DE19855533C2 - Schwungradgetriebe mit Drehmomentspeicherung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schwungradgetriebe mit Drehmomentspeicherung , das für mechanische Antriebe in der Technik vielseitig zur Anwendung kommen kann. Es ist sowohl im allgemeinen Maschinenbau, wie Aufzüge und Transport­ mittel, im Fahrzeugbau, als auch bei mit Muskelkraft bedienbaren Kinderfahrzeugen, wie Kinderautos, Dreirader u. ä. verwendbar.

Schwungradgetriebe mit unterschiedlich großen Schwungmassen sind auf verschiedenen technischen Gebieten allgemein bekanntgeworden. Die Schwungräder weisen dabei eine relativ hohe Trägheit auf, d. h. in Abhängigkeit vom Radius der Schwungscheibe und deren Masse muß ein relativ hohes Drehmoment für die Beschleunigung aufgebracht werden. Vielfach ist dazu die Masse auf den äußeren Außendurchmesser der Schwungscheibe konzentriert, wobei der Durchmesser des Schwungrades möglichst groß gewählt wird.

Nachteilig dieser Schwungradgetriebe ist dabei jeweils das relativ hohe Anlauf­ drehmoment, das aufgrund der Massenträgheit der gewählten Schwungmasse für den Anlauf des Getriebes aufgebracht werden muß. Ein weiterer Nachteil besteht in der weitgehend ungesteuerten Abgabe des gespeicherten Drehmomentes.

In der DE 32 18 956 C2 ist ein System von Schwungrädern als Ausgleicher erster Ordnung für einen Verbrennungsmotor vorgesehen. Damit werden Unregelmäßig­ keiten im Gleichlauf an einer Kurbelwelle eines Kraftfahrzeugmotors weitgehend ausgeglichen.

In der DE 295 06 324 U1 ist ein Schwunglaufwerk für Metallbaukästen beschrieben, das ein in den Lagerpunkten festes Schwungrad aufweist, das ein Drehmoment speichert. Das Schwungmoment ist bei der Übertragung nicht regulierbar.

In der DE 35 30 668 A1 werden Schwungräder für einen Rotationsmotor mit Rück­ stoßverwertung eingesetzt. Die Anordnung eines Kolbens dient dabei nur zur Kompression von Verbrennungsgasen. Die Trägheit der Schwungräder ist nicht veränderbar und kann den wechselnden Anforderungen nicht angepaßt werden.

In der DE 195 01 574 A1 ist eine Antriebskombination von Elektomotor, Schwungrad und stufenlos regelbarer Elektromagnetkupplung dargestellt, die für ein Hybrid­ fahrzeug (Treibstoff und elektrische Energie) von Bedeutung ist. Beim Schwungrad handelt es sich um ein Leichtschwungrad mit verschiebbaren Fliehgewichten. Je nach Geschwindigkeit werden in radial angeordneten Bohrungen einzelne Stahl­ kugeln diametral gegen die Wirkung von Federn nach außen gedrückt. Die Bohrungen sind nach außen verschlossen und begrenzen den Weg der Stahlkugeln. Die Schwungräder selbst sind aus leichtem Material, so daß für die Anfangsge­ schwindigkeit beim Anlauf nur ein kleineres Drehmoment erforderlich ist, da sich die Stahlkugeln auf einem kleineren Durchmesser befinden. Mit zunehmender Geschwindigkeit des Schwungrades ändert sich das Drehmoment der Scheibe, das beim Abtrieb wieder zur Verfügung steht. Die Abgabe des Drehmomentes ist jedoch nicht regulierbar.

In der DE 197 05 193 A1 wird eine innenbetriebene Schwungscheibe beschrieben, welche den zum Betrieb notwendigen Antriebsmotor im Inneren montiert hat. Der Aufbau der Schwungscheibe besteht im wesentlichen aus einem tragenden, umschließenden Gehäuse und darin integrierten umlaufenden Schwungscheiben, die sich beim Betrieb des ganzen in eine eigenständige Rotation versetzen lassen. Eine Erhöhung der Drehzahl wird mit Hilfe der Trägheit bzw. mit resultierenden Flieh­ kräften, der innen umlaufenden Scheiben, erreicht. Das mechanische Drehmoment der innen umlaufenden Scheiben wird erst bei Energieentzug freigesetzt und kann zum Betrieb eines Generators oder Übertragungsgetriebes genutzt werden. Nachteilig ist dabei, daß zum Abbremsen der kleinen Schwungscheiben ein Elektromotor erforderlich ist, dem entsprechende Hilfsenergie zugeführt werden muß.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein Schwungradgetriebe mit relativ großem Trägheitsmoment zur Speicherung kinetischer Energie zu entwickeln, das seine Trägheit bei Beschleunigung minimiert und eine variable und gesteuerte Drehmomentübertragung für ein Antriebssystem ermöglicht.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Anordnung mehrerer gleichmäßig um eine gemeinsame Achse konzentrisch verteilter freibeweglicher Schwung­ scheiben auf einer Trägerscheibe oder zwischen zwei Trägerscheiben, wobei die freibeweglichen Schwungscheiben, auch als Satellitenschwungscheiben bezeichen­ bar, mit einer mechanischen Bremsvorrichtung in Verbindung stehen, die zur variablen Steuerung der Drehmomentübertragung dosiert zur Wirkung gebracht werden kann. Die Trägerscheiben sind dabei von geringer Masse, um das Trägheitsmoment für den Anlauf des Schwungradgetriebes relativ gering zu halten. Bei Beschleunigung der Trägerscheiben werden die Satellitenschwungscheiben mitbewegt, führen aber aufgrund ihres Beharrungsvermögens zunächst keine eigene Drehbewegung aus. Gegenüber den Trägerscheiben erfolgt relativ sogar eine gegensätzliche Drehung. Die Fliehkräfte der Satellitenschwungscheiben sind aufgrund der eigenen Rotation entgegen der Drehrichtung der Trägerscheiben geringer und minimieren das aufzuwendende Drehmoment für die gesamte Baugruppe.

Es kann so eine hohe Beschleunigung mit relativ kleinem Drehmoment erreicht werden.

Wird die relative Bewegung der Satellitenscheiben zu den Trägerscheiben auf NULL gebracht, was durch Abbremsen der Satellitenscheiben erreicht werden kann, so wird die sogenannte Coreoliskraft frei, die sodann auf die Trägerscheiben übertragen wird. Aufgrund der nun wirksamen hohen Masse der Satellitenschwungscheiben kann abtriebseitig nunmehr ein relativ großes Drehmoment übertragen werden.

Die Übertragung des Drehmomentes am Abtrieb kann durch unterschiedliches bzw. dosiertes Abbremsen der Satellitenschwungscheiben beeinflußt bzw. verändert werden.

Einen speziellen Teil der erfindungsgemäßen Lösung beinhaltet die Bremsvor­ richtung für die Satellitenschwungscheiben, die ungebremst um ihre Achse freibeweglich auf den Trägerscheiben gelagert sind.

Die Bremsvorrichtung besteht aus einem Bremsträger mit aufgesetzten Bremsbelägen , der mittels Federn axial gegen die Satellitenscheiben gedrückt wird. Der Brems­ träger besteht dazu aus einer Scheibe, die parallel zu den Trägerscheiben der Satellitenschwungmassen angeordnet ist. Der Bremsträger befindet sich axial auf einer Hohlwelle und ist axial über einen in der Hohlwelle verschiebbaren Stößel verstellbar. Der Stößel ist mit einem querliegenden Stift verbunden, der beidseitig aus in der Hohlwelle eingeformten Längsschlitzen ragt. Die herausgeführten Stift­ enden sind wiederum mit dem Bremsträger fest verbunden. Der Längsschlitz in der Hohlwelle weist eine Rastposition für die Entriegelungsposition auf, so daß nach Betätigung des Stößels und entriegelter Bremsvorrichtung eine Entlastung für den Stößel und seinen Betätigungsmechanismus erfolgt.

Der Vorteil dieser Bremsvorrichtung besteht darin, daß sie von außerhalb der Vorrichtung dosiert bedient werden kann. Außerdem kann der Bremsträger leicht ausgewuchtet werden.

Eine alternative Bremsvorrichtung besteht darin, daß entsprechend der Anzahl der Satellitenschwungscheiben einzelne Bremsbacken angeordnet sind, die in einer der Trägerscheiben verschiebbar eingesetzt sind. Die den Satellitenschwungscheiben zugewandte Seite der Bremsbacken sind mit einem Bremsbelag belegt und die entgegengesetzte Seite weist einen Zapfen auf, der mit einer geformten kreisrunden Tellerfeder in Wirkverbindung steht und an dieser angelenkt ist. Das Zentrum der Tellerfeder befindet sich in der Nut einer Nabe, die über der Hohlwelle verschiebbar angeordnet ist. Die Nabe ist mit einem in der Hohlwelle befindlichen Stößel und einem quer in den Stößel eingesetztem Stift verbunden, so daß von außen eine Verstellmöglichkeit der Tellerfeder gegeben ist.

Mit Durchbrüchen befindet sich die Tellerfeder über den Lagerzapfen der Satelliten­ schwungscheiben und stützt sich sowohl nach oben, als auch nach unten an kreis­ runden Kippelementen ab, wodurch für die äußeren Enden der Tellerfeder ein Hebeleffekt entsteht und die Bremsbacken in Richtung der Satellitenschwung­ scheiben bewegt werden können.

Wesentlich für die Erfindung sind die Trägerscheiben für die Satellitenschwung­ scheiben, die zur besseren Wirksamkeit der Vorrichtung besonders massearm zu gestalten sind. Sie müssen jedoch die hohen und wechselnden Belastungen durch die auftretenden Fliehkräfte der Satellitenschwungscheiben aufnehmen und daher eine hohe Festigkeit aufweisen.

Erreicht werden diese Eigenschaften durch Trägerscheiben aus Gießharz mit eingelagerten geknüpften Verbundstoffen, z. B. Fasern aus Kevlar oder Karbon. Wichtig dabei ist, daß die Verknüpfungen der Verbundstoffe im inneren und äußerem Randbereich nicht aufgeschnitten werden und Schlaufen der Struktur nicht aus der Randoberfläche heraustreten.

Der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand eines Ausführungsbeispieles, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf das Schwungradgetriebe bei eingekoppelter Bremsvorrichtung;

Fig. 2 eine Draufsicht gemäß Fig. 1 bei ausgekoppelter Bremsvorrichtung;

Fig. 3 eine Darstellung nach Schnitt AA gem. Fig. 2 mit Darstellung von beispielsweise zwei Satellitenschwungscheiben;

Fig. 4 eine alternative Darstellung einer Bremsvorrichtung für das Schwungradgetriebe;

Fig. 5 eine Draufsicht auf die Bremsvorrichtung gemäß Fig. 4 und der Schnittlinie BB;

Fig. 6 eine Schnittdarstellung des Schwungradgetriebes gemäß Fig. 4 und Schnittlinie CC;

Fig. 7 eine vergrößerte Darstellung der Rastvorrichtung für den Stößel in der Hohlwelle entsprechend Einzelheit X in der Fig. 6;

Fig. 8 Seitenansicht der Rastvorrichtung gemäß Fig. 7;

Fig. 9 eine Draufsicht auf das Schwungradgetriebe gemäß Fig. 4 bei ausgekoppelter Bremsvorrichtung;

Auf der Welle 2 der Antriebsräder 1 sind Träger 3 angeordnet, auf bzw. zwischen den sich das Schwungradgetriebe befindet. Das Schwungradgetriebe ist vollständig auf einer gemeinsamen Welle 4 angeordnet, die als Hohlwelle 4 ausgebildet mit ihren Enden in den Trägern lagert (Fig. 1).

Fest mit der Hohlwelle 4 sind zwei Trägerscheiben 6 und 7 verbunden, zwischen denen gleichmäßig verteilt zwei oder mehrere Schwungscheiben 8 konzentrisch um die Hohlwelle 4 auf Bolzen 9 frei beweglich gelagert sind. Die Lager 10 der Schwungscheiben 8 sind vorteilhaft als Kugellager ausgebildet. Die Schwung­ scheiben 8 werden als Satellitenschwungscheiben bezeichnet, da sie sich als Einzelschwungscheiben bereits auf bzw. zwischen den Trägerscheiben 6 und 7 als Schwungscheibe befinden. Die Verteilung der einzelnen Satellitenschwungscheiben 8 ist so gleichmäßig ausgeführt, daß keine Unwucht entstehen kann. Die Bolzen 9 sind fest in den Trägerscheiben 6 und 7 eingesetzt und gesichert.

Nahe und parallel zu den Satellitenschwungscheiben 8 und zu den Trägerscheiben 6 und 7 ist eine kreisrunde Bremsscheibe 11 eingesetzt, die im Bereich der Bolzen 9 jeweils Durchgangsbohrungen aufweist, damit die Bolzen 9 hindurchgeführt werden können.

Auf der Bremsscheibe 11 befinden sich, den Satellitenschwungscheiben 8 zuge­ wandt, Bremsbeläge 12, die bei einem Bremsvorgang axial gegen die rotierenden Satellitenschwungscheiben 8 drücken. Die Bremsscheibe 11 ist dazu verschiebbar auf der Hohlwelle 4 und zugleich über einen querliegenden Mitnahmestift 19 mit einem in der Hohlwelle 4 verschiebbaren Stößel 14 verbunden. Der Mitnahmestift 19 wird dazu in Längsschlitzen 23 der Hohlwelle 4 geführt und von diesen axial begrenzt. Bei Auslösung der Bremse über Seilzug 15, sowie den abgewinkelten Hebel 16 und über den Stößel 14 wird die Bremskraft durch vorgespannte Federn 13 aufgebracht, wobei die Federn 13 vorteilhaft um die Bolzen 9 angeordnet sind. Der Längsschlitz 23 in der Hohlwelle 4 weist eine seitliche Rastposition 20 für die Entriegelung der Bremsscheibe 11 auf, so daß nach Betätigung des Stößels 14 eine Entlastung für den Stößel 14 und seinen Betätigungsmechanismus 15; 16 erfolgt. Die Bremswirkung kann über den Seilzug 15 und den Winkelhebel 16 dosiert erfolgen, so daß auch eine dosierte Drehmomentübertragung auf die Antriebs­ räder 1 erfolgt.

Die Übertragung des Drehmomentes vom Schwungradgetriebe erfolgt über ein auf der Hohlwelle 4 befindliches Antriebsritzel 17 auf ein Zahnradgetriebe 18 oder aber auch auf ein äquivalentes Getriebe, das wiederum mit der Welle 2 der Antriebsräder 1 verbunden ist.

Die Trägerscheiben 6 und 7 für die Satellitenschwungscheiben 8 sind zur besseren Wirksamkeit der Erfindung weitgehend massearm gestaltet worden. Da sie jedoch auch die hohen Wechselbelastungen der auftretenden hohen Fliehkräfte der Satellitenschwungscheiben 8 aufnehmen und diesen standhalten müssen, sind sie mit einer hohen Festigkeit ausgestattet worden.

Erfindungsgemäß sind dazu die Trägerscheiben 6 und 7 aus einem Gießharz mit eingelagerten Verbundstoffen, wie Fasern aus Kevlar oder Karbon, geformt, wobei die Fäden des Gewebes im Randbereich nicht geschnitten werden und Schlaufen der Gewebestruktur nicht aus der Randoberfläche heraustreten.

Aus den Fig. 4 bis 9 ist eine alternative Bremsvorrichtung für das Schwungrad­ getriebe erkennbar. Die Satellitenschwungscheiben 8 sind wie zuvor zwischen zwei Trägerscheiben 7; 21 konzentrisch und gleichmäßig um die Hohlwelle 4 verteilt und um ihre Achsbolzen 9 frei beweglich angeordnet. Einzelne Bremsbacken 22 für jede Satellitenschwungscheibe 8 sind in Aussparungen 29 der Trägerscheibe 21 axial verschiebbar eingesetzt und drücken mit ihrem Bremsbelag 12 bei Auslösung der Bremse gegen die Satellitenschwungscheiben 8.

Die Zustellung der Bremsbacken 22 und die Bremskraft kommt von einer geformten kreisrunden und vorgespannten Tellerfeder 24, die an ihrem äußeren Rand über an den Bremsbacken 22 angeformte Zapfen 25 wirksam angelenkt ist.

Das Zentrum der Tellerfeder 24 befindet sich in der Nut 26 einer Nabe 27, die über der Hohlwelle 4 verschiebbar angeordnet ist. Die Nabe 27 ist mit einem in der Hohlwelle 4 befindlichen Stößel 14 und einem quer in den Stößel 14 eingesetztem Mitnahmestift 19a verbunden, so daß von außen über Seilzug 15 und Winkelhebel 16 eine Verstellmöglichkeit der Tellerfeder 24 gegeben ist.

Die Tellerfeder 24 weist im Bereich der Bolzen 9 für die Satellitenschwungscheiben 8 Bohrungen auf (Fig. 5). Damit die Tellerfeder 24 am Rand eine axiale Bewegung für die Verstellung der Bremsbacken 22 ausführen kann, stützt sie sich nach oben und unten an kreisrunden Kippelementen 28 ab, die wiederum unter dem Bolzenkopf 9a der Bolzen 9 angeordnet sind. Die Kippelemente 28 bestehen aus geschlossenen kreisrunden Stahldrahtringen, zwischen denen auch eine radiale Verschiebung bei der Biegung der Arme der Tellerfeder 24 erfolgen kann.

Zur Entlastung des entriegelten Bremsmechanismus befindet sich in der Hohlwelle 4 wiederum eine Rastposition 20 für den querliegenden Mitnahmestift 19a.

Die Nut 26 in der Nabe 27 ist durch eine auf die Nabe 27 aufgeschraubte Gewinde­ mutter ersetzbar.

Vorstehend ist die Erfindung anhand ausgewählter Merkmale beschrieben und dargestellt worden. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese Darstellung beschränkt, sondern vielmehr können sämtliche Merkmale allein oder in beliebiger Kombination, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen, verwendet werden.

Legende

1

Antriebsrad

2

Welle

3

Träger

4

Hohlwelle

5

Lager

5

a Lager

6

Trägerscheibe

7

Trägerscheibe

8

Satellitenschwungscheiben

9

Bolzen

9

a Bolzenkopf

10

Kugellager

11

Bremsscheibe

12

Bremsbelag

13

Feder

14

Stößel

15

Seilzug

16

Winkelhebel

17

Antriebsritzel

18

Getriebe

19

Mitnahmestift

19

a Mitnahmestift

20

Rastposition

21

Trägerscheibe

22

Bremsbacken

23

Längsschlitz

24

Tellerfeder

25

Zapfen

26

Nut

27

Nabe

28

Kippelement

29

Führungen

Claims (12)

1. Schwungradgetriebe mit Drehmomentspeicherung, gekennzeichnet durch die Anordnung mehrerer gleichmäßig konzentrisch verteilter Schwungscheiben (8) auf einer gemeinsamen rotierenden Trägerscheibe (6; 7), die über eine gemeinsame Welle (4) mit einem An- und Abtriebsgetriebe (17; 18) in Wirkverbindung steht und einer gleichfalls auf der Welle (4) angeordneten von außen über einen Stößel (14) axial verstellbaren Bremsvorrichtung (11; 12) für die Schwungscheiben (8) für einen dosierten Eingriff nach der Beschleunigung­ sphase des Schwungradgetriebes.

2. Schwungradgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremsvorrichtung (11; 12) aus einer parallel zur Trägerscheibe (6) angeordneten axial federnd vorgespannten Bremsscheibe (11) mit einer Anzahl Bremsbelägen (12) entsprechend der Anzahl Schwungscheiben (8) besteht.

3. Schwungradgetriebe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zur axialen Verstellung der Bremsscheibe (11) angelenkte Stößel (14) in der Hohlwelle (4) angeordnet ist, einen querliegenden Mitnahmestift (19) aufweist, der mit seinen überstehenden Enden in Längsschlitzen (23) der Hohlwelle (4) geführt ist, die eine Rastposition (20) für den Mitnahmestift (19) aufweist.

4. Schwungradgetriebe nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Druckfedern (13) zwischen Bremsscheibe (11) und Trägerscheibe (7) angeordnet sind.

5. Schwungradgetriebe nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerscheiben (6; 7; 21) der Schwungscheiben (8) zur Verminderung der Massenträgheit aus einem Gießharz mit eingelagerten Verbundstoffen, wie Fasern aus Kevlar oder Karbon, bestehen.

6. Schwungradgetriebe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptachse der Vorrichtung eine Hohlwelle (4) mit einem mittig angeordneten Stößel (14) ist, der über einen querliegenden Stift (19) nach außen an die axial verschiebbare Bremsscheibe (11) angelenkt ist und mit seiner axial aus der Hohl­ welle (4) austretenden Verlängerung (14) mit einem Betätigungsgetriebe (15; 16) in Verbindung steht.

7. Schwungradgetriebe nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptachse (4) der Vorrichtung ein Ritzel (17) trägt und zur Übertragung des gespeicherten Drehmomentes mit einem Getriebe (18) in Verbindung steht.

8. Schwungradgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremsvorrichtung (12; 21; 22) aus einer federnd vorgespannten Tellerfeder (24) besteht, die mit ihrer Mittenbohrung in einer Nut (26) einer axial verschiebbaren Nabe (27) lagert, wobei die Tellerfeder (24) am äußerem Rand über Zapfen (25) an Bremsbacken (22) angelenkt ist, die in der Trägerscheibe (21) eingesetzt sind, wobei die einzelnen Arme der Tellerfeder (24) in Kippelementen (28) geführt werden, die oberhalb und unterhalb der Tellerfeder (24) zwischen Trägerscheibe (21) und dem Bolzenkopf (9a) der Welle (9) angeordnet sind.

9. Schwungradgetriebe nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kippelemente (28) aus kreisrunden Stahldrahtringen bestehen.

10. Schwungradgetriebe nach Anspruch 1, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremsbacken (22) Bremsbeläge (12) aufweisen und in Führungen (29) der Trägerscheibe (21) axial zu den Schwungscheiben (8) verstellbar angeordnet sind.

11. Schwungradgetriebe nach Anspruch 1, 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die axial verschiebbare Nabe (27) auf der Hohlwelle (4) durch einen in Längs­ schlitzen (23) geführten Mitnahmestift (19a) begrenzt ist.

12. Schwungradgetriebe nach Anspruch 1, 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsschlitze (23) eine schräg herausgeführte Rastposition (20) aufweisen.