DE4103946A1

DE4103946A1 - Getriebe mit variablem, periodisch wechselden uebersetzungsverhaeltnis, vorzugsweise fuer blutpumpenantriebe und brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE4103946A1
Application number: DE19914103946
Authority: DE
Inventors: Joern Martens
Original assignee: Individual
Current assignee: MARTENS, JOERN, 27711 OSTERHOLZ-SCHARMBECK, DE
Priority date: 1991-02-09
Filing date: 1991-02-09
Publication date: 1992-08-13

Description

Getriebe mit variabelem, periodisch wechselnden Übersetzungs verhältnis sind z. B. aus meinen Patentanmeldungen DE 36 02 727 und DE 40 31 272 bekannt.

Das Getriebe der erfindungsgemäßen Art wandelt eine, angenommen konstante Antriebsdrehzahl in eine, entsprechend seinem Übersetzungsverhältnis, periodisch wechselnde um, oder auch umgekehrt, d. h., eine (periodisch) wechselnde Drehzahl wird in eine, mehr oder weniger konstante umgewandelt. Beides kann für die verschie densten Anwendungsbereiche erforderlich sein. So ist z. B. bei einer Blutpumpe ("Kunstherz") ein derartiges Getriebe nützlich, um bei konstanter Antriebsdrehzahl (-wichtig z. B. für die Stand festigkeit eines Elektroantriebs-), einen modulierten Auswurf zu erzielen. Dieser Auswurf ist durch die erfindungsgemäße Konstruk tion des Getriebes noch während des Betriebs variierbar, und damit auch z. B. entsprechend der Blutdruck. Hierdurch kann die Blutpumpe genau auf die Erfordernisse des Körpers eingestellt werden. Das Getriebe basiert in seiner einfachsten Ausführung auf einer ein fachen Paarung von zwei elliptischen Stirnrädern, die mit einem weiteren Paar elliptischer Zahnräder in ihrem Antrieb gekoppelt sind, wie es in der Patentanmeldung DE 40 31 272 von mir be schrieben wurde. Die Zahnradpaarung mit den elliptischen Stirn rädern weist ein periodisch wechselndes Übersetzungsverhältnis auf, dessen Schwankung von der Exzentrizität der elliptischen Zahnräder abhängt. Durch die Kombination von zwei oder drei Zahnradpaaren zu einem Getriebe, kann man so nicht nur extrem wirkungsgradverschlechternde Exzentrizitäten vermeiden, sondern auch, durch eine Verschiebung der einzelnen Zahnradpaare gegen einander, also durch eine Überlagerung der einzelnen Übersetzun gen, fast jede gewünschte Kurvencharakteristik für die Antriebs drehzahl in der Zeit wählen. Bei der erfindungsgemäßen Konstruk tion kann diese Verstellung sogar während des Betriebes und stufenlos erfolgen.

Je nach der zu übertragenden Leistung, den zu übertragenden Drehmomentschwankungen, der möglichen Abmessungen des Getriebes usw., sind hier von mir mehrere Ausführungen, speziell bezüglich der Einrichtung zur stufenlosen Verstellung der Wellen von An trieb- (4) bzw. Abtrieb (5) zwischen den Zahnradpaarungen (1, 2) denkbar, so, daß ihr Gesamtübersetzungsverhältnis (GÜ1) mecha nisch oder von Hand leicht einstellbar wird.

So kann bei Maschinen, z. B. Brennkraftmaschinen, die Drehzahl z. B. einer Ausgleichswelle (21) zum Ausgleich der Massenkräfte eines Antriebsaggregates (20) mit diesem Getriebe abhängig von der Drehzahl der Antriebswelle (19) geregelt werden. Dies kann abhängig von der Antriebsdrehzahl, aber auch abhängig von Schwin gungen, die z. B. in den Befestigungsteilen des Antriebsaggregates auftreten, erfolgen.

Bei relativ geringen Drehmomenten und Lastwechseln erfolgt die Kraftübertragung zwischen den Zahnradpaarungen (1, 2, 3) mit einem Zahnriemen (6), dessen "Lasttrum-" bzw. "Leertrum" Längen (L1, L2) zur Veränderung der relativen Stellung der Zahnradpaarungen (1, 2, 3) zueinander veränderlich ist. Die Verstellung erfolgt über eine Einrichtung (7), die entsprechend der, in Fig. 1 dargestellten "Wip pe" (7′′) ausgeführt sein kann, die die eine Seite ("Lasttrum") spannt, und die andere Seite ("Leertrum") gleichermaßen lockert, wobei die Verkürzung der einen Seite der Verlängerung der anderen entspricht, die vorschriftsmäßige Zahnriemenspannung also erhalten bleibt. Diese Art der Verstellung ist natürlich auch während des Betriebs, "von Hand", oder über eine entsprechende Einrichtung, hydraulisch oder mechanisch (Servomotor) betätigt, möglich.

Hohe Drehmomente, starke Lastwechselschwankungen und der Wunsch nach geringen Hauptabmessungen des Getriebes machen andere Kon struktionen erforderlich. So erfolgt in einer Ausführung der er findungsgemäßen Konstruktion die Verstellung über eine Einrichtung (7′) mit kodierter Nutenwelle (8), in deren Nuten Führungsstifte eines Hülsrohres gleiten, dessen axiale Verschiebung zu einer Ver drehung des Hülsrohres gegenüber der Nutenwelle (8) führt, und somit zu einer Verstellung der damit verbundenen Zahnradpaarungen (1, 2) relativ zueinander. Auch diese Verstellung kann natürlich während des Betriebs erfolgen. - Es ist auch an eine Einrichtung zur hydrau lischen Verstellung der Zahnradpaare (z. B. 2, 3) gedacht. Die Welle (13) zum Zahnradpaar (3) ist mit einem Drehkolben (9) verbunden, der den Zylinder (10) in einen Arbeitsraum (11) und einen Arbeitsraum (12) unterteilt. Dieser Zylinder (10) ist wiederum mit einer Welle (14) verbunden. Die Wellen (13, 14) sind so gegeneinander durch Einleiten eines Fluids in den einen Arbeitsraum (z. B. 11) und die Ab leitung des Fluids aus dem anderen Arbeitsraum (12), bzw. umgekehrt, verstellbar. Die Ein- bzw. Ableitung des Fluids erfolgt über den entsprechend hohlen, mit zwei konzentrischen Leitungen (16, 17) ver sehenen Drehkolben (9) und die Welle (13) mittels einer Hydraulik (15), von der die Verstellung des Gesamtübersetzungsverhältnisses auch während des Betriebs, z. B. von einer Regelelektronik (18) über wacht, und abhängig von einem oder mehreren Parametern gesteuert wird, und so z. B. der Kunstherz-Antrieb genau einer vorgegebenen Blutdruck-Kurve folgen kann. Diese Hydraulik kann zudem auch als Stoß- und Schwingungsdämpfer der Wellen (13, 14) ausgelegt sein.

Das Getriebe kann auch zwischen die Antriebswelle (19) z. B. eines, unerwünschte Schwingungen beim Betrieb erzeugenden Antriebsaggre gates (20) und der, z. B. parallel zu dessen Antriebswelle (19) lau fenden Ausgleichswelle (21) eingesetzt werden, und die Regelelek tronik (18) und die Einrichtung (7 oder 7′) bzw. die Hydraulik so geschaltet und gestaltet sein, daß die relative Verdrehung der Antriebswelle (19) gegen die Ausgleichswelle (21) die unerwünschten Schwingungen möglichst gut ausgleicht. Die Ausgleichwelle selbst kann hierzu wie im Maschinenbau üblich gestaltet sein oder auch eine hydraulische Verstellvorrichtung, z. B. nach Anspruch 6 besit zen, die die Ausgleichswelle (21) in sich, d. h. die einzelnen Aus gleichsgewichte relativ zueinander verdreht.

Wie die Ausgleichswelle (21) kann man natürlich auch eine Nocken welle (22) und andere Steuer- und Regeleinrichtungen des, z. B. An triebsaggregates (20) über das Getriebe antreiben. Hierdurch wird die Palette der Möglichkeiten zur Optimierung speziell der Steue rung der Gaswechseleinrichtungen von Brennkraftmaschinen er weitert. Eine automatische oder manuelle, präzise Anpassung der Ventilbetätigung an die verschiedensten Parameter wird möglich. Es können z. B. sowohl die Nockenwelle (22) gegen die Antriebs welle (19), als auch die Nocken der Nockenwelle (22) gegeneinander verdreht werden. Ein möglicher Verstellmechanismus ist in An spruch 7 beschrieben. Hierdurch können sowohl die Öffnungs- und Schließ- Zeitpunkte, als auch deren Dauer während des Betriebs verändert werden. Zudem kann die Ventilüberschneidung gesteuert werden, und das unter Erhalt der bekannt-bewährten Ventilsteuerung. Die erfindungsgemäße Konstruktion ist auch geeignet, im Antrieb von Fahrzeugen mit Tretkurbelantrieb (z. B. Fahrrädern) Verwendung zu finden. Der Antrieb des Fahrzeuges mit Muskelkraft wird so ohne Zugkraftunterbrechung möglich, wobei beide Tretkurbeln (24, 25) über jeweils ein Zahnradpaar (29, 33), die Verstelleinrichtung des Getrie bes (26), die Welle (32) und, z. B. über einen Zahnriemen (30), die Antriebsachse (27) des Fahrzeugs antreiben. Durch das periodisch wechselnde Übersetzungsverhältnis des Getriebes (26) wird eine ebensolche Veränderung der Winkelgeschwindigkeiten der Tretkurbeln (24, 25) bewirkt. Durch geschickte Auslegung des Getriebes (26) bei der Konstruktion (des Fahrzeugs) kann so der Tretkurbelantrieb ergonomisch optimiert werden.

Die größte Übersetzung (Ümax), und damit die geringste Winkel geschwindigkeit (w-min) der Tretkurbeln (24, 25) wird im Punkte der maximal möglichen Tretkraft des Fahrers gewählt, die größte Winkel geschwindigkeit (w-max) der Tretkurbeln (24, 25) soll zwischen dem unteren und dem oberen "Totpunkt" (UT/OT) auf dem "Rückweg", auf der Leerlaufseite der Tretkurbeln (24, 25) liegen. Eine individuelle Anpas sung ist durch die Verstellbarkeit des Getriebes (26) auch während des Betriebs, während der Fahrt möglich. Es ist immer mindestens eine der Tretkurbeln (24, 25) im physiologisch-ergonomisch gesehen, günstigen Bereich außerhalb der Totpunkte (OT bzw. UT). Speziell die Belastung der (Hüft-, Knie-) Gelenke des z. B. Fahrradfahrers wird so durch das Getriebe (26) mit dem günstig wechselden Übersetzungsverhältnis reduziert. Die Kombination der beiden Zahn radtriebe (29, 33) bringt die gewünschte, relativ große Überset zung der Tretkurbeln (24, 25) für einen relativ großen Kurbel winkel (c) des Antriebs-Tretvorgangs (Kurbelwinkel a). Die Maxi malgeschwindikeit erreichen die Tretkurbeln (24, 25) auf dem Weg vom unteren (UT) zum oberen Totpunkt. (OT). Die Übersetzung ist im Gegensatz zu den herkömmlichen Tretkurbelantrieben (Fahrrad) dort am größten, wo die größte Tretkraft des Fahrers zur Ver fügung steht, woraus ein gleichmäßiger, effizienter Vortrieb resultiert. Zudem kann durch die nur indirekte Kopplung der Tretkurbeln (24, 25) und die Einstellbarkeit des Getriebes (26) eine individuelle Anpassung wegen evtl. vorhandener pathologi scher Veränderungen des Fahrers vorgenommen werden. In Fig. 4 ist dieses Getriebe (26) als 2-stufiges Getriebe schematisch dargestellt. Die Exzentrizität der elliptischen Zahnräder (29-33) ist zur Verdeutlichung der Zeichnung relativ groß gewählt worden. Als Einrichtung zur Verstellung (34) der Zahnradpaa rung (29) gegen die Zahnradpaarung (33), d. h., zur Verdrehung der Welle (31) gegen die Welle (32), ist in einer Ausführung der erfindungsgemäßen Konstruktion eine Einrichtung (34) mit einer fremdgeschalteten Kupplung für Reib- oder Formschluß vorgesehen (Fig. 5), deren maximaler Verstellwinkel (β) durch die Anschläge (35, 36) in der Welle (32) gegeben ist. Diese Welle (32) ist zwi schen den Anschlägen (35, 36) mit Reibflächen (38, 40) für den Reibschluß mit der Nase (41) versehen (Fig. 6). Diese Reibflä chen (38, 40) weisen nach außen und zu den gedachten Winkelhal bierenden (c, d) zwischen den Anschlägen (35, 36) den größten Abstand von der Nase (41) auf. Diese Nase (41) ist nun, als Bestandteil der Welle (31), mit dieser, oder, drehfest damit verbunden, in axialer Richtung verschiebbar gestaltet. Diese axiale Verstellung kann z. B. über einen Seilzug (42) gegen die Federkraft der Feder (37) für den Reibschluß der Reibflächen (40/41) erfolgen. Nach Trennen der Kupplung/Einrichtung (34) wird die Verdrehung der Wellen (31, 32) über die entsprechende Bewegung der Tretkurbeln (24, 25) erreicht. Die gebogene Gestal tung der Reibflächen (38, 40) sorgt für die Zentrierung und die einfache Einstellung der mittleren Position. Ein Maß für den Verstellwinkel ("Grundeinstellung") der Wellen (31, 32) gegenein ander ist der Verstellweg (1) des Seilzuges (42) (Fig. 5). Zusätz liche Variationsmöglichkeiten ergaben sich bei einer dreistu figen Gestaltung, also, z. B., mit der Zahnradpaarung 1,2,3 und der Fig. 1-2, wobei die Welle (14) in Fig. 2 der Welle (5) in Fig. 1 entspräche.

Claims

1. Getriebe mit 2 Zahnradpaarungen mit periodisch wechselndem Übersetzungsverhältnis, dadurch gekennzeich net, daß die beiden Zahnradpaarungen (1, 2) so miteinander in Antrieb (4) bzw. Abtrieb (5) verbunden sind, daß ihr Gesamtüber setzungsverhältnis (GÜ1) mechanisch oder von Hand leicht ein stellbar ist.

2. Getriebe gemäß dem Hauptanspruch, dadurch ge kennzeichnet, daß eine dritte Zahnradpaarung (3) mit periodisch wechselndem Übersetzungsverhältnis (Ü3) ein stellbar hinter, vor oder zwischen die beiden erstgenannten Zahnradpaarungen (1, 2) geschaltet wird, und so ein fast be liebig einstellbares, periodisch wechselndes Übersetzungsverhältnis erzeugt werden kann.

3. Getriebe gemaß den Ansprüchen 1-2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kraftübertragung zwischen den Zahnradpaarungen (1, 2, 3) über einen Zahnriemen (6) erfolgt, und dieser, zur Verstellung der relativen Stellung der Zahn radpaarungen (z. B. 1, 2) zueinander, über die Einrichtung (7) in seiner Länge (z. B. L1, L2) zwischen den beiden Zahnradpaa rungen (z. B. 1, 2) verstellbar ist, wobei, z. B. die Verlänge rung der einen, der ("Arbeitstrum"-) Seite, der Verkürzung der anderen, der ("Leertrum"-) Seite entspricht.

4. Getriebe gemäß den Ansprüchen 1-2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Verstellung der Zahnradpaa rungen (1, 2, 3) über eine Einrichtung (7′) mit kodierter Nuten welle (B) erfolgt.

5. Verstellvorrichtung für ein Getriebe nach den Ansprüchen 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung der Zahnradpaarungen (1, 2, 3) gegeneinander hydraulisch erfolgen kann, und hierzu ein Drehkolben (9) in einem Zylinder (10), über die Einleitung eines Fluids in jeweils einen der beiden Arbeitsräume (z. B. 11) und die Ableitung des Fluids aus dem zweiten Arbeitsraum (z. B. 12), drehbar gelagert ist, und so die, mit dem Drehkolben (9) verbundene Welle (13), relativ gegenüber der, mit dem Zylinder (10) verbundenen Welle (14) bis zum Anschlag verdrehbar ist.

6. Getriebe nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Arbeitsräume (11, 12) mit einer Hydrau lik (15) verbunden sind, von der die relative Verdrehung der Wellen (13, 14) gegeneinander, fortgesetzt, auch während ihres Betriebs, kontrolliert wird, und das Fluid in den Arbeitsräumen (11, 12) die Funktion eines Stoß- und Schwingungsdämpfers der Wellen (13, 14) besitzt, und hierzu die Ein- bzw. die Ableitung des Fluides axial über den entsprechend hohlen, mit zwei kon zentrischen Leitungen (16, 17) versehenen Drehkolben (9) und die Welle (13) erfolgt.

7. Getriebe nach den Ansprüchen 1-6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Einrichtungen (7, 7′) und die Hydraulik (15) so gestaltet und gesteuert sind, daß die Ver stellung des Gesamtübersetzungsverhältnisses (GÜ1 bzw. GÜ2) von einer Regelelektronik (18), abhängig von einem oder mehreren Parametern erfolgt, und so z. B. der Kunstherz-Antrieb genau einer vorgegebenen Blutdruckkurve folgen kann.

8. Getriebe nach Anspruch 1-7, dadurch gekenn zeichnet, daß das Getriebe zwischen die Antriebswelle (19), z. B. eines unerwünschte Schwingungen beim Betrieb erzeugenden Antriebsaggregates (20) und der, z. B. parallel zu dessen Antriebs welle (19) laufenden Ausgleichswelle (21) eingesetzt wird, und die Regelelektronik (18) und die Einrichtung (7 oder 7′) bzw. die Hy draulik (15) so geschaltet und gestaltet ist, daß die relative Verdrehung der Zahnradpaare (1, 2, 3) gegeneinander, bzw. gegen die Antriebswelle (19) so bewirkt wird, daß die Ausgleichswelle (21) die unerwünschten Schwingungen möglichst gut ausgleicht.

9. Getriebe nach den Ansprüchen 1-5, dadurch ge kennzeichnet, daß das Getriebe zwischen der Kurbel- oder der Antriebswelle (19) eines Geräte, z. B. eines Antriebs aggregates (20), und Steuer- und Regeleinrichtungen dieses Ge rätes, also z. B. einer Nockenwelle (22) angeordnet ist.

10. Getriebe nach den Ansprüchen 1-7, dadurch ge kennzeichnet, daß das Getriebe zwischen den Antrieb eines Fahrzeuges mit Tretkurbelantrieb (z. B. Fahrrad) geschaltet wird, und die Kraftübertragung von den Tretkurbeln (24, 25) über das Getriebe (26) zur Antriebsachse (27) so erfolgt, daß der An trieb des Fahrzeuges mit Muskelkraft, ohne Zugkraftunterbrechung möglich wird, also die eine Tretkurbel (24) mit der Welle (28) des einen Zahnradpaares (29) verbunden ist, dessen zweite Welle (31) über eine Einrichtung (z. B. 7) zur Verstellung des Getriebes (26), mit der Welle (32) die Antriebsachse (27), z. B. über einen Zahnriemen (30), antreibt und auch die zweite Zahn radpaarung (33) einerseits mit der Welle (32) und andererseits mit der Tretkurbel (25) über die Welle (31) kraftschlüssig verbunden ist.

11. Getriebe nach den Ansprüchen 1-7 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (34) zur Ver stellung als eine, in ihrem Verstellwinkel (β) durch Anschläge (35, 36) begrenzte, fremdgeschaltete Kupplung mit Reib- bzw. Formschluß ausgelegt ist, deren Reibflächen (38, 39, 40) und die Nase (41) Bestandteil der Wellen (31, 32) sind, wobei die Reibfläche (40) nach außen, und zu den gedachten Winkelhal bierenden (c, d) zwischen den Anschlägen (35, 36) ihren größten Abstand (e) von der Nase (41) aufweist, und diese Nase (41) über eine Feder (37), federbelastet die Reibflächen (38, 39, 40) in Reibschluß, bzw., mit den Anschlägen (35, 36) in Formschluß bringt. Für die axiale Verschiebung der Nase (41) zur Trennung der Kupplung der Einrichtung (34) gegen die Kraft der Feder (37), und damit zur Verstellung der Wellen (31, 32) gegenein ander, ist diese mit einem Seilzug (42) versehen, dessen Verstellweg (1) auch gleichzeitig ein Maß für die Verdrehung der Wellen (31, 32), und damit auch der Tretkurbeln (24, 25) zu einander ist.