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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine universal einsetzbare, stufenlos
verstellbare Kraftübertragung
zur Verwendung als Primärübertragung
an Krafterzeugern aller Art.
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Sie
erlaubt eine Drehmoment- und Drehzahl- (Geschwindigkeits-) Anpassung
bis zu 0% ohne Unterbrechung des Kraftschlusses (Kupplung).
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Herkömmliche
Kraftübertragungen
und stufenlose Getriebe arbeiten meist mit unterschiedlich großen Zahnrädern und
verbundenen Antriebswellen, die mit Riemen oder Ketten verbunden
sind, deren Übersetzung
durch Veränderung
oder Umlegen der Antriebsräder
oder Antriebsverbindungen erfolgt.
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Dieser
Vorgang erfolgt meist über
einen Kupplungsmechanismus, der den Kraftschluss bei Gangwechsel
oder Anlauf trennt bzw. überträgt. Bei Automatikgetrieben
oder Übertragungen
mit großen Drehmomenten
werden oft Drehmomentwandler eingesetzt.
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Solche
Kupplungs- und Wandlermechanismen haben zur Folge, dass ein beträchtlicher
Teil der Antriebsenergie durch Reibung und Wärme ungenutzt verbraucht wird.
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Ein
weiterer Nachteil ist der Verschleiß der Kupplungselemente.
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In
Kraftfahrzeugen bringen solche Kraftübertragungselemente auch hohe
Gewichte und drehende Massen mit sich, wodurch hoher Kraftstoff-
oder Energieaufwand resultiert.
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Der
Wirkungsgrad solcher Kraftübertragungen
ist meist schlecht, viel Antriebsenergie geht in solchen Mechanismen
verloren.
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Problemstellung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer
stufenlosen Drehmoment- und Drehzahlveränderung einer Kraftübertragung
bis zum Nullpunkt, ohne die Verbindung der antreibenden Wellen trennen
zu müssen.
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Die
benötigten
Energien zum Anfahren und Übertragen
an die angetriebenen Wellen soll möglichst gering und variabel
mit der Drehzahl des Krafterzeugers sein. Hierbei soll möglichst
wenig Verschleiß an
den übertragenden
Elementen auftreten. Der Wirkungsgrad soll möglichst hoch sein. Die Drehrichtung
am Krafterzeuger kann hierbei variieren.
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Lösung
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Zur
Lösung
oben erwähnter
Aufgaben wird gemäß Anspruch
1 der vorliegenden Erfindung ein Kraftübertragungssystem gebildet,
welches die Antriebskraft eines Krafterzeugers (Brennkraftmaschine,
Elektro-Hydraulikmotor o.ä.) über eine Schwungscheibe
mit einem verstellbaren Achsmechanismus überträgt.
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Dieser
Antriebszapfen bewegt in der Kreisbewegung vier oder mehr Hebel
mit Langlochausbildung, die die Kraft an gelagerte Wellen mit Freilaufnaben
an den Sekundärantrieb übertragen.
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Durch
die Kreisbewegung des Zapfens auf der Schwungscheibe entsteht ein
sinusförmiges Drehmoment,
dass die vier Übertragungshebel
in einer Pendel-Bewegung
an die Freilaufachsen übertragen.
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Die
Anordnung der Hebel ermöglicht
ein kontinuierliches Drehmoment, da sich die Übertragungswege sinuswellenförmig überschneiden,
wodurch ein „Mitnehmereffekt" der einzelnen Hebel
entsteht.
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Es
gibt keinen „Totpunkt" der bei Pleuel-
oder Schubstangenübertragungen
auftritt. Bewegen sich die Antriebshebel in der Kreisbewegung zurück wirken
die Freilaufnaben und erzeugen eine erzwungene Drehrichtung.
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Die
vier (oder mehr) Antriebswellen werden je nach gewünschter
Primärübersetzung über Ketten-/Riementrieb
oder bei höherer
Drehzahl als Zahnräder
in Planetenanordnung zusammengeschaltet.
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Über diesen
Sekundärtrieb
kann die Kraft abgenommen werden.
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Der
Vorteil dieser Konstruktion, besteht darin, dass der Antriebszapfen
durch Verstellung (mechanisch, hydraulisch oder elektrisch) bis
zum Nullpunkt bewegt werden kann. Der Krafterzeuger kann mit seiner
Nenn- oder Mindestdrehzahl weiterdrehen, da keine formschlüssige Verbindung
zum Antriebsmechanismus besteht.
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Beispiele
zur Anwendung
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Die
vorliegende Erfindung kann z.B. verwendet werden für:
- – elektromotorisch
angetriebene Medientransporter wie Lüfter, Pumpen, Förderbänder usw.
Der Anlaufstrom kann wirkungsvoll verringert werden indem erst mit
geringer Drehzahlübersetzung
angefahren wird. (Sanftanlauf) Als Ersatz für Frequenzumformer mit geringem
Installationsaufwand.
- – Kraftfahrzeuge
aller Art als Primärantrieb
ohne Kupplung. Ideal bei Hybridfahrzeugen, geringes Gewicht, kompakt
und geringer Energieaufwand; Fahrgeschwindigkeit regelbar über Drehmoment- und
Drehzahlsensoren an den Antriebsrädern.
- – Baumaschinen-
und Fahrzeuge mit Verbrennungs- oder Hydraulikmotoren die hohe Drehmomente über ein
geringes Drehzahlband übertragen.
Wandler- und Wärmeverluste
bei hoher Belastung können
minimiert werden.
usw.
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Ein
Beispiel, wie die vorliegende Erfindung ausgeführt werden kann, wird nachfolgend
beschrieben.
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Die
Zeichnungen sind gemäß den Positionszahlen
zu betrachten.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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1 ist
die Draufsicht in das Gehäuse
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
der Schnitt A-B durch das Gehäuse mit
der Ansicht auf den Hebel- und Schwungradmechanismus;
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3 ist
eine Draufsicht analog 1 mit der Darstellung einer hydraulischen
Verstellung;
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4 ist
die Außenansicht
auf den Sekundärantrieb
mit den Freilauf-Achsen
und Kraftabnehmer;
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5 zeigt
die Erfindung bei Nullstellung; Drehzahl n = 0;
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6 zeigt
die Hebelstellung bei Drehzahl n = max.;
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7 ist
ein Bewegungsprofil eines Hebels bei n = max.;
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8 ist
ein Abwicklungsdiagramm der Drehmomentkurven bei n max.;
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9 ist
ein Abwicklungsdiagramm der Drehmomentkurven bei n 25%;
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10 zeigt
die Polygonanordnung der Hebel bei 6 Wellen
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11 zeigt
die mögliche
Anordnung von Zahnrädern
in Planetenanordnung für
hohe Drehzahlen an der angetriebenen Welle.
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Zunächst zur 1.
Das Gehäuse 16 nimmt im
Achsmittelpunkt die Antriebwelle 6 eines Krafterzeugers 13 auf.
Die Welle 6 ist drehbar ins Gehäuseinnere geführt wo auf
einer Aufnahme 8 die Schwungscheibe 7 fest verbunden
ist. Die Schwungscheibe dreht mit der gleichen Drehzahl der Antriebswelle,
wobei die Drehrichtung irrelevant ist. In die Schwungscheibe 7 ist
ein Schiebemechanismus 9 integriert auf der ein Antriebszapfen 10 befestigt
ist. In 2 ist die Schwungscheibe 7 in der Ansicht
zu sehen. Sie verfügt über eine
Nut (Aussparung) 20 welche den Schiebe- und Verstellmechanismus 9 aufnimmt.
Eine Schneckengetriebewelle (Gewinde) 12 bewegt den Schiebemechanismus 9 mit dem
Antriebszapfen 10 mechanisch sobald der Aufnehmer 19 durch
die mechanische Verstellung 17 (+/–) gedrückt wird.
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Diese
mechanische Verstellung 17 besteht aus zwei Blechplatten 18a, 18b die
parallel zur Antriebsachse 6 axial über Stifte 17 die
durch das Gehäuse 16 geführt sind,
bewegt werden kann. Ein Federmechanismus außen am Gehäuse (nicht dargestellt) hält diese
Vorrichtung in der gezeichneten Ruhestellung.
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Bei
Betätigung
dieses Mechanismus fährt der
Schieber 9 mit dem Antriebszapfen 10 Bis zum Anschlag
in max.-Position oder bis Nullpunkt der genau dem Achsmittel-Punkt der Schwungscheibe 7 bzw.
der Antriebswelle 6 entspricht.
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Um
die Schwungscheibe 7 sind in ringförmig versetzter Anordnung vier
Antriebswellen 5a, 5b, 5c, 5d über Kugellager 14 mit
dem Gehäuse 16 verbunden.
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Auf
diesen Wellen sind je ein Übertragungshebel 1, 2, 3, 4 in
Form eines Bleches mit Langloch fest verbunden, in dem sich der
Antriebszapfen 10 bewegen kann.
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5 zeigt
die Anordnung der Hebel bei Stellung im Nullpunkt; es ergibt sich
eine Öffnung
im Mittelpunkt der Schwungscheibe 7 in der sich der Antriebszapfen 10 frei
dreht.
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Die Übertragungshebel 1, 2, 3, 4 sind
nacheinander so mit den Antriebswellen 5a, 5b, 5c, 5d verbunden,
so dass immer ein Hebel maximales Drehmoment, der gegenüberliegende
null und die benachbarten Hebel halbes Drehmoment übertragen.
Bei Drehung der Schwungscheibe 7 mit Stellung der Zapfens 10 größer Null
einsteht eine sinusförmige
Wellenbewegung an den Hebeln.
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Ein
einzelner Hebel beschreibt eine Pendelbewegung, die in 7 zu
sehen ist. Man sieht, dass der Hebel bis zu einer halben Umdrehung
arbeitet, eine Vierteldrehung mitgenommen wird, und eine Vierteldrehung
braucht um zurückzupendeln.
Diese Rückwärtsbewegung
würde eine Änderung
des Drehsinns an den Wellen 5 bedeuten. Sie wird durch Freilaufnaben 15 an
den Wellenenden kompensiert.
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Es
entsteht eine kontinuierliche Drehbewegung wenn die vier Wellenenden
mit den Freiläufen 15 mit
einer Kette 21 oder einem Riemen verbunden werden.
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4 zeigt
die Ansicht auf die Abtriebseite der Erfindung, das Gehäuse 16,
die Wellenenden mit den Freiläufen 15,
die über
eine Kette 21 miteinander verbunden sind. Die Abnahme der
Kraft erfolgt über eine
verbundene Abtriebswelle 22.
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6 zeigt
die Stellung der Übertragungshebel 5a, 5b, 5c, 5d bei
maximaler Außenposition des
Zapfens 10 gleichbedeutend maximaler Drehzahl n.
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Die
Drehmomentkurven sind aus den 8 (n max)
und 9 (n 25%) ersichtlich.
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Modifikationen
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3 zeigt
die Möglichkeit
wie die Erfindung mit einem hydraulischen Antrieb 24 zur
Verstellung des Schiebers 9 mit dem Antriebszapfen 10 ausgeführt werden
kann. Die Hydraulikleitungen 25 und 26 werden
durch das Gehäuse 16 geführt und
an die Wellenaufnahme 22 angeschlossen.
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Die
Aufnahme 22 verfügt über Nutöffnungen, in
denen die Hydraulikflüssigkeit
mit der Drehbewegung der Antriebswelle 6 übertragen
werden kann.
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Die
Abdichtung zur Welle erfolgt über
geeignete Ringe.
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Von
der Aufnahme 22 gelangt über Bohrungen und Leitungen
die Hydraulikflüssigkeit
zum Antriebszylinder 24, der den Vertellschieber 9 von
0 bis max.-Position bewegen kann.
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Diese
Ausführung
ist interessant bei Baumaschinen und Fahrzeugen, wo schnell eine
Kraftunterbrechung < 1
sec erfolgen muss (analog einer Kupplungsbetätigung).
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Zusätzlich wäre eine
Anordnung mit elektrischer Verstellung denkbar, mit geeigneten Kontakten und
Stellmotoren.
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10 zeigt
eine mögliche
Anordnung mit 6 Hebeln und Wellen, wenn hohe Drehmomente übertragen
werden müssen.
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Denkbar
währen
mehr Wellen, je mehr desto gleichmäßigerer und ruhiger wird die
Sinusbewegung.
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11 zeigt
die mögliche
Anordnung der Abtriebsseite als Zahnräder in Planetenanordnung, wobei
die Planetenräder
größer dimensioniert,
das Sonnenrad kleiner und somit höhere Übersetzungsverhältnisse
ermöglicht.
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Ein
Einsatz der Erfindung als nachgeschaltetes Getriebe zum Sanftanlauf
bei Elektromotoren und Kompressoren, das bei Nenndrehzahl wieder
vom Krafterzeuger getrennt wird wäre denkbar.