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Die
Erfindung betrifft ein Zahnband entsprechend dem Oberbegriff des
Anspruchs 1, eine Zahnscheibe entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs
12 sowie den daraus resultierenden Antrieb und das Getriebe nach
den Ansprüchen
18 bzw. 19.
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Im
Stand der Technik sind verschiedene Antriebsmittel zur formschlüssigen Drehmomentübertragung
von Wellen bekannt. Diese bestehen in der Regel aus einem Zahnriemen-
oder einem Kettenantrieb. Als Beispiel sei der Zahnriemenantrieb
genannt, bei dem auf einem Riemen eine Vielzahl an Zähnen in
einer bestimmten Teilung angeordnet sind, welche mit entsprechend
gestalteten Ausnehmungen einer korrespondierenden Zahnscheibe zusammenwirken.
Nachteil des Zahnriemens ist die Verschleißanfälligkeit. Da die Krafteinleitungspunkte
der Riemenzähne
nicht in der Ebene der Zugfasern liegen, sondern die Krafteinleitung
außerhalb
des Riemens erfolgt, ergibt sich ein Versatzmoment, das zu einem Verschleiß an den
Zahnflanken oder auch im Aufbau des Zahnriemens führt. Aufgrund
dieser Verformungen verteilt sich die zu übertragende Kraft ungleich auf
die im Eingriff befindlichen Zähne,
was zu Kraftspitzen führt.
Dadurch entstehen häufig
nicht sichtbare Risse, die zu einem nicht vorhersehbaren Versagen
des Zahnriemens führen
können.
Diese Rissbildungsneigung wird durch die unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften
von Zahnaufbau (Gummi etc.) und Zugfasern (textile oder metallische
Fasern) verstärkt.
Schließlich
ist ein Zahnriemen anfällig
für Längenänderungen
durch Temperatureinflüsse
und Alterung.
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Weiter
ist im Stand der Technik ein Kettenantrieb bekannt. Dieser hat neben
dem Verschleiß in den
Kettengliedern bedingt durch die andauernde Bewegung der Kettenglieder
aneinander, den Nachteil, dass die Länge der Kette sich verändert, so
dass zum Ausgleich aufwändige
Spannvorrichtungen notwendig sind. Ferner bedarf ein Kettenantrieb
der Schmierung und ist somit in der Wartung aufwändiger als beispielsweise ein
Zahnriemenantrieb. Schließlich
ist der sogenannte Polygoneffekt nachteilig, der insbesondere bei
kleiner Zähnezahl
an dem korrespondierenden Zahnrad, dem sogenannten Ritzel, und höherer Drehzahl
zu Längs-
und Querschwingungen im Kettenantrieb führt. Schließlich kommen in den letzten
Jahren stufenlose Getriebe (auch bekannt als CVT-Getriebe: Continuously
Variable Transmission) verstärkt
zum Einsatz. So ist beispielsweise bei einem System von Audi® eine
breite Kette im Einsatz, bei der sich die Kettenbolzen auf variablen
Kegeln abstützen
(siehe auch die Internetdarstellungen unter www.audi.de). Diese
breite Kette kann vorteilhaft durch ein Zahnband ersetzt werden, was
zu mehr Laufruhe und einem geringeren Verschleiß führt. Ein sog. Schubgliederband
wird bei Kleinfahrzeugen verwendet.
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Im
Stand der Technik sind zahlreiche Versuche unternommen worden, die
oben geschilderten Nachteile von Zahnriemenantrieb und Kettenantrieb zu
verbessern. So ist aus der
US
4,493,681 ein Zahnriemen bekannt, der quer zur Laufrichtung
verlaufende metallische Verstärkungselemente
in den Zähnen eingearbeitet
aufweist. Der Verschleiß der
Zähne des Zahnriemens
soll dadurch vermindert werden. Aus der
JP 2102946 ist ein Zahnriemen in Metallbauweise
bekannt, dessen Zähne
aus einem vielfach gekanteten Metallband, und einem weiteren, außenliegenden
Band, das für
die Zugkraft zuständig
ist, bestehen. Beide Bänder
sind wiederum mittels metallischen Klammern oder Laschen verbunden.
Nachteile dieser Konstruktion sind die Formänderung im gekanteten Band
bei jedem Auf- und Ablaufen von den Zahnscheiben sowie die Reibung
zwischen den metallischen Elementen. Beide Effekte führen zu
einem Verschleiß der
Konstruktion und damit zu einer kurzen Lebensdauer. Aus der
DE 199 41 014 ist ein Zahnriemen
mit einem Festigkeitskörper
aus Metall bekannt, der Durchgangsöffnungen aufweist. Während der
Vulkanisation wird elastomeres Material durch diese Öffnungen
hindurchgedrückt,
so dass Zähne
ausgebildet werden können.
Zwar weist ein derartiger Zahnriemen gegenüber den Zahnriemen, die einen
Festigkeitskörper
aus einem textilen Material aufweisen, eine höhere Festigkeit auf, die Verschleißanfälligkeit
der Zähne
ist dadurch jedoch nicht verbessert. Aus der
DE 100 12 933 ist schließlich ein Zahnriemen
bekannt, der zahnförmig
profiliert ist und dessen Riemendicke über dem gesamten Umfang des
Riemens konstant gehalten wird. Der Riemen weist jedoch aufgrund
seiner Welligkeit nur eine geringe Zugsteifigkeit auf.
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Aus
der
EP 1 283 379 ist
ein Riemen für
ein stufenloses Getriebe bekannt. Dieser enthält einen aus einzelnen Schichten
aufgebauten Metallring und eine Vielzahl von Metallelementen, die
auf dem Metallring abgestützt
werden. Die Metallelemente sind flach und sind durch den Metallring
hindurchgeführt. Nachteilig
ist der komplexe Aufbau, insbesondere der schichtenweise Aufbau
des Metallringes, und die geringe Tragfähigkeit. Weiterhin nachteilig
ist bei dem vorgestellten Getriebe, dass nur ein sehr begrenztes
Drehmoment übertragen
werden kann.
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Weiterhin
sei auch die Laschenkette der
CH 656 198 A5 genannt, die aus einem Dreilaschenverband
besteht. Die Beweglichkeit der Kette wird durch Wiegestücke geschaffen,
die sich gegen die radialen Endstege der jeweiligen Kettenglieder
abstützen. Überträgt diese
Kette in einem Getriebe die Kraft, so zeigt sie selbst vermutlich
eine Neigung, sich gut an die Kegelscheiben des Getriebes anzupassen.
Jedoch wird dies durch eine erhöhte
Reibung zwischen den Wiegestücken
und den Laschen erkauft.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine An der Kraft- oder Momentenübertragung
bereitzustellen, die die von Zahnriemen- und Kettenantrieb bekannten
Nachteile vermeidet. Insbesondere soll das Übertragungsmittel eine reduzierte
Längendehnung
aufgrund von Verschleiß,
Temperatur oder Alterung, aufweisen, wodurch eine hohe Präzision der Kraft-
und Wegübertragung
erzielt werden soll. Ferner Soll es möglichst zuverlässig und
präzise
laufen und wartungsarm und dauerhaft haltbar sein. Es soll ferner
lange Betriebs- und Standzeiten haben.
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Diese
Aufgabe wird wenigstens teilweise gelöst durch ein Zahnband nach
Anspruch 1 und eine Zahnscheibe nach Anspruch 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das
erfindungsgemäße Zahnband
besteht, wie ein im Stand der Technik bekannter Zahnriemen, aus
einem bandförmigen
Element, auf welchem in regelmäßigen Abständen zahnförmige Eingriffselemente
angeordnet sind. Diese zahnförmigen
Eingriffselemente wirken mit einer entsprechenden Zahnscheibe zusammen
und bilden so ein neuartiges Antriebselement. Erfindungsgemäß ist nun
vorgesehen, dass die Eingriffselemente aus zwei Teilen, insbesondere
zwei Hälften,
bestehen, zwischen denen das zumindest eine bandförmige Element
verläuft
und die miteinander zum Eingriffselement verbunden sind. Anders
ausgedrückt
ist ein Teil eines Eingriffselementes auf der Oberseite und das
andere auf der Unterseite, bzw. ein Teil ist auf der Seite, die
einer Zahnscheibe zugewandt ist, und das andere Teil auf der Seite,
die von der Zahnscheibe abgewandt ist, angeordnet. Bei dem bandförmigen Element
handelt es sich bevorzugt um ein Metallband. Dieses wird über die
Zahnscheibe gespannt und die zahnförmigen Eingriffselemente greifen
in die korrespondierenden Ausnehmungen der Zahnscheibe ein. Das
erfindungsgemäße Zahnband
ist annähernd
verschleißfrei
und dauerhaft belastbar. Das erfindungsgemäße Zahnband besitzt in Zugrichtung
eine höhere
Steifigkeit als ein Zahnriemen und erfährt im bevorzugten Ausführungsbeispiel,
bei dem das bandförmige
Element aus Metall gestaltet ist, nur minimale Längenänderungen durch Temperatureinflüsse oder
Alterung. Weiterhin sind bevorzugt die Eingriffselemente ebenfalls
aus Metall. Zwischen den tragenden Elementen des Zahnbandes findet
keine Bewegung statt. Es findet lediglich eine Bewegung zwischen
dem Zahn und der Zahnscheibe statt, wodurch der Verschleiß im Vergleich
zu einem Kettenantrieb stark reduziert ist. Sollte tatsächlich ein
Verschleiß auftreten,
so hat dieser keine Längenänderung
des Bandes zur Folge, wodurch die Präzision erhalten bleibt.
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Bei
einem bevorzugtem Ausführungsbeispiel sind
die Eingriffselementhälften
mit Hilfe von zumindest einem, insbesondere zwei Verbindungsringen miteinander
verbunden. Diese beiden Verbindungsringe umschließen die
beiden Hälften
der Eingriffselemente und bewirken bzw. unterstützen ihren Zusammenhalt. Die
zahnförmigen
Eingriffselemente stehen in diesem Fall über das bandförmige Element mit
ihren Enden hinaus, wo sie von den Verbindungsringen umschlossen
werden. Diese Art der Verbindung der Eingriffselemente bringt in
Verbindung mit der nachfolgend erläuterten Ausgestaltung der Zahnscheibe
große
Vorteile mit sich.
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Die
Eingriffselemente sind, wie oben angeführt, aus zumindest zwei Teilen
zusammengesetzt. Bevorzugt bestehen sie aus zwei Hälften, als
Zahnhälften
bezeichnet. Unter dem Begriff „Hälfte" wird jedoch nicht
eine Teilung verstanden, bei der jedes Teil exakt 50 % des Ganzen
aufweist, sondern lediglich eine Zweiteilung. Die beiden Hälften können folglich sowohl
genau zu 50 % geteilt sein, aber auch in anderen Verhältnissen,
z. B. ein Drittel zu zwei Drittel, zwei Fünftel zu drei Fünftel, etc.
Ferner können
die Eingriffselemente auch aus mehr als zwei Teilen bestehen, beispielsweise
aus drei oder vier Teilen. Die Zweiteilung stellt lediglich eine
bevorzugte Ausführungsform
dar.
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Die
Eingriffselemente weisen bevorzugt, wie sich aus den Figuren ergibt,
eine zylindrische Form auf. Die Grundfläche des Zylinders kann dabei
sowohl ein Kreis als auch eine Ellipse sein. Es sind jedoch auch
andere Gestaltungen intendiert, z. B. kegel- oder quaderförmige. Eingriffselemente
und Zahnringe können
auch ein andersgeartetes Verzahnungsprofil aufweisen (beispielsweise
Teil einer Evolute). Die Zahnringe sind bevorzugt abgerundet, um einen übermäßigen Abrieb
und eine Geräuschbildung
beim Eingriff in die Ausnehmungen einer entsprechend gestalteten
Zahnscheibe zu vermeiden. Es ergibt sich für den Fachmann von selbst,
dass eine jegliche Zahnscheibe der Form der Eingriffselemente bzw.
den Zahnringen entsprechende Ausnehmungen aufweist.
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Das
erfindungsgemäße Zahnband
kann in Verbindung mit aus dem Stand der Technik bekannten Kettenrädern oder
bekannten Zahnscheiben eingesetzt werden. Auch hierbei ergeben sich
viele Vorteile, wie oben geschildert. Es wird lediglich als bevorzugt
angesehen, dass das Zahnband mit einer wie folgt gestalteten Zahnscheibe
zusammenwirkt.
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Die
erfindungsgemäße Zahnscheibe
ist einteilig oder ist aus verschiedenen Scheiben oder Ringen zusammengesetzt.
Anders ausgedrückt
weist die Zahnscheibe mehrere unterschiedliche Bereiche auf. Es
können
folglich die einzelnen Scheiben oder Ringe zu der Zahnscheibe verbunden
sein, und es kann die Zahnscheibe auch einstückig sein, wobei die verschiedenen
Bereiche durch die Verarbeitung, beispielsweise durch Fräsen, entstehen.
Ein Bereich wirkt mit dem bandförmigen
Element in derselben Art und Weise wie ein Flachriemen mit seiner
Riemenscheibe zusammen, ohne dass jedoch eine Antriebskraft eingeleitet
würde.
Ein Polygoneffekt wie beim Kettentrieb wird weitestgehend vermieden,
da das Band gleichförmig über diesen
Bereich läuft.
Der eben beschriebene Bereich, als Bandscheibe bezeichnet, weist,
um Kollisionen mit den zahnförmigen Eingriffselementen
zu vermeiden, Aussparungen in der Form der zahnförmigen Eingriffselemente auf. Diese
haben jedoch für
den Antrieb oder eine Krafteinleitung bevorzugt keinerlei Bedeutung.
Der andere Bereich, als Zahneingriffsscheibe bezeichnet, dient dagegen
der Krafteinleitung. Dieser zweite Bereich ist so ausgestaltet,
dass die Verbindungsringe, die im bevorzugten Ausführungsbeispiel
die beiden Hälften
der Eingriffselemente des Zahnbandes umschließen, in die entsprechenden
Aussparungen dieses Bereichs eingreifen. Damit wird ein Kraftfluss zwischen
der Zahnscheibe und dem Zahnband hergestellt. Die Zahnteilung dieses
Bereichs muss dementsprechend exakt der des Zahnbandes entsprechen.
Da die Verbindungsringe außerhalb
des Bandes angeordnet sind, wird die Antriebskraft ungefähr in Höhe der biegeneutralen
Faser des Bandes eingeleitet. Es entsteht folglich kein Versatzmoment
wie beim Zahnriemen, welches die Lebensdauer des Bandes reduzieren
könnte.
Die erfindungsgemäße Zahnscheibe
kann sowohl einstückig
sein, d. h. die zumindest zwei Bereiche sind lediglich unterschiedlich
gestaltet, beispielsweise durch den Durchmesser oder durch die Tiefe
der Ausnehmungen für
den Eingriff der zahnförmigen
Eingriffselemente, oder die Zahnscheibe kann auch mehrteilig ausgebildet
sein. In diesem Fall besteht sie aus einer sogenannten Bandscheibe,
welche den Bereich darstellt, der von dem Band umhüllt wird,
und aus zwei, die Bandscheibe flankierenden Zahneingriffsscheiben
oder Ringen, in welche die Verbindungsringe eingreifen. Die drei Scheiben/Ringe
sind zu einer festen Einheit miteinander verbunden. Bevorzugt sind
insbesondere die Zahneingriffsscheiben in Form von Ringen ausgebildet,
d. h. es handelt sich nicht um geschlossene Scheiben, sondern um
offene Ringe. Dies bringt gewisse fertigungstechnische Vorteile
mit sich und auch Vorteile bezüglich
des Gewichtes. Folglich umfasst der Begriff „Zahneingriffsscheibe" in der Darstellung der
Erfindung und in den Ansprüchen
stets sowohl die Ringform als auch die Scheibenform.
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Der
erfindungsgemäße Antrieb
kann auf den verschiedensten Gebieten zum Einsatz kommen. Beispielhaft
seien die Fördertechnik,
beispielsweise wenn eine präzise
Positionierung gefordert ist, diverse Maschinenbauanwendungen, beispielsweise Druckwalzenantriebe,
und der Automobilbau, beispielsweise zur Nockenwellenansteuerung
im Verbrennungsmotor, angeführt.
Da das Zahnband symmetrisch auf Ober- und Unterseite ausgeführt ist,
eignet es sich auch für
Vielwellenantriebe mit gegenläufigen
Wellen. Bei größeren Achsabständen sind
auch räumliche
Antriebe möglich,
bei denen die Drehachsen der Wellen nicht parallel ausgerichtet
sind. Das bandförmige
Element besteht vorzugsweise aus Federstahl, es können jedoch
auch keramische Werkstoffe oder faserverstärkte Kunststoffe verwendet werden.
Die zahnförmigen
Eingriffselemente sind ebenfalls vorzugsweise aus Metall, wobei
jedoch ebenfalls keramische Werkstoffe oder Kunststoffe verwendet
werden können.
Die erfindungsgemäße Zahnscheibe
besteht bevorzugt wiederum aus Metall oder aus einem keramischen
Werkstoff oder Kunststoff. In dem Fall des mehrteiligen Aufbaus
ist bevorzugt die Bandscheibe aus einem Kunststoffmaterial oder
Leichtmetall gefertigt, was zu einer sehr guten Laufruhe bei geringem
Gewicht führt,
und die flankierenden Zahneingriffsscheiben/-ringe sind aus Metall. Schließlich kann
des erfindungsgemäße Zahnband als übertragendes
Element in einem stufenlosen Getriebe eingesetzt werden.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung gegenüber Kraftübertragungseinrichtungen mittels
Zahnriemen oder Kette zeigt sich, wenn eine erfindungsgemäße Ausführungsform
dazu verwendet wird, möglichst
exakt oder präzise
ein zu positionierendes Element wie beispielsweise einen Schlitten
anzutreiben. Insbesondere Zahnriemen, aber auch Ketten, weisen eine gewisse
Längenänderung
aufgrund von Temperatur, Zugkraft oder Verschleiß auf, was zu ungenauen Positionierungen
oder beispielsweise beim Nockenwellenantrieb zu abweichenden Steuerzeiten
führen kann.
Der erfindungsgemäße Antrieb
hingegen hält mit
einer viel höheren
Präzision
die angestrebte Positionierung und ist in der Lage, die gewählte Position auch
nach mehreren tausend Positionsänderungen immer
wieder genau zu erreichen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Antrieb
wirken ein erfindungsgemäßes Zahnband
und eine erfindungsgemäße Zahnscheibe
zur Kraft- oder Momentenübertragung
zusammen. Ferner wirken ein Zahnband und variable Kegelscheibenpaare
in einem Getriebe, insbesondere in einem stufenlosen Getriebe, zur
Kraft- oder Momentenübertragung
zusammen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert und beschrieben. Es zeigen:
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1:
eine Vorderansicht des erfindungsgemäßen Antriebs;
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2:
eine Vorderansicht (A) und eine Seitenansicht (B) (Schnitt durch
das Band) eines zahnförmigen
Eingriffselementes;
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3:
eine Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Zahnscheibe;
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4:
die Zahnscheibe der 3 in Seitenansicht (A) und Stirnansicht
(B), jeweils mit einer Deckscheibe versehen;
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5:
eine perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles
eines erfindungsgemäßen Zahnbandes;
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6: ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen zahnförmigen Eingriffselementes;
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7:
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen zahnförmigen Eingriffselements;
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8:
eine segmentierte Zahnscheibe;
-
9:
Teil einer segmentierten Zahnscheibe mit einem Zahnband im Eingriff;
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10:
eine schematische Darstellung in Draufsicht eines erfindungsgemäßen Getriebes;
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11:
eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Getriebes nach 10 im Schnitt;
und
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12 eine
Ansicht von der Seite auf mittels Schweißverbindung endlos gefertigtem
Band.
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Der
erfindungsgemäße Antrieb 1 besteht
aus einem Zahnband 20 und einer Zahnscheibe 10 (vgl. 1).
Die Zahnscheibe 10 weist Aussparungen 19 auf,
in die entsprechend gestaltete zahnförmige Eingriffselemente 22 des
Zahnbandes 20 eingreifen. Wie sich aus den 1 und 2 ergibt,
haben die Eingriffselemente 22 eine zylindrische Form.
Das Zahnband 20 weist neben den zahnförmigen Eingriffselementen 22 ein
bandförmiges
Element 21 auf, auf welchem die zahnförmigen Eingriffselemente 22 angeordnet
sind. Auf dem bandförmigen
Element 21 sind eine Vielzahl von zahnförmigen Eingriffselementen 22 mit
einer konstanten Teilung 23 angeordnet. Wie aus 2 ersichtlich
wird, ist jedes zahnförmige Eingriffselement 22 aus
zwei Zahnhälften 24, 25 und zwei
Verbindungsringen 26, 27 aufgebaut. Die Verbindungsringe 26, 27 umgeben
die beiden Zahnhälften 24, 25.
Diese feste Einheit aus Zahnhälften 24, 25 und
Verbindungsringen 26, 27 umschlingt das bandförmige Element 21 und
wird mittels einer festen Verbindung gegen Verschieben auf dem bandförmigen Element
gesichert. Insbesondere aus 2B wird ersichtlich,
dass die Verbindungsringe 26, 27 außerhalb
des bandförmigen
Elementes 21 angeordnet sind. Anders ausgedrückt, bedeutet
dies, dass die Zahnhälften 24, 25 breiter
sind als das bandförmige Element 21.
Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass das bandförmige Element 21 und
die Zahnhälften 24, 25 auch
annähernd
dieselbe Breite aufweisen können,
nämlich
dann, wenn keine Verbindungsringe 26, 27 vorgesehen
sind. Alternativ wäre
es möglich,
das bandförmige
Element 21 an seinen seitlichen Rändern mit Aussparungen vorzusehen,
in welchen die Verbindungsringe 26, 27 liegen.
Die in 1 dargestellte Vorderansicht läßt viele Schlüsse über den Aufbau
der Zahnscheibe zu.
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Aus
den 3 und 4 ergibt sich der Aufbau der
erfindungsgemäßen Zahnscheibe 10.
Für ein besseres
Verständnis
der Erfindung ist die Zahnscheibe in 3 als dreiteiliges
Element ausgeführt. Jedoch
kann es für
manche Anwendungen oder im Produktions- und Herstellungsprozess
vorteilhaft sein, wenn die Zahnscheibe nicht aus drei Elementen besteht,
sondern einteilig oder einstückig
ist. Diese Zahnscheibe 10 besteht aus einer mittig angeordneten
Bandscheibe 12 und zwei Zahneingriffsscheiben 11, 11'. Die Bandscheibe 12 weist
an ihrem Umfang eine gleichmäßig gekrümmte Auflagefläche 13 auf, auf
der das umhüllende
bandförmige
Element 21 (vgl. 1) aufliegt.
Ferner weist die Bandscheibe 12 Aussparungen 14 auf,
in welche die zahnförmigen Eingriffselemente 22 eintauchen.
Jede Zahneingriffsscheibe 11, 11' weist entsprechend der Teilung 23 des
Zahnbandes 20 Aussparungen 16, 16' auf, in welche
die zahnförmigen
Eingriffselemente 22, genauer ihre Verbindungsringe 26, 27 eintauchen
und so die Kraftübertragung
in das Zahnband 20 herstellen. Aus 4 wird ersichtlich,
dass die Zahnscheibe bzw. die Bandscheibe 12 und die Zahneingriffsscheiben 11, 11' eine feste
Einheit bilden. Es können
weiterhin ein oder zwei Deckscheiben 17 vorgesehen sein,
welche das Zahnband in axialer Richtung auf der Zahnscheibe zentrieren.
Aus 4 wird weiter ersichtlich, dass die Aussparungen 14 und 16, 16' bevorzugt einen
unterschiedlichen Durchmesser haben. Die Aussparungen 14 sind
dem Durchmesser der Zahnhälften 24, 25 angepasst,
wohingegen die Aussparungen 16, 16' dem Durchmesser der Verbindungsringe 26, 27 angepasst
sind. Da die Krafteinleitung bevorzugt über die Verbindungsringe 26, 27 und damit über die
Aussparungen 16, 16' erfolgt,
ist es ausreichend die Aussparungen 14, 16, 16' in derselben
Größe vorzusehen,
genauer mit den Maßen,
die mit den Verbindungsringen 26, 27 korrespondieren. Auch
in einer derartigen Ausgestaltung bleibt die Funktion des Antriebs
erhalten, die Krafteinleitung erfolgt über die Verbindungsringe 26, 27 und
die Vorspannung über
das bandförmige
Element 21 im Bereich der Bandscheibe 12. Aus
den 3 und 4 ergibt sich überdies
die Gestaltung der erfindungsgemäßen Zahnscheibe 10 aus
Scheiben (4) bzw. aus Ringen (3).
In 3 sind sowohl die Bandscheibe 12 als
auch die Zahneingriffsscheiben 11, 11' ringförmig, wohingegen
bei der Zahnscheibe nach 4, die einzelnen Elemente scheibenförmig sind. Daneben
sind auch Mischformen gedacht, insbesondere eine scheibenförmige Gestaltung
der Bandscheibe 12 und eine Ringform der Zahneingriffsscheiben 11, 11'.
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5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Zahnbandes 220. Das Zahnband 220 ist aus mehreren
parallelen bandförmigen
Elementen 201, 202, 203 und aus zahnförmigen Eingriffselementen 222 aufgebaut.
Jedes zahnförmige
Eingriffselement 222 überdeckt
zumindest zwei der bandförmigen
Elemente 201, 202, 203, insbesondere
alle bandförmigen
Elemente des Zahnbandes 220. Auch die zahnförmigen Eingriffselemente 222 bestehen
aus zwei Zahnhälften 224, 225,
welche mit Hilfe von Verbindungsringen 226 miteinander
verbunden sind. Die Verbindungsringe 226 sind vorzugsweise
zwischen den bandförmigen
Elementen 201, 202, 203 angeordnet. Ferner
können
auch an den Außenseiten
weitere Verbindungsringe 226 vorgesehen sein, sofern die
Zahnhälften 224, 225 eine
entsprechende Breite aufweisen. Jedes bandförmige Element 201, 202, 203 verläuft zwischen
den Zahnhälften 224, 225 wie oben
beschrieben. Die erfindungsgemäße Zahnscheibe
ist entsprechend der Abfolge von bandförmigen Elementen 201, 202, 203 und
Verbindungsringen 226 aufgebaut. Eine für das Zahnband 220 korrespondierende
Zahnscheibe würde
folglich aus den anhand der Zahnscheibe 10 beschriebenen
Elementen in der folgenden Abfolge bestehen: Bandscheibe 12,
Zahneingriffsscheibe 11, Bandscheibe 12, Zahneingriffsscheibe 11,
Bandscheibe 12.
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6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Zahnbandes 120 in
Vorderansicht. In 6A ist ein zahnförmiges Eingriffselement 122 dargestellt.
Es besteht aus zwei Zahnhälften 124, 125.
Der jeweils dem Band 121 (vgl. 6B) zugewandte
Bereich 130, 131 jeder Zahnhälfte 124, 125 weist
zwei unterschiedliche Flächenbereiche
auf. Die jeweils in der Mitte liegende Fläche 132, 133 ist
im Wesentlichen plan gestaltet. In diesem Bereich wird das bandförmige Element 121 fest umschlossen,
wie aus 6B ersichtlich wird. Im Ausführungsbeispiel
der 6 ist in diesem Bereich des bandförmigen Elementes 121 eine
Sicke 140 ausgebildet (siehe genauere Beschreibung nächster Absatz).
Diese kann jedoch auch entfallen, so dass die Fläche 132, 133 zur
Gänze plan
gestaltet ist. Es ergibt sich dann eine Ausführungsform ähnlich der 7.
Die beiden äußeren Flächen 134, 136 bzw. 135, 137 sind
dagegen als Freiflächen
ausgeführt. Anders
ausgedrückt
sind diese abgeschrägt.
Es verbleibt dem bandförmigen
Element 121 in diesem Bereich ein gewisser Spielraum, so
dass es eine entsprechende Bewegung ausführen kann. Diese Ausgestaltung
ist sehr vorteilhaft, da hierdurch ein optimales Anliegen des bandförmigen Elementes 121 auf
der Auflagefläche 13 der
Bandscheibe 12 der Zahnscheibe 10 ermöglicht wird.
Insbesondere bei vergleichsweise kleinen Zahnscheibendurchmessern
erweist sich diese Ausgestaltung als sehr vorteilhaft. Die Freiflächen 134, 135, 136, 137 sind
an den Rändern
der Eingriffselemente 122 im Wesentlichen so abgeschrägt oder
gekrümmt,
dass deren Winkel oder Krümmungsradius
dem mittleren Winkel oder dem Krümmungsradius
der angrenzenden Fläche,
d. h. der Auflagefläche 13,
der Bandscheibe 12 ähnlich
ist. Als ähnlich
wird alles bezeichnet, was mit wenigen Grad oder rad Abweichung
einen nahezu identischen Winkel oder Krümmungsradius aufweist. Anders
ausgedrückt,
ist die Freifläche 134, 135, 136, 137 eine
im Wesentlichen abgeschrägte
oder gekrümmte
Fläche,
deren Steigung der Steigung der angrenzenden Auflagefläche 13, 113 einer
Bandscheibe 12, 112 ähnlich ist oder dieser entspricht.
Somit kann das Band in den Randbereichen der Eingriffselementen
schon die Form oder Richtung der Zahnscheibe annehmen und folgt
ohne Richtungsänderung
der Oberflächenstruktur
der Zahnscheibe. Es ist folglich ein nahtloser Übergang des Bandes von der Auflagefläche in der
Zahnhälfte
zur Auflagefläche
der Zahnscheibe möglich.
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In
der 6B ist ferner eine Möglichkeit der Verbindung von
bandförmigem
Element 121 und zahnförmigem
Eingriffselement 122 über
die beiden Zahnhälften 124, 125 dargestellt.
Im mittleren Bereich des zahnförmigen
Elementes weist das bandförmige
Element 121 eine Sicke 140 auf. Das zahnförmige Eingriffselement 122 ist
entsprechend gestaltet. Es weist folglich die Zahnhälfte 124 eine
entsprechende Nut 114 und die Zahnhälfte 125 einen entsprechenden
Vorsprung oder Feder 129 (vgl. 6A) auf.
Neben dieser Verbindungsmöglichkeit kommt
auch die Verbindung durch eine andere Art des Formschlusses durch
Nieten, oder durch eine Fügeverbindung
wie Löten,
Schweißen
oder Kleben in Frage. Ferner kann auch bei Vorsehen einer Sicke 140 eine
zusätzliche
Sicherung gegen ein Verschieben der Eingriffselemente 122 vorgesehen
sein, indem die Zahnhälften 124, 125 zusätzlich beispielsweise
vernietet, verklebt, verlötet
oder verschweißt sind
bzw. wie in der 6B dargestellt durch einen Verbindungsring 126 zusammengehalten
werden.
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7 zeigt
ein weiteres zahnförmiges
Eingriffselement 422, das aus zwei Zahnhälften 424, 425 besteht.
Im Randbereich der Zahnhälften 450, 452, 454, 456,
der jeweils ein Stück
außerhalb
des mittleren Bereichs 458 des Eingriffselements 422 beginnt, befinden
sich ähnlich
zu 6 Freiflächen 434, 435, 436, 437,
die gekrümmt
sind. Die Übergangslinien 459 und 460 kennzeichnen
den Übergang
von den mittleren Flächen 458 zu
den gekrümmten
Flächen 434, 435, 436, 437.
Deren Krümmungsradius
R1, in 7 mittels gebrochenem Pfeil dargestellt, folgt
der gekrümmten
Oberfläche
der Zahnscheibe 112. In 7 ist die
Zahnscheibe 112 (vgl. 8, 9)
mit ihrer gekrümmten
Auflagefläche 113 angedeutet.
Es wird daraus deutlich, dass die Freiflächen 434, 435, 436, 437 und
die Auflagefläche 113 einen ähnlichen bis
identischen Verlauf haben. Im mittleren Bereich 458 des
Eingriffselementes 422 liegt keine Krümmung vor, sondern die Auflagefläche für das bandförmige Element
ist plan. Im Übrigen
wird auf die Beschreibung zu 6 verwiesen.
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Bei
der nachfolgenden Beschreibung der 8 und 9 erfolgt
für die
Beschreibung des Zahnbandes eine Bezugnahme insbesondere auf 7.
Die Bandscheibe 112 in den 8 und 9 ist
segmentiert. Als Segment 160 wird der Bereich der Bandscheibe 112 bezeichnet,
der sich zwischen zwei Vertiefungen 114, auch als Einkerbungen
oder Nuten bezeichnet, befindet. Die Vertiefungen 114 sind
so ausgestaltet, dass sie Zähne
bzw. die Eingriffselemente 422 des Zahnbandes 420 aufnehmen können (vgl. 9).
Die Segmente 160 haben eine gekrümmte Oberfläche, als Auflagefläche 113 bezeichnet,
deren Krümmungsradius
mit R2 gekennzeichnet ist. Befindet sich das Zahnband im Eingriff der
Zahnscheibe, so liegt das Zahnband 420 zwischen seinen
Zähnen
auf der Auflagefläche 113 auf und
das Eingriffselement 422 greift in die Aussparungen 16 der
Zahneingriffsscheiben 11 ein (in 9 nicht
dargestellt). Dabei kommt das Eingriffselement 422 so zu
liegen, dass die Freiflächen 434, 435, 436, 437 die
Krümmung
der Auflagefläche 113 fortschreiben.
Dies setzt voraus, dass durch konstruktive Gestaltung, die Übergangslinien 459, 460 auf
geradlinigen Verlängerungen
der Begrenzungslinien 461, 462 zu liegen kommen.
Die Krümmungsradien
R1 und R2 sind dabei annähernd
identisch in ihrer Länge
und ihrem Mittelpunkt 162. Vorgegeben wird der Krümmungsradius
R2 durch den Schnittpunkt der Begrenzungslinien 461, 462,
der auch als Segmentmittelpunkt 162 bezeichnet wird. Daraus
ist abzuleiten, dass die einzelnen Segmentmittelpunkte nicht mit dem
Drehpunkt 164 der Zahnscheibe zusammen fallen, welcher
auch den Schwerpunkt darstellt. Für das bandförmige Element wird damit auch
das Ziel erreicht, eine annähernd
konstante Krümmung
von der Übergangslinie 460 der
Freifläche 437 über die
Auflagefläche 113 bis
zur Freifläche 435 des
benachbarten zahnförmigen
Elements mit der beendenden Übergangslinie 459 zu
erfahren. Diese Abstimmung bezieht sich auf die im Durchmesser kleinste
Zahnscheibe im gesamten Antrieb. Bei größeren Zahnscheiben fällt aufgrund
der größeren Anzahl
an Segmenten 160 der Krümmungsradius
R2 größer aus, was
aber für
das Band wiederum unkritisch ist.
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Wird
nun ein erfindungsgemäßes Zahnband in
einem stufenlosen variablen Getriebe, einem CVT, eingesetzt, ergibt
sich eine zu den 10 und 11 ähnliche
Darstellung. Schematisch zeigen die beiden 10 und 11 zwei
Kegelscheibenpaare 302, 303 sowie 300 und 301,
die über
ein Zahnband 320 kraft- oder momentenmäßig miteinander verbunden sind.
Das Zahnband 320 ist ein Endlosband. Beispielsweise sind 302, 303 antriebsseitig
und 300, 301 antriebsseitig angeordnet. Durch
axiales Verschieben der Kegelscheiben können die Wirkdurchmesser des
Zahnbandes und damit das Übersetzungsverhältnis stufenlos
variiert werden. In 10 ist eine Draufsicht des Getriebes 350 gezeigt.
Das Zahnband 320 ist zwischen die beiden Kegelscheibenpaare 302, 303 und 300, 301 gespannt.
Wie in 11 dargestellt zeigt das Zahnband 320 zwei
im Wesentlichen gerade Strecken 310, 312 und zwei
im Wesentlichen gekrümmte
Strecken 314, 316, die zusammen die endlose Form
des Zahnbandes 320 ergeben. In der Draufsicht des Getriebes 350 nach 10 liegen die
zahnförmigen
Eingriffselemente 322 im Bereich der gekrümmten Strecke 314, 316 übereinander,
so dass in der Darstellung die räumlich
tiefer liegenden zahnförmigen
Eingriffselemente 322 nicht mehr vollständig zu sehen sind, sondern
teilweise durch darüber
liegende zahnförmige
Eingriffselementen 322 abgedeckt sind. Das Zahnband 321 ist
mit zahnförmigen
Eingriffselementen 322 dargestellt, die durch Verbindungsringe 326, 327 zusammengehalten
werden und einen festen Verbund mit dem bandförmigen Element 321 durch
einen Klemmsitz bilden. Selbstverständlich sind auch andersartige
Verbindungen möglich,
z.B. mittels Sicken (vgl. 6) oder
durch Kleben, Schweißen
etc. Das bandförmige
Element kann nicht wie auf der Bandscheibe auf gekrümmten Flächen aufliegen,
sondern es wird zwischen den zahnförmigen Elementen zu einer geraden
Fläche gespannt.
Aus diesem Grunde werden die zahnförmigen Elemente so groß als möglich ausgeführt, damit
diese ihre gekrümmten
Flächen
für eine
möglichst große Bandauflage
zur Verfügung
stellen. Ferner liegen die Zähne
bevorzugt so eng als möglich
beisammen, da dann nicht das Band aufliegt, sondern es liegen die
Zähne auf,
wie es beispielhaft in 11 dargestellt ist.
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Im
Gegensatz zu dem im Stand der Technik allgemein bekannten Polygoneffekt
der Kette oder des Übertragungselements,
ist der Polygoneffekt eines erfindungsgemäßen Übertragungssystems, das als
Getriebe eingesetzt werden kann, aus bandförmigem Element 321 mit
zahnförmigen
Eingriffselementen 322 deutlich reduziert, denn im Bereich
der gekrümmten
Strecken 314, 316 können die zahnförmigen Eingriffselemente 322 in
die Zähne
der jeweiligen Zahnscheibe 306, 308 definiert
abrollen. Somit bleibt über
das gesamte Zahnband 320 im Bereich der gekrümmten Strecken 314, 316 ein
annähernd konstanter
Wirkdurchmesser erhalten. Es ist ein Leichtes, die Erfindung auf
Anwendungen mit mehreren bandförmigen
Elementen zu erweitern und anzupassen.
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12 zeigt
eine Möglichkeit
der Verbindung zweier Bandenden, insbesondere für Endlosbänder. Entsprechend Anspruch
20 überlappen
die beiden Bandenden 402, 403 eines bandförmigen Elementes
im Bereich von zwei Zahnhälften 124, 125,
wo sie miteinander verschweißt
sind, angedeutet durch die Schweißverbindung 410. Die Überlappung
kommt im Falle einer formschlüssigen
Verbindung zwischen zahnförmigen
und bandförmigen
Elementen gemäß Anspruch
6 durch übereinanderliegende
Sicken 440, 440' der
beiden Bandenden 402, 403 zustande. Eine Verschweißung der
Bandenden ist auch auf Stoß im
Bereich zwischen den zahnförmigen
Elementen möglich.
Jedoch weist die in 12 dargestellte überlappende
Verbindung einige Vorteile auf. Eine Längenänderung aufgrund von Wärmeeinflüssen wie
bei Stoßverbindung
gibt es nicht. Zum anderen stellt eine Schweißverbindung bei dynamischer
Belastung immer eine Schwachstelle dar. Deshalb ist es sinnvoll,
wenn sich die Schweißnaht
im Bereich der festen Einspannung zwischen den Zahnhälften 124, 125 befindet,
wo das Band keinen dynamischen Spannungen ausgesetzt ist. Das in 12 dargestellte
zahnförmige
Eingriffselement entspricht im Wesentlichen dem in 6 dargestellten,
so dass für
eine detaillierte Beschreibung des zahnförmigen Eingriffselementes auf
diese verwiesen wird. Die Verbindung der Bandenden 402, 403 kann
jedoch auch bei Verwendung des Bandes mit zahnförmigen Eingriffselementen ohne
Sicke, wie z. B. in 2 oder 7 dargestellt,
entsprechend in dem Bereich des bandförmigen Elementes erfolgen, der
zwischen zwei Zahnhälften
eingespannt wird. Ferner sind bei der überlappenden Verbindung neben
der Schweißverbindung
auch andere Fügeverfahren
wie Kleben, Löten
oder Vernieten möglich.