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Die
Erfindung betrifft ein Getriebe zur Übertragung und Wandlung von
Drehbewegungen, Schubbewegungen, Dreh-Schubbewegungen und Geschwindigkeiten,
aus einem inneren und einem äußeren Teil
zusammengefügten
Gehäuse,
in dem zwischen Antrieb und Abtrieb Bauelemente zur Übertragung
und Wandlung des Kraftflusses angeordnet sind.
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Für verschiedenartige
technische Anwendungen müssen
Leistungen in Form von Dreh- und/oder
Schubbewegungen sowie Geschwindigkeiten zwischen Baugruppen übertragen
und/oder gewandelt werden. Hierfür
sind insbesondere Getriebe geeignet, die unabhängig von ihrer jeweils konkreten Ausgestaltung
aus Rädern,
Zahnrädern,
Wellen, Lagern, Kreisringen sowie weiteren Bauelementen bestehen
und die eine in sich geschlossene Baugruppe bilden. Die Kraftübertragung
an den beteiligten Wirkflächenpaaren
erfolgt durch Form- und/oder Reibschluss, die Bewegungsänderung
durch Wirksamwerden des Hebelgesetzes, kinematischer Gesetze und
andere. Obwohl bereits eine kaum überschaubare Anzahl von Getriebekonstruktionen
bekannt ist, wird noch immer eine weitere Erhöhung der übertragbaren Leistungen und
Geschwindigkeiten sowie eine weitere Verminderung der hierfür notwendigen
Antriebsenergien bzw. Verminderung der Lastkräfte, Wegtransformieren von
Trägheitswiderstandskräften, angestrebt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein neuartiges Getriebe
zu schaffen, das einen hohen Wirkungsgrad erzielt und das durch
einen baukastenförmigen
Grundaufbau für
einen breiten Drehzahl- und Drehmomentbereich sowie für unterschiedliche
technische Gebiete einsetzbar ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst,
indem im Innenraum von Innen- und Außenteilen des Gehäuses mehrere
Kreisringsegmente, mit konstruktionsbedingt zunehmendem bzw. abnehmendem
Teilkreisradius, vorzugsweise innen und außen verzahnt, paarweise parallel übereinander
oder untereinander stufenweise angeordnet sind, die wiederum kreisbahnförmig um
die „Z-Achse" verlagerbar sind
und die vom äußeren Kreisringsegment
ausgehend einen jeweils abnehmenden oder zunehmenden Radius der Laufbahn
aufweisen, wobei im Innenraum vom Gehäuse ferner mehrere Rotationsschreiben übereinander,
bei vertikaler Anordnung der Hauptachse, angeordnet sind, die jeweils
drehbar auf einem Ring bzw. feste Laufbahn abgestützt sind,
verbunden mit einer jeweils eigenen oder konstruktionsbedingt gleichen Achse,
versetzt oder verbunden, die wiederum drehbar parallel um die „Z-Achse" gelagert sind, wobei
jedes Kreisringsegmentpaar direkt mit den Rotationsscheiben in Wirkverbindung
stehen. Zwischen dem jeweils oberen stufenförmigen Kreisringsegment und dem
jeweils unteren Kreisringsegment befindet sich fernerhin parallel
zur Achse der Rotationsscheiben eine Kegel- und Stirnzahnradgruppe, welche ebenfalls
mit dem oberen und dem unteren Kreisringsegment in Wirkverbindung
steht. Diese Kegel-Stirnzahnradgruppe ist drehbar mit einer Welle
am äußeren Gehäuse befestigt
und hat die Funktion, die Drehrichtung der äußeren Ringe zu ändern. Ausgestaltungen
sind Gegenstand der Unteransprüche,
deren technische Merkmale und vorteilhaften Wirkungen im Ausführungsbeispiel
näher beschrieben
werden.
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Mit
der erfindungsgemäßen Konstruktion wird
ein neuartiges Getriebe geschaffen. Hierbei wird eine Anzahl nichtlinearer
Bewegungs-Baugruppen mit einer Anzahl linearer Bewegungs-Baugruppen zusammen
gekoppelt, welche beide in einem Getriebe kombiniert, den Effekt
eines hohen Wirkungsgrades erzielen. In den nichtlinearen Bewegungs-Baugruppen
addieren sich die entstehenden Geschwindigkeiten konstruktionsbedingt,
obwohl alle Laufbahnradien abnehmen. Die Anzahl der Getriebestufen
wird durch die Anzahl der übereinander
angeordneten Kreisringsegmente festgelegt. Zwischen den jeweiligen
Getriebestufen wird eine kombinierte Dreh-, Dreh-Schub und Rollbewegung
bzw. Translationsbewegung realisiert, in deren Ergebnis unterschiedliche
Leistungen und Geschwindigkeiten übertragbar bzw. wandelbar sind.
Die hierfür
benötigte Antriebskraft
ist relativ gering, so dass ein hoher Wirkungsgrad erreichbar ist.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sämtliche Bauelemente zur Übertragung und
Wandlung des Kraftflusses in ständigem
Eingriff stehen. Die Richtungsvektoren der Kraftflüsse spalten
sich und treffen auf der nächst
folgenden Stufe wieder zusammen, Stufe für Stufe. Nach dem Zusammentreffen
weist äußere Ring
auf der nächsten Stufe
eine höhere
Geschwindigkeit, unabhängig
von Kraft, auf. Durch den baukastenförmigen Grundaufbau, der sich
in jeder Getriebestufe in lediglich unterschiedlicher Dimensionierung
wiederholt, kann das Getriebe für
einen breiten Drehzahl- und Drehmomentbereich ausgelegt und somit
auf unterschiedlichen technischen Gebieten eingesetzt werden. Umfangreiche
Nutzungsmöglichkeiten
ergeben sich beispielsweise in der Fahrzeugtechnik und im Maschinenbau.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend
beschrieben. Es zeigen:
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1 und 1/II Gesamtgetriebe
in Seitenansicht mit teilweise aufgebrochener Darstellung des Gehäuses
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1a/II den grundsätzlichen Aufbau des Getriebes
in der Seitenansicht mit teilweise aufgebrochener Darstellung des
Gehäuses
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2 und 2/II eine
größere Darstellung des
in 1 vom Kreis umschlossenen Details „E"
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3 und 3/II eine
Schnittdarstellung des Getriebes im oberen Bereich entlang der in 1 mit B-B' bezeichneten Ebene
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4 eine Schnittdarstellung des Getriebes im
oberen Bereich entlang der in 1 mit
A-A' bezeichneten
Ebene
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5 und 5/II eine
Schnittdarstellung des Getriebes im unteren Bereich entlang der
in 1 mit D-D' bezeichneten Ebene
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6/II Bewegungsablauf der Stufen 1 und 2
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Das
in der Zeichnung dargestellte Getriebe ist zur Übertragung und Wandlung von
Dreh-, Schub-, Dreh-Schub- und Rollbewegungen sowie stufenweise
erhöhten
Geschwindigkeiten unter der Bedingung von abnehmenden Radien vorgesehen. Dem
Getriebe sind Antriebs- und Abtriebselemente zugeordnet. Das Getriebe
besteht aus einem inneren Gehäuseteil 23 und
aus einem äußeren Gehäuseteil 24,
die zur gemeinsamen Gehäusebaugruppe 23–24 zusammengefügt sind.
Im Gehäuse 23–24 stehen zwischen
Antrieb und Abtrieb die erfindungsgemäßen Bauelemente zur Übertragung
und Wandlung des Kraftflusses und Geschwindigkeiten miteinander in
Wirkverbindung. Die Außenkontur
des Gehäuses 23–24 kann
verschiedenartig ausgestaltet werden, für eine material- und bauraumsparende
Bauweise ist eine kegelstumpfähnliche
Kontur vorteilhaft.
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Im
Innenraum des Gehäuses 23–24 sind mehrere
vorzugsweise stufenförmige
Kreisringsegmente 20, 25 usw. mit abnehmendem
Radius bezüglich
der Z-Achse untereinander angeordnet, mittels Kugeln 130 oder
Kugellager auf Position gehalten. Diese Kreisringsegmente 20, 25 sind
kreisbahnförmig
verlagerbar und weisen vom obersten Kreisringsegment 20 ausgehend
einen jeweils abnehmenden Radius auf. Jedes stufenförmige Kreisringsegment 20, 25 steht
direkt mit einer Rotationsscheibe 21 in Wirkverbindung.
Die entsprechende Berührungsfläche bzw.
Laufbahn ist mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Gleichzeitig
steht jedes Kreisringsegment 20, 25 indirekt über eine
sowie ein Kreisringsegment 19 mit einer zweiten Rotationsscheibe 22 in
Wirkverbindung (indirekte Wirkverbindung). Anstelle der in der Zeichnung
dargestellten Kreisringsegmente 20, 25 und 19 können auch
andere Bauelemente gleichartiger Funktion verwendet werden, beispielsweise Scheiben.
Ebenso können
anstelle der Rotationsscheiben 21 und 22 andere
Bauelemente gleichartiger Funktion verwendet werden, beispielsweise
Kugeln, Zahnräder
oder konische Teile.
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Die
Kegel-/Stirnzahnradgruppe 18y1 ist
vorzugsweise an einem Gehäuseabschnitt 24 durch
seine Welle drehbar gelagert, welche am Gehäuseabschnitt 24 befestigt
ist. Gleichzeitig steht jedes Kreisringsegment 20, 25 über einen
Mittelring 110 und Rotationsscheiben 21, 22 ebenfalls
in Wirkverbindung (direkte Wirkverbindung).
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Die
unteren Kreisringsegmente 19 sind ebenfalls kreisbahnförmig verlagerbar.
Die Berührungslinie
bzw. Laufbahn zwischen dem unteren Kreisringsegment 19 und
der Rotationsscheibe 22 ist mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet.
Die Rotationsscheibe 21 steht gegenüberliegend vom Kreisringsegment 20, 25 und
somit gegenüberliegend
der Wirkfläche 1 mit
einer Wirkfläche 1' in Verbindung, die
im Gehäuse 23 ausgestaltet
ist. Die Rotationsscheibe 22 steht gegenüberliegend
vom Kreisringsegment 19 und somit gegenüberliegend der Wirkfläche 2 auf
einer Wirkfläche 2' in Wirkverbindung,
die gebildet wird durch das Kreisringsegment 25 der nächsten Getriebestufe.
In jeder Getriebestufe sind die obere Rotationsscheibe 21 und
die Rotationsscheibe 22 mit einer jeweils gemeinsamen Welle
auf Trägerring 110 und/oder
jeweils eigenen Welle 120 auf Trägerring 110 gelagert.
Auch die Trägerringe 110 nehmen
nach unten hin im Umfang/Radius ab. Mit jeder Stufe nimmt der Umfang
der Kreisringsegmente ab. Alle Kreisringsegmentgruppen zusammen wirken
gemeinsam wie ein einarmiger Hebel um die feste Achse „Z", wie ein Körper, auf
die Baugruppen des Abtriebs ab 49.
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Während die
oberste Baugruppe y1 mit dem Antrieb des
Getriebes 100 in Wirkverbindung steht, steht die unterste
Baugruppe y6 mit dem Abtrieb 200 des
Getriebes in Wirkverbindung. Hierfür ist dem untersten Kreisringsegment 19 (y6) zumindest ein Zahnrad zugeordnet, das über die
Paarungsfläche 42 und das
Zahnrad 49 mit der Mittellängsachse (Z-Achse)/Welle 43 des
Gehäuses 23–24 angeordneten Welle-Zahnrad-Baugruppe
in Wirkverbindung steht. In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführung dargestellt,
bei der das unterste Kreisringsegment 19 (y6), über die
Wirkverbindung 22 (y6), über ein
Zahnrad 49 verbunden mit der Welle 43 mehrere
Zahnradgruppen von 41–40–39 bis 38–37–36 umfassen.
Dabei ist zu beachten, dass das jeweils untere Zahnrad 41 bzw. 38 beweglich
ist, während
das jeweils obere Zahnrad 39 bzw. 36 fest mit
dem Gehäuse
verankert ist. Das bewegliche und das feste Zahnrad jeder Übertragungsgruppe
stehen über
ein jeweils weiteres Zahnrad 40 bzw. 37 miteinander
in Wirkverbindung. Die Welle-Zahnrad-Baugruppe ist oberhalb ihrer Übertragungsgruppen
sowie vorzugsweise oberhalb vom obersten Kreisringsegment 20 über zumindest
ein weiteres Zahnrad über
eine Welle über
die Z-Achse mit dem Abtrieb 200 des Getriebes verbunden.
In der Zeichnung der Lösung
I ist beispielhaft eine diesbezügliche
Ausführung
mit insgesamt acht Zahnrädern 35, 34, 33, 32, 31, 30, 29, 26 dargestellt.
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Das
vorgeschlagene Getriebe ist abstrakt konstruktiv betrachtet eine
Kombination von zwei grundsätzlich
verschiedenen Baugruppen, nämlich nichtlinearen
Baugruppen (Elemente der Baugruppen y1 bis
y6) und linearen Baugruppen (Räder bzw. Zahnräder von 49 bis 26/Lösung II 37–36).
In diesem neuartigen Getriebe wird somit eine Anzahl von Baugruppen
für nichtlineare
Bewegungen mit einer Anzahl von Baugruppen für lineare Bewegungen gekoppelt,
durch deren Kombination der Effekt eines hohen Wirkungsgrades erzielt
wird. Im Bereich der nichtlinearen Baugruppen werden die Bewegungsstrecken summiert
bzw. infolge Addition der Bewegungen/Geschwindigkeiten werden die
jeweiligen Wege verlängert.
Hingegen werden in den linearen Baugruppen die zurückgelegten
Wege bzw. Bewegungsstrecken infolge der Konstruktion verkürzt und
Geschwindigkeiten reduziert.
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An
dieser Stelle wird ausdrücklich
darauf hingewiesen, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindungsbeschreibung
auf eine Angabe konkreter Übersetzungsverhältnisse
verzichtet wird. Die spezifische Auslegung der Bauteile des vorgeschlagenen
Getriebes muss stets unter Beachtung der jeweiligen Einsatzbedingungen
erfolgen. Ungeachtet dieser konkreten Dimensionierungen – die ohnehin
nicht schutzfähig
sind – ist
der konstruktive Aufbau des Getriebes wesentlich, wobei der durch
diesen Aufbau bewirkte grundsätzliche
Funktionsablauf nachfolgend erläutert
wird.
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Der
Antrieb 100 beaufschlagt zunächst das oberste Kreisringsegment 20.
Daraufhin bewegt sich dieses Kreisringsegment 20 in X-Richtung
von a nach c bzw. um die Z-Achse 43. An den Paarungsflächen 1 lässt das
Kreisringsegment 20 die Rotationsscheibe 21 auf
ihrer eigenen festen Bahn 1' am
Gehäuse 23 von
a'1 bis
b'1 rollen.
Durch die Rollbewegung der Rotationsscheibe 21 dreht sich
der Trägerring 110 um
die Z-Achse, von P1 bis P'1.
Ebenso rollt Rotationsscheibe 22 von a' bis b'0,1 auf dem
entgegengesetzt drehenden Kreisring 19. Es entsteht eine Schubbewegung
von P2 bis P'2, bzw. der
Trägerring 110 schiebt
die Rotationsscheibe 22 (y1). Auf die Rotationsscheibe 22 werden
somit zwei Bewegungen aufgetragen, Schub- und Drehbewegungen.
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Durch
die Kegel-/Stirnzahnradbaugruppe 18 bewegt sich das Kreisringsegment 19 von
a' nach d in entgegengesetzter
Richtung des Kreisringsegments 20. Diese Strecke von a' nach d kann (>) (=) (<) als der Weg von
a bis c sein, infolge unterschiedlicher Radien der Kegel-/Stirnzahnradbaugruppen.
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Das
Kreisringsegment 20 bewirkt gleichzeitig eine Verlagerung
der an der festen Laufbahn 1' abgestützten Rotationsscheibe 21 (y1)
in X-Richtung von P1 nach P'1 bzw.
von a nach b. Während
die erste Rotationsscheibe 21 von a'1 nach b'1 auf
der Laufbahn 1' rollt,
lässt sie
gleichzeitig den Trägerring 110 von
P1 nach P'1 um die Achse
Z drehen. Die Bewegung des Trägerrings 110 erfolgt
um die Achse „Z" mit einem Drehwinkel
entsprechend P1P'1 (definierte
Winkelgeschwindigkeit). Infolge der Rollbewegung der Rotationsscheibe 21 wird
die auf Trägerring 110 abgestützte Rotationsscheibe 22 von
P2 nach P'2 parallel geschoben.
Gleichzeitig dreht sich die Rotationsscheibe 22 um seine
eigene Achse in entgegengesetzter Richtung bezüglich der Rotationsscheibe 21.
Dabei rollt die Rotationsscheibe 22 gleichzeitig von a' bis b'0,1 auf
dem in minus X-Richtung beweglichen Kreisringsegment 19 bzw.
auf dessen Laufbahn 2.
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Auf
den Umfang der Rotationsscheibe 22 werden gleichzeitig
folgende Bewegungen übertragen:
Drehbewegung
von a' bis d,
verursacht
durch das Kreisringsegment 19
Dreh-Schub-Bewegung:
Drehung
um eigene Achse, Rollbewegung von a' nach b'0,1,
Schubbewegung
von P2 nach P'2, verursacht
durch Rotationsscheibe 21 und Trägerring 110
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Die
Rotationsscheibe 22 überträgt ihre
gesamten Dreh-Bewegungen von d bis b'0,1 und den gleichzeitigen
Schub von P2 bis P'2 über die
Laufbahn 2' auf
das nächste
Kreisringsegment 25 und verlagert dieses von a''1 bis d'1 wodurch
sich die Geschwindigkeiten addieren. Nunmehr ergibt sich für das Kreisringsegment 25 und
die nachgeordneten Bauteile ein gleichartiger Bewegungsablauf wie
vorher beim Kreisringsegment 20, im gleichen Zeitabschnitt.
Das heißt, über die
Rotationsscheibe 22 überträgt das Kreisringsegment 19 seine
in minus X-Richtung laufenden Strecken von a' bis d auf das Kreisringsegment 25 in
X-Richtung von a'''1 bis d'1.
Geschoben wird Kreisringsegment 25 von a''1 nach a''''1 durch
Rotationsscheibe 22 parallel. Gleichzeitig dreht sich Kreisringsegment 25 von
a''''1 nach a'''1 um die Z-Achse.
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Aufgrund
der Relation Kreisringsegment 25 a''1 bis d1' > Kreisringsegment 20a bis c,
dreht sich die Rotationsscheibe 22 folglich schneller als
die Rotationsscheibe 21, weil im gleichen Zeitabschnitt
unterschiedliche Wege zurückgelegt
werden müssen.
Die Geschwindigkeiten vom Kreisringsegment 20 und 19 addieren
sich nichtlinear, wodurch sich die Geschwindigkeit des Kreisringsegments 25 entsprechend
erhöht.
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Dieser
Bewegungsablauf überträgt sich über alle
Getriebestufen in jeweils gleichmäßig beschleunigter Weise und
setzt sich bis zur untersten Rotationsscheibe 22y6 -Ebene
der untersten Baugruppe und dem angeordneten Zahnrad 49y6 durch seine Wirkverbindung 42 fort – nichtlinearer
Bewegungsablauf. Durch die stufenweise Übertragung aller genannten
Bewegungen von 20 auf 25 überträgt die letzte Rotationsscheibe 22y6 das Mehrfache der gesamten Strecke
des Kreisringsegments 20 von a bis c im gleichen Zeitabschnitt.
Infolge der stufenweisen Summierung der zurückgelegten Wegstrecken ist
die Geschwindigkeit an der untersten Rotationsscheibe 22y6 sehr viel höher als anfangs am obersten
Kreisringsegment 20 bzw. dessen Laufbahn 1.
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Der
Betrag der Streckengeschwindigkeit a''1 bis d'1 (y6), Wirkverbindung 42,
ist in der Nähe
der Z-Achse größer als
der Betrag der Streckengeschwindigkeit von a bis c (20)
(Addition der Geschwindigkeiten).
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Nunmehr
wird diese Bewegung vom untersten Zahnrad 22y6 ausgehend, über die
Zahnradgruppe 49y6 zunächst zum
Zahnrad 41 übertragen.
Dem beweglichen Zahnrad 41 ist ein Zahnrad 40 nachgeordnet
als Übertragungselement
zum festen Zahnrad 39. Im weiteren Verlauf wird die Bewegung über das bewegliche
Zahnrad 38 und das als Übertragungselement
wirkende Zahnrad 37 zunächst
zum festen Zahnrad 36 und danach zum Zahnrad 35 weitergeleitet
(bei Lösung
II – Abtrieb 200).
Dieses Zahnrad 35 steht vorzugsweise über mehrere Zahnräder 35–26 mit
dem Abtrieb 200 des Getriebes in Wirkverbindung.
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Je
nach Anzahl der Welle-Zahnrad-Baugruppen reduzieren sich die zurückgelegten
Laufstrecken auf der nächstfolgenden
Stufe um die gewünschten Differenzen.
Die ursprünglich
mehrfach erweiterten Bewegungsstrecken, welche auf das Zahnrad 22y6 , Wirkverbindung 42, übertragen
wurden, reduzieren sich in der Konstruktion bezüglich des Abtriebs 200, wobei
die Drehgeschwindigkeiten Abtrieb 200 und Antrieb 100 identisch
sind.
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Aus
den vorstehenden Darlegungen ist ersichtlich, dass der Funktionsablauf
des erfindungsgemäßen Getriebes
von unterschiedlichen und sich überlagernden
Bewegungen und Drehzahlen geprägt
ist.
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Während die
Rotationsscheibe 22 gleichzeitig drei verschiedene Bewegungen
(Dreh-, Schub- und
Rollbewegung) wahrnimmt, führt
die Rotationsscheibe 21 hingegen nur eine Roll-Bewegung aus, nämlich von
a'1 bis
b'1.