DE10221369C1 - Reibrollengetriebe mit stufenlos veränderbaren Übersetzungsverhältnis - Google Patents

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Reibrollengetriebe, welches ein stufenloses Ändern der Übersetzungsverhältnisse auch während des Betriebes ermöglicht. Die Variation der Übersetzungsverhältnisse wird durch mindestens einen schwenkbaren Rotationskörper, der die geometrischen Eigenschaften eines Gleichdicks besitzt, realisiert. Der Rotationskörper rotiert zwischen mindestens zwei Laufflächen, an denen er mittels Reibschluss abrollt. Je nach Lage der Laufflächen zum Rotationskörper werden unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse realisiert. Die nötige Drehmomentübertragung und das Übersetzungsverhältnis können entsprechenden Forderungen angepasst werden.

Description

Es ist bekannt, dass zur optimalen Nutzung des Drehzahl- zu Drehmomentverhältnisses in den verschiedensten Antriebseinheiten ein Getriebe mit stufenlos veränderbaren Übersetzungsverhältnis erforderlich ist.

Diesen Anforderungen entsprechend, bietet der momentane Stand der Technik stufenlose Getriebe, auch CVT-Getriebe genannt, deren Ausführungen im allgemeinen in Reibrollen- oder Umschlingungsgetriebe eingeteilt sind. Solche Getriebe sind bspw. aus DE 196 29 731 C1 und GB 20 25 545 bekannt.

Da beide Getriebeformen das Drehmoment nicht formschlüssig, sondern nur kraftschlüssig übertragen können, muss die für die Drehmomentübertragung erforderliche Haftreibung der übersetzungsgebenden Rotationskörper bzw. Umschlingungsmedien über einen relativ hohen Anpressdruck sichergestellt werden.

Weil sich diese Anpresskräfte bei herkömmlichen Konstruktionen je nach geforderter Leistung und geforderten Übersetzungsverhältnis nachteilig verändern und des weiteren sich diese oft auch auf mehrere Achsen im übersetzungsgebenden Teil des Getriebes verteilen, sind diese technisch nur schwer bzw. mit zusätzlichen Einbusen im Wirkungsgrad realisierbar.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Variierung der Übersetzungsverhältnisse schnell und ohne jegliche Leistungsreduzierung während des Stellvorganges mit geringen Verstellkräften zu verwirklichen.

Nachfolgend erläuterte Erfindung beschreibt den übersetzungsgebenden Teil und weitere technische Merkmale eines stufenlos einstellbaren Getriebes, das der Kategorie der Reibrollengetriebe zuzuordnen ist.

Die Geometrie und Funktion des im Hauptanspruch bezeichneten Rotationskörpers löst in Verbindung mit anderen konstruktiven Merkmalen in der Gesamtheit die oben geschilderten Probleme und bietet enorme Vorteile.

Auf einem solchen erfindungsgemäßen Rotationskörper beruhend, lassen sich Reibrollengetriebe mit stufenloser Übersetzung realisieren. Hierdurch ergibt sich eine höhere Flexibilität im Gesamtaufbau einer entsprechenden Antriebseinheit. Im Vergleich zu Umschlingungsgetrieben, die mit einem Schubgliederband oder einer Laschenkette arbeiten, weist das erfindungsgemäße Reibrollengetriebe eine geringere Geräuschemission auf. Desweiteren können auch Getriebe mit mehreren Ausgangswellen konstruiert werden, wie zum Beispiel sog. Differentialgetriebe im Kfz-Bereich, bei denen die Kraftverteilung auf die einzelnen Räder selbstregelnd erfolgt.

Die konstruktiven Merkmale des Rotationskörpers werden im nächsten Abschnitt erklärt.

Rotationskörper- und Funktionsbeschreibung nach Fig. 1

Dem Rotationskörper liegt ein gleichseitiges Dreieck mit den Punkten P1, P2 und P3 zu Grunde, wie in Fig. 1 gezeigt. Die Außenkontur setzt sich aus jeweils drei Kreisbögen mit den gleichen Radien r1 und drei Kreisbögen mit den gleichen Radien r2 zusammen. Diese insgesamt sechs Kreisbögen, von denen jeder einen Bogenwinkel von jeweils 60° bildet, setzen sich zu einem unkreisförmigen Gleichdick zusammen. Dieses Gleichdick weist, wie eine Kugel, die Besonderheit auf, dass eine Gerade G, die durch die Berührungspunkte parallel gegenüberliegender Tangenten T1 und T2 an das Gleichdick gezogen wird, senkrecht auf den Tangenten T1 und T2 steht. Die Tangenten haben unabhängig von der Lage des Gleichdicks stets den Abstand a + 2.r2. Die Mittelpunkte der Radien r2 befinden sich in den Punkten P1, P2 und P3 des gleichseitigen Dreieckes. Der Radius r2 kann beliebig gewählt werden. Radius r1 ergibt sich aus der Seitenlänge a des gleichseitigen Dreieckes plus dem Radius r2 (r1 = a + r2). Die Radien r1 haben ebenfalls ihre Mittelpunkte in den Punkten P1, P2 und P3 des gleichseitigen Dreiecks. Die Wahl der Radien r1 und r2 wirkt sich im Betrieb auf die Einstellcharakteristik des Getriebes aus. Mit a = 0 wird das Gleichdick zum Kreis.

Wird die sich ergebende Kontur des Gleichdickes um die Achse A rotiert, ergibt sich ein dreidimensionaler Rotationskörper, der das übersetzungsgebende Teil im Getriebe ist. Die Achse, um die die Rotation erfolgt, schneidet den Punkt P2 und geht lotrecht durch die gegenüberliegende Seite a des gleichseitigen Dreieckes P1, P2 und P3. Diese konstruktive Achse ist gleich der Achse im Getriebe, um die sich der Rotationskörper während des Betriebes dreht.

Durch Variation des Schrägstellwinkel α, der zwischen der Rotationsachse A und den Tangenten T1 und T2 besteht, kann das Übersetzungsverhältnis eingestellt bzw. verändert werden. Dieser Schrägstellwinkel α, der stufenlos in einem gewissen Bereich wählbar ist, wirkt sich auf die Abrollradien Rx des übersetzungsgebenden Teiles aus. Die beiden Abrollradien Rx in Szenario 1 (durchgezogene Linien T1 und T2) stehen sich im gleichen Längenverhältnis 1 : 1 symmetrisch gegenüber und ergeben durch das Abrollen an zylindrischen oder scheibenförmigen rotierenden Laufflächen des An- und Abtriebes das Übersetzungsverhältnis von 1 : 1. In diesem Szenario 1 steht die Achse des Rotationskörpers parallel zu den Laufflächen.

In Szenario 2 wird nun der Rotationskörper zu den Laufflächen geschwenkt (gestrichelte Linien T1 und T2). Die Achse A steht jetzt im Schrägstellwinkel α zu den beiden Laufflächen T1 und T2. Die beiden Berührungspunkte aus Szenario 1 verschieben sich und verändern gleichzeitig die übersetzungsgebenden Abrollradien Rx zu Rx1 und Rx2, deren Summe jedoch konstant 2Rx bleibt. Die wirksamen Abrollradien Rx1 und Rx2 liegen immer rechtwinklig zur Rotationskörperachse.

Die für ein Reibrollengetriebe notwendige Anpresskraft F, die zwischen den Laufflächen der übersetzungsgebenden Elemente wirkt, liegt stets als Normalkraft senkrecht auf den Tangentialflächen T1 und T2. Da die beiden Berührungspunkte zwischen dem Rotationskörper und den Laufflächen des An- und Abtriebselementes, wie bei einer Kugel, sich stets diametral gegenüber liegen, können Anpresskräfte ähnlich wie beim Kugellager aufgenommen werden, ohne sich auf die Lage des Rotationskörpers auszuwirken. Daraus folgt, dass keine Kräfte oder Momente auftreten, die ein Verstellen der Achse des Rotationskörpers und der jeweils eingestellten Übersetzung des Getriebes hervorrufen. Deshalb entstehen, durch die aufzubringende Anpresskraft F keine Kräfte auf die Lagerung des Rotationskörpers.

Die zwischen dem Rotationskörper und den An- und Abtriebsrädern T1 und T2 in den Berührungspunkten auftretende Bohrreibung ist, wie bei axialen Kugellagern, technisch beherrschbar und stellt kein Risiko für Lebensdauer, Verschleiß und Wirkungsgrad des Reibrollengetriebes dar.

Vorteile des erfindungsgemäßen Getriebes

• - Das Getriebe erweist sich aufgrund seines Aufbaus als spielfrei.
• - Hohe Kräfte, die auf die Getriebekomponenten wirken, können besser übertragen und aufgefangen werden.
• - Mit wenigen Bauteilen sind große Übersetzungsbereiche stufenlos einstellbar.
• - Durch die kontinuierlichen Drehbewegungen aller Rotationskörper, erweist sich das Getriebe als geräusch-/vibrationsarm.
• - Eine Beschädigung des Getriebes wird durch Rutschen bei Überlast vermieden. Das Getriebe kann deshalb auch als Überlastschutz dienen.
• - Die Auslegung des Getriebes auf verschiedenste Eingangskräfte/Eingangsmomente ist möglich.
• - Eine hohe Variabilität der Übersetzung ist trotz kompakter Bauweise möglich.
• - Das Getriebe weist eine hohe Lebensdauer auf.

Beschreibung eines Reibrollengetriebes mit stufenlos veränderbarem Übersetzungsverhältnis in radialer Bauweise nach Fig. 2

Fig. 2 zeigt die wesentlichen Komponenten eines stufenlos einstellbaren Getriebes in radialer Bauweise, das mit obig beschriebenen Rotationskörpern (2) arbeitet. Außerdem beinhaltet dieses Getriebe eine radiale Anpresseinrichtung, um die nötige Anpresskraft dynamisch zwischen den übersetzungsgebenden Teilen aufzubringen. Der Rotationskörperkranz (3) ist bei dieser Ausführung feststehend und kann zusammen mit dem Gehäuse eine Einheit ausbilden. Die Rotationskörper (2) sind in dieser Einheit schwenkbar so gelagert, dass sie um ihre eigene Achse frei rotieren können. Über den Stellring (8) und die Umlenkhebebel (9) kann im Betrieb der Schrägstellwinkel der Rotationskörper, und somit das Übersetzungsverhältnis verändert werden. Die stufenlos variierbare Ausgangsdrehbewegung wird am sich drehenden Außenring (1) abgeleitet. Die Eingangswelle (6) bildet zusammen mit dem Spreizring (5), einem relativ zum Spreizring flexiblen Reifen (4) und den Kugeln (7) die radiale Anpresseinrichtung. Der Metallreifen (4) ist neben dem Außenring (1) die zweite erforderliche Lauffläche. Dieser Metallreifen (4) ist formschlüssig mit dem Spreizring (5) verbunden und weist die Besonderheit auf, dass sein Innendurchmesser geringfügig größer ist, als der Außendurchmesser des Spreizringes. Wird nun ausgangseitig ein höheres Drehmoment abverlangt, wird dieses über die Drehbewegung der Rotationskörper an den Metallreifen (4) weitergeleitet, der wiederum eine Drehbewegung des Spreizrings (5) zur Eingangswelle erzwingt. Durch die bogenförmigen Ausarbeitungen an der Eingangswelle (6) und an der Innenseite des Spreizrings (5) wird im Zusammenwirken mit den Kugeln nun eine Spreizung des Spreizrings (5) erzwungen. Der flexible Reifen liegt dabei immer im Bereich der Rotationskörper am Spreizring an und kann dadurch die vom Spreizring (5) ausgehenden Kräfte als Anpresskräfte an die Rotationskörper (2) weitergeben.

Beschreibung eines Reibrollengetriebes mit stufenlos veränderbarem Übersetzungsverhältnis in radialer Bauweise nach Fig. 2 und Fig. 2b

Während in Fig. 2 der radiale Aufbau bei einem Übersetzungsverhältnis von 1 : 1 zu sehen ist, zeigt die Schnittzeichnung in Fig. 2b das Getriebe bei geändertem Übersetzungsverhältnis. Deutlich zu sehen ist dabei die Schrägstellung der Rotationskörper. Die gepunkteten Linien am Rotationskörper zeigen die Abrolltangenten an denen er sich am Außen- bzw. Innenring abrollt. Sie stehen immer rechtwinkelig zur Rotationskörperachse A, und stehen somit auch für die effektiven Abrollradien, die sich je nach Schrägstellung ändern und somit das Übersetzungsverhältnis variieren.

Wird nun eine Drehbewegung über die Eingangswelle (6) eingeleitet wird der Rotationskörper über den größeren Radius in eine Drehbewegung versetzt. Er rotiert dabei immer um die Achse A. Der Außenring (1) wird dann über den kleineren Radius des Rotationskörpers (2) angetrieben und dreht sich mit verminderter Geschwindigkeit entgegengesetzt zum Innenring. Während in diesem Szenario das Getriebe ins langsamere übersetzt, wird durch Schwenken in die entgegengesetzte Richtung die Drehzahl am Außenring (1) schneller.

Im Schwenkbereich ist die Übersetzung stufenlos einstellbar, wobei die Waagerechtstellung ein Verhältnis von 1 : 1 bewirkt. In der Waagerechtstellung steht die Rotationskörperachse A parallel zu den Laufflächen, wie in Fig. 2 gezeigt.

Claims (6)

1. Stufenlos verstellbares Reibrollengetriebe dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Antriebs- (T1, 4) und Abtriebsrad (T2, 1) mindestens ein Rotationskörper (2) mit schwenkbarer Rotationsachse (A) angeordnet ist, der im Querschnitt zumindest in Teilkonturen die Kontur eines Gleichdicks aufweist.

2. Stufenlos verstellbares Reibrollengetriebe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse (A) des Rotationskörpers (2) über ein außerhalb oder innerhalb des Reibrollengetriebes angeordnetes Stellelement (8) schwenkbar ist.

3. Stufenlos verstellbares Reibrollengetriebe nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (8) ein verschieb- und/oder verdrehbares rohrförmiges Element ist.

4. Stufenlos verstellbares Reibrollengetriebe nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskörper (2) auf einer Achse (A) gelagert ist.

5. Stufenlos verstellbares Reibrollengetriebe nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass dieses als Planetengetriebe (Fig. 2 und 2b) ausgebildet ist, mit einem Sonnerad (4), einem Hohlrad (1) und Planeten (2), die von einem Planetenträger (3) gehaltenen sind, wobei die Planeten (2) als Rotationskörper (2) mit schwenkbarer Rotationsachse (A) ausgebildet sind und im Querschnitt zumindest in Teilkonturen die Kontur eines Gleichdicks aufweisen.

6. Stufenlos verstellbares Reibrollengetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass dieses mit einer mechanischen, hydraulischen oder pneumatischen Anpresseinrichtung versehen ist, die einen elastischen Spreizring (5) entsprechend dem geforderten Drehmoment zur Erzeugung einer Haftreibung radial an die Rotationskörper (2) anpresst.