DE102016209233A1

DE102016209233A1 - Unendliches stufenloses Getriebe (IVT)

Info

Publication number: DE102016209233A1
Application number: DE102016209233.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Chambrion
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-05-27
Filing date: 2016-05-27
Publication date: 2017-11-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein stufenloses Getriebe (1) zur Übertragung eines Moments von einer Antriebswelle (5) auf eine Abtriebswelle (18), mit einem Schwenkhebel (3, 4), aufweisend einen Hebelarm (16), eine einerseits des Hebelarms (16) ausgebildeten Koppelstruktur (17) zur Kopplung mit der Abtriebswelle (18a, b) über einen Freilauf (19) und einen andererseits des Hebelarms (16) ausgebildeten Nocken (13), und mit einer verstellbaren und einerseits mit dem Nocken (13) und andererseits mit der Antriebswelle (5) zusammenwirkenden Exzentereinheit (2), wobei die Exzentereinheit (2) mit der Antriebswelle (5) in Richtung deren Längsachse positionierbar und drehfest gekoppelt ist, wobei die Exzentereinheit eine die Antriebswelle (5) umfänglich umgebende und sich in deren Längsrichtung erstreckende Wandung (6) mit einer Nockenführungsfläche (12) zum Inkontaktgelangen mit dem Nocken (13) aufweist und, die Nockenführungsfläche (12) in einem ersten axialen Abschnitt (14) der Wandung (6) kreisringförmig ausgebildet ist und in einem zweiten axialen Abschnitt (15) der Wandung (6) mit einer von einer Kreisringform abweichenden Form mit sich in Umfangsrichtung veränderndem Radialabstand r ausbildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein stufenloses Getriebe, insbesondere ein unendliches stufenloses Getriebe, das auch als IVT (Infinitely Variable Transmission) bezeichnet wird, zur Übertragung eines Moments von einer Antriebswelle auf eine Abtriebswelle, mit einem Schwenkhebel, aufweisend einen Hebelarm, eine einerseits des Hebelarms ausgebildeten Koppelstruktur zur Kopplung mit der Abtriebswelle über einen Freilauf und einen andererseits des Hebelarms ausgebildeten Nocken, und mit einer verstellbaren und einerseits mit dem Nocken und andererseits mit der Antriebswelle zusammenwirkenden Exzentereinheit, insbesondere mit der Antriebswelle rotatorisch zusammenwirkenden drehangetriebenen Exzentereinheit.
Aus dem Stand der Technik ist ein stufenloses automatisches Getriebe bekannt, das als Riemengetriebe ausgebildet ist. Dabei sind auf einer Antriebsachse und auf einer Abtriebsachse jeweils zwei konischen Riemenscheiben einander gegenüberliegend und relativ zueinander in Achsrichtung positionierbar angeordnet. Die beiden Riemenscheibenpaare sind mittels eines umlaufenden Riemens mit einander gekoppelt. Eine Drehmomentübertragung vom ersten Riemenscheibenpaar auf den Riemen und von diesem auf das zweite Riemenscheibenpaar erfolgt durch Reibschluss. Durch Axialpositionierung der konischen Riemenscheiben zueinander kann der radiale Abstand der Kontaktbereiche zwischen Riemenscheibe und Riemen und damit die Übersetzung des Getriebes variiert werden. Ein derartiges Automatikgetriebe ist kostengünstig, weist aber im Vergleich zu einem herkömmlichen Schaltgetriebe den Nachteil eines hohen Verbrauchs auf (ein Handschaltgetriebe ist ca. 30% sparsamer), was insbesondere in Entwicklungsländern relevant ist. Ein weiterer Nachteil ist, dass ein solches Getriebe keine unendliche Übersetzung ermöglicht, also stets eine Kupplung zum Kuppeln und Entkuppeln zwischen Antrieb und Getriebe erforderlich ist.
Ein anderes Konzept für ein automatisches stufenloses Getriebe der Anmeldering ist unter dem Namen „Kurbel CVT“ bekannt und ermöglicht gegenüber dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik eine Verbesserung des Wirkungsgrads sowie eine unendliche Übersetzung. Bei diesem Getriebetyp erfolgt die Kraftübertragung formschlüssig und nicht reibschlüssig wie bei einem üblichen CVT, was Verluste durch Reibung deutlich reduziert. Da das Getriebe eine unendliche Übersetzung ermöglicht, ist eine Anfahrkupplung nicht erforderlich. Allerdings ist dieses Getriebe recht aufwändig aufgebaut, insbesondere, wenn eine nahezu homokinetische Arbeitsweise angestrebt ist, und damit mit hohen Kosten verbunden. Zwar kann die Konstruktion vereinfacht und damit günstiger gestaltet werden, was aber Abweichung im Hinblick auf die Homokinetik zur Folge hätte.
Ein weiteres bekanntes stufenloses unendliches Getriebe mit jedoch aufwändigem und komplexem Aufbau ist unter dem Namen Torotrak bekannt.
Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein einfach aufgebautes, robustes und verlässliches unendliches stufenloses Getriebesystem zur Verfügung zu stellen, das möglichst homokinetisch und hinsichtlich Herstellung und Betrieb kostengünstig ist.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Getriebe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Exzentereinheit mit der Antriebswelle in Richtung deren Längsachse positionierbar und drehfest gekoppelt ist, wobei die Exzentereinheit eine die Antriebswelle (voll-)umfänglich umgebende und sich in deren Längsrichtung erstreckende Wandung mit einer Nockenführungsfläche zum Inkontaktgelangen mit dem Nocken aufweist und, die Nockenführungsfläche in einem ersten axialen Abschnitt der Wandung kreisringförmig ausgebildet ist und in einem zweiten axialen Abschnitt der Wandung mit einer von einer Kreisringform abweichenden Form mit sich in Umfangsrichtung veränderndem Radialabstand r ausbildet.
Infolge der gegenseitigen Kopplung der Exzentereinheit und des Hebelelements miteinander bildet die Exzentereinheit eine Art Aktor aus, über den ein Verstellen des Hebelelements, zum Beispiel in Form einer Schwenkbewegung davon um die Abtriebswelle, bewirkt werden kann. Die umfängliche Wandung der Exzentereinheit stellt eine Kontaktfläche dar, die vom Nocken kontaktiert wird. Die Winkelposition des Schwenkhebels relativ zur Abtriebswelle hängt vom radialen Abstand des Nockens von der Drehachse der Exzentereinheit ab. Durch eine Veränderung dieses radialen Abstands infolge einer Rotation der Exzentereinheit gegenüber dem Schwenkhebel kann diesem eine Schwenkbewegung auferlegt werden, die zum Antreiben der Abtriebswelle genutzt wird. Nach der Erfindung erfolgt diese Variation des radialen Abstands durch eine entsprechende Formgebung der umfänglichen Wandung und der durch diese ausgebildete Kontaktfläche für den Nocken verbunden mit deren Bewegung relativ zum Nocken.
Erfindungsgemäß ist zwischen Nocken und Führungsbahn Formschluss ausgebildet, so dass Leistung nahezu ohne Reibungsverluste vom Antrieb auf den Abtrieb übertragen werden kann. Ein solcher Formschluss kann insbesondere erzielt werden, indem der Nocken auf der Führungsbahn gleitet oder abrollt und gegen diese vorgespannt ist, beispielsweise mittels einer Rückstellfeder, zum Beispiel in Form einer Spiralfeder, Blattfeder oder ähnlichen Feder, die das Hebelelement gegen die Führungsbahn vorspannt und mit einem Gehäuse oder Gehäuseteil des erfindungsgemäßen Getriebes oder einem zweiten interagierenden Schwenkhebel verbunden sein kann.
Der Nocken des Schwenkhebels kann zum Beispiel als am Hebelarm gelagerte Rolle oder Kugel oder als Gleitelement ausgebildet sein und ist im Kontakt mit der Führungsbahnen aufweisenden Kontaktfläche der Exzentereinheit. Unter einem Inkontaktgelangen im Sinne der Erfindung ist unter anderem ein gleitendes oder rollendes Inkontaktgelangen oder eine kontaktierende Anlage des Nockens mit der Nockenführungsfläche zu verstehen. Die Führungsbahn ist vorzugsweise zentrisch zur Antriebswelle angeordnet.
Durch die kontaktierende Anlage des Schwenkhebels an der Exzentereinheit ist dessen Stellung relativ zur Exzentereinheit und damit auch relativ zur Antriebswelle wie auch zur Abtriebswelle bestimmt. Je nach Form der Führungsbahn kann der Schwenkhebel daher eine Schwenkbewegung um die Abtriebswelle ausüben (unkreisförmig) oder steht still (kreisförmig). Man kann auch sagen, dass die Amplitude der Hebelverdrehung von der Bewegung des Nockens infolge der Anlage an der Führungsbahn oder der Achse der den Nocken ausbildenden Rolle abhängt. Infolge der gegenseitigen Anlage sind die Position und damit die Bewegung des Nockens (der Rolle) von der jeweils an einer bestimmten axialen Position vorliegenden Form der Führungsbahn abhängig. Die Form der Führungsbahn hängt davon ab, mit welchen axialen Abschnitt der umfänglichen Wandung der Exzentereinheit der Nocken in kontaktierender Anlage steht. Dies wiederum hängt von der jeweils vorliegenden Axialpositionierung der Exzentereinheit relativ zum Schwenkhebel, insbesondere von der Axialpositionierung der Exzentereinheit auf der Antriebswelle ab.
Die Kontaktfläche der umfänglichen Wandung, die man auch als verformt zylinderförmig bezeichnen kann, weist einen ersten axialen Abschnitt oder Bereich auf, in dem sie kreiszylinderförmig oder kreisringförmig ausgebildet ist. Der Nocken kontaktiert diesen axialen Abschnitt mit der darin ausgebildeten kreisringförmigen Führungsbahn in einer Neutralposition der Exzentereinheit bezogen auf ihre axiale Positionierung. In dieser Neutralposition erfolgt keine radiale Bewegung des Nockens relativ zur Drehachse der Exzentereinheit, da der Radius der Führungsbahn konstant ist. Folglich kommt es auch zu keiner Schwenkbewegung des Schwenkhebels. Man kann auch sagen, dass der Nocken in der Neutralposition, bei der die durch die Kurvensegmente gebildete Führungsbahn für den Nocken bzw. die diesen ausbildende Rolle kreisförmig oder kreisringförmig ist, auf dem konstanten Umfang eines Kreises gleitet oder rollt. Das Zentrum dieses Kreises befindet sich auf der Drehachse der Nabe (identisch mit der Drehachse der Antriebswelle). Daher ist der Abstand des Nockens bzw. der Rolle von der Drehachse konstant, so dass es zu keiner Verdrehung des Schwenkhebels kommt. Die Antriebswelle dreht sich quasi mit der Exzentereinheit unter dem Nocken, ohne ein Verschwenken des Schwenkhebels um die Achse der Abtriebswelle zu bewirken. Infolgedessen erfolgt kein Antrieb der Abtriebswelle durch den Schwenkhebel.
Erfindungsgemäß schließt sich an den ersten axialen Abschnitt mit kreisrundem Querschnitt (quer zur Achse der Antriebswelle) ein zweiter axialer Abschnitt der Wandung mit einer von einer Kreisringform abweichenden Form mit sich in Umfangsrichtung veränderndem Radialabstand r an. Bezogen auf die axiale Richtung kann die Änderung der Querschnittsform von rund in Richtung der extrem umrunden Querschnittsform, also vom ersten axialen Abschnitt zum gegenüberliegenden Ende des zweiten axialen Abschnitts, insbesondere kontinuierlich und/oder harmonisch verlaufen. Wird nur die axiale Position der Exzentereinheit relativ zum Nocken variiert, indem zum Beispiel die Exzentereinheit auf der Antriebswelle in deren axiale Richtung verschoben oder positioniert wird, verlässt der Nocken den ersten axialen Abschnitt der Kontaktfläche mit kreisförmiger Führungsbahn und kontaktiert einen sich daran anschließenden anderen axialen Abschnitt, dessen Form in umfänglicher Richtung von der Kreisform abweicht. Durch die fortwährende Rotation der Exzentereinheit zusammen mit der Antriebswelle kommt es durch die Anlage des Nockens an der unrunden Führungsbahn zu einer Schwenkbewegung des Schwenkhebels um die Achse der Abtriebswelle.
Das Profil der unrunden Führungsbahn kann insbesondere derart gewählt sein oder ausgebildet werden, dass ein Arbeitsbereich, über den der Nocken infolge von Rotation der Führungsfläche von der Achse der Antriebswelle und der Nabe fortbewegt wird, sich also sein radialer Abstand vergrößert, länger als ein Rückstellbereich ist, in dem sich der radiale Abstand des Nockens infolge der Rotation der Führungsfläche wieder verringert. Die Bahn im Arbeitsbereich kann insbesondere so ausgelegt werden oder sein, dass die Übersetzung, also das Verhältnis zwischen der Antriebswellenverdrehung und der Abtriebswellenverdrehung nahezu konstant ist, was zu einer weitgehenden homokinetischen Charakteristik des Systems führt. Beispiele für ein solches Profil sind eine Ellipse, ein Oval, ein dreieckiger Trochoid, ähnlich der Form eines Wankelmotorkolbens, oder allgemein ein Vieleck mit runden Kanten zwischen den Ecken. Die Übersetzung des Getriebes ist von der Differenz zwischen dem minimalen Abstand der Führungsbahn von der Drehachse der Nabe (r_min) und dem maximalen Abstand der Führungsbahn von der Drehachse der Nabe (r_max) abhängig. Das bedeutet, dass die Übersetzung des Getriebes umso höher ist, je größer diese Differenz ist. Wenn r_max gleich r_min ist, also in der Neutralstellung, ist die Übersetzung gleich null und es erfolgt keine Übertragung von Drehmoment oder Leistung von der Antriebswelle auf die Abtriebswelle.
Eine Besonderheit des Getriebes ist, dass je nach Ausbildung des Freilaufs, also ja nach dessen Sperrrichtung und Freigaberichtung, die Übertragungsrichtung des Getriebes bestimmt ist. Es ist daher möglich, besonders einfach ein Getriebe zu schaffen, bei dem die Antriebswelle und die Abtriebswelle im gleichen Drehsinn oder alternativ im entgegengesetzten Drehsinn rotieren. Es ist derart insbesondere zum Beispiel möglich, dass sich sowohl die Antriebswelle als auch die Abtriebswelle im Uhrzeigersinn drehen.
Ein erfindungsgemäßes Getriebe kann mit besonderem Vorteil anstelle bekannter CVT-Getriebe mit Kupplung oder anderer bekannter Getriebe mit Kupplung bei Motorrollern, Quads, Motorrädern, PKW, LKW sowie Traktoren und ähnlichen Maschinen genutzt werden. Es ist von besonderem Vorteil, dass der Wirkungsgrad des Getriebes nach der Erfindung ähnlich wie der eines konventionellen Handschaltgetriebes ist. Die Komplexität der Konstruktion ist gering, was die Konkurrenzfähigkeit des Produkts sicherstellt.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
Eine Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe einen ersten Schwenkhebel und einen zweiten Schwenkhebel aufweist, die jeweils die Exzentereinheit kontaktieren. Dabei weist jeder der beiden Schwenkhebel einen Hebelarm, eine einerseits des Hebelarms ausgebildeten Koppelstruktur zur Kopplung mit der Abtriebswelle über einen Freilauf und einen andererseits des Hebelarms ausgebildeten Nocken auf. Durch eine Verwendung zweier oder gar mehrerer Schwenkhebel wird der Vorteil geschaffen, dass die Abtriebswelle fortwährend und bei entsprechend ausgelegter Geometrie der Führungsbahnen sogar homokinetisch angetrieben werden kann. Man kann auch sagen, dass wenn der erste Schwenkhebel im Rückstellbereich ist, sich der zweite Schwenkhebel im Arbeitsbereich befindet und umgekehrt. Auf diese Weise kann stets einer der beiden Schwenkhebel in die Sperrrichtung des Freilaufs bewegt werden, wobei sich der andere Schwenkhebel in die Freigaberichtung des Freilaufs bewegt.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schwenkhebel mit einer ersten Abtriebswelle und der zweite Schenkhebel mit einer zweiten Abtriebswelle gekoppelt sind. Dies ermöglicht eine hohe Gestaltungsfreiheit hinsichtlich der Positionierung der Schwenkhebel relativ zur Exzentereinheit, so dass ein ggf. homokinetisches Getriebe mit kleinen Abmessungen gebaut werden kann.
Die erste Abtriebswelle und die zweite Abtriebswelle können insbesondere mittels einer Koppeleinheit miteinander drehgekoppelt sein. Diese kann insbesondere gleichläufig mittels eines Riementriebs oder Kettentriebs oder gegenläufig mittels eines Zahnradtriebs koppeln. So wird auf einfache Weise ein fortwährender Antrieb der Abtriebswelle sichergestellt.
Eine Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der Freilauf des ersten Schwenkhebels in eine erste Richtung sperrt und in eine zweite, entgegengesetzte Richtung durchrutscht und der Freilauf des zweiten Schwenkhebels in die erste Richtung durchrutscht und in die zweite, entgegengesetzte Richtung sperrt. Man kann auch sagen, dass die Freiläufe einander entgegen gerichtet sind und arbeiten. Auf diese Weise können ohne komplizierte Getriebe Schwenkhebel verwendet werden, die auf einander gegenüberliegenden Seiten der Exzentereinheit diese kontaktieren. Eine solche Bauform ist stabil und robust und bewirkt eine ausgeglichene Lastverteilung zwischen Exzentereinheit und Schwenkhebeln.
Es ist von besonderem Vorteil, wenn die Nocken der Schwenkhebel die Nockenführungsfläche in umfänglicher Richtung versetzt kontaktieren. Auf diese Weise kann einfach ein fortwährender Antrieb der Abtriebswelle sichergestellt werden. Der Versatz kann zum Beispiel 180°, 90°, 60° oder 45° betragen. Insbesondere können die Nocken der Schwenkhebel die Nockenführungsfläche in umfänglicher Richtung um einen Winkel von 180° versetzt kontaktieren. Die Nockenführungsfläche weist in diesem Fall in umfänglicher Richtung einen einzigen Wendepunkt mit maximalem Abstand r_max von der Drehachse und einen einzigen Wendepunkt mit minimalem Abstand r_min von der Drehachse auf. Unter einem Wendepunkt in diesem Sinn ist ein Punkt auf dem Umfang der Führungsbahn zu verstehen, der von der Drehachse der Exzentereinheit maximal oder minimal radialbeabstandet ist. In einen solchen Wendepunkt ändert sich stets die Steigung der Führungsbahn von positiv (wachsender radialer Abstand vom Drehmittelpunkt) nach negativ (sich verringernder radialer Abstand vom Drehmittelpunkt) oder umgekehrt. Allgemein kann man sagen, dass die Nocken der Schwenkhebel die Nockenführungsfläche in umfänglicher Richtung um einen Winkel Δ versetzt kontaktieren und die Nockenführungsfläche in umfänglicher Richtung genau n Wendepunkte mit maximalem Abstand r_max von der Drehachse und genau n Wendepunkt mit minimalem Abstand r_min von der Drehachse aufweist, wobei n eine ganze natürliche Zahl ist und die Beziehung n = 180°/Δ erfüllt. Bei einem Winkel von Δ = 90° ist n = 2, bei einem Winkel von Δ = 60° ist n = 3 und bei einem Winkel von Δ = 45° ist n = 4.
Eine Ausführungsform des Getriebes nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Exzentereinheit topfförmig ausgebildet ist mit einer sich quer zur Antriebsachse erstreckenden Radialwandung und der sich daran außen anschließenden umfänglichen Wandung, wobei in der Radialwandung eine Durchgangsöffnung ausgebildet ist, die von der Antriebswelle durchgriffen ist. Eine solche Exzentereinheit bietet in vorteilhafter Weise eine möglichst vollflächige Kontaktfläche für den Nocken. Des Weiteren ist sie besonders einfach und günstig herzustellen, zum Beispiel durch Umformen wie Tiefziehen, sowie leicht und robust.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Exzentereinheit eine Nabe aufweist, die relativ zur umfänglichen Wand drehfest mit der Exzentereinheit gekoppelt ist und eine Innenverzahnung, insbesondere ein Geradinnenverzahnung, aufweist, die mit einer Außenverzahnung, insbesondere einer Geradaußenverzahnung, der Antriebswelle zusammenwirkt, derart, dass die Exzentereinheit mit der Antriebswelle drehgekoppelt und in deren Längsrichtung axialpositionierbar ist. Die Nabe kann insbesondere mit der Exzentereinheit vernietet sein, was fertigungstechnisch vorteilhaft ist. Die drehfeste Kopplung der Nabe mit der Antriebswelle kann insbesondere durch Kraftschluss oder Formschluss erfolgen, zum Beispiel über eine Welle-Nabe-Verzahnung.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung im Vergleich zu einem bekannten Kurbel-CVT ist dessen kleine Baugröße. Dies wird unter anderem dadurch erzielt, dass die zum Erreichen eines weitgehend homokinetischen Verhaltens des Kurbel-CVT erforderlichen, in axialer Richtung aufeinanderfolgenden mehreren Kurbelhebeleinheiten durch mehrere in umfänglicher Richtung aufeinanderfolgende Maxima und Minima der Abstände der Führungsbahn vom Drehmittelpunkt ersetzt werden. Des Weiteren ermöglicht die Erfindung eine besonders einfache und robuste Mechanik zur Verstellung der Übersetzung, da die Führungsbahn der Exzentereinheit einteilig ausgebildet sein kann und infolge simpler Axialverschiebung der Exzentereinheit unterschiedliche Führungsbahnen mit dem Nocken des Schwenkhebels in Kontakt gebracht werden können.
Eine weitere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass beide Schwenkhebel mit einer einzigen Abtriebswelle gekoppelt sind. Auf diese Weise kann ein besonders einfacher, robuster und leichter Aufbau erzielt werden. Insbesondere können beide Schwenkhebel jeweils über einen Freilauf mit gleicher Freilaufrichtung mit der Abtriebswelle gekoppelt sein. Die Kopplung kann insbesondere über ein zwischen diesem und der Abtriebswelle zwischengeschaltetes Zahnrad erfolgen, so dass ein Freilauf mit relativ großen Durchmesser möglich ist, was in vorteilhafter Weise zu einer feinen Verstellung der Abtriebswelle und einer weitgehenden Homokinetik führt.
Man kann auch sagen, dass mit der vorliegenden Erfindung ein IVT (Infinitely Variable Transmission) vorgeschlagen wird, das Moment formschlüssig und homokinetisch übertragen kann. Wegen der unendlich stufenlosen Verstellung kann auf eine Anfahrkupplung verzichtet werden. Das Getriebe kann insbesondere einen topfförmigen, axial verschieblichen Nockenversteller und zwei Hebelabtriebe aufweisen. Deren Hebel können mittels eines Freilaufs mit einer Abtriebswelle verbunden sein. Der Nockenversteller ist mit der Antriebswelle rotatorisch verbunden, zumindest einer der Hebelabtriebe ist mit der Abtriebswelle verbunden. In einer Neutralposition wird eine kreisförmige Bahn abgefahren, nach einer axialen Verschiebung / Verstellung des Nockenverstellers eine exzentrische Kurve, wodurch die Hebelantriebe in Schwenkbewegungen versetzt werden, die zum Antreiben der Abtriebswelle genutzt werden können.
Die Hebelabtriebe können bestehen jeweils aus einem Hebel, der über einen Freilauf mit einer dem Hebelantrieb zugeordneten Abtriebswelle verbunden sein kann, bei zwei Hebelantrieben eine erste und eine zweite Abtriebswelle. Diese können aufgrund einer Sekundärübersetzung mit gleicher Drehzahl rotieren, insbesondere allerdings mit unterschiedlichen Drehrichtungen. Zum Beispiel können die Antriebswelle und die erste Abtriebswelle im Uhrzeigersinn, die zweite Abtriebswelle hingegen im Gegenuhrzeigersinn rotieren. Die Freiläufe sind in einem solchen Fall derart ausgebildet und angeordnet, dass eine Übertagung des Hebelmoments nur möglich ist, wenn das Moment des ersten Hebels im Uhrzeigersinn wirkt und das Moment des zweiten Hebels im Gegenuhrzeigersinn wirkt.
Der Nocken des Hebelabtriebs kann insbesondere als Rolle ausgebildet sein und ist im Kontakt mit der die Führungsbahn ausbildenden Exzentereinheit, die als Nockentopf ausgebildet sein und bezeichnet werden kann. Der Kontakt kann insbesondere mittels einer Rückstellfeder sichergestellt sein. Diese kann zum Beispiel von jeder Seite mit einem Hebel der Hebelantriebe verbunden sein.
Die Amplitude der Hebelverdrehung ist von der Bewegung des Nockens gegenüber der Drehachse der Antriebswelle abhängig. Diese ist wiederum von der axialen Position des Nockentopfs oder Nockenverstellers abhängig. In der Neutralposition ( ) kontaktiert der Nocken eine Bahn oder rollt die Rolle auf einer Bahn, die kreisförmig ist. Das Zentrum dieser kreisförmigen Führungsbahn befindet sich auf der Drehachse des Nockenverstellers und damit auf der Drehachse der Antriebswelle. In Folge wird auf den Nocken / die Rolle in diesem Fall keine Bewegung in radialer Richtung übertragen, was zu keiner Verdrehung der Hebelantriebe um die Abtriebsachse führt. Das bedeutet, dass die Abtriebswelle(n) bei in der Neutralposition befindlicher Exzentereinheit nicht angetrieben werden und nicht gedreht werden.
Wenn der Nockenversteller axial verschoben ist, ändert sich seine axiale Position relativ zu den Hebelantrieben, so dass deren Nocken / Rolle eine andere Führungsbahn kontaktiert, die in einem anderen axialen Abschnitt des Nockenverstellers angeordnet ist. Deren Bahnprofil in umlaufender Richtung weicht von der Kreisform ab und besitzt zumindest abschnittsweise einen exzentrischen Verlauf. Infolge der Anlage des Nockens / der Rolle an der Führungsbahn wird eine Schwenkbewegung auf den Hebelantrieb übertragen, mittels der ein Moment auf die Abtriebswelle(n) übertragen wird.
Zusammengefasst wird durch die Erfindung ein unendliches stufenloses Getriebe mit einem Nockentopf, der einen oder mehrere Hebel mit Rollen schiebt, bereitgestellt. Die Erfindung wird nachfolgend mittels eines Ausführungsbeispiels anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des Getriebes nach der Erfindung, wobei sich das Getriebe in einer neutralen Position befindet, in der kein Drehmoment vom Antrieb zum Abtrieb übertragen wird,
2 eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform des Getriebes der 1, wobei sich das Getriebe in einer maximal verstellten Position befindet, in der ein maximales Drehmoment vom Antrieb zum Abtrieb übertragen wird,
3 einen Schwenkhebel eines erfindungsgemäßen Getriebes in einer perspektivischen Darstellung,
4 eine Exzentereinheit eines erfindungsgemäßen Getriebes in einer perspektivische Ansicht,
5 eine Aufsicht auf eine Exzentereinheit der Ausführungsform der 1 und 2 in axialer Richtung,
6 ein Diagramm, in dem ein Verlauf einer Führungsfläche der Exzentereinheit anhand ihres Abstands von ihrer Drehachse aufgetragen über einem Drehwinkel verdeutlicht ist,
7 anhand eines Diagramms den Verlauf der Übersetzung des Getriebes in Abhängigkeit von der Verstellung einer Steuerscheibe oder Verstellerscheibe,
8 eine zweite Ausführungsform eines Getriebes nach der Erfindung und
9 ein die Exzentereinheit der Ausführungsform der 8 in einer Aufsicht in axialer Richtung.
Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen bzw. vergleichbaren Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die in den 1 und 2 gezeigte Ausführungsform des stufenlosen unendlichen Getriebes 1 weist einen Exzentereinheit 2, einen ersten Schwenkhebel 3 und einen zweiten Schwenkhebel 4 auf.
Die Exzentereinheit 2 kann auch als Nockentopf 2 oder Nockenversteller 2 bezeichnet werden und ist mit einer Antriebswelle 5 verbunden. Die Exzentereinheit 2 weist eine umfängliche Wandung 6 sowie eine Radialwandung 7 auf und ist damit topfartig geformt. Sie ist als Tiefziehbauteil ausgebildet. Sie weist des Weiteren eine Nabe 8 auf, die in einer axialen und mittigen Durchgangsöffnung der Radialwandung 7 angeordnet ist und selbst mit einer mittigen Durchgangsöffnung 9 versehen ist, in der eine Innenverzahnung 10 ausgebildet ist. Die Durchgangsöffnung 9 ist von der Antriebswelle 5 durchgriffen, die ihrerseits eine zur Innenverzahnung 10 passende Außenverzahnung 11 aufweist. Die Innenverzahnung 10 und die Außenverzahnung 11 stehen miteinander in Eingriff (siehe 1), so dass ein Drehmoment von der Antriebswelle 5 auf die Nabe 8 übertragen werden kann.
Die Exzentereinheit 2 weist an der radial nach außen weisenden Seite der umfänglichen Wandung 6 eine Kontaktfläche 12 auf, die mehrere in umfänglicher Richtung verlaufende Führungsbahnen für eine einen Nocken im Sinne der Erfindung ausbildende Rolle 13 ausbildet. In einem ersten axialen Abschnitt 14, der radialwandseitig der umfänglichen Wandung 6 angeordnet ist, besitzt die umfängliche Wandung 6 einen kreisförmigen Querschnitt quer zur Drehachse der Antriebswelle 5. In einem zweiten axialen Abschnitt 15, der auf der von der Radialwandung 7 abgewandten Seite des ersten Axialabschnitts 14 angeordnet ist, besitzt die umfängliche Wandung 6 einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt, siehe auch in 5. Die Querschnittform der Wandung 6 variiert im axialen Verlauf des zweiten Axialabschnitts 14, insbesondere kontinuierlich und/oder harmonisch.
Die Schwenkhebel 3, 4 sind gleichartig ausgebildet (spiegelverkehrt) und werden im Nachfolgenden anhand des Schwenkhebels 3 erläutert. Dieser weist einen Hebelarm 16, eine einerseits des Hebelarms 16 ausgebildeten Koppelstruktur 17 zur Kopplung mit einer Abtriebswelle 18 über einen Freilauf 19 und den andererseits des Hebelarms 16 ausgebildeten Nocken 13 oder Rolle 13 auf. Innerhalb der Koppelstruktur 17 sind der Freilauf 19 und ein mit einer Außenverzahnung 20 und einer Innenverzahnung 21 versehenes Koppelzahnrad 22 angeordnet.
Die Abtriebswelle 18 weist eine Außenverzahnung 23 auf, die mit der Innenverzahnung 21 des auf die Abtriebswelle 18 aufgeschobenen Koppelzahnrads 22 zusammenwirkt, so dass vom letzteren ein Drehmoment auf die Abtriebswelle 18 übertragen werden kann. Man kann also sagen, dass die Rotationsachse der Abtriebswelle 18 gleichfalls die Drehachse für den Schwenkhebel 3, 4 darstellt, um den dieser bei einer Schwenkbewegung infolge einer Aktuierung durch die Exzentereinheit 2 verschwenkt.
Der Schwenkhebel 3, 4 ist mittels eines Vorspannelements 24 in Form einer Feder 24 gegen die Exzentereinheit 2 vorgespannt, derart, dass die Rolle 13 / der Nocken 13 in eine Anlage an die durch die Kontaktfläche 12 gebildeten Führungsbahnen gedrängt wird und gehalten ist. Die Schwenkhebel 3, 4 der Ausführungsform der 1 und 2 kontaktieren die Führungsfläche 12 von gegenüberliegenden Seiten aus. Man kann also sagen, dass die Nocken 13 oder deren Kontaktpunkte mit der umfänglichen Wandung 6 um einen Winkel Δ von 180° zueinander versetzt sind. Dies hat zur Folge, dass die Bewegungen der Hebel 2, 3 im jeweiligen Arbeitsbereich zueinander entgegengesetzt sind.
Wie die 1 und 2 zeigen, sind die Schwenkhebel 3, 4 daher zueinander spiegelverkehrt ausgebildet und angeordnet. Zur gegenseitigen Kopplung miteinander ist auf der Abtriebswelle 18 des Schwenkhebels 3 ein Koppelzahnrad 25 angeordnet, das mit einem entsprechenden Koppelzahnrad 26 des Schwenkhebels 4 zusammenwirkt. Durch die versetzte Anordnung ist sichergestellt, dass stets einer der beiden Schwenkhebel 3, 4 in Sperrrichtung des Freilaufs 19 geschwenkt wird, während der andere der beiden Schwenkhebel in Freigaberichtung des Freilaufs 19 verschwenkt wird. Ein fortwährender und bei geeigneter Geometrie der Kontaktfläche 12 homokinetischer Antrieb der Abtriebswelle 18 ist die Folge.
Während 1 die Exzentereinheit 2 in der Neutralposition zeigt, in der die Schwenkhebel 3, 4 den Axialabschnitt 14 mit kreisrundem Querschnitt kontaktieren und kein Moment übertragen wird, zeigt 2 die Exzentereinheit 2 in einer in axialer Richtung maximal verschobenen Position, in der das Getriebe 1 seine maximale Übersetzung aufweist. Die Übersetzung des Getriebes 1 ist von der Differenz zwischen dem minimalen Abstand der Führungskontur 12 von der Drehachse der Exzentereinheit 2 (r_min 26) und dem maximalen Abstand (r_max 28) abhängig.
Der Winkel θ bezeichnet den Drehwinkel der Exzentereinheit 2 und damit der Antriebswelle 5, siehe 6. Diese zeigt ein Diagramm, in dem ein Verlauf der Führungsfläche 12 der Exzentereinheit 2 anhand ihres Abstands r (Ordinate) von ihrer Drehachse der Antriebswelle 5 aufgetragen über einem Drehwinkel θ (Abszisse) verdeutlicht ist. 7 zeigt die Übersetzung des Getriebes 1 in Abhängigkeit von der axialen Position s der Exzentereinheit 2 auf der Antriebswelle 5.
Wird die Exzentereinheit 2 auf der Antriebswelle 5 in die in 2 gezeigte Position der maximalen Übersetzung verschoben, kontaktieren die Rollen 13 eine Führungsbahn mit maximaler Abweichung von der Kreisform. Als Beispiel für diese Führungsbahn kann ein Bahnprofil in der betrachtet werden. Man sieht hier zwei Bereiche. Der erste Bereich α entspricht dem Arbeitsbereich des Hebels. Der zweite Bereich β entspricht dem Rückstellbereich des Hebels. Das Profil ist so gewählt, dass der Arbeitsbereich länger als der Rückstellbereich ist. Befindet sich der Schwenkhebel 3 im Rückstellbereich β, ist der Schwenkhebel 3 im Arbeitsbereich α und umgekehrt. Die Bahn im Arbeitsbereich α kann so ausgelegt sein, dass die Übersetzung zwischen der Antriebswelle 5 und der Abtriebswelle 18 konstant ist, was zu einer homokinetischen Charakteristik des Systems führt.
Ein hinsichtlich des Bauraums optimierte Ausführungsform der Erfindung ist in den 8 und 9 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist der Rollenversatz gegenüber der Ausführungsform der 1 und 2 reduziert. In der sind die Rollen mit einem Versatz Δ von 90° zueinander angeordnet. Dies führt zu einer Kontur des Nockenverstellers 2 mit einer 180°-Symmetrie, was sich besonders aus ergibt, die den Nockenversteller 2 für diese Ausführungsform in einer Aufsicht quer zur Längsachse zeigt. Da der Abstand zwischen den Drehachsen der beiden Abtriebswellen 18 relativ groß ist und die Drehrichtung der beiden Schwenkhebel 2, 3 bei dieser Ausführungsform gleich ist, kann die Verbindung der Abtriebswellen 18 der beiden Hebelabtriebe 3, 4 mit einem Riemen 29 (oder mit einer Kette 29) ausgeführt sein. In diesem Fall sind zwei Rückstellfedern 30 erforderlich. Deren erste Seite ist mit dem Hebel 3 bzw. 4 verbunden, die andere Seite ist mit einem nicht dargestellten Gehäuse verbunden.
Bezugszeichenliste

1: Getriebe
2: Exzentereinheit
3: erster Schwenkhebel
4: zweiter Schwenkhebel
5: Antriebswelle
6: umfängliche Wandung
7: Radialwandung
8: Nabe
9: Durchgangsöffnung
10: Innenverzahnung
11: Außenverzahnung
12: Kontaktfläche, Führungsflächen
13: Rolle
14: erster axialer Abschnitt
15: zweiter axialer Abschnitt
16: Hebelarm
17: Koppelstruktur
18a: erste Abtriebswelle
18b: zweite Abtriebswelle
19: Freilauf
20: Außenverzahnung
21: Innenverzahnung
22: Koppelzahnrad
23: Außenverzahnung
24: Vorspannelement, Feder
25: Koppelzahnrad
26: Koppelzahnrad
27: r_min
28: r_max
29: Riemen, Kette
30: Feder
α: Schubwinkelbereich
β: Rückstellbereich
r: radialer Abstand
θ: Drehwinkel
Δ: Versatz
S: axiale Position

Claims

Stufenloses Getriebe (1) zur Übertragung eines Moments von einer Antriebswelle (5) auf eine Abtriebswelle (18), mit einem Schwenkhebel (3, 4), aufweisend einen Hebelarm (16), eine einerseits des Hebelarms (16) ausgebildeten Koppelstruktur (17) zur Kopplung mit der Abtriebswelle (18a, b) über einen Freilauf (19) und einen andererseits des Hebelarms (16) ausgebildeten Nocken (13), und mit einer verstellbaren und einerseits mit dem Nocken (13) und andererseits mit der Antriebswelle (5) zusammenwirkenden Exzentereinheit (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Exzentereinheit (2) mit der Antriebswelle (5) in Richtung deren Längsachse positionierbar und drehfest gekoppelt ist, wobei die Exzentereinheit eine die Antriebswelle (5) umfänglich umgebende und sich in deren Längsrichtung erstreckende Wandung (6) mit einer Nockenführungsfläche (12) zum Inkontaktgelangen mit dem Nocken (13) aufweist und, die Nockenführungsfläche (12) in einem ersten axialen Abschnitt (14) der Wandung (6) kreisringförmig ausgebildet ist und in einem zweiten axialen Abschnitt (15) der Wandung (6) mit einer von einer Kreisringform abweichenden Form mit sich in Umfangsrichtung veränderndem Radialabstand r ausbildet.
Getriebe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieses einen ersten Schwenkhebel (3) und einen zweiten Schwenkhebel (4) aufweist, die jeweils die Exzentereinheit (2) kontaktieren.
Getriebe (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schwenkhebel (3) mit einer ersten Abtriebswelle (18a) und der zweite Schenkhebel (4) mit einer zweiten Abtriebswelle (18b) gekoppelt ist.
Getriebe (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abtriebswelle (18a) und die zweite Abtriebswelle (18b) mittels einer Koppeleinheit (22, 29) miteinander drehgekoppelt sind.
Getriebe (1) nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Freilauf (19) des ersten Schwenkhebels (3) in eine erste Richtung sperrt und in eine zweite, entgegengesetzte Richtung durchrutscht und der Freilauf (19) des zweiten Schwenkhebels (4) in die erste Richtung durchrutscht und in die zweite, entgegengesetzte Richtung sperrt.
Getriebe (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nocken (13) der Schwenkhebel (3, 4) die Nockenführungsfläche (12) in umfänglicher Richtung versetzt kontaktieren.
Getriebe (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nocken (13) der Schwenkhebel (3, 4) die Nockenführungsfläche (12) in umfänglicher Richtung um einen Winkel von 180° versetzt kontaktieren und die Nockenführungsfläche (12) in umfänglicher Richtung einen einzigen Wendepunkt mit maximalem Abstand r_max von der Drehachse und einen einzigen Wendepunkt mit minimalem Abstand r_min von der Drehachse aufweist.
Getriebe (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nocken (13) der Schwenkhebel (3, 4) die Nockenführungsfläche (12) in umfänglicher Richtung um einen Winkel Δ versetzt kontaktieren und die Nockenführungsfläche in umfänglicher Richtung genau n Wendepunkte mit maximalem Abstand r_max von der Drehachse und genau n Wendepunkt mit minimalem Abstand r_min von der Drehachse aufweist, wobei n eine ganze natürliche Zahl ist und die Beziehung n = 180°/Δ erfüllt.
Getriebe (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzentereinheit (2) topfförmig ausgebildet ist mit einer sich quer zur Antriebsachse erstreckenden Radialwandung (7) und der sich daran außen anschließenden umfänglichen Wandung (6), wobei in der Radialwandung (7) eine Durchgangsöffnung (9) ausgebildet ist, die von der Antriebswelle (5) durchgriffen ist.
Getriebe (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzentereinheit (2) eine Nabe (8) aufweist, die relativ zur umfänglichen Wand (6) drehfest mit der Exzentereinheit (2) gekoppelt ist und eine Innenverzahnung (10) aufweist, die mit einer Außenverzahnung (11) der Antriebswelle (5) zusammenwirkt, derart, dass die Exzentereinheit (2) mit der Antriebswelle (5) drehgekoppelt und in deren Längsrichtung axialpositionierbar ist.