DE3428851C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein stufenlos verstellbares Klemm­ scheibengetriebe, das sowohl als Industriegetriebe als auch zum Antrieb von Kraftfahrzeugen geeignet ist.

Es sind Seilscheibengetriebe bekannt, z. B. aus der DE-PS 6 70 661, bei denen ein Seil zwischen den zwei Treibschei­ ben eines Rades eingezwängt und hierbei durch radial ver­ laufende, gegenseitig versetzte Rippen in einer Schlangen­ linie gedrückt wird und die Schrägstellung beider je ein Rad bildender Scheiben mit Hilfe von in Umfangsrichtung unabhängig verdrehbaren Exzentern festgelegt ist. Die Seil­ klemmung erfolgt, je nach Einstellung des Getriebes, irgend­ wo am Halbumfang der Seilscheibenpaare. Die jeweilige Ver­ formung des Zugseiles im Zusammenwirken mit den verstellbaren Stegen, bewirkt eine unerwünschte Ungleichförmigkeit in der Abtriebsdrehzahl. Bei voll zu übertragenden Momenten ist eine Drehzahlverstellung nicht möglich, wenn hierbei die Seilklemmung nicht mindestens teilweise gelöst wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein stufen­ los verstellbares Klemmscheibengetriebe für einen höheren Leistungsbereich zu schaffen.

Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung von einem stu­ fenlos verstellbaren Klemmscheibengetriebe aus, bestehend aus einer treibenden und/oder getriebenen Welle, mindestens einem in Drehrichtung drehkraftschlüssig mit der Welle ver­ bundenen Klemmscheibenpaar, wobei mindestens eine Klemm­ fläche leicht plankegelig ausgeführt und mindestens eine Klemmscheibe um einen kleinen Winkel gegenüber der Welle kippbar gelagert ist, einer zwischen dem Klemmscheibenpaar umlaufenden, momentübertragenden Umlaufeinrichtung und einer Verspanneinrichtung, die durch Kippen der kippbaren Klemm­ scheibe eine Verspannung des Klemmscheibenpaares bewirkt, das in einem Klemmbereich seinen kleinsten parallelen Axialspalt aufweist, was eine Verklemmung der Umlaufein­ richtung bewirkt.

Die Erfindung besteht darin, daß minde­ stens eine Klemmscheibe auf der Welle mittels einer Bogen­ zahnkupplung kardanisch gelagert ist, zwischen den beiden Klemmscheiben ein Rollenkäfig berührungsfrei angeordnet ist, der Rollenkäfig auf der Antriebswelle einseitig gehaltert und zugleich um diese schwenkbar gelagert ist und der endlose Führungskanal des Rollenkäfigs im Klemmbereich eine Kanalerweiterung aufweist. Der Erfindungsgegenstand besitzt eine stufenlose Drehzahl­ verstellung, die mittels einer Schwenkeinrichtung sowohl unter Last als auch im Stillstand mit geringem Kraftauf­ wand manuell oder automatisch verstellt werden kann, ferner eine Einrichtung, die ein stufenloses Anfahren aus dem Still­ stand ermöglicht, indem das zu übertragende Drehmoment vorgewählt und/oder die Kraftübertragung vollständig unter­ brochen werden kann, falls die Drehzahl des Antriebsmotors auf einen Mindestwert absinkt.

In einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Kraftüber­ tragung über gehärtete Stahlrollen, die lose in einem Rol­ lenkäfig geführt sind und in einem endlosen Kanal im Rollen­ käfig umlaufen. Die Stahlrollen werden vom Getriebeantrieb kraftschlüssig in eine gerade Kanalführung geschoben und in einem schmalen Klemmbereich wiederum kraftschlüssig zwischen zwei abtriebsseitigen Klemmscheiben geklemmt. Durch die linear gerade Führung der Stahlrollen im Schub-Last- Bereich werden keine seitlichen Reibungskräfte auf die Kanalführung im Rollenkäfig wirksam, ebenso erfolgt im Klemmbereich zwischen den Klemmscheiben und den Stahlrol­ len keine Abwälzung, so daß eine verlustarme Drehzahl- und Drehmomentwandlung gewährleistet ist.

Vorzugsweise laufen die Stahlrollen im Rollenkäfig ölge­ schmiert. Zur Vermeidung von Gleitschlupf zwischen den Klemmscheiben und den Stahlrollen wird der Klemmdruck auf die Stahlrollen auf ein Vielfaches der jeweiligen Antriebs- Schubkräfte erhöht. Die Klemmkraft auf die beiden Klemm­ scheiben erfolgt über Axiallager, die wiederum einseitig oder beidseitig mittels eines Servokolbens mit einem Druckmedium beaufschlagt werden.

Bei Getrieben höherer Drehzahl und Leistung kommen zur Erzeugung der Klemmkräfte vorzugsweise hydrostatische Seg­ mentlager zum Einsatz.

Alternativ kann bei Getrieben ohne Anfahreinrichtung die Klemmkraft auch durch federbelastete Axial-Rollenlager erzeugt werden.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung wiedergegeben. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein einseitig verstellbares Klemmscheibengetriebe,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Klemmscheibenge­ triebeteil und

Fig. 3 eine vereinfachte Darstellung eines Klemmscheiben­ getriebes mit beidseitiger Verstellung.

Der Erfindungsgegenstand nach Fig. 1 und Fig. 2, wobei Fig. 2 einen Teilschnitt "A" aus Fig. 1 darstellt, besteht aus den Gehäuseteilen 1, 1 a, einer Antriebswelle 2 mit fest verbundenem Zahnrad 4, einem Rollenkäfig 5 mit einem Füh­ rungskanal 6, 6 a, 6 b sowie den Stahlrollen 7, ferner einer Abtriebswelle 17 mit fest verbundener Klemmscheibe 12, einer auf der Abtriebswelle 17 kardanisch und drehkraftschlüssig angeordneten Klemmscheibe 13 sowie zwei Axiallager 22, 29 und einem Servokolben 24.

Der untere Teil der Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch den Antriebsteil. Die Antriebswelle 2 des Getriebes ist in Radiallagern 3 drehbeweglich gelagert. Letztere sind in Achsrichtung beidseitig mit einem Rollenkäfig 5 fest ver­ bunden. Zwischen den Lagern 3 ist ein Zahnrad 4 auf der Antriebswelle 2 befestigt, das wiederum mit seinen Zähnen radial in den Führungskanal 6 des Rollenkäfigs 5 hineinragt und in einer radialen Aussparung 5 a frei drehbar ist. Im Rollenkäfig 5 sind Führungsbahnen 6, 6 a, 6 b eingearbeitet, die endlos einen Rollenkanal bilden, in welchem Stahlrollen 7, analog wie in einem Rollen-Vollager, lose aneinanderge­ fügt und in Rollrichtung frei beweglich, eingesetzt sind.

Die Stahlrollen 7 sind in ihrem Mittelteil zylindrisch freigedreht, so daß sich ein Zapfen 7 a ergibt, der bei aneinanderliegenden Rollen 7 eine Zahnlücke bildet zum Eingriff des Zahnrades 4. So werden bei einer Drehung der Antriebswelle 2 und damit des Zahnrades 4 in Pfeilrichtung die Stahlrollen 7 in der Führungsbahn 6, 6 a, 6 b des Rollen­ käfigs 5 endlos bewegt. Der Rollenkäfig 5 selbst ist auf der Antriebswelle 5 schwenkbar gelagert und kann über den am Massivteil 10 des Rollenkäfigs 5 befestigten Verstell­ zapfen 11 in Richtung V- bzw. V+ verstellt werden.

Die Abtriebswelle 17 des Getriebes ist einseitig in einem Lager 19 radial und über eine mit der Abtriebswelle fest verbundene Klemmscheibe 12 einseitig axial gelagert. Fest verbunden mit der Klemmscheibe 12 ist ein Zapfen 14, dessen Verlängerung eine Bogen-Außenverzahnung 15 aufweist und in weiterer axialer Verlängerung mit einem im Radial­ lager 20 gelagerten Zapfen 21 endet.

Aufgesteckt auf die Bogen-Außenverzahnung 15 ist eine lose Klemmscheibe 13, die mit ihrer Innenverzahnung 16 einerseits drehkraftschlüssig mit der Abtriebswelle 14, 17 verbunden ist, zugleich aber in axialer Richtung frei beweglich und in gewissem Umfang kardanisch in der Zahnpaarung 15, 16 bewegt werden kann. Die Klemmfläche 28 der Klemmscheibe 13 ist leicht plankegelig ausgeführt, dergestalt, daß am kleinen Durchmesser an der Verzahnung 16 die Scheibe 13 ihre größte Stärke bzw. Breite aufweist und zum Außendurch­ messer hin kontinuierlich schmaler wird.

Zwischen den beiden Klemmscheiben 12, 13 ist der Rollen­ käfig 5 berührungsfrei zu den Klemmscheiben 12, 13 ange­ ordnet. Dieses wird dadurch erreicht, daß die Breite des Rollenkäfigs 5 geringer ist als die Länge der Stahlrollen 7 die in den Führungsbahnen 6, 6 a, 6 b des Rollenkäfigs 5 gelagert sind. Über ein Axiallager 23, 29 wird die Klemm­ scheibe 13 axial einseitig derart belastet, daß auf Grund der kegeligen Klemmfläche 28 nur im Klemmbereich "x" die Stahlrollen 7 axial gegen die plane Klemmfläche 30 der Klemmscheibe 12 gedrückt und damit zwischen die beiden Klemmscheiben 12, 13 verspannt werden. Außerhalb des Klemmbereiches "x" können sich die Stahlrollen 7 im Rollenkäfig 5 kräftefrei bewegen, weil sich ein Axial­ spalt "s" einstellt, der um 180° versetzt zum Klemmbereich x seinen größten Wert erreicht.

Mindestens jeweils eine Klemmscheibe 13 des Klemmschei­ benpaares 12, 13 ist auf der gemeinsamen Welle 14 karda­ nisch und zugleich drehkraftschlüssig gelagert und auf der Klemmfläche 28 leicht plankegelig ausgebildet. Die Klemm­ fläche 28 ist verschleißfest oberflächenvergütet, während das Grundmaterial der Klemmscheibe 13 eine gewisse Druck­ elastizität aufweist. Damit kann durch die Wahl des Kegel­ winkels zugleich die wirksame Breite des Klemmbereiches "x" festgelegt werden.

Die einseitige Belastung des Axiallagers 23, 29 wird mit­ tels eines Servokolbens 24 erzeugt, der im Gehäuse 1 a über die Kanäle 26, 27 und dem Zylinderraum 25 mit einem Druck­ medium beaufschlagbar ist.

Wirkungsweise

Bei Drehung der Antriebswelle 2 mit dem Zahnrad 4 werden die Stahlrollen 7 in die geradlinige Führung 6 des Rollen­ käfigs 5 geschoben und über die Kanalerweiterung 9, der Bogenführung 6 a und der Führung 6 b wieder dem Zahnrad 4 zugeführt. Dadurch erfolgt ein endloser Umlauf der Stahl­ rollen 7 im Rollenkäfig 5, wobei sich die Umlaufgeschwin­ digkeit genau proportional der Drehzahl der Antriebswelle 2 verhält.

Wird nun der Servokolben 24 über die Anschlußkanäle 26, 27 und dem Zylinderraum 25 mit einem Druckmedium beaufschlagt, wird hierdurch eine einseitige Druckkraft in axialer Rich­ tung über das Axiallager 23, 29 auf die Klemmscheibe 13 ausgeübt, die eine Verspannung der Stahlrollen 7 mit der Klemmscheibe 12 im Klemmbereich "x" bewirkt. Die Abstützung der Klemmscheibe 12 gegen das Gehäuse 1 wird vom Axiallager 22 aufgenommen.

Wird durch eine Erhöhung des Servodruckes auf den Kolben 24 der auf die Stahlrollen 7 wirkende Klemmdruck zwischen den beiden Klemmscheiben 12, 13 so groß, daß der Schlupf zwischen den Klemmflächen 28, 30 teilweise oder vollstän­ dig überwunden wird, dann beginnt die Abtriebswelle 17 sich zu drehen. Bei schlupffreiem Antrieb betragen die Ver­ spannungskräfte auf die Stahlrollen 7 ein Vielfaches des zu übertragenden Schubmomentes.

Durch die kardanische Aufhängung der Klemmscheibe 13 in der Bogenzahnkupplung 15, 16 einerseits und bedingt durch die plankegelige Ausführung der Klemmfläche 28 andererseits läuft die Klemmscheibe 13 nicht achsparallel bzw. rechtwin­ kelig zur Abtriebswelle 17, 14, 21 um, sondern mit einer Winkelabweichung, die der der kegeligen Planfläche 28 entspricht.

Das gewünschte Übersetzungsverhältnis zwischen Antriebs­ welle 2 und der Abtriebswelle 17 kann bei allen Betriebs­ bedingungen vorgewählt bzw. eingestellt werden, indem der Rollenkäfig 5 schwenkbar um die Antriebswelle 2 in Rich­ tung V- oder V+ verstellt wird, wobei V- eine Absenkung und V+ eine Anhebung der Abtriebsdrehzahl bedeuten. Es versteht sich, daß die Drehzahlverstellung über den Ver­ stellzapfen 11 manuell oder vollautomatisch in Abhängig­ keit von Motorkenndaten und Betriebsbedingungen erfolgen kann, durch den Einsatz von elektrischen, pneumatischen oder hydraulischen Servoeinheiten.

Im Klemmbereich "x" und in Drehrichtung etwas darüber hin­ ausgehend, hat die Führungsbahn im Rollenkäfig 5 zwischen der geradlinigen Führung 6 und der Bogenführung 6 a eine Erweiterung 9. Die Erweiterung 9 ist notwendig, damit sich die Rollen 7 im Klemmbereich "x" dem jeweiligen Kurvenra­ dius anpassen können und dadurch zwischen der maximalen Übersetzung V+ und der minimalen Übersetzung V- keine ra­ dialen Verspannungen der Rollen 7 auf die Führungsbahn und damit auf den Rollenkäfig 5 wirksam werden. Ferner wird durch die Kanalerweiterung 9 bewirkt, daß bei einer Drehzahlverstellung "unter Last" die Schwenkkräfte von V- zu V+ und umgekehrt über den Verstellzapfen 11 klein gehal­ ten werden können.

Durch die geradlinige Führung 6 im Schub-Last-Bereich, also vom Antriebszahnrad 4 bis zum Klemmbereich "x", werden keine seitlichen Abstützkräfte auf den Rollenkäfig 5 über­ tragen. Die übrigen Führungsbahnen 6 a, 6 b dienen lediglich der kräftefreien Rückführung der Stahlrollen 7 zum Antriebs­ rad 4. Dadurch kann die Verlustleistung einmal im Schub-Last- Bereich klein gehalten werden und zum anderen erfolgt im Klemmbereich "x" bei der Momentenübertragung von den Stahl­ rollen 7 auf die Klemmscheiben 12, 13 keine Abwälzung, so daß ein sehr guter Gesamtwirkungsgrad des Getriebes erreicht wird.

Die Stahlrollen 7, die auch eine andere als die zylindrische Form aufweisen und/oder auch gelenkig miteinander verbun­ den sein können, laufen im Führungskanal 6, 6 a, 6 b ölge­ schmiert um, so daß auch der Verschleiß, insbesondere der bei der Zuschaltung der hydraulischen Klemmung während des Betriebes, vernachlässigt werden kann.

Zur Übertragung größerer Momente und Leistungen wird vor­ zugsweise auch die Klemmscheibe 12, analog der Klemmschei­ be 13 kardanisch auf die Abtriebswelle 17 aufgesteckt und der Klemmdruck über bekannte hydrostatische Lager auf jede Klemmscheibe 12, 13 im Klemmbereich "x" gegeneinander wirken erzeugt. Zur Erhöhung der spezifischen Druckbe­ lastung auf die Stahlrollen 7 wird dann auch analog der Klemmscheibe 13, die Planfläche 30 der Klemmscheibe 12 plankegelig ausgeführt.

Bei Getrieben kleinerer Leistung, die betriebsbedingt keine Zu- und Abschalteinrichtungen benötigen, werden anstelle des Servokolbens 24 Federelemente zur Erzeugung der Klemmkraft eingesetzt.

Im Bedarfsfall kann die Drehrichtung des Erfindungsgegen­ standes nach Fig. 1 auch umgekehrt werden, mit der Folge, daß der Antrieb über die Welle 17 und den Klemmscheiben 12, 13 erfolgt und der Abtrieb über die Zahnradwelle 4, 2.

Während in Fig. 1 ein Klemmscheibengetriebe mit einer einseitigen Verstellung wiedergegeben ist, zeigt Fig. 3 ein Klemmscheibengetriebe mit beidseitiger Verstellung. Hier sind sowohl der Antrieb mit der Klemmscheibenpaarung 104, 104 a als auch der Abtrieb mit der Klemmscheibenpaarung 112, 113 analog der Anordnung gemäß Fig. 2 ausgeführt.

Der zwischen den Klemmscheibenpaaren 104, 104 a und 112, 113 angeordnete Rollenkäfig 105 ist durch eine Halterung 119 schwenkbar um die Achse "R" gelagert; die gewünschte Über­ setzung in Richtung V- bzw. V+ kann über den Verstellzap­ fen 111 vorgewählt werden. Es versteht sich, daß die Füh­ rungsbahn 106 im Rollenkäfig 105 sowohl im Antrieb als auch im Abtrieb jeweils in den Klemmbereichen "x" eine Kanalerweiterung 9 analog Fig. 1 aufweisen. Beide Klemm­ scheibenpaare 104, 104 a; 112, 113 sind völlig analog dem vorstehend, an Hand der Fig. 1 und 2 beschriebenen ein­ seitigen Verstellgetriebe ausgebildet:

Auf der Antriebsseite mit dem Klemmscheibenpaar 104, 104 a ist auf einem Zapfen 102 a eine Bogenaußenverzahnung 115 a vorhanden, auf die eine Klemmscheibe 104 a mit einer Innen­ verzahnung 116 a aufgesteckt ist. Der Zapfen 102 entspricht dem Zapfen 21 des Radiallagers 20.

Auf der Abtriebsseite mit dem Klemmscheibenpaar 112, 113 ist auf einem Zapfen 114 eine Bogenaußenverzahnung 115 vorhanden, auf die eine Klemmscheibe 113 mit ihrer Innen­ verzahnung 116 aufgesteckt ist. Der Zapfen 121 entspricht wieder dem Zapfen 21 des Radiallagers 20.

Das Übersetzungsverhältnis kann bei einseitiger Verstel­ lung bis ca. 4 : 1, bei beidseitiger Verstellung bis ca. 16 : 1 betragen.

Claims (6)

1. Stufenlos verstellbares Klemmscheibengetriebe, bestehend aus einer treibenden und/oder einer getriebenen Welle, mindestens einem in Drehrichtung drehkraftschlüssig mit der Welle verbundenen Klemmscheibenpaar, wobei minde­ stens eine Klemmfläche leicht plankegelig ausgeführt und mindestens eine Klemmscheibe um einen kleinen Winkel gegenüber der Welle kippbar gelagert ist, einer zwischen dem Klemmscheibenpaar umlaufenden, momentübertragenden Umlaufeinrichtung und einer Verspanneinrichtung, die durch Kippen der kippbaren Klemmscheibe eine Verspan­ nung des Klemmscheibenpaares bewirkt, das in einem Klemmbereich seinen kleinsten parallelen Axialspalt aufweist, was eine Verklemmung der Umlaufeinrichtung bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Klemmscheibe (13) auf der Welle (17, 14) mittels einer Bogenzahnkupplung (15, 16) kardanisch gelagert ist, zwischen den beiden Klemmscheiben (12, 13) ein Rollenkäfig (5) berührungsfrei angeordnet ist, der Rollenkäfig (5) auf der Antriebswelle (2) einseitig gehaltert und zugleich um diese schwenkbar gelagert ist und der endlose Führungskanal (6) des Rollenkäfigs (5) im Klemmbereich (x) eine Kanalerweiterung (9) aufweist.

2. Klemmscheibengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungskanal (6) des Rollen­ käfigs (5) mit lose aneinandergefügten Stahlrollen (7) gefüllt ist, die Stahlrollen (7) in ihren Abmes­ sungen etwas länger gehalten sind als die Breite des Rollenkäfigs (5), die Rollen (7) in ihrem Mittelteil (7 a) zylindrisch freigedreht sind und daß ein auf der Antriebswelle (2) befestigtes Zahnrad (4) mit den Stahlrollen (7) kraftschlüssig im Zahneingriff steht.

3. Klemmscheibengetriebe nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmscheiben (12, 13) nur im Klemmbereich (x) über Axiallager (23, 24) mittels mechanischer oder hydraulischer Verspanneinrichtungen verspannbar sind, indem durch mindestens einen, einseitig wirkenden Servokolben (24) oder durch beidseitig ange­ ordnete hydraulische Axiallager die Verspannungskräfte stufenlos vorwählbar sind.

4. Klemmscheibengetriebe nach den Ansprüchen 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Führungskanal (6) des Rollenkäfigs (5) im Schub-Last-Bereich zwischen dem Antriebsteil und dem Klemmbereich (x) geradlinig aus­ geführt ist.

5. Klemmscheibengetriebe nach den Ansprüchen 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Drehzahl- und Drehmoment­ einstellung des Abtriebes durch Schwenken des Rollen­ käfigs (5) erfolgt und die Verstellung kräftearm so­ wohl unter Last als auch im Stillstand durch geeignete elektrische, hydraulische oder pneumatische Verstell­ motoren manuell oder vollautomatisch erfolgt.

6. Klemmscheibengetriebe nach den Ansprüchen 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß bei einem mit beiderseitiger Verstellung ausgeführten Verstellgetriebe, Antrieb und Abtrieb mit je einem Klemmscheibenpaar (104, 104 a; 112, 113) ausgerüstet sind und daß der Rollenkäfig (105) zwischen Antriebswelle (102) und Abtriebswel­ le (121) derart schwenkbar gelagert ist, daß bei einer Verstellung jeweils ein gegensinniger Klemmradius an den Klemmscheibenpaaren (104, 104 a; 112, 113) wirksam wird.