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Die
Erfindung betrifft ein Kegelringgetriebe mit zwei entgegengesetzt
zueinander angeordneten Kegelreibrädern und mit einem Reibring,
der mit beiden Kegelreibrädern
in Eingriff steht und eines der Kegelreibräder umgreift.
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Aus
der
DE 195 42 726
A1 ist ein Kegelringgetriebe bekannt, bei dem die entgegengesetzt
zueinander angeordneten Kegelreibräder auf parallelen Wellen sitzen.
Durch Verstellen des Reibringes in axialer Richtung der Wellen lässt sich
das Übersetzungsverhältnis des
Kegelringgetriebes stufenlos einstellen.
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Der
Reibring in einem Kegelringgetriebe weist eine umlaufende nach außen gewandte äußere Kontaktoberfläche und
eine umlaufende, radial nach innen gewandte innere Kontaktoberfläche auf.
Die innere Kontaktoberfläche
bildet dabei mit einer Kontaktoberfläche des von dem Reibring umgriffenen
Kegelreibrads eine erste Kontaktzone aus. Die Kontaktoberfläche des
Kegelreibrads ist dabei die konische Mantelfläche des Kegelreibrads. Eine
zweite Kontaktzone ist zwischen der äußeren Kontaktoberfläche des
Reibrings und einer Kontaktoberfläche des Kegelreibrads gegeben,
der nicht von dem Reibring umgriffen wird. Da der Reibring zwischen
den beiden sich gegenüber
stehenden Kegelreibrädern
eingespannt wird, lässt
sich durch ihn ein Drehmoment über
die erste und zweite Kontaktzone zwischen den beiden Kegelreibrädern übertragen.
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Zur Übertragung
des Drehmomentes zwischen den Rotationskörpern (Kegelreibräder und Reibring)
wird üblicherweise
ein geeignetes Traktionsfluid eingesetzt, durch das die aneinander
liegenden Kontaktoberflächen
in einer Kontaktzone getrennt werden soll. Ist eine derartige Trennung
durch das Traktionsfluid gegeben, erfolgt die Übertragung des Drehmomentes über Scherspannungen
des Traktionsfluid in dem dann gegebenen Spalt zwischen den beteiligten
Rotationskörpern.
Gelingt eine Übertra gung
des Drehmoments rein über
die Scherung des Traktionsfluids, kann ein abrasiver Verschleiß der üblicherweise
metallischen Kontaktoberflächen
idealerweise vollständig
vermieden werden. Die zur Auslegung der Wirkverbindung zwischen zwei
nicht konformen Rotationskörpern
lässt sich
die Theorie der Elastohydrodynamik anwenden.
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Aufgrund
des stufenlos variierbaren Übersetzungsverhältnisses
ist der Einsatz eines Kegelringgetriebes in einem Kraftfahrzeug
mit vielen Vorteilen verbunden. So lassen sich das Drehmomentverhalten
und die Wirkungsgrade des Verbrennungsmotors durch ein stufenloses
Getriebe optimal nutzen. Das über
das Getriebe maximal übertragbare
Drehmoment, Verluste im Getriebe und auch die Baugröße des Getriebes
sind dabei entscheidende Faktoren, die voneinander abhängen, teilweise
gegenläufig sind
und daher die Auslegung eines Kegelringgetriebes schwierig machen.
Beispielsweise kann zwar durch größere Anpresskräfte zwischen
dem Reibring und den Kegelreibrädern
das maximale Drehmoment erhöht
werden, doch kann dies zu sinkenden Wirkungsgraden und – soweit
keine vollständige
Trennung durch das Traktionsfluid zwischen den beteiligten Rotationskörpern gelingt – zu einem
erhöhten Verschleiß im Getriebe
führen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Kegelringgetriebe
bereitzustellen, das ein hohes Drehmoment bei möglichst guten Wirkungsgraden
möglichst
ohne Verschleiß übertragen kann.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung können
den Unteransprüchen
entnommen werden.
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Das
erfindungsgemäße Kegelringgetriebe zeichnet
sich dadurch aus, dass die Kontaktoberfläche wenigstens eines Kegelreibrades
und/oder wenigstens eine Kontaktoberfläche des Reibrings Querriefen
aufweisen, die unter einem bestimmten Winkel quer zur Umlaufrichtung
des Kegelreibrads bzw. des Reibrings verlaufen. Gemäß der Erfindung
können somit
alle Kontaktoberflächen
des Kegelringgetriebes, d.h. die Kontaktoberflächen der beiden Kegelreibräder und
die äußere und
die innere Kon taktoberfläche
des Reibrings, mit Querriefen ausgestattet sein. Auch können nur
einzelne Kontaktoberflächen
Querriefen aufweisen: Beispielsweise kann die als Kontaktoberfläche dienende
konische Mantelfläche
nur eines Kegelreibrades Querriefen quer zur Umlaufrichtung aufweisen,
während
sowohl der Reibring als auch das andere Kegelreibrad derartige Querriefen nicht
aufweisen. Auch kann vorgesehen sein, dass nur die äußere Kontaktoberfläche oder
nur die innere Kontaktoberfläche
des Reibringes die erfindungsgemäßen Querriefen
aufweist.
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Unter
dem Begriff „Querriefen" sollen jegliche
Vertiefungen in der Kontaktoberfläche verstanden werden, die
sich in einer Längsrichtung
erstrecken. Diese Längsrichtung
weist zu der Umlaufrichtung des Rotationskörpers (Kegelreibrad oder Reibring),
der sich im Betrieb des Kegelreibringes um seine Rotationsachse
dreht, einen Winkel auf, der gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
90° beträgt. Es können jedoch
auch Winkel ungleich 90° realisiert
werden. Beispielsweise können
die Querriefen bezogen auf die Umlaufrichtung einen Winkel von 30°, 45° oder 60° aufweisen.
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Durch
die Querriefen in der vorzugsweise metallischen Kontaktoberfläche lässt sich
bei gegebenem Anpressdruck zwischen den Rotationskörpern der
Druck des dort befindlichen Traktionsfluids erhöhen. Bei Traktionsfluiden führt üblicherweise
ein Druckanstieg zu einer höheren
Viskosität,
so dass das Traktionsfluid größere Scherspannungen
aufnehmen kann. Aufgrund der erhöhten
Scherspannungen lässt
sich folglich ein höheres
Drehmoment über
das Traktionsfluid übertragen.
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Die
Querriefen können
in eine erste Gruppe von Querriefen und in eine zweite Gruppe von
Querriefen einteilbar sein, wobei eine Querriefe gerade oder auch
gekrümmt
sein kann. Entscheidend ist, dass sie zumindest im Bereich der Kontaktzone
unter einem bestimmten Winkel quer zur Umlaufrichtung des jeweiligen
Rotationskörpers
verlaufen.
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Die
Kontaktoberfläche
wenigstens eines Kegelreibrades und/oder wenigstens eine Kontaktoberfläche des
Reibringes können
in Umlaufrichtung verlaufende Riefen aufweisen. Riefen und Querriefen bilden
dabei ein Raster auf der Kontaktoberfläche des jeweiligen Rotationskörpers.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist
die Kontaktoberfläche
eine plateauartige Oberflächenstruktur
auf. Diese plateauartige Oberflächenstruktur
lässt sich
beispielsweise dadurch erreichen, dass Rauheitsspitzen, die durch
die spanende Bearbeitung der Kontaktoberfläche entstehen, durch geeignete
Verfahren entfernt werden. Rauheitsrillen oder -riefen, die durch
die spanende Bearbeitung der Kontaktoberfläche entstehen, bleiben bei
Wegnahme der Rauheitsspitzen erhalten, wobei sich ein abgeflachter
Bereich oder ein Plateau zwischen zwei benachbarten Riefen ausbildet.
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Weist
eine Kontaktoberfläche
in Umlaufrichtung verlaufende Riefen und dazu quer verlaufende Querriefen
auf, wird ein Plateau durch zwei benachbarte Riefen und durch zwei
benachbarte Querriefen begrenzt. Je nach Winkel zwischen Querriefe
und Riefe bilden sich somit rechteckförmige oder parallelogrammförmige Plateaus
aus. In dem Fall, in dem Querriefen mit unterschiedlichen Winkeln
zur Umlaufrichtung in der Kontaktoberfläche eingebracht sind, können die
Plateaus auch dreieckförmig
sein.
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Durch
die plateauartige Oberflächenstruktur lässt sich
die Filmhöhe
des Traktionsfluids in der Kontaktzone zwischen zwei aneinander
liegenden Kontaktoberflächen
reduzieren, wobei eine eindeutige Kontakttrennung zwischen den Kontaktoberflächen erhalten
bleibt. Durch die Reduzierung der Filmhöhe lassen sich im Traktionsfluid
höhere
Drücke
erzeugen, wodurch die vom Traktionsfluid aufnehmbaren Scherspannungen
erhöht
werden.
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Eine
Grundrauheit der Kontaktoberfläche
eines Kegelreibrades kann in axialer Richtung des Kegelreibrads
variieren. Beispielsweise können
der mittlere Abstand und/oder die mittlere Tiefe der Riefen in Umlaufrichtung
gezielt eingestellt werden, um den Traganteil und somit die Flächenpressung
je nach Übersetzungsverhältnis bzw.
axialer Stellung des Reibrings zu variieren. Eine veränderliche Grundrauheit
in Umlaufrichtung kann zum Beispiel durch die Änderung der Vorschubgeschwindigkeit des
Bearbeitungswerkzeuges in Abhängigkeit
der axialen Position erreicht werden.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Bearbeitung einer Kontaktoberfläche eines
Reibrings für
ein Kegelringgetriebe gemäß einem
der Ansprüche
1 bis 8. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass bei Drehung
des Reibrings um eine Ringachse mittels einer Bürste oder dergleichen mit einem
um eine Bürstenachse
rotierenden Bürstenkopf Querriefen
in die innere und/oder die äußere Kontaktoberfläche eingebracht
werden, wobei zwischen Ringachse des Reibrings und der Bürstenachse
ein Winkel eingeschlossen ist. Durch den Bürstenkopf werden dabei Querriefen
hergestellt, die zur Umlaufrichtung des Reibrings einen Winkel aufweisen,
der von der Drehgeschwindigkeit des Reibrings, von der Drehgeschwindigkeit
des Bürstenkopfs
und dem zwischen Drehachse des Reibrings und Bürstenachse eingeschlossenen
Winkel abhängt.
In ähnlicher
Weise lassen sich auch Querriefen in die Kontaktoberfläche der
Kegelreibräder
einbringen.
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Vorzugsweise
können
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
an den Kontaktoberflächen
des Reibrings und/oder an der Kontaktoberfläche wenigstens eines Kegelreibrads
Rauheitsspitzen entfernt werden, um eine plateauartige Oberflächenstruktur
mit erhöhten
Traganteilen zu erhalten.
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Anhand
der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 den
schematischen Aufbau eines Kegelringgetriebes;
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2 einen
Ausschnitt einer Oberflächenstruktur
eines Reibringes;
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3 eine Kontaktzone zwischen einem Kegelreibrad
und dem Reibring; und
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4 eine
Anordnung von Reibring und einer Bürste zur Bearbeitung des Reibrings.
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1 zeigt
ein Kegelringgetriebe, das in seiner Gesamtheit mit 1 bezeichnet
wird. Das Kegelringgetriebe 1 weist ein erstes Kegelreibrad 2 und
ein zweites Kegelreib rad 3 auf. Die Kegelreibräder 2, 3 sind
zueinander entgegengesetzt angeordnet, wobei deren Drehachse parallel
verlaufen und zueinander beabstandet sind. Die Drehachsen der Kegelreibräder 2, 3 sind
durch die gestrichelten Linien 4, 5 dargestellt.
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Neben
dem Kegelringgetriebe 1 zeigt 1 eine Kupplung 6 eines
hier nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeuges. Die Kupplung 6 ist
drehfest über eine
Welle 7 mit dem ersten Kegelreibrad 2 verbunden.
In einem geschlossenen Zustand überträgt die Kupplung 6 ein
Drehmoment über
die Welle auf das erste Kegelreibrad 2. Um dieses Drehmoment
von dem ersten Kegelreibrad 2 auf das zweite Kegelreibrad 3 zu übertragen,
ist ein Reibring 8 vorgesehen, der mit beiden Kegelreibrädern 2, 3 in
Eingriff steht und das erste Kegelreibrad 2 umgreift. Der
Reibring 8 lässt
sich über
einen Verstellmechanismus, der hier nicht dargestellt ist, parallel
zu den Drehachsen 4, 5 der Kegelreibräder 2, 3 axial
verschieben. Durch axiales Verschieben des Reibringes 8 wird
das Übersetzungsverhältnis des
Kegelringgetriebes 1 verstellt. Da die axiale Lage des
Reibringes 8 stufenlos eingestellt werden kann, weist das
Kegelringgetriebe 1 ein stufenlos variierbares Übersetzungsverhältnis auf.
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Das
auf das zweite Kegelreibrad 3 übertragene Drehmoment wird über ein
Zahnradpaar, bestehend aus einem Zahnrad 9 und einem mit
diesem Zahnrad 9 kämmenden
Ringzahnrad 10 zu einer Abtriebseinheit 11 geleitet.
Die Abtriebseinheit 11 besteht aus einem Differential 11a und
zwei Achsen 11b, 11c. Das Differential 11a verteilt
das an dem Zahnrad 10 anliegende Drehmoment auf die Achsen 11b, 11c.
Entsprechend des Drehmomentflusses kann bei dem in 1 dargestellten
Kegelringgetriebe 1 das erste Kegelreibrad 2 als
Eingangsrad und das zweite Kegelreibrad 3 als Ausgangsrad
bezeichnet werden.
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Entlang
der Drehachsen 4, 5 lassen sich die Kegelreibräder 2, 3 relativ
zueinander verschieben. Durch diese relative Verschiebbarkeit lässt sich
eine axiale Kraft F über
einen hier nicht weiter dargestellten Aktuator einstellen, der die
Kegelreibräder 2, 3 in axialer
Richtung der Drehachsen 4, 5 gegen den Reibring 8 drückt.
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Der
Reibring 8 weist eine Ringinnenfläche oder eine innere Kontaktoberfläche 12 und
eine Ringaußenfläche oder
eine äußere Kontaktoberfläche 13 auf.
Die innere Kontaktoberfläche 12 ist
konisch ausgebildet, wobei der entsprechende Konuswinkel dem Öffnungswinkel α des Kegelreibrads 2 entspricht.
Auch die äußere Kontaktoberfläche 13 des Reibrings 8 ist
konisch ausgebildet, ebenfalls durch den Öffnungswinkel α gekennzeichnet.
Der inneren Kontaktoberfläche 12 des
Reibringes 8 kann ein mittlerer Durchmesser 14 zugeordnet
werden. Entsprechend weist die äußere Kontaktoberfläche 13 des Reibringes 8 einen
mittleren Außendurchmesser 15 auf.
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Wie
der 1 zu entnehmen ist, liegt die innere Kontaktoberfläche an einer
Mantelfläche 16 des Kegelreibrings 2 in
einer Kontaktzone 17 an. Im Betrieb des Kegelringgetriebes 1 bildet
sich in der Kontaktzone 17 ein schmaler Film eines Traktionsfluids, so
dass die Kontaktoberfläche 16 des
Kegelreibrads 2 und die innere Kontaktoberfläche 12 des
Reibringes 8 durch das Traktionsfluid voneinander getrennt sind
und nicht unmittelbar aufeinander abwälzen. Aufgrund der hohen Drücke des
Traktionsfluids in der Kontaktzone 17 und einer damit einhergehenden
hohen Viskosität überträgt das Traktionsfluid
aufgrund der vom Traktionsfluid aufnehmbaren Scherspannungen das
Drehmoment des Kegelreibrings 2 auf den Reibring 8.
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Entsprechend
der ersten Kontaktzone 17 ist eine zweite Kontaktzone 18 zwischen
einer Kontaktoberfläche 19,
die die konische Mantelfläche
des Kegelreibringes 3 darstellt und der äußeren Kontaktoberfläche 13 des
Reibringes 8 gegeben. Auch in der zweiten Kontaktzone 18 bildet
sich im Betrieb des Kegelringgetriebes 1 ein Film des Traktionsfluids
zwischen der Kontaktoberfläche 13 und
der Kontaktoberfläche 19 aus,
so dass auch hier die beiden sich gegenüberstehenden Oberflächen voneinander
getrennt sind. Auch hier wieder wird das Drehmoment idealerweise
nur mittels des Traktionsfluids übertragen.
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2 zeigt
einen Ausschnitt 20 der inneren Kontaktoberfläche 12 des
Reibringes 8. Über
dem Ausschnitt 20 ist ein daran anliegender Rundkörper dargestellt,
der einen Ausschnitt der Kontaktoberfläche 16 des Kegelreibrads 2 darstellen
soll. Die Konizitäten
der Ausschnitte 20, 21 sind der 2 nicht
zu entnehmen, vielmehr ist der Ausschnitt 21 als Zylinder
und der Ausschnitt 20 der inneren Kontaktoberfläche 12 des
Reibringes 8 als ebene Platte dargestellt. Somit verzichtet 2 ebenfalls
auf die Darstellung der Krümmung
der ringförmigen
Kontaktoberfläche 12.
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Die
Umlaufrichtung, mit der die innere Kontaktoberfläche 12 im Betrieb
des Kegelringgetriebes 1 umläuft, ist in 2 mit 22 bezeichnet.
In der Darstellung der 1 erstrecken sich die Umlaufrichtungen
der Rotationskörper
des Kegelringgetriebes 1 (Kegelreibräder 2, 3 und
Reibring 8) senkrecht zur dortigen Zeichenebene, also senkrecht
zu den Drehachsen 4, 5 und senkrecht zu einem
wirksamen Durchmesser d2 des Kegelreibrads 2.
Entsprechend der axialen Lage des Reibrings und aufgrund der Konizität des Kegelreibrads 2 ändert sich
dieser wirksame Durchmesser d2. Entsprechendes
gilt für
einen wirksamen Durchmesser d3 des Kegelreibrads 3.
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Parallel
zur Umlaufrichtung 22 weist die Kontaktoberfläche 12 eine
Vielzahl von zueinander parallelen Riefen 23 auf (siehe 2).
Senkrecht zur Umlaufrichtung 22 verlaufen Querriefen 24,
die die Riefen 23 im rechten Winkel schneiden. Durch das
Aufeinandertreffen von zwei benachbarten Riefen 23 mit zwei
benachbarten Querriefen 24 wird ein rechteckförmiges Plateau 25 definiert.
Aufgrund der Vielzahl der Querriefen 24 und der in Umlaufrichtung 22 verlaufenden
Riefen 23 weist der Ausschnitt 20 eine große Anzahl
derartiger Plateaus 25 auf.
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Die
in der 2 dargestellte Oberflächenstruktur der Kontaktoberfläche 12 lässt sich
in einem ersten Schritt durch eine spanende Bearbeitung erreichen,
wobei die Bearbeitungsrichtung in Umlaufrichtung 22 und
im rechten Winkel dazu erfolgt. Die derart bearbeitete Kontaktoberfläche 12 weist
zunächst
sowohl in Umlaufrichtung 22 als auch in Querrichtung ein
Rauheitsprofil mit Rauheitsriefen und Rauheitsspitzen auf. Durch
eine nachfolgende Bearbeitung in einem zweiten Schritt werden die
Spitzen abgetragen, so dass die plateauartige Oberflächenstruktur
gemäß 2 mit
den verbleibenden Riefen 23 und Querriefen 24 entsteht.
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3 zeigt die zweite Kontaktzone 18 (vgl. 1)
im Schnitt. 3 zeigt dabei einerseits
den Reibring 8 und das zweite Kegelreibrad 3 in
einem Zustand, bei dem die Rauheitsspitzen der jeweiligen Kontaktoberflächen 13, 19 nicht
abgetragen wurden (vgl. 3a) und
nach erfolgter Feinbearbeitung, bei der die Rauheitsspitzen abgetragen
wurden (vgl. 3b). Die Profile der Kontaktoberflächen 13, 19 in 3a entsprechen
dabei üblichen
Rauheitsprofilen, die bei der spanenden Bearbeitung beispielsweise durch
Schleifen oder Drehen entstehen.
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Durch
die Wegnahme der Rauheitsspitzen lässt sich die Filmhöhe h0 des zwischen den Kontaktoberflächen 13, 19 befindlichen
Traktionsfluids (nicht dargestellt) zur eindeutigen Kontakttrennung
dieser beiden Kontaktoberflächen 13, 19 deutlich
reduzieren. Trotz der geringeren Filmhöhe h0 in
der 3b ist eine eindeutige Kontakttrennung gegeben,
so dass zumindest im kontinuierlichen Betrieb des Kegelringgetriebes 1 kein
bzw. ein verringerter abrasiver Verschleiß stattfindet. Durch den kleineren
Spalt zwischen den Rotationskörpern 8, 19 bauen
sich im Traktionsfluid höhere
Drücke
auf, wodurch aufgrund der höheren
Viskosität
das Traktionsfluid größere Scherspannungen
aufnehmen kann. Dadurch lassen sich höhere Drehmomente zwischen dem
Reibring 8 und dem weiten Kegelreibrad 3 übertragen.
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Bei
den in 3 dargestellten Riefen handelt es
sich um die Querriefen 24, die quer zur Umlaufrichtung 22 verlaufen.
In den 3a und 3b ist mit
dem Bezugszeichen 25 bezeichneter Bereich zwischen zwei
größeren benachbarten
Querriefen bezeichnet, der nach Abtragung der Rauheitsspitzen das
Plateau 25 darstellt.
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4 zeigt
den Reibring 8 mit der inneren Kontaktoberfläche 12 und
der äußeren Kontaktoberfläche 13,
bei dem durch ein geeignetes Bearbeitungswerkzeug in Form einer
Bürste 26 Querriefen
in die innere Kontaktoberfläche 12 eingebracht
werden. Bei der Bearbeitung der inneren Kontaktoberfläche 12 rotieren
sowohl der Reibring 8 in Umlaufrichtung 27 und
die Bürste 26 in
Umlaufrichtung 28, wobei die Drehgeschwindigkeiten von
Reibring 8 und Bürstenkopf
getrennt voneinander einstellbar sind und aufeinander abgestimmt
sind. Ein Bürstenkopf 29 der Bürste 26 bringt
dabei die Querriefen in die innere Kontaktoberfläche 12 ein.
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- 1
- Kegelringgetriebe
- 2
- erstes
Kegelreibrad
- 3
- zweites
Kegelreibrad
- 4
- Drehachse
- 5
- Drehachse
- 6
- Kupplung
- 7
- Welle
- 8
- Reibring
- 9
- Zahnrad
- 10
- Ringzahnrad
- 11
- Abtriebseinheit
- 12
- innere
Kontaktoberfläche
- 13
- äußere Kontaktoberfläche
- 14
- Innendurchmesser
- 15
- Außendurchmesser
- 16
- Kontaktoberfläche
- 17
- erste
Kontaktzone
- 18
- zweite
Kontaktzone
- 19
- Kontaktoberfläche
- 20
- Ausschnitt
- 21
- Ausschnitt
- 22
- Umlaufrichtung
- 23
- Riefen
- 24
- Querriefen
- 25
- Plateau
- 26
- Bürste
- 27
- Umlaufrichtung
- 28
- Umlaufrichtung
- 29
- Bürstenkopf
- d2
- Durchmesser
- d3
- Durchmesser
- α
- Öffnungswinkel