DE102016210533A1

DE102016210533A1 - Unendliches stufenloses Getriebe (IVT)

Info

Publication number: DE102016210533A1
Application number: DE102016210533.7A
Authority: DE
Inventors: Martin Chambrion
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-06-14
Filing date: 2016-06-14
Publication date: 2017-12-14
Anticipated expiration: 2036-06-15
Also published as: DE102016210533B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein stufenloses Getriebe (1) zur Übertragung eines Moments von einer Antriebswelle (6) auf eine Abtriebswelle (24), mit einem Schwenkhebel (4, 5), aufweisend einen Hebelarm (22), eine einerseits des Hebelarms (22) ausgebildeten Koppelstruktur (23) zur Kopplung mit der Abtriebswelle (24) über einen Freilauf (26) und einen andererseits des Hebelarms (22) ausgebildeten Nocken (15), und mit einer verstellbaren und einerseits mit dem Nocken (15) und andererseits mit der Antriebswelle (6) zusammenwirkenden Exzentereinheit (2, 3), wobei die Exzentereinheit (2, 3) eine Mehrzahl gelenkig miteinander verbundene und zueinander relativpositionierbare Kurvensegmente (12a, 12b, 12c, 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f) mit Nockenführungsflächen (14) zum Inkontaktgelangen mit dem Nocken (15) aufweist, wobei die Nockenführungsflächen (14) in einer ersten Position der Kurvensegmente (12a, 12b, 12c, 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f) zueinander gemeinsam eine kreisring-förmige Führungsbahn ausbilden und wobei die Nockenführungsflächen (14) in einer zweiten Position der Kurvensegmente (12a, 12b, 12c, 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f) zueinander gemeinsam eine von einer Kreisringform abweichende Führungsbahn mit sich in Umfangsrichtung verändern-dem Radialabstand r ausbilden.

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 Koppelung / 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 konische 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 der Riemenscheibe und dem 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“, ergo gleichmäßige Winkelgeschwindigkeit nach sich ziehender, Arbeitsweise angestrebt ist, und damit mit hohen Kosten verbunden. Zwar kann die Konstruktion vereinfacht und damit günstiger gestaltet werden, was aber eine 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, aber bekannte Nachteile vermeidet.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Getriebe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Exzentereinheit eine Mehrzahl gelenkig miteinander verbundene und zueinander relativpositionierbare Kurvensegmente mit Nockenführungsflächen zum Inkontaktgelangen mit dem Nocken aufweist, wobei die Nockenführungsflächen in einer ersten Position der Kurvensegmente, auch als Neutralposition bezeichnet, zueinander gemeinsam eine im Wesentlichen kreisringförmige Führungsbahn ausbilden und wobei die Nockenführungsflächen in einer zweiten Position der Kurvensegmente zueinander gemeinsam eine im Wesentlichen von einer Kreisringform abweichende Führungsbahn mit sich in Umfangsrichtung veränderndem Radialabstand ausbilden. Die Kurvensegmente wirken zusammen und bilden eine Art verstellbare Steuerscheibe aus, mit einer Führungsbahn, deren Form je nach Stellung der Kurvensegmente zueinander variabel ist.
Erfindungsgemäß ist zwischen den Nocken und der Führungsbahn ein 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, einer Blattfeder oder einer ähnlichen Feder, die das Hebelelement gegen die Führungsbahn vorspannt und mit einem Gehäuse oder Gehäuseteil des erfindungsgemäßen Getriebes verbunden sein kann.
Der Nocken des Schwenkhebels kann zum Beispiel als Rolle oder als Gleitelement ausgebildet sein und ist im Kontakt mit der Führungsbahn des Schwenkhebels. 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 oder steht still. 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 abhängig ist. Infolge der gegenseitigen Anlage sind die Position und damit die Bewegung des Nockens (der Rolle) von der Position bzw. der Bewegung der als Verstellerscheibe wirkenden Kurvensegmente der Exzentereinheit abhängig.
In der Neutralposition, bei der die durch die Kurvensegmente gebildete Führungsbahn für den Nocken bzw. die diesen ausbildende Rolle kreisförmig oder kreisringförmig ist, gleitet der Nocken bzw. rollt die Rolle auf dem konstantem Umfang eines Kreises. Das Zentrum dieses Kreises befindet sich auf die 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 Nabe und den Kurvensegmenten unter dem Nocken, ohne ein Verschwenken des Schwenkhebels um die Achse der Abtriebswelle zu bewirken. Infolgedessen erfolgt kein Antrieb der Abtriebswelle durch den Schwenkhebel.
Wird nur die relative Position der Kurvensegmente zueinander variiert und dadurch eine von der Kreisform abweichende Form der Führungsbahn erzeugt, kommt es durch die Anlage des Nockens daran zu einer Schwenkbewegung des Schwenkhebels um die Achse der Abtriebswelle herum.
Das Profil kann insbesondere derart gewählt sein oder ausgebildet werden, dass ein Arbeitsbereich, über den der Nocken infolge von einer 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 Antriebswellen(ver)drehung und der Abtriebswellen(ver)drehung nahezu konstant ist, was zu einer nahezu homokinetischen Charakteristik des Systems führt. Ein Beispiel für ein solches Profil ist 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 befindlich ist, 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 je 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 einer 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 zwei oder mehr verstellbare Exzentereinheiten und zwei oder mehr jeweils einer Exzentereinheit zugeordnete Schwenkhebel aufweist. Dabei weist jeder der bspw. 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. Jede der beiden Exzentereinheiten ist verstellbar und wirkt einerseits mit dem Nocken eines ihr zugeordneten Schwenkhebels und andererseits mit der Antriebswelle zusammen. Des Weiteren weist jede der beiden Exzentereinheiten jeweils eine Mehrzahl gelenkig miteinander verbundene und zueinander relativpositionierbare Kurvensegmente mit Nockenführungsflächen zum Inkontaktgelangen mit dem Nocken auf. Die Nockenführungsflächen jeder Exzentereinheit bilden in einer ersten Position der Kurvensegmente zueinander gemeinsam eine im Wesentlichen kreisringförmige Führungsbahn aus. In einer zweiten Position der Kurvensegmente zueinander bilden die Nockenführungsflächen gemeinsam eine im Wesentlichen von einer Kreisringform abweichende Führungsbahn mit sich in Umfangsrichtung veränderndem Radialabstand aus. Die beiden Exzentereinheiten sind relativ zueinander verdreht positioniert. Das bedeutet, dass sie derart zueinander positioniert sind, dass ein radialferner Abschnitt der Führungsfläche der einen Exzentereinheit in umfänglicher Richtung überdeckend mit einem radialnahen Abschnitt der Führungsfläche der anderen Exzentereinheit angeordnet und ausgebildet ist. Das bedeutet insbesondere, dass ein Abschnitt mit zunehmendem radialem Abstand der Führungsfläche der einen Exzentereinheit in umfänglicher Richtung überdeckend mit einem Abschnitt mit abnehmendem radialen Abstand der Führungsfläche der anderen Exzentereinheit angeordnet ist.
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. So ist ein fortwährender und nahezu homokinetischer Antrieb der Abtriebswelle durch das Getriebe sichergestellt.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung im Vergleich zu einem bekannten Kurbel-CVT-Getriebe ist dessen kleine Baugröße, insbesondere ein Längsrichtung. 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.
Eine weitere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass beide Schwenkhebel mit der Abtriebswelle gekoppelt sind. Auf diese Weise kann ein besonders einfacher, robuster und leichter Aufbau erzielt werden. Zudem ist sichergestellt, dass beide Schwenkhebel und beide Exzentereinheiten mit der gleichen Leistung / Geschwindigkeit angetrieben werden, was für eine gleichmäßige Homokinetik günstig ist. Insbesondere sind beide Schwenkhebel jeweils über einen Freilauf mit gleicher Freilaufrichtung mit der Abtriebswelle gekoppelt. Die Kopplung des Schwenkhebels 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.
Eine weitere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Exzentereinheit eine drehfest mit der Antriebswelle gekoppelte Nabe aufweist. Des Weiteren kann die Exzentereinheit mittels der Antriebswelle rotatorisch angetrieben sein. Dies kann insbesondere durch Kraftschluss oder Formschluss der Nabe der Exzentereinheit mit der Antriebswelle erfolgen, zum Beispiel über eine Welle-Nabe-Verzahnung. Im Falle von zwei Exzentereinheiten sind beide über die Antriebswelle angetrieben, vorzugsweise insbesondere direkt angetrieben, so dass ein harmonischer Gleichlauf beider Exzentereinheiten gesichert ist.
Eine weitere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Exzentereinheit erste Kurvensegmente und zweite Kurvensegmente aufweist, die jeweils einerseits drehbar an der Nabe angelenkt sind, und jeweils andererseits miteinander gekoppelt sind, derart dass jeweils ein erstes Kurvensegment mit einem zweiten Kurvensegment gekoppelt ist. Die jeweiligen Kopplungen mit der Nabe bilden Drehpunkte aus, um die die Kurvensegmente bei einem Verstellen rotieren können. Die jeweiligen Kopplungen zwischen den Kurvensegmenten ermöglichen eine Relativbewegung der Kurvensegmente zueinander, insbesondere eine Relativdrehung ggf. überlagert mit einer Relativtranslation. Auf diese Weise ist eine einfache Verstellbarkeit der Kurvensegmente sichergestellt.
Eine weitere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Kurvensegmente und die zweiten Kurvensegmente einander überlappend, insbesondere in einer Richtung parallel zur Antriebsachse einander überlappend, mit einem Bolzen, Niet, Zapfen oder ähnlichem Element relativ zueinander sowie relativ zur Nabe drehbar an dieser angelenkt sind. Dabei kann der Bolzen kreisrunde Durchgangslöcher oder Durchgangsbohrungen durchgreift, die jeweils in der Nabe, dem ersten Kurvensegment und dem zweiten Kurvensegment ausgebildet sind. Derart wird eine reine Rotation der Kurvensegmente um ihren Anlenkpunkt an der Nabe ermöglicht.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die ersten Kurvensegmente und die zweiten Kurvensegmente andererseits einander überlappend, insbesondere in einer Richtung parallel zur Antriebsachse einander überlappend, mit einem Bolzen, Niet, Zapfen oder ähnlichem Element relativ zueinander rotatorisch und translatorisch gekoppelt sind. Dabei kann der Bolzen ein im ersten Kurvensegment ausgebildetes kreisrundes Durchgangsloch und ein im zweiten Kurvensegment ausgebildetes Langloch durchgreifen. Alternativ kann der Bolzen ein im zweiten Kurvensegment ausgebildetes kreisrundes Durchgangsloch und ein im ersten Kurvensegment ausgebildetes Langloch durchgreifen. Durch Vorsehen des Langlochs ist eine translatorische Ausgleichsbewegung bei einem Verschwenken der Kurvensegmente um ihre Drehpunkte an der Nabe möglich.
Eine weitere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass Getriebe zum Relativpositionieren der Kurvensegmente eine Steuerscheibe oder eine Verstellerscheibe aufweist. Diese rotiert zusammen mit der Antriebswelle, kann aber einer zusätzlichen Rotationskomponente in oder entgegen der Drehrichtung der Antriebswelle unterzogen werden. Infolge der zusätzlichen Rotationskomponente, die relativ zur Nabe und damit zu den Kurvensegmenten erfolgt, kann eine Verstellung der Kurvensegmente bewirkt werden.
Die Steuerscheibe oder Verstellerscheibe kann insbesondere bogenförmige, durchgehende Langlöcher aufweisen, deren Längsachse sich jeweils sowohl in tangentialer als auch in radialer Richtung erstreckt. Diese Langlöcher sind jeweils von einem die ersten Kurvensegmente mit den zweiten Kurvensegmenten verbindenden Bolzen, Stift, Zapfen oder ähnlichem Elemente durchgriffen. Bei einem Verstellen der Steuerscheibe oder Verstellerscheibe relativ zur Nabe und den Kurvensegmenten infolge eines Aufbringens einer zusätzlichen Rotationskomponente werden die Bolzen in den Langlöchern in radialer Richtung verlagert oder verschoben, was wiederum zu einer Verlagerung der Steuerscheiben in Form einer Rotation um ihre jeweiligen Anlenkpunkte an der Nabe führt.
Man kann auch sagen, dass mit der vorliegenden Erfindung ein einfaches formschlüssiges unendliches und nahezu homokinetisches stufenloses Getriebe bereitgestellt wird. Dessen formschlüssige Kraftübertragung stellt einen hohen Wirkungsgrad (ähnlich wie bei einem Handschaltgetriebe) sicher. Die Möglichkeit, eine unendliche Übersetzung zu schalten, erlaubt auf einen Einsatz einer Kupplung im Antriebsstrang zu verzichten. Die im Wesentlichen vorliegende Homokinetik des Systems, die bei einem bekannten Kurbel-CVT einen aufwändigen Einsatz mehrerer Hebeltriebe verlangt, vermeidet ein Auftreten von zusätzlichen Schwingungen. Eine wichtige Besonderheit der Konstruktion ist die Einfachheit der Ausführung, die das Getriebe konkurrenzfähig macht.
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 keine Drehzahl 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 eine maximale Drehzahl 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 in einer gegenüber der Neutralstellung verstellten Position,
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, und
8 eine Steuerscheibe in einer Aufsicht.
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 erste Exzentereinheit 2, eine zweite Exzentereinheit 3, einen ersten Schwenkhebel 4 und einen zweiten Schwenkhebel 5 auf.
Die Exzentereinheiten 2, 3 können auch als Kurvenscheiben 2, 3 bezeichnet werden und sind beide mit einer Antriebswelle 6 verbunden. Die Exzentereinheiten 2, 3 gleichen einander und werden nachfolgend mit Bezug auf nur eine Exzentereinheit 2, 3 beschrieben. Die Exzentereinheit 2, 3 weist eine Nabe 7 auf, die mit einer mittigen Durchgangsöffnung 8 versehen ist, in der eine Innenverzahnung 9 ausgebildet ist. Die Durchgangsöffnung 8 ist von der Antriebswelle 6 durchgriffen, die ihrerseits eine zur Innenverzahnung 9 passende Außenverzahnung 10 aufweist. Die Innenverzahnung 9 und die Außenverzahnung 10 stehen miteinander in Eingriff (siehe 1), so dass ein Drehmoment von der Antriebswelle 6 auf die Nabe 7 übertragen werden kann. Wie in den 2 und 4 teilweise erkennbar ist, weist die Nabe 7 eine annähernd dreieckige Gestalt auf. In den Eckbereichen der Nabe 7 weist diese in den Figuren nicht erkennbare Durchgangsöffnungen auf, die von jeweils einem Bolzen 11 durchgriffen sind.
Die Exzentereinheit 2, 3 weist des Weiteren eine Kurvenscheibe 25 auf, die aus drei ersten Kurvensegmenten 12a, 12b, 12c und sechs zweiten Kurvensegmenten 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f ausgebildet ist. Diese weisen an ihren radial nach außen weisenden Seiten Führungsflächen 14 auf, die zusammen einen Führungsbahn für eine Rolle 15 der Schwenkhebel 3, 4 bilden. Jeweils zwei zweite Kurvensegmente 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f sind einander in axialer Richtung gegenüberliegend angeordnet, derart, dass zwischen zwei einander gegenüberliegenden zweiten Kurvensegmenten 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f jeweils ein erstes Kurvensegment 12a, 12b, 12c angeordnet ist.
Die zweiten Kurvensegmente 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f weisen jeweils an jedem Ende eine runde Durchgangsöffnung 16 auf. Die ersten Kurvensegmente 12a, 12b, 12c weisen jeweils an einem Ende eine runde Durchgangsöffnung 17 und am gegenüber liegenden Ende jeweils ein durchgehendes Langloch 18 auf. Die Bolzen 11, die die Durchgangsöffnungen der Nabe 7 durchgreifen, durchgreifen außerdem die runden Durchgangsöffnungen 16 der zweiten Kurvensegmente 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f und die runden Durchgangsöffnungen 17 der ersten Kurvensegmente 12a, 12b 12c. Die ersten und zweiten Kurvensegmente 12, 13 sind damit um die in den Durchgangsöffnungen der Nabe 7 angeordneten Bolzen 11 schwenkbar (vergleiche Figuren 1 und 2). Jeweils ein Bolzen 19 durchgreift eine der verbleibenden Durchgangsöffnungen 16 der zweiten Kurvensegmente 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f sowie eines der Langlöcher 18 der ersten Kurvensegmente 12a, 12b, 12c, ohne mit der Nabe 7 zu interagieren. Die Bolzen 19 bilden auf diese Weise jeweils eine gelenkige Verbindung zwischen einem ersten Kurvensegment 12a, 12b 12c und zwei einander gegenüberliegenden zweiten Kurvensegmenten 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f aus, die eine Rotation und einen Translation der genannten Kurvensegmente 12, 13 relativ zueinander ermöglichen.
Axial zwischen den beiden Exzentereinheiten 2, 3 ist eine Steuerscheibe 20 angeordnet. Diese ist in einer Aufsicht einzeln in 8 gezeigt. Sie weist eine der Anzahl an Bolzen 11, 19 entsprechende Anzahl an durchgehenden Langlöchern 21a, 21b, 21c, 21d, 21e, 21f auf, also im vorliegenden Beispiel insgesamt sechs. Die Langlöcher 21a, 21b, 21c, 21d, 21e, 21f sind jeweils leicht bogenförmig ausgebildet und in umfänglicher Richtung von radial innen nach radial außen, man kann auch sagen spiralförmig. Die Langlöcher 21a, 21c, 21e sind von den Bolzen 19, die nicht mit der Nabe 7 interagieren, der Exzentereinheit 2 durchgriffen, während die Langlöcher 21b, 21d, 21f von den Bolzen 19, die nicht mit der Nabe 7 interagieren, der Exzentereinheit 3 durchgriffen sind. Mittig weist die Steuerscheibe 20 eine Durchgangsöffnung 31 auf, die von der Antriebswelle 6 durchgriffen ist.
Bei Betrachtung der 1, 2 und 5 wird deutlich, dass durch relatives Verdrehen der Steuerscheibe 20 zur Nabe 7 eine Verstellung der Kurvensegmente 12, 13 relativ zueinander erfolgt. 1 zeigt einen Zustand, in dem sich das Getriebe in einer neutralen Position befindet, in der keine Drehzahl vom Antrieb zum Abtrieb übertragen wird. In diesem Zustand ist die Steuerscheibe 20 derart zur Nabe 7 relativpositioniert, dass sich die Bolzen 19 in den radial äußeren Endbereichen der Langlöcher 21a, 21b, 21c, 21d, 21e, 21f befinden. In dieser neutralen Position bilden die äußeren Führungsflächen 14 zusammen eine kreisringförmige Führungsbahn für die Rolle 15 aus, die besonders gut in den 1 und 4 zu erkennen ist. In dieser neutralen Position ist die Verdrehung der Abtriebswelle nach vorwärts möglich (der Freilauf lässt die Rotation des Hebels in dieser Richtung zu), kann in die entgegengesetzte Richtung, quasi nach rückwärts aber unmöglich sein. Man kann sich vorstellen, dass der Fahrer so ohne Handbremsen Berganfahrt ausführen kann. Eine solche neutrale Position unterscheidet sich grundsätzlich von der „Neutral-Position“ eines Handschaltgetriebes, indem das übertragene Moment nach „rückwärts“ unendlich groß sein kann.
2 zeigt einen verstellten Zustand, in dem sich das Getriebe in einer maximal verstellten Position befindet, in der eine maximale Drehzahl und ein Drehmoment vom Antrieb zum Abtrieb übertragen wird. In dieser maximal verstellten Position bilden die äußeren Führungsflächen 14 zusammen eine Führungsbahn für die Rolle 15 mit von der Kreisringform abweichender Form mit sich in Umfangsrichtung veränderndem Radialabstand aus. Diese Form ist besonders gut in den 2 und 5 zu erkennen und entspricht einem Dreieck mit gerundeten Kanten zwischen seinen Ecken, man kann also sagen einem dreieckigen Trochoiden, ähnlich dem Kolben eines Wankelmotors.
Die Schwenkhebel 4, 5 sind ebenfalls gleich ausgebildet und werden im Nachfolgenden anhand eines Schwenkhebels 4, 5 erläutert. Der Schwenkhebel weist einen Hebelarm 22, eine einerseits des Hebelarms 22 ausgebildeten Koppelstruktur 23 zur Kopplung mit einer Abtriebswelle 24 über einen Freilauf 26 und einen andererseits des Hebelarms 22 ausgebildeten Nocken 15 oder Rolle 15 auf. Innerhalb der Koppelstruktur 23 sind der Freilauf 26 und ein mit einer Außenverzahnung 27 und einer Innenverzahnung 28 versehenes Koppelzahnrad 29 angeordnet. Die Abtriebswelle 24 eine weist eine Außenverzahnung 30 auf, die mit der Innenverzahnung 28 des auf die Abtriebswelle 24 aufgeschobenen Koppelzahnrads 29 zusammenwirkt, so dass vom letzteren ein Drehmoment auf die Abtriebswelle 24 übertragen werden kann. Man kann also sagen, dass die Rotationsachse der Abtriebswelle 24 gleichfalls die Drehachse für den Schwenkhebel 4, 5 darstellt, um den dieser bei einer Schwenkbewegung infolge einer Aktuierung durch die entsprechende Exzentereinheit 2, 3 verschwenkt. Der Schwenkhebel 4, 5 ist mittels eines in den Figuren nicht dargestellten Vorspannelements gegen die jeweilige Exzentereinheit 2, 3 vorgespannt, derart, dass die Rolle 15 / der Nocken 15 in eine Anlage an die durch die Führungsflächen 14 der Kurvensegmente 12, 13 gebildete Führungsbahn gedrängt wird und gehalten ist.
Insbesondere in 2 ist gezeigt, dass die beiden Exzentereinheiten 2, 3 nicht gleichwirkend angeordnet sind, sondern relativ zueinander verdreht angeordnet sind, derart, dass erste Kurvensegmente 12a, 12b, 12c der ersten Exzentereinheit 2 zweiten Kurvensegmenten 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f der zweiten Exzentereinheit 3 gegenüber liegend angeordnet sind, und dass erste Kurvensegmente 12a, 12b, 12c der zweiten Exzentereinheit 3 zweiten Kurvensegmenten 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f der ersten Exzentereinheit 2 gegenüber liegend angeordnet sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Exzentereinheiten um einen Winkel von 60° zueinander verdreht. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass stets einer der beiden Schwenkhebel 2, 3 in Sperrrichtung des Freilaufs 26 geschwenkt wird, während der andere der beiden Schwenkheben in Freigaberichtung des Freilaufs 26 verschwenkt wird. Ein fortwährender und bei geeigneter Geometrie der Kurvensegmente 12, 13 homokinetischer Antrieb der Abtriebswelle 24 ist die Folge. Die Übersetzung des Getriebes 1 ist von der Differenz zwischen dem minimalen Abstand der Führungsbahn 14 von der Drehachse der Nabe 7 (r_min 32) und dem maximalen Abstand der Führungsbahn 14 von der Drehachse der Nabe 7 (r_max 33) abhängig.
Der Winkel Θ bezeichnet den Drehwinkel der Exzentereinheit 2, 3 und damit der Nabe 7, siehe 6. Diese zeigt ein Diagramm, in dem ein Verlauf der Führungsfläche 14 der Exzentereinheit 2, 3 anhand ihres Abstands r (Ordinate) von ihrer Drehachse der Nabe 7 aufgetragen über einem Drehwinkel Θ (Abszisse) verdeutlicht ist.
Man kann also sagen, dass das Getriebe 1 im Wesentlichen aus zwei Kurvenscheiben 25 und zwei Hebelabtrieben 4, 5 besteht. Die Kurvenscheiben 25 sind mit der Antriebswelle 6 verbunden. Die Hebelabtriebe 4, 5 sind jeweils mit der Abtriebswelle 24 verbunden. Die Hebel 22, 15 der Hebelabtriebe 4, 5 sind im Kontakt mit der jeweiligen Kurvenscheibe 25, d.h. mit deren Führungsflächen 14, was in Kombination mit der Rotation der Kurvenscheibe 25 eine Schwingerbewegung oder Schwenkbewegung der Hebel 4, 5, 22 erzeugt.
Zwischen den Kurvenscheiben 25 befindet sich die Verstellerscheibe 20. Die Verstellerscheibe 20 dreht mit der gleichen Drehzahl wie die Kurvenscheiben 25, allerdings ist eine relative Verdrehung der Verstellerscheibe 20 möglich. So kann die Form der Kurvenscheiben 25 angepasst werden. Die Hebelantriebe 4, 5 treiben die gleiche Welle 24 an. Die Hebelabtriebe 4, 5 bestehen jeweils aus einem Hebel 22, der über einen Freilauf 26 mit der Abtriebswelle 24 verbunden ist. Bei dem dargestellten Beispiel drehen sowohl die Antriebswelle 6 als auch die Abtriebswelle 24 im Uhrzeigersinn. Die Anordnung der Freiläufe 26 lässt eine Übertagung eines Hebelmoments zu nur, wenn die Momente des Schwenkhebels 2 und des Schwenkhebels 3 im Uhrzeigersinn wirken. Wenn die Verstellerscheibe 20 in Bezug auf die Nabe 7 verdreht wird, verschiebt sich ein durch die Bolzen 19 gebildetes Verstellungsgelenk nach innen (siehe 5), was die Form der Führungsbahn und damit infolge der Rotation der Exzentereinheiten die radiale Position der Rolle 15 ändert. Als Beispiel kann ein Bahnprofil in der Abbil betrachtet werden. Man sieht hier zwei Bereiche. In einem ersten Winkelbereich α liegt der Arbeitsbereich des Schwenkhebels 4, 5. In diesem Bereich α steht die Rolle 15 mit einem als Schubstück wirkenden Kurvensegment 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f in Kontakt. Ein anschließender Winkelbereich β entspricht einem Rückstellbereich des Schwenkhebels 4, 5. Im Bereich β steht die Rolle 15 in Kontakt mit einem ein Rückstellstück ausbildenden Kurvensegment 12a, 12b, 12c.
Das in den 1 und 2 gezeigte Getriebe weist drei Schubaktionen pro Schwenkhebel 4, 5 pro Umdrehung der Antriebswelle 6 (siehe auch 6). Es ist möglich und liegt im Rahmen der Erfindung, die Homokinetik des Systems zu verbessern, indem durch eine größere Anzahl an Kurvensegmenten 12,13 und Bolzen 19 die Schubanzahl pro Umdrehung erhöht ist.
Bezugszeichenliste

1: Getriebe
2: erste Exzentereinheit
3: zweite Exzentereinheit
4: erster Schwenkhebel
5: zweiter Schwenkhebel
6: Antriebswelle
7: Nabe
8: Durchgangsöffnung
9: Innenverzahnung
10: Außenverzahnung
11: Bolzen
12: erstes Kurvensegment (12a, 12b, 12c)
13: zweites Kurvensegment (13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f)
14: Führungsfläche
15: Rolle, Nocken
16: Durchgangsöffnung
17: Durchgangsöffnung
18: Langloch
19: Bolzen
20: Steuerscheibe
21: Langloch (21a, 21b, 21c, 21d, 21e, 21f)
22: Hebelarm
23: Koppelstruktur
24: Abtriebswelle
25: Kurvenscheibe
26: Freilauf
27: Außenverzahnung
28: Innenverzahnung
29: Koppelzahnrad
30: Außenverzahnung
31: Durchgangsöffnung
32: r_min
33: r_max
α: Schubwinkelbereich
β: Rückstellbereich
r: radialer Abstand
Θ: Drehwinkel

Claims

Stufenloses Getriebe (1) zur Übertragung eines (Dreh-)Moments von einer Antriebswelle (6) auf eine Abtriebswelle (24), mit einem Schwenkhebel (4, 5), aufweisend einen Hebelarm (22), eine einerseits des Hebelarms (22) ausgebildeten Koppelstruktur (23) zur Kopplung mit der Abtriebswelle (24) über einen Freilauf (26) und einen andererseits des Hebelarms (22) ausgebildeten Nocken (15), und mit einer verstellbaren und einerseits mit dem Nocken (15) und andererseits mit der Antriebswelle (6) zusammenwirkenden Exzentereinheit (2, 3), dadurch gekennzeichnet, dass die Exzentereinheit (2, 3) eine Mehrzahl gelenkig miteinander verbundene und zueinander relativpositionierbare Kurvensegmente (12a, 12b, 12c, 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f) mit Nockenführungsflächen (14) zum Inkontaktgelangen mit dem Nocken (15) aufweist, wobei die Nockenführungsflächen (14) in einer ersten Position der Kurvensegmente (12a, 12b, 12c, 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f) zueinander gemeinsam eine kreisringförmige Führungsbahn ausbilden und wobei die Nockenführungsflächen (14) in einer zweiten Position der Kurvensegmente (12a, 12b, 12c, 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f) zueinander gemeinsam eine von einer Kreisringform abweichende Führungsbahn mit sich in Umfangsrichtung veränderndem Radialabstand r ausbilden.
Getriebe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieses zwei verstellbare Exzentereinheiten (2, 3) und zwei jeweils einer Exzentereinheit (2, 3) zugeordnete Schwenkhebel/4, 5) aufweist.
Getriebe (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Schwenkhebel (4, 5) mit der Abtriebswelle (24) gekoppelt sind.
Getriebe (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzentereinheit (2, 3) mittels der Antriebswelle (6) rotatorisch angetrieben ist.
Getriebe (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzentereinheit (2, 3) eine drehfest mit der Antriebswelle (6) gekoppelte Nabe (7) aufweist.
Getriebe (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzentereinheit (2, 3) erste Kurvensegmente (12a, 12b, 12c) und zweite Kurvensegmente (13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f) aufweist, die jeweils einerseits drehbar an der Nabe (7) angelenkt sind, und jeweils andererseits miteinander gekoppelt sind, derart dass jeweils ein erstes Kurvensegment (12a, 12b, 12c) mit einem zweiten Kurvensegment (13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f) gekoppelt ist.
Getriebe (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Kurvensegmente (12a, 12b, 12c) und die zweiten Kurvensegmente (13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f) einander überlappend mit einem Bolzen (11), Niet oder Zapfen relativ zueinander sowie relativ zur Nabe (7) drehbar an dieser angelenkt sind, wobei der Bolzen (11) kreisrunde Durchgangslöcher (16, 17) durchgreift, die jeweils in der Nabe (7), dem ersten Kurvensegment (12a, 12b, 12c) und dem zweiten Kurvensegment (13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f) ausgebildet sind.
Getriebe (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Kurvensegmente (12a, 12b, 12c) und die zweiten Kurvensegmente (13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f) andererseits einander überlappend mit einem Bolzen (19), Niet oder Zapfen relativ zueinander rotatorisch und translatorisch gekoppelt sind, wobei der Bolzen (19) ein im ersten Kurvensegment (12a, 12b, 12c) ausgebildetes kreisrundes Durchgangsloch (16) und ein im zweiten Kurvensegment (13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f) ausgebildetes Langloch (18) durchgreift oder wobei der Bolzen (19) ein im zweiten Kurvensegment (13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f) ausgebildetes kreisrundes Durchgangsloch (16) und ein im ersten Kurvensegment (12a, 12b, 12c) ausgebildetes Langloch (18) durchgreift.
Getriebe (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses zum Relativpositionieren der Kurvensegmente (12a, 12b, 12c, 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f) eine Steuerscheibe (20) aufweist.
Getriebe (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerscheibe (20) bogenförmige, durchgehende Langlöcher (21a–f) aufweist, deren Längsachse sich jeweils sowohl in tangentialer als auch in radialer Richtung r erstreckt, wobei die Langlöcher (21a–f) jeweils von einem die ersten Kurvensegmente (12a, 12b, 12c) mit den zweiten Kurvensegmenten (13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f) verbindenden Bolzen (18), Stift oder Zapfen durchgriffen ist.