DE3723635A1 - Getriebe zur stufenlosen veraenderung der uebersetzung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Getriebe zur stufen­ losen Veränderung der Übersetzung mit zwei Ge­ trieberädern, die miteinander in Verbindung ste­ hen.

Mechanische Getriebe sind allgemein bekannt und sie stellen letzten Endes die Grundbausteine jeder Maschine dar. Ein Spezialfall der mecha­ nischen Getriebe sind Rädergetriebe, bei wel­ chen die Drehbewegungen von einer Welle auf andere übertragen werden, meist unter Verände­ rung der Übersetzung, d.h. der Drehzahl sowie des Drehmomentes. Zu unterscheiden sind Getrie­ be, bei denen Zahnräder als Getrieberäder ein­ gesetzt werden und die Übertragung der Momente durch kämmenden Eingriff zustandekommt, von den Reibgetrieben, bei denen die Getrieberäder an der Berührungsstelle so stark aufeinander­ gepreßt sind, daß die sich hierbei ausbildende Reibung den Kraftschluß bewirkt. Bei Räderge­ trieben wird durch die jeweiligen Durchmesser die Drehzahl der beiden Getriebe sowie das auf die jeweilige Welle ausgeübte Moment bestimmt. Das Verhältnis der Drehzahl der Antriebswelle zu jener der Abtriebswelle wird als Übersetzung bezeichnet und ist aufgrund der Dimensionierung endgültig festgelegt.

Bei den bekannten, selbsttätig arbeitenden auto­ matischen Getrieben erfolgt in Abhängigkeit von Geschwindigkeit und der jeweiligen Belastung ein Umschalten der einzelnen Gänge untereinan­ der. Eine kontinuierliche Veränderung des Über­ setzungsverhältnisses ist nicht möglich. Eine kontinuierliche Veränderung und Übertragung des Drehmomentes ist nur mit Hilfe von nach hydro­ dynamischen Gesetzmäßigkeiten arbeitenden Strö­ mungswandlern bekannt.

Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Schaffung eines auf rein mechanischer Basis ar­ beitenden Getriebes zur Aufgabe gemacht, welches eine stufenlose Veränderung der Übersetzung und damit auch des Drehmomentes möglich macht.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß da­ durch, daß mindestens eines der Getrieberäder axial und mindestens eines radial verschiebbar gelagert ist und daß der äußere Rand jedes Ge­ trieberades stufenförmig ausgebildet ist und die Stufen spiralförmig verlaufen, wobei die Stei­ gung und die Breite und Höhe der Stufe über die gesamte Länge gleich ist und beide Getrieberäder einander entgegengesetzt orientiert sind und eines der Getrieberäder um das andere Getriebe­ rad bewegbar befestigt ist.

Im Rahmen der Erfindung ist grundsätzlich uner­ heblich, ob eines der Getrieberäder sowohl axial als auch radial verschiebbar, das andere Getrie­ berad hingegen raumfest gelagert ist, oder ob das eine Getrieberad einzig und allein axial und das andere allein in radialer Richtung bewegbar gelagert ist. Entscheidendes Ziel ist, daß sich während des Betriebes die beiden Getrieberäder sowohl im Hinblick auf ihren Abstand als auch pa­ rallel relativ gegeneinander verschieben können.

Der tiefere Grund für diese Forderung besteht in der Tatsache, daß der äußere Rand jedes Getriebe­ rades stufenförmig ausgebildet ist und sich bei unterschiedlichen Belastungen und Verschieben der Drehzahl die Stufe ändert, in die der Eingriff und folglich auch die Kraftübertragung zwischen beiden Getrieberädern erfolgt. Die Stufen laufen im Bezug auf die Drehachse als Mittelpunkt spiral­ förmig, wobei Breite und Höhe der Stufe über die gesamte Länge gleich ist. Damit meint "Breite" den Verlauf der Stufe in radialer und der Begriff "Höhe" den Verlauf in axialer Richtung. Des wei­ teren ist die Steigung der Spirale bei beiden Ge­ trieberädern gleich. lm Ergebnis werden deshalb zwei Getrieberäder verwendet, die im Hinblick auf ihre äußere Berandung aufbaugleich sind, mit dem einzigen möglichen Unterschied, daß die gesamte Länge des Getrieberades gemessen in Achsenrich­ tung unterschiedlich gewählt sein kann. Sinnvol­ lerweise wird die Ausdehnung jedes Getrieberades in axialer Richtung mindestens so groß gewählt, daß die Spirale bei der entsprechenden Steigung zumindest einmal vollständig umläuft.

Aus der Forderung der gleichen Breite der Stufe über die gesamte Länge folgt aus geometrischen Überlegungen das in axialer Draufsicht eine ar­ chimedische Spirale auszuformen ist.

Die beiden Getrieberäder werden einander entgegen­ gesetzt orientiert, mit parallel zueinander ver­ laufenden Achsen befestigt, d.h. daß das jeweils sich verjüngende Ende eines Getrieberades an ge­ genüberliegenden Stirnflächen des Getriebes in seiner Gesamtheit zu liegen kommt. Dabei ist grundsätzlich unerheblich, welches Getrieberad mit der An- und welches mit der Abtriebswelle zu­ sammenarbeitet bzw. darauf montiert ist.

Die Arbeitsweise ist wie folgt:

Die Getrieberäder sind auf parallel zueinander verlaufenden Wellen befestigt und arbeiten rand­ seitig, sei es durch Eingriff von Zahnrädern oder durch Reibungsschluß zusammen. Dadurch wird über das angetriebene Getrieberad auch das auf der Ab­ triebswelle sitzende Getrieberad mitgeführt und es findet eine entsprechende Kraftübertragung statt. Das Übersetzungsverhältnis, d.h. das Verhältnis der Drehzahlen beider Getrieberäder sowie die Größe des weitergegebenen Momentes hängen ab von demjenigen Radius der beiden Getrieberäder, die im Augenblick der entsprechenden Kraftübertragung gerade in Wirkverbindung miteinander stehen. Dies ist der effektive Radius, der die Übersetzung im Hinblick auf Drehzahl und Drehmoment bestimmt. Wenn nun unter Beibehaltung der Kraftübertragung zwischen den Getrieberädern durch Verschieben in axialer und radialer Richtung der Berührungspunkt verschoben wird, ändert sich gleichzeitig der ef­ fektive Radius und demzufolge die übertragene Drehzahl und das Drehmoment. Hierbei muß sich das eine Getrieberad als ganzes bogenförmig nach Art eines Planeten um einen bestimmten Winkel um die Achse des anderen Getrieberades bewegen. Der zu­ rückzulegende Weg ist umso länger, je stärker sich das Übersetzungsverhältnis ändert. Unter Beibehal­ tung kontinuierlicher Kraftübertragung läßt sich jedes beliebige Übersetzungsverhältnis bezüglich Drehzahl und Drehmoment realisieren. Durch die Tatsache, daß die Spirale wenigstens einmal die Drehachse vollständig umschließt, wird bewirkt, daß während der Rotation der beiden Getrieberäder spä­ testens mit Erreichen des unteren Punktes der Spi­ rale die darüberliegende Stufe bereits wieder in Eingriff steht, so daß ein kontinuierlicher Bewe­ gungsablauf gewährleistet ist.

Die mit der Erfindung erreichbaren Vorteile sind vielfältig:

Durch die relative Verschiebung der beiden Getrie­ beräder sowohl in axialer als auch radialer Rich­ tung gegeneinander unter gleichzeitigem Beibehal­ ten des Eingriffes lassen sich beliebige, in Ein­ griff stehende und die Kraftübertragung bewirkende effektive Radien erzeugen und auf diese Weise eine stufenlose Verstellung des Übersetzungsverhält­ nisses und folglich auch des übertragenen Drehmo­ mentes realisieren. Darüber hinaus ergibt sich völlig selbständig und automatisch die Einstellung des exakt notwendigen Drehmoments. Aufgrund der Einwirkung einer Rückstellkraft und bei entspre­ chendem Drehsinn hat das eine Getrieberad das Be­ streben, die Spirale des anderen Getrieberades in Richtung auf die größeren Radien hin hochzulau­ fen, was eine Vergrößerung des erzeugten Drehmo­ mentes in vorteilhafter Weise zur Folge hat. Die­ ser Vorgang läßt sich besonders gut anhand des Startvorganges nachvollziehen. Erst dann wenn das an der Abtriebswelle erzeugte Drehmoment hinrei­ chend groß ist, setzt es sich in Bewegung und der Übergangspunkt des Kraftflusses zwischen beiden Getrieberädern verändert sich zu kleineren Radien hin, mit der Folge, daß kleinere Drehmomente je­ doch höhere Drehzahlen erzeugt werden. Weiter ist als erheblicher Vorteil die Einfachheit der Kon­ struktion und die Möglichkeit der preiswerten Herstellung anzusehen. Gegenüber den bekannten hydrodynamischen Wandlern ist weiter als Vorzug anzusehen, daß bei Verwendung gezahnter Getriebe­ räder keinerlei Schlupf auftreten kann.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorge­ sehen, zwei der soeben beschriebenen Getriebe hin­ tereinander derart anzuordnen, daß die Abtriebs­ welle des ersten Getriebes gleichzeitig die An­ triebswelle des zweiten ist.

Durch Hintereinanderschalten zweier Getriebe läßt sich eine Verstärkung der Übersetzung, d.h. von Drehzahl und Drehmoment erreichen und An- und Ab­ triebswelle des gesamten Systems besitzen den gleichen Drehsinn. Durch die Tatsache, daß die Ab­ triebswelle des ersten Getriebes gleichzeitig die Antriebswelle des zweiten Getriebes ist, bedeutet eine axiale und/oder radiale Verschiebung des zweiten Getrieberades des ersten Getriebes eine synchrone Bewegung des ersten Getrieberades vom zweiten Getriebe.

Schließlich ist erforderlich, trotz axialer und/ oder radialer Verschiebung eines Getrieberades die Kraftübertragung und den Kraftfluß beizubehalten. Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, die Welle bzw. deren Halterung als Teleskop oder Schiebegestänge auszubilden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen sich dem nachfolgenden Beschrei­ bungsteil entnehmen, in dem anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Getriebeanordnung in Seitenansicht,

Fig. 2 eine aus zwei hintereinandergeschalteten Getrieben gemäß Fig. 1 bestehende Anord­ nung.

In Fig. 1 ist in schematischer Seitenansicht ein erfindungsgemäßes Getriebe wiedergegeben, welches aus zwei Getrieberädern 1, 2 besteht, die ineinan­ der greifen und auf entsprechenden Wellen 3, 4 gelagert sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das rechte Getrieberad 2 auf einer als Tele­ skop ausgebildeten Welle 4 angeordnet, so daß eine Verschiebung dieses Getrieberades 2 in axialer Richtung möglich ist. Gleichzeitig ist diese Wel­ le 4 an beiden Enden in Halteschienen 5 befestigt, die eine Verschiebung in radialer Richtung zulas­ sen. Dabei wird über hier nicht gezeigte Rück­ stellkräfte das Getrieberad 2 permanent gegen Getrieberad 1 gepreßt. Die Kraftübertragung auf die Welle 4 erfolgt ausgehend von der Antriebs­ welle 6 über ein die radiale Verschiebung des Getrieberades 2 ermöglichendes Teleskop 7 und entsprechenden Gelenken 8.

Die durch die Antriebswelle 6 erzeugte Rotation des Getrieberades 2 wird unmittelbar und unter entsprechender Übersetzung von Drehzahl und Dreh­ moment an das Getrieberad 1 weitergegeben, wel­ ches im gezeigten Ausführungsbeispiel seinerseits auf einer Welle 3, die gleichzeitig die Abtriebs­ welle darstellt, drehfest gelagert ist. lm vor­ liegenden Fall vollführt also allein Getrieberad 2 sowohl die axiale als auch radiale Lageverän­ derung relativ zu Getrieberad 1.

Der Kraftfluß durch die gesamte Getriebeanordnung erfolgt eingangsseitig über die Antriebswelle 6, wird über Gelenk 8 auf Teleskopstange 7 und von dort über ein weiteres Gelenk 8 auf die Welle 4 weitergegeben. Auf dieser Welle ist, axial ver­ schieblich das Getrieberad 2 befestigt, das sei­ nerseits mit dem Getrieberad 1 zusammenarbeitet und die Kraft dorthin weiterleitet und an die dem Abtrieb dienende Welle 3 weitergibt.

Beide Getrieberäder 1, 2 sind in ihrer äußeren Be­ randung spiralförmig ausgebildet, bei gleicher Höhe und Breite über die gesamte Länge der Spriale als auch gleichem Steigungswinkel. Die äußere Form beider Getrieberäder 1, 2 ist damit, abgesehen von der Ausdehnung in axialer Richtung völlig iden­ tisch.

Während der Rotation des Getrieberades 2 steht im gezeigten Ausführungsbeispiel die Seitenfläche 9 der beiden Stufen 10 in Wirkverbindung mit ent­ sprechenden Stufen des Getrieberades 1. Aufgrund der entgegengesetzten Orientierung der beiden Ge­ trieberäder 1, 2 bleibt während der Rotation von Getrieberad 2 stets die Anlage der Seitenfläche 9 gewahrt. Durch die spiralförmige Anordnung der einzelnen Stufen 10 erfolgt allerdings eine Art Abwicklung, d.h. die Kontaktfläche wandert je nach Drehsinn nach oben oder nach unten, jedoch ist sichergestellt, daß mit Erreichen des End­ punktes der Abwicklung bereits die nächste, be­ nachbarte Stufe 10 zur Anlage kommt, so daß eine kontinuierliche Kraftübertragung gewährleistet ist. In Abhängigkeit vom gewünschten Übersetzungs­ verhältnis und/oder von den an der Abtriebswelle 3 benötigten Drehmomenten verschiebt sich die Seiten­ fläche 9 und damit der Eingriffs- und Berührungs­ punkt zu anderen Stufen, so daß sich ein anderer effektiver Radius für die Kraftübertragung und folglich ein anderes Übersetzungs-, Drehzahl- und Drehmomentenverhältnis ergibt. Diese Änderung der Übersetzung ist entweder von außen definiert durch Verschiebung des Getrieberades 2 in axialer und radialer Richtung oder stellt sich selbsttätig auf den gewünschten Wert des Drehmomentes ein (automatisches Getriebe).

Die Halteschiene 5 ist über eine Spirale auf der Welle 3 bzw. 6 befestigt, so daß bei Bewegung des Getrieberades 2 um das Getrieberad 1 während der Änderung des Übersetzungsverhältnisses gleich­ zeitig die axiale Verschiebung erfolgt.

In Fig. 2 ist ebenfalls in schematischer Sei­ tenansicht eine Getriebeanordnung wiedergegeben, die aus zwei der in Fig. 1 dargestellten und be­ schriebenen Getrieben 11, 12 besteht. Zur Vermei­ dung von Wiederholungen wird bezüglich der Ein­ zelheiten auf die Beschreibung zu Fig. 1 verwie­ sen.

Der entscheidende Unterschied besteht darin, daß die Abtriebswelle der im Hinblick auf den Kraft­ fluß ersten Getriebeanordnung 11 gleichzeitig die Antriebswelle der zweiten Getriebeanordnung 12 ist und mit der Bezugsziffer 13 versehen wurde. Hier sind starr sowohl das zweite Getrieberad 2 des ersten Getriebes 11 als auch das erste Getriebe­ rad 14 des zweiten Getriebes 12 starr befestigt. Diese Welle 13 ist ebenfalls endseitig in Halte­ schienen 15 geführt, die ein Bewegen in radialer Richtung erlaubt und einen entsprechenden Anpreß­ druck an den gegenarbeitenden Getrieberädern 1 bzw. 15 ausübt. Die axiale Verschiebung erfolgt so, daß der Relativabstand zwischen den beiden Ge­ trieberädern 2, 14 konstant bleibt und lediglich eine Verschiebung relativ zu beiden Halteschienen 5 vonstatten geht.

Der Kraftfluß ist dann wiefolgt:

Über die Antriebswelle 6 wird das Getrieberad 1 in Bewegung gesetzt, welches seinerseits mit dem Ge­ trieberad 2 in Wirkverbindung steht. Hierdurch wird die Welle 13, die gleichzeitig die Abtriebs­ welle des Getriebes 11 als auch die Antriebswelle des Getriebes 12 darstellt, in Rotation versetzt. Durch Befestigung auf der Welle 13 von Getriebe­ rad 2 als auch Getrieberad 14 erfolgt eine Kraft­ übertragung die entsprechend übersetzt und an Ge­ trieberad 15 des zweiten Getriebes und an die dem Abtrieb der gesamten Vorrichtung dienenden Welle 3 weitergibt. Eine Verbindung zwischen Antriebs­ welle 6 und dieser Welle 3 besteht nicht. Das Übersetzungsverhältnis der beiden Getriebe 11, 12 wird durch starre Anbringung auf der Welle syn­ chron verändert, so daß eine Vergrößerung des Spektrums der möglichen Übersetzungsverhältnisse innerhalb der gesamten Getriebeanordnung erreich­ bar wird. Gleichzeitig ist von Vorteil, daß der Drehsinn von Antriebswelle 6 und die dem Abtrieb dienende Welle 3 gleich ist, also beibehalten wird. Zweck der Halteschiene 5 ist einzig die Auf­ nahme der Welle 13 und zwar so, daß sie sich als ganzes in axiale Richtung verschieben läßt und gleichzeitig in radialer Richtung der Getrieberä­ der 2, 14 eine Verstellung innerhalb der Halte­ schiene 5 entgegen einer Rückstellkraft möglich ist. Eine Verstellung in radialer und axialer Richtung ist dann ohne weiteres möglich.

Im Ergebnis erhält man Getriebeanordnungen, die be­ liebige Übersetzungen (Drehzahlen, Drehmomenten) bei u.U. völlig selbständiger Einstellung auf rein mechanischem Wege möglich macht.

Claims (3)

1. Getriebe zur stufenlosen Veränderung der Übersetzung mit zwei Getrieberädern, die mitein­ ander in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Getrieberäder 1, 2 axial und mindestens eines radial verschiebbar gelagert ist und daß der äußere Rand jedes Getrieberades 1, 2 stufen­ förmig ausgebildet ist und die Stufen 10 spiral­ förmig verlaufen, wobei die Steigung und die Breite und Höhe der Stufe 10 über die gesamte Länge gleich ist und beide Getrieberäder 1, 2 einander entgegengesetzt orientiert sind und ei­ nes der Getrieberäder 1, 2 um das andere Getrie­ berad 2, 1 bewegbar befestigt ist.

2. Getriebe nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch zwei hintereinan­ der angeordnete Getriebe 11, 12, wobei Abtriebs­ welle 13 des ersten Getriebes 11 die Antriebs­ welle des zweiten Getriebes 12 ist.

3. Getriebe nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die axiale und/oder radiale Verschiebung über ein Teleskop oder Schiebegestänge erfolgt.