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Mechanischer, stufenloser Drehzahl- und Drehmomentwandler
Die Erfindung betrifft einen mechanischen, stufenlosen Drehzahl- und Drehmomentwandler. Ein gemäss der Erfindung ausgebildeter Wandler dieser Art ist im wesentlichen gekennzeichnet durch mindestens ein Kardangelenk, das mit einer durch eine Antriebswelle angetriebenen, verstellbaren Eingangswelle verbunden und mit mindestens einem Kugelgelenk kombiniert ist, wobei die durch diese Kombination gebildete Wandlereinheit mindestens zwei einzeln mit jeweils einem Kardan- oder Kugelgelenk auf Drehung verbundene, kpaxiale Ausgangswellen aufweist, die an ihren freien Enden Arme tragen, an deren Enden auf zur Drehachse parallelen Achsen Sperrklauen schwenkbar angelenkt sind,
die radial nach aussen in bezug auf ihre Umfangsrichtung nach hinten geneigt sind und mit ihren freien Enden unter Federbelastung an der glatten Innenfläche eines mit den Ausgangswellen der Wandlereinheit koaxialen Zylinders gleiten, der aussen einen Zahnkranz trägt, der mit einem Zahnrad in Eingriff steht, das auf der treibenden Welle frei drehbar gelagert ist und einen Auslegerarm trägt, an dessen freiem Ende eine Welle frei drehbar gelagert ist, die zwei Planetenzahnräder drehfest verbindet, von denen das eine Zahnrad in ein auf der treibenden Welle befestigtes Zahnrad eingreift und das andere Zahnrad mit einem auf der Abtriebswelle des Wandlers befestigten Zahnrad in Eingriff steht.
Der erfindungsgemässe mechanische, stufenlose Drehzahl- und Drehmomentwandler bietet die Vorteile eines hohen mechanischen Wirkungsgrades, eines weiten Regelbereiches, eines kräftigen Aufbaues und einer praktisch unbegrenzten Lebensdauer.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Drehzahl-und Drehmomentwandlers eingehend erläutert ist. Fig. 1 zeigt schematisch den Gesamtaufbau des erfindungsgemässen Wandlers. Fig. 2 veranschaulicht die zentrale Kardaneinheit. Fig. 2a zeigt ein Kugelgelenk und Fig. 3 ist eine Ansicht des Kardanachsensterns, der zusätzlich zu den üblichen vier, um 900 gegeneinander versetzten Gelenkzapfen noch ein weiteres Paar von Gelenkzapfen aufweist, die mit
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Zylinders mit den darin umlaufenden Sperrklauen. Die Fig. 5 und 6 zeigen schliesslich den Zusammenbau des Wandlers mit einer Regeleinrichtung.
Bei dem in den Zeichnungen dargestellten Wandler sind Zahnräder A und B mit einer treibenden Welle 8 verbunden, die sich mit gleichbleibender Geschwindigkeit dreht. Das Zahnrad A treibt über Zahnräder D, E, F eine Eingangswelle 11 einer Wandlereinheit 9. Die Zahnräder D und E sind auf einer Welle 10 befestigt, deren Achse durch den Mittelpunkt der Kugelelemente der Wandlereinheit 9 geht. Auf diese Weise bleibt, wenn zwecks Regelung der Drehzahl der Antriebswelle die Welle 11 in einer zur Zeichenebene senkrechten Ebene geschwenkt wird, der Eingriff der Zahnräder E und F unbeeinflusst.
Die Wandlereinheit 9 (Fig. 2 und 3) enthält ein zentrales Kardangelenk 12, dessen Achsenstern Gelenkzapfen 13,14 und 16,17 trägt. Das Kardangelenk verbindet die Eingangswelle 11 mit einer Ausgangswelle 18. Mit der Eingangswelle 11 sind zwei einen ersten Becher bildende Arme 21, 22 verbunden, die an ihren Enden diametral angeordnete Zapfen 23,24 tragen, die in Ringnuten von an einer mit der Ausgangswelle 18 koaxialen hohlen Ausgangswelle 181 befestigten, ebenfalls einen Becher bildenden Armen 26,27 verschiebbar sind ;
ferner sind mit der Eingangswelle zwei weitere, einen zum ersten Becher konzentrischen zweiten Becher bildende Arme 28,29 verbunden, die an ihren Enden ebenfalls diametral
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angeordnete Zapfen 31,32 tragen, die in Ringnuten von Armen 33,34 verschiebbar sind, die ihrerseits an einer die Hohlwelle 181 koaxial umschliessenden weiteren hohlen Ausgangswelle 182 befestigt sind und einen weiteren Becher bilden. Hiebei ergeben die beiden durch die Arme 21,22 bzw. 28,29 gebildeten Becher in Kombination mit den durch die Arme 26,27 bzw. 33,34 gebildeten Bechern zwei Kugelgelenke der in der italienischen Patentschrift Nr. 513 747 beschriebenen Art.
Ein Kugelgelenk dieser Art ist in Fig. 2a schematisch dargestellt, wobei die Teile, die gleichen Teilen nach Fig. 2 entsprechen, mit dem Index a versehene gleiche Bezugszeichen haben.
Bei dem in Fig. 2a gezeigten bekannten Kugelgelenk trägt eine einzige, mit konstanter Drehzahl umlaufende treibende Welle A ein Paar oder mehrere Paare von Armen 28a, 29a, an deren Enden Zapfen 31a, 32a angeordnet sind, die in Ringnuten von an einer hohlen Welle B befestigten Armen 33a, 34a verschiebbar sind. Innerhalb dieser Einheit ist eine zweite Einheit vorgesehen, die zwei ebenfalls an der treibenden Welle A befestigte Arme 21a, 22a aufweist, die an ihren Enden Zapfen 23a, 24a tragen. Diese Zapfen sind in Ringnuten von Armen 26a, 27a verschiebbar, die mit einer zentralen Welle B1 verbunden sind, um welche die Hohlwelle B drehbar ist.
In Fig. 2 sind die Gelenkzapfen aller drei Elemente (nämlich des Achsensterns des Kardangelenkes 12 und der beiden Kugelgelenke) zwecks besserer Deutlichkeit in der Zeichenebene liegend dargestellt ; in
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stellten Beispiel drei) angibt. Für Fig. 2a gilt bezüglich der Darstellung aller Zapfen in der Zeichenebene sinngemäss das vorstehend in Fig. 2 gesagte, wobei gemäss Fig. 2a n = 2 ist.
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Gelenkzapfen angeordnet sind (Fig. 3). Durch diese zusätzlichen Gelenkzapfen 36,37 kann gegebenenfalls noch eine weitere Ausgangswelle mit der Eingangswelle 11 der Wandlereinheit 9 auf Drehung verbunden sein.
Die Eingangswelle 11 versetzt die Ausgangswellen 18, 18 und 18 entsprechend dem bekannten, die zyklischen Winkelgeschwindigkeitsänderungen von durch Kardangelenke angetriebenen Wellen betreffenden Gesetz
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die jeweilige Momentanwinkelgeschwindigkeit mit
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Fig. 4 zeigt in Ansicht von vorne einen Zylinder 38 und Sperrklauen 39, die in der nachstehend be-
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schwache Federn belastete freie Enden an der glatten Innenfläche des Zylinders 38 gleiten, der mit einem Zahnrad G verbunden ist.
Wenn die Klauen gegensinnig zu ihrer Neigung an der Zylinderwand gleiten, so wirken sie der Bewegung des sich in derselben Richtung wie die umlaufenden Klauen drehenden Zylinders entgegen und daher dreht sich der Zylinder stets mit jener Geschwindigkeit, die durch die jeweils am langsamsten umlaufenden Klauen zugelassen wird.
Da die Klauen 39 bei jedem vollen Umlauf zwei Zyklen mit veränderlicher Winkelgeschwindigkeit ausführen, tritt bei jedem Umlauf die Minimalwinkelgeschwindigkeit für jede Welle zweimal und im Ganzen daher 2n mal auf, wenn n die Anzahl der Wellen 18 angibt.
Wenn mit m das Verhältnis der Drehzahlen der treibenden Welle 8 und der Welle 11 der Wandlereinheit 9 bezeichnet ist, so entsprechen einer Umdrehung der Welle 8 m. cosa Umdrehungen der Wellen 18
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und daher auch m. cos < x Umläufe der Klauen 39 und somit m. cos a Umdrehungen des Zylinders 38 mit dem Zahnrad G. Dieses Zahnrad bewirkt, dass der Zylinder 38 den Klauen nacheilt, wobei er jeweils relativ zu den am langsamsten umlaufenden Klauen ruht.
Auf der treibenden Welle 8 ist ein Zahnrad H frei
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Das Zahnrad H ist mit einem radialen Auslegerarm 42 auf Drehung verbunden, der auf der Welle 8 frei drehbar gelagert ist und an seinem freien Ende ein Lager 43 trägt, in dem eine Welle 44 frei drehbar gelagert ist, auf der koaxiale Zahnräder L und M befestigt sind, von denen das eine Zahnrad L in das mit gleichbleibender Drehzahl laufende Zahnrad B eingreift, während das andere Zahnrad M mit einem Zahnrad N in Eingriff steht, das auf einer mit veränderbarer Drehzahl laufenden Welle 45 befestigt ist.
Das beschriebene System arbeitet in nachstehend erläuterter Weise : Der Motor vollführt eine Um- drehung, z. B. derart, dass sich der Zahnkranz an einer Seite (+ in Fig. 1) des Zahnrades A in die Zei- chenebene hinein bewegt. Wenn hiebei zunächst nur die Bewegung des Zahnrades A betrachtet wird, so fUhren die Sperrklauen m. cosoc Umläufe aus und der Zylinder, der sich in derselben Richtung wie die i Sperrklauen bewegt, macht ebenfalls m. cos cx Umdrehungen. Nun sei angenommen, dass sich das Zahn- rad B allein dreht und das Zahnrad A nach Ausführung der erwähnten einen Umdrehung stillsteht.
Das
Zahnrad B erzeugt einen im Punkt 46 auf die Zähne des Rades L wirkenden Schub f, der seinerseits über die Zahnräder L und M an der Eingriffsstelle 4'7 der Zahnräder M und N einen Schub f und ausserdem eine
Reaktionskraft f2 im Punkt 48 der den Rädern L und M gemeinsamen Welle 44 erzeugt. Die Reaktions-
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diesen Bedingungen dreht sich somit die getriebene Welle 45 mit derselben Drehzahl wie die treibende
Welle 8.
Es sei bemerkt, dass die Leistung, die als Ergebnis der Reaktionskraft f durch den Wandler geht, durch das Zahnrad A zum Motor zurückgeführt wird, wobei der einzige, im Vergleich mit der eine Funktion der
Schubkraft f darstellenden Nutzleistung vernachlässigbare Verlust die mit der Schubkraft f zusammen- hängende Reibungsarbeit ist. Aus Fig. 1 ist es auch tatsächlich ersichtlich, dass f (M-L) =f List, worin
M und L die Zahlenwerte der Teilkreisradien der Räder M und L sind.
Die Schubkraft f tritt nicht ohne Erzeugung einer Reaktionskraft f auf, diese letztere hat aber nur die Funktion, den Zylinder in Gleichlauf mit den Klauen zu halten und es genügt daher, wenn f, die erforderliche Beschleunigung der den Auslegerarm 42, das Zahnrad H, den Zylinder 38 und das Zahnrad G enthaltenden Gruppe erzeugt.
Nach den Fig. 5 und 6 kann die Veränderung des Winkels a in einfacher Weise dadurch ermöglicht werden, dass die Wandlereinheit 9 und deren Eingangswelle 11 von einem Ausleger 51 eines kreisförmigen Ringes 52 getragen werden, der um eine durch den Mittelpunkt der Wandlereinheit gehende Achse gedreht werden kann. Der Ausleger 51 trägt einen Zapfen 53, an dem eine Verbindungsstange 54 angelenkt ist, die mittels eines Gelenkzapfens 56 betätigbar ist, der an einer Scheibe 57 befestigt ist, die sich um eine Achse 58 dreht und eine Rolle 59 trägt.
Diese Rolle greift in einen Schlitz eines Malteserkreuzes 61 ein, das um eine Achse 62 drehbar ist und mittels eines Zahnbogens 63 eine Zahnstange 64 verstellt, die einen Umsteuerantrieb bekannter Art betätigt, welcher der Abtriebswelle 45 zugeordnet ist und zum Wechseln der Drehrichtung der vom Wandler angetriebenen Einrichtungen dient.
Die in Fig. 5 gezeigte Stellung entspricht der Einstellung a = 00, d. h. der Mittelstellung des Umsteuerantriebes. In dieser Stellung haben die Umsteuerorgane schon ihre halbe Verstellbewegung ausgeführt. Da an diesem Punkt die Drehzahl der Abtriebswelle des Wandlers Null ist und da sich ferner in der Nähe von a = 0 bei Änderungen des Winkels ader cos a relativ sehr wenig ändert, bleibt die Drehzahl Null der Abtriebswelle auch noch bei ziemlich kleinen Werten des Winkels a erhalten, so dass ein leichter anfänglicher Doppeleingriff im Umsteuerwendegetriebe, also ein gleichzeitiger Eingriff sowohl für den Vorlauf als auch für den Rücklauf, keine schädlichen Wirkungen zur Folge hat, insbesondere auch deshalb nicht,
weil bei dieser Mittelstellung die Schaltgeschwindigkeit des Malteserkreuzes 61 am Umsteueror-
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gan 64 am grössten ist, wogegen die Bewegung der Verbindungsstange 54 in dieser Mittelstellung prak- tisch wirkungslos bleibt.
Aus der Betrachtung der auftretenden Bewegungen und Kräfte kann der Ausdruck für die Anzahl der . Umdrehungen der Abtriebswelle 45 je Umdrehung der Eingangswelle 11 als eine Funktion des Winkels Ci zwischen den Wellen 11 und 18 der Wandlereinheit 9 erhalten werden. Wenn K das Verhältnis der Teil-
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