DE4234390A1 - Stufenloses Getriebe - Google Patents

Description

Bekannt sind mechanische stufenlose Getriebe, in Form von Reibkörper-, Zugmittel- und Freilaufgetrieben, letztere auch in Verbindung mit Koppelgetrieben (Volmer, Getriebetechnik, Vieweg, 3. Auflage, Braunschweig/Wiesbaden, 1989, S.: 339 bis 345).

Stufenlose Getriebe verwendet man in der Antriebstechnik zur stufenlosen Drehzahl- Drehmomentstellung.

Im Vergleich mit Zahnräder-Wechselgetrieben haben bekannte stufenlosen Getriebe einen oder mehrere der folgenden Nach­ teile: schlechten Wirkungsgrad, großen Verschleiß/kurze Le­ bensdauer, begrenzte Leistung, kleinen Stellbereich, fehlende Wendefähigkeit.

Zahnrädergetriebe arbeiten insbesondere deshalb nicht stufen­ los, weil die Zähne rotatorisch starr mit den Wellen verbun­ den sind und ihre radiale Aufreihung eine erforderliche relative Beweglichkeit zueinander nicht zuläßt.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Nachteile der bekannten stufenlosen Getriebe zu umgehen, die positiven Ei­ genschaften von Zahnrädergetrieben zu übernehmen und ihre Einschränkungen zu beseitigen.

Das erfindungsgemäße stufenlose Getriebe soll sich durch folgende Eigenschaften auszeichnen:

• - Wirkungsgrad, Verschleiß/Lebensdauer und Grenzleistung sol­ len den Werten von Zahnrädergetrieben entsprechen;
• - der Verstellbereich soll möglichst groß, sowie Wendebetrieb möglich sein;
• - das Getriebe muß in allen Betriebszuständen kraftschlüssig arbeiten;
• - Schwungrad und Freilauflösungen sind auszuschließen.

Erfindungsgemäß werden die Probleme dadurch gelöst, daß ein Zahnrädergetriebe von seinen Einschränkungen befreit und durch die Erweiterung mit anderen Getriebekomponenten dazu befähigt wird, die eingangs gestellten Forderungen zu er­ füllen.

Dazu werden an Stelle von Zahnrädern gegenüber der Welle rotatorisch bewegliche Einzel- oder Mehrfachzahnsegmente (Zahnsegmentsätze) verwendet, deren Kraftschluß zu einer Welle über selbstsperrende Schneckengetriebe erfolgt.

Hinzu kommen je ein Getriebe mit verstellbarer Ungleich­ förmigkeit der Drehbewegung und Ausgleichsgetriebe für einen Zahnsegmentsatz.

Zur näheren Erläuterung der Funktion zeigt Fig. 1 ein Ausfüh­ rungsbeispiel mit den Wellen 1 und 2, sowie den angedeuteten Zahnsegmentsätzen 3 bis 14, dessen Zahnsegmente auf der Welle in der Grundstellung (Übersetzungsverhältnis 1 : 1) jeweils um 30 Grad gegeneinander verdreht angeordnet sind, wobei die Wellen 1 und 2 je zwölf Zahnsegmente tragen.

Zur weiteren Erläuterung sei angenommen, daß Welle 1 An- und Welle 2 Abtrieb ist.

Der Kraftfluß geht dann von der Welle 1 über die Zahnräder 15-16, ein Koppelgetriebe 17 - beim Ausführungsbeispiel aus­ geführt als verstellbare Zwillingsdoppelkurbel (Hagedorn, Konstruktive Getriebelehre, VDI-Verlag, 4. Auflage, Düssel­ dorf, 1986, S.: B 149) - über die Zahnräder 18-19 einerseits, weiter zu den Zahnsegmentsätzen 4-3, über ein selbstsperren­ des Schneckengetriebe 25 und den Schneckenträger 26 zur Welle 2, andererseits über die Zahnräder 19-20, 21-22, die Kegelräder 23-24, zur Schnecke des Schneckengetriebes 25.

Beschriebene Anordnung sei definiert als Komponente. Die Teile einer Komponente haben folgende Funktion:

Die Zwillingsdoppelkurbel 17 wandelt eine gleichförmige in eine ungleichförmige Drehbewegung um, wobei die Verstellung der Ungleichförmigkeit an allen Verstelleinrichtungen Pos. 27 bis 32 gleichsinnig und gleichmäßig in positiver und negati­ ver Richtung zur Normalen der Papierebene erfolgt.

Jeweils in einem von zwei durchlaufenen Drehzahl-Extremwer­ ten pro Umdrehung einer Zwillingsdoppelkurbel sind die Wel­ len 1 und 2 über das zugehörige Zahnsegmentpaar kraftschlüs­ sig verbunden.

Innerhalb des Kraftübertragungsbereiches der Zahnsegmentsätze 3-4 wird die Schnecke nicht angetrieben, außerhalb des Kraftübertragungsbereiches wird sie über die Pos. 19-20, 21-22, 23-24 angetrieben, um die Drehzahldifferenz zwischen den Wellen 1 und 2 am Zahnsegmentsatz 3 gegenüber dem Zahn­ segmentsatz 4 auszugleichen. In der Grundstellung der Koppelgetriebe d. h. beim Übersetzungsverhältnis 1 : 1 erfolgt ebenfalls kein Antrieb der Schnecke.

Ausgleich der Drehzahldifferenz heißt, die Zahnsegmentsätze beider Wellen laufen im Mittel mit der gleichen Drehzahl. Das erforderliche Kämmen der Zahnsegmentsätze setzt gleiche mittlere Drehzahlen voraus. Entscheidend für die Funktions­ fähigkeit ist dabei, daß das Übersetzungsverhältnis der Zahnräder 21-22 gleich dem Gesamtübersetzungsverhältnis der Kegelräder 23-24 und dem des Schneckengetriebes 25 ist. Zu beachten ist weiterhin, daß es links- und rechtssteigende Schnecken gibt, wobei in der vorliegenden Anordnung nur die linkssteigende zum Drehzahlausgleich führt, während eine rechtssteigende die Drehzahldifferenz verdoppeln würde. Wäre dagegen das Kegelrad 23 linksseits des Kegelrades 24 ange­ ordnet, würde eine rechtssteigende Schnecke zum Drehzahlaus­ gleich führen.

(Anm.: Ausführbar sind auch Anordnungen, deren Grunddrehzah­ len der Wellen 1 und 2 vom Übersetzungsverhältnis 1 : 1 abwei­ chen, bzw. auch solche, bei denen die Drehzahlen nicht nur der Zwillingsdoppelkurbeln, sondern auch der Pos. 3 und 20 bis 26 von denen der Wellen 1 und 2 abweichen.)

Mit einer Anordnung gemäß Fig. 1 kann die Abtriebsdrehzahl gegenüber der Antriebsdrehzahl erhöht und gesenkt werden, wobei An- und Abtrieb tauschbar sind.

Wendebetrieb ist nicht möglich.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, dessen Komponenten im Gegensatz zu Fig. 1 nicht auf Wellen aufgereiht, sondern sternförmig angeordnet und über zentrale Zahnräder (Zentrums­ räder) 33, 34 verbunden sind.

Dargestellt sind links zwei von sechs vorhandenen Komponen­ ten.

Die rechte Darstellung zeigt die linke von links betrachtet. Man erkennt sechs Komponenten, wobei zur Erhöhung der Übersichtlichkeit nur Teile, die dem Verständnis der Funktion dienen, dargestellt sind.

Man sieht die unteren Zahnsegmentsätze im Eingriff, während die benachbarten zur Übernahme bereit sind.

Der bis hier beschriebene Teil der Fig. 2 gestattet ebenso wie die Anordnung nach Fig. 1 eine Erhöhung und Senkung der Abtriebsdrehzahl gegenüber der Antriebsdrehzahl, wobei An- und Abtrieb tauschbar sind.

Zur weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind in der linken Ansicht zwischen den Zentrumsrädern 33 und 34 dargestellt: ein richtungsumkehrendes Getriebe 35 (Umkehrgetriebe), sowie ein Differentialgetriebe 36, das die negative An- mit der po­ sitiven Abtriebsdrehzahl vergleicht und den Mittelwert über die Welle 37 abgibt. Dabei richtet sich die Drehrichtung der Welle 37 danach, ob das Kegelrad 38 absolut schneller oder langsamer als das Kegelrad 39 läuft.

Die so erweiterte Anordnung ist ein Wendegetriebe.

Schließlich ist allem noch ein Wechselgetriebe 40 nachgeord­ net, das gestattet, zwischen den Betriebsarten stufenloses Normal- und Wendegetriebe umzuschalten.

Da beide Betriebsarten unterschiedliche Drehzahlbereiche ab­ decken, ergänzen sie sich vorteilhaft.

Im Gegensatz zu Wechselgetrieben kann die Umschaltung bei gleich großem Gesamtübersetzungsverhältnis und in sehr kurzer Zeit erfolgen.

Synchronisationseinrichtungen sind nicht erforderlich.

Genutzt werden kann z. B. eine Drehrichtung des Wendegetriebes zur langsamen Rückwärts- und die andere in Verbindung mit der Umschalteinrichtung zur langsamen bis schnellen Vorwärts­ fahrt.

Anfahrhilfen wie Rutschkupplungen oder hydraulische Drehmo­ mentwandler werden nicht benötigt.

Zu bemerken bleibt, daß ein gutes Übertragungs- und Lauf­ verhalten der Zahnsegmente während der Kraftübertragung we­ sentlich von der Güte der Linearität des momentanen Über­ setzungsverhältnisses in der Nähe des Extremwertes abhängt. Die Breite dieses Bereiches bestimmt die max. zulässige Zähnezahl pro Zahnsegment und die erforderliche Anzahl an Zahnsegmenten bzw. Komponenten.

D.h. die Breite des linearen Bereiches beeinflußt wesentlich den erforderlichen Aufwand.

Zu erwähnen ist, das eine Anordnung nach Fig. 1 in gleicher Weise wie eine nach Fig. 2 erweitert werden kann, und daß sich vorteilhafte Kombinationen aus Anordnungen nach Fig. 1 und Fig. 2 bilden lassen.

Die eingangs gestellten Forderungen, daß:

• - die Werte von Wirkungsgrad, Verschleiß/Lebensdauer und Grenzleistung denen von Zahnrädergetrieben entsprechen sol­ len;
• - der Verstellbereich möglichst groß, sowie Wendebetrieb mög­ lich sein soll;
• - das Getriebe in allen Betriebszuständen kraftschlüssig ar­ beiten soll, können erfüllt werden.

Claims (3)

1. Stufenloses Getriebe, das aus gleichen Komponenten besteht, die auf Wellen aufge­ reiht, oder sternförmig angeordnet und über zentrale Zahn­ räder kraftschlüssig verbunden sind oder Mischbauformen von beiden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Komponente aus folgenden Teilen besteht:
1.1 An- Abtriebswelle, 1.2 Getriebe mit verstellbarer Ungleichförmigkeit der Dreh­ bewegung,
1.3.1 erster Zahnsegmentsatz bestehend aus einem oder meh­ reren Zahnsegmenten,
1.3.2 zweiter Zahnsegmentsatz bestehend aus einem oder meh­ reren Zahnsegmenten,
1.4 einem selbstsperrenden Schneckengetriebe, mit
1.5 dem Schneckenträger,
1.6 der Ab- Antriebswelle,
1.7 einem Ausgleichsgetriebe mit:
1.7.1 einem Zahnrad als Zentrumsrad eines Umlaufgetriebes,
1.7.2 einem umlaufenden Zahnrad, welches auf einer gemein­ samen,
1.7.3 Welle mit
1.7.4 einem ersten Kegelrad befestigt ist, wobei die Welle im Schneckenträger 1.5 gelagert ist, sowie
1.7.5 einem zweiten Kegelrad, welches mit der Schnecke des Schneckengetriebes 1.4 verbunden ist und sich mit dem er­ sten Kegelrad 1.7.4 im Eingriff befindet, sowie
1.8 einigen verbindenden Zahnrädern und Wellen bzw. Hohl­ wellen;
wobei die Teile so angeordnet sind, daß bei intern still­ stehendem Schneckengetriebe 1.4 über die eingreifenden Zahnsegmente Kraftschluß in folgender Reihenfolge besteht: von

• a) der An- Abtriebswelle 1.1 zum
• b) Getriebe mit verstellbarer Ungleichförmigkeit der Dreh­ bewegung 1.2,
• c) dem ersten Zahnsegmentsatz 1.3.1,
• d) dem zweiten Zahnsegmentsatz 1.3.2, zum
• d) selbstsperrenden Schneckengetriebe 1.4,
• e) dem Schneckenträger 1.5, zur
• f) Ab- Antriebswelle 1.6, und daß die Differenzdrehzahl zwischen An- Abtriebswelle 1.1 und Ab- Antriebswelle 1.6 an dem zweiten Zahnsegmentsatz 1.3.2 ausgeglichen wird, wenn die Zahnsegmentsätze 1.3.1 und 1.3.2 sich nicht im Eingriff befinden, wobei die Zahn­ segmente der Komponenten in gleichen Winkelteilungen nach­ einander zum Eingriff kommen und die Zahnsegmentsätze so justiert sind, das ihr Eingriff je nach Verstellung entweder im Drehzahlminimum oder im Drehzahlmaximum des Getriebes mit verstellbarer Ungleichförmigkeit der Dreh­ bewegung 1.2 erfolgt.

2. Stufenloses Getriebe nach Anspruch 1, erweitert durch zusätzliche Getriebekomponenten die das stufenlose Getriebe zu einem stufenlosen Wendegetriebe erweitern, dadurch gekennzeichnet, daß mittels Umkehrgetriebe die Ein- oder Ausgangsdrehrichtung umgekehrt und mit einem Differential­ getriebe Ein- und Ausgangsdrehzahl verglichen und der Mittelwert als Aus- Eingangsdrehzahl des Wendegetriebes ge­ nutzt wird.

3. Stufenloses Getriebe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß durch ein zusätzliches Wechselgetriebe zwi­ schen stufenlosem Getriebe nach Anspruch 1 und stufenlosem Wendegetriebe nach Anspruch 2 umgeschaltet werden kann, wobei entweder die Drehrichtung des stufenlosen Getriebes nach Anspruch 1 oder des stufenlosen Wendegetriebes nach Anspruch 2 umgekehrt und die Aus- Eingangsdrehzahl des stu­ fenlosen Wendegetriebes verdoppelt wird.