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Stufenlos einstellbares Kugelrollgetriebe
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Die Erfindung betrifft ein stufenlos einstellbares Kugelrollgetriebe
mit zwei äußeren Laufringen mit innenliegenden formgleichen Laufflächen und zwei
inneren Laufringen mit außenliegenden, nicht formgleichen Laufflächen, wobei die
Laufringe axial gegeneinander verschieblich sind, einer Anzahl planetenartig umlaufender
Ubertragungskugeln zwischen diesen Laufringen und einer Verstelleinrichtung zur
Drehzahleinstellung.
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Es ist bekannt, bei stufenlos einstellbaren mechanischen Getrieben
Kugeln als übertragungskörper einzusetzen.
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Bei einer bekannten Bauart sind mehrere, entlang einem Durchmesser
durchbohrte Kugeln auf eigenen Wellen gelagert und gehalten, so daß sie nicht planetenartig
um die Getriebeachse umlaufen können. Sie übertragen die Drehung eines Innenringes,
indem sie sich ihrerseits um ihre Wellen drehen, auf einen zweiten Innenring. Zur
änderung des Drehzahlverhältnisses der beiden Innenringe wird die Neigung der Wellen
der Kugeln relativ zur Getriebeachse geändert und damit die Radien der Laufbahnen
auf den Kugeln und zwar gegensätzlich für die beiden Innenringe. Solche Getriebe
haben einen Verstellbereich von etwa R = 9.
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Es ist weiterhin bekannt (FR-PS 1 231 854, US-PS 3 504 574, US-PS
3 707 888) eine Anzahl Kugeln zwischen zwei äußeren Laufringen in einem sogenanntem
Abstandhalter zu führen. Die Laufbahnen der äußeren Laufringe und des einen inneren
Laufringes sind eben und gegen die Getriebeachse um einen bestimmten Winkel geneigt,
während der zweite innere Ring eine gekrümmte Laufbahn hat. Die beiden Innenringe
sind drehfest mit einer ersten Welle verbunden und drehen somit gleich schnell.
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Ein Außenring ist mit einer zweiten Welle drehfest verbunden. Der
zweite Außenring ist durch die Verstelleinrichtung an der Drehung gehindert und
steht still. Die Kugeln übertragen die Drehung der ersten Welle mit den inneren
Laufringen auf den einen äußeren Laufring und die zweite Welle. Dabei laufen die
Kugeln einmal planetenartig um die Getriebeachse um, wobei sie sich gleichzeitig,
ähnlich den Verhältnissen in Kugellagern, um virtuelle Achsen durch die Kugelschwerpunkte
drehen. Die Lagen dieser virtuellen Achsen im Raum sind durch die jeweiligen Lagen
der Berührpunkte Kugeln -innere
Laufringe definiert. Die Verbindungslinien
der Berührpunkte Kugeln -innere Laufringe sind Mantellinien eines Kegels, dessen
Spitze auf der Getriebeachse liegt. Der Öffnungswinkel des Kegels hängt vom gerade
eingestellten übersetzungsverhältnis ab. Die virtuellen Achsen der Kugeln sind ebenfalls
Mantellinien eines Kegels, dessen Spitze mit der Spitze des Kegels, der durch die
Verbindungslinien der Berührpunkte Kugel - innere Laufringe gebildet wird, identisch
ist.
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Durch axiales Verschieben des einen stillstehenden äußeren Laufringes
mittels der Verstelleinrichtung und damit notwendig des ihm diagonal gegenüberliegenden
inneren Laufringes bewegen sich die Kugeln zwischen den zueinander parallelen Laufflächen
der beiden anderen Laufringe, dabei ändern sich die Radien der Laufbahnen auf den
Kugeln und der Laufbahnen auf den äußeren und inneren Laufringen und somit das übersetzungsverhältnis.
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Insbesondere ändern sich dabei auch die Lagen der Berührpunkte Kugeln
-innere Laufringe und somit die Neigung der virtuellen Achsen der Kugeln.
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Bei Abtriebsdrehzahl Null liegen die virtuellen Achsen der Kugeln
parallel zur Getriebeachse, bilden Jedoch zu dieser einen umso größeren Winkel,
Je größer die Drehzahl des einen äußeren Laufringes ist. Getriebe dieser Bauart
haben wesentliche Nachteile. Das maximal erreichbare Verhältnis von Abtriebs- zu
Antriebsdrehzahl liegt bei etwa 0,5. Insbesondere aber eignen sie sich nicht für
größere Leistungen. Da die virtuelle Achse der Kugeln ihre Lage im Raum entsprechend
dem obengenanntem Kegelmantel ständig ändern muß, wirken auf die Kugeln beträchtliche
Rückstellmomente - Deviationsmomente - welche versuchen, die virtuellen Achsen der
Kugeln in eine zur Getriebeachse parallele Lage zu zwingen. Zur Vermeidung dieser
Rückstellung ist eine im Vergleich zum übertragenen Drehmoment überhöhte Anpreßkraft
erforderlich. Der Ubertragungswirkungsgrad des Getriebes wird erheblich verschlechtert
und die Getriebetemperatur erhöht. Das Rückstellmoment steigt in erster Näherung
mit der dritten Potenz des Kugeldurchmessers an. Das führt dazu, daß die übertragbare
Leistung derartiger Getriebe bei etwa 7 kW begrenzt werden muß, da die erforderliche
Anpreßkraft so hoch wird, daß der Ölfilm in den Berührungspunkten Kugeln - Laufringe
abreißt. Die bekannten Getriebe dieser Bauart haben weiterhin den Nachteil, daß
sich die die Drehzahl bestimmenden Teile gegen das Gehäuse abstützen. Die Übertragungsteile
wie Laufringe und Kugeln bestehen aus gehärtetem Stahl, während das Getriebegehäuse
aus kosten- und fertigungstechnischen Gründen entweder aus einer Aluminiumlegierung
oder aus Grauguß hergestellt wird. Durch die unterschiedlichen L-ängenausdehnungskoeffizienten
der verschiedenen Materialien treten zwischen kaltem Anlauf- und warmem Betriebszustand
beträchtliche Drehzahländerungen auf,
die für Präzisionsantriebe
unzulässig hoch sind.
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Ziel der Erfindung ist es, insbesondere den Leistungsbereich bis zu
etwa 50 kW zu erweitern. Das übersetzungsverhältnis soll auf einen Wert größer 1
ausgedehnt werden, wobei eine einmal eingestellte Abtriebsdrehzahl auch bei wechselnden
Betriebsbedingungen genau eingehalten wird.
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Das Getriebe sollte außerdem durch die Abtriebsdrehzahl Null hindurch
auf entgegengesetzte Drehrichtung verstellbar sein um es z.B. in Verbindung mit
Verbrennungsmotoren als Fahrantrieb einsetzen zu können.
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Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die äußeren
Laufringe über eine Glocke drehfest mit einer ersten Welle, der eine innere Laufring
drehfest mit einer zweiten Welle verbunden sind und der zweite innere Laufring durch
die Verstelleinrichtung an der Drehung gehindert wird.
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Durch die erfindungsgemäße Konstruktion gelingt es, auf die Kugeln
wirkende Rückstellmomente zu vermeiden. Die für die Drehzahleinstellung maßgebenden
übertragungsteile stützen sich nicht mehr am Gehäuse ab, so daß Temperaturunterschiede
keinen Einfluß mehr auf die einmal eingestellte Drehzahl haben. Es werden übersetzungsverhältnisse
von Abtriebsdrehzahl zu Antriebsdrehzahl von Null bis größer -1 erreicht, im Bedarfsfall
ist sogar ein positives übersetzungsverhältnis möglich. Die beiden äußeren Laufringe
haben gleichförmige Laufflächen. Da sie über eine Glocke drehfest mit einer ersten
Welle verbunden sind, drehen sie gleich schnell.
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Die virtuellen Achsen der Kugeln liegen daher immer parallel zur Getriebeachse
und wandern nur parallel zu sich um die Getriebeachse. Der eine innere Laufring
ist drehfest mit einer zweiten Welle verbunden. Seine Lauffläche ist parallel zur
Lauffläche des ihm gegenüberliegenden äußeren Laufringes. Der zweite innere Laufring
hat demgegenüber eine gekrümmte Lauffläche, Dieser zweite innere Laufring wird zur
Drehzahleinstellung mittels der Verstelleinrichtung axial verschoben und dann bei
eingestelltem Drehzahlverhältnis an der Drehung gehindert. Der diesem inneren Laufring
gegenüberliegende äußere Laufring wird entsprechend axial bewegt, wobei sich die
Kugeln zwischen den paralle Laufflächen der beiden anderen Laufringe verschiebt.
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Die zur Drehmomentübertragung erforderliche Anpreßkraft wird durch
ein Kraftspeichermittel, beispielsweise durch eine oder mehrere Tellerfedern mit
vorzugsweise degressiver Kennlinie, durch einen drehmomentabhängigen Anpreßkraftregler
bekannter Bauart oder hydraulisch erzeugt.
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Diese derErzeugung von Anpreßkraft dienenden Einrichtungen sind so
gestaltet, daß die axiale Verschiebung des äußeren Laufringes bei der Verstellung
der Drehzahl möglich ist. Verwendet man Tellerfedern als Kraftspeichermittel so
ist es vorteilhaft, Tellerfedern mit degressiver Kennlinie-einzusetzen, damit die
Anpreßkraft und damit das übertragbare Drehmoment zu niedrigen Abtriebsdrehzahlen
hin ansteigt, wodurch über einen weiten Bereich der Abtriebsdrehzahl konstante Leistungsübertragung
möglich ist.
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Das erfindungsgemäße Getriebe ist im folgenden an Hand eines Beispiels
näher erläutert. Die Figur 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Getriebes.
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Die beiden äußeren Laufringe 2,3 mit den gleichförmigen, geraden Laufflächen
sind über eine Glocke 8 mit einer ersten Welle 6 drehfest verbunden, so daß sie
gleich schnell drehen Die Kugeln 10 rollen auf dem inneren stillstehenden Laufring
1 ab und übertragen die Drehbewegung, entsprechend der Getriebeanstellung übersetzt,
auf den zweiten inneren Laufring 4 und die Welle 7. Der Abstandhalter 11 vermeidet,
daß die Kugeln einander berühren. Die Lauffläche des inneren Laufringes 4 ist gerade
und parallel zur Lauffläche des äußeren Laufringes 3. Die Lauffläche des inneren
Laufringes 1 ist gekrümmt. Mittels der Verstelleinrichtung 5 wird der innere Laufring
1 zur Einstellung der gewünschten Abtriebsdrehzahl axial verschoben. Dabei wandern
die Kugeln 10 zwischen den zueinander parallelen Laufflächen des äußeren Laufringes
3 und des inneren Laufringes 4 und verschieben ihrerseits den zweiten äußeren Laufring
2 entsprechend. Zwischen der Glocke 8 und dem äußeren Laufring 2 ist eine Tellerfeder
9 mit vorzugsweise degressiver Kennlinie zur Erzeugung der erforderlichen Anpreßkraft
angeordnet.
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Bei eingestellter Drehzahl Null für den inneren Laufring 4 ist der
äußere Laufring 2 am dichtesten beim Laufring 3, für die maximale Drehzahl ist dieser
am weitesten entfernt.
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In Figur 2 sind die geometrischen Verhältnisse einer bevorzugten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Getriebes dargestellt. Das Verhältnis der Drehzahl der Welle
7 zur Welle 6 sei mit i- bezeichnet. Dann ergibt sich folgende Formel: sina - sin
T g/D 1 sino< + sin7 m/D
Setzt man voraus, daß bei einer bevorzugten
Ausführung der Winkel = 450 ist, so ergibt sich für Drehzahleinstellungen mitc(
kleiner 450 ein negatives i, das heißt, daß die Drehrichtungen der Welle 6 und 7
entgegengesetzt sind, für o( = 450 ergibt sich bei beliebigen Drehzahlen der Welle
6 für die Welle 7 die Drehzahl Null, für « größer 450 erhält man ein positives i,
das heißt, die Welle 7 ändert die Drehrichtung.