DE2437174C2 - Kugelreibungsgetriebe mit optimal angepaßtem Kegelwinkel - Google Patents

Description

Druckschrift

Kegelwinkel bzw.
Kegelaußenwinkel

DT-PS i 102 516
DT-PS 11 76422

54"
12" 30'

Kugelreibungsgetriebe nach dem Ausgangspunkt der Erfindung sind z. B. durch die DT-PS 11 76422 bekannt. Bei diesem Kugelreibungsgetriebe ging man bisher davon aus, daß ein großer Kegelwinkel, d. h. großer Innenwinkel und kleiner Außenwinkel, den Vorteil hat, daß die Reibung und der Verschleiß im Vergleich zur übertragenen Leistung verringert wird und dadurch ein hoher Wirkungsgrad und eine lange Lebensdauer erreicht wird.

Auch bei anderen Kugelreibungsgetrieben ist man offensichtlich von derselben Ansicht ausgegangen oder hat einen ermittelten Kegelwinkel zugrunde gelegt. Als Kegelwinkel oder kleiner Außenwinkel im Sinne der Erfindung ist der Winkel zu verstehen, der in. F i g. 1 der Zeichnungen mit α bezeichnet ist und die Neigung der Kegelfläche gemessen zu der Linie, die im rechten Winkel zur Antriebs- oder Abtriebswelle stehend gesehen werden kann.

Aus älteren Druckschriften bekannter Kugelreibungsgetriebe ergeben sich folgende Kegelwinkel:

Druckschrift

DT-PS 7 20 240
DT-PS 7 21 825
DT-PS 8 64 021

Kegelwinkel bzw. Kegelaußenwinkel

34'

35'

Abb. 1: 15'

Abb. 12: 7 30'

45

In der DT-PS 8 64021 sind noch weitere Kugelreibungsgetriebe beschrieben, die jedoch nicht den Gegenstand dieser Erfindung berühren. So sind in den A b b. 4 und 5 mehrteilige Kugelreibungsgetriebe dargestellt, bei denen mehrere Kugeln jeweils zwischen einem Innenkegel und einem Außenkegel wirksam sind. Alle Kegel haben in diesen Fällen einen Winkel von 45 . Die Abb. 7 und 8 zeigen ein Kugelreibungsgetriebe, das zwar zwei Innenkegel mit einem Kegelwinkel von 22 aufweist, jedoch handelt es sich hierbei um ein Ausführungsbeispiel mit zwei dazwischen geschalteten Kugeln. Zur Erzeugung einer Anpreßkraft verschieben sich beide Kugeln nicht nur seitlich, sondern sie drehen sich auch als Kugelpaar um die gemeinsame Verstellachse 5. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind ganz andere geometrische Zusammenhänge zwischen den Vek-Die DT-PS 1102 516 empfiehlt sogar in der Beschreibung einen möglichst großen Kegelwinkel, um die axialen Anpreßkräfte so klein wie möglich zu halten. Dabei wurde übersehen, daß bei einer derartigem Bemessung des Getriebes der Winkel im Kräftedreieck bereits größer als der Reibungswinkel ist und deshalb schon bei Normalbelastung die Gefahr des Durchrutschens besteht.

Dagegen wird in der DT-PS 11 76 422 außer dem dargestellten Beispiel ein Kegel winkel bis zu 15 empfohlen, um einen großen Stellbereich von etwa 1:9 zu erreichen.

Wird nun, wie auch z. B. aus der Tabelle ersichtlich ist, ein sehr kleiner oder ein sehr großer Winkel u gewählt, so wird zwar die Funktion des Getriebes gewährleistet, aber keine optimale Bemessung erreicht. Bei den bekannten Reibungsgetrieben war die Anzahl der Einschallungen bei höherer Ausgangsdrehziahl unter Last begrenzt. Die Getriebe wurden bei dieser Belastungsart vorzeitig zerstört.

Neue umfangreiche Untersuchungen zur Bcstirn mung des Kegelwinkels α haben nun ergeben, daß bei Anwendung eines bestimmten Bereiches für den Kegelwinkel «eine Optimierung erreicht werden kann.

Die Erfindung hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, den Anwendungsbereich für den Kegelwinkel u so festzulegen, daß eine Optimierung des Ausnutzungsgrades des gesamten Getriebes erfolgt.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß für den Kegelwinkel α ein Winkel in den Grenzen von 18 bis 28^C, gemessen zwischen einer im Winkel von 90° zur An- oder Abtriebswelle gedachten Linie und der Neigung der Kegelinnenfläche, ausgewählt ist.

Die Erfindung weist gegenüber den bekannten Reibungsgetrieben dieser Art Vorteile auf. Werden bei diesen Getrieben lediglich die Winkel der An- und Abtriebskegel in den angegebenen Grenzen geändert, ohne irgendein anderes Bauteil in der Dimension oder dem Werkstoff zu ändern, so wird mit den Getrieben bei doppelter Antriebsleistung und doppelter Abtriebslast die bisher mögliche Anzahl der Einschallungen nicht nur erreicht, sondern weit überschritten. Es wird dabei eine Leistungssteigerung erreicht, die bei gleicher Baugröße einer Verdoppelung entspricht bzw. werden bei Vergrößerung der Baugröße der Getriebe Leistungen erreicht, die an die

Leistungen von wesentlich aufwendiger ausgeführten Getriebearten herankommen. Die spezifische- Flächenpressung nimmt ab.

Die Erfindung wird nun an Hane von in der Zeichnung dargestellten Beispielen naher beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fi g. 1 eine Prinzipdarstellung des Kugelreibungsgetriebes nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Darstellung des Kuaelreibungsgetriebes nach dem Schnitt A-B in Fi g. 1, ,₀

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung nach Fig. 1. aus der sich verschieden große Angriffsradien in Abhängigkeit von der Änderung des Kegclwinkels ergeben,

Fi g. 4 eine Darstellung zur Erläuterung der Formel

COS ρ =

In Fig. 1 ist mit 1 der mit der Antriebswelle 4 verbundene Kegel bezeichnet. Zwischen diesem und dem mit der Abtriebswelle 5 verbundenen Kegel 2 ist eine Kugel 3 angeordnet, die die Antriebskräfte von dem Kegel I über den Kegel 2 auf die Abtriebswelle 5 überträgt.

Der Kegel 1 berührt die Kugel 3 am wirksamen Radius r, und die Kugel 3 wiederum den Kegel 2 am wirksamen Radius r₂. Durch Verschieben der Kugel 3 zwischen den Kegeln 1 und 2 parallel zu den Kegelmantelflächen durch ein geeignetes Vcrstellelement ändern sich die Radien r, und ;·, und damit

auch das übersetzungsverhältnis 1 — ^: /wischen

^ri

Antriebs- und Abtriebswelle 4 und 5.

Der weiterhin in F i g. 1 dargestellte Winkel << ist für beide Kegel 1 und 2 gleich. Eine Änderung des Winkels α am Kegel 1 setzt die gleiche Änderung des Winkels u am Kegel 2 voraus, damit jeweils gleiehe Winkelverhältnissc auf der An- und Abtriebsseite gegeben sind.

F i g. 2 zeigt eine Darstellung des Kugclreibungsgetriebes nach Fig. 1. Wenn sich der mit der Antriebswelle 4 verbundene Kegel 1 in der durch den Pfeil I dargestellten Richtung zu drehen beginnt, wobei der mit der Abtriebswelle 5 verbundene Kegel 2 an ein gegebenes Bremsmoment angeschlossen ist, dann verschiebt sich die Kugel 3 so weit seitlich, wie es die Gesamtelastizität des Getriebe.;, das nie unend-Hch steif ist, zuläßt. Die Folge davon ist, daß die Kegel 1 und 2 in die strichpunktierte Stellung auseinandergedrückt werden. Ist nach Anlauf des Getriebes der Punkt des Gleichgewichtes zwischen den inneren Kräften und äußeren An- und Abtriebsmomenten hergestellt, überträgt die Kugel 3 das Antriebsmoment auf den Kegel 2 und damit auf die mit diesem verbundene Antriebswelle 5. Dabei stellen sich folgende Kräfte ein:

60

Antriebsseitc

U₁ = Umfangskraft am Radius 1·, am Antriebskegel.

Abtriebsseite

Die Spreizkraft P₂, die eine Reaktionskraft zu P₁ darstellt, ergibt auf Grund des Schrägungsw inkels ;₂ und der Reibung zwischen Kugel 3 und Kegel 2 eine Umfangskraft U-,, die zusammen mit P₁ die resultierende Normalkraft N₂ bildet.

Das übertragbare Drehmoment ergibt sich durch das Produkt aus Kraft κ Hebelarm. Die Kraft ist in diesem Falle L·¹, bzw. U₂ und der Hebelarm /·, b/w. /■■>.

Wenn man die Abhängigkeit der Werte r und U vom Kegelwinkel « betrachtet, so ergibt sich für den Wert/·, daß bei konstantem Achsabsland zwischen der Antriebs- und Abtriebswelle der Wert r mit größer werdenden Kegelwinkel α ebenfalls größer wird, so daß sich die Aussage ergibt, je größer der Kegelwinkel α wird, desto größer wird r.

Die Umfangskraft U ist vom Winkel // im Kräftediagramm abhängig. Nimmt man an. daß zwei vergleichbare Getriebe mit verschiedenen Kegelwinkeln eine gleiche innere Elastizität aller Bauteile aufweisen, dann wird bei beiden Getrieben bei gleicher Spreizkraft P auch der Weg α der beiden Kegel 1 und 2 gleich groß sein.

Der Schnitt A B zeigt einen Hvperbelausschnilt aus den Kegeln 1 und 2. Je größer der Kegelwinkel α ist, je spitzer also der Innenkegel ist. desk) kleiner ist auch der Ersatzradius R.

Aus Fi g. 4 ist folgender Zusammenhang /u ersehen :

cos ,

Selbst wenn man den Wert c bei konstantem Wert α ebenfalls als konstant annimmt, wird mit wachsendem Winkel « und somit kleiner werdenden

Ersatzradius R der Wert ' größer und der Wen

M - ^l _R\ wie

wieder kleiner. Mit kleiner weidendem Wert

M - M wird der Winkel />' größer. Nachdem aber

bei wachsendem Winkel />' das Maß h und somit auch das Maß c bei konstantem Wert u ebenfalls

zunimmt, wächst der Ausdruck ' zusätzlich, was

einer beschleunigten Zunahme des Winkels ,. bei konstantem Wert α und wachsendem Winkel α entspricht. Es wächst also auch die Umfangskraft U mit größer werdendem Winkel n, ohne daß dabei die Spreizkraft P₁ größer wird. d. h.. daß keine zusätzliche Flächenpressung zwischen Kegel und Kugel und keine zusätzliche Belastung der Kcgellagerung erfolgt. Das Gleiche gilt auch für den größer werdenden Radius r.

Nach dem Gesetz der Reibung beginnt ein Körper unter einer schrägen AngrifTslast P_K zu gleiten, wenn

der Ausdruck = tg η den Reibfaklor » überschreitet.

Dieser Reibfaktor »(» * tg/i) liegt bei Ganzstahl-Reibgetrieben mit ölschmierung zwischen 0.06

— P₂ = Spreizkraft, die die beiden Kegel 1 65 und 0,09 und ist von der ölsortc abhängig, wobei

und 2 auseinanderdrückt.
Resultierende Normalkraft an der Berührungsstelle Kugel Kegel aus C₁ und P₁.

gehärtete und geschliffene Oberflächen vorausgesetzt werden. Damit ergeben sich Grenzen für den Winkel ti und auch für den Winkel «.

Werden diese Werte überschritten, tritt ein vorzeitiges Rutschen ein. Werden diese Worte zu weil unterschritten, kann das Getriebe nicht ausgenutzt werden. In diesem Zusammenhang spricht man auch von einem Ausnutzungsgrad eines Cietricbcs.

Eine längere Versuchsreihe hat nun ergeben, dall ab etwa IX Kcgelwinkcl die übertragbare Leistung merkbar ansteigt und über 28 die Kegel vor/ durchzurutschen beginnen.

Natürlich hat auch zusätzlich das Verhältnis »/ abstand der beiden Kegel zum Kugeldurclime einen Einfluß auf die Leistung des Getriebes,
ist eine Änderung dieses Verhältnisses nich gravierend wie eine Änderung des Kegelwinkels

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Kugelreibungsgetriebe, bei dem zwischen zwei achsparallelen exzentrisch zueinander versetzten Hohlkegelscheiben eine Kugel als übertragungselement und eine bewegbare Verstellvorrichtung angeordnet ist, durch die die Lage der Kugel auf den Kegelfläcben und damit das übersetzungsverhältnis stufenlos verändert werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß für den Kegelwinkel ein Winkel in den Grenzen von 18 bis 28 , gemessen zwischen einer im Winkel von 90^J zur An- oder Abtriebswelle (4 und 5) gedachten Linie und der Neigung der Kegelinnenfläche, ausgewählt ist.

   toren der einzelnen Kräfte und dem Kegelwinke] uegeben, so daß bei dieser Getriebeausführung der optimale Kegelwinkel in einem ganz anderen Bereich lien! als bei der vorliegenden Anmeldung.

   In der Beschreibung der DT-PS S 64 021 ist zwar das allgemein bekannte physikalische Gesetz erwähnt, daß der Winkel im Kräftedreieck kleiner als der Reibungswinkel sein muß. aber es fehlen Angaben über die Zusammenhänge der einzelnen Faktoren und die daraus resultierende Größe des optimalen Kegelwinkels bei dieser Art von Getrieben.

   Aus jüngeren Druckschriften bekannter Kugelreibungsgetriebe ergeben sich folgende Kegelwinkel: