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Diese Aufgabenstellung wird durch ein Planetenrädergetriebe gemäß
Anspruch 1 gelöst. Durch die erfindungsgemäße Zuordnung der Flankenlinien der
Scheiben
sowie der Winkel gemäß der angegebenen mathematischen Beziehung wird erreicht, daß
möglichst viele Zähne der Schrägscheibe mit jeweils einem Zahn der weiteren verzahnten
Scheibe kämmen. Hierbei besteht zwischen dem Durchmesser L der Scheiben und der
Höhe H der Zähne die Beziehung L tgfl tgß 2 H, damit die Scheiben sich zueinander
bewegen können. Im Idealfalle ist L tgß H; dann kämmen alle Zähne der Schrägscheibe
mit Zähnen der weiteren verzahnten Scheibe, bis auf die Zahnzahldifferenz.
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Beim erfindungsgemäßen Getriebe gleiten die Zahnflächen aneinander,
wogegen bei den bekannten Getrieben ein Abwälzen mit in jedem Augenblick linienhafter
Berührung erfolgt.
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Die Getriebe der DT-AS 11 35 259 und der GB-PS 12 15 101 verwenden
außen bzw. stirnseitig verzahnte elastische Scheiben anstelle der erfindungsgemäßen
Schrägscheibe und sind insoweit mit der erfindungsgemäßen Konstruktion nicht vergleichbar.
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Die DT-OS 21 24 137 zeigt ein Planetenrädergetriebe, bei welchem
nur Stirnverzahnungen mit Planrädern zum Einsatz kommen. Dies hat zur Folge, daß
die einzelnen Zähne keine Firstlinien, sondern Firstdreiecke tragen. Die einander
entsprechenden Flanken zweier in Eingriff stehender Zähne liegen nicht parallel.
Aufgrund dieser Verhältnisse können jeweils nur zwei Zähne zweier Scheiben miteinander
kämmen. Darüber hinaus sind die Zähne nicht, wie dies erforderlich ist, auf Kegelflächen
angeordnet.
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Ein Getriebe mit zwei weiteren verzahnten und miteinander koaxialen
Scheiben ist beispielsweise aus der vorstehend genannten DT-OS 21 24 137 bekannt.
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Bei einem derartigen Getriebe mit zwei koaxialen Scheiben unterscheiden
sich vorteilhaft die Zahnzahlen dieser Scheiben gemäß Anspruch 2. Damit der spezifische
Flächendruck auf alle Zahnflanken der koaxialen Scheiben und der Schrägscheibe gleich
ist, ist vorteilhaft die Bedingung des Anspruches 3 erfüllt.
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Es ist darauf hinzuweisen, daß die drei Scheiben radial nicht gelagert
sind, sondern sich ineinander zentrieren.
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Der bauliche Aufwand der Getriebeanordnung ist somit sehr gering.
Diese Bemerkung gilt für alle erfindungsgemäßen Getriebeanordnungen.
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Ein Getriebe mit insgesamt drei weiteren verzahnten und mit der Abtriebswelle
koaxialen Scheiben ist beispielsweise aus der DT-PS 3 98 816 bekannt. Bei einem
derartigen Getriebe bemißt man vorteilhaft die Zähnezahlen gemäß Anspruch 4.
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Bei zwei bzw. drei koaxialen Scheiben gemäß Anspruch 2 bzw. 4 ist
der Winkel 2as zwischen den Flanken der koaxialen Scheiben jeweils verschieden und
berechnet sich jeweils nach der in Anspruch 1 angegebenen Gleichung.
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Ist die Anzahl der Zähne in zwei miteinander kämmenden Zahnreihen
relativ gering, so kann die exakte Dreiecksform der Zähne den ruhigen Bewegungsablauf
etwas stören. In diesem Fall sind vorteilhaft die Zahnflanken gemäß Anspruch 5 konvex
ausgebildet; bei zwei oder drei koaxialen Scheiben gilt (Anspruch 6) dies nur für
die Zähne der Schrägscheibe.
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Anstelle dieser konvexen Ausbildung können die Zähne der Schrägscheibe
dann eben ausgebildet sein, wenn sie gemäß Anspruch 7 und 8 schwenkbar sind.
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Hierbei stehen in jedem Augenblick die Flanken nahezu aller schwenkbarer
Zähne mit Flanken gegenüberliegender Zähne in Berührung, so daß sie in ihrer Winkelstellung
genau definiert sind. Einige Zähne jedoch stehen mit keiner anderen Flanke in Berührung,
so daß sie um ihre Schwenkachse in unerwünschter Weise pendeln könnten. Dies könnte
zu Störungen des Betriebes führen, welche vorteilhaft durch die in Anspruch 9 angegebene
Führung vermieden wird; welche die richtige Winkelstellung auch derjenigen Zähne
sicherstellt, welche nicht im Eingriff stehen.
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Ein steuerbares Getriebe ist in Anspruch 10 angegeben. Durch Abbremsen
des Reaktionsgliedes kann das Übersetzungsverhältnis des Getriebes kontinuierlich
in Richtung zum Übersetzungsverhältnis 1 verändert werden, bis es beim Stillstand
des Reaktionsgliedes den Wert 1 erreicht; aus dem Getriebe ist dann eine Kupplung
geworden. Beschleunigt man andererseits das Reaktionsglied, so können weitere Übersetzungsverhältnisse
realisiert werden, welche sich vom Übersetzungsverhältnis 1 mehr unterscheiden,
als wenn das Reaktionsglied nicht beschleunigt würde. Ein derartiges Getriebe eignet
sich besonders für die kontinuierliche Änderung des Übersetzungsverhältnisses. Zum
Abbremsen oder Beschleunigen des Reaktionsgliedes sind nur minimale Drehmomente
erforderlich, da nur eine Reibung überwunden werden muß.
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Steuerbare Getriebe mit gleichem Leistungsvermögen sind nicht bekannt;
weiterhin sind die bekannten Regelgetriebe erheblich komplizierter und arbeiten
mit erheblich schlechterem Wirkungsgrad.
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Der gleichmäßige Bewegungsablauf des erfindungsgemäßen Getriebes
ist auch dann nicht gestört, wenn in einer Zahnreihe der Schrägscheibe einzelne
Zähne oder Zahngruppen fehlen. Man kann also die Schrägscheibe gemäß Anspruch 11
ausbilden. Andererseits ist es auch möglich, ein erfindungsgemäßes Getriebe dann
noch störungsfrei weiterlaufen zu lassen, wenn einzelne Zähne der Schrägscheibe
beschädigt oder herausgebrochen sind.
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Das Prinzip der erfindungsgemäßen Getriebe sowie einige konstruktive
Lösungen sind schematisch in den Zeichnungen erläutert.
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Es zeigt F i g. 1 im achsparallelen Schnitt zwei ineinander eingreifende
Scheiben gemäß Anspruch 1, Fig. 2 den Kegel 1>E-Fder Fig. 1, F i g. 3 bis 6 Ausschnitte
aus jeweils einer Zahnreihe, F i g. 7 in vergrößertem Maßstab das Dreieck C-K-J
ausFig.5, Fig. 8 ein -Getriebe mit nur zwei Scheiben, zur Übertragung kleiner und
mittlerer Drehmomente, F i g. 9 eine Variante eines Konstruktionsdetails zu Fig.
8, Fig. 10 und 11 zwei Getriebe mit drei Scheiben, zur Übertragung großer Drehmomente,
wobei das in Fig. 11 dargestellte Getriebe besonders stabile Lager aufweist, F i
g. 12 die Aufsicht auf die beiden Zahnreihen zweier koaxialer Scheiben, F i g. 13
die Anordnung schwenkbarer Zähne, Fig. 14 das Detail XVI aus Fig. 11, jedoch mit
schwenkbarem Zahn, Fig. 15 die Ansicht eines schwenkbaren Zahnes in Richtung seiner
Schwenkachse 106, Fig. 16a bzw. 16b die Aufsicht auf eine Reihe schwenkbarer Zähne
mit Darstellung der Steuereinrichtung 108/110, F i g. 17 einen zweiteiligen schwenkbaren
Zahn, Fig. 18 ein Getriebe mit drei koaxialen Scheiben und einer besonderen Einleitung
des Antriebsdrehmomentes, und F i g. 19 ein Kupplungs-, Schalt- und Regel-Getriebe.
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F i g. 1 zeigt ein Getriebe mit einer Schrägscheibe 2 und einer weiteren
Scheibe 1. Die Achsen 4 und 6 der beiden Scheiben liegen in der Schnittebene der
F i g. 1.
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Der von den Achsen 4 und 6 eingeschlossene Winkel ,8 ist gleich dem
Winkel ß, welcher die Radialebene A-C der Scheibe 1 einerseits mit der Radialebene
SC der Scheibe 2 andererseits einschließt. Die Radialebene A-C ist in halber Höhe
(vgl. Fig. 5) der Zähne 10 der Schrägscheibe 2 gelegt. Die linke Scheibe 1 weist
stirnseitig Zähne 8 auf. F i g. 1 ist zu entnehmen, daß in dem Bereich, in dem die
beiden Radialebenen sich in C schneiden, die Zähne voll ineinandergreifen; auf der
entgegengesetzten Seite, d. h. im unteren Teil der F i g. 1, greifen die gegenüberstehenden
Zähne der beiden Scheiben nicht mehr ineinander. Die Verzahnung ist einer HlRTH-Verzahnung
ähnlich, doch kann eine HlRTH-Verzahnung nur als Kupplung, nicht als Getriebe verwendet
werden.
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Der Pfeil 12 deutet eine Kraft an, die im Bereich Cdie Zähne ineinander
drückt. Läuft diese Kraft 12 auf einer Kreislinie um die Achse 4 der linken Scheibe
1 um, so beschreibt die Achse 6 der Schrägscheibe 2 einen Kegel D-£F, dessen Achse
mit der Drehachse 4 der Linken Scheibe 1 zusammenfällt. Bei einem halben Umlauf
(um 1800) gelangt die Achse 6 in die Stellung, in der sie mit »14« bezeichnet ist.
Die Kegelspitze D ist der Schnittpunkt der Achsen 4 und 6 (bzw. 14). Der Kegel ist
vergrößert in F i g. 2 dargestellt. Sein Öffnungswinkel ist gleich 2ß.
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Die Kegelspitze D ist auch der Durchstoßpunkt der Achse 4 der zur
Kegelachse 4 koaxialen Scheibe 1 durch ihre Radialebene A-C. Der entsprechende Punkt
der Schrägscheibe 2 ist mit E bezeichnet Bei der Drehung beschreibt der Punkt Eeinen
Kreis E-F; der Punkt Fist die Stellung des Punktes E nach einer halben Drehung (um
1800). Jeweils die Tangenten an zwei Flanken jedes Zahnes 8 der linken Scheibe 1
schneiden sich in Punkten, die auf dem Kreis E-F liegen. Die Tangenten an allen
Flanken der Zähne 10 der Schrägscheibe 2 dagegen schneiden sich im Punkte E.
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In der zur Achse 4 koaxialen Zylinderfläche QQ, die durch den Schnitt
C der beiden Radialebenen verlaufend im oberen Teil der F i g. 1 angedeutet ist,
denke man sich einen Schnitt durch die beiden mit ihren Zähnen ineinander eingreifenden
Scheiben 1 und 2 gelegt. Wickelt man diese zylindrische Schnittfläche auf die Zeichenebene
ab, so erhält man eine Darstellung, aus der F i g. 3 einen Ausschnitt zeigt: Der
in F i g. 1 ersichtliche Schnitt C zwischen der zylindrischen Schnittfläche QQ einerseits
und den Radialebenen A-C BC der Scheiben andererseits ist auch in F i g. 3 eingezeichnet.
Durch die Abwicklung der zylindrischen Schnittfläche QQ in die Zeichenebene wurde
aus dem Winkel ß der etwas kleinere Winkel y; die Beziehung der beiden Winkel ist
durch folgende Gleichung gegeben: ,r 2 In F i g. 3 sind die Zähne beider Zahnreihen
dreieckig mit ebenen Flanken dargestellt. Man erkennt, daß die (gestrichelten) Zähne
10 der unteren Zahnreihe in die (ausgezogen dargestellten) Zähne 8 der oberen Zahnreihe
ragen. Oft jedoch ist der Winkel y so klein und die Anzahl Z1, Z2 der Zähne so groß,
daß der Betrag, um welchen die Zähne ineinanderragen würden, innerhalb der Fertigungstoleranzen
liegt. In diesem Fall kann man daher die Zähne beider Zahnreihen dreieckig ausbilden,
wie dies in F i g. 3 dargestellt ist.
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Bei größeren Winkel ß bzw. y, sowie bei geringeren Zahnzahlen Z1,
Z2 und somit kleineren Übersetzungsverhältnissen i, muß man jedoch die Zähne einer
Zahnreihe korrigieren: Die Flanke 22 des Zahnes 10 der Schrägscheibe 2 müßte etwas
konvex ausgebildet sein, damit nicht die Spitze dieses Zahnes 10 in die Flanke 18
des Zahnes 8 eindringt. Die hierzu erforderliche Krümmung der Flanke 22 des Zahnes
10 erhält man gemäß Fig.4 folgendermaßen: a) Im Innenwinkel 26 errichtet man auf
der Flanke 22 des Zahnes 10 die Lotrechte, b) im Innenwinkel 24 erreichtet man auf
der Flanke 18 des Zahnes 8 die Lotrechte und c) bringt diese beiden Lotrechten miteinander
zum Schnitt, um den Krümmungsmittelpunkt zu erhalten.
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Die korrigierte konvexe Flanke des Zahnes 10 der Schrägscheibe 2
ist eine Zylinderfläche, deren Achse senkrecht zur Zeichenebene der F i g. 3 durch
den Schnittpunkt der beiden vorstehend beschriebenen Lotrechten verläuft.
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Fig.4 zeigt eine der F i g. 3 ähnliche Anordnung, wobei jedoch die
Zähne 10 der Schrägscheibe 2 in der beschriebenen Weise korrigiert sind. Die Zähne
8 der linken Scheibe 1 dagegen sind, ebenso wie gemäß F i g. 3, im Querschnitt dreieckig
mit ebenen Flanken 16 ?und 18.
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Zur Gestaltung der Zähne der zur Kegelachse 4 koaxialen Scheibe 1
wird auf die F i g. 5 und 6 verwiesen.
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Der Querschnitt eines Zahnes 8 ist hier ein gleichschenkliges Dreieck
mit der Basis a; der Abstand der Spitzen 28, 30 je zweier benachbarter Zähne 8 ist
ebenfalls gleich dieser Basisbreite a eines einzelnen Zahnes. Die Höhe Hder Zähne
ist von der Basis bis zum Schnitt der Flanken 16, 18 gemessen, also ohne Berücksichtigung
einer etwaigen Abfassung gemäß Fig. 12. In der Höhe H12 der Zähne 8 der Scheibe
1 ist die Mittellinie X-Xeingezeichnet. Diese Mittellinie wird von den Flanken 16,
18 der Zähne 8 in gleiche Abschnitte a/2 geteilt (vgl. auch F i g. 4). Diese gleichmäßige
Teilung ist Voraussetzung für eine kontinuierliche beschleunigungsfreie Bewegung.
Die Mittellinie X-Xbildet in der abgewickelten Darstellung der F i g. 5 mit der
Mittellinie Y-C der Zahnreihe der Schrägscheibe 2 den Winkel y, welcher mit dem
Winkel ß durch die genannte Gleichung verbunden ist.
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Die Mittellinie X-X der Zähne 8 ist der Schnitt der Radialebene A-C
mit der zylindrischen Schnittfläche QQ. Die Mittellinie Y-C der - in Fig. 5 und
6 nicht dargestellten - Zahnreihe 10 ist der Schnitt der Radialebene BC mit der
zylindrischen Schnittfläche Q Die zur Kegelachse 4 koaxiale Scheibe 1 hat mehr Zähne
als die Schrägscheibe 2. Dementsprechend ist die Basisbreite a bzw. der Abstand
a der Spitzen 28, 30 der Zähne 8 der Scheibe 1 um die Strecke t kleiner als der
entsprechende Abstand d der Scheibe 2. Die beiden Basisbreiten a, d stehen miteinander
durch die folgende Gleichung in Verbindung: Zl d = Z2 a, wobei Z1, Z2 = Zähnezahlen.
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F i g. 4 entnimmt man, daß infolge der unterschiedli-
chen
Zahnzahlen Z 1, Z2 die Zähne der beiden Scheiben mit zunehmendem Abstand vom Punkt
C immer weniger tief ineinandergreifen. Würde die Darstellung der F i g. 4 den vollen
Umfang der beiden Zahnreihen darstellen, so würde man erkennen, daß - im Idealfalle
- die Anzahl der nicht ineinandergreifenden Zähne einer Zahnreihe Z1-Z2 ist, so
daß nahezu alle Zähne ineinander eingreifen und sehr große Flächen zur Drehmomentübertragung
zur Verfügung stehen.
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Aus dem in F i g. 7 dargestellten Dreieck C-K-j; welches auch im
kleineren Maßstab in F i g. 5 erkennbar ist, wurde die Gleichung des Anspruches
1 abgeleitet, die im Grenzfall kleiner Winkel (y <30) in die Gleichung
übergeht.
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Nach dieser Gleichung kann man für ein gewünschtes Verhältnis n=Z1/Z2
der Zähnezahlen und für einen gegebenen Winkel 2a zwischen den Zahnflanken 16, 18
den Winkel y ausrechnen, welchen die abgewickelten Mittellinien X-X bzw. Y-C der
beiden Zahnreihen miteinander einschließen.
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Umgekehrt kann man beispielsweise, ausgehend von einem gewünschten
Winkel y und einem gewünschten Verhältnis n=Z1/Z2 der Zahnzahlen, den Winkel 2a
zwischen den Zahnflanken 16, 18 berechnen. Die beiden Zahnreihen unterscheiden sich
nur durch die Zahnzahlen, durch die Zahnhöhen H sowie eventuell durch die Form (eben
oder konvex) der Flanken.
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In bezug auf Fig. 1 wurde bereits gesagt, daß die durch den Pfeil
12 symbolisierte Kraft im Bereich C die Zähne ineinanderdrückt und durch ihren Umlauf
um die Achse 4 der Scheibe 1 eine Kegelbewegung der Schrägscheibe 2 bewirkt. Dieser
Bewegungsmechanismus wird an Hand der F i g. 5 und 6 näher erläutert: In F i g.
6 ist die Zahnreihe 8 mit ihren Flanken 16, 18 dargestellt. Auch ist die Mittellinie
C-Xder Zahnreihe 8 eingezeichnet. Die Zahnreihe 10 ist durch ihre Mittellinie Y-
Y angedeutet, welche im Punkt C einen Knick bildet. In diesem Punkt Cdrückt die
Kraft 12 die beiden Zahnreihen ineinander. Die Bewegung der Kraft 12 in Pfeilrichtung
13 in die Stellung 12a hätte eine Schwenkung der Mittellinie Y-Yder Zahnreihe 10
um den Winkel y in die Stellung Y1- Y1 zur Folge. Hierbei würde die Flanke 22 des
Zahnes 10 in eine Stellung innerhalb des Zahnes 8 gelangen. Da dies praktisch unmöglich
ist, bewegt sich die Zahnreihe 10 um die Strecke t=d-a nach rechts, wobei sich die
Kraft 12 um die Basisbreite d eines Zahnes 10 nach links in die Stellung 12a bewegt.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Basisbreite d der Zahnreihe
10 größer als die Basisbreite a der Zahnreihe 8. Dies hat, wie dargelegt, zur Folge,
daß sich die Zahnreihe 10 in umgekehrter Richtung (Drehsinn) bewegt wie die Kraft
12. Ist dagegen a größer als d, so läuft die Zahnreihe 10 der Schrägscheibe 2 im
gleichen Sinne um wie die Kraft 12.
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Die.anhand der Fig. 5 und 6 erläuterte Bewegung in einer Ebene dient
nur zur Illustration der tatsächlich stattfindenden räumlichen Bewegung: Läuft die
Kraft 12 auf einer Zylinderfläche um die Achse 4 der Scheibe 1 um, so beschreibt
bei der Kegelbewegung der Schrägscheibe 2 deren Achse 6 den Kegel der F i g. 2.
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Die Zähne 10 stehen mit den Zähnen 43 im Eingriff; der Schnitt Drückt
von einer Lücke zwischen zwei Zähnen 8 jeweils zur nächsten weiter, wobei sich die
Zahnreihen
gegeneinander jeweils um den Betrag t (im Bodenmaß) verschieben. Man erkennt,
daß das Übersetzungsverhältnis i zwischen der Drehzahl der Kraft 12 einerseits und
der Drehzahl der Schrägscheibe 2 andererseits gleich dem Verhältnis zwischen der
Basisbreite d eines Zahnes 10 und der Verschiebung tist:
wobei ne = Eingangsdrehzahl na = Ausgangsdrehzahl.
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Das Eingangsdrehmoment Me und das Ausgangsdrehmoment sind durch die
Gleichung ne Me = na Ma miteinander verbunden.
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F i g. 8 zeigt ein besonders einfach aufgebautes erfindungsgemäßes
Getriebe mit nur zwei Scheiben 1 und 2. Ein derartiges Getriebe eignet sich weniger
zur Übertragung großer Drehmomente, sondern wird insbesondere zur Übertragung kleiner
und mittlerer Drehmomente eingesetzt und beispielsweise als Stellgetriebe für große
Übersetzungen verwendet.
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Die Antriebswelle 32 ist im Lager 34 des Gehäuses 36 gelagert und
trägt eine Lagerscheibe 38. Diese Lagerscheibe 38 ist um den Winkel 900 - ß gegenüber
der Antriebswelle 32 geneigt.
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Fluchtend mit der Antriebswelle 32 ist, am anderen Ende des Gehäuses
(in F i g. 8 oben), die Abtriebswelle 42 im Lager 40 gelagert. Im inneren freien
Ende 44 der Abtriebswelle 42 ist das innere freie Ende 46 der Antriebswelle 32 im
Lager 47 gelagert. Vorteilhaft umgibt das Lager 40 konzentrisch das Lager 47.
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Die Scheibe list mit dem Gehäuse 36 fest verbunden und dreht sich
nicht. Mit den Zähnen 8 der gehäusefesten Scheibe 1 kämmen die Zähne 10 der Schrägscheibe
2.
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Die Schrägscheibe 2 weist eine Innenzahnung 48 auf, welches mit auf
dem freien Ende 44 der Abtriebswelle 42 stehenden Bogenzähnen 50 kämmt. Durch diese
Bogenzahnkupplung wird die Drehung der Schrägscheibe 2 auf die Abtriebswelle 42
übertragen.
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Dreht sich die Antriebswelle 32, so macht die Lagerscheibe 38 eine
Kegelbewegung und drückt mit ihrer um den Winkel 90" -8 gegenüber der Antriebswelle
32 gezeigten Ringfläche 52 gegen die ihr parallele Unterfläche 54 der Schrägscheibe
2; der Andruck der Ringfläche 52 gegen die Unterfläche 54 ist in F i g. 1 und 6
durch den Pfeil 12 symbolisiert. Bei der Kegelbewegung der Lagerscheibe 38 wird
durch die Anlage der Flächen 52 und 54 die Schrägscheibe 2 zu einer Kegelbewegung
mit dem Kegelwinkel 28 (vgl. F i g. 2) gezwungen. Die Drehzahl der Schrägscheibe
2 ist dabei erheblich geringer als die Drehzahl der Lagerscheibe 38; die Umlaufrichtung
kann, gemäß den Erläuterungen zu F i g. 6, gleich oder entgegengesetzt sein. Die
Zähne 10 der Schrägscheibe 2 laufen in der Zahnreihe 8 der gehäusefesten Scheibe
1 mit einer Drehzahl um, deren Verhältnis zur Drehzahl der Antriebswelle 32 durch
das Übersetzungsverhältnis inach der Gleichung
bestimmt ist.
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Diese Drehzahl wird über die Bogenzahnkupplung 48/50 der Abtriebswelle
42 mitgeteilt.
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Bei der Drehung der Lagerscheibe 38 wirkt auf die Antriebswelle 32
ein Biegemoment. Dieses wird durch die beschriebene Lagerung 47 des freien Endes
46 der
Antriebswelle 32 im freien Ende 44 der Abtriebswelle 42 aufgenommen.
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Die Zähne 8 der Scheibe 1 haben ebene Zahnflanken, wogegen die Zähne
10 der Schrägscheibe 2 leicht konvex ausgebildet sein können.
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F i g. 9 zeigt eine Kupplung, die an Stelle der in F i g. 8 dargestellten
Kupplung zwischen der Schrägscheibe 2 und der Abtriebswelle 42 verwendbar ist. Die
Bogenzahnkupplung 48/50 der F i g. 8 ist in F i g. 9 durch eine kardanische Aufhängung
der Schrägscheibe 2 in der Abtriebswelle 42 ersetzt. Hierbei umgibt die Zahnreihe
10 die kardanische Aufhängung, was zur Folge hat, daß das übertragbare Drehmoment
begrenzt ist. Zur Übertragung größerer Drehmomente ordnet man vorteilhaft die kardanische
Aufhängung außerhalb der Zahnreihe 10 an.
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Eine Getriebeanordnung mit insgesamt drei Scheiben ist in F i g.
10 dargestellt. Eine Bogenzahnkupplung, eine kardanische Aufhängung oder dergleichen
ist nicht erforderlich, so daß die Übertragung großer Drehmomente möglich ist: Die
Drehbewegung wird über das Antriebsrad 56 in die Getriebeanordnung eingeleitet.
Dieses Antriebsrad 56 kann beispielsweise auf seiner Zylinderfläche 58 mit einem
Keilriemen angetrieben oder mit einer Zahnung, zur Anwendung eines Zahnradantriebes,
versehen sein.
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Auch kann das Antriebsrad eine Antriebswelle tragen oder als Handrad
ausgebildet sein.
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Innen weist das Antriebsrad 56 eine schräge Ringfläche 52 auf, welche
um den Winkel ß gegenüber dem Antriebsrad 56 geneigt ist, bei Drehung des Antriebsrades
56 eine Kegelbewegung mit dem Öffnungswinkel 2 (900 ß) beschreibt und derart gegen
die Unterfläche 54 der Schrägscheibe 2 drückt, daß auch deren Achse eine Kegelbewegung
mit dem Öffnungswinkel 2ß beschreibt (vgl. F i g. 2).
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Mit den Zähnen 10 der Schrägscheibe 2 kämmen die Zähne 8 und 9 der
miteinander koaxialen Scheiben 1 und 3. Die mathematische Achse 4 dieser beiden
Scheiben 1 und 3 ist auch die mathematische Achse des Antriebsrades 56 sowie dessen
etwaiger Antriebswelle.
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Die Zähnezahlen Z 1, Z3, Z2 der Zahnreihen 8,9 und 10 der Scheiben
1, 3 und 2 sind unterschiedlich. Die Zähnezahl Z1 der äußeren Scheibe 1 ist um eine
ganze Zahl q größer, die Zähnezahl Z3 der inneren Scheibe 3 ist um die gleiche ganze
Zahl q kleiner als die Zähnezahl Z2 der Schrägscheibe 2 (oder umgekehrt); nur unter
dieser Bedingung sind die Winkel ß und y für das Verhältnis der Scheiben 1 und 2
einerseits und das Verhältnis der Scheiben 3 und 2 andererseits praktisch gleich.
Je nachdem, ob man von den beiden koaxialen Scheiben 1 und 3 die äußere Scheibe
1 oder die innere Scheibe 3 mit dem Gehäuse verbindet und somit festhält, erhält
man zwei verschiedene Übersetzungsverhältnisse zwischen der Antriebsdrehzahl des
Antriebsrades 56 einerseits und der Abtriebsdrehzahl der nicht festgehaltenen Scheibe
1 bzw. 3 andererseits. Die innere (3) der beiden koaxialen Scheiben trägt eine Abtriebswelle
42, welche koaxial von der Abtriebshohlwelle 60 der äußeren (1) der beiden koaxialen
Scheiben umgeben ist Je nachdem, welche der beiden koaxialen Scheiben festgehalten
wird, ist an der anderen der beiden koaxialen Scheiben, bzw. an der Abtriebswelle
42 oder der Abtriebshohlwelle 60, die abtreibende Drehung abzunehmen.
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Jeder mit den Zähnen 8 und 9 der koaxialen Scheiben 1 und 3 in Eingriff
stehende Zahn 10 liegt mit einer Flanke an einem Zahn 8 und mit der anderen Flanke
an
einem Zahn 9. Die auf den Zahn 10 von den beiden Zähnen 8 und 9 ausgeübten Kräfte
heben sich auf. Wenn die Flächen der Flanken dieser Zähne sowie die Radien der Scheiben
der Gleichung F1 r1=F3 r3 mit F1, F3 = Flächen der Flanken der Zähne 8, 9, r 1,
r3 = Radien der Scheiben 1,3 genügen, ist der Druck auf jeweils zwei Flanken gleich.
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Geht man davon aus, daß bei der Getriebeanordnung der F i g. 8 und
9 die Zähnezahlen Z 1 = 60 und Z2 = 59 sind, so berechnet sich das Übersetzungsverhältnis
iwie folgt:
Die Zähnezahlen der Getriebeanordnung der F i g. 10 seien Z1 =60; Z2=59; Z3 = 58.
Hieraus berechnet sich das Übersetzungsverhältnis iwie folgt: a) bei festgehaltener
Scheibe 3:
b) bei festgehaltener Scheibe 1:
Die Anordnung der F i g. 8 und 9, welche bevorzugt zur Übertragung kleiner und mittlerer
Drehmomente verwendbar ist, hat also ein relativ großes Übersetzungsverhältnis.
Die Anordnung der Fig. 10 dagegen, welche sich zur Übertragung großer Drehmomente
eignet, hat ein kleineres Übersetzungsverhältnis.
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Je nachdem, welcher der vier drehenden Teile (drei Scheiben 1,2,3
und Antriebsrad 56) der Anordnung der Fig. 10 festgehalten und welcher der vier
drehenden Teile angetrieben wird, ergibt die Anordnung der F i g. 10 zehn verschiedene
Übersetzungsverhältnisse: Fest- Ange- Übersetzungsverhältnisse gehaltenes triebenes
Teil Teil i 1/3 i2/3 i 1/2 1 56 30 60 3 56 (-) 29 (-) 58 2 56 30/(-)29 56 1 1,038
1,017 56 3 0,96 0,98 keines 1 od. 2 1 1 1
Die Getriebeanordnung
der F i g. 11 gleicht insofern der Anordnung der Fig. 10, als mit einer Schrägscheibe
2 zwei zueinander und um die Abtriebswelle 42 koaxiale Scheiben 1 und 3 kämmen.
Der Unterschied der Anordnung der F i g. 11 gegenüber der Anordnung der F i g. 10
besteht im wesentlichen in der stabileren Ausbildung der Lager: Die Drehung wird
über die Antriebswelle 32 eingeleitet, welche im Lager 34 im Gehäuse 36 gelagert
ist. Die Abtriebswelle 42 ist im Lager 40 im Gehäuse 36 gelagert. Die Antriebswelle
32 reicht mit ihrem freien Ende 46 in die hohle Abtriebswelle 42 bis in den Bereich
des Lagers 40 und ist dort im Lager 47 gelagert. Die auf die Antriebswelle 32 durch
die Kegelbewegung der Lagerscheibe 38 ausgeübten Biegemomente werden auf diese Weise
über die Lager 34, 47 und 40 auf das Gehäuse 36 übertragen.
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Die schräge Ringfläche 52 der Lagerscheibe 38 ist gegenüber der Antriebswelle
32 um einen Winkel 900 -ß geneigt. Die Ringfläche 52 der Lagerscheibe 38 drückt
auf die Unterfläche 54 der Schrägscheibe 2 und treibt diese zu einer Kegelbewegung
um ihre Achse 6 an. Hierbei läuft die Zahnreihe 10 der Schrägscheibe 2 in der Zahnreihe
8 der mit dem Gehäuse 36 fest verbundenen Scheibe 1. Dies hat zur Folge, daß die
innere Scheibe 3 der beiden koaxialen Scheiben 1 und 3 von der Kegeldrehbewegung
(um die Achse 6) der Schrägscheibe 2 gedreht wird. Die innere Scheibe 3 ist starr
mit der Abtriebswelle 42 verbunden, deren Drehzahl zu der Drehzahl der Antriebswelle
32 in einem Übersetzungsverhältnis steht, welches durch die Zähnezahlen der drei
Zahnreihen 8, 9 und eventuell 10 bestimmt ist.
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Die Lager 34, 40 und 47 nehmen die radial zu den Wellen 32 und 42
wirkenden Kräfte auf. Zur Ableitung von Kräften, die in Längsrichtung dieser beiden
Wellen wirken, ist einerseits die Lagerscheibe 38 über das Stützlager 102 unten
im Gehäuse 36 und andererseits die Scheibe 3 über das Stützlager 104 oben im Gehäuse
36 in Richtung der Wellen abgestützt Fig.12 zeigt schematisch und in Aufsicht jeweils
etwa ein Drittel der beiden Zahnreihen 8 und 9 der zueinander koaxial angeordneten
Scheiben 1 und 3 der Fig. 10 und 11. Man erkennt, daß die Innenwinkel 24 der beiden
Zahnreihen 8,9 infolge der unterschiedlichen Zähnezahlen nur an einer einzigen Stelle
miteinander fluchten; genau an dieser Stelle ist ein Zahn 10 der Schrägscheibe 2
strichpunktiert angedeutet, um zu zeigen, wie dieser Zahn 10 die beiden Zahnreihen
8 und 9 übergreift.
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Mit Punkten hervorgehoben sind jeweils diejenigen ebenen Flanken
der Zähne 8 und 9, welche jeweils einen Zahn 10 umfassen. Die Flanken dieses Zahnes
10 können leicht konvex ausgebildet sein, um gemäß F i g. 4 immer ein Anliegen an
den Flanken der Zähne 8 und 9 zu ermöglichen.
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Die wesentlichen konstruktiven Unterschiede zwischen einer HIRTH-Verzahnung
und der erfindungsgemäßen Getriebeanordnung sind der perspektivischen Darstellung
der F i g. 12 zu entnehmen: 1. Ebenso wie dies in Fig. 12 für zwei koaxiale Zahnreihen
8 und 9 dargestellt ist, sind auch zwei ineinander eingreifende Zahnreihen bei der
erfindungsgemäßen Getriebeanordnung mit unterschiedlichen Zahnzahlen versehen.
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2. Die Verlängerungen der Innenwinkel 24 und aller Flankenlinien
(beispielsweise der Höhenhalbierenden AF, ECgemäß Fig. 1)jedes Zahnes der festen
Scheibe 1 (Fig. 1) schneiden sich in Punkten, die auf einer Kreislinie E-Fliegen,
welche die Basislinie des in Fig. 2 dargestellten Kegels ist, wogegen die entsprechenden
Schnittpunkte der Schrägscheibe 2 in einem einzigen Punkt Ebzw. Fzusammenfallen.
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Statt der an Hand der Fig. 3 und 4 beschriebenen konvexen Ausbildung
der Zähne 10 ist es auch möglich, diese gemäß Fig. 13 schwenkbar auszubilden: F
i g. 13 zeigt eine Darstellung ähnlich F i g. 4, nämlich einen Schnitt längs einer
zylindrischen Schnittfläche QQ in Fig. 12, welche dann in die Zeichenebene abgewickelt
wurde. Zwischen den ebenen Flanken jeweils zweier Zähne 8 (mit Kreuzchen hervorgehoben)
und 9 (mit Ringen hervorgehoben) sitzt ein um die (durch eine Kreislinie in Fig.
13 symbolisch angedeutete) Schwenkachse 106 schwenkbarer Zahn 10 der Schrägscheibe
2. Da der schwenkbare Zahn 10 jeweils von beiden Seiten von je einer angelegten
Flanke (Fig. 12) jeweils eines Zahnes 8 bzw. 9 beaufschlagt ist, wirkt auf die Schwenkachse
106 kein Kippmoment. Es besteht somit keine Gefahr einer Verbiegung dieser Schwenkachse.
Der schwenkbare Zahn 10 wird dort auf Scherung beansprucht, wo die Beaufschlagung
durch den Zahn 8 in die Beaufschlagung durch den Zahn 9 übergeht.
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Fig. 14 zeigt einen Detail XVI aus Fig. 11 in vergrößerter Ansicht,
jedoch mit schwenkbarer Anordnung des Zahnes 10. Man erkennt, daß die konisch ausgebildete
Schwenkachse 106 mit ihren Enden 107 und 108 in Lagern 109 bzw. 110 der Schrägscheibe
2 gelagert ist. Die Zähne 9 und 8 der miteinander koaxialen Scheiben 1 und 3 sind
gestrichelt angedeutet.
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Eine Ansicht des in F i g. 14 dargestellten schwenkbaren Zahnes in
Richtung seiner Schwenkachse ist in Fig. 15 dargestellt: Man blickt auf das im Lager
110 gelagerte Ende 108 der Welle 106. Man erkennt weiterhin den Flansch 114, hinter
dem der konische Abschnitt der Welle 106 beginnt, der schließlich in das hintere
Ende 107 ausläuft, das in Fig. 15 als innere gestrichelte Kreislinie dargestellt
ist. Der Zahn 10 selbst wird von außen nach innen schmaler. Die äußere Dreieckkontur
des Zahnes 10 ist in Fig. 15 mit 103, die innere Kontur mit 105 bezeichnet.
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Man erkennt, daß die beiden Konturlinien 103 und die beiden Konturlinien
105 sich rechts in je einer Spitze schneiden würden, daß diese Spitze jedoch abgefaßt
ist.
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Jeder Kontur 103 bzw. 105 ist eine Basislinie d 103 bzw.
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d 105 zugeordnet Der Abstand des Schnittpunktes der beiden Konturlinien
103 von der Basislinie d 103 ist die Höhe H 103; der Abstand des Schnittpunktes
der beiden Konturlinien 105 von der Basis d 105 ist die Höhe H 105.
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Beide Höhen H 103 und H 105 werden durch die mathematische Achse 106
der Schwenkachse des Schwenkzahnes 10 genau halbiert. Dies ist auch in Fig. 13 dargestellt
Es wurde gesagt, daß jeder Schwenkzahn an jeder seiner beiden Flanken eine Abstützung
durch jeweils eine Flanke eines Zahnes 8 oder 9 benötigt, damit er nicht in undifinierter
Weise um seine Schwenkachse 106 pendeln Immer erfüllt ist diese Bedingung für diejenigen
Zähne 10, die mit den miteinander koaxialen Zahnreihen in Eingriff stehen. Diese
Bedingung ist jedoch nicht erfüllt für diejenigen wenigen Zähne, die (vgl. Fig 1
unten) nicht mit anderen Zähnen in Eingriff stehen.
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Diese Zähne könnten um die Schwenkachse 106 in unerwünschter Weise
pendeln, so daß sie beim weiteren Umlauf nicht sofort wieder in der passenden Stellung
ständen, in der sie in die Lücke zwischen zwei Zähnen 8
und 9 passen.
Dies könnte zu Störungen des Betriebes führen, welche jedoch durch die in Fig. 16a
und 16b dargestellten Steueranordnungen vermieden werden: Jeder schwenkbare Zahn
10 trägt einen Bolzen 112 bzw. 113, der lose in einer Durchbrechung des Führungsringes
110 bzw. 111 sitzt. Der Führungsring kann stirnseitig (F i g. 16a) oder peripher
außen (F i g. 16b) an den Zähnen 10 angebracht sein, je nachdem, wo Platz für ihn
ist. Die Winkelstellung der im Eingriff stehenden Zähne 10 wird durch diesen Führungsring
den wenigen nicht im Eingriff stehenden Zähnen mitgeteilt, so daß diese, wenn sie
wieder in Eingriff kommen, von vornherein in der richtigen Einstellung stehen.
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Sind die Zähnezahlen der Zahnreihen 8 und 9 sehr unterschiedlich,
so kann es erforderlich sein, den Winkel 2a zwischen den Zahnflanken (vgl. Fig.5)
bei den beiden Zahnreihen 8 und 9 unterschiedlich zu machen.
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Entsprechend unterschiedlich muß dann dieser Winkel bei den beiden
Abschnitten 10a und 10b (vgl.
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F i g. 17) des schwenkbaren Zahnes 10 sein. In diesem Falle kann es
herstellungstechnisch günstig sein, gemäß F i g. 17 den Bereich 1 Oa des schwenkbaren
Zahnes 10 mit der Schwenkachse 10 einteilig auszubilden, so daß der Bereich 10b
gegenüber der Schwenkachse 106 und somit gegenüber dem Bereich 10a schwenkbar ist
Bei dieser Ausführung schwenken also die Bereiche 10a und 10b unabhängig voneinander.
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Bei der Getriebeanordnung der Fig. 18 ist die Antriebswelle 32 im
Gehäuse 36 in einem Lager 34 gelagert. Das freie Ende 46 der Antriebswelle 32 ist
mit einem Lager 47 im hohlen Ende der Abtriebswelle 42 gelagert, die mit der Antriebswelle
32 koaxial (mathematische Achse 4) angeordnet ist.
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Mit der Abtriebswelle 42 ist die innere (3) von drei koaxialen Scheiben
3, la und 1b einteilig ausgebildet.
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Die mittlere Scheibe la der drei koaxialen Scheiben ist mit einer
Hohl-Abtriebswelle 60a einteilig ausgebildet, wogegen die äußere Scheibe lb der
drei koaxialen Scheiben mit dem Gehäuse 36 einteilig ausgebildet und somit festgehalten
ist. Die Abtriebswelle 42 ist in der Hohl-Abtriebswelle 60a mittels eines Lagers
40 gelagert, wogegen die Hohl-Abtriebswelle 60a im Gehäuse 36 in einem Lager 41
gelagert ist. Die drei Zahnreihen 9, 8a und 8b der drei miteinander koaxialen Scheiben
3, la und 1b kämmen mit den schwenkbaren Zähnen 10 der Schrägscheibe 2. Diese schwenkbaren
Zähne 10 sind in der Schrägscheibe 2 in Lagern 108 und 107 so gelagert, wie dies
in Fig. 14 dargestellt ist Auch ist in Fig. 18 die Steueranordnung 112/115 der Fig.
16a dargestellt, welche diejenigen Zähne 10, die mit den Zähnen 9, 8a und 8b nicht
im Eingriff stehen (Fig. 18, rechts), in der passenden Stellung anhalten, damit
sie, wenn sie bei der weiteren Drehung wieder in Eingriff kommen, gleich in der
richtigen Stellung stehen und den Bewegungsablauf nicht behindern.
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Bei den bisherigen Ausführungsbeispielen waren die Flächen 52 und
54, mit welcher die Kegelbewegung der Lagerscheibe 38 auf die Schrägscheibe 2 übertragen
wird, parallel zur Lagerscheibe 38 angeordnet. Beim Ausführungsbeispiel der F i
g. 18 jedoch sind diese Flächen 52 und 54 parallel zur Achse 6 der Schrägscheibe
2 angeordnet, um in einem Ausführungsbeispiel auch diese Möglichkeit darzustellen,
die bei großen Winkeln ß konstruktive Vorteile aufweist.
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F i g. 19 zeigt ein Kupplungs-, Schalt- und Steuer-Getriebe.
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Mit der Antriebswelle 32 ist die innere Scheibe 3 der beiden koaxialen
Scheiben 1 und 3 drehfest verbunden, im dargestellten Ausführungsbeispiel sogar
einteilig ausgebildet. Die äußere Scheibe 1 der beiden koaxialen Scheiben 1 und
3 ist mit der Abtriebswelle 42 drehfest verbunden.
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Die Schrägscheibe 2 ist gegenüber der Antriebswelle 32 um den Winkel
90" -B geneigt Ihre Unterfläche 54 wird von der schrägen Ringfläche 52 der Lagerscheibe
38 beaufschlagt, die in Lagern 39 und 391 gegenüber der Antriebswelle 32 frei drehbar
gelagert ist.
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In der dargestellten Stellung wird die Drehung der Antriebswelle
32 über die innere koaxiale Scheibe 3, deren Zahnreihe 9, die Zahnreihe 10 der Schrägscheibe
2, die Zahnreihe 8 der äußeren koaxialen Scheibe 1 auf die Abtriebswelle 42 ohne
jedes Übersetzungsverhältnis übertragen, so daß in dieser dargestellten Stellung
die Anordnung als Kupplung funktioniert. Keines der vier drehbaren Teile (koaxiale
Scheiben 1 und 3, Schrägscheibe 2, Lagerscheibe 38) ist festgehalten.
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Die Lagerscheibe weist eine äußere konische Ringfläche 71 auf, der
die innere konische Ringfläche 72 eines Bremsringes 74 gegenübersteht Dieser Bremsring
wird durch Ölbeaufschlagung 76 gegen die Kraft einer Feder 78 in Fig. 19 in einer
Stellung gehalten, in der die beiden konischen Flächen 71 und 72 sich nicht berühren.
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Läßt man Öl bei 76 ab, so drückt die Feder 78 den Ring 74 gegen das
entweichende Öl nach oben und, je nach dem Anlagedruck zwischen den Flächen 72 und
71, tritt eine mehr oder minder starke Abbremsung der Lagerscheibe 38 ein. Wird
diese Lagerscheibe 38 vollständig abgebremst, wobei nur eine geringe Reibung zur
Überwindung der rollenden Reibung zwischen der Schrägscheibe 2 und der Lagerscheibe
38 genügt, so arbeitet die dargestellte Anordnung als Getriebe mit dem Übersetzungsverhältnis
i=Z3/Z1. Durch mehr oder minder vollständiges Abbremsen der Lagerscheibe 38 lassen
sich zwischen diesem Übersetzungsverhältnis i und dem Übersetzungsverhältnis 1,
also der Funktion als Kupplung, alle beliebigen Übersetzungsverhältnisse kontinuierlich
wählen.
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Die in F i g. 19 dargestellte Anordnung ermöglicht es somit, von
einer Arbeitsstellung als Kupplung (Übersetzungsverhältnis 1) kontinuierlich über
beliebig viele Zwischenstellungen (teilweises Abbremsen der Lagerscheibe 38) bis
zu einem maximalen Übersetzungsverhältnis (Stillstand der Lagerscheibe 38) überzugehen.