DE3919791C2 - Winkelgeschwindigkeitansteuervorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Winkelgeschwindigkeitsansteuervorrichtung mit einem nicht-kreisförmigen Zahnradpaar oder Zahnradpaaren, die dazu verwendet werden können, ein stufenlos regelbares Getriebe zu ergeben, das sich für Energieerzeugungsanlagen eignet.

Um ein mechanisches, stufenlos regelbares Getriebe zu schaffen, wurde eine Zahnradanordnung und eine Winkelgeschwindigkeitsansteuervorrichtung, beispielsweise, in den japanischen Patentanmeldungen (OP) Nr. 266866/1986 und 270863/1987 beschrieben. Bei der bekannten Anordnung werden drei oder vier nicht-kreisförmige Außenzahnräder, die eine in Eingriff miteinander stehende Teilungskurve in solcher Weise bilden, daß das Drehzahlverhältnis exponentiell geändert (erhöht oder erniedrigt) wird, als Grundeinheit kombiniert und eine Anzahl solcher Art gebildeter Grundeinheiten wird verwendet, um das stufenlos regelbare Getriebe zu ergeben.

Die vorausgehend beschriebene bekannte Winkelgeschwindigkeitsansteuervorrichtung ist insofern nachteilig, als sie in Radialrichtung unvermeidlich groß ausfällt, da alle die nicht-kreisförmigen Zahnräder, die hier die Grundeinheit bilden, außen verzahnte Zahnräder sind.

Aus DE 37 16 400 A1 ist eine Winkelgeschwindigkeitsansteuervor­ richtung bekannt, die als Hauptbauteil nicht-kreisförmige Zahnräder aufweist, die eine Geschwindigkeitsmodulation er­ möglichen, die durch eine Exponentialfunktion ausgedrückt werden kann, und die dazu benutzt werden, eine stufenlos va­ riable Übersetzungsvorrichtung zu schaffen. Hierbei wird ein Paar Zahnräder verwendet, die nur als nicht-kreisförmige Außenräder ausgebildet sind, die eine Geschwindigkeitsmodu­ lation ergeben, die bei einer getriebeartigen stufenlos va­ riablen Übersetzungsvorrichtung verwendet werden können, wie beispielsweise bei einem üblichen Stirnradgetriebe, das nur von Außenrädern gebildet wird.

Eine derartige Anordnung weist jedoch den Nachteil auf, daß sie aufgrund ihres spezifischen Aufbaus relativ groß bemes­ sen ist, da, wie zuvor gesagt, alle verwendeten Zahnräder als Außenzahnräder ausgebildet sind.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Winkelge­ schwindigkeitsansteuervorrichtung zu schaffen, deren Ab­ messungen, insbesondere in Radialrichtung, gegenüber den bekannten Vorrichtungen verkleinert werden können.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des An­ spruches 1; der Unteranspruch hat eine bevorzugte Weiterbil­ dung zum Inhalt.

In einer erfindungsgemäßen Winkelgeschwindigkeitsansteuervorrichtung sind ein erstes, zweites und drittes nicht kreisförmiges Zahnrad, die einen exponentiellen Geschwindigkeitsaussteuerungsvorgang durchführen, jeweils ein innenverzahntes, ein außenverzahntes und ein außenverzahntes Zahnrad, und das erste und zweite nicht-kreisförmige Zahnrad bilden eine primäre Winkelgeschwindigkeitsansteuervorrichtung, und das erste und dritte nicht-kreisförmige Zahnrad bilden eine zweite Winkelgeschwindigkeitsansteuervorrichtung.

Wie vorausgehend beschrieben wurde, umfaßt das nicht-kreisförmige Zahnradpaar das Innenzahnrad und das außenverzahnte Zahnrad, und hinsichtlich der Umlaufgeschwindigkeit des einen der nicht-kreisförmigen Zahnräder wird die periodisch regelbare Umlaufgeschwindigkeit bei dem Betrieb mit exponentiell ansteigender oder abfallender Drehzahl dem anderen Zahnrad erteilt.

Werden beispielsweise zwei der vorausgehend erwähnten nicht-kreisförmigen Zahnradpaare derart verwendet, daß eines der nicht-kreisförmigen Zahnradpaare eine konstante Umlaufgeschwindigkeit in eine veränderliche Umlaufgeschwindigkeit bei sich exponentiell erhöhender Geschwindigkeit umwandelt, während das andere Zahnradpaar die veränderliche Umlaufgeschwindigkeit in einen Betrieb mit sich verringernder Umlaufgeschwindigkeit umwandelt, so daß die konstante Umlaufgeschwindigkeit wiederum erhalten wird. Die Anwendung dieses Vorgangs kann ein stufenlos regelbares Getriebe ergeben. Somit kann die Kombination der Innenzahnräder und der außenverzahnten Zahnräder ein stufenlos regelbares Getriebe liefern, das in Radialrichtung kleiner als das bekannte Getriebe ist, das lediglich eine Kombination von außen verzahnten Zahnrädern verwendet.

Die grundlegende Wirkung der erfindungsgemäßen Winkelgeschwindigkeitsansteuervorrichtung ist es, bezüglich der Winkelgeschwindigkeit einer umlaufenden Welle eine periodisch veränderliche Winkelgeschwindigkeit in einem Betrieb mit sich exponentiell erhöhender oder verringernder Geschwindigkeit zu liefern. Ein besonderes Merkmal der Vorrichtung liegt darin, daß die grundlegende Wirkung dupliziert wird, d. h. daß sie primär und sekundär bewirkt wird. Wird beispielsweise die Winkelgeschwindigkeitsansteuerung in der Betriebsart mit sich exponentiell erhöhender Geschwindigkeit mittels der primären Winkelgeschwindigkeitsansteuerung bewirkt, so wird die Winkelgeschwindigkeitsansteuerung in der Betriebsart mit sich exponentiell verringernder Geschwindigkeit durch die sekundäre Winkelgeschwindigkeitsansteuerung bewirkt, worauf nach den beiden Vorgängen die Winkelgeschwindigkeitsänderung auf die ursprüngliche zurückgebracht wird. Ist daher eingangsseitig ein Betrieb mit konstanter Winkelgeschwindigkeit vorhanden, so ist ausgangsseitig ebenfalls ein Betrieb mit konstanter Winkelgeschwindigkeit vorhanden.

Die Vorrichtung hat die Funktion, die Betriebsarten mit sich erhöhender und sich verringernder Winkelgeschwindigkeit umzuschalten. Falls zusätzlich zur Umschaltung der Betriebsart mit sich erhöhender und sich verringernder Winkelgeschwindigkeit die Überlappung der primären und sekundären Grundwirkungen verändert wird, d. h. falls die Phasen der Grundwirkungen verschoben werden, kann der Absolutwert des Winkelgeschwindigkeitsverhältnisses zwischen dem Eingang und dem Ausgang kontinuierlich geändert werden.

Ferner ist in jedem der nicht-kreisförmigen Zahnradpaare die die primäre und sekundäre Winkelgeschwindigkeitsansteuervorrichtung bilden, erfindungsgemäß das erste nicht kreisförmige Zahnrad ein Innenzahnrad, das zweite und dritte nicht kreisförmige Zahnrad sind außenverzahnte Zahnräder, wodurch die Vorrichtung in ihren radialen Abmessungen verringert werden kann.

Die Art, der Grundgedanke und die Brauchbarkeit der Erfindung ergibt sich im einzelnen aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen; es zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Winkelgeschwindigkeitsansteuervorrichtung,

Fig. 2 eine Schnittansicht längs der Linie II-II der Fig. 3,

Fig. 3 eine Schnittansicht längs der Linie III-III der Fig. 2,

Fig. 4 eine Vorderansicht, im Schnitt, zur Beschreibung des Arbeitsprinzips eines nicht-kreisförmigen Zahnradpaars, das ein erstes und zweites nicht-kreisförmiges Zahnrad gemäß Fig. 3 aufweist,

Fig. 5 eine Schnittansicht längs der Linie V-V der Fig. 4,

Fig. 6 eine graphische Darstellung zur Angabe der Änderung des Winkelgeschwindigkeitsverhältnisses des ersten und zweiten, in Fig. 4 dargestellten, nicht kreisförmigen Zahnrads,

Fig. 7 eine Vorderansicht im Schnitt, zur Beschreibung des Arbeitsprinzips der Winkelgeschwindigkeitsansteuervorrichtung, die das erste, zweite und dritte nicht-kreisförmige Zahnrad nach Fig. 3 enthält,

Fig. 8 eine Schnittansicht längs der Linie VIII-VIII der Fig. 7,

Fig. 9 eine graphische Darstellung zur Angabe der Betriebskennlinie der Winkelgeschwindigkeitsansteuervorrichtung nach Fig. 7,

Fig. 10 eine graphische Darstellung zur Beschreibung eines stufenlosen Geschwindigkeitsänderungsvorgangs der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung,

Fig. 11 eine graphische Darstellung des Umlaufgeschwindigkeitsverhältnisses zwischen Eingangs- und Ausgangswelle, abhängig vom Steuerdrehwinkel in der Vorrichtung gemäß Fig. 2,

Fig. 12 eine Vorderansicht, im Schnitt, eines nicht-kreisförmigen Zahnradpaars bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Winkelgeschwindigkeitsansteuervorrichtung,

Fig. 13 eine graphische Darstellung des Winkelgeschwindigkeitsverhältnisses bei dem nicht-kreisförmigen in Fig. 12 gezeigten Zahnradpaar,

Fig. 14 eine Vorderansicht, im Schnitt, der wesentlichen Bauelemente der Winkelgeschwindigkeitsansteuervorrichtung, d. h. eines dritten nicht-kreisförmigen Zahnrads zusätzlich zum ersten und zweiten nicht-kreisförmigen Zahnrads gemäß der Fig. 12, und

Fig. 15 eine graphische Darstellung einer Betriebskennlinie der Vorrichtung nach Fig. 14.

Ein stufenlos regelbares Getriebe, das eine Anwendung einer Winkelgeschwindigkeitsansteuervorrichtung darstellt, ist in den Fig. 1 bis 3 angegeben, die jeweils eine Vorderansicht, eine seitliche Schnittansicht und eine im Schnitt angegebene Vorderansicht desselben darstellen. Das stufenlos regelbare Getriebe verwendet vier Grundeinheiten, d. h. vier Winkelgeschwindigkeitsansteuervorrichtungen, wovon jede eine primäre und sekundäre Winkelgeschwindigkeitsansteuereinrichtung umfaßt.

Wie in den Fig. 1 bis 3 angegeben ist, ist eine erste der vier Grundeinheiten so ausgestaltet, daß ein erstes nicht-kreisförmiges Zahnrad a, das ein Innenzahnrad ist, drehbar mittels eines Lagers 71 an einem ersten Rahmen 61 befestigt ist, und ein zweites nicht-kreisförmiges Zahnrad 21a sowie ein drittes nicht-kreisförmiges Zahnrad 31a, die außenverzahnte Zahnräder sind, stehen in Eingriff mit dem ersten nicht-kreisförmigen Zahnrad 11a. Die verbleibende zweite, dritte und vierte Grundeinheit sind ähnlich aufgebaut wie die erste Grundeinheit. Die nicht-kreisförmigen Zahnräder der zweiten Grundeinheit werden mit dem entsprechenden Bezugszeichen mit den Zusatzbuchstaben "b", die der dritten Grundeinheit mit dem Zusatzbuchstaben "c" und jene der vierten Grundeinheit mit dem Zusatzbuchstaben "d" bezeichnet.

In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 44 eine vierte umlaufende Welle, die eine Eingangswelle darstellt, auf der ein kreisförmiges Zahnrad 45 fest montiert ist; 24 eine zweite umlaufende Welle, auf der ein kreisförmiges Zahnrad 27 sitzt, das mit dem kreisförmigen Zahnrad 45 in Eingriff steht, und die zweiten nicht-kreisförmigen Zahnräder 21a, 21b, 21c und 21d sind fest montiert; 34 eine dritte umlaufende Welle, auf welcher die dritten nicht-kreisförmigen Zahnräder 31a, 31b, 31c und 31d über jeweils Einwegkupplungen 37 befestigt sind, und an welcher ein kreisförmiges Zahnrad 35 fest angeordnet ist; und 54 eine fünfte umlaufende Welle, die eine Ausgangswelle bildet, an der ein kreisförmiges Zahnrad 55 fest angebracht ist. Der erste Rahmen 61 ist stationär. Der erste Rahmen 61 nimmt jeweils die vierte und fünfte umlaufende Welle 44 und 54 über Lager 74 und 75 derart auf, daß die umlaufenden Wellen 44 und 54 miteinander fluchten, und er nimmt ferner die zweite umlaufende Welle 24 mittels Lager 72 auf. Der erste Rahmen 61 hat ein Paar bogenförmiger Öffnungen 61a, in die die dritte umlaufende Welle 34 eingeführt wird.

Ferner bezeichnet in den Fig. 1, 2 und 3 das Bezugszeichen 62 einen zweiten Rahmen, der ein beweglicher Rahmen ist, der drehbar mittels Lager 76 und 77 auf den umlaufenden Wellen 44 und 54 gehalten wird. Der zweite Rahmen 62 nimmt die dritte umlaufende Welle 34 mittels Lager 73 auf. Der zweite Rahmen 62 kann in freier Weise den Wert alpha des Zentralwinkels (2/3 pi + alpha) der dritten umlaufenden Welle 34 gegenüber der zweiten umlaufenden Welle 24 um die gemeinsame Drehachse der ersten nicht kreisförmigen Zahnräder 11a bis 11d verändern.

Die zweiten nicht-kreisförmigen Zahnräder 21a, 21b, 21c und 21d sind an der umlaufenden Welle 24 derart fest angeordnet, daß sie in Winkelabständen von pi/2 in Drehrichtung angeordnet sind. Die Kupplungen 37 haben eine Einweg-Transferfunktion und übertragen das Drehmoment von den dritten, nicht kreisförmigen Zahnrädern 31a, 31b, 31c und 31d nur zur dritten umlaufenden Welle 34.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, kann sich der zweite Rahmen 62 gegenüber dem ersten Rahmen 61 um die gemeinsame Drehachse der ersten nicht kreisförmigen Zahnräder 11a bis 11d drehen. Der Drehwinkel ist alpha. in der Ausführungsform ist der Maximalwert von alpha gleich 0.3 pirad und der zweite Rahmen 62 ist in einem Bereich von 0 bis 0,3 pi rad drehbar.

In der auf diese Weise aufgebauten Vorrichtung bilden das Lager 71, die zweite und dritte umlaufende Welle 24 und 34, das erste, zweite und dritte nicht-kreisförmige Zahnrad 11a, 21a und 31a, und der erste und zweite Rahmen 61 und 62 eine erste Winkelgeschwindigkeitsansteuereinrichtung. In ähnlicher Weise bilden das vorausgehend erwähnte Lager, die umlaufenden Wellen und die beiden Rahmen, sowie die nicht kreisförmigen Zahnräder 11b, 21b und 31b eine zweite Winkelgeschwindigkeitsansteuereinrichtung; das Lager, die Rahmen, die umlaufenden Wellen und die nicht kreisförmigen Zahnräder 11c, 21c und 31c bilden eine dritte Winkelgeschwindigkeitsansteuereinrichtung; und das Lager, die umlaufenden Wellen, die Rahmen, und die nicht­ kreisförmigen Zahnräder 11d, 21d und 31d bilden eine vierte Winkelgeschwindigkeitsansteuereinrichtung. Somit ist das in den Fig. 1 bis 3 dargestellte regelbare Getriebe aus der ersten bis vierten Winkelgeschwindigkeitsansteuereinrichtung aufgebaut.

Wird das auf diese Weise aufgebaute stufenlos regelbare Getriebe mit der vierten umlaufenden Welle als Eingangswelle und mit der fünften umlaufenden Welle als Ausgangswelle betrieben, so wird das Verhältnis einer Winkelgeschwindigkeit W_u in der fünften umlaufenden Welle 54 zu einer Winkelgeschwindigkeit W_i an der vierten umlaufenden Welle kontinuierlich mit dem Winkel geändert, der kontinuierlich gesteuert werden kann. Dies wird näher erläutert.

Die Fig. 4 und 5 zeigen das erste nicht-kreisförmige Zahnrad 11a und das zweite nicht-kreisförmige Zahnrad 21a zur Beschreibung des Arbeitsprinzips des nicht-kreisförmigen Zahnradpaars (das Prinzip kann in gleicher Weise auf die übrigen nicht-kreisförmigen Zahnradpaare 11b und 21b, 11c und 21c und 11d und 21d angewandt werden). Wie aus Fig. 5 hervorgeht, ist das erste nicht kreisförmige Zahnrad 11a mittels eines Trägers 12 fest an einer ersten umlaufenden Welle 10 befestigt, und das zweite nicht-kreisförmige Zahnrad 21a, dessen Außenverzahnung mit der Innenverzahnung des ersten nicht-kreisförmigen Zahnrads 11a in Eingriff steht, ist fest an der zweiten umlaufenden Welle 20 angeordnet. In Fig. 4 bezeichnet das Bezugszeichen 15 die in Eingriff stehenden Teilungskurven des ersten nicht-kreisförmigen Zahnrads 11a für den Geschwindigkeitsänderungsbetrieb; 16 die in Eingriff stehenden Teilungskurven des gleichen Zahnrads 11a für den Rückführungsbetrieb; und 25 und 26 jeweils die Teilungskurve für den Geschwindigkeitsänderungsbetrieb und die Teilungskurve für den Rückführungsbetrieb des zweiten nicht-kreisförmigen Zahnrads 21a.

In der Praxis wird beispielsweise eine Evolventenverzahnung längs der vorausgehend beschriebenen, in Eingriff stehenden Teilungskurven gebildet. Jedoch kann eine ausreichende Beschreibung der Umlaufgeschwindigkeit und des Übertragungsmoments unter Verwendung der in Eingriff stehenden Teilungslinien für sich gegeben werden. Daher ist die Gesamtheit oder ein Teil der Verzahnung des Zahnrads in den Fig. 3 und 4 und in den übrigen Figuren nicht angegeben.

Die in Eingriff stehenden Teilungskurven 15 und 16 erstrecken sich jeweils zwischen den Punkten L₁ und und zwischen den Punkten S₁ und L₁. Die in Eingriff stehenden Teilungskurven 25 und 26 erstrecken sich jeweils zwischen den Punkten L₂ und S₂, und zwischen den Punkten S₂ und L₂. Die in Eingriff stehenden Teilungskurven 15 und 25 sind relativ zueinander gleichlang, und die in Eingriff stehenden Teilungskurven 25 und 26 sind relativ zueinander ebenfalls gleichlang. Somit ist die Gesamtzahl der Zähne des ersten, nicht-kreisförmigen Zahnrads 11a das dreifache der Gesamtzahl der Zähne des zweiten, nicht-kreisförmigen Zahnrads 21a, und entsprechend macht das zweite, nicht-kreisförmige Zahnrad 21a drei Umdrehungen, während das erste, nicht-kreisförmige Zahnrad 11a eine Umdrehung durchführt.

Fig. 6 ist eine graphische Darstellung, die die Winkelgeschwindigkeit des ersten, nicht-kreisförmigen Zahnrads zusammen mit jener des zweiten kreisförmigen Zahnrads angibt, wobei die Horizontalachse und die Winkelverschiebung theta des ersten nicht-kreisförmigen Zahnrads 11a angibt, was sich gemäß Fig. 4 im Gegenzeigersinn dreht. Die Winkelverschiebung theta wird unter der Bedingung gemessen, daß, wenn die Zahnräder 11a und 21a gemäß Fig. 4 angeordnet sind, d. h. die Angriffspunkte L_1a und L₂ sind, Winkelverschiebung gleich Null (0) ist. Die Vertikalachse stellt das Verhältnis F (theta) der Winkelgeschwindigkeit des ersten, nicht-kreisförmigen Zahnrads 11a zu jener des zweiten, nicht-kreisförmigen Zahnrads 21a im logarithmischen Maßstab dar. Das Winkelgeschwindigkeitsverhältnis F (theta) des ersten und zweiten, nicht-kreisförmigen Zahnrads 11a und 21a, das eine Funktion von theta ist, ergibt sich als:

F(θ) = |w₂/w₁|

wobei W₁ die Winkelgeschwindigkeit des ersten nicht-kreisförmigen Zahnrads 11a, und W₂ die Winkelgeschwindigkeit des zweiten nicht-kreisförmigen Zahnrads 21 ist.

Wird das erste nicht-kreisförmige Zahnrad 11a, das gemäß Fig. 4 angeordnet ist, über pi/2 rad gedreht, so werden die in Eingriff stehenden Punkte der beiden Zahnräder 11a und 21a von L_1a und L₂ zu S_1a und S₂ verschoben. Dieser Vorgang wird durch die gerade Linie angegeben, die sich vom Bezugswinkelgeschwindigkeitsverhältnis F (O) in Fig. 6 schräg nach oben erstreckt. Anschließend wird dieser Eingriff, wo erforderlich, als "Eingriff bei Geschwindigkeitsänderungsbetrieb" bezeichnet. Darauf folgend wird das erste, nicht-kreisförmige Zahnrad 11 um pi/6 rad gedreht; d. h. daß gem. Fig. 4 angeordnete Zahnrad 11a wird über 2/3 pi rad gedreht, so daß die in Eingriff stehenden Punkte der beiden Zahnräder von S_1a und S₂ zu L_1b und L₂ verschoben werden. Dieser Vorgang wird durch die gerade Linie angegeben, die sich in Fig. 6 schräg nach unten erstreckt. Anschließend wird dieser Eingriff (wo angemessen) als "Eingriff bei Rückführbetrieb" bezeichnet.

Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, liegt das besondere Merkmal der Winkelgeschwindigkeitsansteuervorrichtung darin, daß die logarithmischen Werte der Winkelgeschwindigkeitsverhältnisse (theta) in primärem Verhältnis zu den Winkelbewegungen theta erhöht oder verringert werden. Das heißt, das Winkelgeschwindigkeitsverhältnis F (theta) wird durch eine Exponentialfunktion e^{K theta} F(theta) angegeben, wobei e die Basis des natürlichen Logarithmus und K der Winkelgeschwindigkeitsansteuerungskoeffizient ist. In diesem Fall hat K zwei Arten von Werten, nämlich positive und negative Werte K+ und K-. In Fig. 6 ist K als Differentialwert definiert: K = d log F(theta)/d theta. Beispielsweise ist im Falle der Fig. 4, K+ = +0,3764 rad^-1 und K- = -1,129rad^-1.

Mit dem vorausgehend aufgeführten Winkelgeschwindigkeitsverhältnis kann das Zahnradpaar, d. h. das erste und zweite nicht-kreisförmige Zahnrad 11a und 21a zur Bildung eines stufenlos regelbaren Getriebes verwendet werden.

Ein Winkelgeschwindigkeitsansteuerbetrieb, der sich aus dem vorausgehenden Winkelgeschwindigkeitsverhältnis der nicht-kreisförmigen Zahnräder ergibt, wird anschließend unter Bezugnahme auf die Fig. 7 und 8 beschrieben, die eine geschnittene Vorderansicht und eine geschnittene Seitenansicht eines Teils der in Fig. 3 angegebenen Winkelgeschwindigkeitsansteuervorrichtung zwecks Beschreibung des Arbeitsprinzips derselben zeigen. Die Fig. 7 und 8 stellen das dritte, nicht-kreisförmige Zahnrad 31a zusätzlich zum ersten und zweiten, nicht-kreisförmigen Zahnrad 11a und 21a dar, die unter Bezugnahme auf die Fig. 4 bis 6 erläutert wurden.

Die Daten des dritten, nicht-kreisförmigen Zahnrads 31a entsprechen jenem des nicht-kreisförmigen Zahnrads 21a.

Anschließend wird die Kombination des ersten und zweiten nicht-kreisförmigen Zahnrads 11a und 21a als "primäre Winkelgeschwindigkeitsansteuereinrichtung" bezeichnet, und die Kombination des ersten und dritten nicht-kreisförmigen Zahnrads 11a und 31a wird bei Bedarf als "sekundäre Winkelgeschwindigkeitsansteuerungseinrichtung" bezeichnet. Die erste Winkelgeschwindigkeitsansteuerungseinrichtung soll das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeit w₂ der zweiten umlaufenden Welle 20 zu jenem w₁ der ersten umlaufenden Welle 10 bestimmen. Dieses Verhältnis wird bei Bedarf als "erstes Winkelgeschwindigkeitsverhältnis" bezeichnet. In ähnlicher Weise soll die zweite Winkelgeschwindigkeitsansteuereinrichtung das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeit w₃ der dritten umlaufenden Welle 30 zu jenem w₁ der ersten umlaufenden Welle 10 stimmen, und das Verhältnis wird bei Bedarf als "sekundäres Winkelgeschwindigkeitsverhältnis" bezeichnet. Die primäre Winkelgeschwindigkeitsansteuerungseinrichtung ist aufgebaut, wie es unter Bezugnahme auf die Fig. 4 bis 6 beschrieben wurde. Die gleiche Beschreibung ist für die zweite Winkelgeschwindigkeitsansteuerungseinrichtung gültig. Jedoch wird darauf hingewiesen, daß gem. Fig. 7 die dritte umlaufende Welle 30 derart angeordnet ist, daß sie einen Zentralwinkel von (2/3·pi + alpha) mit der zweiten umlaufenden Welle 20 um die Drehachse des ersten, nicht-kreisförmigen Zahnrads 11a bildet. Dreht sich das dritte, nicht-kreisförmige Zahnrad 31a längs des Innenumfangs des ersten nicht-kreisförmigen Zahnrads 11a, so wird die gleiche Lagebeziehung zwischen dem ersten und dritten, nicht-kreisförmigen Zahnrad bei jedem Zentralwinkel von 2/3 pi rad gebildet. Daher ist die Anordnung des Zentralwinkels von 2/3· pi + alpha äquivalent zur Bestimmung eines Zentralwinkels alpha. Ist die primäre Winkelgeschwindigkeitsansteuereinrichtung in einem Eingriffszustand bei einer Winkelverschiebung (theta) des ersten, nicht-kreisförmigen Zahnrads 11a, so ist entsprechend die sekundäre Winkelgeschwindigkeitsansteuerungseinrichtung in einem Eingriffszustand bei einer Winkelverschiebung (theta + alpha) des ersten, nicht-kreisförmigen Zahnrads 11a. Somit wird die primäre Winkelgeschwindigkeit |w₂/w₁| durch die vorausgehend beschriebene Exponentialfunktion e^{k theta} F(O) beschrieben, und das sekundäre Winkelgeschwindigkeitsverhältnis wird durch eine Exponentialfunktion e^{k(theta + alpha)} F (O) beschrieben. Dabei ist das Verhältnis (w₃/w₂) der Winkelgeschwindigkeit der dritten umlaufenden Welle zu jener der zweiten umlaufenden Welle gleich dem Quotienten aus dem sekundären Winkelgeschwindigkeitsverhältnis geteilt durch das primäre Winkelgeschwindigkeitsverhältnis; d. h. eine Exponentialfunktion e^K·alpha unter Verwendung des vorausgehend erläuterten Winkels alpha. Dieser Ausdruck e^K·alpha ergibt eine fundamentale Kenngröße des Betriebs der erfindungsgemäßen Winkelgeschwindigkeitsansteuerungsvorrichtung.

Fig. 9 ist eine graphische Darstellung, die das Winkelgeschwindigkeitsverhältnis w₃/w₂ in Verbindung mit dem Steuerwinkel alpha angibt. Wie aus Fig. 9 hervorgeht, hat das Verhältnis w₃/w₂ abhängig von der Kombination der nicht-kreisförmigen Zahnradpaare einen konstanten Wert über ein bestimmtes Bogenmaß, und ändert sich in Abhängigkeit mit dem Wert alpha.

Eine stufenlos regelbare Übertragung kann durch Verwendung der Winkelgeschwindigkeitsansteuerungseinrichtungen als elementare Einheiten in folgender Weise gebildet werden: die Elementareinheiten werden mit der ersten Einrichtung zur Änderung des Werts alpha kombiniert, mit einer zweiten Einrichtung zur kontinuierlichen Konstanthaltung des Winkelgeschwindigkeitsverhältnisses w₃/w₂, und mit einer dritten Einrichtung zur Erfassung allein eines bestimmten Werts aus dem sich wiederholenden Änderungsmuster des Winkelgeschwindigkeitsverhältnisses. Diese Einrichtungen werden näher erläutert.

Die erste Einrichtung zur Änderung des Werts alpha kann behalten werden, indem eine Anordnung vorgesehen wird, die es dem zweiten Rahmen 62 gestattet, sich relativ zum ersten Rahmen 61 zu drehen, wie es unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 beschrieben wurde. Die erste Einrichtung kann gemeinsam für alle Elementareinheiten verwendet werden.

Die zweite Einrichtung zum kontinuierlichen Konstanthalten des Winkelgeschwindigkeitsverhältnisses w₃/w₂ kann erhalten werden, indem die zweiten nicht-kreisförmigen Zahnräder 21a, 21b, 21c und 21d an der zweiten, umlaufenden Welle 24 derart fest montiert werden, daß sie in Winkelabständen von pi/2 rad angeordnet sind. Der Umstand, daß die zweiten nicht-kreisförmigen Zahnräder in Winkelabständen von pi/2 rad angeordnet sind, bedeutet die Festlegung der folgenden Gleichung:

G₂(θ) = G₁(θ-β)

wobei G₁ (theta) das Winkelgeschwindigkeitsverhältnis w₃/w₂ der ersten Winkelgeschwindigkeitsansteuerungseinrichtung ist, in dem das zweite und dritte, nicht-kreisförmige Zahnrad 21a und 31a in Eingriff mit dem ersten nicht-kreisförmigen Zahnrad 11a stehen, und G₂ (theta) das Winkelgeschwindigkeitsverhältnis w₃/w₂ der zweiten gebildeten Winkelgeschwindigkeitsansteuerungseinrichtung ist, in der das zweite und dritte, nicht-kreisförmige Zahnrad 21b und 31b in Eingriff mit dem ersten, nicht-kreisförmigen Zahnrad 11b stehen. In ähnlicher Weise können G₂ (theta) und G₃ (theta), G₃ (theta) und G₄ (theta), und G₄ (theta) und G₁ (theta) definiert werden. In der vorausgehenden Gleichung ist β so bemessen, daß der Phasenunterschied pi/2 der dem zweiten nicht-kreisförmigen Zahnrädern 21a bis 21d auf der sekundären umlaufenden Welle 24 gegeben wird, durch den Phasenunterschied der ersten nicht-kreisförmigen Zahnräder 11a, 11b, 11c und 11d auf der Achse der vierten umlaufenden Welle 44 ersetzt wird, und weist somit einen Wert auf, der eine Funktion der Winkelverschiebung theta der ersten umlaufenden Welle 10 ist. In der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform ist der Mindestwert von β = 0,375 pi rad.

Fig. 10 ist eine graphische Darstellung, die die Winkelgeschwindigkeitsverhältnisse w₃/w₂ der ersten bis vierten Winkelgeschwindigkeitsansteuereinrichtung mit polygonalen Linien A bis D angibt. In dem Bereich, der der Beziehung alpha ≦ β_min genügt, wird das Winkelgeschwindigkeitsverhältnis w₃/w₂ auf dem Konstantwert e^K·alpha über den gesamten Bereich der Winkelverschiebung theta gehalten. Die graphische Darstellung gibt den Fall an, wo unter dieser Bedingung alpha = 0,3 pi.

Die dritte Maßnahme zur Auswahl nur eines besonderen Werts aus den verschiedenen Winkelgeschwindigkeitsverhältnissen der Winkelgeschwindigkeitsansteuereinrichtung kann durch Verwendung einer Einweg-Kupplungsfunktion erzielt werden. In den Fig. 2 und 3 entsprechen die Winkelgeschwindigkeitsverhältnisse der dritten nicht-kreisförmigen, einen Winkelbereich bildenden Zahnräder 31a bis 31d hinsichtlich w₂ jeweils den polygonalen Linien A bis D. Eine Einrichtung, um auf die dritte umlaufende Welle 34 nur die Winkelgeschwindigkeit auszuüben, die zu einem der Winkelgeschwindigkeitsverhältnisse A bis D beiträgt, umfaßt die Lager 37 mit Einweg-Kupplungsfunktion. Diese Lager 37 sind so ausgestaltet, daß sie ein Drehmoment von den dritten, nicht-kreisförmigen Zahnrädern 31a bis 31d nur auf die dritte umlaufende Welle 34 übertragen, so daß letztere in Richtung des in Fig. 2 eingetragenen Pfeils gedreht wird. Das heißt, das höchste der Winkelgeschwindigkeitsverhältnisse, die in Fig. 10 durch die Vielecklinien A bis D angegeben sind, wird zur Drehung der umlaufenden Welle 34 verwendet, und die anderen nicht verwendeten lassen sie in Ruhe.

Wie aus obiger Beschreibung hervorgeht, kann der Winkel alpha stufenlos gesteuert werden. Daher kann das Winkelgeschwindigkeitsverhältnis w₃/w₂ ebenfalls stufenlos gesteuert werden, und wenn der Winkel alpha festgelegt ist, wird er auf einen konstanten Wert gestellt, der mit dem Winkel alpha korelliert. in der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform sind die vierte und fünfte umlaufende Welle 44 und 54 mittels eines Paars gewöhnlicher kreisförmiger Zahnräder 45 und 27 und eines Paars gewöhnlicher kreisförmiger Zahnräder 55 und 35 jeweils mit der zweiten und dritten umlaufenden Welle 24 und 34 gekoppelt. In diesem Fall sind die Eingangswelle und Ausgangswelle der stufenlos regelbaren Getriebeanordnung koaxial angeordnet. Das Übersetzungsverhältnis des Paars der kreisförmigen Zahnräder 45 und 25 und jenes des Paars der kreisförmigen Zahnräder 55 und 35 kann jeweils auf die gewünschten Werte eingestellt werden. Diese Übersetzungsverhältnisse sind von Bedeutung bei Einstellung des Umlaufgeschwindigkeitsverhältnisses der Eingangswelle und der Ausgangswelle des stufenlos regelbaren Getriebes; sie haben jedoch keinen direkten Bezug zur Winkelgeschwindigkeitsaussteuerung, die ein technisches Konzept der Erfindung darstellt. Fig. 11 ist eine graphische Darstellung, die das Winkelgeschwindigkeitsverhältnis der Eingangs- und Ausgangswelle des Ausführungsbeispiels (Fig. 1 bis 3) des stufenlos regelbaren Getriebes darstellt, bei dem die Übersetzungsverhältnisse des Paars der kreisförmigen Getriebe 45 und 27 (sowie 55 und 35) auf eins (1) eingestellt werden, und die vierte Welle 44 und die fünfte umlaufende Welle 55 werden jeweils als Eingangswelle und Ausgangswelle verwendet. Anders ausgedrückt, das Umlaufgeschwindigkeitsverhältnis w_u/w_i der Eingangs- und Ausgangswelle bei Winkeln alpha, die durch Drehen des zweiten Rahmens 62 bestimmt werden, sind durch die schräg verlaufende gerade Linie in einseitig logarithmischer Darstellung angegeben.

Die Winkelgeschwindigkeitsansteuervorrichtung wurde unter Bezugnahme auf die nicht-kreisförmigen Zahnräder gemäß den Fig. 3, 4 und 7 beschrieben; jedoch wird darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht hierauf oder durch sie beschränkt ist. Eine zweite Ausführungsform der Winkelgeschwindigkeitsansteuervorrichtung, die andere nicht-kreisförmige Zahnräder verwendet, wird unter Bezugnahme auf Fig. 12 beschrieben.

Fig. 12 stellt nicht-kreisförmige Zahnräder bei der zweiten Ausführungsform der Winkelgeschwindigkeitsansteuervorrichtung dar, die sich von denen nach Fig. 4 unterscheiden. In Fig. 12 bezeichnet das Bezugszeichen 111a ein erstes nicht-kreisförmiges Zahnrad, das ein Innenzahnrad ist und ineinander übergehende Teilungskurven 115a, 116a, 115b, 116b, 115c und 115d aufweist; 121a ist ein zweites nicht-kreisförmiges Zahnrad, das ein außen verzahntes Zahnrad ist und ineinander übergehende Teilungskurven 122 und 123 aufweist. Fig. 13 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung der Winkelgeschwindigkeit zwischen dem ersten nicht-kreisförmigen Zahnrad 111a und dem zweiten nicht-kreisförmigen Zahnrad 121a angibt. In Fig. 13 hatten die horizontale und die vertikale Achse und die Daten theta, w₁, w₂, F(theta) und F(O) in gleicher Weise wie in Fig. 6 bestimmt. Dreht sich das erste nicht-kreisförmige Zahnrad 111a, das gem. Fig. 12 angeordnet ist, über einen Winkel von 1/3·pi rad, so werden die ineinander übergehende Stellen des ersten und zweiten nicht-kreisförmigen Getriebes 111a und 121a von L_1a und L₂ nach S_1a und S₂ verschoben. Die Änderung des Winkelgeschwindigkeitsverhältnisses F(theta) während dieser Zeitspanne wird durch die gerade Linie dargestellt, die sich in Fig. 13 schräg nach rechts oben erstreckt. Bei diesem Betrieb wird die Beziehung F(theta) = e^K1·theta F(O) eingehalten. Dreht sich das erste nicht-kreisförmige Zahnrad 111a weiter über 1/3·pi rad, so werden die eingreifenden Stellen nach L_1b und L₂ verschoben. Dieser Vorgang wird durch die Gerade angegeben, die sich in Fig. 13 schräg nach unten erstreckt. In diesem Falle gilt F(θ) = e^{K2 (theta-pi/3)} F(pi/3). Somit hat das erste nicht-kreisförmige Zahnrad 1/3 Umdrehung ausgeführt, während das zweite nicht-kreisförmige Zahnrad eine Umdrehung vollführte. Während das erste nicht-kreisförmige Zahnrad 111a die verbleibende 2/3 Umdrehung ausführt, führt das zweite nicht-kreisförmige Zahnrad 121a zwei Umdrehungen aus. Bei diesem Vorgang ist die Änderung der Winkelgeschwindigkeit die gleiche wie bei der ersten vorstehend beschriebenen Umdrehung. In der in Fig. 12 angegebenen Winkelgeschwindigkeitsansteuervorrichtung sind die Winkelgeschwindigkeitsansteuerkoeffizienten K1 = 0,3764 rad^-1 und K2 = -0,3764 rad^-1.

Fig. 14 zeigt einen Teil der Anordnung des zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Winkelgeschwindigkeitsansteuervorrichtung, die das Paar nicht-kreisförmiger Zahnräder verwendet, wie es unter Bezugnahme auf die Fig. 12 und 13 beschrieben worden ist. Insbesondere zeigt die Fig. 14 ein drittes nicht-kreisförmiges Zahnrad 131a zusätzlich zum ersten und zweiten nicht-kreisförmigen Zahnrad 111a und 121a. Die Daten des dritten nicht-kreisförmigen Zahnrads sind die gleichen wie die des zweiten nicht-kreisförmigen Zahnrads 121a. Die Betriebskennlinien der Winkelgeschwindigkeitsansteuervorrichtung sind in Fig. 15 angegeben, bei welcher die horizontale und vertikale Achse, und die Daten theta, alpha und w₃/w₂ in der gleichen Weise wie in Fig. 9 bestimmt werden.

Bei Verwendung des zweiten Ausführungsbeispiels einer Winkelgeschwindigkeitsansteuervorrichtung nach den Fig. 12 bis 15 als Elementareinheit wird, ähnlich wie beim ersten unter Bezugnahme auf die Fig. 4 bis 9 beschriebenen Ausführungsbeispiel, eine stufenlos regelbare Kupplung zur Verfügung gestellt. Das stufenlos regelbare Geschwindigkeitsverhalten ist das gleiche wie beim ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 11; das heißt, der Steuerwinkel alpha ist in einem primären Verhältnis zum logarithmischen Verhältniswert w_u/w_i der eingangsseitigen und ausgangsseitigen Umlaufgeschwindigkeit.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist der ersten Rahmen 61 stationär, während der zweite Rahmen 62 drehbar ist. Jedoch können sie derart abgeändert werden, daß der zweite Rahmen 62 stationär und der erste Rahmen 61 beweglich ist.

Wie vorausgehend beschrieben wurde, ist erfindungsgemäß ein Zahnrad aus einem Paar nicht-kreisförmiger Zahnräder, dessen ineinanderübergehende Teilungskurven so bemessen sind, daß sie eine periodisch sich verändernde Umlaufgeschwindigkeit bei einer Betriebsart mit sich exponentiell erhöhender oder verringernder Geschwindigkeit liefern, ein Innenzahnrad, und das andere ein außen verzahntes Zahnrad, und die Winkelgeschwindigkeit aus Steuereinrichtungen oder Elementareinheiten zum Aufbau eines stufenlos regelbaren Getriebes bestehen aus den vorstehend aufgeführten Paaren aus nicht-kreisförmigen Zahnrädern, die in geeigneten Eingriff miteinander stehen. Daher kann ein stufenlos regelbares Getriebe mit hohen Übertragungswirkungsgrad erhalten werden, das in Radialrichtung kleiner bemessen ist, als das bekannte Getriebe.

Claims (2)

1. Winkelgeschwindigkeitsansteuervorrichtung

• - mit einem ersten Rahmen (61) zur Lagerung einer ersten Welle (20; 24) in ersten Lagern (71, 72);
• - mit einem zweiten Rahmen (62) zur Lagerung einer zwei­ ten Welle (30; 34) in zweiten Lagern (73);
• - wobei der zweite Rahmen (62) relativ zum ersten Rahmen (61) drehbar und entweder der erste oder der zweite Rahmen stationär ist;
• - mit einer ersten Winkelgeschwindigkeits-Modulations­ einrichtung, die zumindest ein nicht-kreisförmiges Zahnradpaar aufweist, die ein primäres Winkelgeschwin­ digkeitsverhältnis aufweisen, die als Umlaufräderge­ triebe ausgebildet ist, das ein erstes nicht-kreisför­ miges Zahnrad in Form eines im ersten Rahmen (61) drehbar gelagerten Innenzahnrades (11a; 111a) umfaßt, das mit einem zweiten nicht-kreisförmigen Zahnrad in Form eines auf der zweiten Welle (20; 24) angeordneten Außenzahnrades (21a; 212a) kämmt, wobei das primäre Winkelgeschwindigkeitsverhältnis durch eine Exponen­ tialfunktion e^{K theta}·F(O) ausgedrückt wird, wobei F(O) und K das Bezugswinkelgeschwindigkeitsverhältnis bzw. der Winkelgeschwindigkeitssteuerkoeffizient sind, und theta die Winkelverschiebung des ersten nicht­ kreisförmigen Zahnrads (11a; 111a) ist; und
• - mit einer zweiten Winkelgeschwindigkeits-Modulations­ einrichtung, die zumindest ein nicht-kreisförmiges Zahnradpaar aufweist, das ein sekundäres Winkelge­ schwindigkeitsverhältnis aufweist, die ebenfalls als Umlaufrädergetriebe ausgebildet ist, das das erste nicht-kreisförmige Zahnrad (11a; 111a) als Innenzahn­ rad und ein drittes nicht-kreisförmiges Zahnrad (31a; 131a) in Form eines Außenzahnrades aufweist, das auf einer dritten umlaufenden Welle (30; 34) angeordnet ist und mit dem ersten nicht-kreisförmigen Zahnrad (11a; 111a) in Eingriff steht, wobei das erste und dritte nicht-kreisförmige Zahnrad (11a; 111a, 31a; 131a) das sekundäre Winkelgeschwindigkeitsverhältnis aufweisen, das durch eine Exponentialfunktion e^{K(theta+alpha)}·F(O) ausgedrückt ist, wobei F(O) das Be­ zugswinkelgeschwindigkeitsverhältnis und alpha ein einstellbarer Winkelwert ist, und wobei das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeit der dritten umlaufenden Wel­ le (30; 34) zur zweiten umlaufenden Welle (20; 24) durch eine Exponentialfunktion e^K·alpha gegeben ist, wobei K der Winkelgeschwindigkeitsansteuerkoeffizient und alpha der genannte Winkel ist.

2. Winkelgeschwindigkeitsansteuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite nicht-kreisförmige Zahnrad (11a, 111a; 21a, 121a) in Ein­ griff miteinander stehende, umlaufende Stellen längs ihrer in Eingriff stehenden Teilungskurven haben, die, wenn der Absolutwert w₂/w₁ des Verhältnisses der Winkel­ geschwindigkeit w₂ des zweiten, nicht-kreisförmigen Zahn­ rads zur Winkelgeschwindigkeit w₁ des ersten, nicht­ kreisförmigen Zahnrads durch eine Funktion F (theta) der Winkelverschiebung theta des ersten nicht kreisförmigen Zahnrads dargestellt wird, es gestatten, daß ein Diffe­ rentialwert K, der durch eine Differentialgleichung K = d log F(theta)/d theta kontinuierlich eine positive oder negative Konstante oder näherungsweise ein konstanter Wert ist.