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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft Kraftübertragungsriemen
und insbesondere stufenlos verstellbare Treibriemen mit einem auf
Treibringen umlaufenden Riemen, wobei die Treibringe mit einer Antriebsriemenscheibe
und einer Abtriebsriemenscheibe zusammenwirken.
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Hintergrund
der Erfindung
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Es
ist bekannt, daß ein
Getriebe vom Zahnradtyp zum Antreiben eines Motorfahrzeugs, Motorrads
oder dergleichen verwendet werden kann. Zur Verbesserung der Treibstoffeffizienz
ist ein stufenlos verstellbares Getriebe, CVT, vorzuziehen. Verschiede
Arten von Riemen wurden zur Verwendung in stufenlos verstellbaren
Getrieben entwickelt.
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Im
allgemeinen haben stufenlos verstellbare Treibriemen eine Silhouette,
die derjenigen eines herkömmlichen
Keilriemens ähnlich
ist. Insbesondere sind sie an der Oberseite breit und schmal an
der Unterseite und so ausgebildet, daß sie zwischen die Scheiben
einer Riemenscheibe passen, welche eine winklige Nut bilden. Die
Riemenscheibe, auf welcher der Riemen getrieben wird, weist eine
bewegbare Scheibe und eine feste Scheibe auf, die beide Kegelstumpfform
haben. Im allgemeinen bewegt sich eine Scheibe, während die
andere fest bleibt.
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Das
Bewegen einer Scheibe relativ zur anderen variiert den effektiven
Durchmesser Φ der
Riemenscheibe, in dem der Riemen arbeitet. Infolgedessen ist die
Riemengeschwindigkeit eine Funktion des effektiven Durchmessers
der Riemenscheibe, der wiederum eine Funktion der axialen Position
der Scheiben in bezug zueinander ist. Im allgemeinen sind zwei Riemenscheiben,
eine An triebs- und eine Abtriebsriemenscheibe, in einem stufenlos
verstellbaren Getriebe vorhanden.
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Zwar
ist jeder der bekannten stufenlos verstellbaren Treibriemen flexibel,
jedoch weist jeder auch Eigenschaften auf, die sich nicht in anderen Kraftübertragungsriemen
finden. Beispielsweise müssen
die Riemen Quersteifigkeit aufweisen. Dies ermöglicht den Lauf des Riemens
mit einem besonders effektiven Durchmesser, ohne zwischen den Scheiben
der Riemenscheibe gequetscht zu werden. Daher weist jedes System
mit stufenlos verstellbarem Treibriemen einen um Riemenscheiben
mit verstellbarem Durchmesser umlaufenden Riemen auf.
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Bezüglich des
bekannten Verhältnisses
zwischen der Riemenscheibe und dem Riemen offenbart das US-Patent
5 709 624 an Donowski eine Riemenscheibe mit verstellbarem Durchmesser.
Ein einzelner Treibring läuft
in den Scheiben der Riemenscheibe. Ein flexibler Riemen läuft auf
dem Treibring durch die Riemenscheibe. Mit der Bewegung der Scheiben in
bezug zueinander verändert
sich der effektive Durchmesser der Riemenscheibe. Da der Treibring die
Quer- oder Kompressionskräfte zwischen
den Scheiben aufnimmt, muß der
Riemen nicht zum Aufnehmen dieser Kräfte ausgebildet sein. Die Vorrichtung
nach Donowski weist jedoch einen einzelnen Treibring auf, der als
Teil eines Hilfsantriebssystems eines Verbrennungsmotors verwendet
wird. Ferner ist ein Stabilisierungsteil erforderlich, um die Drehachse
des Treibrings zumindest im wesentlichen parallel zur Drehachse
der Scheibenteile zu halten. Die Vorrichtung nach Donowski ist für eine Verwendung in
einem stufenlos verstellbaren Getriebe nicht geeignet.
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Für den Stand
der Technik ebenfalls repräsentativ
ist das US-Patent 6 017 285 an Yasuhare, das eine Riemenscheibe
mit verstellbarem Durchmesser offenbart, wobei ein Kraftübertragungsring zwischen
den Kraftübertragungsflächen der
Riemenscheibe gehalten ist. Ein Riemen greift mit dem Außenumfang
des Kraftübertragungsrings
zusammen. Die Riemenscheibenkörper
sind durch eine Vorspanneinrichtung, eine Tellerfeder, aufeinander
zu vorgespannt. Die Teller feder koppelt die Riemenscheibenkörper miteinander
zur Kraftübertragung.
Diese Vorrichtung erfordert eine Vorspanneinrichtung zum Bewirken
der Kraftübertragung
von der Riemenscheibe auf den Treibring.
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Für den Stand
der Technik ist ebenfalls das US-Patent 4 875 894 an Clark repräsentativ,
das ein stufenlos verstellbares Getriebe offenbart. Das Getriebe
weist eine Antriebs- und eine Abtriebswelle auf, die jeweils eine
Drehscheibenanordnung aufweisen. Die Drehscheibenanordnungen haben
jeweils Kontaktpads, die Kreise mit stufenlos verstellbaren Durchmessern
bilden. Die beiden Drehscheibenanordnungen sind durch einen Kopplungsmechanismus,
beispielsweise einen starren Kopplungsring, miteinander verbunden.
die Kraftübertragung
erfolgt zwischen den jeweiligen Riemenscheiben durch das Drehen
des Rings. Die Vorrichtung bietet nicht die Möglichkeit, der Verwendung flexibler
Riemen zur Kraftübertragung,
sondern erfordert den starren Ring zur Verbindung der beiden Scheiben.
Dies begrenzt den Raum, in dem die Vorrichtung arbeiten kann, im allgemeinen
auf eine quadratischen oder kreisförmigen Raum, der durch die äußersten
Abmessungen der Riemenscheiben begrenzt ist.
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JP 10196748 ,
JP 59058254 und GB 897 446 offenbaren
stufenlos verstellbare Treibriemen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 mit einem ersten und einem zweiten Treibring und einem zwischen den
Treibringen auf den Außenflächen der
Treibringe umlaufenden endlosen flexiblen Treibelement. Der erste
und der zweite Treibring wirken mit einer ersten bzw. einer zweiten
Riemenscheibe mit verstellbarem Durchmesser zusammen. Beide Riemenscheiben haben
axial in bezug zueinander bewegbare Scheiben.
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Es
bedarf eines stufenlos verstellbaren Treibring-Riemens mit zusammenwirkenden Treibringen.
Es bedarf eines stufenlos verstellbaren Treibring-Riemens mit einem
flexiblen Teil, das um die Riemenscheibentreibringe umläuft ist.
Es bedarf eines stufenlos verstellbaren Treibring-Riemens mit Treibringausrichthülsen. Die
vorliegende Erfindung entspricht diesen Bedürfnissen.
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Überblick über die
Erfindung
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Der
Hauptaspekt der Erfindung ist das Schaffen eines stufenlos verstellbaren
Treibring-Riemens mit zusammenwirkenden Treibringen.
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Ein
anderer Aspekt der Erfindung ist das Schaffen eines stufenlos verstellbaren
Treibring-Riemens mit einem um die Treibringe umlaufenden flexiblen
Teil.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist das Schaffen eines stufenlos verstellbaren
Treibring-Riemens mit einem konstanten Riemenlastradius.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist das Schaffen eines stufenlos verstellbaren
Treibring-Riemens mit Treibringausrichthülsen.
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Andere
Aspekte der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung
der Erfindung und der Zeichnungen verdeutlicht oder aus diesen ersichtlich.
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Die
Erfindung schafft einen stufenlos verstellbaren Treibriemen mit
Treibringen, mit: einem ersten Treibring; einem zweiten Treibring;
einem endlosen flexiblen Treibelement, das zwischen dem ersten Treibring
und dem zweiten Treibring auf der Außenseite des ersten Treibrings
und der Außenseite des
zweiten Treibrings umläuft;
wobei der erste Treibring in der Lage ist, mit einer ersten Riemenscheibe
mit variablem Durchmesser zusammenzuwirken, bei der die Scheiben
der ersten Riemenscheibe mit variablem Durchmesser in bezug zueinander axial
bewegbar sind; und wobei der zweite Treibring in der Lage ist, mit
einer zweiten Riemenscheibe mit variablem Durchmesser zusammenzuwirken,
bei der die Scheiben der zweiten Riemenscheibe mit variablem Durchmesser
in bezug zueinander axial bewegbar sind; und gekennzeichnet durch
eine um die Außenseite
des ersten Treibrings verlaufende erste Hülse, die in gleitendem Eingriff
mit dem ersten Treibring und in nicht-gleitendem Eingriff mit dem
zweiten Treibring steht; und eine um die Außenseite des zweiten Treibrings
verlaufende zweite Hülse,
die in gleitendem Eingriff mit dem zweiten Treibring und in nicht-gleitendem
Eingriff mit dem ersten Treibring steht.
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Jeder
Treibring kann ein beliebiges Material mit hohem Modulus aufweisen,
wie beispielsweise Kunststoff oder Metall. Jede Hülse kann
in einer Buchse auf ihrem jeweiligen Treibring gleiten. Der Riemen
weist eine Zugbelastung auf, welche jeden der Treibringe zusammen
auf die Hülsen
drückt.
Die relative Anordnung der Drehachse jedes Treibrings wird durch
den Kontakt zwischen den Hülsen
und den Treibringen beibehalten. Der effektive Durchmesser oder
Radius jeder Riemenscheibe wird durch die Bewegung der Scheiben
der Riemenscheibe eingestellt. Die Bewegung der Scheiben der Riemenscheibe
bewirkt, daß die
Drehachse jedes Treibrings sich exzentrisch in bezug zur Drehachse
der Riemenscheibe bewegt. Bei der Bewegung der Ringe bewegt sich
der Riemen mit den Treibringen und läuft weiter über die Treibringe um, wodurch
dem Riemen ein konstanter Biegeradius vermittelt wird. Die Treibringe
können
jeweils ein Oberflächenprofil
aufweisen, das zur Verwendung mit Synchronriemen, Zahnriemen, Mehrrippenriemen
oder Keilriemen geeignet ist.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine perspektivische Darstellung der Erfindung.
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2 ist
eine Seitenansicht des Riemens in den CVT-Riemenscheiben.
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3 ist
ein Querschnitt durch ein Antriebssystem.
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4 ist
ein Querschnitt durch die Ringe und die Führungsbuchsen.
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5 ist
eine perspektivische Querschnittsdarstellung der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
des bevorzugten Ausführungsbeispiels
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1 ist
eine perspektivische Darstellung der Erfindung. Ein endloses flexibles
Zugelement 10 oder Riemen läuft um einen ersten Treibring 26 und einen
zweiten Treibring 36 um. Der erste Treibring 26 dreht
zwischen (nicht dargestellten) Scheibenteilen 23 und 22.
Der zweite Treibring 36 dreht zwischen den Scheibenteilen 32, 33.
Der Riemen 10 ist im bevorzugten Ausführungsbeispiel mit einem Zahnprofil dargestellt,
obwohl jedes Profil, einschließlich
einen ebenen, mehrrippigen oder keilförmigen Riemenprofil, ebenfalls
geeignet ist. Jeder der Treibringe kann ferner ein konjugiertes
Profil aufweisen, das mit dem Profil des Riemens zusammenwirkt.
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Jeder
Treibring dreht exzentrisch in seiner jeweiligen Riemenscheibe.
Die Position jedes Treibrings ist durch den Abstand zwischen den
jeweiligen Scheiben der Riemenscheibe bestimmt. Wenn sich beispielsweise
die Scheibenteile näher
aufeinander zu bewegen, bewegt sich die Drehachse A1 des Treibrings 26 seitwärts in Richtung
der Drehachse der Riemenscheibe C1, und
beim Auseinanderbewegen der Scheibenteile 32, 33 bewegt
sich die Drehachse A2 des Treibrings 36 seitwärts von
der Drehachse der Riemenscheibe C2 weg,
siehe 2. Der Radius jedes Treibrings ist nicht auf einen
Wert begrenzt, der gleich dem Radius der jeweiligen Riemenscheibe
ist, jedoch ist bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Radius des
Treibrings geringfügig größer als
der Radius der jeweiligen Riemenscheibe.
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Jeder
Treibring kann jedes bekannte Material aufweisen, das ausreichende
Druckfestigkeit aufweist, einschließlich metallischer und nicht
metallischer Materialien wie Phenol- oder Kunststoffmaterialien.
Vorzugsweise hat das Treibringmaterial einen Reibungskoeffizienten
und Geräuschcharakteristika, die
mit denjenigen der Riemenscheiben-Scheibenoberfläche kompatibel ist, siehe 3,
Bezugszeichen 24, 25 und 34, 35.
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Die
Erfindung ermöglicht
einen konstanten Krümmungsradius
des Riemens beim Lauf über
jeden Treibring. Der Riemenkrümmungsradius
ist geringfügig
größer als
der Radius des Treibrings. Im Gegensatz zu anderen CVT-Ausbildungen, die
eine Sehne zwischen kleinen benachbarten Blöcken bewir ken, ermöglicht die
Erfindung, daß der
Riemen einen relativ großen
Radius beibehält,
während
er um jede Treibring/Riemenscheiben-Kombination läuft. Dies
verlängert
die Lebensdauer des Riemens durch Reduzieren der Häufigkeit
von Riemenversagen, das durch Sehnen- oder Biegeermüdung verursacht
wird.
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2 ist
eine Seitenansicht des Riemens in den CVT-Riemenscheiben. Die Scheibenteile 32, 33 befinden
sich an der treibenden Riemenscheibe. Die Scheibenteile 22, 23 befinden
sich an der getriebenen Riemenscheibe. In dieser Darstellung befinden sich
die Scheibenteile 22, 23 relativ nah beieinander und
die Scheibenteile 32, 33 sind etwas weiter voneinander
entfernt. Der Radius des Scheibenteils 23 ist S1. Der Radius des Scheibenteils 33 ist
S2. Der effektive Radius E1 ist
der Abstand von der Drehmitte C1 zu der
Kontaktstelle des Treibrings 26 mit den Scheibenteilen 22, 23.
Der effektive Radius E2 ist der Abstand
von der Drehmitte C2 zu der Kontaktstelle des
Treibrings 36 mit den Scheibenteilen 32, 33.
Daher ist der effektive Radius E1 größer als
der effektive Radius E2. Es ist auf diesem
Gebiet bekannt, daß das Verhältnis von
E1 zu E2 das Übersetzungsverhältnis des
Getriebes bestimmt. Es ist ferner Bekannt, daß E1 und
E2 entsprechend der Position der Scheibenteile
der treibenden und der getriebenen CVT-Riemenscheibe variieren.
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3 ist
eine Querschnittsdarstellung eines Antriebssystems. Der Riemen 10 läuft zwischen
der Riemenscheibe 11 und der Riemenscheibe 12 um. Insbesondere
läuft der
Treibring 26 in der Riemenscheibe 11 und der Treibring 36 läuft in der
Riemenscheibe 12. Der Treibring 26 und der Treibring 36 sind
mit ebenem Riemenprofil dargestellt. Wie in 1 gezeigt,
können
die Treibringe, je nach den Bedürfnissen
des Benutzers, ein beliebiges aus einer Vielzahl verschiedener Profile
aufweisen. Der Riemen 10 läuft über den Treibring 26 und über den Treibring 36.
Die geneigten Seiten des Treibrings 26 liegen an den Scheibenflächen 24, 25 an.
Die geneigten Seiten des Treibrings 36 liegen an den Scheibenflächen 34, 35 an.
In dieser Darstellung ist die Drehachse A1 des
Treibrings 26 im wesentlichen koaxial mit der Drehachse
C1 der Riemenscheibe 11. Die Drehachse
A2 des Treibrings 36 ist im wesentlichen koaxial
mit der Drehachse C2 der Riemenscheibe 12. Das
Verhältnis
zwischen der Drehachse eines bestimmten Treibrings und der Drehachse
einer bestimmten Riemenscheibe ist jedoch gemäß der vorhergehenden Beschreibung
variabel.
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Im
Betrieb berührt
der Treibring 26 nur die Scheibenflächen einer bestimmten Riemenscheibe entlang
einer Kontaktfläche,
die im wesentlichen eine radiale Linie beschreibt. Das gleiche gilt
für den
Kontakt zwischen dem Treibring 36 und den Flächen der Scheibenteile 32, 33.
Dies ist durch die Geometrie des exzentrischen Verhältnisses
zwischen der Treibringachse und der Riemenscheibenachse bedingt.
Da die Kontaktfläche
oder -linie zwischen dem Treibring und der Riemenscheibe relativ
klein ist, ist die Möglichkeit
der Wärmeerzeugung
verringert. Da ferner der Kraftübertragungskontakt
zwischen dem Treibring und den Scheiben anstatt zwischen dem flexiblen
Riemen und den Scheiben gegeben ist, wird die Zahl der durch übermäßige Erwärmung und
Reibung bewirkten Riemenausfälle
erheblich reduziert.
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Der
Querschnitt der Treibringe 26, 26 hat eine Höhe X und
Breite Y, um ein Profil zu ergeben. Das Profil weist ein Verhältnis von
Breite zu Länge (X/Y)
im Bereich von 1 bis 3 auf. Jedes Verhältnis, das einen Versatz der
Treibringachse in der Riemenscheibe verhindert ist jedoch akzeptabel.
Wie in 3 dargestellt, weist jeder Treibring ferner einen eingeschlossenen
Winkel α im
Bereich von 20° bis 70° auf. Die
Geometrie des Treibrings und das beschriebene Verhältnis bewirken
eine Selbstnachführung
und eine Selbstausrichtung, wobei die Position des Treibrings in
bezug auf die Riemenscheibe eine Funktion der Höhe ist, wodurch der Treibring
veranlaßt
wird, sich zum kleinsten effektiven Radius zu bewegen, während der
Treibring in eine Position gedrängt
wird, in der seine Drehachse parallel zur Drehachse der Riemenscheibe
ist. Dies ist durch den Keileffekt zwischen den Seiten des Treibrings
und den Scheiben bedingt.
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4 ist
eine Teilquerschnittsdarstellung der Ringe und der Führungsbuchsen.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird die korrekte Ausrichtung der Treibringe während des Betriebs durch eine Kombination
von Buchsen und Hülsen
beibehalten. Die Buchsen und Hülsen
weisen einen gleitenden Eingriff auf, der eine korrekte axiale Ausrichtung
der Treibringe bewahrt. Die Buchse 1 ist fest an einem Außenrand
des Treibrings 26 in einer Nut 8 angebracht. Die
Buchse 7 ist fest an einem Außenrand des Treibrings 36 in
der Nut 9 an einer Position angebracht, die nicht mit derjenigen
der Buchse 1 zusammenfällt.
Die Nuten 8, 9 können entfallen, wobei die Buchse
direkt an der Außenseite
des Treibrings und entsprechend den Bedürfnissen des Benutzers angebracht
ist, wie in 1 dargestellt. Die Hülse 2 greift
gleitend an der Buchse 1 an und berührt eine Außenfläche des Treibrings 36.
Die Hülse 6 greift gleitend
an der Buchse 7 an und berührt eine Außenfläche des Treibrings 26.
Die Hülsen 2, 6 können Gummi,
Elastomermaterial oder jedes andere bekannte Material aufweisen,
das ähnliche
Reibeigenschaften hat. Die Treibringe werden auf den Hülsen 2, 6 um
einen Betrag zusammengepreßt,
welcher der Spannung oder der Belastung des Riemens 10 entspricht.
Die Buchsen 6, 7 können DelrinTM oder
ein anderes ähnliches
Buchsenmaterial aufweisen, das eine Grenzfläche mit geringer Reibung zwischen
der Buchse und der Hülse
aufweist, wodurch das Gleiten der Hülsen in den Buchsen vereinfacht
wird. Die Buchsen können
gespalten sein, um das Anbringen an jedem Ring zu vereinfachen.
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Da
sich die Hülse 2 in
belastetem oder gepreßtem
Kontakt mit dem Treibring 36 befindet, dreht die Hülse 2 sich
bei der Drehung des Treibrings 36 in dazu entgegengesetzter
Richtung. Daher gleitet die Hülse 2 in
der Buchse 1, während
sich der Treibring 26 dreht. Die Hülse 6 steht ebenfalls
in belastetem oder gepreßtem
Kontakt mit dem Treibring 26. Bei der Drehung des Treibrings 26 dreht
die Hülse 6 in dazu
entgegengesetzter Richtung. Daher gleitet die Hülse 6 in der Buchse 7,
während
der Treibring 36 sich dreht. Aufgrund der geringen Reibung
zwischen der Hülse 2 und
der Buchse 1 dreht die Hülse 2 entgegengesetzt
zum Treibring 26. Aufgrund der geringen Reibung zwischen
der Hülse 6 und
der Buchse 7 dreht die Hülse 6 entgegengesetzt
zum Treibring 36. Der Kontakt zwischen den Hülsen und
den Ringen verhindert eine Fehlausrichtung der Ringe während des
Betriebs.
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Da
die Drehachsen der Treibringe 26, 36 sich im Betrieb
des stufenlos verstellbaren Treibriemens mit Treibringen zusammen
verschieben, verändert sich
der relative Abstand zwischen den Ringen nicht, da jede Gummihülse in der
richtigen räumlichen
Beziehung zur entsprechenden Buchse bleibt. Dies verhindert, daß die Treibringe 26, 36 eine
seitliche Bewegung erfahren, die eine Fehlausrichtung der Treibringachsen
bewirken würde.
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5 ist
eine perspektivische Querschnittsdarstellung der Erfindung. Der
Riemen 10 ist um den Treibring 26 und den Treibring 36 umlaufend
dargestellt. Die relative Anordnung der Hülsen 2, 6 auf
gegenüberliegenden
Seiten der Außenfläche jedes Treibrings
ist dargestellt. Die Hülsen 2, 6 können auch
wie in 1 dargestellt angeordnet sein, solange sie sich
auf gegenüberliegenden
Seiten der Treibringe befinden. Der Riemen 10 ist als zwischen jedem
der Treibringe 26, 36 umlaufend dargestellt. Die
Treibringe 26, 26 werden durch Zugspannung auf die
Hülsen 2, 6 zusammengepreßt. 5 zeigt
die Drehmitte A1 des Treibrings 26 exzentrisch
von der Drehmitte C1 der Scheibenteile 22, 23 positioniert.
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Im
Betrieb bewegen sich die Drehmitten A1, A2 der Treibringe 26, 36 und
der Riemen zusammen, während
der relative Abstand der Scheibenteile 22, 23 und
der Scheibenteile 32, 33 durch einen Bediener
verändert
wird. Stufenlos verstellbare Getriebe und Steuerungen zum Betätigen der
Riemenscheiben sind bekannt. Die Drehachse A1 des
Treibrings 26 und die Drehachse A2 des
Treibrings 36 halten einen konstanten Abstand S über den
gesamten Bereich der axialen Bewegung der Scheibenteile ein. Die
Geschwindigkeit eines Treibrings auf einer getriebenen Riemenscheibe
ist eine Funktion der Position der Drehachse des Treibrings im Vergleich
zur Drehachse der getriebenen Riemenscheibe, wie in 2 beschrieben.
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Zwar
wurde eine einzelne Ausführungsform der
Erfindung hierin beschrieben, jedoch ist es für den Fachmann ersichtlich,
daß Abwandlungen
im Aufbau und in der Beziehung der Teile zueinander vorgenommen
werden können,
ohne den Rahmen der Ansprüche
zu verlassen.