DE4324123A1 - Stufenlos verstellbares Getriebe mit formschlüssiger Momentenübertragung - Google Patents

Description

Zur Übertragung von Momenten z. B. in einem Antriebsstrang werden Getriebe benötigt, die eine Anpassung der Drehzahlen durch ein jeweils gewünschtes bestimmtes Übersetzungsverhältnis erlauben. In den meisten Fällen ist dabei ein einziges Übersetzungsverhältnis für alle Betriebszustände des Antriebes nicht optimal, so daß auf ein stufenweise schaltbares Getriebe zurückgegrif­ fen wird, das verschiedene Übersetzungen ermöglicht. Hierdurch ergibt sich eine verbesserte, jedoch noch keine optimale Anpassung an den Bedarf und überdies die Problematik des Schaltvorganges mit Zugkraftunterbrechung, einer notwendigen Synchronisation der Zahnräder beim Gangwechsel und ein aufwendiges Kupplungssystem.

Ideal wäre eine stufenlose Anpassung der jeweiligen Übersetzung während des Betriebes und ohne Zugkraftunterbrechung. Solche stufenlosen Getriebe sind im Prinzip dem Stand der Technik entsprechend bekannt als sog. P.I.V. oder CVT Getriebe. Alle diese Getriebe basieren auf einer Kraftübertragung, die verschiedene Laufradien der in Verbindung stehenden Räder erlaubt und somit das Übersetzungsverhältnis variabel macht. Um nach diesem Prinzip die Übersetzung zu verstellen, muß die Veränderung der Laufradien stetig und übergangslos sein, was prinzipbedingt auf Grund geometrischer Überlegungen zur Folge hat, daß die im Eingriff befindlichen Räder keine formschlüssige Verbindung haben können, da eine solche die Radialbewegung blockieren würde und somit beruhen alle diese Getriebe auf Reibschluß in Form von Keilriemen, Flachriemen, Reibrädern und -scheiben etc. mit den bekannten Nachteilen wie Schlupf, Verschleiß, Bildung von Einlaufriefen, Erfordernis ho­ her Anpreß- und Verstellkräfte sowie relativ schlechte Gesamtwirkungsgrade.

Eine Alternative zeigt die P 43 17 478.7 auf, wo ein formschlüssiges Getriebe als Zugmittelgetriebe beschrieben wird und die Räder in ihrem Durchmesser verändert werden durch sog. Satellitenräder, d. h. Kettenräder kleineren Durchmessers, die in radial verschieblichen Positionen auf dem Umfang eines so gebildeten Zahnrades liegen.

Die ebenfalls in der P 43 17 478.7 und den dort zitierten Patentschriften be­ schriebene Problematik, einerseits eine freie Drehung der Satelliten zuzulas­ sen (während des Verstellens und zum Ausgleich des Einlauffehlers in allen Radialpositionen, die nicht ein ganzzahliges Vielfaches der Kettenteilung sind), andererseits die Drehung der Satelliten zumindest in einer Richtung zu blockieren, um überhaupt ein Drehmoment übertragen zu können, wird in dieser und den zitierten Schriften durch Freiläufe, Schaltfreiläufe, Synchron­ einrichtungen etc. gelöst.

Die hier vorzustellende Erfindung zeigt einen anderen Weg auf, der eine Viel­ zahl von Vorteilen aufweist. Tatsächlich sind bei Drehzahlen, die auch nur annähernd in dem Bereich der meisten realen, technischen Anwendungen liegen, die Anpassungsfehler in den Radialstellungen der Satellitenräder wäh­ rend des Eingriffs und ausgelöst durch den Verstellvorgang sehr gering. Bei einer Drehzahl von z. B. 50 Umdrehungen pro Sekunde und fünf Satelliten greifen 250 Satelliten pro Rad und Sekunde in das Zugmittel ein.

Bei einer Regelgeschwindigkeit, die von Anschlag bis Anschlag z. B. nur zehn Sekunden benötigt, ist die Relativbewegung zwischen zwei Satelliten während eines Eingriffszyklus nur 1/2500, also nur 0,40‰ der Radialbewegung.

Dieser Anpassungsfehler geht jedoch praktisch in der Fertigungstoleranz unter oder kann durch eine geeignete und abgestimmte Elastizität der Geometrie der Satellitenposition ausgeglichen werden. Eine somit resultierende elasti­ sche Ausgleichsbewegung der Satelliten führt zwar zu Einbußen beim Wir­ kungsgrad, da sie jedoch nur während der Verstellung anfällt und marginale Größenordnungen erreicht, stellt sie keine unakzeptable Verschlechterung dar.

Für Sonderanwendungen mit sehr hoher Verstellgeschwindigkeit bei kleinen Drehzahlen, wie z. B. bei Fahrrädern, ist es in einer besonderen Ausführung vorgesehen, daß die Träger, auf denen je ein Satellitentandem plaziert ist, so gekippt werden können, daß jeweils ein Satellit aus dem Eingriff mit dem Gegenstück, also dem Hohlrad oder der Kette ausklinkt, so daß die im Ein­ griff verbleibenden Satellitenräder nun frei drehen und eine beliebige Radial­ verschiebung ausüben können. Nachdem der Verstellvorgang abgeschlossen ist, werden die Satellitenträger wieder in die Ausgangsposition zurückge­ schwenkt. Dieser Vorgang erfordert eine Zugkraftunterbrechung, bleibt je­ doch auf die Sonderfalle schneller Stellgeschwindigkeit bei langsamer Dreh­ zahl oder im Stillstand beschränkt.

Statt dessen wird eine optimale Lösung für das bei jeder Umdrehung mehr­ mals (bei fünf Satelliten z. B. fünfmal) auftretende Problem des Einlaufes eines Satelliten in das Gegenstück, z. B. ein innenverzahntes Hohlrad oder ein formschlüssiges Zugmittel aufgezeigt. Statt eines Satelliten werden dazu mehrere, vorzugsweise zwei Satellitenräder in Tandemformation gewählt, die auf gleichem Umfange nacheinander auf dem im wesentlichen gleichen Ra­ dius laufen. Wenn sich diese beiden Räder nun auch gegenseitig im form­ schlüssigen Eingriff befinden, so sind sie frei drehbar, solange sie sich nicht im Eingriff mit dem Formschluß des Gegenstückes befinden, können also die zum formschlüssigen Einlauf erforderliche Drehbewegung ausüben, blockieren jedoch, sobald sie im Eingriff mit dem Gegenstück liegen, da der so entstehende Mehrfacheingriff keine kinematische Abrollbedingung erfüllt.

Freiläufe, schaltbar oder fixiert, entfallen somit vollständig. Das Getriebe kann Drehmomente in beiden Richtungen übertragen und die Verdopplung der Zahl der Zähne im Eingriff ermöglicht als zusätzliche Alternative auch die Verwendung eines Hohlrades als Gegenstück anstatt eines Zugmittels.

Um eine Anpassung der entstehenden Umfangskontur an ein Hohlrad zu ermöglichen, obwohl das gebildete Satellitenrad einen anderen Durchmesser besitzt, ist vorzugsweise eine Ausführung vorzusehen, die eine evtl. federbe­ lastete Rotation des Trägers zulassen, auf dem sich je ein Paar Satellitenrä­ der im Tandemeingriff befinden. Eine solche Bewegung würde bei geeigneter Ausführung auch den Einlaufvorgang geometrisch verbessern, da der erst einlaufende Satellit dadurch voreilt und für den Synchronausgleich somit mehr Zeit verfügbar wird.

In einer anderen Ausführung sind statt eines gegenseitigen Eingriffes die Satellitenräder über eine z. B. axial versetzte zusätzliche Stirnverzahnung oder eine Kette verbunden.

Um den Synchronvorgang des Einlaufens zu erleichtern, sind in einer bevor­ zugten Ausführung die Zähne der Satellitenräder in einer zum Leistungsein­ griff axial versetzten Ebene vollkommen spitz zulaufend gestaltet, so daß das Anschnäbeln besonders vereinfacht wird, während die Zähne zur Leistungs­ übertragung aus hochbelastbaren Materialkombinationen und in Standard­ zahngeometrien gefertigt sind.

Fig. 1 zeigt ein Hohlrad 101 und ein verstellbares Rad 103 mit den Satelliten 105 in Tandemformation von je zwei Zahnrädern im gegenseitigen direkten Eingriff in der Stellung maximaler Größe des verstellbaren Rades mit einem Übersetzungsverhältnis von nahezu 1 : 1.

Fig. 2 zeigt die gleiche Zahnradkombination wie Fig. 1, jedoch in einer Stel­ lung eines sehr kleinen Durchmessers des verstellbaren Zahnrades mit einer Übersetzung von ca. 1 : 2.2. Das rotatorische Spiel des nicht dargestellten Trägers jeder Tandemkombination ist deutlich erkennbar, ebenso der Ein­ laufvorgang des voreilenden Satellitenrades, während das nacheilende Satel­ litenrad noch nicht im Eingriff ist, also die freie Rotation noch unbeschränkt ist.

Claims (9)

1. Stufenlos verstellbares, formschlüssiges Getriebe, bestehend aus minde­ stens einem Zahnrad variablen Durchmessers, das aus Zahnrädern kleine­ ren Durchmessers (Satelliten) gebildet wird, die radial verschiebbar ange­ ordnet sind und sich zumindest teilweise im Eingriff befinden mit einem ge­ eigneten Gegenstück, das aus einem innenverzahnten Hohlrad oder auch ei­ nem formschlüssigen Zugmittel gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Satelliten frei in beiden Richtungen um ihre eigene Achse rotieren kön­ nen, jedoch so angeordnet sind, daß sich mindestens zwei Satelliten in Tan­ demformation in tangentialer Richtung nacheinander befinden und direkt oder indirekt im gegenseitigen, formschlüssigen Eingriff stehen, so daß sie beim Einlaufen in das Gegenstück sich frei synchronisieren können, jedoch nach dem Einlaufen in den Formschluß des Gegenstückes in ihrer Rotati­ onsbewegung blockiert sind.

2. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger, auf dem die Satelliten in Tandemformation angeordnet sind, frei oder federbela­ stet innerhalb vorgegebener Grenzen rotieren kann.

3. Getriebe nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Radialposition der Satelliten frei oder federbelastet innerhalb vorge­ gebener Grenzen Ausgleichsbewegungen zuläßt.

4. Getriebe nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß axial versetzt die Werkstoffpaarung und die Zahngeometrie der Satelli­ ten relativ zum Gegenstück so ist, daß die Ausgleichsbewegung zur Sychro­ nisation möglichst verschleißarm ablaufen kann, während die Momenten­ übertragung in einer Ebene abläuft, die hinsichtlich Werkstoffpaarung und Zahngeometrie besonders zur Momentenübertragung geeignet ist und daß bevorzugt die Ebene zur Synchronisation vor der Ebene der Momenten­ übertragung auf Grund eines geeigneten Durchmesserverhältnisses in Eingriff kommt.

5. Getriebe nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Tandemformation der Satelliten aus zwei verschiedenen Zahnrädern besteht und das vorlaufende Zahnrad in Hinsicht auf Materialpaarung zum Gegenstück und Zahngeometrie besonders zur Synchronisation und das nachlaufende zur Momentenübertragung geeignet ist.

6. Getriebe nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Satellitenräder auf Freiläufen oder bevorzugt auf schaltbaren Frei­ läufen gelagert sind, wobei die Schaltung der Freiläufe durch den Eingriff mit dem Gegenstück gesteuert wird.

7. Getriebe nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisation der Satelliten vom Gegenstück durch eine mecha­ nische Vorrichtung vor dem Eingriff mit dem Gegenstück erfolgt.

8. Getriebe nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Verstellung in Stufen erfolgt, die einem ganzzahligen Zahn­ sprung des Umfanges des verstellbaren Rades entsprechen.

9. Getriebe nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger der Satellitentandems für den Fall hoher Verstellgeschwin­ digkeit im Stillstand oder bei sehr niedrigen Drehzahlen so geschwenkt wer­ den können, daß nur noch ein Rad eines jeden Satellitentandems im Eingriff bleibt, die Radialbewegung der Verstellung also wegen der so erreichten freien Drehbarkeit der Satelliten (Leerlaufstellung) unbehindert erfolgen kann.