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Reibgetriebe mit stufenlos veränderbarer Übersetzung Reibgetriebe
stufenlos veränderbarer Übersetzung mit flachkegelige n Reibscheiben und Randscbeiben
gleicher Neigung, die kammartig ineina.nd!ergredfen und unter axialem Druck stehen,
sind, wie im, übrigen Reibgetriebe überhaupt, bisher in üblicher Weise geschmiert
worden, um den Trockenlauf metallischer Teile mit den dadurch entstehenden bekannten
Nachteilen., wie, schnellem Verschleiß, Metallabrieb, Entstehung vorn Reibungswärme
und dadurch unzulässig hohen Getriebetemperaturen, Ge@räuschentfaltung usw., zu
vermeiden. Schmiertechnisch gesehen kommt es dadurch zur Ausbildung eines Schmierungszustandes,
der im allgemeinen zwischen der trockenen Reibung und der sogen:annten Grenzschmierung
liegt. In einigen. Fällen mag es auch bereits zur Ausbildung eines zwischen, der
Grenzschmierung und der flüssigen Reibung liegenden Schmierungszustandes des Getriebes
gekommen sein. Erstrebt wurde das ebensowen.ig wie die Verwirklichung der flüssigen
Reibung; weil jede fachmännische Überlegung zunächst zu. dar Feststellung führen
muß, daß eine zwischen den Berührungsstellen liegende Flüssigkeitsschicht insbesondere
dann, wenn sie aus Schmiermitteln besteht, nicht in der Lage ist, die Kräfte s,chlupflo,s
zu übertragen. Es liegen-, prinzipiell andere Verhältnisse vor als bei Lagern, bei
denen man die flüssige Reibung zu verwirklichen sucht, indem man das Schmiermittel
in. keilförmigen Einlaufräumen unter Druck setzt und damit zu. der Schmiermittelfilmbildung
kommt, die die günstigsten Gleitverhältnissc zu erreichen ermöglicht.
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Vorliegende, Erfindung beruht auf der Erkenntnis, da.ß ein wissenschaftlich
erforschter Zusammenhang zwischen dem Druck, unter dem eine Schmiermittelschicht
besteht, und der Zähigkeit des Schmiermittels vorhanden ist. Es handelt. sich um
die exponentielle Abhängigkeit der Viskositätszunahmie vorn spezifischen Druck.
Bei Flüssigkeitsreibung gilt für zwei Flächen. von der Größe F, die sich im. Abstand
h parallel zu sich selbst mit der Relativgeschwindigkeit v bewegen und zwischen
denen sich eine Flüssigkeit von, der Zähigkeit 17 befindet, für die, Verschiebungskraft
P die Beziehung
Das bedeutet also, daß, wenn die Zähigkeit genügend groß und die Flüssigkeitsfilmdicke
genügend klein gemacht werden kann, unabhängig von der Größe der Kontaktfläche F
jede gewünschte Kraft übertragen werden kann, wenn sich zwischen: den die Kräfte
ab,-gehenden bzw. aufnehmenden Flächen ein Flüssigkeitsfilm befindet. Nun, gilt
für die hier in Betracht kommende Berührung eines flachkegeligen Reibkörpers mit
einem Gegenreibkörper mit kegeligem Laufrand die besondere Bedingung, daß die Berührungsfläche
sehr klein ausfallen muß. Sie errechnet sich nach der Hertzschen Formel für- die
Berührung gewölbter Körper mit
wobei L die Länge der Berührungsfläche, b die Randbreite in mm, 0
der Anpreßdruck in kg, y1 und' r2 die Krümmungshalbmesser dier Reibkörper bzw. der
Gegenreibkörper an der Berührungsstelle, E der Elastizitätsmodul in: kg/em2 und
r1 der ideelle Krümmungshalbmesser sind und wobei
ist. Dann ergibt sich der höchste spezifische Druck in der Berührungsfläche nach
einer weiteren Formel von Hertz:
in kg/cm2. Geht man von diesen. Werten: aus und berücksichtigt man, daß für die
Druckviskositätszunahme
von normalem Schmieröl bei einer Temperatur
von 20° C die, Beziehung
gilt, dann kommt man zu. folgenden Ergebnissen: Zunächst ist der maßgebende ideelle
KrümmungshaIbmesser unerwartet groß, wenn man die üblichen Abmessungen derartiger
Getriebe in Betracht zieht. Hat ein flachkegeliger Reibkörper gegen die zur Kegelachse
senkrechte Ebene die Neigung 1 : X, so ist der Krümmungshalbmesser
auf dem Radius praktisch gleich 9 - X. Beträgt also die Neigung der Kegelfläche
beispielsweise 1:30 und laufen die flachkegeligen Reibkörper mit einem Halbmesser
der Berührungsstelle mit dem Gegenreibkörper von o = 20 mm um und hat der kegelige
Laufrand der Gegenreibkörper einen mittleren Halbmesser von R = 100 mm, so sind
die wirklichen Krümmungshalbmesser an, der Berührungsstelle r, mit 600 mm und r2
mit 3000 mm im Verhältnis zu den Getriebeabmessungen außerordentlich groß. Der Unterschied
zwischen den Reibkörp-e,r- und den wirklichen KrümmungshaIbmessern wird dabei um
so größer, je größer das Verhältnis des mittleren Halbmessers des Kegelrandes einer
Randscheibe im Verhältnis zum Halbmesser der Berührungsstellie einer flachhegeligen
Scheibe mit dem Geh nreibkörper ist. Entsprechend groß ist der ideelle Krümmwngshalbmesser.
Derartig ausgedehnte Krümmungshalb:messer lassen sich bei anderen Getriebeausbildungen
auf so, kleinem Raum nicht erreichen. Ebenso weitgehend ist die Auswirkung dieser
großen, wirklichen Krümmungshalbmesser auf den schlanken Verlauf der Einlaufkeile
an der Berüh.rwn.gsstelle der Reibkörper. Es kommt dadurch einerseits zu einer genügend:
großen Länge I_ der Berührungsfläche, F, andererseits zu; den erforderlichen hohen
spezifischen Flächendrücken an der Berührungsstelle. Hat hier beispielsweise der
spezifische Druck einen Wert von p = 5000 kg/cm2, so ergibt sich aus der für die-
Größe K2, angegebenen Beziehung die 100 000fache Viskositätszttnahme gegenüber der
Viskosität des gleichen Schmiermittels bei gleicher Temperatur unter atmosphärischem
Druck. Bei 50° C beträgt entsprechend der Beziehung
die Druckviskositätszu.nahme immer noch das 32 000-fache. Da die Größe der Kontaktfläche
dabei die Größenordnung von rund' 10 mm2 besitzt, liegen die Verhältnisse so, als
wenn sich zwei Flächen von der Größe 1 m2 mit dem Abstand h gegenüberliegen und
mit der Schlupfgeschwindigkeit v im Verhältnis zueinander bewegen würden. Es entstehen
demgemäß Verhältnisse, die man sich bildlich vorstellen kann, wenn man von der Annahme
ausgeht, es lägen die bewegten Flächen über einen Knetgummibelag höchster Klebkraft
aneinander, so daß die Übertragung der erforderlichen Kräfte ohne weiteres gewährleistet
ist. Das führt zu dem Vorteil, d:aß infolge der reinen Flüssigkeitsreibung praktisch
kein Verschleiß der a.neinanderliegenden Teile einzutreten vermag.
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Es ist eine Reihe von Voraussetzungen zu erfüllen, damit die Bedingungen
einer potenziert gesteigerten Zähigkeit des Schmiermittels einzutreten vermögen.
Zunächst muß durch einen ausreichend hohen Anpreßdruck Q, unter dem die Reibkörper
stehen, also durch eine entsprechend großeAxiallcraft, dafür gesorgt werden, daß
der spezifische Flächendruck p an der Berührungsstelle zwischen den Reibkörpern
den in Betracht kommenden hoben Wert erreicht. Zwar würde ohne die durch die Bauart
des Getriebes bedingten besonders schlanken Einlaufkeile auch. die Steigerung der
Werte Q nicht zu einem Erfolg führen, weil dann zur Erzeugung genügend großer Axialkräfte
ein baulicher Aufwand getrieben werden müßte, der praktisch nicht mehr zu verwirkliehen.
ist. Trotzdem muß auch durch Bemessung des Verhältnisses des mittleren Halbmessers
des kegeligen Laufrandes der Randscheiben zu dem Ha.lbinesser der Berührungsstelle
auf den flachkegeligen Reibscheiben dafür gesorgt weiden, daß die, wirklichen Krümmungshalbmesser
genügend groß werden, um bei entsprechend schlankem Verlauf der keilförmigen Einlaufräum-e
in Verbindung mit praktisch realisierbaren Mitteln zur Erzeugung des benötigten
Axialschubes Q die hohen spezifischen Flächendrücke der Reibkörper an der Berührungsstelle
erzielen: zu können. Weiter ist darauf zu achten, daß man nicht in das Gebiet höherer
Temperaturen des Schmiermittels gerät, da sich dann der Zahlcn.faktor in der Beziehung
für die exponvn:tielle Steigerung der Druckviskosität zu sehr vermindern könnte.
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Von Bedeutung ist schließlich das Verhältnis des Anpreßdruckes 0 zu
der Dicke des den Druckviskosistä,tsv erä.nderungen ausgesetzten Schmiermittelfil.m@es.
Fällt der Anpreßdruck Q zti hoch aus, so wird d- ,r Flüssigkeitsfilm weggequetscht,
ist er zu niedrig,, so wird die Filmdicke h zu groß, und, um die erforderliche llitnahmekraft
P aufzufangen, wird die Relativgeschwindigkeit v der Reibkörper, also der Schlupf,
zu groß, so d.aß die kraftübertragenden Reibkörper im Verhältnis zueinander durchrutschen.
Aus diesem Grunde muß die Anpreßkraft Q im Verhältnis vom jeweiligen Getriebezustand,
d. h. in Abhängigkeit von der Größe des zu übertragenden Drehmomentes, verändert
«erden, um den Schlupf unter einem zulässigen Maximahvert halten. zu können.
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Ausgehend von diesen Erkenntnissen und. Überlegungen kennzeichnet
sich ein Reibgetriebe mit stufenlos veränderbarer Übersetzung und mit flachkegeligen
Reibscheiben und Randscheiben:, die kammartig ineinandergreifen und unter der Wirkung
eines axialen Anpreßdruckes stehen, erfindungsgemäß dadurch, d-aß zur Mitnahme der
Reibkörper zwischen diesen durch Unterkühlung über das zur Abführung der Reibungswärme
erforderliche 'Maß hinaus zäh, gehaltene Flüssigkeitsfilme in Verbindung mit Mitteln
vorgesehen sind, die in den Einlaufkeilen zwischen den Reibkörpern einen Flüssigkeitsdruck
erzeugen, der zu einer exponentiellen Änderung der Zähigkeit in Abhängigkeit von
dem axialen Anpreßdruck führt, wobei derartige Mittel durch die Ausbildung der Reibscheiben
mit gegenüber den Randscheiben abweichendem Durchmesser und dadurch bedingtem überschlankem
-erlauf der Einlaufkeile und durch lastabhängige Anpreßvorrichtungen gegeben sind,
-welche den Anpreßdruck nicht nur in selbsttätiger Abhängigkeit vom übertragenen
Drehmoment, sondern auch in selbsttätiger Abhängigkeit vom eingestellten Übersetzungsverhältnis
ändern.
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Lastabhängige Anpreßvorrichtungen sind bei Reibgetrieben an sich bekannt.
Anpreßvorrichtungen dieser Art wurden auch bereits mit Nocken ausgestattet, deren
Schrägflächen keinen zum Lastdrehmoment proportionalen Anpreßdruck, sondern eine
hiervon abweichende Charakteristik des letzteren verwirklichen. Für Vorschläge dieser
Art waren jedoch Erwägungen maßgebend, die sich nicht auf die Erzielung
einer
sprunghaft gesteigerten Zähigkeit des Schmiermittels in: aus diesem .gebildeten
Filmen bezogen, und auch die auftretenden Wirkungen weichen von denjenigen ab, die
gemäß vorliegender Erfindung erstrebt werden.
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Um d'ie erforderliche Abhängigkeit des Axialdruckes von dem Drehmomentverlauf
erzielen zu können, dienien: zur Erzeugung des Axiald,ruckes zweckmäßig drehmomentübertragenide
Getriebeteile, die über einen Axialschub erzeugende, Schrägflächen. in Verbindung
stehen, wobei die sich ändernden AnsteilIwinkel mit der Gegenfläche zur Berührung
kommender Teilflächen dieser Schrägflächen zu der Größe nach verschiedenen Axialkräften
führen. Diese Schrägflächen, wierden beispielsweise. von Nocken gebildet, die sich
ändernde Steigungen der wirksamen Nockenflanken aufweisen, und, zwar derart, daß
bei größeren Rollradien der fla,chkegeligen Reibkörper die Nockenflanken flacher
ausgeführt sind' als bei kleinerlen Rollradien, um den: bei höheren Rollgeschwindigkeiten
zur Verstärkung neigenden Schmiermittelfilm nicht zu dick werden. zu lassen. Zweckmäßig
ist jedoch, außer der geschilderten belastungsabhängigen Einrichtung zur Erzeugung
der Größe nach verschiedener Axialkräfte mindestens eine weitere, Einrichtung- dieser
Art, etwa in Form einer zwischen den drehmomentübertragenden Getriebeteilen angeordneten
Axialdruckfeder, vorgesehen, um zu erreichen, daß der Axialdruck bei kleinem zu
übertragendem Drehmoment Drehmoment einen gewissen Mindestwert nicht unterschreitet,
um ein Abfallen der gewünschten Druckviskosität unter einen Mindestwert zu verhindern.
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Der Einfluß des Verhältnisses des mittleren Halbmessers des kegeligen
Laufrandes dier Gegenreibkörper zu. dem Halbmesser der flachkegeligen Reibkörper
war bereits dahin erwähnt worden, daß dieses Verhältnis möglichst groß zu wählen
ist, um zu, besonders großen, wirklichiem. Krüm;mungshalbmessern und zu schlankeren
Einfaüfkeile@n zu kommen, als sie bei Getrieben auftreten, bei denen die genannten
Halbmesser- annähernd gleich sind. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die
flachkegeligen Reibscheiben als möglichst dünnwandige, etwa messerscheibenartig
gestaltete Scheiben auszuführen, um zu, erreichen, daß diese Scheiben, ein möglichst
kleines Trägheitsfmoment und damit eine geringe Kreiselwirkung besitzen. Um nämlich
unabhängig von den Ungenauigkeiten der Bearbeitung, den nicht voraus berechenbaren
Foirmändcrungen der Reibkörper im Betriebe und den durch f eine starre axiale Führung
der Reibkörper auf ihren Wellen bedingten Fehlern, die zu Störungen der Filmbildung
und der Einstellung der benötigten Druckviskosität führen könnten, zu bleiben, wird
man die flachkegeligen Reibkörper vorteilhaft auf ihren Wellen frei einstellbar
ausbilden, etwa dadurch, daß sie- auf der zugeordneten Nutenwelle mit batligem Sitz
aufruhen. Der Vermeidung dier gleichen. Störungen dient es, wenn, di,e Kanten der
Randscheibien sanft abgerun.-detwerden, damit keine Kantenpressungen entstehen.
Durch die kleinen Trägheitsm.omentie, folgen, also, die flachkegeligen Reibscheiben
den kleinen Einstellmomienten, die, von f der Berührungssteil-le ausgehend, ausgeübt
werden,. Aus dem gleichen Grunde wird man den: Laufrand der Randscheiben zur Verringerung
störender Massenwirkunigen axial nur etwa, so, stark ausführen wie die Differenz
zwischen der Stärke der flachhe:geligen Reibscheiben an, der Wellie und am: Außenrand.
Damfit die- zufälligen Unregelmäßigkeiten an, eineu Berührungsstelle keinen; Einfluß
auf die Wirkungsweise dies Getriebes ausüben und zur Steigerung der Leistung des
Getriebes werden in an sich: bekannter Weise die Reibscheiben in einer Mehrzahl
angeordnet, wobei sie entweder auf eine oder auf mehrere Wellen aufgereiht werdien
können.
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Da die Verschiebungslcra.ft P unmittelbar durch die Zähigkeit des
Schmiermittels bediinigt ist, wird. man naturgemäß hochviskose Schmiermittel verwenden
oder ihnen Zusätze, geben, die hohle Viskositäten bewirken. Auch in bezug auf' die
Führung- des. Schm.ieirinittels wird man allie Möglichkeiten beinwtzen, um das Schmiermittel
in möglichst kaltem Zustand an die Berührungsstelle heranzubringen,. Wählt man hierzu
eine Tawchsch.mierung, so. erreicht man eine verhältnismäßig kräftige Spülung und
Kühlung der mit Schmiermittel zu versehenden Flächen. Noch wirksamer ist jedoch
eine unmittelbare Bespülung umlaufender Getriebeteile mit dem Schmiermittel, indem,
die Teile mixt dem Schmiermittel .unmittelbar angestrahlt werden. Demselben Bestreben
dient es, die: Oberflächen der Reibkörper chemisch und/oder mechanisch vorzubehandeln,
um Mo,lekulia.rkrä.f'te zu erzeugen" die in der gewünschten Richtung wirken.
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Um eine Alterung des Schmiermittels möglichst zu verhindern, kann,
es zweckmäßig sein, das Gehäuse des Getriebes valeuumdich,t auszubilden und zu einer
Vakuumpumpe führende Anschlüsse vorzusehen. Der dadurch herbeiführhare Unterdruck
innerhalb, dies Getriebes hat gleichzeitig den Vorteil, die Luftreibungsverluste
zu verringern, die sich bei höheren Drehzahlen bemerkbar machen. Es besteht auch
die, Möglichkeit, das Getriebeinnere unter die Wirkung eines Füllgases, insbesondere
eines leichten Gases, wie Wassferstoff oder Helium, zu bringen, um auf' diese Weise
Reibungsverluste zu vermeiden. Unter bestimmten Umständen kann es auch zweckmäßig
sein, einen Nebel aus Schmiermitteln, also, beispieilsweise einen Ölnebel, zu erzeugen.,
um auf diese Weise die zur Bildung des Filmes erforderhche Schm.iermittelm,enge
zur Verfügung zu, stellen und gleichzeitig wirksam zu: kühil.en.
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Die, Zeichnung gibt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wieder.
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Fig. 1 zeigt einen senkrechten. Längsschnitt durch die, flachkegeligen
Reibscheiben und die mit ihnen: im Reibungsschl:uß stehenden Randscheiben, die als
Gegenreihkörper wirksam: sind; Fi.g.2 gibt in vergrößertem Maßstab einfein Ausschnitt
aus Fig. 1 unter Darstellung- der an den Berührungsstellen herrschenden Verhältnisse
wieder; Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung ein nach den. Fig: 1 und 2 ausgebildetes
Getriebe mit dem zugehÖrigen Ölkreislauf.
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Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Getriebe besteht in an sich;
bekannter Weise aus flachkegeligen Reibscheiben 1, die mit Randscheiben 2 im Reibungsschluß
stehen. Der Laufrand 3 der Randscheiben 2 weist die gleiche Kegelneigung auf wie
die Reibscheiben 1. Die Reibscheiben 1 sind auf der Keilwelle 4, die Randscheiben
2 auf den Keilen 5 axial versch.iebbax, aber gegen Verdrehung gesichert geführt.
Bei 6 ist eine Schraubenfeder angeordnet. Weitere Mittel zur Erzeugung der benötigten,
Axialkraft bestehen aus den, Nocken, 7, die an Gegennocken 8 anliegen, wobei die
Nocken 7 durch die rechts gelegene Endscheibe 9 gebildet sind`. Die Form der Nocken
ist mit strichpunktierten Linien eing,etragc:n. Da das gesamte Drehmoment, das an
der getriebenen Welle auftritt, über die Nocken 7, 8 und den Wellenkeil 12, der
den die Nocken 8 bildenden, Getriebeteil drehsicher
mit der Welle
13 verbindet, übertragen wird, tritt zwischen Nocken. und Gegennacken 8 eine Tangentialkraft
K auf, die infolge des schrägen Flankenverlaufes der Nocken 7, 8 zur Erzeugung :einer
Axialkraft Q führt, welche die Reibkörper 1, 2 über die Endscheibe 9 axial zusammenpreßt.
Diese Axia.lkraft wird von der Endscheibe 10 abgenommen und auf den Bund 14 der
Welle 13 abgeleitet und dlamit aufgehoben, da, die entsprechende Reaktionskraft
Q' am. Gegennocken, 8 auf den Bund 15 der Welle 13 übertragen. wird. Dadurch, daß
-die Anstellwinkel der schrägen Nockenflanken längs derselben sich ändern, so daß
die Schrägfläche kurvenförmig verläuft, wird erreicht, daß die Axialkraft Q in.
Abweichung von der mit abnehmendem Drehanoment zu erwartendem Abnahme letzterer
gegenüber erhöht ist. Dadurch, wird erreicht, d'aß die wegen der höheren Rollgeschwindigkeit.
und der schlankeren Einlaufkeile stärker zwischen die Reibkörper gezogene Flüssigkeit
nicht zu, erhöhten Filmstärken und damit zu höherem Schlupf führt.
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Bei geringeren Belastungen; ergeben %ocl:en: jedoch zur Druckv iskosdtätszunahme
nicht ausreichende Anpreßkräfte. Hier m.uß zu dem Hilfsmittel: einer parallel geschalteten.
Feder gegriffen werden, um in diesem Bereich genügend große Axialkräfte Q erzeugen
zu können. Da die Kraftwirkungen dieser Fe;dler oder dieser Federn auch bei Vollast
ausgenutzt werden, tritt der weitere Vorteil auf, d'aß bei Überlast die Nocken allein
nicht mehr den gesamten noltwendigen Druck herbeiführen, was zu dem erwünschten
Schlupf führt.
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Die Filmbildung selbst ist bei 11 veranschaulicht. Man erkennt an
der rechten, flachk eg:eligen Reibscheibe, wie der Flüssigkeitsfilm 11 durch eine
Schräg-Lage der Reibscheibe 1 im Verhältnis zu. den Randscheiben 3 b:zw. 2 gestört
würde, wenn nicht die in Fig.1 gezeigfie freie Einstellbarkeit der kegeligen Flachscheiben
verwirklicht wäre. Diese Beweglichkeit kann bereits durch eine relativ kurze Führung
oder ein genügend großes Spiel am Sitz auf der Welle herbeigeführt werden. Noch
wirksamer ist das bullige Aufruhen der flachkegeligen Reibscheiben auf der Keil-
oder Nutenwelle 4, das in Fig. 1 veranschaulicht worden ist. An den Stellten A sind
die Laufräder 3 der Rand.scheibien 2 sanft und, allmählich ab ,-gerundet, um das
Auftreten zu hoher Kantenpressung zu verhindern.
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Fig. 1 zeigt weiter, in welcher Weise eine wirksame Bespülumtg der
Reibkörper mit Schmiermittel zu verwirklichen ist. Hierzu ist die Welle 13 bis 16
hohlgebohrt, und an die Längsbohrung setzen sich Querbohrungen 17, 18 usw. so an,
daß das austretende Schmiermittel unmittelbar die Reibkörper anstrahlt.
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In Fig. 3 ist das Getriebe mit 19 bezeichnet. Es bedeutet weiter 20
eine Flüssigkeitspumpe, 21 einen Windkessel, 22 einen Kühler wind 23 Zerstäuherdüsen,
mit deren Hilfe aus der Flüssigkeit ein Flüssigkeitsnebel hergestellt wird, der
in das Getriebe einzuführen ist. Wird die Flüssigkeitspumpe 20 unmittelbatr von
der Antriebswelle aus angetrieben, so, sinkt mit steigender Antriebsdrehzahl selbsttätig
der Druck im Inneren des Getriebegehäuses dadurch, daß stich; der Flüssigkeitsdruck
hinter der Pumpe erhöht, weil die vermehrte Fördermenge dien Luft durch die Zerstäuberdüsen
nur unter höherem Druck austreten kann. Durch den höheren Flüssigkeitsdruck wird
aber das Gasvolumen im Windkessel vermindert, und diese Volumenverminderung im gesamten,
Kreislauf bewirkt die Druckverminderung im Inneren dies Getriebes. Das fährt dazu,
d'aß das Schmiermittel weni--er schnell altert. Auch können als Flüssigkeiten Mittel
benutzt werden, die eine hohe Empfindlichkeit der Einwirkung von Sauerstoff gegenüber
aufweisen.