DE3913588A1 - Stufenlos regelbares flachriemenuebersetzungsgetriebe mit einer geschwindigkeitssteuerung - Google Patents
Stufenlos regelbares flachriemenuebersetzungsgetriebe mit einer geschwindigkeitssteuerungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich stufenlos re
gelbarer Übersetzungsgetriebe (CVT) und insbesondere ein
Flachriemenübersetzungsgetriebe mit einer Geschwindigkeits
steuerung.
Stufenlos regelbare Übersetzungsgetriebe der Klasse, die
weitgehend dadurch charakterisierbar ist, daß ein Riemen ein
Paar von Riemenscheiben verbindet, welche jede einen mehr
oder weniger stufenlosen Bereich effektiver Durchmesser an
nehmen können, fallen grundsätzlich in zwei Kategorien, näm
lich:
- a) solche, bei denen V-Riemen oder Variationen davon (bei spielsweise Gliederriemen oder Ketten) zur Übertragung der Kraft von einer Riemenscheibe zur anderen verwendet werden, und
- b) Systeme, bei welchen flache, flexible Riemen zwischen den Riemenscheiben mit veränderlichem Durchmesser verwendet wer den.
In der Fachwelt werden CVT′s bevorzugt, welche flache, flexi
ble Riemen verwenden und signifikante und fundamentale Vor
teile gegenüber solche Systemen aufweisen, die V-Riemen ver
wenden. Im Falle der letzteren werden die Riemen auf unter
schiedliche Weise hergestellt und haben einen trapezförmigen
Querschnitt, der Riemen überträgt die Drehbewegung mit einer
Geschwindigkeit von einer Kraftquelle (wie einer Maschine
oder einem Motor) zu einer Ausgangswelle mit einer anderen
Geschwindigkeit, wobei das Geschwindigkeitsverhältnis in ei
ner kontinuierlichen Weise in Abhängigkeit von der Geometrie
des Riemens und Riemenscheibensystems von einem Minimum zu
einem Maximum variiert wird. Der V-Riemen wird zwischen wei
chen, konischen Scheibenbereichen in jeder der zwei Riemen
scheiben durch äußere Axialkräfte komprimiert, welche in den
Bereichen wirken, um Spannnung oder Kompression auf den Rie
men auszuüben und Reibung zwischen den Seiten des Riemens in
den Scheibenbereichen zu erzeugen, um einem Durchrutschen
vorzubeugen. Im Betrieb tritt ein Kraftungleichgewicht auf,
welches durch Änderungen in der axialen Belastung der Schei
benbereiche begründet ist und bewirkt, daß der V-Riemen seine
radiale Position in den zwei Riemenscheiben verändert, bis
ein Kraftgleichgewicht oder ein Bereichsbegrenzungsanschlag
erreicht ist.
Bei einem hohen übertragenden Drehmoment resultieren die er
forderlichen Axialkräfte, welche auf die Scheiben ausgeübt
werden, in große Druckkräfte auf den V-Riemen, wodurch erfor
derlich ist, daß der Riemen eine entsprechende Dicke auf
weist, um seinen axialen Zusammenbruch oder Fehler zu vermei
den. Diese Dickenerhöhung erhöht auch die Zentrifugalkräfte
des Riemens und somit die Spannungsbelastung des Riemens. Zu
sätzlich muß bei Erhöhung der Riemendicke die Riemen
scheibengröße aufgrund der höheren Belastungsbeanspruchung
und einem gegebenen konstruktionsbedingten minimalen Riemen
scheibenradius erhöht werden. Weiterhin muß der typische V-
Riemen ständig entgegen der kompressiven Scheibenbelastung
"herausgezogen" werden, um jede Riemenscheibe zu verlassen,
woraus erhebliche Reibungsverluste und Riemenermüdungen re
sultieren, welche die gesamte Effizienz des Systems und die
Betriebslebensdauer des Riemens beeinflussen. Konsequenter
weise, obwohl verschiedene Geschwindigkeitsriemenscheibenan
triebe in einem weiten Bereich von Anwendungen erfolgreich V-
Riemen angewendet haben, sind sie hinsichtlich ihrer Kraftfä
higkeiten für wettbewerbsfähige kleinere Ausführungen strikt
limitiert.
Als ein Ergebnis dieser dem Gebrauch von V-Riemen in stufen
los regelbaren Übersetzungsgetrieben eigenen Nachteile wurde
eine zweite Kategorie entwickelt, welche allgemein mit
Flachriemenantrieb mit stufenlos regelbarer Übertragung be
zeichnet werden kann. Wie der Namen schon sagt, werden
Flachriemen zwischen antreibenden und angetriebenen Riemen
scheibenvorrichtungen verwendet, welche in ihrem Durchmesser
dynamisch und individuell variabel sind, um die nachgesuchten
Verhältnisse zu erreichen. Keine axiale Bewegung zwischen den
beiden Riemenscheibenfelgen ist notwendig. Auf der anderen
Seite ist es notwendig, auf irgendeine Weise die Durchmesser
veränderungen der jeweiligen Riemenscheibenvorrichtung zu be
wirken, und in einem speziellen effektiven System wird diese
Funktion erreicht, indem ein Feld von Antriebselementen in
jeder Riemenscheibe veranlaßt wird, zusammenwirkend radial
ein- oder auswärts zu übersetzen, was angemessen sein kann,
um einen gegebenen effektiven Durchmesser der Riemenscheiben
vorrichtung zu erzielen. Variable Geschwindigkeitsflachrie
menübersetzungen dieses speziellen Typs und ihre dazugehörigen
Kontrollsystems sind in den folgenden Druckschriften offen
bart: US-PS 40 24 772, US-PS 42 95 836, US-PS 45 91 351 und US-PS
47 14 452, sowie den US-Patentanmeldungen 0 51 922, vom 19. Mai
1987, und 1 32 783, vom 14. Dezember 1987, alle von Emerson L.
Kumm. In allen außer der ersten genannten Patentschrift bein
halten die Hauptkomponenten der Riemenscheiben mit variablen
Durchmesser ein Paar von Riemenscheiben, welche dort eine
Reihe von Riemenantriebselementen aufspannen, welche simultan
sowohl radial als auch in Umfangsrichtung bewegt werden. In
einer beispielhaften Konstruktion ist eine Reihe von 24 Füh
rungsriemenelementen derart angeordnet, daß ein Winkel von
15° verbleibt, wodurch der Riemen von einem Riemenantriebs
element tangential abhebt im Vergleich zu dem direkt benach
barten Riemenantriebselement.
Jede Riemenscheibenvorrichtung umfaßt zwei Sätze von zwei
Scheiben (entsprechend bezeichnet als die innere Führungs
scheibe und die äußere Führungsscheibe in jedem Paar), welche
parallel zueinander liegen und wobei die inneren und äußeren
Führungsscheiben jedes Satzes direkt benachbart zueinander
angeordnet sind. Jede der Führungsscheiben eines benachbarten
Paares weist eine Serie von spiralförmigen Vertiefungen oder
Führungen auf, wobei die Führungen eines Paares in entgegen
gesetzter Richtung angeordnet sind, so daß die Enden der Rie
menantriebselemente in den Zwischenräumen der Spiralführungen
aufgenommen werden. Somit kann die radiale Einstellung der
Riemenantriebselemente erreicht werden, indem eine vorüberge
hende relative Drehbewegung zwischen der inneren und äußeren
Führungsscheibe erzeugt wird, um ihre Winkelbeziehungen zu
ändern, wobei dieser Betrieb natürlich simultan und koordi
niert an beiden Sätzen von Führungsscheiben der Riemenschei
benvorrichtung stattfindet.
Die Offenbarungen der oben benannten Patente und Patentanmel
dungen von E. L. Kumm umfassen Kontrollsysteme zur effektiven
Einstellung der Zwischenwinkelbeziehung zwischen den inneren
und äußeren Führungsscheiben einer jeden Riemenscheibenvor
richtung, wie sie in einer CVT verwendet werden, beispiels
weise in einer Anmeldung bzgl. einer automatischen Überset
zung für ein Fahrzeug. Der Fachmann wird begrüßen, daß die
extrem präzise Einstellung des Geschwindigkeitsverhältnisses
zwischen den Riemenscheibenvorrichtungen in einer solchen Um
gebung nicht benötigt wird und durch die Kontrollsysteme des
Standes der Technik auch nicht angegeben wird. Entsprechend
ist die manuelle Einstellung eines präzisen Geschwindigkeits
verhältnisses weder erforderlich noch erzielt.
Demgegenüber gibt es andere Anwendungen für CVTs, unter an
derem in Fahrzeugen, bei denen es sehr wünschenswert ist,
eine sehr präzise Einstellung des Geschwindigkeitsverhältnis
ses zu erzielen. Beispielsweise ist es in der sogenannten
Neutralkonfiguration eines Automatic-Übersetzungsgetriebes
für ein Fahrzeug notwendig, daß, unter bestimmten Bedingun
gen, das Geschwindigkeitsverhältnis auf einen sehr präzisen
Wert eingestellt und aufrechterhalten wird, da sonst ein
rückgekoppeltes Drehmoment in der Übersetzung aufgebaut wird
und einen Fehler der Zahnräder usw. bewirken kann. Als wei
teres Beispiel gibt es CVT-Anwendungen, die nicht für ein
Fahrzeug bestimmt sind, wie in angetriebenen Präzisionswerk
zeugen, bei denen es von Vorteil ist, die Möglichkeit zum ma
nuellen Anlassen zu haben, und anschließend ein eng definier
tes Geschwindigkeitsverhältnis sehr nahe aufrechterhalten
wird. Die aus dem Stand der Technik bekannten Kontrollsysteme
für Flachriemen-CVTs sind jedoch einfach nicht in der Lage,
das Geschwindigkeitsverhältnis in der für derartige Anwendun
gen notwendigen Präzision zu erreichen und/oder einzustellen,
so daß die Verwendung einer Flachriemen-CVT in derartigen An
wendungen deshalb ausgeschlossen wurde. Meine Erfindung ist
darauf gerichtet, eine sehr enge Kontrolle des Geschwindig
keitsverhältnisses in einem Flachriemen-CVT zu erzielen.
Es ist somit eine weitreichende Aufgabe meiner Erfindung,
eine verbesserte, stufenlos regelbare Flachriemenübertragung
bereit zu stellen.
Es ist eine weitere Aufgabe meiner Erfindung, eine solche
stufenlos regelbare Übertragung bereit zu stellen, die eine
Geschwindigkeitssteuerung zur sehr präzisen Einstellung und
Aufrechterhaltung des Geschwindigkeitsverhältnisses zwischen
antreibenden und angetriebenen Riemenscheibenvorrichtungen
aufweist.
Es ist eine weitere Aufgabe meiner Erfindung, eine solche Ge
schwindigkeitssteuerung bereit zu stellen, welche sowohl für
den manuellen als auch automatischen Betrieb anwendbar ist.
Es ist eine weitere Aufgabe meiner Erfindung, ein solches
System bereit zu stellen, welches vergleichsweise kompakt,
leicht, einfach und billig ist.
Kurz gesagt werden diese und andere Aufgaben meiner Erfindung
durch Bereitstellung eines Zahnradkontrollsystems in einer
Flachriemen-CVT des Typs, in welchem der effektive Durchmes
ser einer jeden Riemenscheibenvorrichtung erreicht wird, in
dem die Winkelbeziehungen zwischen Sätzen innerer und äußerer
Führungsscheiben mit logarithmischen Spiralen, welche im ent
gegengesetzten Sinne angeordnet sind und an ihren Schnitt
punkten Riemenantriebselemente aufweisen, eingestellt werden,
gelöst. Diese Sätze innerer und äußerer Führungsscheiben sind
über ein Planetengetriebesystem verbunden, welches eine Kom
ponente aufweist, die extern zur Einstellung der Winkelbezie
hung zwischen den Sätzen innerer und äußerer Führungsscheiben
bedient werden kann. Insbesondere sind die Sätze innerer und
äußerer Führungsscheiben mit axial ausgerichteten Sonnenrä
dern verbunden. Ein erstes Sonnenrad ist von einer Mehrzahl
von Sternrädern umgeben und mit diesen im Eingriff, deren
Wellen im Hinblick auf die Welle des ersten Sonnenrades
befestigt und positioniert sind. Ein zweites Sonnenrad ist
von einer Mehrzahl von Planetenrädern umgeben und mit diesen
im Eingriff, welche um das zweite Sonnenrad infolge ihrer La
gerung auf einem drehbaren Planetenträger umlaufen können.
Die Sternen- und Planetenräder sind jeweils im Eingriff mit
dem gleichen innenverzahnten Ring, und ein außenverzahnter
Ring auf dem Planetenträger ist im Eingriff mit einem
keitskontrollritzel, welche mit der von außen bedienbaren
Struktur verbunden ist. Für die antreibende Riemenscheiben
vorrichtung kann die von außen bedienbare Struktur einer
Handkurbel, ein Motor, ein Generator, eine Pumpe oder andere
je nach gegebener Umgebung entsprechende Vorrichtung. Für die
angetriebene Riemenscheibenvorrichtung kann die von außen be
dienbare Struktur eine Lastvorrichtung, wie ein Hydraulikmo
tor/-pumpe oder ein elektrischer Motor/Generator sein, welche
jeweils Rotationsenergie absorbieren oder liefern können. So
mit bewirkt das Drehen der Handkurbel einen Wechsel in der
Winkelbeziehung zwischen dem ersten und zweiten Sonnenrad
und, konsequenterweise zwischen den Sätzen innerer und äuße
rer Führungsscheiben der antreibenden Riemenscheibenvorrich
tung, um den effektiven Durchmesser der antreibenden Riemen
scheibenvorrichtung zu ändern. Die angetriebene Riemenschei
benvorrichtung unterliegt simultan einer Änderung des effek
tiven Durchmessers in der entgegengesetzten Richtung aufgrund
der festgelegten Länge des Flachriemens, welcher die Riemen
scheibenvorrichtungen verbindet, und dem festgelegten Abstand
zwischen deren Achsen. In einer bevorzugten Ausgestaltung,
welche insbesondere für kritische Anwendungen geeignet ist,
wird der Feinheitsgrad, mit welchem das Geschwindigkeitsver
hältnis zwischen der antreibenden und angetriebenen Riemen
scheibenvorrichtung eingestellt und aufrechterhalten werden
kann, dadurch erhöht, daß eine Getriebereduktionsvorrichtung
zwischen einem der Sonnenräder und dem Satz von Führungs
scheiben, mit welchen dieses verbunden ist, angeordnet ist.
Eine spezielle und geeignete Getriebereduktionsvorrichtung
zur Durchführung dieser Funktion ist ein harmonischer An
trieb. Weiterhin erlaubt die Verwendung des harmonischen An
triebs, daß die Drehmoment- und Kraftanforderungen der exter
nen Kontrolle größtenteils reduziert werden können.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Er
findung anhand der Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine antreibende und eine
angetriebene Riemenscheibenvorrichtung, ver
bunden durch einen Flachriemen, repräsentativ
für die Klasse einer erfindungsgemäßen CVT,
Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 ge
mäß Fig. 1 eines Riemenscheibenvorrichtungs
systems,
Fig. 3 eine teilweise geschnittene perspektivische
Ansicht einer Riemenscheibenvorrichtung, ins
besondere die Beziehung zwischen den inneren
und äußeren Führungsscheiben und Riemenan
triebselementkomponenten,
Fig. 4 eine vereinfachte Schnittansicht einer
Flachriemen-CVT, insbesondere die fundamenta
len Aspekte der mechanischen Komponenten des
erfindungsgemäßen Kontrollsystems zur Ein
stellung der Winkelbeziehungen zwischen den
inneren und äußeren Führungsscheiben einer
jeden Riemenscheibe,
Fig. 5 eine Schnittansicht entlang der Linie 5-5 ge
mäß Fig. 4, insbesondere eine Planetenge
triebevorrichtung des Kontrollsystems,
Fig. 6a, 6b u. 6c Darstellungen zur Verdeutlichung des Prinzips
des Betriebs eines harmonischen Antriebs, wo
bei verschiedene Komponenten in übertrieben
eliptischer Form dargestellt sind, um das
Prinzip noch deutlicher zu machen,
Fig. 7 eine vereinfachte Schnittansicht einer
Flachriemen-CVT, insbesondere der fundamenta
len Aspekte der mechanischen Komponente einer
Variante des erfindungsgemäßen Kontrollsy
stems, wobei ein harmonischer Antrieb verwen
det wird, um die Winkelbeziehung zwischen der
inneren und äußeren Führungsscheibe einer je
den Riemenscheibe einzustellen, und
Fig. 8 ein vereinfachtes Blockdiagramm einer bei
spielhaften automatischen Version des erfin
dungsgemäßen Kontrollsystems.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1, 2 und 3 werden grundsätzli
che Aspekte eines stufenlos regelbaren Flachriemenüberset
zungsgetriebes beschrieben, wie es bei einem Riemenscheiben
antriebssystem 10 mit variablem Durchmesser ausgestaltet ist,
welches Riemenscheibenvorrichtungen 11 und 12 mit variablem
Durchmesser umfaßt, die durch einen flachen Antriebsriemen 13
verbunden sind. Die Riemenscheibenvorrichtung 11 wird in die
ser Beschreibung als die antreibende Riemenscheibenvorrich
tung angenommen und die Riemenscheibenvorrichtung 12 als die
angetriebene Riemenscheibenvorrichtung, wobei es selbstver
ständlich ist, daß die Funktionen dieser Riemenscheibenvor
richtungen ohne Änderungen des eingeführten Konzepts ausge
tauscht werden können.
Die Riemenscheibenvorrichtung 11 ist auf der Welle 14 und die
Riemenscheibenvorrichtung 12 auf der Welle 15 in zweckdienli
cher und an sich bekannter Weise befestigt. Die Riemen
scheibenvorrichtungen 11 und 12 sind einander ähnlich, und
nur eine von ihnen, nämlich die Riemenscheibenvorrichtung 11,
wird im folgenden speziell beschrieben. Der in Fig. 3 ge
zeigte Riemen 13 entspricht der Position des in gestrichelten
Linien gezeigten Riemens 13 in Fig. 2.
Die Riemenscheibenvorrichtung 11 umfaßt ein Paar von Riemen
scheiben 16 und 17, zwischen welchen sich eine Reihe von Rie
menantriebselementen 18 erstreckt, welche mit dem Riemen 13
zum Antrieb, oder natürlich angetrieben werden, in Verbindung
stehen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine
Reihe von vierundzwanzig Riemenantriebselementen 18 gleich
mäßig über den Umfang angeordnet, wobei dazwischen ein Winkel
von 15° verbleibt, und der Riemen 13 von einem
Riemenantriebselement 18 tangential im Vergleich zu dem di
rekt benachbarten Riemenantriebselement 18 abläuft. Jedes
Riemenantriebselement 18 umfaßt eine Zentralwelle 28, welche
mit dem Riemen 13 in Verbindung tritt, und Lagerbereiche 29
an jedem Ende.
Die Riemenscheibe 16 umfaßt ein Paar von Riemenführungsschei
ben 19 und 21, welche parallel zueinander und direkt neben
einander angeordnet sind. Entsprechend weist die Riemen
scheibe 17 ein Paar von Riemenführungsscheiben 22 und 23 auf,
welche ebenfalls parallel zueinander und direkt nebeneinander
angeordnet sind. Der längliche Abstand zwischen den Riemen
scheiben 16 und 17 (d. h., der axiale Abstand zwischen den
Führungsscheiben 21 und 22) bleibt der gleiche, ungeachtet
der radialen Einstellung des Riemens 13 für unterschiedliche
Antriebs- oder angetriebene Geschwindigkeiten. Der Abstand
ist ausreichend um das Riemenantriebselement freilaufend auf
zunehmen, welches den Riemen 13 stützt und welcher die Last,
für die das System ausgelegt ist, aufnimmt.
Der Bereich der radialen Einstellung oder Positionierung des
Riemens 13 in der Riemenscheibenvorrichtung 11 wird, wie
durch die durchgezogen und gestrichelte Positionslinie des
Riemens 13 in Fig. 2 gezeigt, durch Ändern der radialen Posi
tion der Riemenantriebselemente 18 erreicht.
Beispielsweise, wie in Fig. 2 zu sehen, sind die Riemenan
triebselemente 18 bei der durchgezogenen Positionslinie des
Riemens 13 nahe dem Zentrum der Welle 14 in der Riemen
scheibenvorrichtung 11; demgegenüber sind die Riemenantriebs
elemente radial weiter ausgestellt, nämlich nahe des Umfangs,
wenn sich der Riemen 13 in seiner durch die gestrichelten Li
nie gezeigten Position befindet, welche der in Fig. 3 gezeig
ten Position entspricht.
Veränderungen in der radialen Position der Riemenantriebsele
mente 18 werden dadurch erreicht, daß die äußere Führungs
scheibe 19 und die innere Führungsscheibe 21 der Riemen
scheibe 16 relativ zueinander verdreht werden, um ihre Win
kelbeziehung zu ändern. Entsprechend wird durch identische
relative Rotation der Führungsscheiben 23, 22 der Riemen
scheibe 17 die Änderung der Winkelbeziehung vervollständigt.
In der Praxis sind, um den synchronen Betrieb sicherzustel
len, die inneren Führungsscheiben 21 und 22 und die äußeren
Führungsscheiben 19 und 23 miteinander verbunden. Die für
diesen Betrieb notwendige Kraft wurde auf in den Fig. 1, 2
oder 3 nicht gezeigte Weise im Stand der Technik in typischer
Weise wie in der oben genannten US-PS 42 95 836 erzielt. Insbe
sondere sind wirkungsvolle Systeme zur Kontrolle der Phasen
winkel zwischen den inneren und äußeren Führungsscheiben in
den oben genannten US-PSen 0 51 922 und 1 32 783 beschrieben.
Wie bereits bemerkt, sind die aus dem Stand der Technik be
kannten Kontrollsysteme hinsichtlich der Präzision, mit wel
cher sie das Geschwindigkeitsverhältnis einstellen und/oder
aufrechterhalten können, beschränkt, und wichtige Anwendungen
für Flachriemen-CVTs erfordern eine größere Präzision, als
sie von aus dem Stand der Technik bekannten Kontrollsystemen
erreicht werden kann.
Die äußere Führungsscheibe 19 hat eine Reihe von logarithmi
schen spiralförmigen Führungen 24, welche sich von der Nähe
des Zentrums in einem Winkel von 45° zum Radius der Riemen
scheibenvorrichtung nach außen erstrecken. Entsprechend weist
die innere Führungsscheibe 21 eine Reihe von logarithmisch
spiralförmigen Führungen 25 auf, welche bis zu einem Winkel
von 45° nach auswärts drehend im Vergleich zu dem Radius der
Riemenscheibenvorrichtung, jedoch in entgegengesetztem Sinne
wie die Führungen 24 der Führungsscheibe 19, verlaufen. Da
die Führungen 24 und 25 im Vergleich zu dem Riemenscheibenra
dius in einem Winkel von 45° nach außen jedoch in
entgegengesetztem Sinne drehen, sind die Schnittpunkte dieser
Führungen in allen radialen Positionen rechtwinkelig. Daraus
folgt eine im wesentlichen konstante Geometrie an den
Schnittpunkten der logarithmisch spiralförmigen Führungen 24
und 25 an allen radialen Positionen, um die Lagerenden 29 der
Riemenantriebselemente 18 aufzunehmen. Entsprechend hat die
innere Führungsscheibe 22 eine Reihe von logarithmisch spi
ralförmigen Führungen 26, welche sich identisch wie die Füh
rungen 25 der inneren Führungsscheibe 21 nach auswärts dre
hen, und die äußere Führungsscheibe 23 umfaßt logarithmisch
spiralförmige Führungen 27 welche sich identisch wie die Füh
rungen 24 der äußeren Führungsscheiben 19 nach außen erstrec
ken. Somit überschneiden die Führungen 26 und 27 an allen ra
dialen Positionen im 90°-Winkel, um eine zu den logarithmisch
spiralförmigen Führungen 24 und 25 identische konstante
Schnittgeometrie zu bilden, um die am anderen Ende der Rie
menantriebselemente aufzunehmen.
Während 45°-Spiralen mit 90°-Schnittpunkten gezeigt wurden,
ist es selbstverständlich, daß logarithmische Spiralen mit
anderen Winkelgeometrien entscheidungsgemäß verwendet werden
können. Weiterhin können kleinere Abweichungen von einer spe
ziellen Winkelgeometrie toleriert werden, solange die Riemen
antriebselementlagerungsenden in den Führungsschnittpunkten
sich wie gewünscht bewegen, wenn die Scheiben relativ zuein
ander verdreht werden, um die Winkelbeziehung zwischen der
inneren und äußeren Führungsscheibe zu verändern. Es ist
selbstverständlich, daß der Riemen 13, wenn er um die Riemen
scheibenvorrichtung 11 oder 12 läuft, mit dem Zentralwellen
bereich der Riemenantriebselemente 18 in Verbindung ist und
bewirkt das eine Riemenscheibenvorrichtung antreibt und die
andere Riemenscheibenvorrichtung in offensichtlicher Weise
angetrieben wird.
Die vorhergehende Beschreibung des Basisantriebssystems, der
Riemenscheibenvorrichtungen 11 und 12, des Riemens 13 und der
Riemenantriebselemente 18 wird detaillierter in der oben ge
nannten US-PS 42 95 836, vom 20. Oktober 1981, beschrieben und
bildet keinen speziellen Teil der beschriebenen Erfindung in
dieser Anmeldung, bildet jedoch die Umgebung für die vorlie
gende Erfindung.
Die Aufmerksamkeit wird nun auf die Fig. 4 und 5 gerich
tet, in denen ein erstes Ausführungsbeispiel einer CVT ge
zeigt ist, welche, im Sinne der vorliegenden Erfindung, ein
Getriebesystem zur präzisen Einstellung des Geschwindigkeits
verhältnisses zwischen einer ersten Riemenscheibenvorrichtung
48 und einer zweiten Riemenscheibenvorrichtung 49 verwendet.
Die Geschwindigkeitsverhältniskontrollgetriebevorrichtung,
welche mit der oberen Riemenscheibenvorrichtung 48 verwendet
wird und diejenige, die mit der unteren Riemenscheibenvor
richtung 49 verwendet wird, sind essentiell identisch mit
kleineren Ausnahmen, die im folgenden speziell beschrieben
werden. Aus diesem Grund wird die grundsätzliche Beschreibung
in Verbindung mit der oberen Riemenscheibenvorrichtung 48 in
Fig. 4 fortgesetzt, welche zum Zwecke der Verständlichkeit
als die antreibende Riemenscheibenvorrichtung angenommen
wird, während die untere Riemenscheibenvorrichtung 49 als die
angetriebene Riemenscheibenvorrichtung angenommen wird.
In jedem Fall ist die Geschwindigkeitsverhältniskontrollge
triebevorrichtung, welche der Einstellung der Winkelbeziehung
zwischen den inneren und äußeren Führungsscheiben (und im
weiteren Sinne der radialen Position der
Riemenantriebselemente 18) dient, in einem stationären
Gehäuse 50 angeordnet. Ein Bereich der Welle 14 mit
verkleinertem Durchmesser ragt in das Gehäuse 50 und endet in
einem äußeren Sonnenrad 54. Der Satz innerer Führungscheiben
21, 22 ist direkt mit einer Hohlwelle 52 verbunden, welche
den Endbereich der Welle 14 zur gemeinsamen Drehung mit
dieser umfaßt, und die Hohlwelle 52 endet an einem inneren
Sonnenrad 53. Wie in Fig. 4 gezeigt, haben die Sonnenräder
53, 54 den gleichen Durchmesser und die gleiche Zahnung, was
für eine stationäre Kontrolle bei gegebenen
Geschwindigkeitsverhältnissen notwendig ist; jedoch ist diese
Beziehung keine durch das System erzwungene Konstruktion,
welche stufenlose Drehzahlkontrollkomponenten darstellen
könnte. Jedoch ist in dem vorliegenden bevorzugten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung der
Einfachheit halber vorgesehen, daß die Sonnenräder 53, 54
identisch ausgestaltet sind.
Ein Planetenträger 51 ist zur Drehung innerhalb des
stationären Gehäuses 50 um die gleiche Achse wie die Welle 14
angeordnet und trägt eine Mehrzahl von Planetenrädern 55,
welche jeweils zur Drehung um eine eigene Planetenradwelle 57
wie in Fig. 4 und 5 gezeigt, gelagert sind. Jedes der
Planetenräder 55 ist an seinem radial inneren Umfangsbereich
(im Hinblick auf die Achse der Welle 14) mit dem inneren
Sonnenrad 53, und mit seinem radial äußeren Umfangsbereich
mit einem ersten Satz von Zähnen 59 a eines innenverzahnten
Ringrades 59 im Eingriff. Das innenverzahnte Ringrad 59 weist
noch einen zweiten Satz von Innenzähnen 59 b auf, welche axial
von den Zähnen versetzt sind, welche mit den Planetenrädern
55 im Eingriff sind. Für die stationäre Kontrolle von
gegebenen Geschwindigkeitsverhältnissen sind die Zähne des
zweiten Satzes 59 b typischerweise identisch zu den Zähnen des
ersten Satzes 59 a.
Entsprechend ist eine Mehrzahl von Sternenrädern 56 in einer
festgelegten Position und mit Sternenradwellen 58 gelagert,
welche in das stationäre Gehäuse 50 integriert sind. Die
Sternenräder 56 sind so angeordnet, daß sie sowohl mit dem
zweiten Satz der inneren Zähne 59 b des innenverzahnten Zahn
ringes 59 und den Zähnen des äußeren Sonnenrads 54 in Ein
griff sind, welches direkt auf der Welle 14 befestigt ist.
Die Planetenräder 55 und die Sternenräder 56 sind in Fig. 4
direkt nebeneinander angeordnet gezeigt; wie bereits gesagt,
ist dies nur zur Vereinfachung der Darstellung und es wird
später klar werden, daß die Winkelpositionen der Planetenrä
der 55, im Vergleich zu den Sternenrädern 56, um die Achse
der Welle 14 während des Betriebs des Kontrollsystems verän
dert werden.
Der Planetenträger 51 ist mit einem außenverzahnten Ringrad
60 versehen, mit welchem ein Sporenritzel 63 in Eingriff ist.
Das Ritzel 63 ist manuell über eine Geschwindigkeitskontroll
kurbel 61 und eine Welle 62 betrieben. Die Kurbel 61 kann ge
gen Drehung gesichert werden, indem ein Stift 64 in einer
Ausparung 65 einsetzbar ist, welche in dem stationären Ge
häuse 50 zu diesem Zwecke vorgesehen ist.
Die untere Riemenscheibenvorrichtung 49 hat keine Geschwin
digkeitskontrollkurbel, ist jedoch mit einer Lastvorrichtung
66 über eine Welle 62′ und einem Sporenritzel 63′ verbunden.
Die Lastvorrichtung 66 kann alles sein, was in der Lage ist,
Drehkräfte zu absorbieren und zu übertragen. Beispielsweise
kann die Lastvorrichtung 66 ein hydraulischer Motor/Pumpe
sein und das entsprechende Kontrollsystem der Öl-Mo
tor/Pumpeneinheiten ist in der oben genannten US-PS 0 51 922
beschrieben. Eine weitere Lastvorrichtung ist ein elektri
scher Motor/Generator, wie weiter unten im Zusammenhang mit
einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel der vorlie
genden Erfindung beschrieben wird. Eine vergleichsweise einfa
cher Vorrichtung für diesen Zweck ist eine Torsionsspiral
feder, welche ein Drehmoment erzeugt, wenn sie in einer Rich
tung gedreht wird, und welche zur Drehung des Planetenträgers
51′ im Vergleich zum Gehäuse 50′ in der Art einer Uhrenfeder
angewendet wird.
Es wird nun der Betrieb einer Geschwindigkeitsverhältniskon
trollgetriebevorrichtung in der in Fig. 4 und 5 gezeigten CVT
beschrieben. Zunächst wird eine statische Situation angenom
men, in welcher das Geschwindigkeitsverhältnis bereits vorher
eingestellt wurde und die Geschwindigkeitskontrollkurbel 61
durch die Kraft des in die Aussparung 65 ragenden Stifte 64
festgehalten wird. Unter diesen Bedingungen drehen die Sätze
innerer Führungsscheiben 21, 22 und äußerer Führungsscheiben
19, 23 mit der gleichen Geschwindigkeit; entsprechend drehen
auch das innere Sonnenrad 53 und das äußere Sonnenrad 54 mit
der gleichen Geschwindigkeit. Somit drehen auch die Planeten
räder 55 und die Sternenräder 56 mit der gleichen Geschwin
digkeit und in der gleichen Richtung. Somit dreht das innen
verzahnte Ringrad 59 innerhalb des stationären Gehäuses 50 in
der entgegengesetzten Richtung zur Welle 14 und der Hohlwelle
52. Es wird noch bemerkt, daß der Planetenträger 51 unter
dieser Bedingung nicht dreht, so daß die Winkelbeziehung zwi
schen der Position der Planetenräder 55 und der Sternenräder
56 zur Achse der Welle 14 fest verbleibt.
Im folgenden wird der Betrieb des Systems beschrieben, wenn
eine Änderung des Geschwindigkeitsverhältnisses zwischen der
antreibenden Riemenscheibenvorrichtung 48 und der angetriebe
nen Riemenscheibenvorrichtung 49 vorgesehen ist. Da diese
Einstellung nur vorübergehend eine Änderung der Beziehung
zwischen den stationären und bewegenden Komponenten umfaßt,
kann dieser Effekt am besten verstanden werden unter der An
nahme, daß die Welle 14 nicht rotiert. Wenn das Prinzip des
Betriebes einmal verstanden wurde, kann die tatsächliche Dre
hung der Welle 14 wie eine Konstante gegenüber den Bewegungen
der Vorrichtung überlagert werden.
Es wird somit angenommen, daß die Welle 14 vorübergehend sta
tionär ist, und die Geschwindigkeitskontrollkurbel 61 wird
beispielsweise im Uhrzeigersinn, wie durch den Pfeil 67 ange
deutet, gedreht. Als ein Ergebnis einer solchen Drehung der
Kurbel 61 wird der Planetenträger 51 mit einer reduzierten
Geschwindigkeit (entsprechend zu dem Zahnradverhältnis zwi
schen dem Sporenritzel 63 und dem außenverzahnten Ringrad 60)
entgegen dem Uhrzeigersinn drehen. Da angenommen wurde, daß
die Welle 14 stationär und das Gehäuse 50 unbeweglich ist,
wird auch das innenverzahnte Ringrad 59 stationär gehalten.
Entsprechend wird die Bewegung der Planetenräder um die Achse
der Welle 14 das innere Sonnenrad 53 entgegen dem Uhrzeiger
sinn antreiben, welches somit die Hohlwelle 52 und weiter den
Satz von inneren Führungsscheiben 21, 22 entgegen dem Uhrzei
gersinn in Hinsicht auf den Satz äußerer Führungsscheiben 19,
23, welche an der Welle 14 befestigt sind, verdrehen. Als ein
Ergebnis werden die Riemenantriebselemente 18 gemeinsam ra
dial auswärts bewegt (unter der Annahme, daß der Verlauf der
logarithmischen Schlitze der oberen Riemenscheibenvorrichtung
48 dem der antreibenden Riemenscheibe 11 gemäß Fig. 2 ent
spricht) um damit den effektiven Durchmesser der antreibenden
Riemenscheibenvorrichtung 48 zu vergrößern. Nachdem die ein
mal entschiedene Einstellung beendet ist, kann die Geschwin
digkeitskontrollkurbel 61 wieder in der entsprechenden Posi
tion befestigt werden, um die neue Winkelbeziehung zwischen
den Planetenrädern 55 und den Sternenrädern 56 und somit das
neue Riemenscheibengeschwindigkeitsverhältnis beizubehalten.
Wie bereits bemerkt sind all diese vorübergehenden Einstel
lungen einfach der aktuellen Drehbewegung der verschiedenen
Komponenten überlagert, so daß die Einstellung der relativen
Winkelpositionen des Satzes innerer Führungsscheiben 21, 22
und äußerer Führungsscheiben 19, 23 tatsächlich während der
Riemenscheibendrehung und -kraftübertragung stattfindet.
Wenn die radiale Stellung der Riemenantriebselemente 18 der
antreibenden Riemenscheibenvorrichtung 48 nach außen bewegt
wird, müssen die Riemenantriebselemente 18′ der angetriebenen
Riemenscheibenvorrichtung 49 radial nach innen bewegt werden,
da die Riemenlänge des Riemens 13 und der Abstand zwischen
den Wellen 14 und 15 festgelegt sind. Wird für den Augenblick
angenommen, daß die angetriebene Welle 15 ebenfalls stationär
ist, so ist auch der Satz äußerer Führungsscheiben 19′, 23′
stationär. Somit muß der Satz innerer Führungsscheiben 21′,
22′ entgegen dem Uhrzeigersinn, wie durch den Pfeil 68 ange
deutet, bewegt worden sein. Da der Satz innerer Führungs
scheiben 21′, 22′ entgegen dem Uhrzeigersinn bewegt wird, muß
das innere Sonnenrad 53′ ebenfalls entgegen dem Uhrzeigersinn
bewegt werden. Damit drehen die Planetenräder 55′ im Uhrzei
gersinn. Da angenommen wurde, daß die angetriebene Welle 15
stationär ist, können die Sternenräder 56′ nicht rotieren und
das innenverzahnte Ringrad 59′ wird auch stationär gehalten.
Konsequenterweise wirkt sich die Drehung der Planetenräder
55′, welche mit den Zähnen des innenverzahnten Ringes 59′ in
Eingriff sind, so aus, daß der Planetenträger 51′ entgegen
dem Uhrzeigersinn dreht. Damit wird das Sporenritzel 63′ mit
einer entsprechend höheren Geschwindigkeit im Uhrzeigersinn
gedreht und damit auch die Lastvorrichtung 66 über die Welle
62′. Dieser Vorgang findet synchron mit der Einstellung der
relativen Position der Planetenräder 55 und Sternenräder 56
der antreibenden Riemenscheibenvorrichtung 48; durch diesen
Vorgang wird eine neue statische Einstellung erreicht, wenn
die Geschwindigkeitskontrollkurbel 61 wieder in ihrer Posi
tion befestigt wird. Während des vorübergehenden Betriebes
wird die Lastvorrichtung 66 wie folgt funktioniert haben.
Wenn die Lastvorrichtung 66 beispielsweise ein Öl-Motor/Pumpe
ist, wird sie vorübergehend wie eine Pumpe funktioniert ha
ben. Ist die Lastvorrichtung beispielsweise ein Mo
tor/Generator, wird sie vorübergehend wie ein Generator funk
tioniert haben. Ist die Lastvorrichtung eine Feder, wird sie
um ein paar Grad gespannt worden sein.
Es ist offensichtlich, daß, wenn die Geschwindigkeitskon
trollkurbel 61 manuell entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht
wird, eine Reihe von Ereignissen entgegen der oben beschrie
benen stattfindet. Kurz gesagt, der Planetenträger 51 wird im
Uhrzeigersinn drehen, wodurch der Satz innerer Führungsschei
ben 21, 22 ebenfalls im Uhrzeigersinn dreht und der effektive
Durchmesser der antreibenden Riemenscheibenvorrichtung 48
verringert wird. Die Riemenantriebselemente 18′ der angetrie
benen Riemenscheibenvorrichtung 49 werden radial nach außen
bewegt, was durch die in einem Energie liefernden Modus ar
beitenden Lastvorrichtung 66 unterstützt wird; das heißt,
durch einen hydraulischen oder elektrischen Motor oder ein
Abwickeln einer Feder im Uhrzeigersinn.
Die Getriebeanordnung zur Geschwindigkeitsreduzierung zwi
schen dem Ritzel 63 und dem außenverzahnten Ringrad 60, wel
che in Kooperation mit der Getriebereduzierung, dargestellt
durch Sonnen/Planeten, Sternenradvorrichtungen, wirkt, stellt
insgesamt eine Getriebereduktion dar, um die gewünschte Ein
stellungsfeinheit für viele CVT-Anwendungen zu erreichen. In
einigen Anwendungen, wie auch der oben beschriebenen neutra
len Automatikübersetzungsgetriebevorrichtung, ist es notwen
dig, einen Grad der Kontrolle zu erzielen, welcher nicht
durch die einfache Einstellung von Getriebeverhältnissen der
in Fig. 4 gezeigten Systemkomponenten erreicht wird. Es ist
somit wünschenswert, eine Vorrichtung bereitzustellen, bei
welcher der Grad der Kontrolle erheblich erweitert wird, was
durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Kontrollsystems
erreicht wird.
Während es möglich ist, viele unterschiedlich Differentialge
triebevorrichtungen zum Erzielen der gewünschten Feinheit der
Operation bei kritischen Anwendungen zu verwenden, verwendet
das vorgestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel für kritische
Anwendungen einen sogenannten "harmonischen" Getriebeantrieb,
um die Differentialgetriebebeziehungen zu erreichen. Unter
Hinweis auf die Fig. 6a, 6b und 6c, insbesondere die teil
weise vergrößerte Fig. 6a, wird das Grundprinzip einer "har
monischen" Antriebsgetriebereduktionsvorrichtung vorgestellt.
In dieser sehr grundlegenden Form verwendet ein "harmoni
scher" Antrieb 3 konzentrische Komponenten, um große mechani
sche Vorteile und Geschwindigkeitsreduktion zu erzielen. Die
Verwendung einer Mechanik mit nichtstarren Körpern erlaubt,
daß ein nichtstarres Außenrad eine stufenlose eliptische Ab
lenkungswelle umfaßt, wobei ein stufenloser rollender Ein
griff mit einem steifen Innenrad erreicht wird.
Wie in Fig. 6a gezeigt, lenkt ein eliptischer Wellengenerator
130 ein flexibles außenverzahntes Rad 131 aus, welches mit
den inneren Zähnen eines steifen ringförmigen Rades 132 in
Eingriff kommt. Die eliptische Form des flexiblen Rades und
der Betrag seiner Auslenkung ist stark übertrieben in den Fig.
6a, 6b und 6c dargestellt, um das Prinzip deutlich zu
machen. Die tatsächliche Auslenkung ist sehr viel kleiner als
gezeigt und innerhalb der Materialhaltbarkeitsgrenzen.
Da die Zähne des nichtsteifen Zahnringes 131 und des steifen
kreisförmigen Ringes 132 ununterbrochen in Kontakt sind, und
da der flexible Ring 131 zwei Zähne weniger als der kreisför
mige Ring 132 hat, entspricht eine Umdrehung des Wellengene
rators 130 einer relativen Bewegung zwischen dem flexiblen
Rad und dem kreisförmigen Rad um zwei Zähne. Wird das kreis
förmige Rad 132 gegen eine Drehbewegung festgehalten, wird
der flexible Ring 131 in der dem Wellengenerator entgegenge
setzten Richtung drehen (der Systemeingang in dem Beispiel)
und eine Reduktion des Verhältnisses entsprechend zur Anzahl
der Zähne des flexiblen Ringes geteilt durch zwei bewirken.
Diese Relativbewegung kann verdeutlicht werden, indem die Be
wegung eines einzelnen Zahnes 134 des flexiblen Ringes über
eine halbe Eingangsdrehung in der durch den Pfeil 135 gezeig
ten Richtung beobachtet wird. Da der Eingang zu dem Wellenge
nerator 130 im Beispiel eine Bewegung desselben im Uhrzeiger
sinn bewirkt, dreht der flexible Ring entgegen dem Uhrzeiger
sinn. Aus Fig. 6b ist zu erkennen, daß der Zahn 134, nach ei
ner Viertelbewegung des Wellengenerators 130 entgegen dem
Uhrzeigersinn eine Hälfte einer Zahnposition des flexiblen
Ringes gedreht hat. Es ist zu bemerken, daß, wenn die Achse
des Wellengenerators 130 90° gedreht hat, der Zahn 134 völlig
frei ist. Der volle Wiedereingriff findet in der benachbarten
Zahnlücke statt, wenn die Achse des Wellengenerators 130
180°, wie Fig. 6c gezeigt, gedreht hat, und der Zahn 134 ist
nun um eine volle Zahnposition vorgerückt. Diese Bewegung
wiederholt sich, wenn die Achse um weitere 180° dreht, wo
durch eine Zweizahnbewegung pro Eingangsbewegung des Wellen
generators stattfindet.
Bei herkömmlichen Tabulatoren harmonischer Antriebsgetriebe
wird für die Verhältnisreduktion angenommen, daß der flexible
Ring das Ausgangselement, und der kreisförmige Ring gegen
Drehbewegung befestigt ist. Jedoch kann jedes der Antriebse
lemente als Eingangs-, Ausgangs- oder befestigtes Element
verwendet werden, je nachdem, ob die Übersetzung für die Ge
schwindigkeitsreduktion, die Geschwindigkeitserhöhung oder
Differentialbetrieb vorgesehen ist.
Dieses harmonische Antriebsprinzip kann durch Hinzufügung ei
nes vierten Elementes, nämlich dem dynamischen Rad, erweitert
werden. Das dynamische Rad ist ein inneres Rad, welches mit
der gleichen Geschwindigkeit und in der gleichen Richtung wie
das flexible Rad rotiert. Entgegen dem kreisförmigen Rad, mit
welchem es parallel und ebenso im Eingriff zu dem flexiblen
Rad verläuft, hat das dynamische Rad die gleiche Anzahl von
Zähnen wie das flexible Rad. Die Drehung des flexiblen Rads
bewirkt Zahneingriff/-lösung mit denselben Zahnlücken des dy
namischen Rads, so daß das Verhältnis zwischen den beiden 1 : 1
ist. Das System ist somit ein Ausgang des flexiblen Rades mit
den gleichen Charakteristika wie das 3-Element-harmonischer-
Antriebsmodel; das heißt, das Getriebereduktionsverhältnis
hat eine dem Eingang entgegengesetzte Drehrichtung. Duale Ul
tra-high-verhältnisfähigkeit kann erreicht werden, indem zwei
ringförmige Räder im Eingriff mit dem flexiblen Rad angeord
net werden, wobei jedes ein unterschiedliches einstufiges
Verhältnis entwickelt. Lediglich als Beispiel wird angegeben,
daß der Verbundbetrieb einstufiger Verhältnisse von 160 : 1 und
159 : 1 in einer Gesamtreduktion von 12720 : 1 resultiert. Für
den Gebrauch in erfindungsgemäßen Vorrichtungen geeignete
harmonischer Antriebe werden beispielsweise von Harmonic
Drive Division of Quincy Technologies, Inc. in Wakefield,
Mass., hergestellt.
Unter Hinweis auf Fig. 7 wird im folgenden beschrieben, wie
ein harmonischer Antrieb vorteilhaft in Verbindung mit einer
erfindungsgemäßen CVT angewendet werden kann. Eine harmoni
sche Antriebskomponente 70 ist zwischen dem Satz innerer Füh
rungsscheiben 21, 22 (und natürlich dem Satz äußerer Füh
rungsscheiben 19, 23) der antreibenden Riemenscheibenvorrich
tung 73 und dem inneren Sonnenrad 53 über eine Hohlwelle 71
verbunden angeordnet. Entsprechend ist eine weitere harmoni
sche Antriebskomponente 70′ zwischen dem Satz innerer Füh
rungsscheiben 21′, 22′ (und dem Satz äußerer Führungsscheiben
19′, 23′) der angetriebenen Riemenscheibenvorrichtung 79 und
dem inneren Sonnenrad 53′ über eine Hohlwelle 71′ verbunden
angeordnet. Die Antriebswelle 14 erstreckt sich durch die
Hohlwelle 71 und trägt das äußere Sonnenrad 54 an ihrem Ende
und die angetriebene Welle 15 erstreckt sich durch die Hohl
welle 71′ und trägt das äußere Sonnenrad 54′ an ihrem Ende.
Die verbleibende Struktur der Planetengetriebevorrichtung ist
bereits in Verbindung mit Fig. 4 und 5 beschrieben.
Somit ist der Satz äußerer Führungsscheiben 19, 23 mit dem
dynamischen Rad 72 des harmonischen Antriebs 70, und der Satz
innerer Führungsscheiben 21, 22 mit dem Ringrad 73 des harmo
nischen Antriebs verbunden. Der Wellengenerator 74 ist direkt
mit der Hohlwelle 71 und damit direkt mit dem inneren Sonnen
rad 53 verbunden. Unter statischen Bedingungen, bei welchen
das Geschwindigkeitsverhältnis bereits eingestellt und wobei
die Geschwindigkeitskontrollkurbel 61 in ihrer Position be
festigt ist, haben der Satz innerer Führungsscheiben 21, 22
und äußerer Führungsscheiben 19, 23 die gleiche Drehgeschwin
digkeit. Konsequenterweise ist keine Relativbewegung zwischen
dem dynamischen Rad 72 und dem Ringrad 73, so daß der Wellen
generator 74, die Hohlwelle 71 und das innere Sonnenrad 53
alle mit der gleichen Geschwindigkeit rotieren wie die Welle
14 und das äußere Sonnenrad 54.
Wenn es nun gewünscht wird, daß Geschwindigkeitsverhältnis
zwischen der antreibenden Riemenscheibenvorrichtung 78 und
der angetriebenen Riemenscheibenvorrichtung 79 zu ändern,
kann die Geschwindigkeitskontrollkurbel 61 gelöst und wie
oben beschrieben gedreht werden. Für die folgende Analyse
soll wiederum angenommen werden, daß die antreibende Welle 14
stationär ist, um die augenblicklichen Bewegungen der einzel
nen Komponenten des Kontrollmechanismus am besten herauszuar
beiten. Wird die Geschwindigkeitskontrollkurbel 61 im Uhrzei
gersinn gedreht, dreht der Planetenträger 51 entgegen dem
Uhrzeigersinn und somit auch das innere Sonnenrad 53 entgegen
dem Uhrzeigersinn. Somit drehen auch die Hohlwelle 71 und der
Wellengenerator 74 entgegen dem Uhrzeigersinn. Diese Drehbe
wegung wird über das flexible Rad 75 sowohl dem dynamischen
Rad 72 als auch dem kreisförmigen Rad 73 übertragen. Da die
Welle 14 als stationär angenommen wurde und der Satz äußerer
Führungsscheiben 19, 23 an der Welle befestigt sind, ist eine
Rotation des dynamischen Rades 72 verhindert. Somit dreht das
Kreisrad 73 bei jeder Vollumdrehung des Wellengenerators 74
zwei Zähne im Uhrzeigersinn und erzeugt somit eine präzise
Übersetzung der Riemenantriebselemente 18 radial einwärts, um
den effektiven Durchmesser der antreibenden Riemenscheiben
vorrichtung 78 zu verringern. Das wird als eine Umkehrung des
Effektes verstanden, welcher durch Drehen der Geschwindig
keitskontrollkurbel 71 im Uhrzeigersinn des in Fig. 4 gezeig
ten Systems verstanden, woraus direkt eine mechanische Umkeh
rung resultiert, welche entlang des harmonischen Antriebs 70
stattfindet.
Entsprechend werden die Riemenantriebselemente 18′ der ange
triebenen Riemenscheibenvorrichtung 79 radial auswärts be
wegt, und Energie wird an die Lastvorrichtung 76 geliefert.
Aufgrund des Vorhandenseins der harmonischen Antriebe 70, 70′
in den Riemenscheibenvorrichtungen 78, 79 wird die Geschwin
digkeitskontrollkurbel 61 und die Lastvorrichtung 76 sehr
viel mehr Umdrehungen (entsprechend zu dem Getriebeverhältnis
des harmonischen Antriebs) während der augenblicklichen Ge
schwindigkeitsverhältniseinstellung durchführen. Somit werden
das erforderliche Geschwindigkeitskontrolldrehmoment und die
Kraft, welche für die augenblickliche Geschwindigkeitsver
hältniseinstellung benötigt werden durch das Getriebeverhält
nis des harmonischen Antriebs reduziert (ohne Berücksichti
gung von Effektivitätsverlusten). Da das Verhältnis eines
harmonischen Antriebsgetriebes typischerweise im Bereich von
100 : 1 oder mehr liegt, ist die Reduktion des erforderlichen
Drehmoments und der Kraft tatsächlich sehr groß.
Dem Fachmann wird klar werden, daß die Verwendung der harmo
nischen Antriebe 70, 70′ in einer Geschwindigkeitssteuerung
die Präzision der Kontrolle über das Geschwindigkeitsverhält
nis zwischen den Riemenscheibenvorrichtungen einer Flachrie
men-CVT erheblich erhöht. Zusätzlich werden die Drehmoment
erfordernisse für die Vorrichtung zum Antreiben des Ritzels
63 entsprechend reduziert. Dieser Vorteil erlaubt den Ge
brauch beispielsweise eines kleinen umkehrbaren elektrischen
Motors als die mit dem Ritzel 63 verbundene Vorrichtung, wo
raus die Verwendung einer vergleichsweisen einfachen äußeren
Kontrollstruktur, wie in Fig. 8 in einer beispielhaften Fahr
zeugumgebung gezeigt, resultiert. Somit können die normale
Maschinengeschwindigkeits- und Gashebelpositionsinformationen
von einer herkömmlichen Logik 80 analysiert werden, um zu
entscheiden, ob eine Änderung im Geschwindigkeitsverhältnis
gewünscht wird, und, im Falle daß diese gewünscht wird, die
umkehrbaren Gleichstrommotoren 81, 82 anzuregen, um die Vor
richtungen in vorher beschriebener Weise und entsprechender
Richtung anzutreiben, bis das gewünschte Verhältnis erreicht
ist. In einer praktischen Anwendung ist dies ein anhaltender
Prozeß, um die gewünschte Maschinendrehmoment
/Geschwindigkeitscharakteristika zu erzielen, welche bei
spielsweise einen minimalen Kraftstoffverbrauch zur Folge
hat, und, wie der Fachmann erkennen wird, andere Prozeßvari
ablen (Temperatur, atmosphärischer Druck, Übertragungsver
hältnis, Fahrzeuggeschwindigkeit, usw.) werden oft in Be
tracht gezogen, um das momentane Geschwindigkeitsverhältnis
aufrechtzuerhalten.
Während das Prinzip der vorliegenden Erfindung anhand einer
beschriebenen Ausgestaltung erklärt wurde, werden dem Fach
mann sofort viele Modifikationen der Struktur, der Vorrich
tungen, der Proportionen, der Elemente, Materialien und Kom
ponenten offensichtlich sein wie sie in der Praxis der vor
liegenden Erfindung angewendet und ohne Abweichungen von den
Prinzipien insbesondere für spezielle Umgehungen und Be
triebsanforderungen gemacht werden können.
Claims (15)
1. Ein stufenlos regelbares Übersetzungsgetriebe mit:
- A) ersten und zweiten Riemenscheibenvorrichtungen, wo
bei jede der Riemenscheibenvorrichtungen folgende Kom
ponenten aufweist:
1. eine Welle;
2. ein Paar von Riemenscheiben;
3. eine Reihe von Riemenantriebselementen, wobei je des Riemenantriebselement gebildet ist aus:
a. einer länglichen Zentralwelle mit einer Antriebsfläche für die Zusammenwirkung mit dem Antriebsriemen;
b. einem ersten Lagerbereich an einem ersten Ende der Zentralwelle; und
c. einem zweiten Lagerbereich an einem zwei ten Ende der Zentralwelle;
4. jede Riemenscheibe umfaßt:
a. ein Paar von relativbeweglichen Führungs scheiben, die direkt nebeneinander ange ordnet sind;
i. eine innere Führungsscheibe eines jeden Paares weist eine erste Reihe von Führungen in einer Richtung auf;
ii. eine äußere Führungsscheibe ei nes jeden Paares weist eine zweite Reihe von sich in einer zweiten Richtung erstreckenden Führungen auf;
iii. die erste und zweite Reihe von spiralförmigen Führungen weisen Schnittpunkte zur Aufnahme und Positionierung der Lagerbereiche der Riemenantriebselemente auf,
wobei die Schnittpunkte zur Posi tionierung der Lagerbereiche die nen, damit die Riemenantriebsele mente im Vergleich zur Welle ra diale Positionen einnehmen;
5. Vorrichtungen zur Verbindung der inneren Füh rungsscheiben der Riemenscheiben, um eine innere Führungsscheibenstruktur bereitzustellen, welche um die Welle dreht;
6. Vorrichtungen zur Verbindung der äußeren Füh rungsscheiben der Riemenscheiben, um eine äußere Führungsscheibenstruktur bereitzustellen, welche um die Welle dreht;
7. Vorrichtungen zur Verbindung mindestens einer der Führungsscheiben mit der Welle, um mit dieser zu drehen; und
8. Vorrichtungen zur Einstellung der Phasenbeziehun gen zwischen den inneren und äußeren Führungs scheiben, um den effektiven Durchmesser der Rie menscheibenvorrichtung zu erzielen; - B) einem flachen Antriebsriemen zur Verbindung der er sten und zweiten Riemenscheibenvorrichtung; dadurch ge kennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Einstellung der Winkelbeziehungen zwischen dem Satz innerer Führungs scheiben und dem Satz äußerer Führungsscheiben von min destens einer Riemenscheibenvorrichtung,
- C) ein mechanisch zwischen dem Satz innerer Führungs
scheiben und dem Satz äußerer Führungsscheiben angeord
netes Planetengetriebesystem aufweist, welches folgende
Komponenten umfaßt:
1. ein erstes Sonnenrad, welches mit dem Satz inne rer Führungsscheiben verbunden ist;
2. ein zweites Sonnenrad, welches mit dem Satz äuße rer Führungsscheiben verbunden ist;
3. das erste und zweite Sonnenrad sind axial ausge richtet;
4. einen drehbaren Planetenradträger;
5. einen Satz von Planetenrädern, welche mit einem der beiden ersten und zweiten Sonnenräder in Ein griff und auf dem Planetenradträger gelagert sind;
6. einen Satz von Sternenrädern, welche mit dem an deren der beiden ersten und zweiten Sonnenrädern in Eingriff sind, wobei jedes der Sternenräder in einer festgelegten Winkelposition im Hinblick auf das andere der ersten oder zweiten Sonnenräder gelagert ist;
7. Einen innenverzahnten Zahnring, welcher mit den Planetenrädern und den Sternenrädern im Eingriff ist; und
8. Vorrichtungen zur wahlweisen Änderung der Winkel beziehung zwischen dem Planetenradträger und den Sternenrädern.
2. Stufenlos regelbares Übersetzungsgetriebe nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur
wahlweisen Anderung der Winkelbeziehung zwischen dem
Planetenradträger und den Sternenrädern folgende Ele
mente aufweist:
- A) einen äußeren Zahnring, welcher von dem Planeten radträger getragen wird;
- B) ein Ritzel, welches im Eingriff mit dem äußeren Zahnring ist; und
- C) Vorrichtungen zur wahlweisen Drehung des Ritzels.
3. Stufenlos regelbares Übersetzungsgetriebe nach Anspruch
2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur
wahlweisen Drehung des Ritzels eine manuell bedienbare
Kurbel ist.
4. Stufenlos regelbares Übersetzungsgetriebe nach Anspruch
2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur
wahlweisen Drehung des Ritzels ein reversierbarer elek
trischer Motor/Generator ist.
5. Stufenlos regelbares Übersetzungsgetriebe nach Anspruch
2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur
wahlweisen Drehung des Ritzels eine reversierbare
hydraulische Motor/Pumpeneinheit ist.
6. Stufenlos regelbares Übersetzungsgetriebe nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung weiter
hin ein Differentialgetriebesystem umfaßt, welches me
chanisch zwischen einem der Sonnenräder und einem der
Sätze von Führungsscheiben, mit welchem das Sonnenrad
verbunden ist, angeordnet ist, und daß das Differenti
algetriebesystem derart ausgebildet ist, daß ein klei
nerer Änderungswinkel der Winkelbeziehung zwischen den
Sätzen innerer und äußerer Scheiben als zwischen den
Sonnenrädern durch Bedienung der Vorrichtung zur wahl
weisen Änderung der Winkelbeziehung zwischen dem Plane
tenradträger und den Sternenrädern erreicht wird.
7. Stufenlos regelbares Übersetzungsgetriebe nach Anspruch
6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur
wahlweisen Änderung der Winkelbeziehung zwischen dem
Planetenträger und den Sternenrädern weiterhin
- A) einen äußeren Zahnring, getragen von dem Plane tenradträger;
- B) ein Ritzel, im Eingriff mit dem äußeren Zahnring; und eine
- C) Vorrichtung zur wahlweisen Drehung des Ritzels aufweist.
8. Stufenlos regelbares Übersetzungsgetriebe nach Anspruch
7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur
wahlweisen Drehung des Ritzels eine manuell bedienbare
Kurbel ist.
9. Stufenlos regelbares Übersetzungsgetriebe nach Anspruch
7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur
wahlweisen Drehung des Ritzels ein umkehrbarer elektri
scher Motor/Generator ist.
10. Stufenlos regelbares Übersetzungsgetriebe nach Anspruch
7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur
wahlweisen Drehung des Ritzels eine umkehrbare hydrau
lische Motorpumpeneinheit ist.
11. Stufenlos regelbares Übersetzungsgetriebe nach Anspruch
6, dadurch gekennzeichnet, daß das Differentialgetrie
besystem einen harmonischen Antrieb aufweist.
12. Stufenlos regelbares Übersetzungsgetriebe nach Anspruch
11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur
wahlweisen Änderung der Winkelbeziehung zwischen dem
Planetenradträger und den Sternenrädern folgende Ele
mente aufweist:
- A) einen äußeren Zahnring, welcher von dem Planeten radträger getragen wird;
- B) ein Ritzel, welches im Eingriff mit dem äußeren Zahnring ist; und
- C) Vorrichtungen zur wahlweisen Drehung des Ritzels.
13. Stufenlos regelbares Übersetzungsgetriebe nach Anspruch
12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur
wahlweisen Drehung des Ritzels eine manuell bedienbare
Kurbel ist.
14. Stufenlos regelbares Übersetzungsgetriebe nach Anspruch
12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur
wahlweisen Drehung des Ritzels ein umkehrbarer elektri
scher Motor/Generator ist.
15. Stufenlos regelbares Übersetzungsgetriebe nach Anspruch
12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur
wahlweisen Drehung des Ritzels eine umkehrbare hydrau
lische Motor/Pumpeneinheit ist.
Applications Claiming Priority (1)
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