DE2122172A1

DE2122172A1 - Stufenloses Getriebe

Info

Publication number: DE2122172A1
Application number: DE19712122172
Authority: DE
Inventors: James Albert; Oliver Larry Ray; Springfield Mo. Lewis (V.St.A.). P
Original assignee: Dayco Corp
Current assignee: Day International Corp
Priority date: 1970-05-06
Filing date: 1971-05-05
Publication date: 1971-11-18
Also published as: DE2122172C3; BE766735A; GB1295804A; CA923731A; NL7106210A; DE2122172B2; FR2187066A5; US3623377A

Description

Patentanwalt .
n?pl.-lng. Walter Jadcisdi

Stuttgart N, Menzelstraßa 40 9 19 9 1

Dayco Corporation -^ ^j-: «m·

333 W. First Street
Dayton, Ohio 4-54-01

A 32 307

Stufenloses Getriebe

Die Erfindung betrifft ein stufenloses Getriebe mit einem Antrieb und einem Abtrieb, die beide !Riemenscheiben aufweisen, wobei die Kraftübertragung vom Antrieb auf den Abtrieb über einen Keilriemen erfolgt. Die Geschwindigkeit und das Drehmoment werden mittels <j^e eines feststehenden und eines axial beweglichen Flansches an jeder der Scheiben verändert. Solche Vorrichtungen werden allgemein in Fahrzeugen,- wie Schneefahrzeugen, Geländefahrzeugen, Mopeds usw. verwendet, bei denen Änderungen in der Geschwindigkeit und der Leistung über eine einfache Vorrichtung schnell erfolgen sollen. Die Vorrichtung ist ihrer Wirkung nach eine automatische Gangschaltung, nur daß dabei keine Zahnräder wie in einem Fahrzeuggetriebe verwendet werden; statt dessen erfolgt die Schaltung durch eine seitliche Bewegung eines Flansches der Antriebsscheibe, wodurch wiederum eine axiale Bewegung einer der Flansche der angetriebenen Scheibe, also der Abtriebsscheibe, bewirkt wird. Da die Antriebsscheibe über eine Welle primär mit dem Antrieb bzw. dem Motor verbunden ist, wird der bewegliche Flansch der Antriebsscheibe bei erhöhter Drehzahl des Antriebsmotors auf den feststehenden Flansch zu bewegt, wodurch der Keilriemen auf der Scheibe radial nach außen bewegt und somit ein größerer Durchmesser für die Kraftübertragung erzielt wird. Diese Stellungsänderung wird über den Keilriemen auf den angetriebene Scheibe übertragen, wodurch der bewegliche Flansch von dem feststehenden Flansch weg bewegt wird, während sich der Riemen

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an der angetriebenen Scheibe gleichzeitig radial nach innen bewegt, wodurch der für die Übertragung wirksame Durchmesser der angetriebenen Scheibe kleiner wird. Das Verhältnis dieser sogenannten Rollkreisdurchmesser der Scheiben zueinander bewirkt eine entsprechende Geschwindigkeitsänderung der angetriebenen Seite der Vorrichtung. Wenn die Maschine abgebremst wird, erfolgt bei niedrigerer Drehzahl eine Umkehrung dieses Vorgangs.

Um den Bereich der Geschwindigkeitsänderung zu vergrößern, mußte man früher auf verschiedene Notlösungen zurückgreifen, insbesondere wurden breitere Riemen oder mehrere Scheiben verwendet. Jedoch erwiesen sich diese Lösungen als unbefriedigend, da durch die Verwendung zusätzlicher Scheiben Nachteile hinsichtlich des Gewichtes, der Kosten und der baulichen Abmessungen auftraten, die aber insbesondere für die oben erwähnten Fahrzeuge vermieden werden müssen, wenn ihre Arbeitsweise verbessert werden soll. Im US Patent Nr. 3 365 967 ist bereits dargelegt worden, daß bessere Ergebnisse durch die Verwendung eines asymmetrischen Keilriemens erzielt worden sind, weil dadurch Riemen mit einer schmaleren Außenfläche verwendet werden können. Nach diesem Patent ist an einer Planke des Riemens ein kleinerer Winkel vorgesehen. Dadurch wird die äußere Riemenbreite um etwa die Hälfte reduziert, so daß der Riemen schneller laufen kann und eine längere Lebensdauer hat als ein symmetrischer Riemen.

Gewisse Einschränkungen müssen gegenüber diesem bekannten asymmetrischen Antrieb gemacht werden, weil dieser Antrieb nicht für ein bewegliches Fahrzeug vorgesehen war, so daß bei der Entwicklung den räumlichen Abmessungen und dem Gewicht keine größere Beachtung geschenkt worden war. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein verbesserter Antrieb dadurch geschaffen werden, daß der Mechanismus, der dem beweglichen Flansch im Antrieb zugeordnet ist, geändert wird. Das wird in Form einer Gleichung ausgedrückt, die die Geschwindigkeit zu anderen Größen bei der Konstruktion der Vorrichtung in Beziehung setzt, wodurch es dem

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Konstrukteur schnell möglich ist, die anderen, zur Erzielung der gewünschten Spezifikationen erforderlichen Faktoren bzw. Größen festzustellen. Die Analyse von Prüfergebnissen zeigt, daß mit Riemenwinkeln von nicht weniger als 2° und weniger als 6° zur Senkrechten gute Ergebnisse erzielt werden, insbesondere mit einem Winkel von nicht mehr als 4° zur Senkrechten.

Der besondere Aufbau schließt ein Mitnehmergehäuse ein, das am beweglichen Flansch der Antriebsscheibe befestigt ist, wobei in diesem Mitnehmer eine ringförmige Spiralfeder vorgesehen ist. Wenn die Geschwindigkeit des Primärantriebs größer wird, dehnt sich die Spiralfeder unter der Wirkung der Zentrifugalkraft nach außen und übt einen Druck auf das Mitnehmergehäuse aus, der in eine axiale Bewegung des beweglichen Flansches gegenüber dem feststehenden Flansch auf der Antriebsseite umgesetzt wird. Wie weiter unten gezeigt wird, läßt sich das durch eine Formel ausdrücken.

Im einzelnen "betrifft die Erfindung ein stufenloses Getriebe mit einer Antriebsscheibe, die einen normal axial beweglichen und einen normal axial nicht beweglichen Flansch als Antriebsverbindung zum Primärantrieb aufweist, und ferner eine angetriebene Scheibe mit dnem normal axial beweglichen und einem normal axial nicht beweglichen Flansch als Antriebsverbihdung zur Antriebsscheibe über einen asymmetrischen Riemen mit trapezförmigem Querschnitt hat und das dadurch gekennzeichnet ist, daß der axial bewegliche Flansch der Antriebsscheibe

; mit einem Mitnehmer zum Zusammenwirken mit dem elastisch dehnbaren Betätigungsglied antriebsmäßig verbunden ist, das geschwindigkeitsabhängig ist und bei erhöhter Geschwindigkeit der Antriebsscheibe den axial "beweglichen Flansch der Antriebsscheibe axial in Richtung zum normal axial nicht beweglichen Flansch der Antriebsscheibe bewegt und bei Abnahme der Geschwindigkeit der Antriebsscheibe den axial beweglichen Flansch der Antriebsscheibe sich axial vom axial nicht beweglichen Flansch der Antriebsscheibe weg bewegen läßt.

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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Beispiels wird die Erfindung im einzelnen erläutert:

Fig. 1 zeigt ein stufenloses Getriebe nach der Erfindung, insbesondere den Antrieb und den Abtrieb in der unbelasteten Stellung bzw. der Ruhestellung.

Fig. 2 zeigt im Schnitt den Antrieb gemäß der _ _

Fig. 1 in der Ruhestellung.

Fig. 3 zeigt im Schnitt ähnlich wie in Fig. 2 einen Teil der Vorrichtung in ihrer Stellung bei hoher Geschwindigkeit.

Fig. 4 zeigt entlang der Schnittlinie 4—4 in Fig. 2 weitere Einzelheiten der Vorrichtung.

Im einzelnen zeigt die Fig. 1 den Gesamtaufbau der Vorrichtung. Der Primärantrieb 11 kann ein Motor oder eine Brennkraftmaschine sein. Eine Antriebswelle 12 verbindet den Primärantrieb mit dem Antriebsteil 18, der eine Antriebsscheibe 13» Ή mit einem feststehenden Flansch 13 und einem beweglichen Flansch 14 umfaßt. Die Kraft wird von der Scheibe auf die angetriebene Scheibe 15» 19 übertragen, die Teil der angetriebenen Vorrichtung 19 istj die angetriebene Scheibe besteht aus einem feststehenden Flansch 15 und einem beweglichen Flansch 16; sie kann herkömmlicher Bauweise sein. Die Kraftübertragung erfolgt über einen Keilriemen 17» der einen asymmetrischen trapezförmigen Querschnitt hat.

Wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, hat der asymmetrische Riemen 17 zwei Seitenflächen, von denen die eine einen größeren, mit B bezeichneten Winkel aufweist, der zwischen 12 und 26° zur vertikalen Riemenachse beträgt, während die andere Seitenfläche mit derselben Vertikalen einen schmaleren Winkel B^

ο ο

bildet, der nicht weniger als 2 und nicht mehr als 6

beträgt, vorzugsweise nicht mehr als 4°.

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Gemäß den Fig. 2 und 3 ist im Antrieb eine Welle 20 vorgesehen, die mit der Antriebswelle 12 des Primärantriebs verbunden werden kann. Diese Verbindung kann über eine Anzahl verschiedener herkömmlicher Vorrichtungen erfolgen, z.B. mittels eines (nicht gezeigten) Bolzens, der durch einen Haltebolzen 33 durchgreift und innen durch die Welle 20 in das Ende der Welle 12 geführt wird. Auf der Welle 20 ist ein Lager 21 vorgesehen, das gegen axiale Bewegung durch einen Bistanzring 22 und Buchse 23 gesichert ist. Eine Rückhal/reder 24 liegt koaxial um Welle 20 und wird an einem Ende durch die Buchse 23 und am anderen Ende durch die Buchse 25 gehalten. Die Buchse 25 ist einstückig mit dem beweglichen Flansch 14 ausgebildet und kann mit ihm zusammen axial zur Welle 20 gleiten. Flansch 14 ist gleitend auf der Haltebuchse 23 angeordnet, und Buchse 25 ist an der Buchse 26 befestigt, die ihrerseits auf Welle 20 gleiten kann. Eine aus einem horizontalen Teil 28 und einem sich nach außen erstreckenden vertikalen !Cell 29 bestehende Manschette 27 ist am Ende der Welle 20 und Buchse 26 angebracht und umgibt sie. Eine ebenfalls konzentrisch zur Welle angeordnete Hülse 30 ist auf der Innenseite des horizontalen Teils 28 angeordnet.

An Flansch 14 ist ebenfalls ein Mitnehmergehäuse 31 befestigt, in dem eine aus zwei Zugfedern (Fig. 4) bestehende ringförmige Spiralfeder 32 untergebracht ist} diese.sind in 35 und 36 miteinander verbunden und entsprechen somit in ihrer Wirkung einer ringförmigen Zugfeder. In der Zeichnung ist die Feder 32 aus zwei einzelnen Federn bestehend dargestellt, obwohl a%e auch aus einer einzigen Zugfeder bestehen kann, die eben nur an einer Stelle zusammengefügt ist, um dieselbe Form zu haben. Feder 32 wird im Mitnehmer gehäuse 31 mittels des vertikalen Teiles 29 der Manschette 27 und der Hülse 30 gehalten, so daß die von der Feder bei ihrer Ausdehnung nach außen ausgeübte Kraft durch das Mitnehaergehäuee 31 und den Flansch 14 in eine Axialbewegung uegesetat wird· -

Dai Drehaoment wird von Priaärantritb 11 auf den beweglichen

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Flansch 14 über den Haltebolzen 33 übertragen, der auch die ganze Anordnung auf der Welle 20 hält. Der Haltebolzen 33 überträgt das Drehmoment auf die an der Hülse 30 befestigte Manschette 27» die ihrerseits an der Hülse 30 befestigt ist, während die Hülse 30 an der Keilnuten-Hülse 34 angeordnet ist. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, ist die Keilnuten-Hülse 34 verschiebbar und überträgt das Drehmoment auf die mit Keilen versehene Buchse 25t die einstückig mit dem beweglichen Flansch 14 ausgebildet ist.

Das konstruktive Ergebnis über das Verhältnis der einzelnen Teile dieses Mechanismus zueinander ist in einer Formel zusammengefaßt; mit ihrer Hilfe kann der Konstrukteur Veränderungen w an einzelnen Teilen berechnen, wie z.B. an der Form des Gehäuses, der Ausbildung der Spiralfeder und der Rückholfedern und der Ausbildung der spezifischen Riemenwinkel. Die Formel lautet:

/^sInA-U Cosine'^{1 (}V^DgJ

Die Formel gibt die für die Erhaltung des Gleichgewichts des Biemendurchmessers notwendigen Umdrehungen pro Minute für jedes gegebene Ausgangsdrehmoment an, darin bedeuten:

^Γ

D„ der Eingriffsdurchmesser des Riemens der Mindesteingriffsdurchmesser des Ri< die auf den Riemen wirkende Axialkraft

F die Vorspannung der Rückholfeder

K die Rückholfederrate

D„ der Durchmesser der ringförmigen Spiralfeder c

D der Durchmesser der Spiralfeder, wenn die Scheibe nicht rotiert

W das Gewicht pro Längeneinheit der Spiralfeder X die Spiralfederrate

U den Reibungskoeffizienten der Spiralfeder auf dem Mitnehmer· gehäuse

A der Winkel zwischen Axialrichtung und !Dangens am Berührungspunkt von Spiralfeder und Mitnehmergehäuse

B der Winkel des Scheibenflansches mit dem größeren Winkel

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ORIGINAL INSPECTED

B der Winkel des Sch.eibenflansch.es mit dem kleineren Winkel. Arbeitsweise

Die Stellung des Antriebs in der Ruhe- oder Leerlaufstellung ist in Fig. 2 gezeigt, in der der Riemen 17 am weitesten nach innen zwischen den Antriebsflanschen liegt, wobei sich der bewegliche Flansch 14 in der vom feststehenden Flansch 13 am weitesten entfernten Stellung befindet. Wenn die Bedienungsperson die Geschwindigkeit des Primärantriebs erhöht, wird durch die Rotation der Vorrichtung 18 die Spiralfeder 32 nach außen gedrückt. Da die Feder durch den vertikalen Teil der Manschette 27 und die Hülse 30 gehalten wird, wird diese nach außen wirkende Kraft über das Mitnehmergehäuse 31 entsprechend der spezifischen Ausbildung dieses Gehäuses übertragen. Die Kraft wird auf den Flansch 14· übertragen, der mit dem Gehäuse verbunden ist, wodurch der bewegliche Flansch 14 gegen den feststehenden Flansch 13 bewegt wird, bis er in Anlage an den Riemen 17 kommt. Bei diesem ersten Kontakt ist der Flansch in der Stellung bei niedriger Geschwindigkeit; die weitere Bewegung bewirkt schließlich, daß der Flansch die in Fig. 3 gezeigte maximale Schließstellung erreicht. Dadurch wird natürlich die Wirkung der Rückholfeder 24 aufgehoben, die in Fig. 2 in ihrem voll ausgedehnten Zustand und in Fig. 3 zusammengedrückt gezeigt wird. Wenn die Scheibe diese Schließstellung erreicht hat, verlagert sich der Riemen nach außen zur Oberseite der Scheibe hin in die in Fig. 3 gezeigte Stellung, wodurch die Antriebsscheibe den maximalen Arbeitskreisdurchmesser erzielt. Die äußere Bewegung des Riemens dagegen übt Druck auf den beweglichen Flansch 16 des angetriebenen Teiles 19 aus, wodurch dieser sich von dem feststehenden Flansch 15 wegbewegt (aus der in Fig. 1 gezeigten Stellung), bis der Riemen seine maximale Innenstellung auf der Scheibe 15i 16 erreicht hat. Die angetriebene Scheibe erzielt somit den Mindestrollkreisdurchmesser.

Wenn umgekehrt die Geschwindigkeit des Primärantriebs gedrosselt

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wird, läßt die nach außen drückende Kraft der Spiralfeder nach; dadurch schiebt sich der bewegliche Flansch 14 weg von dem feststehenden Flansch 13· Infolgedessen kann der Riemen nach innen in die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Stellung gelangen, da die Kraft der Rückholfeder 24 wieder nach außen wirkt. Daraufhin kann sich der Riemen nach außen in Richtung der in Fig. 1 gezeigten Stellung in die angetriebene Scheibe verlagern.

Um eine Vorstellung von den für die Erfindung möglichen Geschwindigkeiten zu geben, werden im folgenden einige Zahlenangaben gemacht,die allerdings nur als Beispiele zu betrachten sind und auf die die Erfindung keineswegs beschränkt sein soll. In der Stellung bei niedriger Geschwindigkeit hat die Antriebsscheibe einen Teilkreisdurchmesser von 8,10 cm, während der der angetriebenen Scheibe 26,35/beträgt. Daraus ergibt sich ein Geschwindigkeitsverhältnis von 1,00:3)25· In der in Fig. 3 gezeigten Stellung bei hoher Geschwindigkeit beträgt der Teilkreisdurchmesser der Antriebsscheibe 19)69 cm, der von der angetriebenen Scheibe 16,38 cm, woraus sich ein Verhältnis von 1,20:1,00 ergibt. Das könnte als die Overdrive-Stellung betrachtet werden.

Der Vorteil dieser asymmetrischen Konstruktion besteht darin, daß eine schnellere Änderung des Gesöhwindigkeitsverhältnisses bei gegebener äußerer Riemenbreite erzielt werden kann. Die besondere Ausführung der Feder 32 ist besonders für diese erwünscht schnelle Geschwindigkeitsänderung geeignet, da sie einfach und ruckfrei arbeitet, leicht und billig zu ersetzen ist und sofort auf plötzliche Lastveränderungen innerhalb des Systems anspricht. Die Vorrichtung arbeitet somit mit wesentlich weniger beweglichen und damit sich abnutzenden Teilen als die bekannten Vorrichtungen. Ein zusätzlicher Vorteil der Feder ist darin zu sehen, daß die Schalt- bzw. Verschiebeverhältnisse und -größen ohne weiteres innerhalb desselben Mechanismus verändert werden können, indem einfach eine Feder mit anderen Merkmalen eingesetzt wird; geändert

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werden können ferner der Durchmesser der Feder, die Anzahl der Windungen, der Durchmesser des Federdrahtes oder die metallurgische Zusammensetzung des Drahtes. Da alle diese Faktoren die Federleistung beeinflussen, wird dem Konstrukteur damit ein brauchbares Mittel zur Konstruktionsänderung geliefert.

Auch kann der Fachmann anhand der obengenannten Formel die Konstruktion des Mitnehmergehäuses oder die Rückholfeder verändern, um die gewünschte Geschwindigkeit oder die gewünschten Merkmale genau zu erzielen.

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Claims

Ansprüche; ?1 ? ? 1 7

- M.JStufenloses Getriebe mit einer Antriebsscheibe, die einen normal axial beweglichen und einen normal axial nicht beweglichen Flansch als Antriebsverbindung zum Primärantrieb aufweist und außerdem eine angetriebene Scheibe mit einem normal axial beweglichen und einem normal axial nicht beweglichen Flansch als Antriebsverbindung zur Antriebsscheibe über einen asymmetrischen Riemen mit trapezförmigem Querschnitt hat, dadurch gekennzeichnet, daß der axial bewegliche Flansch (14) der Antriebsscheibe (13, 14) mit einem Mitnehmer (31) zum Zusammenwirken mit dem elastisch dehnbaren Betätigungsglied wirkverbunden ist, das geschwindigkeitsabhängig ist und bei erhöhter Geschwindigkeit der Antriebsscheibe den axial beweglichen fe Flansch (14) der Antriebsscheibe axial in Richtung zum normal nicht beweglichen Flansch (13) der Antriebsscheibe bewegt und bei Abnahme der Geschwindigkeit den axial beweglichen Flansch (14) der Antriebsscheibe sich axial vom axial nicht beweglichen Flansch (13) der Antriebsscheibe weg bewegen läßt.
2. Stufenloses Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche der normal axial nicht beweglichen Flansche (13 und 15) der Antriebsscheibe bzw. der angetriebenen Scheibe einen Winkel zwischen 2 und 4 zu der senkrecht zu ihrer Rotationsachse liegenden Ebene bilden.
3· Stufenloses Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenflächen der normal axial beweglichen Flansche (14,16) der Antriebsscheibe bzw. der angetriebenen Scheibe einen Winkel zwischen 12 und 26° zu der senkrecht zu ihrer Rotationsachse liegenden Ebene bilden.
4. Stufenloses Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elastisch dehnbare Betätigungsglied als ringförmige Spiralfeder (32) ausgebildet ist.
5. Stufenloses Getriebe nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mitnehmer (31) Teil eines die ringförmige Spiralfeder umgebenden Gehäuses ist, an dessen Innen-

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fläche ein periphärer Teil der Spiralfeder (32) zur Anlage kommt, wobei der Durchmesser dieser Innenfläche mit zunehmender Entfernung von dem normal axial beweglichen Flansch (14-) der Antriebsscheibe größer wird, ferner gekennzeichnet dadurch, daß Begrenzungsmittel (29) vorgesehen sind, die jegliche Bewegung der Spiralfeder in Axialrichtung der Antriebsscheibe im wesentlichen verhindern.
6. Stufenloses Getriebe nach Anspruch 4-, gekennzeichnet durch eine Rückholfeder (24), die koaxial zur Rotationsachse der Antriebsscheibe und innerhalb der ringförmigen Spiralfeder (32) radial dazu angeordnet ist.
7. Stufenloses Getriebe nach Anspruch 6, bei dem die für die Erhaltung des Riemendurchnessers notwendigen Umdrehungen pro Minute bei einem gegebenen Ausgangsdrehmoment durch folgende Formel gegeben ist:

U/mini ·69χ10[ΐ fF_r+g_o+K _r ⁽V^Do⁾ ^(tanV^tariBnl, Co₅A₊U SiJ *, J V^ F* ² /P'sinA-Ü CosVV ^(Dc"V

worin D_r der Teilkreisdurchmesser des Riemens (17) ist; D der Mindestteilkreisdurchmesser des Riemens (17); E¹ die auf den Riemen (17) wirkende Axialkraft; F die Vorspannung der Rückholfeder (24); K die Rückholfederrate; D der Durchmesser der ringförmigen Spiralfeder (32); D der Durchmesser der ringförmigen Spiralfeder (32), wenn die Scheibe nicht rotiert; W das Gewicht pro Längeneinheit der ringförmigen Spiralfeder (32); K_c die Spiralfederrate; U der Reibungskoeffizient der Spiralfeder auf dem Mitnehmergehäuse (31); A der Winkel zwischen Axialrichtung und Tangens am Berührungspunkt von Spiralfeder (32) und Mitnehmergehäuse (31); B_w der größere Winkel des Scheibenflansches und B_Q der kleinere Winkel des Scheibenflansches.

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