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Bezeichnung: Kraftübertragungselement für stufenlos
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regelbare Getriebe Zweck und technischer Stand: Derartirre stufenlos
regelbare Getriebe bestehen aus zwei Kegelscheibenpaaren. Durch axiale Verstellung
( = Erweiterung oder Verengung der Keilrille ) kann der wirksame Umschlingungsradius
an den Kegelscheiben und damit das Übersetzungsverhältnis stufenlos variiert werden.
Das Kraftübertragungselement dient als Mittel zur Treibkraftübertragung zwischen
beiden Kegelscheibenpaaren.
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Nach dem technischen Stand kann eine stufenlose Übersetzungsregelung
bei angemessenem Verhältnis Aufwand/Leistung nur unter Anwendung des Reibkraftschlusses
verwirklicht werden.
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Die nach dem techlischen Stand bekannt gewordenen Vorschläge kann
man nach folgenden Kriterien gruppieren: 1) Sach Art der Reibungspaarung a) trockener
Reibkraftschluß, b) geschmierter lleibkraftschluß.
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2) hach konstruktiven Merkmalen a) Keilriemen oder keilriemenähnlich,
b) Ketten oder kettenähnlich.
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Davoii erden Ausfii.lrungen nach 2a) überwiegend für trockenen Reibkraftschluß,
Ausführungen nach 2b) tiberwiewend für gesch:ìierten Reibkraftschluß verwendet.
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Der dringlichste und wirtschaftlich interessanteste Bedarfsfall für
"stufenlose Drehmomentwandler" besteht offensichtlich beim Antrieb von Straßenfahrzeugen
aller Art.
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Jedoch alle bisher bekannt gewordenen Vorsclllage konnten den hier
trestellten Anforderungen nicht gerecht erden.
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Das kritischse Bauteil ist dabei jenes Kraftübertragungselement erna
er Erfindungsbezeichnung.
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Für die im Oberbegriff formulierte Getriebeart, allgemein als Umschlingungsgetriebe
einzustufen, ist als entscheidentes Charakteristikum zu beachten, daß zwischen Kegelscheiben
und Kraftübertragungselement stets Relativbewegungen auftreten, welche unvermeidbar
Gleitreibung und Verschleiß verursachen und deshalb die maßgebende Einflußgröße
für übertragbare Leistung und Lebensdauer darstellen.
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Entstehungsquellen dieser Gleitreibung sind: a) Elastische Längs-
und Schubverformungen im Kraftübertragungs element - verursachen Dehnungs- und Schubschlupf;
b) elastische Querstauchung im Kraftübertragungselement und kinematische Fehler
an den Tangierungspunkten (vor allem bei Kette - maßgebliche Ursache für Dreh- oder
Bohrreibung; c) infolge der elastischen axialen Kegelscheibenverformung tritt zusätzlich
eine radiale Gleitbewegung auf.
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Mit Kenntnis der Verformungsmechanismen sind die Gleitwege und Momentan-Gleitgeschwindiglceiten
längs der Umschlingungsstrecken größenordnungsmäßig berechenbar.
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Mit dem Produkt: Gleitwegintervall X Anpressdruck x Reibwert kann
man die Gleitreibungsarbeit pro Kontaktflächeneinheit ausdrücken. Durch Summieren
dieser Reibarbeitsintervalle erhält man die spezifische Gleitreibungsarbeit pro
Umlauf oder pro Zeiteinheizt, woraus sich die Übertragungsverluste errechnen lassen.
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( Ein relativ klein erscheinender Gleitweg von nur 1 cm/s ergibt in
100 Betriebsstunden eine Gleitstrecke von 36 km Für beliebige Reibpaarungen kann
man experimentell den Verschleiß messen in Abhängigkeit von der spezifischen Belastung
[N/mm2j, vom Reibwert my und vom Gleitweg Em/sJ . Diese Messwerte lassen sich dann
darstellen als "spezifischer Verschleiß q " mit der Dimension [mm/kWs/mm2], was
gleichbedeutend ist mit Verscüleißvolumen / Reibarbeitseinheit [mm3/kwsJ.
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Bei vielen nach dem technischen Stand bekannten Konstruktionen sind
diese Zusammenhänge ungenügend beriicksichtigt, offenbar die Ursache dafür, da;^
diese Konstruktionen nur flir niedrige spezifische Leistirnpen brauchbar sind.
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Einen sehr kleinen Verschleißwert qv erhält man für die geschmierte
Reibpaarung Stahl gehärtet / Stahl gehärtet.
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Mit dieser Reibpaarung lassen sich nach dem derzeitigen Stand die
besten Werte für Leistungsdichte und Lebensdauer erzielen.
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Die "geschmierte metallische Reibpaarung" weist jedoch einen schwerwiegenden
Nachteil auf: Der Gleitreibwert ist wesentlich kleiner als der Ruhereibwert. Außerdem
tritt in Erscheinung, daß bei hoher Ölviskosität (niedrige Temperatur!) ein hydrodynamisches
Gleiten eintreten kann. Die Reibkraftcharakteristik ist instabil Die praktische
Auswirkung zeigt sich dann folgendermaßen: Wird das Auslegungs-Drehmoment durch
einen Überlastungsstoß auch nur kurzzeitig überschritten, rutscht das Kraftübertragungselement
durch. Dadurch fallt aber der Reibwert sehr stark ab und das übertragbare Drehmoment
ist dann wesentlich kleiner als das Auslegungsmoment. Auc nach Verschwinden des
Belastungsstoßes stellt sich der ursprüngliche Zustand nicht von selbst wieder ein.
Um ein Durchdrehen der Antriebsmaschine zu vermeiden, müßte unverzüglich das Antriebsmoment
zurückgenommen werden. Derartige instabile Betriebszustände sind naturlich im praktischen
Einsatz nicht zumutbar Es läßt sich nachweisen, daß an einem Umschlingungsgetriebe
die Anwesenheit eines viskosen Schmiermittels an den Kraftübertragungszonen eigentlich
funktionswidrigen Einfluß hat.
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Mit"trockenem Reibkraftschluß" treten die eben angeführten nachteiligen
Wirkungen nicht in so ausgeprägtem Maße in Erscheinung, durch geeignete Materialkombination
können diese sogar vollständig verhindert werden.
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Die ttac dem teclllli.scllen Stand bekannten Vorschläge auf der Basis
von trockenem Reibtraftschlul3 gehen in der Regel vom universellen Keilriemen aus
mit aller Werkstoffpaarung Gummi / Metall.
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Derartige Keilriemenverbesserungen sind z.B. in folgenden Druckschriften
auf=ezeigt: DE-OS 25 05 228; DE-OS 28 21 698; DE-OS 30 48 og8; US-PS 24 30 328.
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In dem Bestreben, zur Treibkraftübertragung den hohen Reibwert der
Gummi/Stall - Kombination auszunutzen, ist von Grund auf ein schwerwiegender Nachteil
eingeplant: die fiir die Gleitreibung
verantwortlichen Einflußfaktoren
und der relativ geringe Verschle widerstand sind in ihrer Auswirkung nicht berücksichtigt.
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Der Erfindung ist deshalb die Aufgabe zugrundegelegt, für einen trockenen
Reibkraftschluß" solche Werkstoffe zur Anwendung zu bringen, welche inbezug auf
Reibverschleiß besonders widerstandsfähig sind, und die strukturelle Gestaltung
der mit der Reibkraft übertragung zusammenhängenden Bauteile so auszulegen, daß
alle fii die Gleitreibung maßgeblichen Einflußfaktoren auf einen Minimalwert reduziert
werden. Im Rahmen dieser Aufgabenstellung ( nämlic die Anwendung des trockenen Reibkraftschlusses
) ergibt sich auch die Forderung, daß Verbindungsstelln und Gelenke möglichst so
auszubilden sind, daß an keiner Stelle des Kraftübertragungseleme ein viskoses Schmiermittel
erforderlich wird.
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Die Lösung der Aufgabe geht aus den Patentansprüchen hervor.
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Die Beschreibung der Erfindung bezieht sich auf folgende zeichnerische
Darstellungen: Fig.1: Längsschnitt (in Umfangsrichtung) durch ein Kettenglied und
Ansicht auf die Keilflanken.
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Fig.2: Querschnitt (senkrecht zur Umfangsrichtung) durch die Mitte
eines Kettengliedes.
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Fig.3: Schemadarstellung zur Anordnung der Gelenkklammern.
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Fig.4: Querschnitt durch ein Gelenksegment.
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Fig.5: Längsschnitt durch ein Nadel-Kippgelenk.
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Fig.6a/b: Drehmomentdiagramme zum Nachweis des technischen Fortschritts.
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Materialien für "trockene Gleitreibung" sind im Maschinen- und Apparatebau
vielfach als Radial- und Axialgleitlager in Anwendung Unter Voraussetzung einer
Gegenreibfläche mit sehr glatter Oberfläche ( Kegel sclleiben geschliffen, poliert,
verchromt, Alu-harteloxiert, aulitief ca. 1 bis 2 my j erweisen sich fiir die
Anforderungen
eines Kraftübertragungselements gemäß Oberbegriff sogenannte thermoplastische Kunststoffe
als besonders vorteilhaft.
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Werkstoffe dieser Art wären z.B.: Polyamide (PA), Polyoxymethylen
(POM), Polyäthylenterephthalat (PETP), Polyimid (PI), Polytetrafluoräthylen (PTFE)
als Grundwerkstoffe, oder Kombinationenjieser Stoffe untereinander sowie mit Füllstoffen
(z.B.: Pb,-Bz, C, Gp ect.).
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Besonders günstig sind sogenannte Verbundwerkstoffe wegen ihrer wesentlich
höheren Druckbelastbarkeit, z.B.: PTFE mit Pb (Teflon) auf poröser Zinn-Bronze-Schicht
auf einem Trägermaterial (Stahl); POM auf Zinn-Bronze - Skelett auf Trägermaterial.
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Mit geschliffenem Stahl als Gleitpartner weisen diese Materialien
ein Reibwertspektrum von 0,08 bis 0,25 auf, im Vergleich mit Gummiwerkstoffen ist
aber wegen der wesentlich höheren Druckbelastbarkeit die erzeugbare Reibkraft pro
Kontaktflächeneinheit wesentlich größer.
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Für einige dieser Werkstoffe wird ein spezifischer Verschleiß qv [mm3/kWs]
angegeben, welcher geringer ist als bei der günstigsten ölgeschmierten Reibpaarung
" Stahl hart / Stahl hart ".
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Die vorteilhafteste Eigenschaft dieser Thermoplaste besteht aber darin,
daß sie keinen stick-slip-Effekt zeigen, weil der Ruhereibwert gleich oder sogar
kleiner ist als der Gleitreibwert.
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Für einige dieser Thermoplaste - z.B. PTFE - ist diese Eigenschaft
besonders ausgeprägt. Bei diesen steigt im Bereich kleiner Gleitgeschlfindigkeiten
( 0 bis 0,1 m/s ) der Reibwert mit zunehmender Gleitgeschwindigkeit um ca. lOOoó
, woraus sich bei der erfindungsemäen anwendung der Vorteil einer stabilen Reibkraft-Charakteristik
ergibt.
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Aus der Kraftülzertragullgsfunktion resultiert für ein Kettenglied
folgendes Beans)ruclaungsbild:
Die Längsglieder (Laschen) erhalten
eine Schwell-Zugbeanspruchung die Querelemente erhalten eine Druck- und eine radial
wirkende Biegebeanspruchung, je Umlauf zweimal von 0 bis zum Maximalwert schwellend,
zusätzlich eine Biegebeanspruchung in Umfangsrichtung je Umlauf zweimal mit Richtungswechsel.
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Diese Beanspruchungen verursachen in allen Teilen elastische Form
änderungen und damit an den Fügestellen Relativverschiebungen.
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Wenn diese auch nur im Mikron-Bereich liegen, resultieren daraus infolge
der hohen Lastspielzahl (> 8 ) Verschleißerscheinungen welche insbesondere bei
Fehlen eines viskosen Schmiermittels zum frühzeitigen Versagen des Kettengliedes
führen.
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Die Rahmenbedingung: sch:njermittelfrei1, stellt demnach besonder
Anforderungen an die konstruktive Gestaltung der einzelnen Bauelemente, wobei die
Kreuzverbindung Längs-/Querelemente am kritischsten zu betrachten ist.
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Fig.1 und Fig.2 veranschaulichen den Aufbau eines kompletten Kettengliedes.
Das Querelement, hier als Keilelement bezeichnet, ist aus zwei gleichen Keilstegen
1 und zwei, die Flankenform bil denden Keilbacken 3 zusammengefügt. Die formschlüssige
Mitnahme der Keilelemente durch die Kettenlaschen 4 erfolgt durch zwei Sutprofile
in den Laschen. Voraussetzung für eine sichere spielfreie Verbindung ist eine elastische
Verspannung zwischen Keilstegen 1 und Laschen 4. Um die federnde Klemmwirkung an
der Lasche zu verbessern, sind aus der Ringkontur des Laschenauges herausragende
Klemmzähne 41 vorgesehen, welche die Klemmflanken der Nutprofile bilden. Zur Erzeugung
einer formschlüssigen Haltekraft i I adialer wichtung, haben die Klemmflanken einen
negativen Anzugswinkel 42, etwa 5° bis 100. Für die Keilstege 1 ist ein U-ähnliches
Profil vorgesehen. Diese müssen in der radial und Umfangsrichtung eine optimale
Biegesteifigkeit bei minimalem Gewicht aufweisen. An den Schenkelaußenseiten sind
die Klemmflanken flächen 11 nach innen abgesetzt. Deren AnscllräOyung ist so gewählt
daß sie im eingesetzten Zustand dem Anzugswinkel 42 der Klemmzähne '+1 entspricht.
Wichtig ist dabei, daß die Flankenflächen 1 gegenüber aller .asiswalld <les Keilstegprofiles
versetzt sind. Dadurch wird die Stauchelastizität erhöht. Die Keilstege werden in
radial iriCiltUllg in die Klemmnuten des Lasclienpac;etes eingesetzt.
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Die Rasternutung 13 an der Basiswand des Keilstegprofiles dient dazu,
den seitlichen Abstand der Kettenlaschen untereinander zu fixieren. In Verbindung
mit einer Zentrierung in den Kettengelenken wird damit erreicht, daß zwischen den
Laschen von zusammenhängenden Kettengliedern kein Reibkontakt entstehen kann.
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Der entgültige Verspannungszustand zwischen Keilstegen und Laschen
wird durch die Klemmhülsen 2 erzeugt. Diese bestehen vorzugsweise aus Federstahl,weisen
ein Hohlprofil auf und werden mit größtmöglichem Übermaß in axialer Richtung in
die mit den Laschen vorkomplettierten Keilstege eingepreßt. Zur Sicherung der Klemmhülsen
in radialer Richtung sind an den Keilstegschenkeln nach innen gerichtete Wulste
12 ausgebildet. Um das Einpressen der Klemmhülsen zu erleichtern, ist entsprechend
Fig.2 eine geteilte Ausführung derselben vorgeschlagen; das Einpressen erfolgt von
beiden Stirnseiten der Keilstege aus.
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Die Stirnseiten der Keilstege sind in der Radialebene plan. Die vorstehenden
Klemmhülsenköpfe 22 werden zur Klemmbefestigung der Keilbacken 3 benutzt. Um Maßtoleranzen
in der radialen Richtung ausgleichen zu können, ist eine Zentrierung eines Keilbackens
radial und tangential jeweils nur an einem Hülsenkopf vorgesehen.
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In der Darstellung Fig.2 ist der Keilbacken-Festpunkt an der radial
inneren Klemmhülse vorgesehen. Hierfür erhält der Keilbacken eine Paßbohrung 33.
An der radial äußeren Klemmhülse erfolgt nur die formschlüssige Abstützung des Keilbackens
in Umfangsrichtung.
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Hierzu ist im Keilbacken eine radial verlaufende U-förmige Aussparung
32 ausgebildet. Paßbohrung 33 und Aussparung 32 sind bezüglich der Hülsenköpfe 22
auf größtmögliche Klemmwirkung bemnt. Aussparung 32 erhält einen Hinterlegungswinkel
von 10 bis 20. Die Sicherung er Keilbackenbefestigung kann dadurch verstärkt werden.
daß die innere Klemmhülse in der Paßbohrung 33 verstemmt wird. er Hülsenkopf 22
ist durch eine Umdrehungsnut 21 vom Hülsenschaft abgesetzt.
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Um das teilprofil der Keilbacken 3 bezüglich der Kettenteillinie feste
wen zu können, wird die Grundkantc 43 der Laschenkleminnuten bezüglich der Kettenteillinie
maßtoleriert.
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Der Reibbelag 31 an den Keilflanken der Keilbacken 3 kann in der gewiinscilten
Materialmischung unmittelbar auf die Keilflanken aufesint ' ser len. Er sann a'ich
als Dreistoff-Verbundrnaterial
mittels einer dünnen Trägerplatte
aufgepreßt, geklebt oder gelötet sein.
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Anordnung und prinzipieller Aufbau der Kettengelenke ist noch aus
Fig.1 ersichtlich. Im Gegensatz zu den sogenannten Wiegengelenken, welche bei Zahnketten
Verwendung finden, bestehen die hier dargestellten Nadel-Kippgelenke aus einem schwimmenden
Nadel.
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zapfen 5 von sehr kleinem Durchmesser und zwei gleichen Gelenksegmenten
51 mit dem Querschnitt eines Kreissegments. Da im vorliegenden Anwendungsfalle der
Gelenk-Beugewinkel höchstens etwa 150 betragen wird, kann der Segmentwinkel mindestens
mit 1500 ausgeführt werden. Bezüglich der Funktion unterscheidet sich das Nadelkippgelenk
vom Wiegengelenk dadurch, daß die Gelenkdrehung gleitend auf beiden Druckflächen
und eine exakte Mittenzentrierun auf dem Nadelzapfen erfolgt. Wegen des kleinen
Durchmessers des Nadelzapfens und des kleinen Beugewinkels ergeben sich für jede
Druckfläche nur Gleitwege von einigen 1/ion mm.
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Im Gegensatz zum einfachen Bolzengelenk trägt das Nadelkippgelenk
durchgehend über die ganze Breite eines Laschenpacketes (wie beim Wiegengelenk).
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Die Gleitdreliung und Drehzentrierung darf nur auf dem Nadelzapfen
erfolgen. Die tangentiale- Kettenkraft (Strangkraft) wird in jeder Lasche nur auf
das am Außenbund des Laschenauges anliegende Gelenks segment übertragen. Über dieses
Segment erfolgt die Gelenkzentrierung in der Lasche. Segment und Außensektor der
Laschenbohrung sind für spielfreien Sitz vermaßt. Der innere Sektor der Laschenbohrung
(in der tangentialen Richtung betrachtet) ist aufgeweitet, sodaß das in der Laschenbohrung
innen liegende Gelenksegment, welches sich relativ zur Lasche dreht, keinen Reibkontakt
mit der Lasche hat.
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Um die Winkellage der Gelenksegmente relativ zur Laschenachse zu sichern,
ist in der tangentialen mitte jedes kettengliedes eine Gelenkklammer vorgesehen.
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In Fig.3 ist die Anordnung dieser Gelenkklammern dargestellt.
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Diese sind aus Federstahl U-förmig hergestellt. Jede Gelenkklammer
umgreift die zum Kettenglied gellörenden zwei Gelenke. In wechselnd Folge liegen
?ie ìelenkklal;llnerrl einmal aul3erlialb der Kettenteillinie und beim foj enden
cttcnlied innerhalb der Kettenteillinie
und arretieren jeweils
die beiden äußeren Gelenksegmente eines Kettengliedes. An jedem Gelenksegment ist
eine Sicherungskerbe 53 vorgesehen, in welcher die Gelenkklammer 55 einrastet. Zum
Zwecke der Montage-Erleichterung wird die Gelenkklammer mittels eines federnden
Druckstückes 56 an den Keilstegen 1 fixiert.
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Wegen der Wechselanordnung der Gelenkklammern und des von Glied zu
Glied wechselnden seitlichen Laschenversatzes kann eine Endloskette nur mit geradzahliger
Kettengliederzahl ausgeführt werden.
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Der Zusammenbau der Kette erfolgt in der Weise, daß die vollständig
komplettierten Kettenglieder auf Mitte Laschenbohrung zusammengesteckt und dann
das als Gelenkdorn komplettierte Kippgelenk axial eingeschoben wird. Dabei werden
die Gelenkklammern 55 gespreizt, bis sie bei Mittenlage des Gelenkes in der Sicherungskerbe
56 einrasten. Dadurch sind die Gelenke auch gegen axiales Verschieben gesichert.
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Werkstoffe für das Nadelkippgelenk: Gelenknadeln 5 aus hochverschleißfestem
Werkzeugstahl, am besten Mo-legiert, etwa Qualität SS-Stahl; Gelenksegmente 51 aus
harter Lagerbronze oder Keramik gesintert, mit fester oder hochviskoser Gleitstoffüllung.
Zweckmäßig ist eine zylindrische Stützschale aus Stahl.
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Fig.4 und Fig.5 veranschaulichen einen anderen Ausführungsvorschlag
für die Nadelkippselenkes wobei Fig.4 den stark vergrößerten Querschnitt durch ein
Gelenksegment darstellt. Die Gelenksegmente sind an ihrer Scheitelzone mit einer
Längsnut versehen, in welcher ein Gleitkern 52 aus Trocken-Gleitmaterial (vorzugsweise
PTFE + Pb + Bronze) eingesintert oder eingepreßt ist. Nutweite und Nadeldurchmesser
sind für eine spielfreie Passung bemaßt. Die Gelenknadel in ?in.5 geteilt vorgeschlagen,
muß satt im Gleitkern 52 eingebettet und die Gleitkernnut muß stirnseitig abgeschlossen
sein, etwa mit Kugel oder Zylinderstopfen. Die Gelenksegmente sind hier aus einem
Messing- oder Bronze- Gleitlagermaterial herzustellen oder aus Stahl mit blessing-/
Bronze-Beschichtung.
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Fiir die tìesamtausführung einer Keilkette nach den Erfindungsmerkmalen
ist zu berücksichtigen, daß grundsätzlich kein Schmiermittel als orrosionsschutz
zulässig ist. Dementsprechend müssen die hochi,ean sl,riicliten kettenteile, vor
allem Laschen, Keilstege und
Klemmhülsen gegen Korrosion geschützt
werden.
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Da der leistungsbezogene Materialeinsatz des Kraftübertragungselements
(=Keilkette) jedoch relativ klein ist, ist es vertretbar die genannten Teile aus
einem rostfreien Stahl mit hoher Streckgrenze herzustellen.
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Um zwischen den Laschen Reibverschleiß durch metallischen Gleitkontakt
auszuschließen, können diese einseitig mit PTFE oder ähnl Material dünnbeschichtet
werden.
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Unter Inkaufnahme etwas höherer Übertragungsverluste könnten Laschen,
Keilstege und Keilbacken auch aus einer auf hohen Streck grenzenwert ausgehärteten
Al-Legierung hergestellt werden. Hinsichtlich der Massenwirkung, welche die zulässige
Umfangsgeschwin digkeit begrenzt, wäre damit ein zusätzlicher Vorteil erzielbar.
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Technischer Fortschritt: 1) Gegenüber den nach dem technischen Stand
bekannten Vorschlägen welche den "trockenen Reibkraftschluß" ausnutzen, werden mit
dei Merkmalen der Erfindung folgende Vorteile erzielt: Jene Einflußfaktoren, welche
an den Keilflanken Gleitreibung mit Naterialverschleiß und Leistungsverlust hervorrufen,
sind weitgehend reduziert. Die Anwendung einer mit hohen Umfangskräften belastbaren
Kettenbauweise wird durch den Einsatz der wartungsfreien, nicht-geschmierten Nadelkippgelenke
technisch erst realisierbar. Es werden damit Voraussetzungen eingebracht, welche
eine Steigerung von Leistungsdichte und Wirkungsgrad in solchem Maße bewirken, daß
stufenlose Getriebe dieser Bauweise, deren Charakteristik für den Einsatz in Landfahrzeugen
aller Art ideal ist, den hier gestellten Anforderungen gerecht werden.
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2) Welcher Vorteil mit den Merkmalen der Erfindung gegenüber den bekannten
Kraftübertragungselementen mit "geschmiertem Reibkraftschluß" erzielt- wird, ist
in Fig.6a/b veranschaulicht.
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Hier sind gerechnete Drehmomentcharakteristika in Abhängigkeit vor
der Schlupfgeschwindigkeit graphisch dargestellt, und zwar Fig.6a für "geschmierte
tieibpaaruiig" und Fig.6b "für troclcene Reibpaarur