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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Stufenplanetengetriebe, umfassend wenigstens eine erste Sonne, ein koaxial zu der ersten Sonne angeordnetes Hohlrad und einen koaxial zu dem Hohlrad angeordneten Steg, auf dem erste Planeten drehbar gelagert sind, die jeweils zwei Axialabschnitte aufweisen, deren erster eine Verzahnung ersten Durchmessers trägt, die mit einer korrespondierenden Verzahnung der ersten Sonne kämmt, und deren zweiter einen von dem ersten Durchmesser verschiedenen Durchmesser aufweist und an der Innenseite des Hohlrades abwälzt.
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Stand der Technik
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Stufenplanetengetriebe sind dem Fachmann seit langem bekannt. Sie folgen dem grundsätzlichen Aufbau eines Planetengetriebes, unterscheiden sich von diesen aber dadurch, dass die Planeten mehrere, insbesondere zwei Axialabschnitte unterschiedlichen Durchmessers aufweisen. Diese Mehrstufigkeit kann auf unterschiedliche Weise ausgenutzt werden. So ist es bekannt, dass Sonne und Hohlrad an unterschiedlichen Axialabschnitten der Planeten angreifen. Ebenso ist es bekannt, dass ein Hohlrad und mehrere Sonnen vorgesehen sind, wobei die Sonnen an unterschiedlichen Axialabschnitten der Planeten angreifen. Bei der typischen Ausführungsform eines Stufenplanetengetriebes ist die Sonne wie beim herkömmlichen Planetengetriebe als ein zentrales Sonnenrad ausgebildet. Es sind jedoch auch Ausführungsformen bekannt, bei denen wenigstens eine Sonne als sogenannte Außensonne hohlradförmig ausgebildet ist. In vielen Fällen wird dabei auch von einem „zweiten Hohlrad“ gesprochen. Im Kontext der vorliegenden Beschreibung sei unter „Sonne“ jedoch sowohl die Bauform eines zentralen Sonnenrades als auch die Bauform einer hohlradförmigen Außensonne verstanden. Üblicherweise erfolgt die Momentenübertragung innerhalb des Getriebes mittels Formschluss, d.h. das Abwälzen der beteiligten Räder aneinander erfolgt über miteinander kämmende Verzahnungen. Insbesondere im Kontext stufenlos variierbarer Getriebe (CVT-Getriebe) sind auch kraftschlüssige Momentenübertragungen bekannt. Aus der
DE 10 2013 015 210 A1 bspw. ist ein stufenloses Getriebe für sogenannte E-Bikes bekannt, bei denen doppelkegelförmige Planeten kraftschlüssig einerseits an der Außenseite eines die Sonne bildenden ersten Rollrings und andererseits an der Innenseite eines das Hohlrad bildenden zweiten Rollrings abwälzen.
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Aufgabenstellung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein alternatives Getriebekonzept zur Verfügung zu stellen, welches die Übertragung bis hin zu großen Drehmomenten ermöglicht.
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Darlegung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die zweiten Axialabschnitte der ersten Planeten als Kegelreibradabschnitte ausgebildet sind und das Hohlrad als ein axial verschieblicher Rollring ausgebildet ist. Der große Rollringdurchmesser minimiert die zur Drehmomentübertragung erforderlichen Kontaktkräfte und führt durch die konstruktive Realisierbarkeit größerer Krümmungsradien zu kleineren Flächenpressungen im kraftschlüssigen Reibkontakt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Es ist der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung, die Vorteile des kompakt bauenden Stufenplanetengetriebes mit den Vorteilen eines CVT-Getriebes zu verbinden. Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, einen der beiden Axialabschnitte der Planeten in nahezu herkömmlicher Weise als außenverzahnten Verzahnungsabschnitt zu gestalten und den anderen als Kegelreibradabschnitt auszubilden. Die Funktion des ersten Axialabschnitts ist es dabei, mit einer ebenfalls verzahnten Sonne zu kämmen, um hier Drehmoment formschlüssig zu übertragen. Die Aufgabe des zweiten Axialabschnitts ist es hingegen, kraftschlüssig an einem als Rollring ausgebildeten Hohlrad abzuwälzen und dabei Drehmoment kraftschlüssig zu übertragen. Der Rollring ist zudem axial verschieblich, sodass der effektive Wirkdurchmesser, mit welchem der zweite Planeten-Axialabschnitt mit dem Rollring wechselwirkt kontinuierlich verstellbar ist. Es resultiert ein kompakt bauendes, kontinuierlich variierbares Getriebe mit großer Spreizung.
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Um die erzielbare Spreizung weiter zu erhöhen, kann vorgesehen sein, dass eine zweite Sonne koaxial zu der ersten Sonne angeordnet ist und auf dem Steg zweite Planeten drehbar gelagert sind, die ebenfalls jeweils zwei Axialabschnitte aufweisen, deren erster eine mit einer korrespondierenden Verzahnung der zweiten Sonne kämmende Verzahnung des ersten Durchmessers trägt und deren zweiter als ein an der Innenseite des Rollrings abwälzender Kegelreibradabschnitt ausgebildet ist, wobei die zweiten Planeten auf dem Steg axial gegensinnig und in Umfangsrichtung abwechselnd mit den ersten Planeten angeordnet sind. Diese Anordnung entspricht einer Verdopplung des oben erläuterten erfindungsgemäßen Getriebes, wobei die Planeten in besonders bauraumgünstiger Weise geschachtelt angeordnet sind und wobei der Rollring und der Steg von beiden funktionalen Getrieben gemeinsam genutzt werden. Durch eine an den Einzelfall angepasste Dimensionierung der Durchmesser, Winkel und Längen der Getriebeelemente lässt sich eine besonders bauraumsparende, wirkungsgradgünstige, große Spreizung realisieren, innerhalb derer einzelne Übersetzungsgrade stufenlos ansteuerbar sind. Der Fachmann wird verstehen, dass der Begriff des „ersten Durchmessers“ hier nur zum Zwecke der Zuordnung zu dem verzahnten ersten Abschnitt der Planeten gewählt wurde und keinesfalls besagt, dass die entsprechende Größe bei beiden Arten von Planeten, nämlich ersten und zweiten Planeten, gleich sein muss.
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Wie erläutert erfolgt die stufenlose Verstellung der Übersetzung durch eine Axialverschiebung des Rollrings. Damit dieser in sämtlichen Axialstellungen mit seiner Innenseite an den Mantelflächen aller Kegelreibradabschnitte aller Planeten anliegen kann, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Planeten relativ zur Getriebeachse jeweils in einem Winkel gelagert sind, der dem halben Kegel-Öffnungswinkel ihres zweiten Axialabschnittes, d.h. ihres Kegelreibradabschnittes, entspricht. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Planeten so angeordnet sind, dass ihre im Getriebe radial außen liegenden Mantellinien parallel zur Hauptachse des Getriebes verlaufen.
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Das hat jedoch zur Folge, dass die ersten Axialabschnitte der Planeten, d.h. ihre Verzahnungsabschnitte, die koaxial zur Planetenachse liegen, ebenfalls winklig zur Getriebeachse angeordnet sind. Andererseits ist die jeweilige Sonne, mit der die Verzahnungsabschnitte der Planeten kämmen, koaxial zur Getriebeachse ausgerichtet. Zur Überbrückung dieser Diskrepanz kann daher vorgesehen sein, dass jede Sonne und/oder die korrespondierenden ersten Axialabschnitte der zugeordneten Planeten korrespondierend konisch ausgebildet sind. Hier sind unterschiedliche Varianten denkbar. In einem ersten, grundsätzlich bevorzugten Fall sind die Verzahnungsabschnitte der Planeten stirnradförmig ausgebildet, d.h. die von den Zahnkronen aufgespannte Stirnfläche des ersten Axialabschnitts hat die Form eines Zylinders. In diesem Fall hat dann allein die Sonne konisch ausgestaltet zu sein. Handelt es sich bei der Sonne um ein zentrales Sonnenrad, ist dieses in Form eines Kegelzahnrades ausgebildet. Handelt es sich hingegen um eine hohlradartige Außensonne ist diese als Hohlkegelzahnrad ausgebildet. Denkbar ist auch der umgekehrte Fall, in dem die Sonne als Stirnrad bzw. als nicht-konische Außensonne ausgebildet ist, während der Verzahnungsabschnitt der Planeten als Kegelzahnrad gestaltet ist. Zwischen diesen grundlegenden Fällen sind auch Kombinationen möglich, d.h. sowohl Sonne als auch Planeten-Verzahnungsabschnitt sind passend zueinander konisch ausgestaltet.
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Wie erwähnt, wird die erstgenannte Variante mit stirnradförmigem Verzahnungsabschnitt als besonders vorteilhaft angesehen. Dies liegt daran, dass bei dieser Bauform während des Abwälzens von Sonnen- und Planeten-Verzahnungsabschnitten aneinander keine auf den Planeten wirkende Axialkraft entsteht. Die durch die Kegelverzahnung entstehenden Axialkräfte wirken vielmehr allein auf die Sonnen und können durch entsprechende Lagergestaltung abgestützt werden.
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Allerdings ist es nicht grundsätzlich unerwünscht, auf die Planeten wirkende Axialkräfte mittels einer Schrägverzahnung zu erzeugen. Im Gegenteil wird eine in Richtung jeweils vom ersten zum zweiten Axialabschnitt gerichtete, auf die Planeten wirkende Axialkraft als günstig angesehen. Diese in Richtung von der Kegelbasis zur Kegelspitze wirkende Axialkraft würde zu einer zusätzlichen Anpressung der Kegelmantelflächen an die Innenseite des Rollrings führen, was hinsichtlich des momentenübertragenden Kraftschlusses wünschenswert wäre. Zur Erreichung dieses Ziels sind insbesondere zwei Maßnahmen denkbar, die allein oder in Kombination Einsatz finden können.
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Die erste Maßnahme sieht vor, dass jede Sonne und die mit ihr kämmenden ersten Axialabschnitte der zugeordneten Planeten derart schrägverzahnt sind, dass sich im Fall der Drehmomentübertragung eine auf die Planeten wirkende Axialkraft in Richtung von deren jeweils erstem zu ihrem jeweils zweiten Axialabschnitt ergibt. Man beachte, dass der Begriff der Schrägverzahnung hier klar vom Begriff der Kegel- oder konischen Verzahnung zu unterscheiden ist. Dem Fachmann sind die Zusammenhänge zwischen Durchmesser, Schrägverzahnungswinkel und Rotationsrichtung und -geschwindigkeit klar, sodass er eine entsprechende Auslegung der Schrägverzahnung zur Erzielung der gewünschten Axialkraft vornehmen kann. Als weitere, alternative oder zusätzliche Maßnahme ist es möglich, dass die Planeten in Richtung von ihrem jeweils ersten zu ihrem jeweils zweiten Axialabschnitt federvorgespannt sind. Der Fachmann wird verstehen, dass sich die Erzeugung der erläuterten Axialkräfte zur Anpressung der Planeten an den Rollring dann als besonders vorteilhaft erweist, wenn die Planeten mit Axialspiel am Steg gelagert sind. Dies ist daher bei der bevorzugten Ausführungsform auch so vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine hydraulische Anpressung zur Umsetzung der erforderlichen Anpresskräfte eingesetzt werden.
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Es ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt, dass beim Betrieb eines Planetengetriebes typischerweise eine Getriebewelle als Eingangs- und eine andere Getriebewelle als Ausgangsgetriebewelle wirkt, wobei die dritte Getriebewelle zur Abstützung des Momentes bzw. zur Einleitung eines additiven Momentes benötigt wird. Diese Aufgaben sind unter den Getriebewellen, nämlich Sonne, Steg und Hohlrad, grundsätzlich beliebig verteilbar. Bei dem erfindungsgemäßen Getriebe haben sich jedoch bestimmte Strukturen als besonders vorteilhaft erwiesen.
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So ist bei einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Rollring drehfest und axial verschieblich in einer festen Basisstruktur, bspw. einem Getriebegehäuse, gelagert ist, wobei jede Sonne und der Steg relativ zu der Basisstruktur und relativ zueinander drehbar gelagert sind. Bei Varianten mit nur einem Satz erster Planeten auf dem Steg kann das Moment bei dieser Ausführungsform über den Steg eingeleitet werden. Durch die Rotation des Steges wälzen die Kegelreibradabschnitte am Rollring ab, was zu einer drehzahlgleichen Rotation der Verzahnungsabschnitte führt. Da die Verzahnungsabschnitte mit der drehbar gelagerten Sonne insbesondere in Form eines zentralen Sonnenrades, kämmen, wird das Moment in übersetzter Form auf die Sonne übertragen, die zugleich als Ausgangswelle wirkt.
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Sind auf dem Steg jedoch zwei Sätze erster und zweiter Planeten, von denen die ersten Planeten über ihren Verzahnungsabschnitt mit einer ersten Sonne und die zweiten Planeten über ihren Verzahnungsabschnitt mit einer zweiten Sonnen kämmen, auf dem Steg gelagert, ist die Funktionsweise komplexer. Hier wird das Moment über die erste Sonne eingeleitet. Über ihren Zahneingriff mit dem Verzahnungsabschnitten der ersten Planeten versetzt sie diese in Rotation. Durch den Kraftschluss der Kegelreibradabschnitte der ersten Planeten mit dem Rollring führt die Planetenrotation zu einer Rotation des Stegs, auf dem auch die zweiten Planeten gelagert sind und entsprechend mitrotieren. Durch das Abwälzen ihrer Kegelreibradabschnitte am Rollring werden auch die Verzahnungsabschnitte der zweiten Planeten in eine drehzahlgleiche Rotation versetzt. Auf Grund des Zahneingriffs mit der zweiten Sonne wird das Moment in übersetzter Form auf die zweite Sonne übertragen, die zugleich als Ausgangswelle wirkt.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Rollring drehfest und axialverschieblich in einer relativ zu einer festen Basisstruktur drehbar gelagerten Lagerstruktur gelagert ist, die erste Sonne relativ zu der Basisstruktur fixiert ist und der Steg relativ zu der Lagerstruktur und relativ zu der Basisstruktur drehbar gelagert ist. Bei dieser Variante, die Fällen mit nur einem Satz erster Planeten auf dem Steg und entsprechend nur einer ersten Sonne vorbehalten ist, wirkt also die erste Sonne als momentenabstützende Welle. Die Einleitung des Momentes kann über den Steg erfolgen. Die Rotation des Steges bei festgehaltener Sonne führt auf Grund der Verzahnung zwischen Sonne und Verzahnungsabschnitt zu einer Rotation der Planeten um ihre jeweilige Planetenachse. Auf Grund des Kraftschlusses mit dem drehbeweglich gelagerten Rollring wird das Moment in übersetzter Form auf diesen übertragen, sodass die Lagerstruktur in welcher der Rollring drehfest (jedoch axial verschieblich) gelagert ist, drehzahlgleich rotiert.
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Diese Variante kann zum Aufbau eines stufenlosen Nabengetriebes genutzt werden. Als feste Basisstruktur wird hier beispielsweise die Radachse genutzt, welche über geeignete Elemente das Drehmoment am Fahrradrahmen abstützt. Als hierzu drehbewegliche Lagerstruktur dient eine Nabenhülse, die über Speichen drehfest mit einer Radfelge verbunden sein kann.
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In einer anderen Ausführungsform kann die erläuterte Variante als Tretlagergetriebe mit einer Tretkurbel genutzt werden. Als feste Basisstruktur dient hier das Tretlagergehäuse. Die hierzu drehbewegliche Lagerstruktur, in welcher der Rollring drehfest und axialverschieblich gelagert ist, kann als eine Hohlwelle ausgebildet sein, die ein Ausgangsrad trägt, welches z.B. das Kettenblatt eines Tretrades oder ein Koppelrad zu einer nachgelagerten Getriebestruktur bildet. Die Momenteneinleitung erfolgt über die erste Sonne, welche insbesondere mit der Tretkurbelwelle verbunden sein kann.
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Die vorgenannten Ausführungsformen bezogen sich insbesondere auf eine Ausgestaltung der ersten Sonne als zentrales Sonnenrad. Denkbar ist jedoch auch die Ausgestaltung der ersten Sonne als hohlradförmige Außensonne, die an der festen Basisstruktur fixiert ist. Die besondere Wirkung dieser Maßnahme ist es, dass bei geeigneter Dimensionierung eine Axialstellung des Rollrings existiert, in der der zur Getriebehauptachse senkrechte Abstand zwischen der Planetenachse und dem Kraftschlusspunkt mit dem Rollring, d.h. der effektive Kegelreibraddurchmesser, gleich dem effektiven Durchmesser des Planeten-Verzahnungsabschnitts, d.h. gleich dem zur Planetenachse senkrechten Abstand zwischen Planetenachse und Zahneingriff mit der Außensonne, ist. In dieser Stellung, die typischerweise der Extremstellung des Rollrings in Richtung der Kegelbasis des Kegelreibradabschnittes entspricht, befindet sich der Getriebeabtrieb im Stillstand. Mit anderen Worten steht die Lagerstruktur relativ zur Basisstruktur still, obgleich der als Eingangswelle dienende Steg rotiert. Geringfügige Verschiebung führt zu einem langsamen „Anfahren“. Ein solches Getriebe erscheint insbesondere im Zusammenhang mit einem verbrennungsmotorischen Antrieb sinnvoll.
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Schließlich hat sich noch eine Ausführungsform als günstig erwiesen, bei der, wie oben bereits erläutert, zwei Sätze von Planeten mit jeweils zugeordneter Sonne vorgesehen sind, wobei jedoch beide Sonnen als hohlradförmige Außensonnen ausgebildet sind, und wobei die erste Sonne drehfest mit einer ersten Basisstruktur verbunden ist und der Steg, der Rollring und die zweite Sonne relativ zu der Basisstruktur und relativ zueinander drehbar gelagert sind. Als Eingangswelle einer solchen Getriebestruktur dient bevorzugt der Steg. Die vom Steg mitgenommenen ersten Planeten werden auf Grund ihrer Verzahnung mit der festgehaltenen ersten Außensonne in Rotation um ihre Planetenachse versetzt. Der Kraftschluss mit dem Rollring führt zu einer Rotation des Rollrings relativ zur Basisstruktur. Die zweiten Planeten werden einerseits ebenfalls vom Steg zu einer Rotation um die Getriebehauptachse mitgenommen, andererseits werden sie durch den rotierenden Rollring zu einer Rotation um ihre Planetenachse angetrieben. Diese Rotation setzt sich drehzahlgleich auf den Verzahnungsabschnitt fort, der mit der zweiten Außensonne kämmt, die ihrerseits als Ausgangswelle dient. Auf Grund der Ausgestaltung der Sonnen als Außensonnen lässt sich bei geeigneter Dimensionierung analog der obigen Erläuterung eine Axialstellung des Rollrings finden, in der der angetriebene Steg rotiert, die zweite Außensonne als Ausgangswelle jedoch still steht. Anders als bei der oben erläuterten Ausführungsform mit nur einem Planetensatz und nur einer Sonne befindet sich diese Leerlaufstellung nicht an einem axialen Ende der Kegelreibradabschnitte, sondern vergleichsweise zentral, sodass beidseitig dieser Leerlaufstellung ansteuerbare Axialstellungen für den Rollring existieren. Diese führen jedoch zu unterschiedlichen Drehrichtungen der Ausgangswelle. Die erläuterte Getriebestruktur ermöglicht also bei gleichbleibender Drehzahl und Drehrichtung an der Eingangswelle einen stufenlosen Übergang von einer positiven Drehung an der Ausgangswelle über einen Stillstand an der Ausgangswelle zu einer negativen Drehung der Ausgangswelle. Im Fall eines verbrennungsmotorischen Antriebs lässt sich auf diese Weise ein sehr fein reguliertes Rangieren bspw. schweren Gerätes ermöglichen. Im Fall eines biomechanischen Antriebes, wie etwas bei einem Tretrad, lässt sich ohne Umkehr in ein biomechanisch ungünstiges Rückwärtstreten vorwärts und rückwärts fahren, was insbesondere bei drei- oder mehrrädrigen Treträdern wie bspw. Rikschas, Lasten- oder Behindertenrädern vorteilhaft sein kann.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Getriebes,
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2: ein Ersatzschaltbild des Getriebes von 1,
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3: eine geschnittene Konstruktionsdarstellung des Getriebes von 1,
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4: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Getriebes,
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5: ein Ersatzschaltbild des Getriebes von 4,
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6: eine schematische Darstellungsform einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Getriebes,
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7: eine schematische Darstellungsform einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Getriebes,
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8: eine schematische Darstellungsform einer fünften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Getriebes,
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9: eine schematische Darstellungsform einer sechsten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Getriebes und
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10: ein Ersatzschaltbild des Getriebes von 9.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche oder analoge Elemente hin.
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Die 1 bis 3 zeigen in unterschiedlichen Darstellungsweisen eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Getriebes 10. 2 zeigt dabei in Form eines Ersatzschaltbildes eines Stufenplanetengetriebes die Grundstruktur. Die 1 und 3 offenbaren hingegen die erfindungsgemäßen Aspekte, mittels welcher die Grundstruktur von 2 ergänzt wurde.
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2 zeigt ein Stufenplanetengetriebe 10 mit einer als zentrales Sonnenrad ausgebildeten ersten Sonne 12, einem an einer nicht näher dargestellten Basis 14, bspw. einem Getriebegehäuse, festgelegten Hohlrad 16 und einem Steg 18, auf dem ein Satz Stufenplaneten 20 drehbar gelagert sind. Die Stufenplaneten 20 weisen jeweils einen ersten Axialabschnitt 22 ersten Durchmessers und einen zweiten Axialabschnitt 24 zweiten Durchmessers auf. Der erste Axialabschnitt 22 kämmt mit der Sonne 12, der zweite Axialabschnitt 24 rollt im Hohlrad 16. Bei Einleitung eines Drehmomentes über den Steg 18 wird dieses gemäß der Standübersetzung des Getriebes 10 übersetzt und an die als Ausgangswelle wirkende erste Sonne 12 übertragen.
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Bei der in den 1 und 3 dargestellten, erfindungsgemäßen Ausgestaltung dieser Grundform ist das Hohlrad 16 als ein Rollring ausgebildet, der, wie durch den Verschiebepfeil 161 angedeutet, axial verschieblich, dabei jedoch drehfest mit der Basis 14 gelagert ist. Details eines Verschiebemechanismus sind in 1 nicht dargestellt. In 3 ist hingegen eine Gewindehülse 162 gezeigt, die ein Innengewinde 163 trägt, in welches ein korrespondierendes Außengewinde des Rollrings 164 eingreift. Durch bspw. motorisch initiierte Rotation der Gewindehülse 162 lässt sich somit der Rollring 16 axial verschieben. Bei der Darstellung von 3 sind insgesamt sechs Planeten über den Umfang des Stegs verteilt. Bei anderen Ausführungsformen können auch andere Anzahlen von Planeten gewählt werden, wodurch eine andere Aufteilung der Kontaktkräfte bewirkt wird.
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Der Steg 18 trägt einen Satz Stufenplaneten 20, deren erster Axialabschnitt 22 als stirnradartiger Verzahnungsabschnitt ausgebildet ist. Der zweite Axialabschnitt 24 ist hingegen als ein Kegelreibradabschnitt ausgebildet, dessen radial äußere Mantellinie an der Innenseite des Rollrings 16 anliegt. Hierzu ist die Planetenachse 201 relativ zur Getriebeachse, bspw. repräsentiert durch die Achse des Stegs 18, schräg gestellt. Die Planeten 20 sind mit axialem Spiel im Steg 18 gelagert und durch eine Vorspannfeder 26 in Richtung von ihrem ersten zum zweiten Axialabschnitt 22, 24 bzw. in Richtung von der Kegelbasis zur Kegelspitze des zweiten Axialabschnitts 24 federvorgespannt. Hierdurch ergibt sich eine Anpressung der radial äußeren Mantellinie des Kegelreibradabschnitts an die Innenseite des Rollrings 16.
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Der Verzahnungsabschnitt 22 kämmt mit einer korrespondierenden Verzahnung der Sonne 12. Um den Winkel der Planetenachse 201 auszugleichen, ist die Sonne 12 als Kegelrad ausgestaltet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Verzahnungen des Verzahnungsabschnitts 22 und der Sonne 12 schrägverzahnt ausgestaltet, sodass sich zusätzlich zu der von der Vorspannfeder 26 erzeugten Vorspannkraft eine verstärkte Anpresskraft des Kegelreibradabschnitts 24 an den Rollring 16 ergibt.
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Bei Einleitung eines Momentes über den Steg 18 wälzen die Kegelreibradabschnitte 24 am drehfesten Rollring 16 ab. Die Rotationsgeschwindigkeit der Planeten 20 um die Planetenachsen 201 hängt dabei auch von der Axialstellung des Rollrings 16 ab. Die Verzahnungsabschnitte 22 rotieren dabei drehzahlgleich um die Planetenachsen 201 und übertragen diese Rotation auf die Sonne 12, die als Ausgangswelle wirkt. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform trägt die Welle der Sonne 12 ein Ausgangsritzel 28.
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Ein derartiges Getriebe eignet sich z.B. als Tretlagergetriebe eines Tretrades. Dabei ist der Steg beidseitig mit Tretkurbeln verbunden. Das Ausgangsritzel 28 kann, wie bspw. in 3 angedeutet, ein Kettenblatt sein. Denkbar ist es jedoch auch, dass das Ausgangsritzel 28 lediglich ein Kopplungselement zu weiteren, nicht dargestellten Getriebeabschnitten ist.
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Die 4 und 5 stellen eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Getriebes 10 dar, die, wie 5 veranschaulicht, einer Hintereinanderschaltung zweier Getriebe gemäß 1 entspricht, wobei jedoch zur kompakteren Bauweise sowohl der Steg 18 als auch der Rollring 16 von beiden funktionalen Getrieben genutzt wird. Insbesondere sind zwei Sätze von Planeten 20, 20' verschachtelt auf demselben Steg 18 angeordnet. Als Eingangswelle dient bei dieser Ausführungsform die erste Sonne 12. Diese überträgt ihre Rotation auf die Verzahnungsabschnitte 22 der ersten Planeten 20. Da deren Kegelreibradabschnitte 24 kraftschlüssig an der Innenseite des Rollrings 16 anliegen und abwälzen, wird der Steg 18 in Rotation versetzt. Diese Rotation des Stegs 18 zwingt auch die ebenfalls auf ihm gelagerten zweiten Planeten 20' in Rotation um die Getriebeachse. Da auch die Kegelreibradabschnitte 24' der zweiten Planeten 20' kraftschlüssig am Rollring 16 anliegen resultiert eine Rotation der zweiten Planeten 20' um ihre Planetenachsen 201'. Damit rotieren auch die Verzahnungsabschnitte 22' drehzahlgleich. Diese Rotation wird auf Grund des Zahneingriffs der Verzahnungsabschnitte 22' der zweiten Planeten 20' mit der zweiten Sonne 12' auf diese übertragen. Die zweite Sonne 12', wirkt als Ausgangswelle und trägt bei der gezeigten Ausführungsform ein Ausgangsritzel 28.
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Durch die verschachtelte Bauweise des Getriebes 10 der 4 und 5 ist eine größere Übersetzungsspreizung gegenüber dem Getriebe 10 der 1 bis 3 realisierbar, ohne dass hierzu ein größerer Bauraum benötigt würde.
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Die 6 bis 8 zeigen verschiedene Varianten des Getriebes 10 von 1, die sich insbesondere in der Anbindung der einzelnen Getriebewellen unterscheiden. Bei der Ausführungsform von 6 ist die Sonne 12 an der Basis bspw. einer zwischen den Ausfallenden eines Tretrades fixierbaren Achse festgelegt. Der Rollring 16 hingegen ist nicht nur axial verschieblich, sondern auch drehbar relativ zur Basis 14 gelagert. Insbesondere ist der Rollring dabei drehfest mit einer Nabenhülse 30 verbunden. Ein über den Steg 18 eingeleitetes Drehmoment führt zu einer Rotation der Planeten 20 um die Getriebeachse, wobei die Planeten 20 auf Grund des Zahneingriffs ihres Verzahnungsabschnittes 22 mit der an der Basis festgehaltenen Sonne 12 zu einer Rotation um die Planetenachse 201 gezwungen werden. Auf Grund des kraftschlüssigen Kontaktes der Kegelreibradabschnitte 24 mit dem Rollring 16 wird letzterer, der hier als Ausgangselement dient, in Rotation versetzt, welche er drehzahlgleich auf die Nabenhülse 16 überträgt. Die Ausführungsform von 6 eignet sich somit als kontinuierlich variierbares Nabengetriebe.
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Die Ausführungsform von 7 ist hinsichtlich ihrer Grundstruktur identisch mit derjenigen von 6. Der Rollring 16 ist hier lediglich nicht mit einer Nabenhülse 30, sondern mit einer Ausgangshohlwelle 32 verbunden, welche ein Ausgangsritzel 28 trägt. In dieser Ausgestaltung ist das Getriebe 10 der 7 insbesondere als Tretlagergetriebe eines Tretrades geeignet.
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8 zeigt eine Variante der Getriebestruktur von 7. Im Gegensatz zu allen zuvor diskutierten Ausführungsformen, bei denen die Sonne 12 stets als zentrales Sonnenrad ausgebildet war, ist die Sonne 12 hier als hohlradförmige Außensonne ausgebildet. Dies führt zu einer deutlichen Veränderung ihres wirksamen Durchmessers. Dadurch kann bei geeigneter Auslegung der Dimensionen der einzelnen Getriebeelemente erreicht werden, dass ein Momenteneintrag am Steg 10 lediglich zu einem Umlauf der Planeten 20 um die Getriebeachse sowie ihrer Rotation um die Planetenachsen führt, wobei diese Rotationen einander jedoch insofern aufheben, als das keine Rotation des Rollrings 16 und damit der Ausgangswelle 32 resultiert. Dies wird insbesondere bei einer Maximalverschiebung des Rollrings 16 in Richtung der Kegelbasis des Kegelreibradabschnitts 24 der Planeten 20 erreicht. Diese Getriebestellung kann als Leerlaufstellung bezeichnet werden, aus der ein Anfahren durch Verschiebung des Rollrings 16 (nach rechts in 9) bewirkbar ist. Eine derartige Getriebestruktur eignet sich insbesondere für verbrennungsmotorische Antriebe, die nicht stufenlos angehalten bzw. angefahren werden können.
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Die 9 und 10 greifen erneut die Idee der Verschachtelung zweier funktionaler Einzelgetriebe unter gemeinsamer Nutzung von Steg 18 und Rollring 16 auf, und zwar unter gleichzeitigem Aufgreifen des Gedankens der Ausbildung der Sonnen 12, 12' als Außensonnen. 10 zeigt das entsprechende Ersatzschaltbild eines klassischen Stufenplanetengetriebes. Das über den Steg 18 eingeleitete Moment lässt die ersten Planeten 20 um die Getriebeachse rotieren. Auf Grund des Zahneingriffs ihres Verzahnungsabschnittes 22 mit der an der Basis 14 festgehaltenen ersten Sonne 12 werden die Planeten 20 zudem in eine Rotation um ihre Planetenachse 201 gezwungen. Auf Grund ihres kraftschlüssigen Kontaktes zu dem Rollring 16, der drehbeweglich und axial verschieblich gelagert ist, resultiert eine Rotation des Rollrings 16. Auch die zweiten Planeten 20' werden auf Grund der Rotation des Stegs 18 zu einer Drehung um die Getriebeachse gezwungen. Der rotierende Rollring 16 zwingt ihnen auf Grund seines kraftschlüssigen Kontaktes mit ihren Kegelreibradabschnitten 24' eine zusätzlich Rotation um ihre Planetenachse 201' auf. Die daraus resultierende, drehzahlgleiche Rotation der Verzahnungsabschnitte 22' der zweiten Planeten 20' führt auf Grund ihres Zahneingriffs mit der zweiten Sonne 12', die hier als Ausgangswelle wirkt, zu deren kontinuierlich variierbar übersetzter Rotation.
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Auf Grund des großen wirksamen Durchmessers der Außensonnen lässt sich bei dieser Ausgestaltung des Getriebes 10 eine Dimensionierung finden, bei der die im Kontext von 8 erläuterte Leerlaufstellung mit einer vergleichsweise zentralen Axialstellung des Rollrings 16 korreliert ist. Je nach axialer Verschieberichtung, in welcher der Rollring aus dieser Leerlaufstellung verschoben wird, resultiert ein Anfahren, d.h. eine Rotation der zweiten Sonne 12' in unterschiedliche Richtung. Mit anderen Worten wird ein Getriebe realisiert, welches kontinuierlich von einem Vorwärtsgang über eine Neutralstellung in einen Rückwärtsgang und umgekehrt schalten kann, ohne dass Richtung oder Drehzahl der Antriebswelle variiert werden müssten.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Getriebe
- 12
- erste Sonne
- 12'
- zweite Sonne
- 14
- Basis
- 16
- Rollring
- 161
- Verschiebepfeil
- 162
- Gewindehülse
- 163
- Innengewinde
- 164
- Außengewinde
- 18
- Steg
- 20
- erster Planet
- 201
- Planetenachse
- 20'
- zweiter Planet
- 201'
- Planetenachse
- 22
- erster Axialabschnitt/Verzahnungsabschnitt von 20
- 22'
- erster Axialabschnitt/Verzahnungsabschnitt von 20'
- 24
- zweiter Axialabschnitt/Kegelreibradabschnitt von 20
- 24'
- zweiter Axialabschnitt/Kegelreibradabschnitt von 20'
- 26
- Vorspannfeder
- 28
- Ausgangsritzel
- 30
- Nabenhülse
- 32
- Ausgangshohlwelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013015210 A1 [0002]
