Übersetzungsverhältnis lastabhängig ändert.
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Da zumindest die Mantellinie eines Kegels konvex gekrümmt verläuft, umfasst der Begriff Kegel hier nicht nur Kegel, die eine gerade Mantellinie haben, sondern auch diejenigen, deren Mantellinie gekrümmt verläuft, deren Mantelflächen somit eine ballige Form haben.
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Die Verformbarkeit der Mantelfläche ist so gestaltet, dass bei dem Kegel mit einer verformbaren Mantelfläche bei einem von außen auf einen Punkt seiner Mantellinie ausgeübten Druck der Winkel der Tangente am Druckpunkt und der Achse des Kegels verkleinert wird.
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Dies lässt sich am einfachsten dadurch realisieren, dass der Kegel, dessen Mantelfläche verformbar ist, ein Hohlkegel ist. Dies bedeutet, dass sich zwischen einem schräg gestellten Kragen am Kegel, der außen die Mantelfläche trägt, und dem Zentrum des Kegels ein Hohlraum befindet, so dass der Kragen bei einem Druck von außen gegen das Zentrum bewegt werden kann.
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Da die Kegel in dieser Ausführung nicht nur Umfangskräfte übertragen, sondern auf sie auch Axialkräfte abgestützt werden, ist es notwendig, dass wenigstens ein Kegel mittels eines Radial- und eines Axiallagers in einem Träger gelagert ist. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um den Eingangskegel.
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Zur lastabhängigen Steuerung ist vorgesehen, dass der andere Kegel, der vorzugsweise als Ausgangskegel dient, in axialer Richtung von einem Drehmoment-Linearkraftwandler belastet ist, wobei der Wandler das Drehmoment des Ausgangskegels aufnimmt.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem Drehmoment-Linearkraftwandler um einen Kugelgewindetrieb.
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Besonders einfach lässt sich dies realisieren, wenn die Spindel des Kugelgewindetriebes von der Welle eines der Kegel vorzugsweise von der Ausgangswelle des Getriebes gebildet ist.
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Die Nuss des Kugelgewindetriebes dient als Kraftübertragungsglied, das sich an der Spindel abdrückt und damit z. B. auf den Schaft des Ausgangskegels eine Stellkraft ausübt.
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Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet eines solchen stufenlosen Getriebes ist eine von einem Elektromotor betätigte hydraulische Bremsanlage, wobei der Elektromotor über Drehmomentlinearkraftwandler auf einen Kolben eines hydraulischen Bremsdruckgebers einwirkt. Das stufenlose Getriebe wird dabei in den Kraftfluss zwischen dem Motor und dem Drehmomentlinearkraftwandler eingesetzt. Dieses Getriebe wird vorzugsweise so ausgeführt, wie es oben erläutert worden ist.
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Im Folgenden wird anhand eines Ausführungsbeispieles die Erfindung näher erläutert. Dazu zeigen:
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1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Getriebe,
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2 eine vergrößerte Darstellung aus 1,
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3a–c verschiedene Stellungen des Getriebes, je nachdem, welche axiale Position die beiden Kegel zueinander einnehmen.
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Es wird zunächst auf die 1 Bezug genommen. Diese zeigt einen Träger 1, in dem parallel zueinander zwei Lagerbohrungen 2, 3 angeordnet sind.
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In der oberen Lagerbohrung 2 befindet sich eine in einem nicht näher dargestellten radialen Lager gelagerte Eingangswelle 4. Diese besitzt einen Kragen 5, der über ein nicht näher dargestelltes Axiallager an einer Seitenfläche des Trägers 1 anliegt.
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An der dem Träger 1 abgewandten Seite des Kragens 5 besitzt die Eingangswelle 4 einen Kopf in Form eines Kegels 6, der rotationssymmetrisch zur Achse der Eingangswelle 4 ausgebildet ist. Die Mantelfläche des Kegels 6 verläuft nicht gerade, sondern ist, wie die vergrößerte Ansicht in 2 zeigt, ballig ausgeführt, das heißt, dass jede Mantellinie 7 über einer gedachten geraden Verbindungslinie 8 zwischen der Spitze und dem Fuß des Kegels 6 nach außen konvex gewölbt ist, wobei die Höhe über der gedachten geraden Verbindungslinie 8 in der Mitte des Kegels 6 am größten ist.
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Die Rückseite des Kegels 6, also seine Basisfläche, weist dieselbe Orientierung auf wie die Mantelfläche. Dadurch bildet sich ein Hinterschnitt 9, der es erlaubt, dass der elastisch ausgeführte Kegel 6, wenn auf seine Mantelfläche ein axialer Druck ausgeübt wird, gegen die Achse der Eingangswelle 4 gedrückt wird, so dass sich die Mantellinie 7 verformt und ein wenig steiler stellt, was in der 2 strichpunktiert angedeutet ist.
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Eine Ausgangswelle 10, die einen Ausgangskegel 11 des Getriebes trägt, ist in der unteren Lagerbohrung 3 in einem nicht näher dargestellten Radiallager radial gelagert. Der Ausgangskegel 11 wird von einer Verdickung der Ausgangswelle 10 gebildet. Eine Stirnfläche, die dem Eingangskegel 6 gegenüber liegt, verläuft schräg, so dass sie die Mantelfläche des Ausgangskegels 11 bildet.
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Der über die Verdickung herausragende Teil der Welle 10 ist als Spindel 12 ausgeführt. Da die Mantellinie des Ausgangskegels 11 gerade verläuft und die des Eingangskegels 6 gekrümmt, liegen die beiden Kegel 6, 11 nicht flächig aneinander an, sondern – wie die 2 deutlich zeigt – in einem Kontaktpunkt 13.
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Wird nun auf die Welle 10 des Ausgangskegels 11 eine Axialkraft in Richtung des dargestellten Pfeils 14 ausgeübt, so drückt der Ausgangskegel 11 gegen den Eingangskegel 6, dessen Mantelfläche wegen der Elastizität des Eingangskegels 6 gegen die Achse der Welle kippt, so dass die Mantelfläche schräger gestellt wird.
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Damit wandert der Kontaktpunkt 13 auf der Mantelfläche der Eingangswelle 4 weiter zur Spitze des Eingangskegels 6 zum Kontaktpunkt 13 und damit näher an die Achse der Eingangswelle 4, so dass sich das Übertragungsverhältnis zwischen den Kegeln 6, 11 ändert. Die auf die Ausgangswelle 10 ausgeübte Axialkraft, die am Eingangskegel 6 abgestützt wird, bestimmt somit das Übersetzungsverhältnis. Das Übersetzungsverhältnis des Getriebes ist somit lastabhängig.
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In den 3a, b, c sind drei typische Situationen dargestellt. Die 3a zeigt das Verhältnis bei einer geringen oder keinen Last. Der Abstand des Kontaktpunktes 13 zur Achse der Ausgangswelle 10 ist sehr viel kleiner als der Abstand des Berührungspunktes zur Achse der Eingangswelle 4.
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Wird eine stärkere Axialkraft auf die Ausgangswelle 10 ausgeübt, so wandert der Kontaktpunkt 13 in einen mittleren Bereich der Kegel 6, 11. Es ergibt sich die in der 3b dargestellte Situation. Das Übersetzungsverhältnis ist in etwa 1:1.
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Ein umgekehrtes Übersetzungsverhältnis ist in der 3c dargestellt. Durch die ausgeübte Axialkraft ist der Eingangskegel 6 so weit gegen seine Achse gedrückt, dass die Basiskante des Ausgangskegels 11 am oberen Rand des Eingangskegels anliegt.
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Wie man sieht, braucht sich die Winkelstellung der konvexen Mantellinie zur Achse der Eingaswelle kaum zu ändern, um eine deutliche Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes zu erreichen. Der Eingangskegel besteht daher aus einem Material mit einem hohen Elastizitätsmodul.
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Ein solches Getriebe kann z. B. bei einer elektromotorisch betätigten hydraulischen Bremse genutzt werden. Dazu befindet sich auf der Spindel 12 eine hier nicht näher dargestellte Nuss eines Kugelgewindegetriebes. Bei der Drehung der Ausgangswelle 10 verschiebt sich diese auf der Spindel 12 und übt eine Kraft auf den Kolben eines Radbremszylinders aus. Der dadurch erzeugte Druck im Radbremszylinder erhöht die Axialkraft auf die Ausgangswelle 10, was wiederum zur Folge hat, dass sich das Übersetzungsverhältnis – wie mit den 3a–c erläutert – verändert.
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Dies hat den Vorteil, dass das maximale Drehmoment, das der Elektromotor liefert, klein gewählt werden kann. Bei einem geringen Übersetzungsverhältnis, wie es in der 3a dargestellt ist, dreht sich die Ausgangswelle sehr viel schneller als die Eingangswelle, so dass der Bremskolben verschoben wird, wodurch die Leerwege der Bremse zunächst rasch überwunden werden können.
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Wenn ein leichter Druck in der Bremse aufgebaut worden ist, verschiebt sich das Übersetzungsverhältnis, so dass auch bei einem Eingangsmoment ein etwa gleicher Ausgangsmoment geliefert wird (sieh 3b), mit dem ein ausreichender Bremsdruck aufgebaut werden kann.
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Bei einem hohen Bremsdruck ist das Übersetzungsverhältnis gem. der 3c am größten, so dass das Drehmoment an der Ausgangswelle, die dem maximal zu erreichenden Bremsdruck in der Radbremse entspricht, einem kleineren Drehmoment des Elektromotors entspricht. Der Elektromotor kann daher so ausgelegt werden, dass er maximal nur dieses Drehmoment zur Verfügung stellen braucht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Träger
- 2
- Lagerbohrungen
- 3
- Lagerbohrungen
- 4
- Eingangswelle
- 5
- Kragen
- 6
- Eingangskegel
- 7
- Mantellinie
- 8
- Verbindungslinie
- 9
- Hinterschnitt
- 10
- Ausgangswelle
- 11
- Ausgangskegel
- 12
- Spindel
- 13
- Kontaktpunkt
- 14
- Pfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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