DE19953643B4

DE19953643B4 - Stufenloses Getriebe

Info

Publication number: DE19953643B4
Application number: DE1999153643
Authority: DE
Inventors: Herwig Fischer
Original assignee: Innowacja Consulting; INNOWACJA CONSULTING POZNAN
Current assignee: Innowacja Consulting; INNOWACJA CONSULTING POZNAN
Priority date: 1999-11-09
Filing date: 1999-11-09
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2019-11-10
Also published as: DE19953643A1

Abstract

Stufenloses Getriebe mit einer Antrieb- und einer Abtriebswelle, die in beliebige exzentrische Lagen zu einander verschiebbar sind und von denen eine mit einer Hohlscheibe (10) mit einer Innenverzahnung (11) und mit einer Ringnut (12) und die andere mit einer Scheibe (40) mit radialen Schlitzen (41) verbunden ist, wobei jedes von mehreren Umlaufelementen (20) einen in einem der Schlitze (41) gleitenden Übertragungsstift und einen in der Ringnut (12) geführten Führungsstift (22), um den das Umlaufelement (20) drehbar ist, aufweist, und wobei die Umlaufelemente (20) zyklisch variierende Positionen auf dem Umfang der Hohlscheibe (10) und unterschiedliche Relativgeschwindigkeiten zur Hohlscheibe (10) einnehmen und beim Wechsel des Vorzeichens der Relativgeschwindigkeit ein Schaltvorgang einsetzt, der je ein Umlaufelement (20) in Eingriff mit der Hohlscheibe (10) bringt, dadurch gekennzeichnet dass jedes Umlaufelement (20) mindestens 3, vorzugsweise mindestens 8 Zähne aufweist, die mit mehr als einem Zahn der Innenverzahnung (11) in einen formschlüssigen Eingriff bringbar sind, dass...

Description

Die Erfindung betrifft ein stufenloses Getriebe mit einer Antriebs- und einer Abtriebswelle, die in beliebige exzentrische Lagen zu einander verschiebbar sind und von denen eine mit einer Hohlscheibe mit einer Innenverzahnung und mit einer Ringnut und die andere mit einer Scheibe mit radialen Schlitzen verbunden ist, wobei jedes von mehreren Umlaufelementen einen in einem der Schlitze gleitenden Übertragungsstift und einen in der Ringnut geführten Führungsstift, um den das Umlaufelement drehbar ist, aufweist, und wobei die Umlaufelemente zyklisch variierende Positionen auf dem Umfang der Hohlscheibe und unterschiedliche Relativgeschwindigkeiten zur Hohlscheibe einnehmen und beim Wechsel des Vorzeichens der Relativgeschwindigkeit ein Schaltvorgang einsetzt, der je ein Umlaufelement in Eingriff mit der Hohlscheibe bringt.

Ein solches Getriebe wird in der US 5,632,702 beschrieben, allerdings wird der Wirkeingriff über einen Drehwinkel von 90° durch eine Sperrklinke herbeigeführt.

Freiläufe lassen sich unterscheiden nach den Kriterien des Formschlusses und des Kraft- bzw. Reibschlusses.

Kraftschlüssige Freiläufe – wie Klemmkörper- oder Klemmrollenfreiläufe – zeichnen sich durch sehr hohe Schaltgenauigkeit aus, da sie in jeder Stellung verriegeln können, weisen jedoch prinzipbedingt den Nachteil auf, sehr hohe Kräfte im Kontaktbereich aufzubauen, die um den Faktor 1/my höher sind als die drehmomentführenden Kräfte und zusätzlich mit sehr geringen Toleranzen gefertigt werden zu müssen, da sonst die erforderlichen Klemmwinkel nicht hinreichend präzise eingehalten werden können.

Formschlüssige Freiläufe wie z. B. Sperrklinkenfreiläufe können nur an den durch die formschlüssige Geometrie vorgegebenen Positionen sperren, sind somit in der Schaltgenauigkeit schlechter als Klemmfreiläufe, bauen jedoch nur Kräfte in der Größenordnung der drehmomentführenden Kräfte auf und können damit einfacher, leichter und preiswerter gefertigt werden. Ein weiterer Nachteil von formschlüssigen Freiläufen liegt in der Geräuschentwicklung, die beim Springen der angefederten Sperrklinken im Überhofbetrieb in der jeweiligen Gegenverzahnung entstehen.

Die DE 30 47 891 A1 beschreibt eine Freilaufkupplung, bestehend aus einem treibenden und einem getriebenen Kupplungsteil, mit in dem einen Kupplungsteil schwenkbar angeordneten Mitnehmerkörpern, die aus einer Lagerrolle mit darin angeordneten Sperrklinken bestehen, die zur Drehmomentübertragung in Ausnehmungen des anderen Kupplungsteils eingreifen. Um eine Freilaufkupplung zu schaffen, bei der der Umschaltvorgang in die Drehmomentübertragungsposition einer Dämpfung unterworfen ist, die jedoch in Drehmomentübertragungsrichtung ein formschlüssig starres Verhalten zeigt und bei der die Mitnehmerkörper in der Überholposition mit Abstand von der Gegenbahn gehalten sind, werden verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen. So sollen die Lagerrollen axial länger als die Sperrklinken ausgebildet sein und radial aus dem die Mitnehmerkörper aufnehmenden einen Kupplungsteil vorstehen. Ferner soll mit dem anderen Kupplungsteil ein gummielastischer Ring drehfest verbunden sein, der mit den Lagerrollen der Mitnehmerkörper in radial gerichteter reibschlüssiger Verbindung gebildet ist.

Die WO 98/42996 A1 beschreibt ein Schaltgetriebe mit einem drehbaren innenverzahnten Hohlrad sowie einem relativ hierzu drehbaren Innenglied mit mehreren klinkenartigen Eingriffsgliedern, die einen Eingriffszahn aufweisen und die schwenkbar gelagert sind.

Die US 1,955,200 und US 4,574,928 beschreiben ebenfalls Freilaufkupplungen mit mehrzahnigen sperrklinkenartigen Rastkörpern.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile formschlüssiger und kraftschlüssiger Freiläufe weitestgehend zu verhindern und deren Vorteile zu verbinden. Diese Aufgabe wird durch Patentanspruch 1 gelöst. Weiterentwicklungen werden in den Unteransprüchen beschrieben.

Wird eine Mikroverzahnung in einem Hohlrad aufgebracht, das z. B. mit der Antriebswelle fest verbunden ist, so liegen zwischen je zwei benachbarten Zahnelementen durch das kleine Verzahnungsmodul nur sehr kleine Winkelabstände, so dass eine vergleichsweise gute Schaltgenauigkeit erzielt werden kann. Bei 180 Zähnen auf dem Umfang wäre die Schaltgenauigkeit z. B. 2°.

In diese Mikroverzahnung können nun Umlaufelemente, die z. B. mit der Antriebswelle verbunden sind, eingreifen, wobei jedes dieser Umlaufelemente im Kontaktbereich zum Hohlrad mehrere Zähne aufweist, so dass die Umfangslasten zur Drehmomentübertragung auf mehrere Zähne verteilt werden. Somit greift nicht nur eine Klinke mit einer einzigen Kontaktzone in je einen Zahn, sondern die Kontaktzone eines jeden Umlaufelementes greift in mehrere Zähne des Hohlrades ein. Somit wird die zulässige Belastung größerer Klinken in einem großen Zahnmodul erhalten, gleichzeitig aber die hohe Schaltgenauigkeit eines sehr kleinen Zahnmoduls erzielt.

Weitere Details der Erfindung werden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 ein innenverzahntes Hohlrad und eine Ringscheibe mit Umlaufelementen und
2 eine Ausführung der Erfindung als stufenloses Getriebe mit einem Hohlrad und nur einem Umlaufelement.
1 zeigt ein Hohlrad 10 mit einer Verzahnung 11 und einer Nut in der Ringscheibe 12 sowie zwölf Umlaufelemente 20 bzw. 30. Die Führungsstifte 22 können in der Nut gleiten und erzeugen eine Rotation der Umlaufelemente 20 bzw. 30, je nach Richtung des Drehmomentes, das an den Übertragungsstiften 21 anliegt und das durch Bohrungen in der nicht dargestellten Scheibe des Antriebes auf die Stifte 21 abgegeben wird. Das Umlaufelement 30 ist in einer entriegelten Lage dargestellt, alle übrigen Elemente sind im Eingriff mit der Verzahnung bezeichnet. Um im Überholbetrieb die Rotation des Umlaufelementes auf das Maß zu begrenzen, dass erforderlich ist, um einen Kontakt in der Verzahnung zu vermeiden, liegt die Überholkontur 23 im Überholbetrieb in Kontakt mit der Nut in der Ringscheibe 12. Unterstützt werden kann die Mechanik des Zahneingriffes durch nicht dargestellte Federn, mit denen die Umlaufelemente 20 in jeweils eine Rotationsrichtung um den Führungsstift 22 gedreht werden.
Die Umlaufelemente 20 sind so ausgeführt, dass sie eine Dreh- oder Gleitbewegung ausführen können, durch die sie in den Eingriff zur Verzahnung 11 des Hohlrades 10 gebracht werden bzw. aus der Verzahnung 11 gehoben werden können. Je nach Richtung des Drehmomentes greifen die Umlaufelemente 20 in die Gegenverzahnung ein oder sind aus ihr gelöst. Der Schaltvorgang richtet sich also nicht oder nicht nur nach der eventuell asymmetrischen Geometrie der Verzahnung, sondern wird (je nach Ausführung zusätzlich oder ausschließlich) durch die Bewegung der Umlaufelemente ausgelöst. Auf diese Weise können Überholgeräusche durch Zahnkontakt vermieden oder reduziert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Umlaufelemente durch eine Anfederung in einer Position so gehalten, dass bei Drehmomentumkehr jeweils eine Bewegung in die andere Position erfolgt.
In einer anderen Ausführung sind die Umlaufelemente 20 über einen Übertragungsstift 21 mit der Antriebswelle drehmomentführend verbunden und werden in einer Ringscheibe mit einem Führungsstift 22 so geführt, dass die Umfangskräfte aus dem Übertragungsstift 21 eine Drehbewegung um den Führungsstift 22 herbeiführen, mit der die Umlaufelemente aus der Verzahnung 11 mit dem Hohlrad 10 gehoben werden. Beim Schaltvorgang wechselt die Kraftrichtung des Übertragungsstiftes 21 und die Umlaufelemente 20 rotieren um den Führungsstift 22 bis sie in vollständigem Eingriff mit dem Hohlrad 10 anliegen und eine weitere Rotation somit nicht mehr möglich ist. Die Verzahnung 11 ist asymmetrisch vorzugsweise so ausgeführt, dass auch bei einer Störung der Drehbewegung der Umlaufelemente eine Verriegelung nur in Schaltrichtung erfolgt und in Freilaufrichtung die Zahnflanken aus dem Eingriff zurück gedrückt werden.
In anderen Ausführungen sind die Umlaufelemente innen verzahnt und das Hohlrad dann entsprechend als Zahnrad ausgeführt oder auch An- und Abtrieb vertauscht, wobei die Schaltvorgänge dann analog ablaufen.
2 zeigt eine Ausführung der Erfindung als stufenloses Getriebe, mit dem Hohlrad 10 und nur einem Umlaufelement 20, wobei der Übertragungsstift 21 im Eingriff mit einer der neun Radialnuten 41 der Antriebsscheibe 40 in exzentrischer Position steht. Die übrigen acht Umlaufelemente sind nicht dargestellt. die Übertragungsstifte werden in der Antriebsscheibe 40 mit Radialschlitzen 41 oder in Koppeln oder anderen Übertragungselementen so geführt, dass An- und Abtrieb des Freilaufes in exzentrische Positionen gebracht werden können. Die Ringscheibe 12 ist dann immer konzentrisch zum Hohl- bzw. Zahnrad, so dass die Umlaufelemente 20 immer auf einem Umfangsbogen laufen, der konzentrisch zum Zahn- bzw. Hohlrad 10 bleibt. Die Übertragungsstifte 21 gleiten dann in den Radialschlitzen 41 auf der Antriebsscheibe 40 bei jeder Umdrehung bzw. die Koppeln rotieren um ihre Drehachse, in exzentrischer Position nehmen dann die Umlaufelemente 20 zyklisch variierende Positionen auf dem Umfang der Ringscheibe 12 und unterschiedliche Relativgeschwindigkeiten zum Hohl- bzw. Zahnrad ein. Beim Wechsel des Vorzeichens der Relativgeschwindigkeit tritt in diesem Fall ein Schaltvorgang ein, der je ein Umlaufelement in Eingriff mit dem Hohlrad bringt. Auf diese Weise arbeitet der Freilauf als stufenloses Getriebe, wobei die Exzentrizität zwischen Antriebs- und Abtriebswelle ein Maß für die gewählte Übersetzung darstellt.
Jedes Umlaufelement besitzt mindestens drei, vorzugsweise mindestens acht Zähne, die mit mehr als einem Zahn der Innenverzahnung 11 in einen formschlüssigen Eingriff bringbar sind. Die Umlaufelemente 20 führen durch die drehmomentführende Umfangskraft am Übertragungsstift eine Dreh- oder Gleitbewegung aus und werden je nach Lastrichtung in Eingriff mit dem Zahnrad 10 gebracht oder aus dem Eingriff mit dem Zahnrad 10 gelöst.
Die Umlaufelemente 20 werden in einer Führungsnut 12 mit den Führungsstiften 22 und mit der Führungskontur 23 so geführt, dass der Rotationswinkel begrenzt wird auf das erforderliche Maß, mit dem eine sichere Lösung aus der Verzahnung im Überholbetrieb gewährleistet ist, eine weitere zusätzliche Drehung jedoch vermieden wird.
Das Zahnrad weist mindestens 180, vorzugsweise mindestens 100 Zähne und jedes der Umlaufelemente mindestens 8, vorzugsweise mindestens 3 Zähne auf. Die Bewegung des Übertragungsstiftes, die erforderlich ist, um ein Umlaufelement aus der Position im vollen Eingriff vollständig aus der Verzahnung zu lösen, ruft eine relative Drehung zwischen den Wellen hervor, die nicht größer ist als der Winkel, der sich aus der Teilung des Zahnrades 10 ergibt. Die Schaltgenauigkeit des Freilaufes hängt somit nur von der Teilung der Verzahnung ab. Die Umlaufelemente 20 werden in einer der beiden Rotationslagen um den Führungsstift 22 durch Anfederungen gehalten. Die Übertragungsstifte 21 sind so mit der Welle verbunden, dass exzentrische Lagen zwischen An- und Abtriebswelle möglich sind und somit der Freilauf als stufenloses Getriebe arbeitet. Durch eine asymmetrische Verzahnung werden auch bei einem fehlerhaften Eingriff der Verzahnung im Überholbetrieb, z. B. durch Coriolisbeschleunigungen an den Umlaufelementen 20 oder durch instationäre Betriebszustände keine Drehmomente in die falsche Richtung übertragen, sondern es werden die Umlaufelemente in diesem Fall aus der Verzahnung gelöst. Die Auslegung der Zahngeometrie, der Abmessungen der Umlaufelemente und der Anfederung, falls vorhanden, erfolgt so, dass im Überholbetrieb kein Kontakt der Verzahnung erfolgt und der Freilauf somit geräuscharm arbeitet. Die Umlaufelemente sind so ausgeführt, dass sie sich elastisch verformen und so den Kupplungsstoß beim Eingriff abfedern können.
Die drehmomentführenden Kräfte werden an die Umlaufelemente über die Übertragungsstifte zweischnittig eingebracht.

Claims

Stufenloses Getriebe mit einer Antrieb- und einer Abtriebswelle, die in beliebige exzentrische Lagen zu einander verschiebbar sind und von denen eine mit einer Hohlscheibe (10) mit einer Innenverzahnung (11) und mit einer Ringnut (12) und die andere mit einer Scheibe (40) mit radialen Schlitzen (41) verbunden ist, wobei jedes von mehreren Umlaufelementen (20) einen in einem der Schlitze (41) gleitenden Übertragungsstift und einen in der Ringnut (12) geführten Führungsstift (22), um den das Umlaufelement (20) drehbar ist, aufweist, und wobei die Umlaufelemente (20) zyklisch variierende Positionen auf dem Umfang der Hohlscheibe (10) und unterschiedliche Relativgeschwindigkeiten zur Hohlscheibe (10) einnehmen und beim Wechsel des Vorzeichens der Relativgeschwindigkeit ein Schaltvorgang einsetzt, der je ein Umlaufelement (20) in Eingriff mit der Hohlscheibe (10) bringt, dadurch gekennzeichnet dass jedes Umlaufelement (20) mindestens 3, vorzugsweise mindestens 8 Zähne aufweist, die mit mehr als einem Zahn der Innenverzahnung (11) in einen formschlüssigen Eingriff bringbar sind, dass die Umlaufelemente (20) eine Führungskontur (23) aufweisen, durch die deren Rotationswinkel begrenzt ist, wobei die Bewegung des Übertragungsstiftes (21); die erforderlich ist, um ein Umlaufelement (20) aus der Position im vollen Eingriff vollständig aus der Innenverzahnung (11) zu lösen, eine relative Drehung zwischen den beiden Wellen hervorruft, die nicht größer ist als der Winkel, der sich aus der Teilung der Innenverzahnung (11) ergibt.
Stufenloses Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlaufelemente (20) durch die drehmomentführende Umfangskraft am Übertragungsstift (21) eine Dreh- oder eine Gleitbewegung ausführen und so je nach Lastrichtung in Eingriff mit der Hohlscheibe (10) gebracht oder aus dem Eingriff mit der Hohlscheibe (10) gelöst werden.
Stufenloses Getriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenverzahnung (11) mindestens 100, vorzugsweise 180 Zähne aufweist.
Stufenloses Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlaufelemente (20) in einer der beiden Rotationslagen um den Führungsstift (22) durch Anfederungen gehalten werden.
Stufenloses Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnung der Umlaufelemente (20) und der Innenverzahnung (11) asymmetrisch ausgebildet ist.
Stufenloses Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlaufelemente (20) elastisch verformbar sind.
Stufenloses Getriebe, gekennzeichnet durch eine zweischnittige Ausbildung, bei der die Umlaufelemente zwei diametral abstehende Führungsstifte aufweisen, die jeweils in einer von zwei Ringnuten (12) einer Hohlscheibe (10) eingreifen.