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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.
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Ein
solches Getriebe wird in der
US 5,632,702 beschrieben,
allerdings wird der Wirkeingriff über einen Drehwinkel von 90° durch eine
Sperrklinke herbeigeführt.
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Freiläufe lassen
sich unterscheiden nach den Kriterien des Formschlusses und des
Kraft- bzw. Reibschlusses.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
US 1,955,200 und
US 4,574,928 beschreiben
ebenfalls Freilaufkupplungen mit mehrzahnigen sperrklinkenartigen
Rastkörpern.
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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.
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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°.
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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.
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Weitere
Details der Erfindung werden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1 ein innenverzahntes Hohlrad
und eine Ringscheibe mit Umlaufelementen und
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2 eine Ausführung der
Erfindung als stufenloses Getriebe mit einem Hohlrad und nur einem Umlaufelement.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
drehmomentführenden
Kräfte
werden an die Umlaufelemente über
die Übertragungsstifte zweischnittig
eingebracht.