DE3739723C1

DE3739723C1 - Differential gear mechanism with an infinitely variable transmission ratio

Info

Publication number: DE3739723C1
Application number: DE19873739723
Authority: DE
Inventors: Ernst Guthmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-11-24
Filing date: 1987-11-24
Publication date: 1989-06-22

Description

Die Erfindung betrifft ein Differential-Zahnradgetriebe mit stufenlos änderbarem Übersetzungsverhältnis, bei dem eine An triebswelle ein Antriebszahnrad treibt, das in einem Trabanten zahnrad kämmt, das an einem rechtwinkelig an einer Abtriebswelle sitzenden Trabantenträger drehbar gelagert ist und ein Ausgleichs zahnrad kämmend treibt, das koaxial zur Abtriebswelle drehbar gelagert ist und dem eine Brems- bzw. Verzögerungseinrichtung zugeordnet ist.

Es ist hier ein Ausgleichs- bzw. Differentialgetriebe vorgesehen. Wenn das Ausgleichszahnrad völlig ungebremst ist, so kann es sich beliebig drehen. Eine Drehung des Antriebszahnrades wird eine Drehung des Trabantenzahnrades an dem Trabantenträger und damit eine Drehung des Ausgleichszahnrades veranlassen, insbesondere dann, wenn die Abtriebswelle belastet ist. Wenn das Ausgleichs zahnrad festgehalten wird, so rollt bei Drehung des Antriebs zahnrades das Trabantenzahnrad am Ausgleichszahnrad ab, so daß es samt dem Trabantenträger um die Abtriebswelle kreist, wobei der Trabantenträger die Abtriebswelle zur Drehung mitnimmt. Wenn die Bremsung des Ausgleichszahnrades eine gewisse reduzierte Dre hung des Ausgleichszahnrades zuläßt, so wird das Trabantenzahnrad in einem entsprechend geringen Ausmaß kreisen, was einer entspre chend geringen Drehzahl der Abtriebswelle entspricht. Mit zuneh mender Bremsung des Ausgleichszahnrades wird sich die Drehzahl der Abtriebswelle der Drehzahl der Antriebswelle annähern.

Bei einem bekannten (AT-PS 2 12 653, GB-PS 15 21 989) Differen tial-Zahnradgetriebe der eingangs genannten Art ist die Brems bzw. Verzögerungseinrichtung als Reibungsbremse in Form einer mechanischen Bandbremse oder einer Viskosebremse ausgebildet. Dabei treten jedoch erhebliche Kühlschwierigkeiten auf, da stän dig eine mehr oder weniger starke Bremsung erfolgt. Es ist auch eine pneumatische oder hydraulische Bremsung denkbar, bei der das Ausgleichszahnrad Kolben in Zylindern verschiebt, wodurch pneumatisches oder hydraulisches Fluidum durch verstellbare Ven tile gedrückt wird. Auch hierbei sind erhebliche Kühleinrichtun gen nötig.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Differential-Zahnradge triebe der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Brems- bzw. Verzögerungseinrichtung eine verringerte Wärmeentwicklung auf weist.

Die Erfindung besteht darin, daß die Brems- bzw. Ver zögerungseinrichtung gebildet ist von mindestens zwei Freiläufen, die mit einem gemeinsamen Innenring am Ausgleichszahnrad sitzen, die bei einer der Drehrichtung des Ausgleichszahnrades voreilen den Drehung eines jeweiligen Außenzahnkranzes öffen und deren Außenzahnkranz jeweils in einer Zahnstange kämmt, deren freies Ende um 180° gegeneinander versetzt sowie rundum kreisend an einem exzentrisch angeordneten Laufring geführt sind, der mittels einer Feder aus einer konzentrischen Stellung in die exzentrische Stel lung gedrückt ist.

Diese Brems- und Verzögerungseinrichtung arbeitet ohne erhebliche Wärmeentwicklung und bedarf insoweit auch keiner Kühleinrichtun gen. Der exzentrisch angeordnete Laufring verhindert eine Drehung des Ausgleichszahnrades, solange das Antriebsmoment das Lastmo ment überwindet. Sobald das Lastmoment soweit anwächst, daß es vom Antriebsmoment nicht oder nur schwer Überwunden werden kann, versucht das Antriebsmoment das Ausgleichszahnrad zu drehen, das sich nur insoweit drehen läßt, als der Laufring gegen die Kraft der Feder aus der exzentrischen in die konzentrische Lage zurück gebracht wird.

Die Brems- bzw. Verzögerungseinrichtung ist also gebildet von einer Feder, deren Kraft über die sperrend laufenden Freiläufe auf das Ausgleichszahnrad bremsend bzw. verzögernd wirkt und de ren Spannung freien Lauf der Freiläufe und eine entsprechende Drehung des Ausgleichszahnrades bewirkt. Die Feder wirkt auf die Freiläufe derart ein, daß diese gesperrt sind und das Ausgleichs zahnrad festgehalten ist, so daß eine Drehung des Antriebszahn rades maximal auf die Abtriebswelle übertragen wird. Eine Kompri mierung der Feder gegen deren Kraft greift an den Freiläufen der art an, daß sie um ein entsprechendes Maß freilaufen, was eine entsprechende Drehung des Ausgleichszahnrades zur Folge hat, wo durch die Übertragung der Drehung des Antriebszahnrades auf die Abtriebswelle vermindert wird und sich ein Drehzahlübersetzungs verhältnis <1 ergibt.

Bei der Konstruktion des erfindungsgemäßen Zahnradgetriebes ist ausschließlich davon ausgegangen, grundsätzlich stufenlos Dreh zahlverhältnisse zwischen An- u. Abtrieb herbeizuführen im Still stand wie im Lauf des Getriebes. Die Differenzierung der Drehzah len des Getriebes wird gewährleistet und herbeigeführt dadurch, daß bei bestimmter Drehzahl des Antriebszahnrades das durch die Trabantenzahnräder sich zwangsläufig entgegengesetzt drehende Ausgleichszahnrad in der Drehzahl beliebig verzögert wird. Hierbei ist klar, daß die Drehzahldifferenz zum Antriebszahnrad aus der Verzögerung des Ausgleichszahnrades von den Trabantenzahnrädern übernommen wird und so der Trabantenträger in ein Drehzahlverhält nis zur Antriebswelle bringt. Die Verzögerung des Ausgleichszahn rades resultiert aus der Verschiebung der Laufringe aus der kon zentrischen in eine beliebige exzentrische Lage zur Mittellinie. Durch diese Verschiebung machen die an der Innenlauffläche des Laufringes geführten Zahnstangen die durch den Exzenter diktier te Relativbewegung, die zwangsläufig dann auf die Zahnräder des Ausgleichszahnrades übertragen wird. Das heißt also auch, daß bei konzentrischer Lage der Laufringe Leerlauf entsteht und das Getriebe keine Wirkung hat.

Bei nur zwei Freiläufen und Zahnstangen ergibt sich ein unrunder Lauf des Zahnradgetriebes. Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es daher, wenn zwei gegeneinander um 90° versetzte Paare von gegeneinander um 180° versetzten Zahnstangen vorgesehen sind und in Zahnkränzen von vier Freiläufen kämmen, wobei ein zweiter Lauf ring eine dem ersten Laufring entgegengesetzte exzentrische Stel lung einnimmt. Dies ergibt bei tragbarem Aufwand einen ausreichend runden Lauf. Wenn drei oder mehr Paare von Zahnstangen vorgesehen werden, dann ergibt sich ein unerwünscht großer Aufwand. Es werden in der Regel mindestens vier Zahnstangen samt Zubehör vorgesehen, um brauchbare Verhältnisse zu erreichen.

Die Freiläufe sind z.B. Ratschen, die jedoch sehr laut sind. Be sonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es daher, wenn die Frei läufe jeweils Rollenlager-Freiläufe sind. Diese Art von Freiläu fen ist leise und nur wenig abriebbehaftet. Die Freiläufe sind so dimensioniert, daß sie die maximal auftretenden Belastungen übertragen.

Bei vorgegebener Federkraft und vorgegebener maximaler exzentri scher Stellung der Laufringe arbeitet das erfindungsgemäße Zahn radgetriebe mit automatisch dem Lastmoment sich anpassendem Über setzungsverhältnis. Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es, wenn ein Anschlag, gegen den der Laufring in exzentrischer Stel lung gefahren ist, mittels einer von Hand bedienbaren Stellein richtung in radialer Richtung verstellbar ist. Durch diese Hand verstellbarkeit können beliebige Drehzahlverhältnisse eingestellt werden.

Das erfindungsgemäße Zahnradgetriebe ist im gesamten Maschinenbau anwendbar. Ein Drehautomat könnte z.B. ohne Schaltzeitverluste Stücke bearbeiten, die Durchmesser von 30 mm-300 mm in einem Arbeitsgang beinhalten. Die hier erforderlichen Schnittgeschwin digkeiten würden stetig veränderbare Drehzahlen notwendig machen. Das erfindungsgemäße Zahnradgetriebe macht bei gleicher Zähnezahl von Trabanten-, Antriebs- und Ausgleichszahnrad Untersetzungsver hältnisse von 50:1 bis 1:1 möglich.

In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt eines Zahnradgetriebes mit änder barem Übersetzungsverhältnis,

Fig. 2 einen Schnitt gemäß Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt gemäß Linie III-III in Fig. 1,

Fig. 4 einen Schnitt des Zahnradgetriebes gemäß Linie IV-IV in Fig. 5 und

Fig. 5 einen Schnitt gemäß Linie V-V in Fig. 4.

Das Zahnradgetriebe gemäß Zeichnung besitzt eine Antriebswelle 1, die in einem Lager 2 drehbar ist und ein Kegel-Antriebszahnrad 3 trägt und dreht. Koaxial zur Antriebswelle 1 ist eine Abtriebs welle 4 vorgesehen, die einerseits mittels eines Lagers 5 im An triebszahnrad drehbar gelagert ist und auf der mittels eines La gers 6 ein Kegel-Ausgleichszahnrad 7 drehbar ist, das mit Abstand vom Antriebszahnrad angeordnet ist und die gleiche Anzahl von Zähnen aufweist wie das Antriebszahnrad. Das Antriebszahnrad 1 kämmt in zwei Kegel-Trabantenzahnrädern 8, 9, die ihrerseits in dem Ausgleichszahnrad 7 kämmen. Die beiden Trabantenzahnräder 8, 9 weisen untereinander die gleiche Zähnezahl auf und relativ zur Zähnezahl des Antriebs- und des Ausgleichszahnrades eine beilie bige Zähnezahl auf. Die beiden Trabantenzahnräder sind auf einem Trabantenträger 10 drehbar gelagert, der seinerseits mittig auf der Abtriebswelle 4 festsitzt.

Der Trabantenträger 10 ist auf der Abtriebswelle 4 mittels einer Mutter und einer Kontermutter gegen einen Flansch der Abtriebs welle gepreßt. Die Antriebswelle 1 und die Abtriebswelle 4 sind in einem nicht gezeigten Maschinengehäuse abgestützt.

Wenn das Antriebszahnrad 3 getrieben ist und der Trabantenträger 10 nicht um die Abtriebswelle 4 rotieren kann, so dreht sich das Ausgleichszahnrad 7 entgegengesetzt zum Antriebszahnrad. Wenn man das Ausgleichszahnrad 7 festhält, dann rollen bei Antrieb des An triebszahnrades 3 die Trabantenzahnräder 8, 9 am Ausgleichszahn rad 7. Die Trabantenzahnräder 8, 9 können sich um ihre eigene Achse nur drehen, wenn sie um das festgehaltene Ausgleichszahn rad 7 herum laufen. Wenn die Trabantenzahnräder 8, 9 derart krei sen, dann dreht sich die Abtriebswelle 4, und zwar in der gleichen Drehrichtung wie die Antriebswelle 1. Wenn das Kreisen der Tra bantenzahnräder 8, 9 verhindert wird, z.B. durch Festhalten der Abtriebswelle 4, dann dreht sich das Ausgleichszahnrad 7 entge gengesetzt zum Antriebszahnrad 1. Man kann das Ausgleichszahnrad 7 abbremsen bzw. verzögern; dann fangen die Trabantenräder 8, 9 an zu kreisen und die Abtriebswelle 4 fängt an sich zu drehen. Je stärker das Ausgleichszahnrad 7 verzögert wird, desto schneller dreht sich die Abtriebswelle 4.

Neben der bisher beschriebenen Einrichtung ist auf der Abtriebs welle 4 eine Brems- bzw. Verzögerungseinrichtung 28 vorgesehen, die auf das Ausgleichszahnrad 7 einwirkt. Es setzt sich das Ausgleichs zahnrad 7 mit einer Nabe 11 entlang der Abtriebswelle 4 fort, wo bei die Nabe gegenüber der Abtriebswelle 4 mit Spiel drehbar ist. Die Nabe 11 ist Bestandteil von vier nebeneinander angeordneten Freiläufen 12, 13, 14, 15, die jeweils in gleicher Drehrichtung freilaufen oder sperren. Jeder Freilauf bildet radial nach außen einen Zahnkranz 29.

Jeder der vier Zahnkränze 29 kämmt in einer von vier Zahnstangen 16, 17, 18, 19. Je zwei Zahnstangen 16, 17 bzw. 18, 19 sind paral lel zueinander angeordnet und das eine Paar von Zahnstangen ist rechtwinkelig zu dem anderen Paar von Zahnstangen. Die Zahnstangen 16, 17 bzw. 18, 19 sind in einem rechteckigen Gehäuse 20 verschieb bar gelagert, das auf der Nabe 11 drehbar gelagert ist. Das eine Ende jeder Zahnstange ist über eine Druckfeder 21 gegen das Ge häuse abgestützt. Jede Zahnstange trägt an einem Ende ein Kugel lager 22, mit dem sie an einem Laufring 23, 24 entlanggleitet. Jeder Laufring 23, 24 ist an einer Halbschale 25, 26 befestigt, wobei die beiden Halbschalen um 180° gegeneinander versetzt sind. Die beiden Halbschalen 25, 26 werden durch zwei Druckfedern 27 auseinandergedrückt, die beiderseits der Abtriebswelle 4 angeord net sind. Wenn die beiden Laufringe 23, 24 konzentrisch angeord net sind, dann kann sich das Ausgleichszahnrad 7 ungehindert dre hen, d.h. die beiden Trabantenzahnräder 8, 9 kreisen nicht und die Abtriebswelle 4 wird nicht gedreht; es herrscht Leerlauf.

Das Gehäuse 20 ist unabhängig vom Ausgleichszahnrad 7 und wird über die sperrenden Freiläufe 12, 13, 14, 15 mittels der Zahn stangen 16, 17, 18, 19 in Drehung versetzt. Das Gehäuse 20 besteht aus einem Gehäuseblock 30 und zwei Gehäusedeckeln 31. Jede Zahn stange ist in einem Kanal des Gehäuses 20 an vier Seiten gleitend geführt. Jeder dieser führenden Kanäle ist zu einem der Zahnkrän ze 29 hin offen, von denen jeder in der zugeordneten Zahnstange kämmt. Jede Zahnstange wird mittels der zugehörigen Druckfeder 21 und aufgrund Zentrifugalkraft in Anlage an den Laufring 23, 24 gehalten.

Die beiden Halbschalen 25, 26 werden immer gegenläufig verschoben; d.h. wenn die eine Halbschale nach außen geht, dann geht auch die andere nach außen. Die beiden Laufringe 23, 24 bewegen sich mit den beiden Halbschalen 25, 26, z.B. radial nach außen in eine ex zentrische Stellung. Bei exzentrischer Stellung der beiden Lauf ringe 23, 24 bewegen sich die Zahnstangen 16, 17, 18, 19 in ihrer Längsrichtung hin und her, während sie kreisen. Bei exzentrischer Einstellung der Laufringe 23, 24 können die Zahnstangen nur inso weit kreisen, als sie sich hin- und herbewegen können. Wenn die Zahnstangen kreisen, dann wälzen sich die Kugellager 23 an den Laufringen 23, 24 ab.

Die beiden parallelen Zahnstangen 16, 17 bzw. 18, 19 jedes Paares verschieben sich bei Rotation nicht synchron. Wenn die vier Frei läufe 12, 13, 14, 15 frei laufen, dann bleibt das Gehäuse 20 stehen. Wenn die Laufringe 23, 24 konzentrisch zueinander ange ordnet sind und das Ausgleichszahnrad 7 sich dreht, so sind die Freiläufe gesperrt; bei normaler Drehung des Ausgleichszahnrades sind alle vier Freiläufe gesperrt. Die Federn 27 müssen so stark sein, daß sie das an der Abtriebswelle 4 wirkende Lastmoment über winden. In dem nach außen geschobenen Bereich der exzentrisch an geordneten Laufringe 23, 24 machen die Zahnstangen eine Bewegung nach außen, wobei sich den jeweils zugeordneten Freilauf öffnen, so daß sie sich frei nach außen bewegen können. In dem Maß, in dem die exzentrisch angeordneten Laufringe 23, 24 die Zahnstangen nachzuschieben bestrebt sind, in dem Maß klemmt der jeweils zu geordnete Freilauf. Die Bewegungungen der vier Zahnstangen 16, 17, 18, 19 überlappen sich pro Umdrehung. Die Freiläufe bewirken die Verzögerung des Ausgleichszahnrades 7.

Es ist auch eine Stelleinrichtung 32 vorgesehen, indem die bei den Halbschalen 25, 26 mit einem Schlitz auf einer Führungsleiste 33 verschiebbar sind, die an einer mittigen Nabe 34 angebracht ist, die mittels eines Kugellagers 35 auf der Abtriebswelle 4 ge lagert ist. Symmetrisch zu der Abtriebswelle 4 sind zwei hebel armartige Anschläge 36 jeweils um eine Achse 37 schwenkbar vorge sehen, die an einem Teller 38 sitzt, der in axialer Richtung hin- und herverschiebbar ist. Je ein an der Führungsleiste 38 sitzen der Arm greift in ein Langloch des hebelarmartigen Anschlages 36 verschieblich ein. An jeder Halbschale 25, 26 sitzt ein Steuer segment 40, das radial von innen gegen den zugeordneten Anschlag 36 drückt. Wenn die Halbschalen 25, 26 in exzentrische Stellung auseinanderbewegt werden, werden die Anschläge 36 in eine Schräg lage geschwenkt, wobei sich der Teller 38 axial verschiebt. Diese Verschiebung des Tellers 38 ist begrenzt durch einen Nocken 41, der mittels eines Handhebels 42 in verschiedene Stellungen ver schwenbar ist. Der Handhebel 42 ist an einem Deckel 43 des Ge triebegehäuses gelagert, der auch ein Lager 44 für die Nabe 34 und ein Lager 45 für die Abtriebswelle 4 aufweist.

Hervorzuheben ist, daß bei Gleichlauf von Antrieb und Abtrieb das Ausgleichszahnrad, die Trabantenzahnräder und die Zahnstangen sich, ohne ineinander abzurollen, ebenso drehen wie das Antriebsrad. Erst eine Erhöhung des Lastmoments auf der Abtriebseite und der hieraus resultierende Wegfall des Gleichlaufes bewirkt das Abrol len der Zahnräder und Zahnstangen und damit auch die Verzögerung des Ausgleichszahnrades. Die Federkraft auf die exzentrischen Halbschalen muß bei Gleichlauf identisch sein mit der Antriebs kraft und dem Lastmoment auf der Abtriebsseite. Steigert sich das Lastmoment, so verringert sich die exzentrische Lage durch erhöh ten Druck des Ausgleichszahnrades über die Zahnstangen gegen die Laufringe. Je größer also das Lastmoment ist, desto kleiner wird zwangsläufig die Exzenterstellung und unterschiedlicher wird das Drehzahlverhältnis Antrieb - Antrieb. Die Verzögerungseinrichtung arbeitet auch dann, wenn die Laufringe in exzentrischer Stellung fixiert sind. In diesem Falle erfolgt die Verzögerung lediglich bis zu jenem Drehzahlverhältnis, das durch diese fixierte Exzen terstellung bestimmt ist.

Claims

1. Differential-Zahnradgetriebe mit stufenlos änderbarem Über setzungsverhältnis, bei dem eine Antriebswelle ein Antriebszahnrad treibt, das in einem Trabantenzahnrad kämmt, das an einem rechtwinkelig an einer Antriebswelle sitzenden Trabantenträger drehbar gela gert ist und ein Ausgleichszahnrad kämmend treibt, das ko axial zur Antriebswelle drehbar gelagert ist und dem eine Brems- bzw. Verzögerungseinrichtung zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Brems- bzw. Verzögerungseinrichtung (28) gebildet ist von mindestens zwei Freiläufen (12, 13, 14, 15), die mit einem gemeinsamen Innenring am Ausgleichszahnrad (7) sitzen, die bei einer der Drehrichtung des Ausgleichszahnrades voreilen den Drehung eines jeweiligen Außenzahnkranzes (29) öffnen und deren Außenzahnkranz (29) jeweils in einer Zahnstange (16, 17, 18, 19) kämmt, deren freien Enden um 180° gegeneinander ver setzt sowie rundum kreisend an einem exzentrisch angeordneten Laufring (23, 24) geführt sind, der mittels einer Feder (27) aus einer konzentrischen Stellung in die exzentrische Stel lung gedrückt ist.

2. Zahnradgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gegeneinander um 90° versetzte Paare von gegeneinander um 180° versetzten Zahnstangen (16, 17, 18, 19) vorgesehen sind und in Zahnkränzen (29) von vier Freiläufen (12, 13, 14, 15) kämmen, wobei ein zweiter Laufring eine dem ersten Lauf ring entgegengesetzte exzentrische Stellung einnimmt.

3. Zahnradgetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Freiläufe (12, 13, 14, 15) jeweils Rollenlager- Freiläufe sind.

4. Zahnradgetriebe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Anschlag (36), gegen den der Laufring (23, 24) in exzentrischer Stellung gefahren ist, mittels einer von Hand (42) bedienbaren Stelleinrichtung (32) in radialer Rich tung verstellbar ist.