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Stufenlos regelbares Abwälzgetriebe Stufenlos regelbare A#bwälzgetridbe,
bei denen Kugeln als Abwälzelemente zur Anwendung kommen, sind in verschiedenen
Konstruktionen bekannt. Diese bekannten Ausführungen arbeiten aber mit schlechtemWirkungsgrad,
und dieLebensdauer dieser Getriebe wird durch ungünstige Beanspruchungen der Abwälzflächen
bei der Drehzahlverstellung nachteilig beeinflußt.
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Die bekanntem Konstruktionen weisen immer einen: oder mehrere der
folgenden Nachterle auf: @r. Die Lager haben verhältnismäßig hohe Bela-stungen aufzqnehmen;
2. die für die Umformung der Drehmomente bzw. Drehzahlen erforderlichen Anpreßkräfte
sind bedeutend; 3. die Kontaktbahnen der Abwälzkorper bleiben für wechselnde Drehzahlen
urigeändert; q.. für die Verstellung der Drehzahl werden großeVerstellkräfte proportional
zu den verhältnismäßig hohen schlupfverhindernden Anpreßkräftern benötigt; dies
wirkt sich umgünstig auf die zu wählenden Haftreibungskoeffizienten und damit auf
die zulässigen spezifischen Leistungen. aus, und d'ie Lebensdauer der Getriebe wird,
besonders bei häufiger Verstellung, durch Abnutzung erheblich herabgesetzt.
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Die vorliegende Erfindung beseitigt diese Nachteile und ermäglicht
den. Bau von kleinen und. leicht zu verstellenden., stufenlos regelbarem Abwälzgetrieben
hoher Wirtschaftlichkeit durch Anwendung von planetenartig zwischen: Innen- und:Außenlaufringen
umlaufenden Abwälzkugeln in der Weise, daß das Getriebe als Zwillingsgetriebe ausgebildet
wird, dessen gegenüberliegende Kugeln paarweise in ein Abtriebsglied eingreifen.
Hierbei erfolgt die Übertragung des Drehmomentes durch die paarweise umlaufenden,
in ,gleicher Drehrichtung- als Einheit abrollenden Abwälzkugeln, und
die
Änderung der .Übersetzung wird durch symmetrisch entgegengesetzte individuelle Verstellung
der Einzelkugeln-der Kugelpaare erreicht. Zweckmäßig werden Abwälzkugeln paarweise
in axial verstellbaren Abwälz- und Antriebsringen so geführt, daß jedes Kugelpaar
gemeinsam: um eine zur Laufringachse parallele Achse drehbar gelagert ist und daß
die Einzelkugeln der Kugelpaare je um eine weitere Achse drehbar gelagert sind,
die senkrecht zurRadialen vomKugelmitte'lpunkt zur Lau.fringachse und, senkrecht
zur gemeinsamen Drehachse des Kugelpaares liegt. Während der Verstellung der Drehzahl'
sind. minimale Abweichungen dieser gemeinsamen Drehachse von der Parallelität zur
Hauptachse zulässig.
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Bei dieser Anordnung bilden die axial verschiebbar gelagerten. Innen-
und Außenlaufringe eine Laufrille, in der sich die Kugelpaare mit ihren. nach außen
gekehrten Kugelkuppen so abwälzen, daß sich alle Haftreibung erzeugenden Anpreßkräfte
gegenseitig so aufheben, daß durch ihre Reaktionskräfte keine Lager belastet werden.
Jede der Abwälzkugeln ist in drei Punkten abgestützt, wobei eine Abstützung konstant
auf der die Mittelpunkte verbindenden Achse des Kugelpaares: an der der anderen
Kugel des Paares benachbarten Innenkuppe erfolgt und die beiden anderen Stützpunkte
auf je einem der Laufringe liegen. Diese Art der Abstützung gibt die Möglichkeit,
beim Verstellen des Getriebes die Kugeln von einer Abwälzbahn in eine andere durch
Rollbewegung unter beinahe völligem Ausschluß von gleitender Be-' wegung zu. führen.
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jeder Verstellage der Abwälzringe ist eine selbsttätige entgegengesetzte
Verstellung der Antriebsringe so zugeordnet, d'aß sich die Kontaktbahnen der Abwälzkugeln
auf den Antriebs- und Abwälzringen unter entsprechender Drehzahländerung verschieben.
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Das erfindungsgemäße Getriebe bildet die folgenden Vorteile: a) Alle
für die*Haftreibung zwischen den Abwälzkörpern notwendigen Anpreßkräfte sowie ihre
Komponenten sind derart gerichtet, daß . keine Lager belastet werden. Die Reaktionen--
dieser. verhältnismäßig hohen Kräfte wirken sich nur als. Zugspannungen in der Antriebswelle
und in - dem Getriebegehäuse aus und beeinflussen daher nicht den Wirkungsgrad;
b) bei einer Drehzahländerung kommen immer neue Abwälzfläc'hen aller Abwälzkörper
in Kontakt, und die Abwälzkörper rollen in neue Abwälzbahnen. Dies ermöglicht höhere
Wirkungsgrade wegen der höheren zulässigen Haftreibungskoeffizienten und erhöht
die Lebensdauer und Leistung des Getriebes.
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Der günstige Wirkungsgrad des neuen Getriebes wird zweckmäßig durch
der Getriebekonstruktion angepaßte geeignete Druckkupplungen oder Druckerzeuger
unterstützt.
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Eine beispielsweise Ausführungsform eines Getriebes gemäß der Erfindung
ist in der Zeichnung schematisch dargestellt, und zwar zeigt Fig. i einen Längsschnitt,
durch. das Getriebe nach Linie A-B der Fig. 2, Fig. 2 einen Querschnitt nach Linie
C-D der Fig. i, Fig. 3 einen teilweisen Querschnitt nach E-F der Fig. i, Fig. q.
einen (Querschnitt durch den Druckumformer entlang Linie G-H der Fig. i, Fig. 5
eine Abwicklung des: Druckumformers entlang Linie I-J der Fig. i und Fig. 6 eine
Hälfte einer anderen Ausführung des Druckumformers im Querschnitt; Fig. 7 ist eine
schematische Seitenansicht eines Satzes der Abwälzku.geln zur Erläuterung ihrer
verschiedenen Drehbewegungen; Fig. 8 a und 81 sind schematische Darstellungen
der Bewegung und. Stellung der Kugeln eines Kugelpaares für verschiedene Drehzahlen.
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Zwei Innenringe 3 sind axial verschiebbar und frei drehbar auf der
Antriebswelle 7 geführt und zweckmäßig, z. B. durch eine geeignete Verbindungsbuchse,
gegen gegenseitige Verdrehung geschützt. Die Innenringe 3 bilden mit nicht rotierenden
Außenringen q, je eine aus zwei Kreisbogen bestehende Laufrinne, in der Abwälzkugeln
paarweise axial nebeneinander und in Richtung der Abwälzbahnen. in gleichmäßigen
Abständen voneinander angeordnet sind.
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Die Kugelpaare sind durch in einer Scheibe 5 radial verschiebbar geführte
Kugellager 6 so, gehalten, daß die Rotationsachse je zweier axial nebeneinanderlieg'ender
Kugeln immer parallel zur Hauptachse liegt, um. ein einwandfreies Abwälzen zu gewährleisten.
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Um beim Überführen der Kugeln in. eine andere Abwälzbahn ein leidhtes@
Abrollen unter Ausschaltung von Gleitbewegung zu bewirken, sind vorzugsweise Mittel
vorgesehen, die eine radial nachgiebige gegenseitige Abstützung der Kugeln während
der Getriebeverstellung ermöglichen und dadurch Reibungsverluste vermeiden. Beispielsweise
werderv zwischen den Kugeln jedes Kugelpaares Scheiben :2 radial nachgiebig oder
frei beweglich angeordnet, die nur durch den von, den Kugeln ausgeübten Preßdruck
gehalten werden. Es wurde gefunden, d'aß ein Spiel von: beispielsweise 1/1o mm und
darunter für diesen Zweck völlig ausreichend ist. -Die Scheiben sind vorzugsweise
flach ausgeführt, können aber auch konkave Flächen: haben.
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Um für jede Leistung bzw. jedes Drehmoment die jeweils notwendige
Anpreßkraft zwischen den Abwälzelementen zu erhalten, müssen Druckkupplungen öder
sog. Druckumformer vorgesehen werden.
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Eine zweckmäßige Konstruktion eines solchen Druckumformers ist beispielsweise
in Fig: i, q. und 5 dargestellt. Zu beiden Seiten des Innenantriebringes 3 sind
Buchsen 13 auf der Antriebswelle 7 au.fgekeilt, auf denen Buchsen i i gegen
Verdrehung gesichert gleitbar angeordnet sind. Keilartige Fortsätze io der Buchsen
ii formen zusammen mit ähnlichen keilartigen Vorsprüngen 9 der Innenlaufringe 3
oder mit diesen fest verbundenen Scheiben Abwälzrillen (Fig. 5), in, denen sich
Abwälzkörper, z. B. Kugeln 12, so abrollen können,
daß sie
die axialen Druckkräfte proportional zum Drehmoment von der Antriebswelle 7 symmetrisch
auf beide Innenlaufringe 3 übertragen: und gleichzeitig eine axiale Verschiebung
dieser Laufringe gestatten. Die Schraubfedern 14 belasten axial dauernd die zwischen
den keilartigere Vorsprüngen io und 9 liegenden Kugeln 12 und damit die Innenringe
3, urn den Kraftschluß des Getriebes beim Leerlauf, wenn kein Drehmoment vorbanden,
zu sichern sowie die Kugeln 12, die in Aussparungen z8 einer frei drehbaren. Scheibe
27 (Fig. 4) geführt sind, durch Haftreibung zwischen den Vorsprüngen io und 9 in
ihrer Rollage entsprechend der Getriebestellung zu, halten.
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Eine andere Ausführungsform eines . Pruckumfortners ist in Fig. 6
dargestellt. Hier wird ein Planetenkegelrädersys-tem2g, 30, 3i angewendet, um die
Kugeln 12 entsprechend der Getriebestellung zwangsläufig in ihrer Lage zwischen
den Vorsprüngen io und 9 zu halten, wobei die Schraubenfedern 14 nicht die Kugeln
12, sondern direkt oder indirekt die Innenringe 3 belasten.
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Die durch, die Vers,tellbarkeit der Innenlaufringe 3 erforderliche
Zwangssteuerung der ihnen zugeordnetenDruckumformerrollkörperkann natürlich auch
durch andere Mittel, z. B. durch Planetenzahnräder oder Hebelkonstruktionen, erfolgen.
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Das Problem der Zwangssteuerung von Rollkörpern in Abhängigkeit von
der axialen Verschiebung der Laufringe tritt nicht nur bei den. Innenlaufringen.
3, sondern in ähnlicher Form auch bei den Außenlauf ringen 4 auf und kann in ähnlicher
Weise gelöst werden. Wie aus Fig. i ersichtlich,, sind die bei der Drehübertragung
von Antriebs- auf Abtriebswelle stationären. Außenringe q. beispielsweise mit einer
Schneckenradbuchse 15 uridrehbar, jedoch axial verschiebbar verbunden. An den äußeren
Planflächen der Außenringe 4 sind keilartige Vorsprünge 16 vorgesehen, gegen die
sich mehrere gleichmäßig am Umfang verteilte Kugeln, 17 abstützen. Fest mit dem
Gehäuse 18 und i9 verbundene Ringe 2o haben an der nach innen gerichteten Planfläche
keilartige Vorsprünge 32. Die zwischen diesen keilartigen Bahnen angeordneten: Kugeln
17 wälzen sich bei der Verstelldrehung der Außenringe 4 mittels Schnecke 21 durch
ein (nicht dargestelltes) Handrad .oder eine sonstige Vorrichtung auf diesen Bahnen
ab und verdrängen die Außen ringe 4 nach innen gegen die Kugeln, i. Die Federn 22
belasten die Außenringe 4 dauernd nach außen, so daß eine zwangsläufige Verstellung
der Außenlaufringe 4 durch Drehen des Schneckenrades nach beiden Richtungen gegeben
ist.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Abtriebsdrehmoment
in der gemeinsamen Achse der beiden Kugeln jedes Kugelpaares auf das radial verschiebbar
in der Scheibe 5 vorgesehene Kugellager (Kugeln 6) und damit auf die Scheibe 5 selbst
übertragen. Die drehbar auf der Welle 7 gelagerte Scheibe 5 ist fest mit einem rohrartigen.
Mitnehmer 8 verbunden, der die Abtriebsdrehzahl über Planetenräder 23, ein unmittelbar
auf der Antriebswelle 7 angewendetes Za:hnritzel 24 und ein Ringzahn.rad 2.5 auf
die Abtriebswelle 26 überträgt. je nach der Wahl der Durchmesserverhältnisse der
Planetenräder @läßt sich jeder beliebige Abtriebs dre'hzahlbereich, auch bis Null
oder für beide Drehrichtungen, erzielen.
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Das neue Getriebe arbeitet wie folgt: Die Welle 7 wird beispielsweise
mit konstanter Drehzahl angetrieben. Die Druckumformer pressen die Innenläufringe
3 gegen die Kugeln i und nehmen sie durch Haftreibung mit. -Die Kugelre wälzen sich
an den Außenringen ab und führen - dabei eine planetenartige Bewegung aus. Da beide
Kugeln, eines: Kugelpaares sich auf gleichen Durchmessern abwälzen, ist die Relativbewegung
zwischen: den beiden Kugeln gleich Null. Die zwischen den Kugeln liegenden Scheiben
2 werden mit umgenommen.
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Die entsprechend den Abwälzbedingungen reduzierte Drehzahl wird auf,
den rohrartigen Ab--nehmer 8 übertragen und von, ihm, auf die Abtriebswelle
26.
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Die Verstellung der Abtriebsdrehzabl; erfolgt durch Drehen der Schnecke
21. Hierbei werden die Außenlauf Dinge 4 durch, das Schneckenrad 15 gedreht und
.durch die Kugeln 17, die sich auf den keilartigen Bahnen 16 abwälzen, axial verstellt.
Bei Verringerung der Abtriebsdrehzahl werden die Außenlaufringe zusammengepreßt,
und. dadurch wird die Kontaktbahn der eine Verstelldrehung um Querachsen ausführenden
Kugeln i auf den Innen laufringen3 so geändert, daß die Innenringe gegen den Druck
der Druckumformer nach außen gepreßt werden; bei Vergrößerung der Abtriebsdrehzahl
tritt die entgegengesetzte axiale Verschiebung der Abwälz- und Antriebsringe ein.
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Die von den planetenartig angeordneten Wälzkugeln i ausgeführten Drehbewegungen
sind in Fi:g. 7 dargestellt, in der die Laufring- und Wellenachse S-S und die Arbeitsachgen
a-a senkrecht zur Zeichenebene liegen. v-v sind die Verstellachsen der Kugeln, die
im. rechten. Winkel zur durch den Mittelpunkt jeder Kugel' um die Laufringachse
gehenden Radialen und senkrecht zu den Arbeitsachsen a-a liegen.
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Fig.8a und 8b zeigen schematisch, die Drehbewegungen der Kugeln eines
Kugelpaares um die zur Laufringachse und Welle parallele Arbeitsachse a-a und ihre
gegenseitige Verdrehung um die senkrecht zur Zeichenebene liegenden Verstellachsen
v-v, wobei Fig. 8.a kleinen und Fig. 8b großen Abtriebs.drehzahlen entspricht: Bei
Erhöhung der Antriebsdrehzahl z. B. wälzen sich die Kugeln i eines Kugelpaares gegenläufig
von den Kontaktpunkten A und C zu den Punkten B und D, während
der Abstand des dritten Stützpunktes E von der Lauf ringachse um, ein geringes Maß
geändert wird. Eine Reibung zwischen den Kugeln i eines Kugelpaares und ihrer Abstützscheibe
2 ist vollständig vermieden; ebenso tritt zwischen den Kugeln i und den Laufringen
am stärker belrasteten Abstützpunkt keine Reibung auf, während die Reibung an den
weniger stark belasteten Abs.tützpunkten außerordentlich gering ist. Da somit so
gut wie keine Gleitbewegung zwischen den Abwälzkärpern stattfindet,
sind
zur Verstellung des Getriebes nur sehr geringe Kräfte erforderlich.
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Das Getriebe kann besonders klein und wirtschaftlich hergestellt werden,
weil die das Drehmoment übertragenden Hauptelemente verhältnismäßig klein und hoch
belastbar .sind und weil die großen innerhalb der Hauptelemente auftretenden Kräfte
völlig ausgeglichen werden, so daß die Wellenlager keine Schublasten aufzunehmen.
haben. Durch die symmetrische Anordnung der Abwälzkörper und Laufrillen erzeugen
die verhältnismäßig hohen durch Haftreibung bedingten Kräfte nur Zugbeanspruchungen
in Welle und Gehäuse, haben demnach keinen Einfluß auf den Getriebewirkungsgrad.
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Es ergeben sich ferner unter Berücksichtigung der verschiedenen Abrollgeschwindigkeiten
am Innen- und Außenring in Verbindung mit den Druckumformern sehr günstige hohe
Haftreibungskoeffizienten für den ganzen Verstellbereich. Es soll erwähnt werden,
daß alle Kugeln i die Leistungsübertragung gleichmäßig übernehmen.
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Wenn die Kugelpaare unter Fortläss.ung der Zwischenscheibe in einer
doppeltseitigen Kugelschale gelagert werden, wird der Vorteil der freien Abwälzbarkeit
beim Verstellen der Drehzahl aufgegeben.
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An Stelle der Kugeln der Druckumformer und der Verstellvorrichtung
können andere, z. B. tonnenartige oder kegelförmige Wälzkörper verwendet werden.
Die zwischen denn Kugeln i angeordneten drehmomentübertragenden Kugella gerkännenldurch
den Kugelformen arigepaßte und sich auf denn Kugeln direkt abwälzende Wälzkörper
mit entsprechendem Außenring ersetzt werden. Das Drehmoment kann auch von den Kugeln
i über schwenkbare Lager oder auch durch direkt gegen. die Kugeln anliegende Rollen
übertragen werden.