DE19814849A1 - Getriebeanordnung für ein stufenloses Getriebe - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Getriebeanordnung für ein stufenloses Getriebe, wie es zum Beispiel für Kraftfahrzeu­ ge oder Schiffe verwendet werden kann. Die Getriebeanordnung ist insbesondere für die Übertragung hoher Kräfte konzipiert.

Getriebeanordnungen für stufenlose Getriebe sind hinlänglich bekannt. So gibt es Getriebeanordnungen, die auf Antriebskegeln laufende Riemen umfassen, die durch eine Bewegung senkrecht zur Laufrichtung auf einen anderen Abschnitt der Kegel gelangen, wodurch sich das Übersetzungsverhältnis ändert. Der Nachteil an diesen Lösungen besteht darin, daß sie nur für die Übertragung geringerer Kräfte geeignet sind.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Getriebe­ anordnung für ein stufenloses Getriebe zu schaffen, zur Über­ tragung höherer Kräfte geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Getriebeanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiter­ bildung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird die stufenlose Variierung des Überset­ zungsverhältnisses über angetriebene Kegel erzielt, die an dem Außenumfang einer Antriebsscheibe durch Friktionseingriff an­ greifen und somit die Antriebsscheibe in eine Drehung verset­ zen. Die Antriebsscheibe ist auf einer Abtriebswelle drehfest, aber quer zur Abtriebswelle beweglich angeordnet. Die Kegel, vorzugsweise 2 bis 4 Kegel, sind derart um die Antriebsscheibe herum angeordnet, daß deren der Antriebsscheibe zugewandte Man­ telfläche parallel zur Abtriebswelle verläuft. Die Antriebske­ gel sind exzentrisch, d. h. ihre Rotationsachse ist parallel versetzt zur Kegelachse. Der Drehsinn und die Exzentrizität der Antriebskegel ist bei allen Antriebskegeln gleich. Wenn somit zwei Kegel an einander abgewandten Seiten der Antriebsscheibe angeordnet sind, bedeutet dies, daß die Exzentrizität bei allen Kegeln genau in die gleiche Richtung weist. Durch die Exzentri­ zität der Antriebskegel wird nicht nur ein reiner Friktionsein­ griff, sondern auch eine Art Formeingriff erzielt, da die An­ triebsscheibe durch die auf die Umfangsfläche drückenden exzen­ trischen Kegel nicht nur gedreht, sondern auch weggeschoben wird. Dieser Effekt läßt sich insbesondere bei der Anordnung von drei oder vier Kegeln erzielen, wo alle 120° bzw. alle 90° ein exzentrischer Kegel mit seiner weiter abstehenden Mantel­ fläche auf die Umfangsfläche der Antriebsscheibe drückt. Auf diese Weise wird die Antriebsscheibe quasi zwischen den An­ triebskegeln hin- und her- bzw. weitergedrückt, was wiederum die Übertragung wesentlich größerer Kräfte erlaubt. Damit die Antriebsscheibe, die durch die Exzentrizität der Antriebskegel verursachte exzentrische Bewegung mitmachen kann, ist die An­ triebsscheibe auf der Abtriebswelle mittels eines Trägers quer zur Achse auslenkbar gelagert. Vorzugsweise kann hier eine La­ gerung an mehreren, um die Abtriebswelle verteilten Punkten mittels exzentrischer Gleitlager oder exzentrischer Kugellager oder Walzenlager vorgesehen sein. Es ist wesentlich, daß die Antriebsscheibe die exzentrische Bewegung relativ zur Abtriebs­ welle ohne größere Reibungsverluste mitmachen kann.

Das Übersetzungsverhältnis wird geändert, indem die der An­ triebsscheibe zugewandten Mantelflächen der Kegel relativ zur Antriebsscheibe axial verstellbar sind. Für die Realisierung der relativen Axialbewegung der Antriebskegel relativ zur An­ triebsscheibe könnten die Antriebskegel axial relativ zur Ab­ triebswelle verstellbar gelagert sein. Vorzugsweise ist jedoch die Antriebsscheibe bzw. der Träger für die Antriebsscheibe axial verschiebbar aber drehfest auf der Abtriebswelle angeord­ net. Hierfür hat die Abtriebswelle vorzugsweise einen von einem kreisrunden Querschnitt abweichenden Querschnitt.

Die Antriebskegel können prinzipiell an ihrer durchmesserklei­ neren Stirnseite über Kardanwellen oder Winkelgetriebe mit par­ allel zur Abtriebswelle verlaufenden Antriebswellen verbunden sein. In einer sehr kompakten Ausführungsform der Erfindung weist jedoch die durchmessergrößere Kegelstirnseite Ein­ griffselemente auf, die zu einem Antriebskopf einer Antriebs­ welle komplementär vorgesehen sind, wie z. B. abgerundete Zähne oder dergleichen. Die Antriebswelle für jeden Antriebskegel ist dann vorzugsweise parallel zur Abtriebswelle angeordnet. In diesem Fall kann die Antriebswelle vorzugsweise über Zahnräder angetrieben werden, die durch ein Hauptantriebszahnrad gekämmt werden, welches auf einer koaxial zur Abtriebswelle verlaufen­ den Hauptantriebswelle angeordnet ist.

Bei einer Kraftübertragung an der größeren Kegelstirnseite weist die Kegelstirnseite oder der Antriebskopf vorzugsweise einen Zapfen auf, der in eine korrespondierende Vertiefung des anderen Teils eingreift. Sowohl die Vertiefung als auch der Zapfen sind auf der Rotationsachse des Kegels bzw. der An­ triebswelle angeordnet, so daß hier quasi eine stirnseitige La­ gerung des Antriebskegels realisiert wird.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand eines Aus­ führungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen:

Fig. 1 Eine Querschnittsansicht durch eine Getriebeanordnung mit zwei Antriebskegeln und einer Antriebsscheibe.

Die in Fig. 1 gezeigte Getriebeanordnung (10) umfaßt eine Hauptantriebswelle (12), auf welcher ein Hauptantriebszahnrad (14) angeordnet ist. Das Hauptantriebszahnrad (14) kämmt zwei aneinander abgewandten Seiten des Hauptantriebszahnrads (14) angeordnete Antriebszahnräder (16a, 16b), die auf zwei An­ triebswellen (18a, 18b) sitzen. Die Antriebswellen (18a, 18b) verlaufen parallel zur Hauptantriebswelle (12). An dem der Hauptantriebswelle (12) abgewandten Enden haben die Antriebs­ wellen Antriebsköpfe (20a, 20b), welche mit der durchmessergrö­ ßeren Stirnseite von Antriebskegeln (22a, 22b) in Eingriff tre­ ten. Diese sind rotativ um eine Rotationsachse R drehbar gela­ gert, welche um den Winkel α relativ zur Hauptantriebswelle ge­ neigt ist. Die Antriebskegel (22a, 22b) sind exzentrisch um die Rotationsachse R rotierbar angeordnet. Das heißt, die Zen­ tralachse Z des Antriebskegels (22a, 22b) ist parallel zur Ro­ tationsachse verschoben. Der Rotationswinkel α ist derart ge­ wählt, daß der einer Antriebsscheibe (24) zugewandte Bereich (23a, 23b) der Mantelfläche der Antriebskegel (22a, 22b) paral­ lel zur Hauptantriebswelle (12) und zu einer Abtriebswelle (26) verläuft, auf der die Antriebsscheibe (24) im wesentlichen drehfest gelagert ist. Die Hauptantriebswelle (12) und die Ab­ triebswelle (26) verlaufen koaxial zueinander, wodurch ein kom­ pakter und gut nutzbarer Getriebeaufbau erzielt wird.

Die Antriebskegel (22a, 22b) sind an ihrem durchmesserkleineren Ende in einem Lager (28a, 28b) gelagert, das als Gleitlager, Rollenlager, Walzenlager, Nadellager etc. ausgebildet sein kann. An dem durchmessergrößeren Ende sind die Antriebskegel (22a, 22b) an den Antriebswellen (18a, 18b) gelagert. Diese La­ gerung ist in folgender Weise realisiert. Die Antriebsköpfe (20a, 20b) auf den Antriebswellen (18a, 18b) sind in gleicher Weise wie die Antriebskegel (22a, 22b) exzentrisch zur zugehö­ rigen Antriebswelle (18a, 18b) angeordnet. Dies bedeutet, die Zentralachse z der Antriebsköpfe (20a, 20b) ist relativ zur Ro­ tationsachse r der zugehörigen Antriebswellen (18a, 18b) paral­ lel versetzt. Die Antriebsköpfe (20a, 20b) haben koaxial zur Rotationsachse r der Antriebswellen (18a, 18b) einen in Rich­ tung auf die Antriebskegel (22a, 22b) hervorstehenden Zapfen (30a, 30b), welcher in eine Vertiefung (32a, 32b) eingreift, die in der Stirnseite der Antriebskegel (22a, 22b) konzentrisch zu deren Rotationsachse R angeordnet ist. Dieser Eingriff des Zapfens (30a, 30b) in die Vertiefung (32a, 32b) dient als stirnseitiges Lager für die Antriebskegel (22a, 22b). Die Kraftübertragung von den Antriebsköpfen (20a, 20b) auf die An­ triebskegel (22a, 22b) wird dadurch realisiert, daß die Stirn­ seiten der Antriebsköpfe (20a, 20b) mit einer Formstruktur (34a, 34b), z. B. in der Form von abgerundeten Zähnen versehen sind, die eine komplementäre Formstruktur (36a, 36b) an der Stirnseite der Kegel formschlüssig greift bzw. kämmt. Auf diese Weise wird die Kraft von den Antriebswellen (18a, 18b) form­ schlüssig auf die Antriebskegel (22a, 22b) übertragen. Die der Antriebsscheibe (24) zugewandten Mantelflächen (23a, 23b) der Antriebskegel (22a, 22b) stehen in Friktionseingriff mit der äußeren Umfangsfläche (38) der Antriebsscheibe (24). Die An­ triebsscheibe (24) ist mittels exzentrischer Lager (40) im we­ sentlichen drehfest an einem Träger (42) gelagert. Die exzen­ trische Lagerung wird mittels eines exzentrischen Reiblagers, Rollenlagers, Kugellagers oder Walzlagers erzielt, dessen Bol­ zen (44) axial beidseitig des Lagers (40) herausstehen und in einem scheibenförmigen Flanschteil (46) des Trägers (42) gehal­ ten sind. Im vorliegenden Fall sind vier Exzenterlager (40) ro­ tationssymmetrisch um die Abtriebswelle (26) zur Lagerung der Antriebsscheibe (24) an dem Träger (42) vorgesehen. Durch diese exzentrische Lagerung ist die Antriebsscheibe (24) einerseits quer zur Achse der Abtriebswelle (26) auslenkbar, aber im we­ sentlichen drehfest an dem Träger (42) und damit an der Ab­ triebswelle (26) gelagert.

Die Abtriebswelle (26) ist zumindest im Längenbereich der An­ triebskegel (22a, 22b) als Zahnstange ausgebildet, auf der der Träger (42) axial verfahrbar, aber drehfest gehalten ist. Durch eine Klaue (50) kann der Träger axial auf die Abtriebswelle verschoben werden, so daß der Außenumfang (38) der Antriebs­ scheibe (24) entweder am durchmessergrößeren Ende des Mantels (23a, 23b) der Antriebskegel (22a, 22b) anliegt, oder stufenlos verstellbar bis hin zum durchmesserkleinsten Bereich. In der Abbildung ist die Anlage des Außenumfangs (38) der Antriebs­ scheibe (24) am durchmessergrößten Bereich der Antriebskegel (22a, 22b) dargestellt. Durch die axiale Verstellung des Trä­ gers (42) mittels der Klaue (50) kann somit das Übersetzungs­ verhältnis zwischen Hauptantriebswelle (12) und Abtriebswelle (26) eingestellt werden.

Nachfolgend wird die Funktionsweise der Getriebeanordnung kurz erläutert. Über die Hauptantriebswelle (12) und das Hauptan­ triebszahnrad (14) werden die Antriebswellen (18a, 18b) über die zugehörigen Zahnräder (16a, 16b) in eine gleichsinnige Dre­ hung versetzt. Die Antriebswellen (18a, 18b) treiben über einen formschlüssigen Eingriff ihrer Antriebsköpfe (20a, 20b) die An­ triebskegel (22a, 22b) an. Die Exzentrizität der beiden An­ triebskegel wird derart eingestellt, daß die Antriebskegel gleichsinnig exzentrisch ausgerichtet sind. Im dargestellten Beispiel sind die zentrischen Achsen der Antriebskegel relativ zur Rotationsachse beide nach oben versetzt. Dadurch wird er­ reicht, daß der Abstand zwischen den der Antriebsscheibe (24) zugewandten Mantelflächen (23a und 23b) der Antriebskegel (22a, 22b) konstant bleibt. Beim Betrieb des Getriebes wird nun die Antriebsscheibe (24) in der Zeichendarstellung vertikal oszil­ lierend ausgelenkt, so daß zu dem reinen Friktionseingriff der Mantelflächen (23a, 23b) der Antriebskegel (22a, 22b) mit der Umfangsfläche (38) der Antriebsscheibe (24) durch einen Kraft­ schluß unterstützt wird, der dadurch realisiert wird, daß der Mantel (23a, 23b) zumindest im Bereich des ansteigenden Radius' gegen die Außenumfangsfläche (38) der Antriebsscheibe (24) drückt. Dies bedeutet, daß der Kraftschluß zwischen den An­ triebskegeln (22a, 22b) und der Antriebsscheibe (24) über einen reinen Friktionseingriff weit hinaus geht. Dieser Effekt läßt sich vor allem verbessern, wenn man 3 oder 4 Antriebskegel ro­ tationssymmetrisch um die Antriebsscheibe herum anordnet. Auf diese Weise kann man erreichen, daß in den optimalen 120° bzw. 90° im Bereich des zunehmenden Radius der exzentrischen Mantel­ flächen (23a, 23b) eine Schiebekraft auf die Umfangsfläche (38) der Antriebsscheibe (24) ausgeübt wird. Die Antriebsscheibe wird somit zwischen den Antriebskegeln hin und hergeschoben, was eine wesentliche Verbesserung des Kraftschlusses, wie oben ausgeführt, bringt.

Durch die axiale Verstellung des Trägers (42) auf der Abtriebs­ welle z. B. mittels der Klaue (50) kann das Übersetzungsverhält­ nis der Getriebeanordnung (10) stufenlos eingestellt werden, da das Übersetzungsverhältnis im Bereich des durchmesserkleineren Bereichs des Kegels der Antriebskegel (22a, 22b) viel größer ist, als bei der dargestellten Anordnung der Antriebsscheibe (24) im durchmessergrößeren Bereich der Antriebskegel (22a, 22b).

Selbstverständlich ist die Breite (axiale Erstreckung) der An­ triebsscheibe in der Zeichnung übertrieben dargestellt. Vor­ zugsweise ist der an den Mantelflächen (23a, 23b) anliegende Umfangsbereich (38) der Antriebsscheibe (24) in axialer Rich­ tung möglichst gering, um Reibungen zwischen der Mantelfläche (23a, 23b) und dem Außenumfang (38) der Antriebsscheibe (24) aufgrund des Durchmesserunterschieds der mit dem Außenumfang (38) der Antriebsscheibe (24) in Kontakt stehenden Mantelfläche (23a, 23b) zu vermeiden.

Aufgrund der Exzentrizität der Antriebskegel und der quer zur Achse auslenkbaren Lagerung der Antriebsscheibe (24) können durch die vorliegende Getriebeanordnung sehr hohe Kräfte über­ tragen werden. Neben der dargestellten exzentrischen Lagerung kann die Antriebsscheibe bei Verwendung von 3 oder 4 Antriebs­ kegeln auch in der Art des Kolbens eines Wankelmotors über ei­ nen inliegenden Zahnkranz auf der Abtriebswelle gelagert sein, die ihrerseits dann ein Zahnrad aufweisen würde, die diesen inneren Zahnkranz der Antriebsscheibe kämmt. Dieses Prinzip der Lagerung ist aus dem Wankelmotor hinlänglich bekannt. In diesem Fall könnte die exzentrische Auslenkung der Antriebsscheibe (24) zusätzlich zu übertragende Rotationsbewegung für den Ab­ trieb und einen möglichst hohen Kraftschluß genutzt werden.

In dem dargestellten Beispiel sind die Antriebskegel an ihrer durchmessergrößeren Stirnseite angetrieben. Es sind selbstver­ ständlich andere Antriebsmöglichkeiten denkbar, bei denen bei­ spielsweise im durchmesserkleineren Bereich ein direkter An­ trieb mittels Kardangelenk oder Winkelgetriebe erfolgen könnte. An dem durchmessergrößeren Bereich der Kegel könnte dann ledig­ lich ein Rotationslager vorgesehen sein, wie es jetzt im durch­ messerkleineren Bereich vorgesehen ist. Alternativ dazu könnte auch aus dem durchmessergrößeren Bereich der Antriebskegel le­ diglich ein Zapfen hervorstehen, der über winklige Zahnräder eine Zahnradanordnung an den Antriebsköpfen (20a, 20b) kämmt, wobei diese Zahnradanordnung bzw. rotationssymmetrisch zu den Rotationsachsen ausgebildet wäre. Es ist weiterhin nicht erfor­ derlich, daß die Abtriebswelle als Zahnstange im Verschiebebe­ reich des Trägers (42) ausgebildet ist. Sie könnte ebenso einen elliptischen oder quadratischen Querschnitt haben.

Claims (10)

1. Getriebeanordnung für ein stufenloses Getriebe, umfassend

• - eine Abtriebswelle (26)
• - einen auf der Abtriebswelle (26) drehfest angeordneten Träger (42) für eine drehfeste aber quer zur Abtriebswelle (26) aus­ lenkbare Halterung einer Antriebsscheibe (24),
• - wenigstens zwei angetriebene Antriebskegel (22a, 22b), die beidseitig der Antriebsscheibe (24) derart angeordnet sind, daß deren der Antriebsscheibe (24) zugewandte Mantelfläche (23a, 23b) sich parallel zur Abtriebswelle (26) erstreckt und immer in Kontakt mit dem Außenumfang der Antriebsscheibe (24) steht, wobei die Kegel exzentrisch zu ihrer Rotationsachse an­ geordnet gleichsinnig synchron antreibbar sind, und
• - eine Stellvorrichtung (50) zur bezogen auf die Abtriebswelle (26) axialen Verschiebung der Antriebsscheibe (24) relativ zu den Antriebskegeln (22a, 22b) oder vice versa.

2. Getriebeanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Träger (42) axial auf der Abtriebswelle (26) verschieb­ bar ist, und
daß die Stellvorrichtung eine an oder in den Träger (42) grei­ fende Klaue (50) zur axialen Verstellung des Trägers (42) auf der Abtriebswelle (26) umfaßt.

3. Getriebeanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtriebswelle (26) einen nicht kreisrunden Querschnitt aufweist.

4. Getriebeanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Antriebskegel (22a, 22b) an ihrer durchmessergrößeren Stirnseite durch parallel zur Abtriebswelle (26) rotierende An­ triebswellen (18a, 18b) antreibbar sind,
daß die Antriebswellen (18a, 18b) an ihrem der Kegelstirnseite zugewandten Ende einen Antriebskopf (20a, 20b) aufweisen, der gleicherweise wie die Antriebskegel (22a, 22b) exzentrisch zur Antriebswelle (18a, 18b) angeordnet ist, und
daß die Kegelstirnseite und der Antriebskopf (20a, 20b) komple­ mentäre formschlüssige Eingriffselemente (34a, 36a; 34b, 36b), z. B. Zähne, aufweisen.

5. Getriebeanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswellen (18a, 18b) einen konzentrisch zu ihrer Rotationsachse in Richtung auf die Kegelstirnseite weisenden Zapfen (30a, 30b) aufweisen, der in eine konzentrisch zur Rota­ tionsachse der Antriebskegel (22a, 22b) ausgebildete Vertiefung (32a, 32b) in der durchmessergrößeren Stirnseite der Antriebske­ gel (22a, 22b) eingreift, um für die durchmessergrößere Kegel­ stirnseite ein Drehlager zu bilden.

6. Getriebeanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Antriebswellen (18a, 18b) ein identisches Antriebszahn­ rad (16a, 16b) tragen,
und daß die Antriebszahnrader (16a, 16b) der Antriebswellen (18a, 18b) von einem konzentrisch zur Abtriebswelle (26) auf ei­ ner Hauptantriebswelle (12) angeordneten Hauptantriebszahnrad (14) gekämmt werden.

7. Getriebeanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Träger (42) an einer Seite der Antriebsscheibe (24) ei­ nen Flansch (46) aufweist,
daß sich von dem Flansch (46) in Richtung auf die Antriebs­ scheibe (24) parallel zur Abtriebswelle (26) verlaufende Exzen­ terlager (40) erstrecken, die Bohrungen in der Antriebsscheibe (24) paßgenau durchsetzen, welche Exzenterlager (40) durch axial überstehende, relativ zur Lagerachse exzentrische ver­ setzte Bolzen (44) an dem Flansch (46) gehalten sind.

8. Getriebeanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß drei oder mehr Exzenterlager (40) rotationssymmetrisch um die Abtriebswelle (26) vorgesehen sind.

9. Getriebeanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß drei oder vier Antriebskegel vorgesehen sind, und
daß die Antriebsscheibe nach dem Prinzip der Kolbenlagerung des Wankelmotors einen in Richtung auf die Abtriebswelle weisenden inneren Zahnkranz aufweist, der ein auf der Abtriebswelle kon­ zentrisch angeordnetes Zahnrad kämmt.

10. Getriebeanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei, drei oder vier Antriebskegel (22a, 22b) die Antriebs­ scheibe (24) rotationssymmetrisch umgeben.