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Dreiwellengetriebe mit entlasteten Reibradachsen Im Verhältnis zu
der großen Zahl der in der Industrie verwendeten Riementriebe und der. Zahnradgetriebe
ist die Häufigkeit der Verwendung der Reibradgetriebe nur gering. Diese Tatsache
könnte verwunderlich erscheinen, denn eigentlich stellt doch das Reibrad ein ideales
Zahnrad, nur eben mit unendlich vielen und darum unendlich kleinen Zähnen, dar.
Eben darum eignen sich Reibradgetriebe hervorragend für stufenlose Schaltungen,
für Wechsel- und Wendegetriebe.
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Daß dennoch verhältnismäßig wenig Reibradgetriebe anzutreffen sind,
dürfte wohl in erster Linie darauf beruhen, daß, um große übertragungskräfte zu
erhalten, der Anpressungsdruck sehr groß wird. Er beträgt bekanntlich bei Stahlrädern
mindestens das Achtfache der am Umfang verfügbaren Kraft und selbst bei Lederbelag
noch etwa das Vierfache. Bei den meisten heute üblichen Konstruktionen muß dieser
Druck voll von den Lagern aufgenommen werden, woraus sich eine schwere teuere Konstruktion
ergibt.
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Vorliegende Erfindung will ein vielseitig verwendbares Reibradgetriebe
schaffen, das während des Betriebes stufenlose Änderung der Drehgeschwindigkeit
zuläßt. Die Lager der schnell laufenden kleinen Reibräder sind aber vom Anpressungsdruck
voll entlastet, die Lager der übrigen Wellen, wenn nicht gerade die Drehzahländerung
i : i gewählt wird, teilweise. Dieses Getriebe dient aber gleichzeitig auch als
Kupplung und gestattet ein sehr weiches Anfahren. Das regelbare Cbersetzungsverhältnis
ist verhältnismäßig groß, nämlich i :14 im Extremfall (bei Verwendung von drei schnell
laufenden Rädern).
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Dieses Getriebe beruht auf folgendem Prinzip: i. Die kleine Lagerbelastung
der Reibräder wird dadureh erzielt, daß die diametral entgegengesetzten Stellen
der schnell laufenden Reibräder gleichzeitig
demselben Druck ausgesetzt
sind. 2. Durch Verwendung von mehreren Rädern gleichzeitig ist der Druck je Rad
herabgesetzt. @ 3. Die stufenlose Verstellung während des Betriebes erfolgt dadurch,
daß die Reibräder entlang einer hyperbolischen Kurve verschoben werden. Diese Kurve
kann auch so gewählt werden; daß sie sich einem Kreisbogen nähert oder in einen
solchen übergeht. Die schnell laufenden Reibräder liegen dann in ihren beiden Endstellungen,
die praktisch aber nicht ganz erreicht werden können, einerseits zwischen zwei Scheibenrädern,
andererseits zwischen einer zylindrischen Vollwelle und einer Hohlwelle. 4. Es werden
dabei drei Körper, die entweder alle oder doch wenigstens zwei davon als Wellen
ausgebildet sind, in ein gemeinsames Abhängigkeitsverhältnis gebracht durch Verbindungen
und Schaltungen, wie sie bei ähnlichen derartigen Getrieben bereits bekannt und
üblich sind. 5. Bezeichnend für das hier vorgeschlagene Getriebe ist die Ausbildung
der Wellenköpfe. Der Kopf der einen Welle bildet nämlich ein konkaves Rotationshyperboloid,
der der anderen ein konvexes Rotationshyperboloid. Die dritte Welle endigt in einem
Gelenkstück, in dem die Achsen der schnell laufenden Reibräder einen, je nach Stellung,
verschiedenen und während des Betriebes verstellbaren Winkel bilden. Diese Hyperboloide
können je nach Bedarf mit geringerer oder größerer Krümmung gewählt werden: Ihre
Oberfläche kann sich im Extremfall einerseits- der eines egels, andererseits der
einer Kugelfläche nähern. Die schnell laufenden Reibräder selbst erhalten zweckmäßig
kugelige Oberfläche,'stellen also Kugelabschnitte dar, so daß der Anpreßdruck immer
nach deren Mitte hinzielt, wo sich die Lager befinden. Die gekrümmten Flächen sind
so zu wählen, daß sie in jeder Stellung der schnell laufenden Reibräder gleichen
Abstand, nämlich den gleich dem Durchmesser der schnell laufenden Reibräder, haben.
6. Während des Betriebes wälzen sich die beiden Hyperboloide über die Reibräder
aufeinander ab. Da die schnell laufenden Reibräder sich aber während des Betriebes
verschieben lassen, ist die stufenlose Schaltung erreicht. 7. Werden drei schnell
laufende Reibräder verwendet, so läßt sich ein Regelbereich erzielen, der fast zwischen
den Werten i : i und i : 14 schwankt. Werden vier schnell laufende Reibräder verwendet,
so sind die beiden Extreme i : i und i : 6. Bei sechs schnell laufenden Reibrädern
i : i und i : 3. Sehr groß wäre der Regelbereich bei Verwendung von nur zwei
schnell laufenden Reibrädern. Hierbei ergeben sich aber konstruktive Nachteile.
Am vorteilhaftesten scheint, wegen der eindeutigen Bestimmtheit durch Dreipunktberührung,
die Verwendung von drei schnell laufenden Reibrädern zu sein.
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Abb. i zeigt in rein schematischer Weise eine Ausführungsart des vorgeschlagenen
Reibradgetriebes, bei der die Reibradachsen 6 und 7 gerade sind. Bei der konstruktiven
Durchführung ist darauf zu achten, daß das große Gegendrehmoment durch entsprechend
starke Ausführung der Achsen 6 und 7, die dann zweckmäßig rechteckigen Querschnitt
erhalten, auch aufgenommen werden kann. Auch ist der Kopf i i der Welle i mit dem
Gelenk 8 entsprechend stark auszuführen, wofür bei dieser Konstruktionsart genügend
Raum zur Verfügung steht.
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Abb.2 zeigt verschiedene Schaltungsarten der drei beweglichen Grundelemente
des Getriebes. Diese Schaltungsarten sind von anderen Getrieben teils schon bekannt,
teils als naheliegend anzusehen. Sie sollen also nur die Verwendungsmöglichkeit
dieses Getriebes veranschaulichen.
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Abb. 3 zeigt schließlich in schematischer Weise das Getriebe, wenn
man die Rotationshyperboloide in ihren Extremwert, nämlich in die Form übergehen
läßt, daß ihre Meridianlinien Kreise bilden. Hierbei sind die Achsen 25, 26, 27,
28 schraffiert gezeichnet, um anzudeuten, daß es sich nicht um gekrümmte Stangen
von kreisförmigem Querschnitt handelt, sondern um Formen die verwindungs- und biegefester
sind, also mit rechteckigem Querschnitt oder solchem von Doppel-T-Form usw.
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Hierin bedeuten: i Welle, die im Falle der Abb. i auch längs verschiebbar
ist, 2 Welle, die noch andere Elemente des Getriebes trägt, 3 Welle, die am Kopf
mit dem konkaven Rotationsellipsoid fest verbunden ist, 4 konkaves Rotationsellipsoid,
5 konvexes Rotationsellipsoid in Welle 2 längs verschiebbar, 6 und 7 Achsen, die
die schnell laufenden Reibräder 6 und 7 tragen, 8 Gelenk oder mehrere Gelenke (für
jede bewegliche Achse eins), 9 und io schnell laufende Reibräder mit kugelförmigen
Laufflächen und Lagern in der Mitte, .ii Wellenkopf, der die Drehung auf die Welle
i überträgt, 12 Stahlring, 13 Feder irgendwelcher Art, kann auch aus Kautschuk
bestehen, 14 Stellschrauben zum Einstellen des Anpreßdruckes, 15 desgl;, 16,
17, 18, i9 Kugellager, 20 Oberfläche des Rotationshyperboloids 5, 21 Führungsnut
in der Welle t, 22 Stellhebel für Hand oder sonstige Verstellung und Einstellung
des Getriebes, 23 Kugellager, 24 Stellschraube, an ihrem Kopf mit einem Ansatz versehen,
der Gewinde trägt. Durch dessen Drehung lassen sich die schnell laufenden Reibräder
9 und io verstellen; 25 und 26 gekrümmte Achsen mit biegefestem Profil. Sie haben
an ihrer Innenseite Gewinde, das mit demjenigen der Stellschraube 24 eingreift;
27 und 28 ebensolche Achsen wie 25 und, 26, jedoch Gewinde an Außenseite, A eine
Schaltanordnung, bei der die Welle i festgehalten ist; B Schaltanordnung, bei der
die Welle 2 festgehalten ist, C Schaltanordnung, bei der die Welle 2 und 3 fest
verbunden ist. In diesem Falle ist das Getriebe zur Gleitkupplung geworden. Der
Gleitgrad ist aber je nach Stellung der schnell laufenden Reibräder 9 und io verschieden;
D Schaltanordnung, bei der Welle i und 3 fest verbunden sind, E Schaltanordnung,
bei der Welle i und 2 fest verbunden sind, F Schaltanordnung, die veranschaulichen
soll, daß durch Vertauschen der Stellung der Wellen i und 3 das Getriebe statt zur
Herabsetzung nunmehr zur Heraufsetzung von Geschwindigkeiten verwendbar ist, G Schaltanordnung,
die veranschaulicht, daß das Getriebe auch
für Rückwärtsgang und
Leerlauf bei Stellung der schnell laufenden Reibräder in der Mittellage verwendet
«erden kann. Diese wird dadurch bewirkt, claß Welle 2 und 3 entgegengesetzt, aber
verschieden schnell gedreht werden; H Schaltanordnung, die zeigt, daß das Getriebe
verwendet werden kann, um zwei Räder gleichsinnig, aber stufenlos schaltbar verschieden
schnell laufen zu lassen, I Schaltanordnung, die zeigt, daß bei Verwendung eines
zusätzlichen Differentialantriebes noch weitere Variationsmöglichkeiten ergeben.
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Das Getriebe nach Abb. i arbeitet beispielsweise wie folgt: Welle
3 wird angetrieben, Welle i ist festgehalten, kann sich also nicht drehen, bleibt
aber längs v(-rsciiiel)har. in oberster Stellung der schnell laufenden Reibräder
berühren diese den Körper 4 mit dem konkaven Rotationshyperboloid gar nicht. Das
Getriebe ist also ausgeschaltet. Durch langsame Senkung der Welle i beginnt nun
Welle 2 zu drehen, und zwar entgegengesetzt der Welle 3. Das Einkuppeln ist weich,
da die Reibräder 9 und io an der mehr oder weniger ausgezogenen Spitze des Körpers
4 leicht gleiten können. Welle 2 dreht erst langsam, da sich ja ein 'kleiner Kreisbogen
der treibenden Welle auf einem großen Kreisbogen der angetriebenen Welle abrollt.
Je mehr die Welle i gesenkt wird, um so mehr gleicht sich die Drehzahl der getriebenen
Welle 2 der der treibenden Welle 3 an. Durch die Schrauben 14 und 15 wird die Feder
13 so stark angezogen, daß der Druck auf die schnell laufenden Reibräder 9 und io
die Oberflächen eben noch nicht zerstört. Hierfür gelten die bekannten Formeln nach
Hertz. Infolge Keilwirkung ist die Flächenpressung beim Anfahren, also bei oberster
Stellung der Welle i, größer als beim Schnellauf (unterste Lage der Welle i). Hierdurch
wird das Drehmoment beim langsamen Lauf selbsttätig größer, wie es beim Arbeiten
der meisten Maschinen, besonders bei den Fahrzeugen, erwünscht ist. Da die Spitze
des Körpers ,4 praktisch nur für das Anfahren benutzt wird, ist hierfür, da sie
nur kurze Zeit der Flächenpressung ausgesetzt ist, die zulässige Flächenpressung
auch größer. Wird Welle i entgegengesetzt der Drehrichtung der Welle 3 auch gedreht,
so kann man durch Abstimmung der Drehzahlen erreichen, daß die Welle 2 stillsteht,
auch ohne daß die Welle i in der obersten Lage gehalten wird. Werden die Drehzahlen
so eingestellt, daß die schnellen Reibräder 9 pnd io sich bei Stillstand etwa in
der lNtittellage befinden, so kann durch weiteres Heben der Welle i Rückwärtsgang
erzielt werden. Damit wird dieses Getriebe dann zum stufenlos schaltbaren Wendegetriebe.
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Eine weitere prinzipiell andere Befestigungsart und \-erscliiebl)arkeit
der Achsen zeigt die Abb. 3. Wird hier z. 13. die Welle i festgehalten und die Stellschraube
24 durch ein, nicht eingezeichnetes, Handrad gedreht, so werden die nunmehr sichelförmigen
Achsen 25 und 26 ausgestoßen oder eingezogen. und dadurch wird die Drehzahl der
Welle 2, die z. 13. als Keilriemenscheibe ausgebildet sein kann, geregelt. Eine
andere 'konstruktive Lösung zeigt Abb. 4. Hier werden die sichelförmigen Achsen
27 und 28 durch Drehung des Ringes 29 in ihrer.Lage verstellt. Ist in diesem Falle
die Welle 2 festgelegt, sö kann bei konstanter Drehzahl der Welle 3 die Drehzahl
der Welle i stufenlos geregelt werden. Die Federorgane, die zur Erzeugung der Flächenpressung
dienen, sind in Abb. 3 und 4 der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet. Es
erscheint zweckmäßig, das ganze Getriebe, falls Stahlräder verwendet werden, im
Ölbad laufen zu lassen.
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Dieses Dreiwellengetriebe läßt sich konstruktiv auf mannigfache Art
abwandeln. Man kann die drei Wellen verschieden schalten und miteinander verbinden,
wie in Abb. 2 symbolisch dargestellt ist. Nfan kann die Rotationshyperboloide mit
verschiedenen Krümmungen versehen, wie eben der jeweilige Gebrauchszweck es verlangt.
Man kann die Federn 13 durch Gummi- oder Luftkissen ersetzen. Man kann Kugel- oder
Gleitlager für das Getriebe verwenden. Man kann die schnell laufenden Reibräder
9 und io aus hartem Werkstoff herstellen, man kann sie aber auch mit Leder oder
Gummi oder einem Kunststoff belegen. Man kann jede der drei Wellen i, 2 und 3 als
treibende oder getriebene Welle benutzen oder mit dem fest stehenden Gestell verbinden.
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Dieses Getriebe läßt sich in größere Riemscheiben oder Zahnräder einbauen,
womit dann ein zusätzlicher Raumbedarf fortfällt.
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Da die Belastungsmöglichkeit mit dem Quadrat der Durchmesser der schnell
laufenden Reibräder wächst, kommt es, im Gegensatz zu den vielfach verwendeten stufenlosen
Getrieben, die mit verschiebbaren Keilriemen arbeiten, auch für Übertragung großer
Leistungen in Betracht. Der Abnutzung unterliegen praktisch nur die schnell laufenden
Reibräder 6 und 7 sowie die Körper mit den Rotationshyperboloiden 5 und 4. Diese
lassen sich konstruktiv leicht so gestalten, daß sie ohne Schwierigkeiten' austauschbar
sind. Für die Lebensdauer und die Abnutzung gelten ähnliche Gesetze wie für die
Kugellager.