DE102011016672A1

DE102011016672A1 - Stufenloses Getriebe

Info

Publication number: DE102011016672A1
Application number: DE102011016672A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-04-09
Filing date: 2011-04-09
Publication date: 2012-10-11

Abstract

Getriebe für rotatorische Bewegung mit stufenlos variierbarem Übersetzungsverhältnis das bei kompakter Bauweise einen großen Übersetzungsbereich aufweist. Realisiert wird dies durch die Kombination eines oder mehrerer Planetenradsätze (8), mit einem stufenlos variierbaren Reibkörpergetriebeteil. Am Getriebeeingang befindet sich eine sogenannte Spreizkupplung (6a), welche das über einen Mitnehmerring (17a) eingeleitete Eingangsdrehmoment in eine Axialkraft umwandelt und damit die nötige Anpresskraft an den Reibkörpern (2) erzeugt. Die Reibkörper sind sternförmig um eine Hauptachse (20) angeordnet und jeweils um eine Drehachse (1) kippbar gelagert. Durch Verkippen der Reibkörper ändert sich das Radienverhältnis relativ zur Drehachse des Reibkörpers und somit das Übersetzungsverhältnis. Die Verkippung der Reibkörper erfolgt durch ein Schneckenrad (10), welches von außen über eine Schalthohlwelle (13) und eine Flügelkupplung (14) angetrieben wird. Von der Spreizkupplung (6b) auf der Getriebeausgangsseite wird das Drehmoment über einen Mitnehmerring (17b) an das Sonnenrad (21) des Planetenradsatzes weitergeleitet und von dort über die feststehenden Planeten (22) an das Hohlrad (23) übersetzt. Das Hohlrad ist verbunden mit dem Getriebegehäuse (24), an welchem das Ausgangsdrehmoment abgenommen werden kann. Der axial verschiebbar und drehfest auf einer Hohlwelle (16) gelagerte Ringträger (9) überträgt das von den Reibkörpern über die Umfangskräfte eingeleitete Drehmoment auf die Hohlwelle, auf welcher sich auch der auf ihr axial verschiebbare und drehfest gelagerte Planetenträger (19) befindet. Anwendbar ist das Getriebe in allen rotatorisch angetriebenen Fahrzeugen, Maschinen und Anlagen. Insbesondere in Fahrrädern, Pedelecs, Kleinkrafträdern und Motorrädern.

Description

Der heutige Stand der Technik kennt diverse, in ihrem Übersetzungsverhältnis stufenlos variierbare Getriebe, welche kraftschlüssig bzw. reibschlüssig arbeiten, auch Reibradgetriebe oder Wälzgetriebe genannt. Die Antriebsleistung wird durch Umfangskräfte übertragen, welche zwischen rotationssymmetrischen Reibkörpern unter einer Anpresskraft in den dabei radial zur Rotationsachse der Reibkörper angeordneten Berührflächen wirken. Die dabei unter der Anpresskraft entstehenden Abplattungen an den Reibkörperberührstellen lassen sich nach Hertz bzw. Stribeck berechnen und sind punkt- bzw. linienförmig. Die realisierten Reibradgetriebebauformen haben gemeinsam, dass sie die stufenlose Veränderung der Übersetzung durch stufenlose Veränderung des Radiuses der Berührflächen relativ zu den Reibkörperrotationsachsen verwirklichen. Die Reibkörper sind dabei im Wesentlichen kegel- bzw. kugelförmig. Die Veränderung des Radiuses wird bei Kugelreibgetrieben meist durch die Verkippung der Kugeldrehachse relativ zu einem An-/Abtriebskörper und bei Kegelreibgetrieben im Wesentlichen durch die Verlagerung der Reibfläche längs der Kegelachse realisiert. Dabei sind abhängig vom Reibbeiwert der Reibpartner und der zu übertragenden Umfangskraft hohe Anpresskräfte notwendig, welche die Reibkörper belasten. Diese werden z. B. durch sogenannte Spreizkupplungen (siehe DE 41 27 030 A1 ) erzeugt.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass, je nach Konstruktion bzw. durch die vom Reibkörpermaterial maximal ertragbare Hertz'sche Pressung, der Übersetzungsbereich des Reibradgetriebes eingeschränkt wird.
Ein Beispiel für die konstruktiv bedingte Einschränkung des Übersetzungsbereiches ist das Getriebe von Fallbrook ( WO 2009/111328 A1 ), bei welchem durch die axiale Lagerung der Reibkugeln der Verkippungswinkel deren Lagerachsen und damit das maximal mögliche Übersetzungsverhältnis des Getriebes geometrisch begrenzt wird.
Bei Kegelreibgetrieben begrenzt die mit der Verringerung des Kegelradiuses quadratisch anwachsende Hertz'sche Pressung einen großen Übersetzungsbereich zumindest bei kleiner Bauform.
Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 dargestellte geometrische Lage der Drehachse (1), um welche der Reibkörper (2) gekippt werden kann, gelöst. In dieser Anordnung ist es möglich, durch Verkippen der Reibkörperrotationsachse (3), das Verhältnis von kleinem Radius (r) an der Antriebsseite (Antriebsseite) zu großem Radius (R) an der Abtriebsseite (Antriebsseite) und damit das Übersetzungsverhältnis theoretisch gegen Unendlich bzw. gegen Null gehen zu lassen (R/r = ∞ bzw. r/R = 0). Dabei verändert sich der für die Berechnung der Hertz'sche Pressung heranzuziehende Radius nicht. Er bleibt wegen der Kugelform des Reibkörpers immer gleich groß. Die theoretisch größtmögliche Über- bzw. Untersetzung des Getriebes wird lediglich durch das in der Reibfläche auftretende und den Wirkungsgrad sowie die maximal ertragbare Hertz'sche Pressung bestimmende Bohrmoment begrenzt.
Durch die in Patentanspruch 1 dargestellte Anordnung wird eine Lagerung des Reibkörpers im Inneren notwendig, welche nach Patentanspruch 2 getrennt axial (4) und radial (5) bezüglich der Reibkörperrotationsachse ausgeführt ist. Hierbei sind die beiden Lagerungsarten mit Kugeln (axial) bzw. Nadeln (radial) nur beispielhaft zu verstehen. Es können je nach Belastungsfall und erforderlicher Drehzahl auch andere Wälzkörperformen zum Einsatz kommen, wie z. B. Rollen oder Tonnen. Die axiale Lagerung dient hierbei im Wesentlichen zum Abstützen der durch die symmetrisch angebrachten Spreizkupplungen (6) eingebrachten Anpresskräfte, welche je nach Kippwinkel der Reibkörperrotationsachse (3) einen resultierenden, relativ zur Reibkörperrotationsachse variablen, radialen und axialen Anteil aufweisen. Die zusätzliche radiale Lagerung dient der Stabilisierung des Reibkörpermantels gegenüber den Anpresskräften der Spreizkupplungen, vermindert eine Verformung desselben und erhöht dadurch den Gesamtwirkungsgrad des Getriebes. Zudem werden durch die radiale Lagerung die auf den Reibköper (2) wirkenden Umfangskräfte aufgenommen.
Der im Patentanspruch 3 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass die am Reibkörper zu übertragende Umfangskraft mit der Übertragungsleistung bei sonst gleichen Bedingungen anwächst. Das Problem wird dadurch gelöst, dass eine variable Anzahl von Reibkörpern rotationssymmetrisch zur Hauptachse (20) des Getriebes angeordnet werden kann und das Getriebe somit im Hinblick auf die Leistungsübertragung skalierbar wird. Das heißt, die zu übertragende Umfangskraft kann auf mehrere Reibkörper verteilt werden.
Der im Patentanspruch 4 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass die maximal ertragbare Hertz'sche Pressung des Reibkörpermaterials, i.d.R. Stahl, begrenzt ist. Das Problem wird dadurch gelöst, dass der der Hertz'schen Pressungsberechnung zugrunde liegende Reibkörperradius variiert werden kann. Die Hertz'sche Pressung verhält sich umgekehrt proportional zu R². Das Getriebe erhält dadurch einen weiteren Freiheitsgrad einer Skalierbarkeit und damit die Möglichkeit zur Anpassung an verschiedenste Drehzahl-/Drehmomenterfordernisse.
Der im Patentanspruch 5 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass die ein Reibradgetriebe maßgeblich bestimmenden Größen die durch die erforderliche Anpresskraft erzeugte Hertz'sche Pressung und das in der Hertz'schen Kontaktfläche auftretende Bohrmoment sind. Da die erforderliche Anpresskraft unter anderem direkt von der zu übertragenden Umfangskraft und damit indirekt vom zu übertragenden An- bzw. Abtriebsdrehmoment abhängt, lässt sich durch einen vor- bzw. nachgeschalteten Planetenradsatz (8) das erforderliche An- bzw. Abtriebsdrehmoment am Reibradgetriebeteil anpassen. Das heißt, ist ein hohes Eingangsdrehmoment zu übertragen, verringert ein ins Schnelle übersetzender vorgeschalteter Planetenradsatz das erforderliche Drehmoment am Reibgetriebeeingang und damit die notwendige Anpresskraft, die Hertz'sche Pressung und das auftretende Bohrmoment. Ein nachgeschalteter ins Langsame übersetzender Planetenradsatz verringert somit das erforderliche Drehmoment am Reibradgetriebeausgang. Damit ist zwar nur ein Teilaspekt der komplexen Reibradgetriebeauslegung beleuchtet, aber ein weiterer Freiheitsgrad für eine kompakte Bauform und einen hohen Wirkungsgrad geschaffen. Zudem bleibt der in Patentanspruch 1 dargestellte große Übersetzungsbereich des Reibradgetriebes erhalten.
Der im Patentanspruch 6 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine einfache, genaue und zueinander gleiche Einstellung der geforderten Übersetzung durch Verkippung jedes einzelnen Reibkörpers zu realisieren. Dieses Problem wird dadurch gelöst, das ein im Ringträger (9) axial unbeweglich gelagertes Schneckenrad (10) durch Drehung alle Reibkörperträger gleichzeitig verkippt. Dies wird durch eine Verzahnung (11) am Fuß des Reibkörperträgers (12) realisiert in welche das Schneckenrad eingreift. Durch diese Anordnung wird eine winkelgenaue Einstellung aller Reibkörper zueinander realisiert, da diese geometrisch über die Teilung des Schneckenrades definiert wird.
Der im Patentanspruch 7 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, das Schneckenrad von außen anzutreiben. Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass eine ins Innere des Getriebes führende Schalthohlwelle (13) eine mit ihr drehfest und axial verschiebbar gelagerte Flügelkupplung (14) rotatorisch antreibt. Diese greift ihrerseits über einen radial angebrachten Flügel (14a) in eine Nut des Schneckenrades (10a) ein, um dort an jeweils einer äußeren balligen Berührfläche des Flügels jeweils an einer Nutflanke des Schneckenrades Umfangskräfte zu übertragen. In axialer Richtung wird die Flügelkupplung durch einen Sicherungsring (15) im Schneckenrad gehalten. Ein durch Fertigungstoleranzen eingebrachtes radiales Spiel zwischen Schneckenrad und Flügelkupplung wird durch ein Gleiten der balligen Anlageflächen des Flügels in den Nutflanken des Schneckenrades ausgeglichen.
Der im Patentanspruch 8 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, das an den Reibkörperberührflächen durch die Umfangskräfte um die Hauptachse wirkende Drehmoment abzustützen. Das Problem wird dadurch gelöst, dass der die Reibkörper (2) tragende Reibkörperträger (12) in einem Spalt des Ringträgers (9) geführt wird und somit über die Flanken des Spaltes das Drehmoment an den Ringträger weitergibt, welcher wiederum auf einer nach außen führenden Hohlwelle (16) drehfest gelagert ist.
Der im Patentanspruch 9 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass die durch die Spreizkupplungen (6) erzeugte Anpresskraft in Hauptachsenrichtung durch Trägheit der Momentenübertragungsprozesse im Inneren des Getriebes sowie durch Verformung der beteiligten Komponenten zu einer axialen Belastung der Reibkörperlagerung führen kann. Das Problem wird dadurch gelöst, dass der die Reibkörper tragende Ringträger axial verschiebbar auf der Hohlwelle gelagert ist und somit die axial am Getriebeeingang (Getriebeausgang) durch die Spreizkupplung belasteten Reibkörper in Richtung der Spreizkupplung am Getriebeausgang (Getriebeeingang) ausweichen können. Das heißt, es kann ein Kraftschluss zwischen beiden Spreizkupplungen stattfinden, welche sich ihrerseits am Getriebegehäuse abstützen.
Der im Patentanspruch 10 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass es bei der vorgestellten Konstruktion wichtig ist, dass alle Reibkörper gleichmäßig belastet werden, da ansonsten durch den vorzeitigen Verschleiß eines überlasteten Reibkörpers das ganze Getriebe ausfallen könnte. Eine ungleichmäßige Belastung könnte unter anderem durch den Achsversatz der Spreizkupplungachse relativ zur Ringträgerachse hervorgerufen werden.
Das Problem wird dadurch gelöst, dass die Spreizkupplung durch einen Mitnehmerring (17) angetrieben wird, welcher nicht fest mit ihr verbunden ist. Die Spreizkupplung greift lediglich durch an ihr radial angebrachte Zylinderstifte (18) in Schlitze (17s) des Mitnehmerrings ein, wodurch sie ein radiales Spiel erhält und sich damit an den Reibkörpern zentrieren kann. Dies sorgt für eine gleichmäßige Belastung aller Reibkörper und damit eine Verringerung der Versagenswahrscheinlichkeit durch Überlastung eines Reibkörpers.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4127030 A1 [0001]
WO 2009/111328 A1 [0003]

Claims

Stufenloses Getriebe für rotatorisch angetriebene Fahrzeuge, Maschinen und Anlagen, insbesondere für Fahrräder, Pedelecs, Kleinkrafträder und Motorräder mit kugelförmigen, die Antriebskraft reibschlüssig, mittels eines Reibradöles übertragenden Reibkörpern, wobei die jeweils auf An- und Abtriebsseite erforderliche Anpresskraft über Spreizkupplungen realisiert wird, welche sich im Getriebegehäuse abstützen und die An-/Abtriebsachse jeweils kollinear auf einer Hauptachse liegen dadurch gekennzeichnet, dass die Reibkörperrotationsachse um eine Drehachse verkippt werden kann, welche tangential zu einem gedachten Umfangszylinder der Hauptachse und senkrecht zu dieser steht.
Stufenloses Getriebe nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass jeder Reibköper im Inneren axial und radial gelagert ist.
Stufenloses Getriebe nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass auch mehrere Reibkörper rotationssymmetrisch zur Hauptachse angeordnet sein können.
Stufenloses Getriebe nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Reibkörperradius variiert werden kann.
Stufenloses Getriebe nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Planetenradsatz vor und/oder nach dem Reibkörpergetriebeteil angeordnet ist.
Stufenloses Getriebe nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelverstellung der Reibkörperrotationsachse durch ein im Ringträger gelagertes Schneckenrad erfolgt.
Stufenloses Getriebe nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb des Schneckenrades durch eine auf einer Schalthohlwelle drehfest gelagerten und axial verschiebbaren Flügelkupplung erfolgt.
Stufenloses Getriebe nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das bei Belastung auftretende, aus den Umfangskräften resultierende Stützmoment an den Reibkörpern durch den in einen Spalt im Ringträger geführten Reibkörperträger übertragen wird.
Stufenloses Getriebe nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Ringträger und der Planetenträger drehfest und axial verschiebbar auf einer Hohlwelle gelagert sind, wobei die Hohlwelle nach außen führt, um dort an ihr das Stützmoment abfangen zu können.
Stufenloses Getriebe nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Mitnehmerring an seinem Umfang Schlitze aufweist, in welche radial an der Spreizkupplung angebrachte Zylinderstifte eingreifen.