-
Stufenloses Reibradübersetzungsgetriebe Die Erfindung betrifft stufenlose
Reibradübersetzungsgetriebe für ortsfeste oder bewegliche Maschinenanlagen, z. B.
Kraftfahrzeuge. Bei den meisten bisher bekannten stufenlosen. Reibradgetrieben ist,
durch die Eigenart ihrer Konstruktion bedingt, die Kinematik nicht ganz einwandfrei,
so daß die Reibräder mehr oder weniger gegeneinandergleiten. Dieses Gleiten vermindert
nicht nur den Wirkungsgrad, sondern führt bei der Übertragung größerer Kräfte zu
einer starken Erhitzung des Getriebes und damit zu seiner vorzeitigen Zerstörung.
Dies hat dazu geführt, daß Reibradgetriebe bisher nur für kleine Kräfte und, an
untergeordneten Stellen verwendet werden.
-
Es ist z. B. ein stufenloses Reibradgetriebe bekanntgeworden, bei
welchem das treibende Rad und das getriebene mit ihren kraftübertragenden Flächen
je die Halbschalen eines Ringgehäuses bilden, in, dessen Ringraum die mit ihren
Achsen die Ringachsen schneidenden verstellbaren Reibrollen laufen, und zwar haben
diese Reibrollen den Durchmesser des Ringquerschnittes. Untersucht man die kinematischen
Verhältnisse, so ergeben sich Verluste in der Größenordnung von 15 bis 2o%, d. h.
der Wirkungsgrad des Getriebes ist entsprechend niedrig. Da dieser Verlust in Wärme
umgesetzt wird, erhitzt sich das Getriebe stark und wird vorzeitig zerstört.
-
Die Erfindung hat sich die Beseitigung dieser Mängel zur Aufgabe gemacht.
Sie erreicht dieses Ziel dadurch, daß die Reibrollen so weit nach der gemeinsamen
Achse des treibenden und getriebenen
Rades hin versetzt werden,
daß sie mit diesen Rädern zusammen in jeder Stellung nicht nur :angenähert ein theoretisch
richtiges Kegelradgetriebe bilden - theoretisch richtige Kegelradgetriebe sind an
sich bekannt -, sondern auch die Spitze der an die Reibrolle gelegten Tangenten
bei einer bestimmten, z. B. der am häufigsten vorkommenden Übersetzung, bei Kraftfahrzeugen
der größten Übersetzung des Getriebes, mit der Achse der Halbschalenräder zusammenfällt.
Dadurch läßt es sich erreichen, daß die am häufigsten vorkommende Übersetzung mit
dem günstigsten Wirkungsgrad zusammenfällt.
-
Getriebe mit den beschriebenen Merkmalen können nun insbesondere vorteilhaft
Anwendung bei Werkzeugmaschinen u. dgl. finden, wo ein häufiger Wechsel der Geschwindigkeit
erforderlich und eine Einstellung der Übersetzung von Hand ausreichend ist. Bei
gewissen Werkzeugmaschinen, z. B. bei Drehbänken zum Abdrehen von Scheiben mit großem
Durchmesser, ist es erwünscht, daß sich das Übersetzungsverhältnis ständig selbsttätig
den durch die jeweiligen Betriebsverhältnisse erforderben Drehmomenten anpaßt. Diese
Forderung wird gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung dadurch erfüllt,
daß Mittel vorgesehen sind, um das Differenzmoment zwischen treibender und getriebener
Seite des Getriebes fortlaufend zu messen und in eine Steuerbewegung umzuwandeln,
welche die Reibrollen auf ein vorbestimmtes Übersetzungsverhältnis einstellt. Es
können beispielsweise die Reibrollen mit ihren Einstellmitteln auf einem seinerseits
um die Achse des treibenden und des getriebenen Rades drehbaren Träger gelagert
sein, der unter der Wirkung einer Rückholfeder mit einer dem Drehmoment des Motors
und dem höchsten Übersetzungsverhältnis des Getriebes angepaßten Charakteristik
steht, wobei die Verstellmittel mit am Getriebekasten angeordneten Steuermitteln
im Sinne einer selbsttätigen Einstellung des für jeden Betriebszustand günstigsten
Übersetzungsverhältnisses zusammenwirken. Neben der selbsttätigen Einstellvorrichtung
kann eine solche für das Einstellen von Hand vorgesehen sein.
-
Bei Kraftfahrzeugen ist es ebenfalls erwünscht, daß sich das Übersetzungsverhältnis
des Getriebes den augenblicklichen Betriebsverhältnissen des Fahrzeuges, also dem
jeweiligen Motordrehmoment und dem zur. Fortbewegung des Fahrzeuges erforderlichen
Drehmoment selbsttätig anpaßt, damit der Fahrer seine ganze Aufmerksamkeit der Lenkung
des Fahrzeuges widmen kann und die gewünschte Geschwindigkeit nur durch die Betätigung
des Gaspedals zu regulieren braucht, wobei immer die günstigste Übersetzung eingeschaltet
sein sollte. Diese Forderung wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch
erfüllt, daß bei vorgegebener Rückstellkraft an die Vorrichtung zum Messen des Differenz-Drehmomentes
und zum Einstellen :des Übersetzurngsverhältnisses die Rückstellkraft im umgekehrten
Verhältnis zum Motordrehmoment zusätzlich geschwächt wird. Dies soll vorzugsweise
derart geschehen, daß ein mit Unterdruck aus der Ansaugleitung der Kraftmaschine
gespeister Servomotor der Rückholfeder entgegenwirkend angeordnet ist.
-
Bei gewissen Motoren, z. B. Turbinen, aber auch bei Ottomotoren ist
es Bedingung oder erwünscht, daß der treibende Teil des Getriebes unabhängig von
der Belastung der getriebenen Seite ständig auf einer vorher bestimmten Drehzahl
arbeitet. Diese Forderung wird dadurch erfüllt, daß von der treibenden Welle bzw.
Halbschale eine kleine Kreiselpumpe angetrieben wird, deren statischer Druck über
einen Kolben zur Aufnahme des Differenzmomentes benutzt wird..
-
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung und der Zeichnung von Ausführungsbeispielen sowie aus den Patentansprüchen.
Es zeigt Fig. I den prinzipiellen. Aufbau des Getriebes gemäß der Erfindung in schematischer
Darstellung; Fig. 2 und 3 eine Ausführungsform des Getriebes mit Handeinstellung
in Schnitten längs und quer zu seiner Hauptachse; Fig. 4 und 5 eine zweite Ausführungsform
des Getriebes, für ein Kraftfahrzeug bestimmt, mit Einrichtungen zur automatischen
Einstellung, wiederum in Schnitten längs und quer zur Hauptachse, Fig. 6 und 7 eine
andere Ausführung für Kraftfahrzeuge in entsprechender Darstellungsweise wie bei.
Fig. 4 und 5.
-
In Fig. I ist .das Getriebe schematisch dargestellt, und es soll an
Hand dieser Darstellung sein Grundgedanke und seine Kinematik erläutert werden.
-
Das Getriebe besteht aus zwei koaxial und gegenüberliegend für sich
gelagerten Halbschalen I und 2, von denen I die treibende, 2 die getriebene ist.
Zwischen diesen Halbschalen laufen, in dauernder Reibverbindung mit ihnen, die Reibrollen
3, .die sowohl um ihre Achsen drehbar als auch um die Punkte M schwenkbar sind.
Die Punkte M sind Mittelpunkte der Querschnittsfläche des von den beiden Halbschalen
I und 2 eingeschlossenen Ringraumes. Die Konstruktion geht in ihrem Grund-Bedanken
aus vom Kegelradgetriebe. Zeichnet man eine Reihe solcher Getriebe mit verschiedenen
Übersetzungsverhältnissen mit Bezug auf die eine Reibrolle (unter Beibehaltung eines
Rades) übereinander auf; so gelangt man zwangläufig zu der in Fig. I dargestellten
Form. Untersucht man ihre Kinematik, so ergibt sich folgendes : Dadurch, daß die
Reibrollen 3 um die Punkte M geschwenkt werden, sonst aber - unveränderlich sind,
wandert die Spitze S des Tangentenkegels auf einem Kreis um den Punkt M. D2 aber
bei einem Kegelra-dgetriebe sich sämtliche Kegelspitzen in einem Punkt treffen müssen,
ist die Forderung des theoretisch richtigen Kegelradgetriebes nur in zwei Stellungen
erfüllt, nämlich dort, wo der Kreis K die Achse A der Halbschalen
schneidet. In allen anderen Übersetzungsstellungen liegt die theoretische Kegelspitze
über oder unterhalb der i wirklichen.
Durch diese Abweichungen in
der Lage der Kegelspitze von. der theoretisch richtigen wird natürlich der Wirkungsgrad
beeinflußt, so daß dort, wo die Kegelspitze mit der Achse zusammenfällt, der günstigste
Wirkungsgrad erhalten wird, während er in allen anderen Stellungen unterhalb dieses
Maximums liegt. In Fig. I sind die günstigste Übersetzung und zugleich auch die
zu dieser Stellung gehörenden Kegelräder in die Halbschalen in unterbrochenen Linien
eingezeichnet. Hierbei zeigt sich, daß die Reibrollen nur um den Betrag, um den
sie von der theoretischen Form des Kegels abweichen, gleiten müssen. Es ist offensichtlich,
daß dieser Betrag nur sehr gering ist; er beträgt in dem gezeichneten Fall nur I,6%.
-
Durch die Verlagerung der Kegelspitze wird die Differenz zwischen
der theoretischen Kegelform und der tatsächlichen vergrößert, und es müssen infolgedessen
die Reibrollen hier mehr gleiten. Das Gleiten, hält sich aber gegenüber anderen
Getrieben auch hier noch in sehr bescheidenen Grenzen und beträgt beispielsweise
in dem in starken Linien eingezeichneten Fall nur 2,7% und bei dem in strichpunktierten
Linien gezeichneten Fall der größten Übersetzung 2,4%. Durch geeignete Wahl des
Kegelwinkels läßt es sich erreichen, daß die am häufigsten vorkommende Übersetzung
mit dem günstigsten Wirkungsgrad zusammenfällt oder doch in seiner Nähe liegt.
-
Füg. 2 und 3 zeigen eine (erste) einfache Ausführungsform des Getriebes
mit Handverstellung der Übersetzung, wie sie z. B. für Werkzeugmaschinen u. dgl.
Anwendung finden kann. Es ist 4 die treibende Halbschale, 5 die getriebene, welche
fest auf den entsprechenden Triebwellen sitzen und mit diesen im Getriebegehäuse
II gelagert sind. Mit 6 sind die in den Rahmen 7 drehbar gelagerten Reibrollen bezeichnet,
welche außerdem auf ihrer Welle verschiebbar angeordnet sind und durch Federn 8
den zur Erzeugung der Reibungsverbindung notwendigen Anpreßdruck erhalten. Mit 9
und I0 sind Zahnsegmente bezeichnet, durch welche die Rahmen 7 gezwungen werden,
bei Verstellung der Übersetzung sich in entgegengesetztem Sinn zu drehen. Die Rahmen
7 sind indem im Raume feststehenden Gehäuse II schwenkbar gelagert und werdien durch
den Handhebel 12 entsprechend der gewünschtem Übersetzung verstellt.
-
Dreht sich die Halbschalle 4 im Uhrzeigersinn, so werden infolge der
Reibung die Reibrollen 6 gedreht, und letztere wiederum verdrehen infolge des bestehenden
Reibungsschlusses die Halbschale 5 im entgegengesetzten Drehsinn, also entgegengesetzt
dem Uhrzeigersinn. Die Größe des übertragbaren Drehmomentes hängt hierbei einerseits
von der Breite der Reibrollen 6 und andererseits von dem Anpreßdruck ab. Es ist
möglich, statt der gezeichneten zwei. Reibrollen drei oder mehrere anzuordnen. Dadurch
verteilt sich dann das zu übertragende Drehmoment auf mehr als nur zwei Reibverbindungen,
so daß ein größeres Drehmoment von dem Getriebe übertragen werden kann. Statt der
Zahnsegmente 9 und I0 kämen in diesem Falle zweckmäßig Kegelräder zur Anwendung,
die miteinander kämmen und die gleichzeitige Schwenkbewegung aller Rahmen 7 bewirken.
-
Die Fig. 4 und 5 veranschaulichen ein automatisch arbeitendes Getriebe,
das vorteilhaft für Kraftfahrzeuge mit Verbrennungskraftmaschinen bestimmt ist,
jedoch in einer vereinfachten Ausführungsform, die zunächst besprochen werden soll
und für Werkzeugmaschinen u. dgl. in Frage kommt. Es ist 14 die treibende Halbschale,
15 sind die verstellbaren Reibrollen, und 16 ist die getriebene Halbschale. Die
Reibrolle 15 ist wiederum in einem Rahmen 17 drehbar und axial verschiebbar gelagert
und wird durch die Feder I8 an die Halbschalen angepreßt. Die Rahmen 17 sind ihrerseits
wieder in dem Rahmen I9 schwenkbar gelagert und werden über die Zahnsegmente 2o
und 21 gleichmäßig verstellt. Das Segment 2o ist mit dem Finger 22 in der Kulisse
23, die fest an dem Gehäuse 24 befestigt ist, geführt. Der Rahmen I9 hat ferner
einen Arm 25, der ihn mit der einstellbaren Feder 26 und dem Kolben 27 verbindet.
Die Feder 26 ist in ihrer Länge veränderlich mit dem Gehäuse 24 verbunden:; sie
hält in entspanntem Zustand die Reibrollen in der Stellung des höchsten Übersetzungsverhältnisses.
Das Gehäuse 24 steht im Raum still. Kolben 27, Zylinder 28 und Speiseleitung 29
hat man sich für die Betrachtung dieses Beispiels als nicht vorhanden zudenken.
Die Wirkungsweise des Getriebes ist dann folgende: Beim Einrücken der (nicht gezeichneten)
Maschinenkupplung ist ein sehr großes Drehmoment erforderlich, und es rollen daher
die Reibrollen 15 zunächst auf der Halbschale 16 ab, weil sie diese noch nicht in
Drehung zu setzen vermögen (in der Zeichnung im Uhrzeigersinn), wobei sich die Rahmen
17 und I9 samt den Verstellmitteln 20, 2I, 22 und dem Arm 25 unter Spannung der
Feder 26 mitdrehen. Dabei werden die Zahnsegmente durch den in der Kulisse 23 geführten
Finger 22 verstellt und stellen das Getriebe von der höchsten Übersetzung auf eine
immer niedrigere ein, so lange, bis zwischen dem Motordrehmoment und dem zur Bewegung
der Maschine erforderlichen Drehmoment einerseits und der Federspannung andererseits
Gleichgewicht herrscht und die Maschine anfängt, sich zu bewegen. Das Differenzdrehmoment
zwischen Motor und Maschine wird also gewissermaßen fortlaufend gemessen und in
eine Verstellbewegung umgewandelt, welche das Getriebe auf ein vorbestimmtes übersetzungsverhältnis
einstellt. Je mehr die Maschine :in Lauf kommt, desto mehr sinkt das Differenzdrehmoment
ab, d. .h., die Feder 26 vermag den Rahmen i 9 zurückzudrehen (in der Zeichnung
entgegen dem Uhrzeiigersinn) und ein immer höheres Übersetzungsverhältnis mit Hilfe
der Kulisse 23 und der Stellmittel 22, 21, 210 einzustellen, wobei .dauernd Gleichgewicht
zwischen dien beiden Drehmomenten und der Federspannung herrscht. Die Federspannung
ist einstellbar; ihre Charakteristik ,ist dem Drehmoment des Motors anzupassen.
Der Rahmen i9 kann naturgemäß zur Sicherung seiner
einwandfreien
Schwenkbewegung im Gehäuse 24 geführt bzw. gelagert sein.
-
Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel setzt einen Motor
mit stets gleichbleibendem Drehmoment voraus, Verhältnisse also, wie sie z. B. bei
einer Werkzeugmaschine regelmäßig gegeben sind.
-
Bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungskraftmaschinen z. B. ist die Motorleistung
von der Brennstoffzufuhr abhängig, und, je nachdem das Fahrzeug in der Ebene, bergauf
oder bergab fährt, werden bei gleichem Übersetzungsverhältnis ganz verschiedene
Motordrehmomente erfordert; eben zu diesem Zweck wird das Motordrehmoment durch
Betätigen des Gashebels verändert. Das vorbeschriebene Getriebe genügt diesen Anforderungen
noch nicht, weil die Spannung der Rückholfeder 26 nur einem einzigen bestimmten
Drehmoment angepaßt sein kann. Die Feder 26 muß aber so eingestellt und bemessen
sein, daß sie beim kleinsten Differenzmoment und Volleistung des Motors die größte
Übersetzung einstellt. Wird nun bei einem Kraftfahrzeug der Motor zur Herabminderung
der Fahrgeschwindigkeit gedrosselt, z. B. mit halb geöffneter Drosselklappe gefahren,
dann reicht das Motordrehmoment nicht mehr aus, um die Feder 26 so weit zu spannen,
daß ein dem verminderten Drehmoment entsprechendes niedrigeres günstigstes Übersetzungsverhältnis
eingestellt werden kann. Das Übersetzungsverhältnis bliebe vielmehr auf den Höchstwert
eingestellt, und der Motor würde »abgewürgt«.
-
Es ergibt sich daraus die Forderung, daß die Automatik des Getriebes
in Abhängigkeit sowohl vom Gegendrehmoment der Fahrzeugräder wie vom jeweiligen
Motordrehmoment wirksam sein muß. Zu diesem Zweck ist die aus Kolben 27, Zylinder
28 und Unterdruckspeiseleitung 29 bestehende Servoeinrichtung vorgesehen.
-
Der Unterdruck im Ansatugrohr einer Verbrennungskraftmaschine steht
bekanntlich in einem umgekehrten Verhältnis zur Motorleistung, d. h. er ist bei
geringer Motorleistung und demnach wenig geöffneter Drosselklappe groß -und umgekehrt
klein bei weit geöffneter Drosselklappe und hoher Leistung.
-
Der Zweck der Servoeinrichtung 27, 28, 29 ist nun folgender: Läuft
z. B. der Motor nur mit halb geöffneter Drosselklappe, leistet er also nicht das
Drehmoment wie bei voller Öffnung, dann wäre, wie oben erläutert, die Feder 26 viel
zu stark gespannt, und das Getriebe würde sich auf eine viel zu hohe Übersetzung
einstellen, weil der Motor ja nicht imstande ist, gegen die Wirkung der Feder 26
den Reibrollen 15 die zur Herabsetzung des Übersetzungsverhältnisses notwendige
Abrollbewegung aufzuzwingen. Der Motor käme also zum Stillstand.
-
Dadurch aber, daß bei der angenommenen Drosselstellung Unterdruck
in der Ansaugleitung herrscht, wird der Kolben 27 in den Zylinder 28 hineingezogen
und mithin die Rückholkraft der Feder 26 zusätzlich geschwächt. Das zur Verstellung
der Reibrollen 15 auf ein niedrigeres Übersetzungsverhältnis notwendige Differenzmoment
ist also entsprechend geringer, und es kann das zur abgegebenen Motorleistung gehörende
günstigste Übersetzungsverhältnis eingestellt werden.
-
Die Düse 30 ist in der Unterdruckspeiseleitung 29 zu folgendem Zweck
eingeschaltet: Angenommen, das Fahrzeug fahre mit Halböffnung der Drosselklappe
zuerst in der Ebene bei höchster Übersetzung des Getriebes. Es wird eine Steigung
genommen, und das Getriebe schaltet entsprechend dem höheren geforderten Drehmoment
herunter. Da gibt der Fahrer plötzlich Vollgas, wodurch der im Ansaugrohr vorhandene
Unterdruck abfällt. Hierdurch würde aber gleichzeitig der Unterdruck im Zylinder
28 abfallen, und der Kolben 27 wäre entlastet, d. h. das Getriebe würde ebenso plötzlich
wieder auf die höchste Übersetzung schalten. Nun benötigt aber der Motor, um von
dem einen Betriebszustand in den anderen zu kommen, eine gewisse Zeit. Um ihm diese
Zeit zu verschaffen, ist die Düse 3o eingebaut; denn sie verlangsamt das Absinken
des Unterdruckes im Zylinder so, daß -der Motor die erforderliche Zeit gewinnt.
-
Aber auch beim Fahren in der Ebene wirkt sich die Düse 30 bei gewollter
Beschleunigung des Fahrzeuges dadurch günstig aus, daß das Getriebe bei plötzlichem
Vollgas zuerst etwas zurückschaltet und erst, wenn der Motor schon einehöhereDrehzahl
bereits angenommen hat, mit der Übersetzung nachkommt. Hierdurch ist eine mehr sportliche
Fahrweise ermöglicht.
-
Die Feder 26 ist in ihrer Länge einstellbar gemacht, um bei längerem
Betrieb des Motors den durch den Verschleiß bedingten Abfall des Drehmomentes ausgleichen
zu können und bei neuen Motoren die immer vorhandenen Differenzen ohne Umbauten
berücksichtigen zu können.
-
Es ist selbstverständlich auch .hier möglich, statt der .gezeichneten
zwei Reibrollen 15 mehrere unterzubringen, wodurch die Arbeitsweise des Getriebes
nicht beeinträchtigt wird und sich alle Vorgänge in der oben beschriebenen Form
abspielen. _ In Fig. 6 und 7 ist eine Ausführung mit automatischer Verstellung des
Getriebes dargestellt, die gestattet, auf der treibenden Seite des Getriebes eine
vorher bestimmte konstante Drehzahl einzuhalten. Auf der Welle der treibenden Halbschale
14 ist ein Zahnrad 3 1 befestigt, das über ein zweites Zahnrad und die Welle
32 die Kreiselpumpe 33 antreibt. Diese Pumpe saugt aus dem Ölsumpf des Getriebes
Öl an und preßt es über die Leitung 34 in den Zylinder 35. Der Finger 25 des Verstellmechanismus
ist mit dem Kolben 36 verbunden. Unterhalb des Kolbens 36 'ist die Druckfeder 37
angebracht, die durch die Schraube 38 und den Teller 3,9 einstellbar ist.
Am unteren Ende des Zylinders 35 ist die Drossel 40 vorgesehen.
-
Bei Stillstand des Getriebes wird durch die Druckfeder 37 der Kolben
36 in seine oberste Stellung gedrückt und hierdurch das Getriebe über den Finger
25
auf die kleinste Übersetzung geschaltet. Gleichzeitig füllt sich hierbei der Raum
unter dem Kolben 36 über die Drossel 40 aus dem- Ölsumpf des Getriebes mit Öl an.
Wird die Kupplung zwischen Motor und Getriebe eingerückt, so wird über das Zahnrad
31 ein zweites Zahnrad und die Welle 32 die Kreiselpumpe 33 mitangetrieben und saugt
aus dem Ölsumpf des Getriebes Öl an. Dieses gelangt über die Leitung 34 hinter den
Kolben 36, wodurch dieser so lange nach unten bewegt wird, bis durch das Weiterschalter
des Getriebes durch den Finger 25 zwischen dem von der Kreiselpumpe 33 erzeugten
statischen Druck und dem Differenzmoment des Getriebes plus der Spannung der Druckfeder
37 Gleichgewicht herrscht. Bei dieser Bewegung des Kolbens 36 wird das Öl, welches
sich vor dem Kolben befindet, über die Drossel 40 in den Ölsumpf des Getriebes zurückgedrückt.
Die Drossel 40 erfüllt dabei zwei Aufgaben. Einmal verhindert sie durch ihren Widerstand
das Pendeln der Schaltvorrichtung und zweitens verzögert sie bei gewollter Beschleunigung
des Fahrzeuges die Schaltbewegung, so daß der Motor kurzzeitig auch eine höhere
Drehzahl annehmen kann als normal vorgesehen ist. Die Druckfeder 37 ist einstellbar
gemacht, um auch hier der Verschleiß bzw. die Ungenauigkeiten in der Herstellung
:des Motors ausgleichen zu können. Die Konstruktion des Getriebes und des reinen
Schaltmechanismus ist dieselbe wie bei der vorher beschriebenen Automatik.