DE2610197A1

DE2610197A1 - Drehmomentwandler

Info

Publication number: DE2610197A1
Application number: DE19762610197
Authority: DE
Inventors: Paul S Moller
Original assignee: Discojet Corp
Current assignee: Discojet Corp
Priority date: 1975-03-26
Filing date: 1976-03-09
Publication date: 1977-02-17
Also published as: US3960036A; JPS51119465A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehmomentwandler»

Bei drehenden Maschinen "besteht sehr oft die Forderung, an einem Eingang ein Drehmoment anzunehmen und es auf irgendeine Weise auf einen für den Ausgang der Vorrichtung geeigneteren Wert umzuwandeln,, Bspwo kann eine verhältnismäßig schnell drehende/treibende an eine getriebene Welle für verhältnismäßig geringe Geschwindigkeit zu koppeln sein, indem man zwischen ihnen eine geeignete Drehmomentverfielfaehung vornimmt, Für diesen Zweck gibt es verschiedene Einrichtungen, die in einer oder auch in zwei Richtungen arbeiten können; viele von ihnen sind jedoch sehr kompliziert aufgebaute

Die vorliegende Erfindung schafft einen wirksamen, aber einfachen Drehmomentwandler, der sich zwischen eine treibende und eine getriebene Welle einfügen läßt, um die zwischen ihnen erforderliche

ORIGINAL

Dr ehmomentwandl ung zu "bewerkstelligen, und der zwischen diesen Wellen eine Drehrichtungsumkehr bewirken kann. Die Ziele der vorliegenden Erfindung lassen sich mit der in der folgenden Beschreibung erläuterten und in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erreichen„

Pig, 1 ist eine perspektivische isometrische Ansicht, die auf schaubildliche Weise einen Drehmomentwandler nach der vorliegenden Erfindung zeigt;

i~"ig, 2 ist eine detaillierte auf der Ebene 2-2 der iig₀ 1 geschnittene Ansicht, wobei Teile der Torrichtung zum besseren Verständnis weggelassen oder weggebrochen wurden; Fig* 3 ist ein Seitenriß der in i'ig, 1 gezeigten !konstruktion, wobei bestimmte Seile schaubildlich dargestellt und andere Teile weggelassen sind, um die Darstellung nicht zu überlasten.

Während der Drehmomentwandler nach der vorliegenden Erfindung sich auf vielfältige Art und Weise realisieren läßt, ist er mit Erfolg in der hier zu beschreibenden Form aufgeführt worden. In der Darstellung ist angenommen, daß ein Gehäuse bzw, ein Fundament, dargestellt durch das herkömmliche Element 6, vorliegt. Der Rahmen bzw, das Gehäuse ist hinsichtlich der übrigen Teile der Konstruktion im wesentlichen ortsfest und steif genug, um als Basis zu dienen. Üblicherweise ist er auch als Umhüllung für die Vorrichtung ausgeführt.

Das Gehäuse 6 enthält eine Lageranordnung 7 irgendeiner geeigneten

709807/0236

« 3-

Art, die eine treibende Welle 8 um eine Hauptachse 9 drehbar lagert« Um die zur Vorrichtung gerichtete Eingangsdrehung zu glätten, ist in der Welle 8 ein Dämpfungselement 11 enthalten, und zwar in Form einer Schraubfeder, die mit ihren entgegengesetzten Ende an der Welle 9 und auch an einer Eingangswelle 12 befestigt ist, die mit der Achse 9 konzentrisch verläuft und der Vorrichtung das Drehmoment erteilt» Die Feder 11 erlaubt geringfügige Phasenunterschiede zwischen den Wellenteilen 8 und 12, überträgt aber das gewünschte Drehmomente

Auf der treibenden Welle 8 und mit ihr konzentrisch zur Achse drehbar ist ein antreibendes Zahnrad 13 gelagert, mit dem ein erstes TJmlaufrad 16 kämmt, daß um eine zweite Achse 17 dreht, die parallel zur Hauptachse 9 und in radialem Abstand zu dieser verläuft. Das erste Umlaufrad 16 kann durch ein oder mehrere zusätzliche Umlaufräder - bspw„ 18 - ergänzt werden, die ihrerseits auf einer oder mehreren zusätzlichen Achsen 19 parallel und im Abstand zur Achse 9 sitzen. Die Anzahl der zusätzlichen Umlaufräder 18 kann nach Wunsch variieren« In einem einfachen Beispiel, wie dargestellt, handelt es sich bei dem zusätzlichen Umlaufrad um ein zweites Zahnrad, das im gleichen polaren Abstand dem ersten Umlaufrad 16 gegenüberliegt·

Das Rad 16 kämmt nicht nur mit dem Zahnrad 13, sondern ist auf einer Umlaufwelle 21 gelagert, die ihrerseits in einem Rahmen läuft, der Teil eines großen getriebenen Zahnrads 23 ist, das konzentrisch zur Achse 9 läuft. Das grtriebene Zahnrad 23 ist an

709807/0236

einer getriebenen Welle 24 befestigt, die sich in einem Lager 26 im Gehäuse 6 dreht„ Die Welle 24 ist über eine zweite Dämpfungsfeder 27 angekoppelt« Eine Schraubfeder ist nicht nur an der getriebenen Welle 24, sondern auch an einer koaxial verlaufenden Ausgangswelle 28 befestigt, die das gewandelte Drehmoment an eine geeignete, das Drehmoment benötigende Vorrichtung weitergibt,,

Der Rahmen 22, der an dem getriebenen Zahnrad 23 befestigt oder mit diesem einteilig ausgeführt ist, stellt ein Joch dar, so daß die Welle 21 an den beiden Lagerpunkten gut abgestützt ist. Zwischen diesen Lagerpunkten befindet sich ein exzentrisches Gewicht 31, dem ein weiteres, gegenüberliegendes exzentrisches Gewicht 32 mit gleicher Lagerung entspricht, das vom Umlaufrad 18 getrieben wird.

Wie insbesondere in der Figo 2 gezeigt, ist das Gewicht 31 auf der Welle 21 mit einer verhältnismäßig kleinen, ander Welle anliegenden Halbnabe 33 und einer verhältnismäßig großen, an der Welle anliegenden Halbnabe 34 angeordnet« Hinsichtlich der zweiten Achse 17 ist das Gewicht exzentrisch, und die Exzentrizität weist eine bekannte Phase oder Polarstellung auf» Das zusätzliche Gewicht 32 ist im wesentlichen ein Duplikat des Gewichts 31, aber mit bekannter Phasenbeziehung zum Gewicht 31 angeordnet. In diesem Beispiel drehen die Gewichte sich mit der gleichen Geschwindigkeit und in der gleichen Richtung um die Achsen 17 und 19, wobei die Exzentrizitäten immer den gleichen radialen Abstand zur Achse 9 einnehmen.

709807/0 236 ,„

Das getriebene Zahnrad 23 ist mit Mtteln zur Drehungssteuerung versehen« In dem vorliegenden Beispiel ist eine Drehmomentwelle ("torque shaft") 36 vorgesehen, die begrenzt drehbar in Lagern 37 und 38 im Gehäuse 6 gelagert ist» Auf der Drehmomentwelle 36 ist axial gleitend verschiebbar ein erstes Ritzel 41 angeordnet, das mit dem getriebenen Zahnrad 23 kämmen kann und ein Gehäuse trägt, in dem eine Einwegkupplung 43 angeordnet ist» Die Einwegkupplung kuppelt das Ritzel 41 mit der Drehmomentwelle 36 nur in einer Drehrichtung,, Entsprechend ist auf der Drehmomentwelle 36 ein zweites Ritzel 44 vorgesehen, das in einer Stellung mit dem getriebenen Zahnrad 23 kämmt und ein Gehäuse 6 trägt, indem sich eine zweite Einwegkupplung 47 befindet, die das Ritzel in der der Kupplung 43 entgegengesetzten Richtung mit der Drehmomentwelle kuppelte

Die Zahnräder 41, 44 und die zugehörigen Kupplungen und Gehäuse 42 bzwo 46 sind gleichzeitig mittels eines Schiebejochs 48 axial verschiebbar, so daß sich abwechselnd das Ritzel 41 oder das Ritzel 44 in Eingriff mit dem getriebenen Zahnrad 23 bringen läßt,

Da der Drehmomenteffekt auf alle Wellen wünschenswerterweise gedämpft werden soll, ist die Drehmomentwelle 36 selbst mit einem radialen Arm 51 versehen (der in den Pig, 1 und 3 in unterschiedlichen polaren Lagen gezeigt ist). Der Arm 51 ist auf der Drehraomentwelle 36 befestigt und wird zwischen zwei Dämpfungsfedern 52, 53 gehalten, die an ortsfesten Teilen des Gehäuses 6 anliegen,, Diese Federn 52, 53 erlauben der Drehmomentwelle eine gewisse

7 0 9807/0236

Drehschwingung, begrenzen diese aber auf ein TOrfeestimmtes Atismafl.

Beim Betrieb dieser Konstruktion wird Leistung in Eiehtung des Pfeiles; in i'ig« 1 bspw* im Uhrzeigersinn - in die Meile 12 eingegeben« Die Drehung der Eingangswelle 12 ist vorzugsweise so kontinuierlich wie möglich, obgleich zeitliche Schwankungen und Unterbrechungen auftreten können» die dann \ra-n der Feder 1t ausgeglichen werden» Die Drehung der Welle 12 wird auf diese Weise ziemlich glatt auf die treibende Welle S über tragen und dreht entsprechend das treibende Zahnrad 1'5» Bei dessen Barehung In. der gezeigten Richtung dreht es das Umlauf rad IS (und¹ das zusältslieJae Umlauf rad 18} und dreht auf diese Weise das; Ungleichgewicht 3t um die Achse ΪΤ md das Ungleichgewicht 32 um. die Achse 19*

Wäre das getriebene Zahnrad 23 in der Iiage„ sich völlig frei um· die Achse 9 zu. drehen,; würde die gesamte Jn^rinanaig: als Einheit· schwingen^, ahne irgendein Brehmament sä üllieiriEEfageiE« Bas Zahnrad 23 kann jedoch nicht immer frei feeficesi« Im einer¹ richtung wird es E₀₁B* durch den Eingriff mit· dem Mifeel 4ΐ gehalten« Für diese Richtung; wird das SitiseüL 41! ^©m ier kupplung 43 starr mit der Brehmamencfewelle 3ß vertoiippp;e]Lt;_e die Weüile 36 infolge der Mashgiebigkeit dter FedeoniE 52,» 53 eine geringfügige Drehung ausfuhrem kann, ist äiiese Täzrekxmg, deeeh fo@~> grenzt,i folglich wird das angetriebene Zahnradl 23 flor eine ΙΜγα— richtung ortsfest gehalten« In der anderen. EiehttHrtg kaum das ge« triebene Zahnrad 23 sich frei drehen, da. das MitzeüL 41 sich a.uf

der Drehmomentwelle 36 frei drehen kann, denn .die .Einwegkupplung 43 gibt in dieser Richtung frei*

Dreht sich das Umlaufrad 16, dreht es das Gewicht 31 mit sich. Bei der Drehung des Gewichts übt es abwechselnd eine drehende ungleichgewichtige Kraft aus. Zu einem Zeitpunkt innerhalb der Drehperiode hat diese Kraft eine Tangentialkomponente in der gewünschten Drehrichtung des getriebenen Zahnrades 23 und unterstützt die Drehung des Rades in dieser Richtung» An einem nachfolgenden Zeitpunkt innerhalb der Drehperiode hat die Kraft eine entgegengesetzte Tangentialkomponente, die der Drehung des Rades 23 in der gewünschten Richtung entgegenwirkt. Diese Drehrichtung iet jedoch durch den Eingriff der zuvor freien Kupplung 43 gesperrt, um eine rückwärts gerichtete Bewegung zu verhindern.

Der gleiche Effekt läßt sich kumulativ vom Ungleichgewicht 32 ableiten. Dieses Ungleichgewicht hat eine solche Phasenbeziehung zum Ungleichgewicht 31, daß die Tangentialkomponenten beider Ungleichgewichte sich in einer Richtung addieren. Diese periodischen Tangentialkomponenten übertragen also wiederholt Kraft in aufeinanderfolgenden entgegengesetzten Richtungen auf das getriebene Zahnrad 23· Ist dieses Zahnrad durch die Kupplung für eine Richtung gesperrt, kann das Zahnrad in dieser Richtung unter der beaufschlagten Kraft nicht drehen. Dreht das &!ad 23 sich jedoch frei, nimmt es Drehmoment in der Richtung der freien Drehung auf.

Die Drehmomentübertragung von den sich drehenden Gewichten ist

7 09807/0 23 6 ofuginaunspected

intermittierend und wird von den Federn 51, 53 und in der getriebenen Welle 24 durch die Feder 27 geglättet,, Das Drehmoment der Ausgangswelle 28 ist folglich glatt,,

Die oben "beschriebene Arbeitsweise erfolgt in nur einer Richtung, Ist eine Richtungsumkehr gewünscht, verschiebt der Bedienungsmann das Joch 48, nimmt damit das Ritzel 41 von dem getriebenen Zahnrad 23 ab und rastet dessen Einwegkupplung 43 aus« Sodann stellt er den Eingriff des anderen Ritzels 44 mit dem getriebenen Zahnrad 23 her, aktiviert damit die andere Einwegkupplung, die in der entgegengesetzten Richtung wirkt. Nach erfolgter Umschaltung ist die Drehrichtung der getriebenen Welle 28 derjenigen zuvor entgegengesetzt, aber die Drehwandlungseigenschaften entsprechen den oben beschriebenen; nur die Richtung ist umgekehrte

Da die Anzahl der Impulse in der Drehrichtung der Relativgeschwindigkeit zwischen der treibenden und der getriebenen Welle abhängt, hängt die Drehmomentwandlung von der Relativgeschwindigkeit zwischen den Wellen ab_e Falls nur ein geringes Ausgangsmoment erforderlich ist, erzeugt eine gegebene Eingangsleistung eine verhältnismäßig hohe Ausgangsgeschwindigkeit« Ist ein hohes Ausgangsmoment erforderlich, bewirkt die gleiche Eingangsleistung eine verhältnismäßig niedrige Ausgangsgeschwindigkeit« Dies liegt daran, daß jedes der Gewichts 31 und 32 einen gegebenen Impuls (Kraft mal Weg) bei jeder Umdrehung des Gewichts an den Rahmen 22 abgibt_β Dreht der Rahmen sich schnell, ist die pro Zeiteinheit zurückgelegte Entfernung so groß, daß die zugehörige

709807/0236

Kraft gering ist« Dreht der Rahmen 22 sich langsam, ist die in der Zeiteinheit zurückgelegte Strecke gering und damit die zugehörige Kraft hoche Mit sich ändernder Last an der Ausgangswelle ändert sich auch das an diese Welle abgegebene Drehmoment auf kontinuierliche, glatte und höchst wirkungsvolle Weise.

An einer praktisch ausgeführten Vorrichtung mit den hier gezeigten Proportionen, die im wesentlichen durchweg aus den gleichen Materialien hergestellt wurde, stellte sich heraus, daß es für eine optimale Reaktion des Drehmomentwandlers auf Änderungen der Federngruppe 52, 53 erwünscht ist, daß die Drehmomentwelle 36 und der Radialarm 51 ein Trägheitsmoment von etwa 5 % des Trägheitsmoments des Systems aufweisen, und zwar einschließlich der Elemente 16, 22, 31 und 32 und I3e In der Nähe dieses Verhältnisses ist die Ausgangsdrehgeschwindigkeit fast linear abhängig von der Auslenkung der Federgruppe 52, 53e D.h_e, daß für eine sehr geringes Trägheitsmoment der Drehmomentwelle 36 die Ausgangsdrehgeschwindigkeit mit der Federauslenkung sehr schnell ansteigt,, In der Nähe von 5 % steigt die Geschwindigkeit der Ausgangswelle fast linear an₀ Wird ein im wesentlichen linearer Zusammenhang gewünscht und liegt Trägheitsmoment der Welle 36 unter den angegebenen 5 %_t wie es oft der Fall ist, dann läßt das Trägheitsmoment sich auf das gewünschte Verhältnis einstellen, indem man auf die Welle 36 ein symmetrisches Gewicht 54 aufbringt, wie es gepunktet in Figo 3 dargestellt ist_e

709807/0236

Claims

- 1ο P at entansprüc h e

_t1,) Drehmomentwandler, gekennzeichnet durch ein um eine erste Achse drehbares treibendes Zahnrad, ein um die erste Achse drehbares getriebenes Zahnrad, eine erste, auf dem getriebenen Zahnrad angeordnete erste Umlaufwelle, deren zweite Achse parallel und im radialen Abstand zu der ersten Achse verläuft, ein erstes, um die zweite Achse drehbares Umlaufrad, das mit dem treibenden Zahnrad kämmt, ein erstes Gewicht, das exzentrisch zur zweiten Achse und um diese drehbar gelagert ist, durch Mittel, um das erste Gewicht und das erste Umlaufrad zu gemeinsamer Drehung zu koppeln, durch eine Drehmomentwelle, Mittel, um die Drehmomentwelle begrenzt drehbar zu lagern^ ein erstes Ritzel, das mit dem getriebenen Zahnrad in Eingriff treten kann, sowie eine erste Einwegkupplung, die mit der Drehmomentwelle und dem ersten Ritzel in Verbindung bringbar ist_e

2, Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine treibende Welle und ein erstes Drehmomentdämpfungselement zwischen der treibenden Welle und dem treibenden Zahnrad,,

3, Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine getriebene Welle und ein zweites Drehmomentdämpfungselement zwischen der getriebenen Welle und dem getriebenen Zahnrad.

4«, Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch ein zweites Ritzel, das mit dem getriebenen Zahnrad in Eingriff bringbar ist, und durch eine zweite 'Einwegkupplung, die mit der

709807/0236

Drehmomentwelle und dem zweiten Ritzel in Verbindung gebracht werden kann«

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Einwegkupplung in einander entgegengesetzten Richtungen arbeiten«,

6β Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch Mittel, um das erste und das zweite Ritzel abwechselnd in Eingriff mit dem getriebenen Zahnrad zu bringen_P

7· Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Umlaufwelle, die auf dem getriebenen Zahnrad koaxial mit einer dritten Achse angebracht ist, die parallel und in radialem Abstand zu der ersten Achse verläuft, durch ein zusätzliches Umlaufrad, das um die dritte Achse drehbar und mit dem treibenden Zahnrad in Eingriff bringbar ist, durch ein zusätzliches exzentrisches und um die zusätzliche Achse drehbares Gewicht, und durch Mittel, um das zusätzliche Gewicht und das zusätzliche Umlaufrad zu gemeinsamer Drehung miteinander .zu koppeln,

8«, Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gewicht und das zusätzliche Gewicht zueinander eine vorbestimmte Phasenbeziehung haben.

Gl / Se 709807/0236