DE4234390C2 - Stufenloses Getriebe - Google Patents

Description

Bekannt sind mechanische stufenlos verstellbare Getriebe, in Form von Reibkörper-, Zugmittel- und Freilaufgetrieben, letztere auch in Verbindung mit Koppelgetrieben, den Schaltwerkgetrieben mit Schaltwerken, die sich bei der Kraftübertragung ablösen (Volmer, Getriebetechnik, Vieweg, 3. Auflage, Braunschweig/Wiesbaden, 1989 S.: 339 bis 345; Schaltwerkgetriebe Grundlagen und Beispiele VDI Richt­ linien VDI 2146, 3 (1975) VDI-Verlag Düsseldorf).

Stufenlose Getriebe verwendet man in der Antriebstechnik zur stufenlosen Dreh­ zahl-Drehmomentstellung.

Im Vergleich mit Zahnräder-Wechselgetrieben haben bekannte stufenlose Getriebe einen oder mehrere der folgenden Nachteile: schlechten Wirkungsgrad, großen Verschleiß/kurze Lebensdauer, begrenzte Leistung, kleinen Stellbereich, fehlende Wendefähigkeit.

Zahnrädergetriebe arbeiten insbesondere deshalb nicht stufenlos, weil die Zähne ro­ tatorisch starr mit den Wellen verbunden sind, und ihre radiale Aufreihung eine erforderliche relative Beweglichkeit zueinander nicht zuläßt.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Nachteile der bekannten stufenlosen Getriebe zu umgehen, die positiven Eigenschaften von Zahnrädergetrieben zu über­ nehmen und ihre Einschränkungen zu beseitigen.

Das erfindungsgemäße stufenlose Getriebe soll sich durch folgende Eigenschaften auszeichnen:

• - Wirkungsgrad, Verschleiß/Lebensdauer und Grenzleistung sollen den Werten von Zahnrädergetrieben entsprechen;
• - der Verstellbereich soll möglichst groß, sowie Wendebetrieb möglich sein;
• - das Getriebe muß in allen Betriebszuständen kraftschlüssig arbeiten;
• - Schwungrad und Freilauflösungen sind auszuschließen.

Erfindungsgemäß werden die Probleme dadurch gelöst, daß ein Zahnrädergetriebe von seinen Einschränkungen befreit und durch die Erweiterung mit anderen Getrie­ bekomponenten dazu befähigt wird, die eingangs gestellten Forderungen zu erfüllen.

Dazu werden an Stelle von Zahnrädern gegenüber der Welle rotatorisch bewegliche Einzel- oder Mehrfachzahnsegmente (Zahnsegmentsätze) verwendet, deren Kraft­ schluß zu einer Welle über selbstsperrende Schneckengetriebe erfolgt.

Hinzu kommen je ein Getriebe mit verstellbarer Ungleichförmigkeit der Drehbewe­ gung und ein Ausgleichsgetriebe pro Zahnsegmentsatz.

Zur näheren Erläuterung der Funktion sind dargestellt, in:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel mit zwei Wellen,

Fig. 2 eine Ausführungsform in sternförmiger Anordnung über zentra­ len Zahnrädern,

Fig. 3 die Anordnung des Getriebes gemäß Fig. 2; Ansicht von links.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit den Wellen 1 und 2, sowie den Zahnseg­ mentsätzen 3 bis 14, dessen Zahnsegmente auf der Welle in der Grundstellung (Übersetzungsverhältnis 1 : 1) jeweils um 30 Grad gegeneinander verdreht angeord­ net sind, wobei die Wellen 1 und 2 je zwölf Zahnsegmente tragen.

Zur weiteren Erläuterung sei angenommen, daß Welle 1 An- und Welle 2 Abtrieb ist.

Der Kraftfluß geht dann von der Welle 1 über die Zahnräder 15-16, ein Koppelge­ triebe 17 - beim Ausführungsbeispiel ausgeführt als verstellbare Zwillingsdoppelkur­ bel (Hagedorn, Konstruktive Getriebelehre, VDI-Verlag, 4. Auflage, Düsseldorf, 1986, S.: B 149) - über die Zahnräder 18-19, einerseits, weiter zu den Zahnseg­ mentsätzen 4 - 3, über ein selbstsperrendes Schneckengetriebe 25 und den Schneckenträger 26 zur Welle 2, andererseits über die Zahnräder 19-20, 21-22, die Kegelräder 23-24, zur Schnecke des Schneckengetriebes 25.

Beschriebene Anordnung, bestehend aus den Pos. 16 bis 26, zwei Zahnsegment­ sätzen (z. B. 3-4) und einer Verstelleinrichtung (z. B. 27) sei definiert als Komponen­ te.

Die Teile einer Komponente haben folgende Funktion:

Die Zwillingsdoppelkurbel 17 wandelt eine gleichförmige in eine ungleichförmige Drehbewegung um, wobei die Verstellung der Ungleichförmigkeit an allen Verstell­ einrichtungen Pos. 27 bis 32 gleichsinnig und gleichmäßig in positiver und negati­ ver Richtung zur Normalen der Papierebene erfolgt.

Jeweils in einem von zwei durchlaufenen Drehzahl- Extrem werten pro Umdrehung einer Zwillingsdoppelkurbel sind die Wellen 1 und 2 über das zugehörige Zahnseg­ mentpaar kraftschlüssig verbunden.

Innerhalb des Kraftübertragungsbereiches der Zahnsegmentsätze 3-4 wird die Schnecke nicht angetrieben, außerhalb des Kraftübertragungsbereiches wird sie über die Pos. 19-20, 21-22, 23-24 angetrieben, um die Drehzahldifferenz zwischen den Wellen 1 und 2 am Zahnsegmentsatz 3 gegenüber dem Zahnseg­ mentsatz 4 auszugleichen. In der Grundstellung der Koppelgetriebe d. h. beim Übersetzungsverhältnis 1 : 1 erfolgt ebenfalls kein Antrieb der Schnecke.

Ausgleich der Drehzahldifferenz heißt, die Zahnsegmentsätze beider Wellen laufen im Mittel mit der gleichen Drehzahl.

Das erforderliche Kämmen der Zahnsegmentsätze setzt gleiche mittlere Drehzahlen voraus. Entscheidend für die Funktionsfähigkeit ist dabei, daß das Übersetzungsver­ hältnis der Zahnräder 21-22 gleich dem Gesamtübersetzungsverhältnis der Kegel­ räder 23-24 und dem des Schneckengetriebes 25 ist.

Zu beachten ist weiterhin, daß es links- und rechtssteigende Schnecken gibt, wobei in der vorliegenden Anordnung nur die linkssteigende zum Drehzahlausgleich führt, während eine rechtssteigende die Drehzahldifferenz verdoppeln würde. Wäre dagegen das Kegelrad 23 linksseits des Kegelrades 24 angeordnet, würde eine rechtssteigende Schnecke zum Drehzahlausgleich führen.

• (Anm.: Ausführbar sind auch Anordnungen, deren Grunddrehzahlen der Wellen 1 und 2 vom Übersetzungsverhältnis 1 : 1 abweichen, bzw. auch solche, bei denen die Drehzahlen nicht nur der Zwillingsdoppelkurbeln, sondern auch der Pos. 3 und 20 bis 25 von denen der Wellen 1 und 2 abweichen.)

Mit einer Anordnung gemäß Fig. 1 kann die Abtriebsdrehzahl gegenüber der An­ triebsdrehzahl erhöht und gesenkt werden, wobei An- und Abtrieb tauschbar sind.

Wendebetrieb ist damit zunächst nicht möglich.

Die Fig. 2 und 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel, dessen Komponenten im Gegen­ satz zu Fig. 1 nicht auf Wellen aufgereiht, sondern sternförmig angeordnet und über zentrale Zahnräder (Zentrumsräder) 33, 34 verbunden sind.

Dargestellt sind in Fig. 2 zwei von sechs vorhandenen Komponenten.

Fig. 3 zeigt Fig. 2 von links betrachtet. Man erkennt sechs Komponenten, wobei zur Erhöhung der Übersichtlichkeit nur Teile, die dem Verständnis der Funktion dienen, dargestellt sind.

Welle 1 ist Antriebswelle und Welle 37 Abtriebswelle.

Der Kraftfluß geht von der Welle 1, das Zentrumsrad 33 über die jeweils im Eingriff befindliche Komponente (dargestellt sind die Zahnsegmentsätze 3, 4 im Eingriff be­ findlich, während die benachbarten Zahnsegmentsätze 5, 6 zur Übernahme bereit sind, bzw. übergeben haben 13, 14 - entsprechende Drehrichtung vorausgesetzt) die Welle 2 das Zahnrad 41 zum Zentrumsrad 34.

Die Funktionsweise einer Komponente ist im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 er­ läutert.

Der bis hier beschriebene Teil der Fig. 2 und 3 gestattet ebenso wie die Anordnung nach Fig. 1 eine Erhöhung und Senkung der Abtriebsdrehzahl gegenüber der An­ triebsdrehzahl, wobei An- und Abtrieb tauschbar sind.

Zur weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind in der Fig. 2 zwischen den Zentrumsrädern 33 und 34 dargestellt: ein richtungsumkehrendes Getriebe 35 (Umkehrgetriebe), sowie ein Differentialgetriebe 36, das die negative An- mit der positiven Abtriebsdrehzahl vergleicht und den Mittelwert über die Abtriebswelle 37 abgibt. Dabei richtet sich die Drehrichtung der Abtriebswelle 37 danach, ob das Kegelrad 38 absolut schneller oder langsamer als das Kegelrad 39 läuft.

Die so erweiterte Anordnung ist ein Wendegetriebe.

Schließlich ist allem noch ein Wechselgetriebe 40 nachgeordnet, das gestattet, zwischen den Betriebsarten stufenloses Normal- und Wendegetriebe umzuschalten. Da beide Betriebsarten unterschiedliche Drehzahlbereiche abdecken, ergänzen sie sich vorteilhaft.

Im Gegensatz zu Wechselgetrieben kann die Umschaltung bei gleich großem Ge­ samtübersetzungsverhältnis und in sehr kurzer Zeit erfolgen.

Synchronisationseinrichtungen sind nicht erforderlich.

Genutzt werden kann z. B. eine Drehrichtung des Wendegetriebes zur langsamen Rückwärts- und die andere in Verbindung mit der Umschalteinrichtung zur langsa­ men bis schnellen Vorwärtsfahrt.

Anfahrhilfen wie Rutschkupplungen oder hydraulische Drehmomentwandler werden nicht benötigt.

Zu bemerken bleibt, daß ein gutes Übertragungs- und Laufverhalten der Zahnseg­ mente während der Kraftübertragung wesentlich von der Güte der Linearität des momentanen Übersetzungsverhältnisses in der Nähe des Extremwertes abhängt. Die Breite dieses Bereiches bestimmt die max. zulässige Zähnezahl pro Zahnseg­ ment und die erforderliche Anzahl an Zahnsegmenten bzw. Komponenten.

• D.h. die Breite des linearen Bereiches beeinflußt wesentlich den erforderlichen Auf­ wand.

Zu erwähnen ist, das eine Anordnung nach Fig. 1 in gleicher Weise wie eine nach den Fig. 2 und 3 erweitert werden kann, und daß sich vorteilhafte Kombinationen aus Anordnungen nach Fig. 1 einerseits und Fig. 2 und 3 andererseits bilden lassen. Die eingangs gestellten Forderungen, daß:

• - die Werte von Wirkungsgrad, Verschleiß/Lebensdauer und Grenzleistung denen von Zahnrädergetrieben entsprechen sollen;
• - der Verstellbereich möglichst groß, sowie Wendebetrieb möglich sein soll;
• - das Getriebe in allen Betriebszuständen kraftschlüssig arbeiten soll, können erfüllt werden.

Bezugszeichenliste

 1 Antriebswelle
 2 Abtriebswelle
 3-14 Zahnsegmentsätze  3 1. Zahnsegmentsatz  4 2. Zahnsegmentsatz
15 Zahnrad
16 Zahnrad
17 Koppelgetriebe
18 Zahnrad
19 Zahnrad
20 Zahnrad
21 Zahnrad
22 Zahnrad
23 Kegelrad
24 Kegelrad
25 Schneckengetriebe
26 Schneckenträger
27-32 Verstelleinrichtung (Verstellung der Ungleich­ förmigkeit der Zwillingsdoppelkurbel 17)
33 Zentrumsrad
34 Zentrumsrad
35 Umkehrgetriebe
36 Differentialgetriebe
37 Abtriebswelle
38 Kegelrad
39 Kegelrad
40 Wechselgetriebe
41 Zahnrad
42 Antriebswelle.

Claims (3)

1. Stufenlos verstellbares Schaltwerkgetriebe mit mehreren im Lauf ver­ stellbaren, ungleichförmig übersetzenden Getrieben zwischen einer Antriebswelle und einer Abtriebswelle, dadurch gekennzeichnet, daß als Getriebeglieder zwischen der Antriebswelle (1) und der Abtriebs­ welle (2) jeweils ein erster (3) und ein zweiter Zahnsegmentsatz (4) vorgesehen sind, die aus einem oder mehreren rotatorisch bewegli­ chen Zahnsegmenten bestehen, wobei der Kraftschluß zu der Ab­ triebswelle (2) über ein auf der Abtriebswelle angeordnetes selbst­ sperrendes Schneckengetriebe (25) erfolgt, das innerhalb des Kraftü­ bertragungsbereiches der Zahnsegmentsätze (3, 4) nicht, jedoch au­ ßerhalb des Kraftübertragungsbereiches von einem Ausgleichsgetrie­ be (21 bis 24) angetrieben wird, um die Drehzahldifferenz zwischen der Antriebswelle (1) und der Abtriebswelle (2) auszugleichen, wenn die Zahnsegmentsätze (3, 4) sich nicht im Eingriff befinden, und daß die Zahnsegmentsätze (3 bis 14) auf der An- (1) und Abtriebswelle (2) jeweils in gleichen Winkelteilungen angeordnet sind und nacheinander zum Eingriff kommen, wobei die Zahnsegmentsätze (3 bis 14) derart justierbar sind, daß ihr Eingriff je nach Verstellung des im Lauf verstellbaren, ungleichförmig übersetzenden Getriebes (17) in einem Drehzahlminimum oder in einem Drehzahlmaximum erfolgt.

2. Stufenlos verstellbares Schaltwerkgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichsgetriebe aus einem Zahnrad (21) als Zentrumsrad eines Umlaufgetriebes, einem umlaufenden Zahnrad (22), welches auf einer gemeinsamen Welle in einem Schneckenträ­ ger (26) mit einem ersten Kegelrad (23) fest verbunden ist und einem zweiten Kegelrad (24) besteht, welches mit dem ersten Kegelrad (23) im Eingriff steht, und an der Schnecke des Schneckengetriebes (25) angeordnet ist.

3. Stufenlos verstellbares Getriebe, insbesondere stufenlos verstellbares Schaltwerkgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wechselgetriebe (40) zum Umschalten zwischen einem stufenlos verstellbaren Getriebe und einem stufenlos verstellbaren Wendegetrie­ be vorgesehen ist, welches mittels eines Umkehrgetriebes (35) die Ein- oder Ausgangsdrehrichtung des stufenlos verstellbaren Getriebes umkehrt und daß ein Differentialgetriebe (36) dem Umkehrgetriebe (35) nachgeschaltet ist.