DE7322845U - Mechanischer Anpresskraftregler für ein stufenlos einstellbares Kugelplanetengetriebe. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mechanischen Anpresskraftregler für ein stufenlos einstellbares Kugelplanetengetriebe, bei dem in einem Gehäuse ein mit einer Antriebswelle drehfest verbundener Laufring, ein mit einer Abtriebswelle drehfest verbundener Laufring sowie, den Laufringen in einem veränderbaren axialen Abstand gegenüberstehend, je ein Führungsring gleichachsig angeordnet sind, und in einem von diesen vier Ringen begrenzten Ringraum Übertragungskugeln laufen, wobei der axiale Abstand zwischen dem einen Laufring und dem zugehörigen Führungsring entsprechend dem gewünschten Verhältnis zwischen Abtriebsdrehzahl n tief2 und Antriebsdrehzahl n tief1 mit einem Stelltrieb veränderbar ist und eine den zweiten Laufring und den zweiten Führungsring axial zueinander hin belastende Kraft vom Anpresskraftregler erzeugt wird, der eine ringförmige Rampenfläche mit axial ansteigenden Auflauframpen, eine ringförmige Gegenfläche und dazwischen angeordnete Wälzkörper aufweist, wobei entweder die Rampenfläche oder die Gegenfläche an einem Druckring ausgebildet ist, der mit dem zweiten Laufring fest verbunden ist, und die Gegenfläche oder die Rampenfläche am zweiten Führungsring ausgebildet ist.

Bei den bekannten Getrieben dieser Gattung, deren Verstellwird die Anpresskraft durch Auflauframpen mit konstanter Steigung, auf die Wälzkörper auflaufen (FR-PS 992 357 und DT-OS 2 136 243) oder durch Gewinde mit konstanter Steigung (FR-PS 1 231 854) oder nur durch Federn mit nahezu konstanter Kraft (US-PS 3 504 574) erzeugt.

Die Konstruktionen mit Auflauframpen oder Gewinde konstanter Steigung beruhen auf der bisher herrschenden Annahme, es genüge, die Anpresskraft proportional zum abgenommenen Drehmoment zu erzeugen. Dem stehen jedoch die folgenden Feststellungen entgegen:

1. Beim Verändern des Übersetzungsverhältnisses von maximaler Abtriebsdrehzahl zu einer Abtriebsdrehzahl nahe Null ändern sich die Hebelarmverhältnisse an den Übertragungsteilen beträchtlich.

2. Die Geschwindigkeit, mit der die Übertragungskugeln umlaufen, und damit die Fliehkraft, mit der sie zusätzlich gegen den äußeren Laufring und den äußeren Führungsring gepresst werden, ändert sich ebenfalls mit dem Übersetzungsverhältnis.

3. Änderungen der Drehzahl, mit der die Übertragungskugeln um ihre virtuellen Drehachsen rotieren, bedingen verschiedene Rollgeschwindigkeiten an ihren Berührungspunkten mit den Lauf- und Führungsringen. Diese verschiedenen Rollgeschwindigkeiten haben bei sonst gleichen Bedingungen (Oberflächenbeschaffenheit, Öltemperatur, Härte der Übertragungsteile) unterschiedliche Rohkoeffizienten zur Felge, die bei gegebenem Drehmoment verschieden große Anpresskräfte erfordern.

4. Die virtuellen Drehachsen der Übertragungskugeln bilden mit der Getriebehauptachse bei einer fest eingestellten Abtriebsdrehzahl einen bestimmten Winkel. Beim planetarischen Umlauf der Kugeln wandern diese Drehachsen um die Getriebeachse ohne ihren Winkel in bezug auf diese zu verändern; das heißt, die Drehachsen der Eigenrotation der Übertragungskugeln bilden einen Kegelmantel, dessen Mittellinie die Getriebehauptachse ist. Diese ständige Änderung der Kugeldrehachsen im Raum erzeugt ein Deviationsmoment an den Kugeln, dessen Reaktionskräfte die erforderliche Anpresskraft ebenfalls beeinflussen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei stufenlos einstellbaren Getrieben der eingangs beschriebenen Gattung die bekannten Auflauframpen nicht geeignet sind, den sich bei Veränderungen des Übersetzungsverhältnisses stark ändernden Bedingungen gerecht zu werden; insbesondere ermöglichen die bekannten Auflauframpen bei niedrigen Drehzahlen nur die Übertragung relativ kleiner Drehmomente.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen mechanischen Anpresskraftregler für ein Getriebe der eingangs beschriebenen Gattung zu schaffen, der eine über einen möglichst großen Verstellbereich konstante Leistungsübertragung ermöglicht, so dass das Getriebe bei allen einstellbaren Übersetzungsverhältnissen im wesentlichen gleich hoch belastbar ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Steigungswinkel kleines Gamma jeder Auflauframpe, ausgehend von der Stelle, an welcher der zugehörige Wälzkörper bei dem kleinsten einstellbaren Verhältnis n tief2/n tief1 anliegt, stetig nach der Gleichung zunimmt, wobei F der Mittelpunktsabstand der Übertragungskugeln von der Getriebehauptachse und R der mittlere Radius der Auflauframpen ist.

Auflauframpen, deren Steigungswinkel der oben stehenden Formel entsprechen, erzeugen infolge ihrer Keilwirkung wie bekannte Auflauframpen eine Anpresskraft, die mit dem Drehmoment an der Abtriebswelle steigt. Darüberhinaus sind die erfindungsgemäßen Auflauframpen jedoch in der Lage, die zur Übertragung konstanter Leistung erforderliche Anpresskraft in einem weiten Abtriebsdrehzahlbereich zu erzeugen. Es können also auch bei niedrigen Abtriebsdrehzahlen hohe Drehmomente übertragen werden.

Der erfindungsgemäße Anpresskraftregler verhindert aber auch wegen des zunehmenden Steigungswinkels seiner Auflauframpen, dass das Getriebe, wenn es bei einer Einstellung für hohe Abtriebsdrehzahl anläuft, mit zu großen Anlaufmomenten belastet wird. Diese vorteilhafte Eigenschaft ist bei einer Weiterbildung der Erfindung noch dadurch verstärkt, dass die Auflauframpen über die Stelle hinaus, an welcher der zugehörige Wälzkörper bei dem größten einstellbaren Verhältnis n tief2/n tief1 bei normaler Belastung anliegt, um einen Bereich verlängert sind, in dem der Steigungswinkel kleines Gamma noch weiter ansteigt. Damit wird erreicht, dass elastische Verformungen, die beim Überschreiten bestimmter Anlaufmomente unvermeidlich auftreten und in gewissen Grenzen unschädlich sind, den über den eigentlichen Nutzbereich hinausgehenden Bereich der Auflauframpen mit überhöhter Steigung wirksam werden lassen, in dem die Anpresskraft im Verhältnis zum Abtriebsdrehmoment nur noch stark unterproportional ansteigt, so dass die in diesem Bereich erzeugte Anpresskraft zur Übertragung des überhöhten Drehmoments nicht ausreicht. Deshalb entsteht zwischen den Übertragungskugeln und den Laufringen für kurze Zeit erhöhter Schlupf, der das Getriebe vor schädlicher Überlastung schützt.

Vorzugsweise sind jedem Wälzkörper des Anpresskraftreglers zwei spiegelbildlich angeordnete Auflauframpen zugeordnet, so dass der Anpresskraftregler in beiden Drehrichtungen der Antriebswelle gleich wirksam ist.

Schließlich ist es zweckmäßig, wenn zwischen dem zweiten Führungsring und dem Druckring zum Erzeugen einer Anpresskraft im Leerlauf des Getriebes ein Kraftspeicher angeordnet ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Kugelplanetengetriebe, zur Hälfte in einem axialen Schnitt, und Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht eines Druckrings des in Fig. 1 dargestellten Getriebes.

Das dargestellte Getriebe weist ein Gehäuse 12 auf, dessen Hauptbestandteile ein im wesentlichen zylindrischer Gehäusemantel 14 sowie zwei Gehäusedeckel 16 und 18 sind. In dem in Fig. 1 linken Gehäusedeckel 16 ist eine Antriebswelle 20 gelagert, und in dem rechten Gehäusedeckel 18 eine Abtriebswelle 22; diese beiden Wellen haben eine gemeinsame geometrische Achse, die Hauptachse 24 des Getriebes.

Auf der Antriebswelle 20 ist eine Hülse 26 drehfest, jedoch axial verschiebbar angeordnet. Auf der Hülse 26 ist ein Antriebs-Laufring 28 befestigt und ein Antriebs-Führungsring 30 drehbar und axial verschiebbar gelagert. An den einander im wesentlichen axial gegenüberliegenden Flächen des Antriebs-Laufrings 28 und des Antriebs-Führungsrings 30 sind Kugelbahnen ausgebildet, auf denen Übertragungskugeln 32 laufen. Die Übertragungskugeln 32 sind durch einen ebenfalls auf der Hülse 26 angeordneten Kugelkäfig 34 in gleichmäßigen Winkelabständen gehalten.

An dem vom Antriebs-Laufring 28 entfernten Ende der Hülse 26 ist ein Druckring 36 befestigt, der den Antriebs-Führungsring 30 über Wälzkörper 38 abstützt. Die Wälzkörper 38 sind im dargestellten Beispiel als Kugeln ausgebildet und in einem Wälzkörperkäfig 40 gehalten, der an der von den Übertragungskugeln 32 abgewandten Seite des Antriebs-Führungsrings 30 gelagert ist. Zwischen dem Druckring 36 und dem Antriebs-Führungsring 30 ist außerdem ein Kraftspeicher 42 angeordnet, der im dargestellten Beispiel als Schrauben-Druckfeder ausgebildet ist und seine in Richtung der Hauptachse 24 wirkende Kraft über ein Wälzlager 44 auf den Antriebs-Führungsring 30 überträgt, so dass dieser durch den Kraftspeicher nicht daran gehindert ist, sich in bezug auf den Druckring in einem bestimmten Winkelbereich zu drehen.

Im Gehäuse 12 ist ein Abtriebs-Laufring 46 gelagert, in dem das innere Ende der Antriebswelle 20 gelagert ist. Der Abtriebs-Laufring 46 ist durch einen Abscherstift 48 drehfest mit der Abtriebswelle

22 verbunden. Der Abtriebs-Laufring ist topfförmig ausgebildet, umschließt den Druckring 36 und den Antriebs-Führungsring 30 und weist im wesentlichen radial außerhalb der Kugelbahn des Antriebs-Führungsrings 30 ebenfalls eine Kugelbahn für die Übertragungskugeln 32 auf. Dem Abtriebs-Laufring 46 axial gegenüber ist ein Abtriebs-Führungsring 50 angeordnet, der im wesentlichen radial außerhalb der Kugelbahn des Antriebs-Laufrings eine weitere Kugelbahn für die Übertragungskugeln 32 aufweist. Der Abtriebs-Führungsring 50 weist an seiner von den Übertragungskugeln 32 abgewandten Stirnseite in gleichmäßigen Drehwinkelabständen angeordnete Auflauframpen 52 auf, mit denen er sich an Rollen 54 abstützt, die in gleichmäßigen Drehwinkelabständen radial in bezug auf die Hauptachse 24 im Gehäusedeckel 16 gelagert sind. Der Abtriebs-Führungsring 50 weist ferner eine Schneckenradverzahnung 56 auf, in die eine im Gehäusemantel 14 gelagerte Schnecke 58 eingreift. Die Schnecke 58 lässt sich mit einem nicht dargestellten, an der Außenseite des Gehäuses 12 angeordneten Antrieb drehen; die Paarung der Schnecke 58 mit der Schneckenradverzahnung 56 ist aber selbsthemmend, so dass der Abtriebs-Führungsring 50 daran gehindert ist, sich in bezug auf das Gehäuse 12 zu drehen, solange die Schnecke 58 nicht gedreht wird.

Der Druckring 36 weist gemäß Fig. 2 für jeden der in gleichmäßigen Winkelabständen angeordneten Wälzkörper 38 eine Auflauframpe 60 und eine spiegelbildlich dazu angeordnete Auflauframpe 60' auf; bei Rechtslauf des Getriebes wirken die Wälzkörper 38 mit den Auflauframpen 60 zusammen, bei Linkslauf dagegen mit den Auflauframpen 60'. Ist der Abtriebs-Führungsring 50 auf das kleinste Drehzahlverhältnis (n tief2/n tief1) tiefmin eingestellt, so nimmt jeder der Wälzkörper 38 eine Stellung an oder in der Nähe der tiefsten Stelle seiner Auflauframpe 60 ein; ein Wälzkörper 38 in dieser Stellung ist in Fig. 2 mit einem vollen Kreis angedeutet. Ist der Abtriebs-Führungsring 50 aber auf das größte Drehzahlverhältnis (n tief2/n tief1) tiefmax eingestellt, so nimmt jeder Wälzkörper 38, wie in Fig. 2 mit einem gestrichelten Kreis angedeutet, eine Stellung weiter oben auf seiner Auflauframpe 60 ein. Die Auflauframpen 60, und ebenso die Auflauframpen

60', haben einen Steigungswinkel kleines Gamma der von der unteren Stellung zur oberen stetig zunimmt. Jede der Auflauframpen 60 und 60' ist über die für de Wälzkörper 38 bei normaler Belastung erreichbare obere Stellung hinaus um einen Bereich 62 bzw. 62' verlängert, in dem der Steigungswinkel kleines Gamma noch größer wird.

Das beschriebene Getriebe arbeitet folgendermaßen: Im Leerlauf des Getriebes genügt die vom Kraftspeicher 42 erzeugte Anpresskraft, um das dabei am Abtriebs-Laufring 46 auftretende, sehr geringe Drehmoment zu übertragen. Wird dem Getriebe ein Drehmoment abverlangt, so tritt zwischen dem Antriebs-Laufring 28 und dem Druckring 36 ein Differenzmoment auf; die Wälzkörper 38 rollen je nach Drehrichtung des Getriebes auf den Auflauframpen 60 oder 60' nach oben; es entsteht eine Axialkraft, die umso größer ist, je größer das abgenommene Drehmoment ist.

Die virtuelle Drehachse jeder Übertragungskugel 32 liegt bei Abtriebsdrehzahl n tief2 = 0 parallel zur Hauptachse 24 und bildet mit dieser einen wachsenden Winkel, je größer das Verhältnis n tief2/n tief1 der Abtriebsdrehzahl n tief2 zur Antriebsdrehzahl n tief1 eingestellt wird. Diese Einstellung geschieht dadurch, dass die Schnecke 58 und damit der Abtriebs-Führungsring 50 gedreht wird, wodurch sich dieser sicher infolge des Zusammenwirkens seiner Auflauframpen 50 mit den Rollen 54 längs der Hauptachse 24 verschiebt; die damit verbundene Verlagerung der Übertragungskugeln 32 hat zur Folge, dass das Drehzahlverhältnis verändert wird.

Da der Steigungswinkel kleines Gamma in den von den Wälzkörpern 38 bei niedrigem Drehzahlverhältnis n tief2/n tief1 eingenommenen Bereichen der Auflauframpen 60 bzw. 60' klein ist, steigt die Anpresskraft mit zunehmendem Abtriebsdrehmoment stark an. Der stetig zunehmende Steigungswinkel kleines Gamma verhindert jedoch, dass zu große Anpresskräfte entstehen, die sich nachteilig auf die Lebensdauer des Getriebes auswirken würden. Im Bereich des größten Drehzahlverhältnisses (n tief2/n tief1) tiefmax genügt eine verhältnismäßig geringe Überlastung und damit Verformung einzelner Getriebeteile, um die Wälzkörper 38 in die mit einem strichpunktierten Kreis angedeutete Stellung gelangen zu lassen, in der infolge des großen Winkels kleines Gamma nur noch ein begrenzter Zuwachs der Anpresskraft und damit auch des übertragbaren Drehmoments möglich ist.

Die Auflauframpen 60 und/oder 60' könnten statt am Druckring 36 auch am Antriebs-Führungsring 30 angeordnet sein.

Claims (4)

1. Mechanischer Anpresskraftregler für ein stufenlos einstellbares Kugelplanetengetriebe, bei dem in einem Gehäuse ein mit einer Antriebswelle drehfest verbundener Laufring, ein mit einer Abtriebswelle drehfest verbundener Laufring sowie, den Laufringen in einem veränderbaren axialen Abstand gegenüberstehend, je ein Führungsring gleichachsig angeordnet sind, und in einem von diesen vier Ringen begrenzten Ringraum Übertragungskugeln laufen, wobei der axiale Abstand zwischen dem einen Laufring und dem zugehörigen Führungsring entsprechend dem gewünschten Verhältnis zwischen Abtriebsdrehzahl n tief2 und Antriebsdrehzahl n tief1 mit einem Stelltrieb veränderbar ist und eine dem zweiten Laufring und dem zweiten Führungsring axial zueinander hin belastende Kraft vom Anpresskraftrelger erzeugt wird, der eine ringförmige Rampenfläche mit axial ansteigenden Auflauframpen, eine ringförmige Gegenfläche und dazwischen angeordnete Wälzkörper aufweist, wobei entweder die Rampenfläche oder die Gegenfläche an einem Druckring ausgebildet ist, der mit dem zweiten Laufring fest verbunden ist, und die Gegenfläche oder die Rampenfläche am zweiten Führungsring ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Steigungswinkel kleines Gamma jeder Auflauframpe (60;60'), ausgehend von der Stelle, an welcher der zugehörige Wälzkörper (38) bei dem kleinsten einstellbaren Verhältnis n tief2/n tief1 anliegt, stetig nach der Gleichung zunimmt, wobei F der Mittelpunktsabstand der Übertragungskugeln (32) von der Getriebehauptachse (24) und R der mittlere Radius der Auflauframpen (60;60') ist.

2. Anpresskraftregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflauframpen (60;60') über die Stelle hinaus, an welcher der zugehörige Wälzkörper (38) bei dem größten einstellbaren Verhältnis n tief2/n tief1 bei normaler Belastung anliegt, um einen Bereich (62;62') verlängert sind, in dem der Steigungswinkel kleines Gamma noch weiter ansteigt.

3. Anpresskraftregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Wälzkörper (38) zwei spiegelbildlich angeordnete Auflauframpen (60;60') zugeordnet sind.

4. Anpresskraftregler nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten Führungsring (30) und dem Druckring (36) zum Erzeugen einer Anpresskraft im Leerlauf des Getriebes ein Kraftspeicher (42) angeordnet ist.