DE2422789A1

DE2422789A1 - Drehzahlwandler

Info

Publication number: DE2422789A1
Application number: DE19742422789
Authority: DE
Inventors: Joachim Uhing
Original assignee: UHING JOACHIM ING
Current assignee: UHING JOACHIM ING
Priority date: 1973-05-16
Filing date: 1974-05-10
Publication date: 1974-12-12
Also published as: FR2229890A1; DD105655A5; IT1066550B; CH573070A5

Description

Drehzahlwandler

Die Erfindung betrifft einen Drehzahlwandler, bei dem ein oder mehrere Wälzkörper so zueinander angeordnet sind, daß die geometrischen Abwälzbedingungen dieser als An- und Abtrieb gestalteten Körper verändert werden können.

Drehzahlwandler dieser Art sind bekannt. Eine einfache Anordnung dieser Art ist beispielsweise eine Reibrolle, die auf einer Reibscheibe läuft. Die Entfernung des Abwälzpunktes von der Drehachse dieser Scheibe ist ein Maß für die Drehübersetzung zwischen den Achsen von Rolle und Scheibe. Wenn dieser Abstand veränderlich ausgeführt ist, ist auch die Übersetzung veränderlich.

Drehzahlwandler mit Kugeln als Wälzkörper sind gleichfalls bekannt. Es werden dabei schwer herzustellende Hohlkugeln verwendet.

Ein weiterer erheblicher Nachteil dieser Ausführung ist der, daß die Antriebsumdrehungen erst in eine Schwingbewegung und diese dann wieder in eine Drehung (Abtrieb) verwandelt wird. Der technische Aufwand ist daher groß, abgesehen davon, daß die Schwingungen, die je nach Stellung der Taumelscheibe, d.h. also je nach der eingestellten Übersetzung noch verschieden groß sind, sich störend bemerkbar machen, da sie auch nicht ohne weiteres kompensiert werden können. Daher ist diese Anordnung nur für verhältnismäßig geringe Drehzahlen verwendbar. Außerdem ist die Einstellung von positiven über Null zu negativen Abtriebsdrehzahlen nicht möglich. Ferner nehmen die Verluste mit zunehmender Abtriebsdrehzahl auch zu und Übersetzungsverhältnis 1 : 1 kann überhaupt nicht erreicht werden.

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Bei einer anderen Lösung wird im Antrieb eine Vollkugel verwendet, deren Achsstellung gegenüber den beiden gegenüberliegenden Abtriebsrollen veränderlich ist. Bei der Verstellung muß aber der volle Reibungsschluß zwischen der Kugel und den Rollen überwunden werden (schwergängige Verstellung). Es werden auch nur die tangentialen Kräfte (Umfangkräfte) zur Kraftübertragung verwendet. Daher sind auch die Verluste bei großen Abtriebsdrehzahlen größer und die Anzahl der Abtriebsrollen ist auf zwei beschränkt.

Das gleiche gilt für eine weitere Ausführung, bei der je zwei ballige Übertragungsrollen in je zwei koaxialen Hohlkugelhälften angeordnet sind, von welcher je eine als An- und Abtrieb dienen.

Das gleiche ist auch bei dem Gegenstand einer weiteren Erfindung der Fall, bei der in einer zylindrischen Lauffläche zwei koaxiale Kugelkalotten angeordnet und geschwenkt werden können. Dabei ist die Stellung für die Abtriebsdrehzahl = 0, besonders kritisch, da hierbei im Abwälzpunkt reine Bohrarbeit geleistet wird, was zu Erwärmungen und Zerstörungen führen kann.

Nach diesen oder ähnlichen Prinzipien sind die bekanntesten mechanischen Drehzahlwandler aufgebaut. Sie haben meist den Nachteil, daß die Wälzgeschwindigkeiten zwischen den Reibkörpern, z.B. bei der Übersetzung 1 : 1 verhältnismäßig hoch sind. Da die Verluste und damit auch der Wirkungsgrad von der Wälzgeschwindigkeit und dem Wälzwiderstand abhängig ist, liegen die Verluste bei derartigen Getrieben in den meisten Fällen über 10%.

Auch die Verstellung dieser Getriebe auf eine andere Übersetzung ist oft nur im Stillstand möglich. Es muß dabei nämlich ein erhebliches Moment zur Verstellung aufgewendet werden, da der Reibungsschluß im Wälzpunkt überwunden werden

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Die Übertragung des Antriebs durch Zahnräder, vorzugsweise Kegelräder, auf eine gestellfeste Welle gehört gleichfalls zur Erfindung.

Weitere Kombinationsmöglichkeiten werden von der Erfindung mit erfaßt..

So können beispielsweise zwei Drehzahlwandler durch Kardangelenke, Zahnräder oder dergleichen miteinander gekoppelt werden, wobei die Drehachse des Reibrollenhalters gestellfest gelagert ist, ohne daß die An- und Abtriebsachsen parallel zueinander sein müssen.

Der Antrieb der Kugel kann auch durch eine Rolle erfolgen, die gemeinsam mit zwei anderen in einer Ebene liegt und unter Federdruck steht und der Rollenkranz des Abtriebs senkrecht zur Kugeldrehachse geschwenkt werden kann.

Der Abtrieb des Drehzahlwandlers kann auch als elastisches Zugorgan, beispielsweise als Riemen oder als Rollenkette gestaltet sein, die auch über Umlenkrollen geführt werden können.

Die Erfindung wird anhand des in der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Es beceuton-hierin:

Fig. 1 bis 4 zeigt schematisch die Anordnung des Grundprinzips der Erfindung.

In Fig. 1 sind beispielsweise drei Rollen 1 in einer Gabel 2 gelagert, deren Drehachse in der Verlängerung der Kugeldrehachse liegt. Die Rollen 1 werden von der rotierenden Kugeloberfläche so mitgenommen, daß die Abtriebsachse die gleichen

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Umdrehungen wie die Kugel 3 macht. In diesem Falle beträgt die Übersetzung 1 : 1; die Rollen drehen sich dabei nicht; sie wirken nur als Kupplung! Bei der Übertragung der Drehbewegung in dieser Stellung findet also kein Abwälzen in den Berührungspunkten statt, so daß gerade in dem Bereich, bei welchem die größte Leistung über das Getriebe geht (maximale Abtriebsdrehzahl) die Wälzverluste am geringsten sind.

Die Fig. 2 zeigt die Abtriebsachse in einer Stellung, die um 90° zur Kugeldrehachse versetzt ist. Die Rollen 1 drehen sich bei dieser Anordnung, und zwar je nach ihrer Stellung in dem Großkreis mit verschiedener Geschwindigkeit. Die Laufrichtungen liegen aber bei allen Rollen parallel zu den Breitenkreisen der Kugel 3. Es gibt also keine Querkomponente im Wälzpunkt und die Antriebsachse steht still, die Untersetzung zwischen An- und Abtrieb ist gleich Null (n„ : η « 0).

Die Fig. 3 zeigt die Rollenebene zur Äquatorebene der Kugel um den Winkel [o geneigt. In dieser Lage walzen sich die Rollen 1 bei Rotation der Kugel 3 ab und erhalten außerdem eine Querkomponente, die eine Drehung des Rollenkreises um die Abtriebsachse bewirkt. Wie weiter unten gezeigt wird, ist die Abtriebsdrehzahl n_? vom Kosinus des Winkels β abhängig. Es ist (1) n₂ = η. . cos/3 und (2) 2 = cos/3 = const

ⁿl

Bemerkenswert ist hierbei noch, daß sich die Rollen dabei mit verschiedener Geschwindigkeit drehen. Ihre Umfangsgeschwindigkeit schwankt bei einem Umlauf des Rollenkranzes zwischen den Werten ^_ k . qj . sin>3 wennco die Umfangsgeschwindigkeit der Kugel ist und k eine Gerätekonstante. Der größte Wert liegt in der Äquatorebene der Kugel; die beiden

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kurzzeitigen Stillstände in der Stellung, wenn die Drehachse der Kugel in der Rollenebene liegt (obere und untere Wendepunkt). Man kann also durch verändern des Winkels Io die Übersetzung zwischen An- und Abtrieb stufenlos verändern, wobei noch bemerkt werden muß, daß auch bei dieser Verstellung kein Gleiten, sondern ein Abwälzen zwischen Kugel und Rollen stattfindet. Diese Veränderung ist also in allen Betriebszuständen des Getriebes möglich und leichtgängig. Durch die symmetrische Anordnung von drei Rollen gleichen sich die für den Reibungsschluß der Wälzkörper notwendigen Kräfte innerhalb der Kugel aus, so daß sie weder auf die Lager der Antriebs- noch auf die der Abtriebsachse wirken; (einfache Konstruktion, geringe Verluste). Die Wirkungen der drei Rollen addieren sich in jeder Stellung und man kann die Leistung des Getriebes noch dadurch steigern, daß man mehr als drei, z.B. sechs Rollen verwendet, wie es die Fig. 4 zeigt. Aber auch Konstruktionen mit noch mehr Rollen sind möglich. Es muß nur darauf geachtet werden, daß alle Rollen die Kugeln mit dem gleichen Anpreßdruck berühren. Das kann z.B. dadurch erreicht werden, daß jede einzeln durch eine Feder angedrückt wird, oder je zwei benachbarte Rollen durch Dreh- oder Federgelenke miteinander verbunden sind. Ein solcher Rollenkranz kann auch aus einem elastischen Ring bestehen, in welchem die einzelnen Rollen gelagert sind. Die innere -Spannung des Ringes liefert dann den Anpreßdruck etwa nach der Wirkung eines umschlingenden Bandes.

Die Rollen selbst können auch anders, z.B. als scheibenförmige Wälzkörper (Fig. 5) oder ähnlich ausgeführt werden. Diese Scheibenrollen haben geringere Flächenpressungen im Abwälzpunkt als die oben genannten zylindrischen Rollen. Sie erlauben daher höhere Anpreßdrucke und damit auch höhere Leistungen bzw. Drehmomente zu übertragen und die Abnutzung gering zu halten.

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Die Fig. 6 zeigt die geometrischen Zusammenhänge, im Punkt B soll eine Rolle die Kugeloberfläche berühren. Sie kann auf dem Großkreis wandern und sich um die Achse O (ω α ) drehen. Dieser Großkreis ist zu den Breitenkreisen bzw. zur Drehachse der Kugel um den Winkel ß geneigt. Steht die Rolle im Punkt C, so sind die Vektoren der Kugel und der Rolle gleich groß und parallel.

Wie es das Nebenbild der Fig. 6 zeigt, istax/" (=Μφ .cosß ) dabei die Winkelgeschwindigkeit des Abtriebes. Die Rolle selbst steht dabei still. Im Punkt D (siehe Nebenbild) entsteht ein Veletorendreieck mit Antriebsvektor cuoG und Abtriebs vektorootf =0:0^· cos/υ , ein Wert, der leicht aus dem rechtwinkligen Dreieck abgelesen werden kann. Der Abtriebsvektor ist im Punkt D, also genau so groß wie im Punkt C. Die Rolle dreht sich dabei mit einer Geschwindigkeit, die dem VektorencT · sin β proportional ist. Für alle Zwischenstellungen ergibt sich immer die gleiche Größe fürwt/¹ . Für jeden Winkel /o ist also die Untersetzung zwischen An- und Abtriebsachse konstant. Für die augenblicklichen Winkel oC und (f kann man, wenn die Strecke A-B=I gesetzt wird, die Beziehung ablesen

(4) ctg /jL = ctg^ . cos β
die zeitliche Ableitung daraus

(5) ^x = . cosAJ oder

die Untersetzung

(6) sin (f = cos/j = const.

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Ein Nachteil dieses Drehzahlumwandlers ist der, daß die
Abtriebswelle nicht gestellfest ist, sondern mit dem
Winkel ß> seine Stellung ändert. Die Abtriebsdrehungen
können aber z.B. durch eine Riemenscheibe 6 weitergeleitet werden, wie die Fig. 7 zeigt. Diese Riemenscheibe ist dabei gleichzeitig Träger der Scheibenrollen 5 und um ca. — 30° um die Kugel 3 schwenkbar. Es wird dabei angenommen, daß der Riemen so lang ist, daß die Antriebsscheibe um diese Winkel aus seiner normalen ohne Schaden für den Riemen herausgeschwenkt werden kann. Als zusätzlicher Vorteil ergibt sich dabei, daß durch den Riemenzug die Anpressung zwischen Rollen und Kugel erhöht wird. Das kann in einem gewissen Umfang eine selbsttätige Anpassung des Getriebes an den auftretenden Lastspitzen bewirken.

Es kann aber auch durch Zahnräder, z.B. Kegelräder 7 der Abtrieb auf eine gestellfeste Welle übertragen werden,
wie es die Fig. 8 beispielsweise zeigt.

Schaltet man zwei Drehzahlwandler hintereinander, siehe
Fig. 9,so werden die Drehungen des Abtriebes der rechten Kugel durch Kardangelenke, Zahnräder 9 oder andere geeignete Mittel zur Drehachse des zweiten, linken Schwenkkugelgetriebes übertragen. Die Drehachse seiner Reibrollengabel 2 ist gestellfest gelagert. Durch Schwenken der Kardangelenkanordnung 12 um die Verbirdungsachse zwischen den beiden Kugelmitten werden die Übersetzungen der beiden Getriebe stufenlos geändert. Die Gesamtübersetzung ist dabei das Produkt aus den Einzelübersetzungen. Ist diese
z.B. 4: 1 — e5n Wert der gut erreicht werden kann - so
ist die gesamte Untersetzung 16 : 1. Dieser große Regelbereich .st in vielen Fällen erwünscht.

Fig. 10 zeigt e;.ra ähnliche Anordnung, bei welcher An- und Abtriebsachsen 1C; 11 zueinander nicht wie in Fig. 9 parallel sind. Wenn große Untersetzungen notwendig sind und auch

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η ρ = O, sowie Umkehr der Drehrichtung erreicht werden soll, dann kann eine Anordnung nach Fig. 11 verwendet werden. Die Kugel 3 wird von einer Antriebswelle 13 angetrieben, die mit zwei weiteren Rollen 1 in einer Ebene liegt und unter Federdruck steht, der für den erforderlichen Kraftschluß sorgt. Sie können auch anders als im Bild gezeigt ausgebildet sein. Wichtig ist nur, daß die theoretische Kugeldrehachse nicht mehr mechanisch vorhanden ist, eine definierte Lage hat und nicht durch die Antriebswellen bzw. Andruckrollen verdeckt wird. Es ist nämlich notwendig, daß der Rollenkranz 4 des Abtriebes um d.ne Achse vorwiegend senkrecht zur Kugeldrehachse geschwenkt werden kann und zwar so, daß die Abtriebsebene eine relative Stellung einnehmen kann, die beispielsweise bis zu - 30° von der Kugelachse entfernt ist. Der

über ηρ

Regelbereich wäre dann von n,> = 0,5 . n,/= U Bis n_ = 0,5 möglich (da n« = n. . cos β ).

An- und Abtrieb können anders als hier dargestellt, ausgeführt werden. Die Fig. 11 soll nur das Prinzip zeigen.

Die Antriebsrollen können andere Formen haben, sie können gemeinsam angetrieben werden oder die Form eines Riemens annehmen, der gegen die Kugel in einem gewissen Umfang etwa im Bereich der Abtriebsrollen gedruckt wird. Aber auch im Abtriebsteil kann ein elastisches Zugorgan verwendet werden, wie es z.B. die Fig. 12 zeigt.

Eine Rollenkette 14 umschlingt die Kugel 3 soweit, als es ihre Antriebsachse zuläßt, beispielsweise um ca. 180°. Die Vorspannung der Rollenkette bzw. des Riemens sorgt für den notwendigen Reibungsschluß zwischen Kugel 3 und Rollen 1. Liegt die Kugeldrehachse in der Mittelebene der Rollenkette, so ist die Abtriebsgeschwindigkeit gleich Null. Aus dieser Ebene herausgeschwenkt bewirkt sie eine Bewegung der Rollenkette in der einen oder anderen Richtung.

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Natürlich kann die Rollenkette auch andere, z.B. über Umlenkrollen geführt werden. Entscheidend .ist nur, daß bei dieser oder anderen Lösungen die Rollen der mechanischen Drehachse der Kugel ausweichen bzw. sich von ihrer Oberfläche abheben, wenn die Rollen in ihre Nähe kommen bzw. sie theoretisch durchdringen müßten.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1.) Drehzahlwandler, bei dem ein oder mehrere Wälzkörper so zueinander angeordnet sind, daß die geometrischen Abwälzbedingungen dieser als An- bzw. Abtrieb gestalteten Körper verändert werden können, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine um eine Achse drehbare Kugel (3), um deren Großkreis eine Gabel (2) mit ein oder mehreren Rollen (1) kranzförmig zur Kugel (3) derart angeordnet ist, daß die Rollen (1) mit der Kugel (3) in reibschlüssiger Verbindung stehen und ihre Drehachsen so liegen, daß ihre Bewegung im Wälzpunkt senkrecht zum Großkreis verläuft und die Lage der Großkreisebene des bzw. der Wälzkörper zur Kugelachse veränderbar ist.

2. Drehzahlwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen (1) in einem elastischen Ring (4) angeordnet, und um alle Rollen (1) mit dem gleichen Anpreßdruck an die Kugel (3) anzulegen, diese einzeln mit einem Spannelement, vorzugsweise einer Feder, versehen und zwei benachbarte Rollen (1) durch Dreh- oder Federgelenke miteinander verbunden sind.

3. Drehzahlwandler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen (1) als scheibenförmige Wälzkc-per (5) gestaltet sind, wenn höhere Leistungen und daher höhere Anpreßdrücke benötigt werden.

4. Drehzahlwandler nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, cslIj die Kugel (3) durch eine Riemenscheibe (6), die gleichzeitig Träger der Reibrollen ist, umschlungen w-co, um die Abtriebsdrehungen weiterzuleiten.

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5>. Drehzahlwandler nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet·, daß die Übertragung des Abtriebes durch Zahnräder, vorzugsweise Kegelräder (7), auf einer gestellfesten Welle (8) erfolgt.

6. Drehzahlwandler nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Drehzahlwandler durch Kardangelenke (12), Zahnräder (9) oder dergleichen miteinander gekoppelt werden, wobei die Drehachse des Reibrollenhalters gestellfest gelagert ist, ohne daß die An- und Abtriebsachsen (10; 11) parallel zueinander sein müssen.

7. Drehzahlwandler nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb der Kugel (3) durch eine
Rolle (13) erfolgt, die gemeinsam mit zwei anderen in
einer Ebene liegt und unter Federdruck steht und der
Rollenkranz des Abtriebes senkrecht zur Kugeldrehachse geschwenkt werden kann.

8. Drehzahlwandler nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtrieb des Drehzahlwandlers als
elastisches Zugorgan, beispielsweise als Riemen oder
als Rollenkette.(14) gestaltet, und beispielsweise
über Umlenkrollen geführt ist.

9. Drehzahlwandler nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeldrehachse nicht mechanisch ausgebildet ist, sondern sie durch zusätzliche Antriebskörper an Oberflächenpunkten der Kugel angetrieben wird, die außerhalb der Drehachse liegen.

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