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Reibungsgetriebe mit umlaufenden Kugeln Die Erfindung bezieht sich
auf ein Reibungsgetriebe mit umlaufenden Kugeln, die zwischen je zwei äußeren und
inneren Laufringen in einem mit der treibenden Welle verbundenen Kugelkäfig drehbar
sind.
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Die Erfindung bezweckt und ermöglicht ein Reibungsgetriebe zu schaffen,
dessen Übersetzungsverhältnis durch die Einstellung des Flüssigkeitsdruckes willkürlich
stufenlos veränderbar ist. Bei der Erfindung handelt es sich um eine besonders zweckmäßige
Kombination einer Mehrzahl von an sich bekannten Einzelmaßnahmen.
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So ist es an sich bei Kugelreibungsgetrieben bekannt, Tellerfedern
zur axialen Anpressung der Laufflächen vorzusehen. Eine solche Feder wurde jedoch
entweder schüsselförmig oder als eine kreisförmige Feder gewellter Gestalt ausgebildet.
Die axialen Bewegungen der beiden Laufringe werden hierbei mechanisch herbeigeführt.
Die Einstellungen werden von Hand, z. B. mittels eines Hebels, vorgenommen, ohne
daß hierbei die Erreichung der günstigen Kraftverhältnisse bzw. Anpassungen möglich
ist. Der gesamte Aufbau derartiger bekannten Reibungsgetriebe ist, sofern beispielsweise
zusätzliche, um ihre Eigendrehachse drehbare Hilfskörper, ferner Hebel zur Umwandlung
der von einer Einstellmuffe herrührenden Axial- in Drehbewegung usw. erforderlich
sind, recht kompliziert.
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Ferner ist es zwar an sich bekannt, die axiale Verschiebbarkeit der
Innenlaufflächen durch Federn und der äußeren Laufflächen hydraulisch zu bewerkstelligen.
Abgesehen von der ungünstigen Gestaltung der gesamten Getriebebauart haben die hierfür
vorgesehenen Federn keine negative Charakteristik und lassen daher keine zwangläufige
Anpassung an die auf den inneren Laufring ausgeübte axiale Kraftkomponente zu.
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Gegenüber dem Bekannten zeichnet sich die Erfindung der eingangs angegebenen
Reibungsgetriebegattung dadurch aus, daß der eine der äußeren nicht rotierenden
Laufringe unmittelbar mit einem von Druckfedern unterstützten, axial verschiebbaren
hydraulischen Kolben verbunden ist und daß die auf den axial verschiebbaren Innenlaufring
wirkenden Federn als Tellerfedern mit negativer Charakteristik ausgebildet sind.
Durch die auf diese Weise unmittelbar an den axial verschiebbaren Außenlaufring
angreifende hydraulische Steuerung unter Anwendung von Tellerfedern und der Verbindung
der Kugelkäfige mit der treibenden Welle ergeben sich außer einer besonders günstigen
baulichen Gestaltung äußerst günstige Kräfteverhältnisse. Die Kugeln kommen mit
verschiedenen Flächenteilen der Ringe näher an der Wellenachse oder weiter weg von
ihr in Eingriff, wodurch das übersetzungsverhältnis geändert wird. Im Zusammenhang
mit den Kugeln gestatten die Federn mit negativer Charakteristik infolge ihrer zweistufigen
Wirkung,. d. h. .mit positivem und negativem Reaktionsverhältnis, ihr Reaktionsvermögen
der jeweils auf die inneren Laufringe ausgeübten axialen Kraftkomponente zwangläufig
anzupassen, indem die Zunahme der Durchbiegung der Feder durch die Abnahme der von
ihr ausgeübten Reaktionskraft erreicht wird. Dadurch wird eine ausgeglichene bzw.
gleichmäßige Verschiebung der Laufringe gewährleistet, ohne daß eine überbeanspruchung
der Federn zu befürchten ist. Darüber hinaus tragen derartige Federn dazu bei, eine
leicht austauschbare, einen geringen Aufwand sichernde Einheit aus zusammengesetzten
Teilen zu schaffen.
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Weitere Erfindungsmerkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung an Hand der Zeichnungen. Es werden Einzelheiten
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erläutert, um den Umfang und den
Zweck der Erfindung genau darzulegen, ohne daß hierdurch der
Umfang
der Erfindung gemäß den Patentansprüchen beschränkt werden soll. Es ist Fig. 1 ein
Längsschnitt einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 2 ein Schnitt
nach der Linie 2-2 der Fig. 1, Fig. 3 ein Schnitt nach der Linie 3-3 der Fig. 1,
Fig.4 im größeren Maßstab eine Schnittdarstellung, aus welcher ersichtlich ist,
in welcher Weise die Kugeln durch Annäherung der Außenlaufringe nach innen verschoben
werden, wobei sich die Innenlaufringe axial entsprechend der Einwärtsverschiebung
der Kugeln voneinander trennen, Fig.5 eine Schnittdarstellung, aus der ersichtlich
ist, in welcher Weise Federn an den gegenüberliegenden Enden der Innenlaufringe
benutzt werden können.
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Bei der gezeigten Ausführungsform hat man ein Gehäuse 10, bestehend
aus einem Zylinder 11 und einer Abschlußwand 12, welche eine ringförmige Schulter
13 aufweist. In der Abschlußwand 12 ist ein axiales Lager 14 zur Lagerung
einer Antriebswelle 15
gelagert. Die Antriebswelle 15 hat an ihrem Außenende
16 eine Riemenscheibe 17, so daß die Welle 16 von einer Kraftquelle, z. B. von der
Kraftmaschine eines Automobils, über V-förmige Riemen angetrieben werden kann, welche
über die Riemenscheibe herumgelegt sind.
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In axialer Richtung mit dem Innenende 18 der Antriebswelle 15 befindet
sich eine angetriebene Welle 19, die auf ihrem Außenende einen daran befestigten
Kragen 20, bestehend aus einem zylinderförmigen Teil 21 und einem ringförmigen
Flansch oder Schulter 22, aufweist.
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Die Abschlußwand 12 weist eine konische Form auf und enthält
den konischen Teil 32 eines Kolbens 33 mit einem ringförmigen Teil 34, welcher innerhalb
des Zylinders 11 gleitet. Der ringförmige Teil 34 trägt einen Dichtungsring35. Die
Abschlußwand12 schließt eine zylinderförmige Wand 36 ein, welche in die linke Abschlußwand
oder ringförmige Wand 37 des Kolbens 33 ragt. Dort ist ein Dichtungsring 38 vorhanden,
welcher von der ringförmigen Wand 37 im Dichtungseingriff mit der zylinderförmigen
Wand 36 getragen wird. Somit ist ein abgedichteter ringförmiger Raum 39 zwischen
dem Kolben 33 und der Abschlußwand 12 zur Aufnahme des Druckströmungsmittels gebildet,
welches den Kolben 33 nach links zu verschieben hat. Kompressionsfedern 40 sind
in einem Kreis zwischen der Abschlußwand 12 und dem Kolben 33 zum Pressen desselben
nach rechts angeordnet.
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Innenlaufringe 41 und 42 sind auf der angetrieb;-nen Welle 19 angeordnet.
Der Innenlaufring 41 ist unnachgiebig durch Anpressen auf der Welle 19 befestigt.
Der Innenlaufring 42 dagegen ist axial verschiebbar. Er kann sich aber auf der Welle
wegen der Stifte 51 nicht drehen, die sich durch den Kragen 20 hindurch erstrecken
und in Öffnungen 52 im anliegenden Teil des Laufringes 42 hineinragen. Somit bilden
die Innenlaufringe 41 und 42 eine innere, kugelförmige Lauffläche zur Aufnahme von
Kugeln 43 aus schwerem Metall, z. B. Stahl. Die Außenlaufringe 44 und 45 haben nach
innen gerichtete, ungefähr kegelförmige Oberflächen 46, welche einen Laufweg zur
Aufnahme der Außenteile der Kugeln 43 bilden. Die Oberflächen 46 sind, anstatt wirklich
kegelförmig zu sein, in seitlicher Richtung entsprechend der Kurvenform der Außenoberfläche
jeder Kugel 43 konkav ausgebildet, so daß eine bessere Anschmiegung zwischen den
Kugeln 43 und den Oberflächen 46 entsteht. Die Laufringe 44 und 45 sind so gelagert,
daß sie eine axiale Verschiebung in Richtung zueinander und voneinander weg ausführen
können, so daß man eine radiale Verschiebung der Kugel 43 nach innen und nach außen
erhält. Der Außenlaufring 45 wird von einer ringförmigen Wand 47 gehalten. Der Außenlaufring
44 wird von einer ringförmigen Wand 48 gehalten, welche sich nach rechts vom Kolben
33 weg erstreckt, so daß, falls der Kolben 33 nach rechts aus der Lage der Fig.
1 verschoben wird, der Laufring 44 axial in Richtung zum Laufring 45 verschoben
wird, so daß die Außenlaufringe dichter aneinandergebracht werden, wodurch die Kugeln
43 nach innen verschoben werden. Sind die Laufringe 44 und 45 gemäß Fig. 1 voneinander
getrennt, stehen die Punkte B der Kugeln 43 im Eingriff mit den Oberflächen 46 an
ihren radial äußersten Enden. Erfolgt aber eine Annäherung der Laufringe 44 und
45, so daß sie gemäß Fig. 4 dicht aneinandergebracht werden, sind die Berührungspunkte
zwischen den Kugeln 43 und den Laufringen 44 und 45 bei C an den radial inneren
Rändern der Oberflächen 46.
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Die inneren Laufringe 41 und 42 sind so angeordnet, daß sie eine relative
axiale Verschiebung durchführen können, wodurch sie von der Lage, in der sie in
der Fig. 1 gezeigt sind, weg in die relativen Lagen gebracht werden können, in welchen
sie in der Fig. 4 gezeigt sind. Die inneren Laufringe 41 und 42 und
die äußeren Laufringe 44 und 45 ergänzen sich insofern, daß sie Laufflächen bilden,
in welchen die Kugeln rollen können.
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Zur Erreichung dieses Zieles dienen Federn, welche die Innenlaufringe
41 und 42 in Lagen dicht aneinanderbringen können, wobei sie aber voneinander weg
verschoben werden können. Bei den Federn handelt es sich um eine oder mehrere schüsselförmig
ausgebildete, ringförmige Tellerfedern 49 und 50, welche auf dem zylinderförmigen
Teil 21 des Kragens 20 angeordnet sind. Das eine Ende der Federn steht im Eingriff
mit dem Flansch 22 des Kragens 20. Das andere Ende der Federn steht mit der rechten
Stirnseite des inneren Laufringes 42 im Eingriff. Die wesentlichen Merkmale dieser
Federn werden nachher erläutert.
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Die Innenlaufringe 41 und 42 haben nach außen gerichtete, ungefähr
kegelförmige Oberflächen 53, die ebenfalls konkav in Querrichtung geformt sind.
Die Krümmung der Oberflächen 53 in der Querrichtung entspricht fast der kurvenförmigen
Ausbildung der Außenoberflächen der Kugeln 43 gemäß Fig. 4. Jede Oberfläche 53 ist
durch einen Bogen um die Achse der Welle 19 mit einem Radius r gebildet, welcher
mindestens so groß ist wie der Radius der Kugeln 43, aber auch etwas größer sein
kann als dieser. Sind die Innenlaufringe 41 und 42 gemäß Fig. 1 dicht aneinander,
so sind die Berührungspunkte zwischen den Kugeln und den Oberflächen 53 bei A an
den radial äußeren Rändern der Oberflächen 53. Gelangen aber durch die Annäherung
der Außenlaufringe 44 und 45 die Kugeln 43 nach innen in ihre äußersten Lagen, wie
dies in der Fig. 4 gezeigt ist, gehen die Laufringe 41 und 42 auseinander, und die
Berührungspunkte zwischen den Kugeln 43 und den Oberflächen 53 befinden sich bei
D an den radial inneren Rändern der Oberflächen 53. Die axial gerichtete Kraft,
welche von den Federn 49 und 50 ausgeübt wird, ist derart, daß der Innenlaufring
42 die Kugeln 43 radial nach außen mit einer solchen Kraft preßt, daß die Laufringe
44 und 45 entgegen der Kraft der Federn 40 auseinanderbewegt
werden.
Wird also kein Strömungsmitteldruck auf die Kammer 39 ausgeübt, um den Kolben 33
nach rechts zu verschieben, befinden sich die Kugeln in den äußeren Lagen gemäß
Fig.1. Werden dann die Kugeln 43 gezwungen, innerhalb der Außenlaufringe 44 und
45 zu rollen, treiben sie die Laufringe 41 und 42 und die Welle 19 mit einer entsprechend
niedrigen Geschwindigkeit an. Das Rollen der Kugeln 43 in den Außenlaufringen 44
und 45 erfolgt durch den Kugelkäfig 55. Der Kugelkäfig ist eine zylinderförmige
Wand, welche zwischen den Innen- und Außenlaufringen angeordnet ist, und weist Öffnungen
56 auf, durch welche die Kugeln 53 vorragen. Der Kugelkäfig 55 hat an seinem linken
Ende ein Verbindungsstück 57 zu dem inneren oder rechten Ende der Antriebswelle
15.
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Die Zuführung des Druckmittels zum Raum 39, wodurch eine Verschiebung
des Zylinders 33 nach rechts erreicht wird, erfolgt durch einen Einlaßkanal 58,
welcher mit einem von mehreren diagonalen Kanälen 59 in Verbindung steht, die in
der Nabe der Abschlußwand 12 angeordnet sind, wodurch ein Zwischenstück des Lagers
14 mit dem inneren Teil des Raumes 39 verbunden wird, der als der Zylinderraum bezeichnet
werden kann, da er mit dem Zylinder 11 verbunden ist, in welchem der Kolben 33 verschiebbar
ist. Zur Schmierung der Kugeln und der Laufringe dient ein Ölkanal 60 in der Antriebswelle
15 zur Aufnahme des Öles aus dem Kanal 59. Eine Mündung 61 am rechten Ende des Kanals
60 stellt eine Düse dar, durch welche ein feiner Ölstrahl in einen axialen Kanal
62 der angetriebenen Welle 19 gespritzt wird. Es gibt eine Anzahl von radialen Kanälen
63, welche vom axialen Kanal 62 nach außen führen, um genügend Schmierstoff an die
Bohrung des inneren Laufringes 42 und die Kugeln 43 abzugeben, welche wiederum den
Schmierstoff zu den Außenlaufringen bringen.
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Bewirkt eine Verschiebung des äußeren Laufringes 42 nach rechts eine
radiale Verschiebung der Kugeln 43 nach innen, so werden zu gleicher Zeit die Kugeln
seitlich in einer Richtung nach rechts verschoben. Verschieben sich die Kugeln 43
nach innen und nach rechts zur Oberfläche 53 des Innenlaufringes 41, wird der rechte
Innenlaufring 42 nach rechts entlang der angetriebenen Welle 19 in Richtung zum
Kopf 20 verschoben, so daß die Federn 49 und 50 zusammengedrückt werden. Hierbei
wird die angetriebene Welle 19, welche allein von den Kugeln und von den Laufflächen
gedreht wird, axial nur um eine sehr kurz Strecke verschoben.
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Werden die Kugeln 43 aus der Lage in der Fig. 1 in die Lage in der
Fig. 4 verschoben, gibt es eine Zunahme im Verhältnis der Geschwindigkeit der angetriebenen
Welle 19 zu der der Antriebswelle 16. Dieses Verhältnis hat seinen höchsten Wert,
wenn sich die Berührung der Kugeln 43 mit den Außenlaufringen 44 und 45 von den
Punkten B zu den Punkten C und die Berührung der Kugeln 43 mit den inneren Laufringen
43. und 42 von den Punkten A zu den Punkten D verschoben haben.
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Jede Tellerfeder 49 und 50 bildet eine schüsselförmige, ringförmige
Unterlegscheibe, welche einer Abflachung Widerstand leistet. Wird die Feder aus
ihrem gelockerten schüsselförmigen Zustand über einen flachen Zustand in einen umgekehrten
schüsselförmigen Zustand umgebogen, gelangt sie durch eine erste Stufe hindurch,
in der sie ein positives Reaktionsverhältnis hat, wobei hierfür ein maximaler Wert
erreicht wird, wenn die Feder auf einen Mittelpunkt umgebogen wird, der sich ungefähr
in der Hälfte des Weges zwischen ihrem anfänglich schüsselförmigen Zustand und ihrem
abgeflachten Zustand befindet. Wird hierauf die Feder durch eine zweite Stufe hindurch
aus dem erwähnten Mittelpunkt zu dem flachen Zustand und durch ihn hindurch umgebogen,
wird ihre Reaktionsänderung ein negatives Verhältnis haben, d. h., wird die Feder
durch die zweite Stufe hindurch umgebogen, nimmt ihre Reaktion oder gespeicherte
Energie allmählich vom maximalen Wert auf einen entsprechend niedrigen Wert ab.
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Berühren die Kugeln 43 die Ringe 41 und 42 an den Punkten A, ist die
axiale Komponente der von den Kugeln 43 auf die Ringe 41 und 42 ausgeübten Kraft
verhältnismäßig groß. Zu dieser Zeit sind die Federn 49 und 50 auf einen Punkt innerhalb
des Anfangsteils der vorher erwähnten zweiten Stufe umgebogen, so daß ihre axiale
Kraft einen verhältnismäßig hohen Wert hat, um der ziemlich großen Kraftkomponente,
die axial auf den Ring 42 ausgeübt wird, Widerstand zu leisten. Berühren aber die
Kugeln 43 die Ringe 41 und 42 an den Punkten D, so ist die axiale Komponente der
von den Kugeln auf die Ringe 41 und 42 ausgeübten Kraft verhältnismäßig klein. Die
Federn 49 und 50 sind jetzt auf einen Punkt umgebogen, der sich in der zweiten Stufe
befindet. Sie üben demnach eine Kraft aus, die entsprechend kleiner ist, um der
axialen Komponente der Kraft standzuhalten, die von den Kugeln auf den Ring 42 ausgetibt
wird.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Federn
49 und 50 an dem einen Ende der getriebenen Welle gezeigt. Bei einer anderen Ausführungsform
gemäß Fig. 5 können auch schüsselförmig ausgebildete, ringförmige Tellerfedern 49'
und 50' auf dem inneren oder linken Ende der Wedle 19 angeordnet sein, um den Tellerfedern
49 und 50 entgegenzuwirken.
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Die Teile des Getriebes, welche hauptsächlich der Abnutzung ausgesetzt
sind, so daß sie von Zeit zu Zeit ausgetauscht werden müssen, sind die Laufflächen
und die Kugeln. In der vorliegenden Erfindung sind diese Teile in einer verhältnismäßig
billigen Einheit vereinigt, die leicht eingebaut werden kann. Eine derartige Einheit
besteht aus der angetriebenen Welle 19 mit dem darauf befestigten Laufring 41, dem
darauf gleitbaren Laufring 42 und dem Kragen 20, welcher auf die getriebene Welle
19 gepreßt ist und die Tellerfedern 49 und 50 und den Laufring 42 an ihrem Platz
festhält. Die übrigen Teile der Einheit sind die Kugeln 43 und die dazugehörigen
Außenlaufringe 44 und 45.