DE2928127A1

DE2928127A1 - Steplessly adjustable rolling ball drive - has outer rings coupled by bell housing to first shaft via planetary transmission balls

Info

Publication number: DE2928127A1
Application number: DE19792928127
Authority: DE
Inventors: Gerhard Ing Grad Riepl
Original assignee: Planetroll Antriebe GmbH
Current assignee: Planetroll GmbH and Co KG
Priority date: 1979-07-12
Filing date: 1979-07-12
Publication date: 1981-02-19

Abstract

The steplessly adjustable rolling-ball drive has two outer rings with similarly-shaped inner running faces. The two inner rings have dissimilar outer running faces. The rings slide axially in relation to each other, while planetary transmission balls run between them. The outer rings (2,3) are coupled by a bell-housing (8) so as to turn with a first shaft (6). One inner ring (4) turns with a second shaft (7), and the second inner one (1) is prevented from turning by the adjusting mechanism (5). There can be a power accumulator (9) acting in the axial direction between the bell-housing and one outer ring (2).

Description

Stufenlos einstellbares KugelrollgetriebeInfinitely adjustable ball rolling gear

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.The invention relates to a continuously adjustable ball rolling gear with two outer races with inner treads of the same shape and two inner races with outer, non-identical running surfaces, whereby the Races are axially displaceable against each other, a number of planet-like revolving Transmission balls between these races and an adjusting device for Speed setting.

Es ist bekannt, bei stufenlos einstellbaren mechanischen Getrieben Kugeln als übertragungskörper einzusetzen.It is known for continuously adjustable mechanical transmissions Use balls as the transmission body.

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.In one known design there are several along a diameter pierced balls stored on their own shafts and held so that they are not planet-like can revolve around the gear axis. They transmit the rotation of an inner ring, by turning around their shafts on a second inner ring. To the Change in the speed ratio of the two inner rings is the inclination of the waves of the balls changed relative to the gear axis and thus the radii of the raceways on the balls and in opposite directions for the two inner rings. Such gears have an adjustment range of approximately R = 9.

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.It is also known (FR-PS 1,231,854, US-PS 3,504,574, US-PS 3 707 888) a number of balls between two outer races in a so-called To guide spacers. The raceways of the outer races and the one inner one Running ring are flat and inclined to the gear axis by a certain angle, while the second inner ring has a curved raceway. The two inner rings are non-rotatably connected to a first shaft and therefore rotate at the same speed.

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.An outer ring is rotatably connected to a second shaft. Of the second outer ring is prevented from rotating by the adjusting device and stand still. The balls transmit the rotation of the first shaft with the inner ones Races on the one outer race and the second shaft. The run Spheres once around the gear axis like a planet, while at the same time, similar to the conditions in ball bearings, around virtual axes through the ball's centers of gravity turn. The positions of these virtual axes in space are determined by the respective positions of the contact points spheres inside Races defined. The connecting lines of the contact points balls - inner races are surface lines of a cone, its Tip lies on the gear shaft. The opening angle of the cone depends on the straight the set transmission ratio. The virtual axes of the balls are also Generating lines of a cone, the tip of which with the tip of the cone that passes through the Lines connecting the ball contact points - inner race rings are formed, identical is.

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.By axially moving the one stationary outer race by means of the adjustment device and thus necessarily the one diagonally opposite it inner race, the balls move between the parallel running surfaces of the other two races, with the radii of the raceways changing on the Balls and the raceways on the outer and inner races and thus the transmission ratio.

Insbesondere ändern sich dabei auch die Lagen der Berührpunkte Kugeln -innere Laufringe und somit die Neigung der virtuellen Achsen der Kugeln.In particular, the positions of the spheres contact points also change -inner races and thus the inclination of the virtual axes of the balls.

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.The virtual axes of the balls are at zero output speed parallel to the gear axis, but form an even larger angle to this, The greater the speed of the one outer race. Transmission of this type have major disadvantages. The maximum achievable ratio of output to The drive speed is around 0.5. In particular, however, they are not suitable for greater accomplishments. Because the virtual axis of the balls corresponds to their position in space the above-mentioned cone shell must constantly change, have a considerable effect on the balls Restoring torques - moments of deviation - which try to reduce the virtual axes of the To force balls into a position parallel to the gear axis. To avoid this Resetting is an excessive contact pressure compared to the transmitted torque necessary. The transmission efficiency of the transmission is considerably impaired and the transmission temperature increases. The restoring torque increases as a first approximation with the third power of the sphere diameter. That leads to the transferable Power of such transmission must be limited to about 7 kW, as the required The contact pressure becomes so high that the oil film in the contact points between the balls and the races rips off. The known transmissions of this type also have the disadvantage that the parts that determine the speed are supported against the housing. The transmission parts like races and balls are made of hardened steel, while the gear housing for reasons of cost and production technology either from an aluminum alloy or made of gray cast iron. Due to the different coefficients of linear expansion of the various materials come between a cold start-up and a warm operating state significant speed changes, those for precision drives are impermissibly high.

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.The aim of the invention is, in particular, the power range up to expand about 50 kW. The transmission ratio should be set to a value greater than 1 can be extended, with a once set output speed even with changing Operating conditions is strictly observed.

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.The gearbox should also pass through zero output speed be adjustable to the opposite direction of rotation, e.g. in connection with To be able to use internal combustion engines as drive systems.

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.These objects are achieved according to the invention in that the external Races rotatably via a bell with a first shaft, which is an inner race are rotatably connected to a second shaft and the second inner race through the adjustment device is prevented from rotating.

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.The construction according to the invention makes it possible to hit the balls to avoid acting restoring torques. The decisive for the speed setting transmission parts are no longer supported on the housing, so that temperature differences no longer have any influence on the speed set once. There will be gear ratios Reached from output speed to input speed from zero to greater than -1, if necessary a positive gear ratio is even possible. The two outer races have uniform treads. Since it rotates over a bell with a first Shaft are connected, they rotate at the same speed.

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.The virtual axes of the balls are therefore always parallel to the gear axis and wander only parallel to themselves around the gear axis. The one inner race is rotatably connected to a second shaft. Its tread is parallel to the Running surface of the opposite outer race. The second inner race on the other hand, has a curved running surface, this second inner raceway becomes the Speed setting shifted axially by means of the adjusting device and then at Prevented the set speed ratio from rotating. That inner race opposite outer race is moved axially accordingly, with the Balls moves between the parallel running surfaces of the other two races.

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.The contact pressure required for torque transmission is through a force storage means, for example with one or more disc springs preferably degressive characteristic curve, by means of a torque-dependent contact pressure regulator known design or generated hydraulically.

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.These devices for generating contact force are like that designed that the axial displacement of the outer race during the adjustment the speed is possible. If disc springs are used as energy storage means like this It is advantageous to use disc springs with a degressive characteristic curve so that the Contact pressure and thus the transferable torque at low output speeds increases, whereby over a wide range of the output speed constant power transmission is possible.

Das erfindungsgemäße Getriebe ist im folgenden an Hand eines Beispiels näher erläutert. Die Figur 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Getriebes.The transmission according to the invention is shown below using an example explained in more detail. Figure 1 shows schematically an embodiment of an inventive Transmission.

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.The two outer races 2,3 with the uniform, straight running surfaces are rotatably connected via a bell 8 with a first shaft 6 so that they rotate at the same speed The balls 10 roll on the inner stationary race 1 and transfer the rotary movement, translated according to the gear position, onto the second inner race 4 and the shaft 7. The spacer 11 prevents that the balls touch each other. The running surface of the inner race 4 is straight and parallel to the running surface of the outer race 3. The running surface of the inner Race 1 is curved. By means of the adjustment device 5, the inner race 1 shifted axially to set the desired output speed. Do this by hiking the balls 10 between the parallel running surfaces of the outer race 3 and the inner race 4 and in turn move the second outer race 2 accordingly. Between the bell 8 and the outer race 2 is a disc spring 9 with a preferably degressive characteristic curve for generating the required contact pressure arranged.

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.When the speed is set to zero for the inner race 4 is the outer race 2 closest to race 3, for the maximum speed this is the farthest away.

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.FIG. 2 shows the geometric relationships of a preferred embodiment a transmission according to the invention shown. The ratio of the speed of rotation of the shaft 7 for shaft 6 is denoted by i-. Then the following formula results: sina - sin T g / D 1 sino <+ sin7 m / D Assuming that a preferred Execution of the angle = 450, then for speed settings with c ( less than 450 a negative i, which means that the directions of rotation of shaft 6 and 7 are opposite, for o (= 450 results at any speed of the shaft 6 for the shaft 7 the speed zero, for «greater than 450 one gets a positive i, that is, the shaft 7 changes the direction of rotation.

Claims

Claims Infinitely adjustable ball rolling gear with two outer races with inner, identical treads and two inner ones Races with external, non-identical running surfaces, whereby the races are axially displaceable against each other, a number of planet-like rotating transmission balls between these races and an adjusting device for speed setting, d a d u r c h e k e n n -z e i-c h n e t that the outer races (23) over a bell (8) non-rotatably with a first shaft (6), which has an inner race (4) Rotatably connected to a second shaft (7) are around the second inner race (1) is prevented from rotating by the adjusting device (5).

2. Infinitely adjustable ball gears according to claim 1 d a d u r c h g e k e n n n z e i c h n e t that between the bell (8) and the outer one Running ring (2) an axially acting energy storage device (9) is arranged.

3. Infinitely adjustable ball rolling gear according to claim 1 d a d u r c h g e k e n n n z e i c hn e t that instead of the energy store (9) a torque-dependent one mechanical pressing device belcannter construction is arranged.

4. Infinitely adjustable ball gears according to claim 1 d a d u r c h e k e n n n n z e i c h n e t that the required contact pressure is not through an energy store, but is generated hydraulically.

5. Infinitely adjustable ball rolling gear according to claims 2 to 4 d a d u r c h g e k e n n n z e i c h n e t that the pressure devices a Allow axial displacement of the outer race (2).

6. Infinitely adjustable ball rolling gear according to claim 2 or 5 d a d u r c h e k e n n z e i c h n et that the energy store (9) is a degressive Has force-displacement characteristic.