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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft CVT-Riemenscheiben und insbesondere Riemenscheiben
mit stufenlos variablem Durchmesser, bei denen der wirksame Durchmesser
der Riemenscheibe stufenlos und ununterbrochen zwischen einer Maximal-
und einer Minimalposition einstellbar ist.
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Technischer
Hintergrund der Erfindung
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Eine
vorrangiges Mittel zur Verbindung einer Energiequelle, z.B. eines
Motors, mit einer angetriebenen Last besteht in der einer Transmission
vom Getriebe-Typ. Derartige Transmissionen weisen generell eine
Reihe von Gängen
auf, die jeweils ein unterschiedliches Untersetzungsverhältnis haben. Transmissionen
können
beispielweise einen einzelnen Gang aufweisen, oder sie können mehrere
Gänge aufweisen.
Jeder Gang wird vom Benutzer gewählt,
indem dieser zunächst
eine Kupplung betätigt. Durch
den Kupplungsmechanismus wird die Zahnradverbindung zeitweilig außer Eingriff
gebracht, so dass der Benutzer einen Gang wählen kann. Dann wird die Kupplung
losgelassen, die Zahnräder
werden in Eingriff gebracht, und die Kraft wird auf die angetriebene
Last übertragen.
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Eine
Beschränkung
dieses Systemtyps besteht darin, dass dem Benutzer nur ein bestimmter Satz
von Untersetzungsverhältnissen
zur Verfügung steht.
Der Bereich von Untersetzungsverhältnissen wird üblicherweise
auf der Basis der zu erwartenden Verwendung der Apparatur vorbestimmt.
Er kann vom Benutzer nicht leicht oder ohne Kostenaufwand verändert werden.
Ferner weisen die meisten Motoren einen bestimmten Betriebsbereich
auf, innerhalb dessen die Effizienz maximiert ist. Generell wird,
falls nur ein einziges Zahnrad vorgesehen ist, dieses nahe oder
an dem Punkt des effi zientesten Betriebs versagen. Die anderen Zahnräder resultieren
normalerweise in einer relativ ineffizienten Betriebsweise des Motors.
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Zur
Vergrößerung des
verfügbaren
Bereichs von Untersetzungsverhältnissen
wird eine größere Anzahl
von Zahnrädern
in der stufenlos variablen Transmission benötigt. Die stufenlos variable
Transmission oder CVT weist generell eine mit einer Kraftquelle
verbundene Antriebs-Riemenscheibe und eine mit einer Last verbundene
angetriebene Riemenscheibe auf. Ein flexibles Element wie z.B. ein
Riemen oder eine Kette verbindet die Riemenscheiben miteinander
und überträgt die Kraft
von der antreibenden Riemenscheibe zur Antriebs-Riemenscheibe. Die
Position der Oberfläche,
an welcher der Riemen läuft,
wird als der effektive Durchmesser Φ bezeichnet. Die Geschwindigkeit
der angetriebenen Riemenscheibe kann durch Variieren des effektiven Durchmessers
der Antriebs-Riemenscheibe und der angetriebenen Riemenscheibe verändert werden. Das
Verändern
des effektiven Durchmessers der Riemenscheiben resultiert in einer
entsprechenden Veränderung
der Geschwindigkeit der angetriebenen Riemenscheibe. Dies basiert
auf einem linearen Verhältnis
zwischen den Riemenscheiben und dem Verhältnis der effektiven Durchmesser
sämtlicher
Riemenscheiben. Es ist das Verhältnis
der effektiven Durchmesser sämtlicher
Riemenscheiben, das die Kraftübertragungseigenschaften
der CVT bestimmt. Somit ist der variable Riemenscheiben-Mechanismus
ein wesentliches Element der CVT.
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Auf
diesem Fachgebiet sind verschiedene Formen stufenlos variabler Riemenscheiben
bekannt. 2 zeigt eine herkömmliche
Flachriemen-CVT-Riemenscheibe
gemäß dem U.S.-Patent Nr.
4,024,722 von Kumm. Antriebs-Riemenscheiben 6 übertragen über eine
Anzahl von axial voneinander beabstandeten Sets von in entgegengesetzten
Richtungen schrägverlaufenden
radialen Nuten 11 Energie zu Blöcken 9 und dann zu
einem Riemen 7. Der Riemen 7 verläuft auf
angetriebenen Riemenscheiben 8 über eine Anzahl von axial voneinander
beabstandeten Sets von in entgegengesetzten Richtungen schrägverlaufenden
radialen Nuten 12 um Blöcke 10. 2 zeigt
einen Untersetzungs-Zustand, bei dem der effektive Durchmesser der Antriebs-Riemenscheibe
kleiner ist als der effektive Durchmesser der angetriebenen Riemenscheibe.
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3 zeigt
eine dem Stand der Technik entsprechende CVT mit einer konischen
Antriebs-Riemenscheibe 13 und einer angetriebenen Riemenscheibe 15,
die über
einen Keilriemen 14 miteinander verbunden sind. Die Riemenscheiben-Sektionen
sind mit einer koaxialen Welle verbunden. Mindestens eine der Riemenscheiben-Sektionen
bewegt sich axial auf der Welle. Das Bewegen der Riemenscheiben-Sektion
bewirkt, dass sich der effektive Durchmesser der Riemenscheibe verändert, wodurch
sich wiederum der Radius verändert,
in dem der Riemen auf der Riemenscheibe läuft. Der Arbeitsradius der Antriebs-Riemenscheibe
und der angetriebenen Riemenscheibe bilden das Untersetzungsverhältnis der Transmission.
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Gemäß 4 weist
der dem Stand der Technik entsprechender Keilriemen 14 ein
lasttragendes Zugelement 16 auf. Der Keilriemen 14 weist
eine Reihe von querverlaufenden Blöcken 17 auf, die entlang seinem
Körper
miteinander angebracht sind. Die Blöcke 17 haben Schrägflächen 19,
die die Innenflächen der
Riemenscheiben-Sektionen berühren.
Haltestangen 18 verbinden die Blöcke mit dem Keilriemenkörper.
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Eine
weitere Form einer stufenlos variablen Riemenscheibe ist in dem
US-Patent Nr. 5,492,506 von Lorance beschrieben. Mehrere Flügel mit
einer am Außenumfang
verlaufenden Antriebsfläche
sind radial nach außen
beweglich. Ein axial beweglicher Konus wirkt mit abgeschrägten Enden
der Flügel
zusammen. Durch das axiale Bewegen des Konus erfolgt ein Drücken auf
die abgeschrägten
Enden, wodurch die Flügel
nach außen
gedrückt
werden. Die Antriebsfläche
weist parallelverlaufende Zähne
auf, die mit einem Zahnriemen zusammenwirken.
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Die
Nachteile der dem Stand der Technik entsprechenden Konfigurationen
sind die geringere Fähigkeit
zum Übertragen
eines hohen Drehmoments, was zu einer niedrigen Lastfähigkeit
führt; eine
relativ komplizierte Riemenscheiben-Konfiguration oder Riemenkonfiguration;
das Erzeugen zu großer
Wärme bei
Betrieb in dem Riemen aufgrund von Reibung zwischen den Riemenseiten
und den Riemenscheiben; durch die Teile und die Montagezeit der
Riemenscheibe verursachte hohe Kosten; zu laute Geräusche aufgrund
einer großen
Steigung und eine entsprechende niedrige Anzahl von Riemen-Blöcken; hoher
Riemenverschleiß,
der zu einer geringen Lebensdauer für beide Konfigurationen führt. Der
Aufbau von 3 liefert ein begrenztes Gesamt-Verhältnis aufgrund
von Wärmeaufbau.
Die dem Stand der Technik entsprechenden Konfigurationen weisen
generell eine hohe Transmissionsmasse und -größe auf.
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Es
besteht Bedarf an einer CVT-Riemenscheibe, bei der eine verfügbare Riemenkonfiguration
verwendet wird. Es besteht Bedarf an einer CVT-Riemenscheibe mit reduziertem auf die
Riemen-Blöcke
wirkenden Kontaktdruck, was zu einer geringeren Wärmeerzeugung
führt.
Es besteht Bedarf an einer CVT-Riemenscheibe mit höherer Lastfähigkeit.
Es besteht Bedarf an einer CVT-Riemenscheibe, bei der weniger Geräusche erzeugt
werden. Es besteht Bedarf an einer CVT-Riemenscheibe mit reduzierter
Größe. Es besteht
Bedarf an einer CVT-Riemenscheibe, bei der niedrigere Kosten entstehen.
Es besteht Bedarf an einer CVT-Riemenscheibe mit einem höheren Gesamt-Verhältnis. Es besteht
Bedarf an einer CVT-Riemenscheibe mit geringeren Anforderungen hinsichtlich
der Materialfestigkeit bei der Konfiguration. Es besteht Bedarf
an einer CVT-Riemenscheibe mit reduzierter Axialkraft zum Vereinfachen
des Steuermechanismus. Es besteht Bedarf an einer CVT-Riemenscheibe
mit größerer Lebensdauer
aufgrund von reduziertem Verschleiß von Reibungskomponenten.
Die vorliegende Erfindung erfüllt
diesen Bedarf.
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Zusammenfassender Überblick über die
Erfindung
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Der
primäre
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen einer verbesserten CVT-Riemenscheibe.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist das Bereitstellen einer CVT-Riemenscheibe, bei
der ein Keilrippenriemen verwendet wird.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen
einer CVT-Riemenscheibe mit reduziertem auf die Riemen-Blöcke wirkenden Kontaktdruck,
was zu einer geringeren Wärmeerzeugung
führt.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen
einer CVT-Riemenscheibe mit höherer
Lastfähigkeit.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen
einer CVT-Riemenscheibe mit geringere Geräuscherzeugung.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen
einer CVT-Riemenscheibe mit reduzierter Größe.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen
einer CVT-Riemenscheibe, bei der geringere Kosten anfallen.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen
einer CVT-Riemenscheibe mit einem höheren Gesamt-Verhältnis.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen
einer CVT-Riemenscheibe mit geringeren Anforderungen hinsichtlich
der Materialfestigkeit bei der Konfiguration.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen
einer CVT-Riemenscheibe mit reduzierter Axialkraft zum Vereinfachen
des CVT-Steuermechanismus.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen
einer CVT-Riemenscheibe mit höherer
Lebensdauer aufgrund von reduziertem Verschleiß von Reibungskomponenten.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen variablen
Kontakt zwischen dem Riemen und Riemen-Blöcken oder -Elementen. Die Kontaktbereiche
sind bei jedem Angreifen des Riemens an den Riemen-Blöcken unterschiedlich.
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Die
Kosten für
die Transmission sind beträchtlich
niedriger (beispielsweise 119 Riemen-Blöcke mit einer Breite von 4
mm bei der vorliegenden Erfindung gegenüber 148 Elementen mit einer
Breite von 5 mm bei der Kumm-Vorrichtung).
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Weitere
Aspekte der Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung der
Erfindung und der beiliegenden Zeichnungen aufgezeigt.
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Die
Erfindung betrifft eine stufenlos variable Transmissions-Riemenscheibe
gemäß Anspruch
1. Die Riemenscheibe weist mindestens eine axial bewegliche Riemenscheiben-Sektion
auf, die koaxial zu einer zweiten Riemenscheiben-Sektion angeordnet ist.
Jede Riemenscheiben-Sektion weist eine Reihe von radialen Nuten
auf, die axial und radial miteinander ausgerichtet sind. Die radialen
Nuten sind in Paaren zwischen jeder Riemenscheiben-Sektion angeordnet.
Die Riemen-Blöcke
verlaufen zwischen den Riemenscheiben-Sektionen, von denen jede
entgegengesetzte gebogene Enden aufweist, die gleitend in ein Paar
Nuten eingreifen. Die Riemen-Blöcke
sind am Umfang um eine axiale Riemenscheiben-Mittellinie angeordnet.
Jeder Riemen-Block weist ferner eine Fläche zum Aufnehmen eines Keilrippenriemens
auf. Mindestens ein elastisches Element umfasst die Riemen-Blöcke, um
deren Relativpositionen zu kontrollieren und sie bei Drehen der
Riemenscheibe mit den in der Riemenscheibe ausgebildeten Nuten in
Kontakt zu halten. Wenn die bewegliche Riemenscheibe axial bewegt
wird, bewegt sich jeder Riemen-Block radial in seinen jeweiligen
Nuten, um den effektiven Durchmesser der Riemenscheibe zu vergrößern oder
zu verkleinern.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
eine perspektivische Seitenansicht der Erfindung.
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2 zeigt
einen dem Stand der Technik entsprechenden CVT-Flachriemen aus dem
US-Patent Nr. 4,024,772 von Kumm.
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3 zeigt
eine dem Stand der Technik entsprechende CVT mit einer konischen
Antriebs-Riemenscheibe 13 und einer angetriebenen Riemenscheibe 15,
die über
einen Keilriemen 14 miteinander verbunden sind.
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4 zeigt
einen Querschnitt eines Keilriemens 14 mit einem Zugelement,
das in entlang seinem Körper
verlaufenden Blöcken
eingebaut ist.
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5 zeigt
eine detaillierte Vorderansicht eines Riemen-Blocks und eines Teils
der Riemenscheiben-Sektionen.
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6 zeigt
eine Draufsicht eines Riemen-Blocks.
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7 zeigt
die Beziehung zwischen zwei der Riemen-Blöcke, wie sie in den Riemenscheiben-Sektionen
auftritt.
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8 zeigt
eine perspektivische Draufsicht eines Riemen-Blocks.
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9 zeigt
die relative Bewegung M und M' einer
Riemenscheiben-Sektion.
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10 zeigt
eine Seitenansicht einer Riemenscheiben-Sektion.
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11 zeigt
eine Seitenansicht einer Riemenscheiben-Sektion.
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12 zeigt
eine Draufsicht einer Antriebs-Riemenscheibe 41 und einer
angetriebenen Riemenscheibe 42.
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13 zeigt
eine Seitenansicht einer vollständig
zusammengebauten Riemenscheibe.
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14 zeigt
eine schematische Ansicht eines Hydrauliksystems, das zum Verändern des Transmissionsverhältnisses
verwendet werden kann.
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15 zeigt
eine Querschnittsansicht der Antriebs-Riemenscheibe und der angetriebenen
Riemenscheibe mit dem Hydrauliksystem.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung
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1 zeigt
eine perspektivische Seitenansicht der Erfindung. Die Erfindung
weist eine Antriebs- 41 und eine angetriebene Riemenscheibe 42 auf,
die jeweils mit einer Antriebswelle bzw. einer Abtriebswelle verbunden
sind, wobei ein Riemen 20 zwischen den Riemenscheiben verläuft. Der
Riemen läuft
auf Riemen-Blöcken,
die wiederum in in jeder Riemenscheiben-Sektion ausgebildete radiale Nuten eingreifen.
Ein axiales Bewegen jeder Riemenscheiben-Sektion bewirkt, dass sich
die Riemen-Blöcke
in axialer Richtung bewegen, wodurch der effektive Durchmesser jeder
Riemenscheibe verändert
wird.
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Insbesondere
weist die Erfindung die Antriebs-Riemenscheibe 41 auf,
die mit der angetriebenen Riemenscheibe 42 verbunden ist.
Der Riemen 20 überträgt Energie
von der Antriebs-Riemenscheibe 41 auf die angetriebene
Riemenscheibe 42 und somit auf die Abtriebswelle, siehe 15.
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Ein
axiales Bewegen der Riemenscheiben-Sektionen 31, 32 und 33, 34 und
die daraus resultierende radiale Bewegung der Riemen-Blöcke 38 (Riemen-Blöcke für die Antriebs-Riemenscheibe 41 nicht
dargestellt) zum Verändern
des effektiven Durchmessers jeder Riemenscheibe können mit
bekannten Mitteln bewirkt werden, wie beispielsweise in dem US-Patent
Nr. 4,024,772 von Kumm beschrieben, das hiermit zum Gegenstand der
vorliegenden Offenbarung gemacht ist, siehe 14 und 15. Die
Riemen-Blöcke 38 bewegen
sich in den radialen Nuten 31 entsprechend der Bewegung
der Riemenscheiben-Sektionen.
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Die
Riemen-Blöcke 38 haben
ein Keilrippenriemen-Profil zum Aufnehmen eines Keilrippenriemens.
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2, 3 und 4 zeigen
den Stand der Technik, wie in dem vorstehenden Abschnitt erwähnt.
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5 zeigt
eine detaillierte Vorderansicht eines Riemen-Blocks und eines Teils
der Riemenscheiben-Sektionen. Ein Riemen-Block 26 ist gleitend
zwischen koaxialen Riemenscheiben-Sektionen 31 und 32 angeordnet.
Die Riemenscheiben-Sektionen 31, 32 beschreiben
einen Einschlusswinkel Φ zwischen 20° und 70°. Der Riemen-Block 26 weist
ferner entgegengesetzte schrägverlaufende
Enden oder Flächen 27, 28 auf.
Die Flächen 27, 28 des
Riemen-Blocks 26 greifen gleitend in in den Riemenscheiben
ausgebildete Nuten 29 bzw. 30 ein. Der Keilrippenriemen 20 greift
an der Mehrfachrippenprofil-Sektion des Riemen-Blocks 26 an.
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Der
Keilrippenriemen 20 kann einen Kautschukkleber (beispielsweise
Naturkautschuk, Chloroprenkautschuk, Styrol-Natadien-Kautschuk,
Isoprenkautschuk, Nitril-Butadien-Kautschuk oder eine Mischung daraus)
aufweisen, in dem Zugelemente 21 und unter dem eine Kompressionsschicht
angeordnet sind. Die Zugelemente 21 können beispielsweise ein Polyester-Cord,
Glas-Cord, Cord aus aromatischem Polyamid etc. aufweisen. Die Kompressionsschicht
kann Naturkautschuk, Chloroprenkautschuk, Styrol-Natadien-Kautschuk,
Isoprenkautschuk, Nitril-Butadien-Kautschuk oder eine Mischung daraus aufweisen.
Das Mehrfachrippenprofil wirkt mit der Mehrfachrippenprofil-Fläche des
Riemen-Blocks 26 zusammen.
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Sämtliche
Riemen-Block-Elemente 26 werden innerhalb des Umfangs jeder
Riemenscheiben-Sektion und innerhalb jeder in der Riemenscheibe
ausgebildeten Nut 29, 30 von elastischen Bändern 24, 25 in
korrekter Beziehung zueinander festgehalten. Die Funktion der elastischen
Bänder 24, 25 für die Antriebs-Riemenscheibe
und elastischer Bänder 35, 36 für die angetriebene
Riemenscheibe besteht in dem Halten der Elemente 26 in
kontinuierlichem Kontakt mit den Riemenscheiben 31, 32,
und 33, 34 während
des Betriebs und bei Nichtdrehen der Riemenscheibe. Die elastischen
Bänder 24, 25 und 35, 36 können Kautschuk
oder andere bekannte Elastomermaterialien aufweisen, die gegenüber den
Betriebsbedingungen, einschließlich
Wärme und
Ozon, resistent sind und die eine ausreichende Elastizität aufweisen,
um die durch die Rotation der Riemenscheiben 31, 32 hervorgerufenen
Zentrifugalkräfte
der Riemen-Blöcke 26 zu überwinden.
Die elastischen Bänder 24, 25 und 35, 36 tragen
ferner den Keilrippenriemen 20 in den Zwischenräumen zwischen
den Elementen 26, siehe 7 und 12.
Dadurch wird das durch den Kontakt des Keilrippenriemens 20 mit
jedem Riemen-Block 26 bei Rotation der Riemenscheibe verursachte
Angreifgeräusch
reduziert. Die elastischen Bänder
reduzieren ferner "Schnürungen", bei denen es sich
um Krümmungen
mit kleinem Radius handelt, die sich in dem Riemen bilden, wenn dieser
bei Betrieb über
jeden Riemen-Block läuft.
Die Schnürungen
reduzieren die Lebensdauer des Riemens.
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Der
Keilrippenriemen 20 weist flache Teile 22, 23 auf,
an denen kein Mehrfachrippenprofil-Sektion 21 vorhanden
ist. Die flachen Teile 22, 23 werden von der oberen
Fläche
der elastischen Bänder 24, 25 getragen.
Die Positionen der flachen Teile 22, 23 werden
durch den Umstand festgelegt, dass die Cord-Sektionen an den Außenrändern des
Riemens normalerweise keinen wesentlichen Anteil der Last tragen
und daher als für
Lasttragezwecke nicht zur Verfügung
stehend angesehen werden.
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6 zeigt
eine Draufsicht eines Riemen-Blocks. Jedes Riemen-Block-Element 26 weist einander
gegenüberliegende
Flächen 27, 28 auf. Je de
Fläche 27, 28 greift
gleitend in in der Riemenscheibe ausgebildete Nuten 29, 30 in
der beweglichen Riemenscheiben-Sektion 31 und Riemenscheiben-Sektion 32 ein.
Obwohl sich die Riemenscheiben-Sektionen 31, 32 an
der Antriebs-Riemenscheibe befinden, gilt diese Beschreibung generell
auch für
die angetriebene Riemenscheibe. Bei der bevorzugten Ausführungsform
sind die Flächen 27, 28 konvexe,
bogenförmig
ausgebildete Flächen.
Bei einer alternativen Ausführungsform
funktioniert die Riemenscheibe genauso gut, wenn jede der Flächen 27, 28 eine
konkave Fläche
oder Nut aufweist und statt der Nuten 29, 30 eine
mit dieser zusammenwirkende konvexe Fläche oder ein mit dieser zusammenwirkender
Vorsprung auf der Fläche
jeder Riemenscheiben-Sektion 31, 32 vorhanden
ist. Die Flächen 27, 28 können ferner
einen geradlinigen Vorsprung oder einen geradlinigen Hohlraum beschreiben,
der mit einer zugehörigen
Fläche
an der Riemenscheiben-Sektion zusammenwirkt.
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7 zeigt
die Beziehung zwischen zwei der Riemen-Blöcke, wie sie zwischen den Riemenscheiben-Sektionen
auftritt. Jeder Riemen-Block 26 ist um einen Winkel α winkelmäßig von
den ihm benachbarten Blöcken
beabstandet. Der Winkel α wird
von der Anzahl der Riemen-Blöcke
an der Riemenscheibe und dem Durchmesser der Riemenscheibe bestimmt.
Die Gesamtzahl der Riemen-Blöcke
an der Riemenscheibe kann je nach den Anforderungen des Benutzers
geradzahlig oder ungeradzahlig sein.
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Der
Riemen-Block 26 weist eine konvexe bogenförmig ausgebildete
Riemenlagerfläche 60 auf. Die
konvexe bogenförmige
Fläche 60 weist
ferner ein Mehrfachrippenprofil auf, das mit einer zugehörigen Keilrippenriemen-Fläche zusammenwirkt.
Der Radius der konvexen bogenförmigen
Fläche 60 ist
gleich dem Radius der Riemenscheibe an der Stelle, an der ihr effektiver
Durchmesser Φ sein
Minimum aufweist, das heißt,
an der sich die Antriebs-Riemenscheibe
in dem maximalen Untersetzungs-Zustand und die angetriebene Riemenscheibe
in dem maximalen Übersetzungs-Zustand
befinden. Dies führt
dazu, dass die kombinierten benachbarten konvexen bogenförmigen Flächen 60 sämtlicher
Riemen-Blöcke 26 in
der Riemenscheibe eine gleichmäßige und
kontinuierliche zylindrische Fläche
mit konstantem Radius bilden. Diese bildet eine gleichmäßige Unterstützung für den Riemen,
wodurch die Lebensdauer des Riemens und die Energieübertragungsleistung
erhöht werden.
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Der
Riemen-Block 26 verjüngt
sich von der konvexen bogenförmigen
Fläche 60 zu
einem Basisteil 61. Die sich verjüngende Form ermöglicht es, dass
in dem maximalen Untersetzungs-Zustand eine Seite 62 eines
Riemen-Blocks vollständig an
einer Seite 62A eines benachbarten Riemen-Blocks anliegt.
Dies führt
zu einer Verstärkung
in der Riemenscheibe und den Riemen-Blöcken, wodurch die Drehmomentübertragungsleistung
vergrößert wird. Die
Seite 62 und die Seite 62A können reibungsreduzierende Materialien
aufweisen, um die Zusammengreif-/Löse-Charakteristiken der Riemen-Blöcke zu verbessern,
wenn diese von einem maximalen Untersetzungs-Zustand in einen Übersetzungs-Zustand übergehen.
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Der
Abstand R der Riemen-Blöcke 26 zu
der Drehachse A hängt
von dem Transmissionsverhältnis
ab. Durch Erhöhen
des Abstands R erhöht
sich die Riemengeschwindigkeit bei den vorgegebenen UpM einer Riemenscheiben-Welle.
Durch Reduzieren des Abstands R reduziert sich die Riemengeschwindigkeit
bei den vorgegebenen UpM einer Riemenscheiben-Welle. Der Abstand
R beträgt
die Hälfte
des effektiven Durchmessers. Der effektive Durchmesser Φ wird von
der Außenfläche der
Riemen-Blöcke über den
Drehpunkt gemessen.
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8 zeigt
eine perspektivische Draufsicht eines Riemen-Blocks. Die Riemen-Blöcke 26 weisen vorzugsweise
jeweils eine Beschichtung 50 mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten
auf der Mehrfachrippenfläche
zum Berühren
des Riemens 20 und auf den Flächen 27, 28 zum
Berühren
der in den Riemenscheiben ausgebildeten Nuten 29, 30 auf.
Die Riemen-Blöcke 26 können aus
wärmehärtbaren
oder thermoplastischen Materialien mit einer Verstärkung, falls
erforderlich, und mit Doppeleinspritzung oder Umspritzung mit einem
anderen Material mit niedrigem Reibungskoeffizient (im Wesentlichen
gleiche Basis) gefertigt sein. Der umspritzte Block kann einen metallischen
verstärkten
Block mit einer Antifriktionsbeschichtung, beispielsweise Aluminium,
aufweisen.
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Wenn
die Riemen-Blöcke
aus thermoplastischen verstärkten
Materialien gefertigt sind, kann die Beschichtung 50 PPA-,
PPS-, PEAK-Thermoplaste ohne Verstärkung und mit innen angeordnetem
Gleitmittel aufweisen. Wenn der Block metallische Materialien enthält, kann
die Beschichtung 50 eine hartanodisierte Beschichtung mit
innen angeordnetem Gleitmitten PTFE aufweisen. Bei einer alternativen
Ausführungsform
ist eine reibungsfreie Beschichtung auf die Fläche der Riemenscheiben-Sektionen
oder die in den Riemenscheiben ausgebildeten Nuten oder Führungen
aufgebracht, wobei kein Riemen-Block mit einer reibungsfreien Beschichtung
versehen ist. Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform
ist eine reibungsfreie Beschichtung auf die Riemenscheiben-Sektion
sowie die Riemen-Blöcke
aufgebracht. Ein niedriger Reibungskoeffizient in Kontaktbereichen
zwischen dem Reibungs-Block 26 und den Nuten 29, 30 erleichtert
das Bewegen der Riemen-Blöcke 26 bei
Bewegung der Riemenscheiben-Sektionen.
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9 zeigt
die Relativbewegung M und M' der
Riemenscheiben-Sektion 31. Die Riemenscheiben-Sektion 32 führt keine
axiale Bewegung relativ zu der Riemenscheiben-Sektion 31 aus,
obwohl auch sie sich bewegen kann, wenn dies bei der entsprechenden
Anwendung erforderlich ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform
ist nur eine der Riemenscheiben-Sektionen beweglich. Beim Bewegen
der Riemenscheiben-Sektion 31 in Richtung M vergrößert sich
der Abstand zwischen den Riemenscheiben-Sektionen 31, 32 und
bewegen sich die Riemen-Blöcke 26 in
Richtung D nach innen auf die Drehachse A der Riemenscheiben zu.
Beim Bewegen der Riemenscheiben-Sektion 31 in
Richtung M' verkleinert
sich der Abstand zwischen den Riemenscheiben-Sektionen 31, 32 und
bewegen sich die Riemenblöcke
in Richtung D' radial
von der Drehachse weg. Auf diese Weise wird der effektive Durchmesser
der Riemenscheibe vergrößert oder
verkleinert.
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Bei
der Verbindung zwischen dem Riemen-Block 26 und den Nuten 29, 30 handelt
es sich nicht nur um eine reibschlüssige Verbindung, sondern auch
um eine Verbindung durch mechanisches Zusammengreifen der Flächen 27, 28,
die konvex ausgebildet sind, mit den Nuten 29, 30,
die konkav ausgebildet sind. Durch das mechanische Zusammengreifen
der Riemen-Blöcke mit
den Riemenscheiben-Sektionen erhöht
sich die Drehmomentübertragungsleistung
der Riemen-Blöcke.
Dadurch reduzieren sich die Anforderungen hinsichtlich der axialen
Lastfähigkeit,
des Verschleißes
und der Festigkeit der Riemen-Blöcke 26.
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10 zeigt
eine Seitenansicht der Riemenscheiben-Sektion 32. Nuten
oder Führungen 30 sind radial
angeordnet dargestellt, wobei jede um einen Winkel α von der
nächsten
beabstandet ist. Jede der Nuten beginnt in einem vorbestimmten Abstand
R' zu der Drehachse
A der Riemenscheibe. R' wird
durch Berechnen der Anzahl von bei der Anwendung benötigen Riemen-Blöcken in
der Konfiguration bestimmt, bei der die Riemen-Blöcke nebeneinander
(maximale Untersetzung) angeordnet sind, wie in 7 gezeigt.
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11 zeigt
eine Seitenansicht der Riemenscheiben-Sektion 32. Die Riemen-Blöcke 26 sind
in Nuten 30 ausgerichtet dargestellt. Das elastische Band 25 greift
an jedem um den Umfang der Riemenscheiben-Sektion angeordneten Riemen-Block 26 an.
Im Betrieb arbeitet jeder Riemen-Block 26 bei dem gleichen
Radius R. Obwohl der Radius R zum Variieren des Untersetzungs- oder Übersetzungsverhältnisses
einstellbar ist, beschreiben die Relativpositionen der Riemen-Blöcke einen
Kreis mit der Mitte auf der Drehachse. Dies ist das Ergebnis der
mechanischen Beziehung zwischen den Riemenscheiben-Sektionen und
den Riemen-Blöcken
mit identischer Breite W. Dadurch wird sichergestellt, dass die Riemenscheibe
in allen Betriebsmoden im Gleichgewicht bleibt.
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12 zeigt
eine Draufsicht der Antriebs-Riemenscheibe 41 und der angetriebenen
Riemenscheibe 42. Der Riemen-Block 26 ist an einem Radius R
dargestellt. Der Radius R ist eine Funktion der Position der Riemenscheiben-Sektion 31 relativ zu
der Riemenscheiben-Sektion 32. Der Riemen-Block 38 ist
bei einem Radius R' dargestellt,
der eine Funktion der Position der Riemenscheiben-Sektion 34 relativ
zu der Riemenscheiben-Sektion 33 ist. Der Keilrippenriemen 20 verläuft zwischen
den Riemenscheiben-Anordnungen 41, 42.
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13 zeigt
eine Seitenansicht einer vollständig
zusammengebauten Antriebs-Riemenscheibe. Das elastische Element 24 hält die Riemen-Blöcke 26 bei
einem Arbeitsradius R. Diese spezielle Figur zeigt einen maximalen Übersetzungs-Zustand 37.
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14 zeigt
eine schematische Ansicht eines Hydrauliksystems, das zum Verändern des
Riemenscheiben-Untersetzungsverhältnisses
verwendet werden kann. Es können
verschiedene Typen von Mechanismen zum Verändern des Untersetzungsverhältnisses
verwendet werden. Ein Hydrauliksystem 100 ist für die vorliegende
Erfindung dargestellt. Das System weist ein Reservoir 80,
eine Pumpe 81, ein Steuerventil 82 und Leitungen 83, 84 auf, die
von dem Steuerventil 82 zu den Zylindern 86 führen. Die
Pumpe 81 ist sich in einer Leitung 87 angeordnet,
die von dem Reservoir 80 zu einem Einlassport 88 des
Ventilgehäuses
führt,
und Leitungen 89, 90 führen von Zylinderports 91, 92 in
dem Ventilgehäuse
zu den Zylindern 86. Sumpfleitungen 93, 94 verlaufen
von Auslassports 95, 96 zu dem Reservoir 80.
Das Ventilgehäuse
enthält
eine Spule 97, die zum selektiven Verbinden des Einlasses 88 mit
dem einen der Zylinderports 91, 92 und des anderen
mit einem Auslassport beweglich ist. Ein einem Zylinderport zugeführtes druckbeaufschlagtes
Fluid bewirkt, dass der in dem Zylinderport angeordnete Kolben die
Welle und die an dieser angreifende Riemenscheiben-Sektion auf die
andere Riemenscheiben-Sektion zu bewegt. Gleichzeitig wird der andere
Zylinderport zum Entlüften
des anderen Zylinders mit einem Auslassport verbunden. Dadurch können sich
die Welle und die bewegliche Riemenscheiben-Sektion von der anderen
Riemenscheiben-Sektion weg bewegen. Wie oben beschrieben, verändert sich
der effektive Durchmesser der Rie menscheibe, wenn sich die Riemenscheiben-Sektion
auf die anderen zu oder von dieser weg bewegt.
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15 zeigt
eine Querschnittsansicht der Antriebs-Riemenscheibe 41 und
der angetriebenen Riemenscheibe 42 mit dem Hydrauliksystem 100. Kolben 98 sind
mit Wellen 71 verbunden, die wiederum mit den Riemenscheiben-Sektionen 31, 34 verbunden
sind. Die Wellen 71, 72, die koaxiale Achsen aufweisen,
greifen auf bekannte Weise, die es ihnen ermöglicht, sich relativ zueinander
axial zu bewegen, beispielsweise derart über eine Keilzahnverbindung zusammen,
dass eine Steck-Keilzahnverbindung in der Welle 71 in eine
Aufnahme-Keilnutverbindung in der Welle 72 eingreift. Die
Position der Steck-Keilzahn- und der Aufnahme-Keilnutverbindung
kann mit dem gleichen Ergebnis umgekehrt werden. Andere bekannte
Formen des Zusammengreifens koaxialer sich drehender Wellen, die
eine axiale Bewegung jeweiliger Riemenscheiben ermöglichen,
können
mit dem gleichen Ergebnis ebenfalls verwendet werden.
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Die
Wellen 72 führen
keine axiale Bewegung aus und halten die Riemenscheiben 32, 33 in
einer festen axialen Position relativ zu den Riemenscheiben 31, 34,
wenn diese sich drehen. Wenn die Kolben 98 durch den Hydraulikdruck
bewegt werden, bewegen sich jede Welle 71 und die jeweilige
Riemenscheiben-Sektion 31, 34, wodurch sich der
effektive Durchmesser der Riemenscheibe verändert. Obwohl sich sämtliche
Riemenscheiben-Sektionen bei Betrieb bewegen, sind die Riemenscheiben-Sektionen 32, 33 axial
feststehend, so dass sie keine axiale Bewegung mit den Riemenscheiben-Sektionen 31, 34 ausführen.
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BEISPIEL
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Zur
besseren Erläuterung
der Erfindung und ihrer Durchführung
basieren die folgenden Berechnungen auf einer der Anwendungen, und
sie sind nur beispielhaft dargestellt und dürfen nicht als Einschränkung angesehen
werden.
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Bei
einem Untersetzungs-Zustand:
Φ der Antriebs-Riemenscheiben
= 65,0 mm
Φ der
angetriebenen Riemenscheibe = 162,0 mm
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Bei
einem Übersetzungs-Zustand:
Φ der Antriebs-Riemenscheiben
= 156,0 mm
Φ der
angetriebenen Riemenscheibe = 86,6 mm
wobei sich Φ auf den
effektiven Durchmesser bezieht.
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Unter
der Annahme, dass insgesamt 51 Riemen-Blöcke für die Antriebs-Riemenscheibe
vorgesehen sind, wobei jeder Riemen-Block 4.0 mm dick ist, gemessen
an der bogenförmigen
Fläche 60,
und jede Antriebs-Riemenscheibe den minimalen effektiven Durchmesser
aufweist, wobei Φ =
65,0 mm (Untersetzungs-Zustand), verbleibt kein Platz zwischen benachbarten
Riemen-Blöcken.
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Bei
maximalem effektiven Durchmesser (Übersetzungs-Zustand) Φ = 156,0
mm beträgt
der Raum zwischen jedem Riemen-Block: Δ1 = π × (156,0 – 65,0)/51,0
= 5,6 mm (1)
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Dieser
Raum Δ wird
von einer Seite eines Riemen-Blocks zu der Seite eines benachbarten
Riemen-Blocks gemessen. Daher nehmen 51 Elemente im Untersetzungs-Zustand
einen Durchmesser von 65,0 mm ohne Beabstandung zwischen den Elementen
ein. Im Übersetzungs-Zustand
gibt es einen Zwischenraum von 5,6 mm.
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Bei
einer angetriebenen Riemenscheibe mit 68 Riemen-Blöcken weist
beim maximalen Untersetzungs-Zustand jeder Riemen-Block folgenden
Zwischenraum zum nächsten
auf: Δ2 = π × (162,0 – 86,6)/68,0
= 3,5 mm (2)
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Im
maximalen Übersetzungs-Zustand
gibt es keinen Zwischenraum auf der angetriebenen Riemenscheibe.
Wenn ein Zwischenraum auf der Antriebs-Riemenscheibe vorhanden ist, gibt es
beim Extremverhältnis
kein Zwischenraum auf der angetriebenen Riemenscheibe.
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Bei
einem Verhältnis
von 1 : 1 (eins-zu-eins), bei dem der Durchmesser der Antriebs-
und der angetriebenen Riemenscheibe Φ = 146,0 mm beträgt, betragen
die Zwischenräume
zwischen den Riemenblöcken
der Antriebs-Riemenscheibe: Δ3 = π × (146,0 – 65,0)/51,0
= 5,0 mm (3)und
die Zwischenräume
auf der angetriebenen Riemenscheibe: Δ4 = π × (146,0 – 86,6)/68,0
= 2,7 mm (4)
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Wie
leicht feststellbar ist, wird die Anzahl von Riemen-Blöcken nur
durch die bei der Anwendung erforderliche Anzahl und die gewünschte Dicke
jedes Riemen-Blocks begrenzt.
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Obwohl
hier eine einzelne Ausführungsform der
Erfindung beschrieben worden ist, ist es für Fachleute offensichtlich,
dass Variationen an der Konstruktion und der Beziehung der Teile
zueinander durchgeführt
werden können,
ohne dass dadurch vom Umfang der hier beschriebenen Erfindung abgewichen
wird.