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Dokumentenidentifikation DE19918760A1 26.10.2000
Titel Stufenlos schaltbares Getriebe
Anmelder Volkswagen AG, 38440 Wolfsburg, DE
Erfinder Clemm, Oliver, 38102 Braunschweig, DE
DE-Anmeldedatum 24.04.1999
DE-Aktenzeichen 19918760
Offenlegungstag 26.10.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.10.2000
IPC-Hauptklasse F16H 9/10
IPC-Nebenklasse F16H 9/24   
Zusammenfassung Stufenlos schaltbares Getriebe mit mindestens einer Welle und einem flexiblen, endlosen Kraftübertragungselement (4), welches die Wellenachse zumindest teilweise in Form eines Polygonzuges umgibt und von der Welle antreibbar ist. Die Ecken des Polygonzuges werden von Rädern (3, 5) gebildet, die mit dem Kraftübertragungselement in Eingriff stehen und deren Abstand von der Wellenachse veränderbar ist. Die Räder (3, 5) sind Planeten, deren Achsenlager derart mit der Welle gekoppelt sind, daß sie einer Drehbewegung der Wellenachse folgen. Die Räder (3) laufen an ihrer vom Kraftübertragungselement abgewandten Seite auf einer feststehenden, zur Wellenachse konzentrischen Innenscheibe veränderbaren Durchmessers.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein stufenlos schaltbares Getriebe mit mindestens einer Welle und einem flexiblen, endlosen Kraftübertragungselement, welches die Wellenachse zumindest teilweise in Form eines Polygonzuges umgibt und von der Welle antreibbar ist, wobei die Ecken des Polygonzuges von Rädern gebildet werden, die mit dem Kraftübertragungselement in Eingriff stehen und deren Abstand von der Wellenachse veränderbar ist.

Stufenlos schaltbare Getriebe sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Gemäß einem häufig angewendeten Funktionsprinzip wird dabei ein flexibles, endloses Kraftübertragungselement in Form einer Kette oder eines Riemens über mindestens eine Scheibe stufenlos veränderlichen Durchmessers geführt, die auf der Antriebswelle oder der Abtriebswelle sitzt.

Derartige Getriebe sind z. B. in der DE-PS 6 86 733 und der DE-OS 23 64 644 beschrieben. Bei den dortigen Getrieben sind entlang des Scheibenrandes Auflageabschnitte für die Kette vorgesehen, so daß die Kette nicht auf einem exakten Kreis, sondern entlang eines Polygonzuges verläuft. Die genannten Auflageabschnitte können in radialer Richtung verschoben werden, wodurch sich stufenlos unterschiedliche effektive Durchmesser der Antriebs- oder Abtriebsscheibe einstellen lassen. Vorzugsweise wechseln verzahnte und unverzahnte Auflageabschnitte ab, um die Kraftübertragung von einer bloßen Kettenstützung trennen zu können.

Ein ähnliches Getriebe offenbart die DE-PS 8 98 105, wobei die verzahnten Auflageabschnitte jedoch durch kleine Kettenräder gebildet werden. Um ein Eingreifen dieser Kettenräder in die Kette zu erleichtern, sind sie um einen kleinen Winkel um ihre Achse drehbar gelagert, so daß sie sich um einen entsprechenden Betrag ausrichten können.

Problem der vorliegenden Erfindung ist es, ein weiteres stufenlos schaltbares Getriebe zu schaffen, welches insbesondere im Automobilbereich einsetzbar sein soll.

Dieses Problem wird durch eine Getriebe gelöst, welches wie die aus dem Stand der Technik bekannten Getriebe mindestens eine Welle und ein flexibles, endloses Kraftübertragungselement enthält, welches die Wellenachse ganz oder teilweise in Form eines Polygonzuges umgibt und von der Welle angetrieben werden kann (d. h. umgekehrt auch zur Welle abtreiben kann). Bei der Welle kann es sich sowohl um eine Antriebswelle als auch eine Abtriebswelle handeln. Das Kraftübertragungselement ist typischerweise eine Kette, ein Zahnriemen oder ein Treibriemen, d. h. es kann sowohl ein formschlüssiger als auch ein kraftschlüssiger Eingriff vorliegen. Die Ecken des Polygonzuges, an welchen das Kraftübertragungselement aufliegt, werden von (im Verhältnis zum Durchmesser des Polygonzuges kleinen) Rädern gebildet, die mit dem Kraftübertragungselement in Eingriff stehen und deren Abstand von der Wellenachse veränderbar ist. Durch eine Vergrößerung des Abstandes dieser Räder zur Wellenachse vergrößert sich der effektive Umfang des Polygonzuges, über welchen das Kraftübertragungselement läuft, mit einer entsprechenden Folge für die Über- bzw. Untersetzungsleistung des Getriebes.

Erfindungsgemäß sind bei einem solchen gattungsgemäßen Getriebe die Räder als Planeten ausgebildet (Planetenräder), d. h. als mit ihren Drehachsen beweglich gelagerte Übertragungselemente. Die Lager der Planetenachsen (Achsenlager) sind dabei derart mit der Welle gekoppelt, daß sie einer Drehbewegung der Wellenachse folgen. D. h., daß die Achsenlager - und mit ihnen die Planeten - um die Wellenachse kreisen können. Weiterhin laufen bei dem erfindungsgemäßen Getriebe die Planetenräder an ihrer vom Kraftübertragungselement abgewandten Innenseite auf einer feststehenden, zur Wellenachse konzentrischen Innenscheibe veränderbaren Durchmessers.

Beim Betrieb eines derartigen Getriebes in Verbindung mit einer Antriebswelle (analoges gilt für eine Abtriebswelle) führen die Planetenräder eine kreisende Bewegung um die Wellenachse aus. Dabei laufen sie mit ihrer Innenseite an der feststehenden Innenscheibe entlang und werden hierdurch in eine gegenläufige Rotation um die Planetenachse versetzt. Diese Rotation überträgt sich an der Außenseite der Planetenräder auf das Kraftübertragungselement, welches dadurch entlang des Polygonzuges bewegt wird. Die weitere Ausnutzung dieser Bewegung des Kraftübertragungselementes kann je nach Wunsch bzw. Bedarf erfolgen, z. B. durch Lenkung dieses Elementes über die Scheibe einer entsprechenden Abtriebswelle.

Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Getriebe auf der Linie der Wellenachse ein Kegel oder Kegelstumpf angeordnet, wobei ein Segment des Kegels oder Kegelstumpfes die Innenscheibe bildet, auf welcher die Räder bzw. Planetenräder laufen. Der Kegel(stumpf) ist nicht mit der Welle verbunden, sondern feststehend. Seine Körperachse liegt in Verlängerung der Welle bzw. der Wellenachse. Ein schmales, senkrecht zur Körperachse des Kegels angeordnetes, scheibenförmiges Segment des Kegel bildet die Innenscheibe, auf deren äußerem Umfang die Planetenräder abrollen.

Diese Anordnung hat den Vorteil, daß durch eine Verlagerung des Kegels bzw. Kegelstumpfes entlang der Wellenachse sich das unter den Planetenrädern gelegene Segment und damit die Innenscheibe verändert, d. h. der Durchmesser der Innenscheibe nimmt kontinuierlich zu oder ab. Auf diese Weise ist eine leichte stufenlose Schaltung des Getriebes möglich.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden das Kraftübertragungselement durch eine Kette und die Planetenräder durch entsprechende Kettenräder gebildet. Derartige Elemente haben den Vorteil, daß ein formschlüssiges Übertragen der Kraft erfolgt, bei dem anders als beim Kraftschluß keine großen Normalkräfte aufgebracht werden müssen und bei dem die Reibungsverluste minimiert werden können.

Verzugsweise hat die Innenscheibe einen Leerlaufabschnitt, auf welchem sich die Planetenräder außer Eingriff befinden, d. h. bezüglich der Innenscheibe frei drehen können. Ein solcher Leerlaufabschnitt kann insbesondere an einer Stelle angeordnet werden, an der die Planetenräder (auch) nicht im Eingriff mit dem Kraftübertragungselement sind bzw. gerade wieder in Eingriff mit diesem treten. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß sich die Planetenräder dann frei so drehen können, daß sie einen guten Eingriff mit dem Kraftübertragungselement bekommen. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn letzteres ein formschlüssiges Element wie z. B. eine Kette ist.

Nach eine besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann eine Kette bzw. ein Kettenabschnitt entlang des Umfanges der Innenscheibe angeordnet sein. Diese Kette bietet nach außen hin effektiv eine verzahnte Oberfläche, auf welcher entsprechend verzahnte Planetenräder abrollen können. Der Vorteil einer solchen Kette ist es, daß die Länge der Verzahnung einfach dem stufenlos verstellbaren Durchmesser der Innenscheibe angepaßt werden kann, indem entsprechend mehr der Kette aufgezogen (oder abgezogen) wird. Ein vergleichbarer Einsatz einer Kette zur Bildung einer Verzahnung ist in der DE-OS 21 62 074 beschrieben. Die dort offenbarten Realisierungsmöglichkeiten lassen sich auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung anwenden.

Vorzugsweise weist die Innenscheibe derartige Abweichungen von der Kreisform auf, daß die Länge des vom Kraftübertragungselement gebildeten Polygonzuges dem Wälzkreis entspricht. Die Planetenräder rollen auf der Innenscheibe ab und folgen dabei deren Außenkontur. Durch die genannten radialen Abweichungen der Außenkontur von der idealen Kreisform (deren Größe gering im Vergleich zum Radius der Innenscheibe sind) kann dabei eine von der Position des Planetenrades abhängige Vergrößerung oder Verkleinerung seines Abstandes zur Wellenachse erfolgen. Diese kann genau so bemessen werden, daß der von den Planetenrädern gebildete Polygonzug eine feste Länge aufweist, die der Länge des Wälzkreises entspricht. Hierdurch können Laufunregelmäßigkeiten wirkungsvoll vermieden werden.

Bei einem vollständig stufenlos schaltbaren Getriebe mit einer Antriebswelle und einer Abtriebswelle können vorzugsweise an beiden Wellen die oben beschriebenen Maßnahmen vorgenommen werden. Das Kraftübertragungselement umgibt dabei die Wellenachsen in Form zweier Polygonzüge, deren Ecken jeweils von Planetenrädern gebildet werden, die innen jeweils auf einer feststehenden, zur Wellenachse konzentrischen Innenscheibe veränderbaren Durchmessers laufen. Sowohl an der Antriebswelle als auch der Abtriebswelle kann daher stufenlos das Getriebeverhalten geändert werden, was den Schaltbereich des Getriebes entsprechend erhöht.

Vorzugsweise sind bei einem Getriebe der zuletzt genannten Art die Achsenlager der Planetenräder an der Antriebswelle mit den Achsenlagern der Planetenräder an der Abtriebswelle derart gekoppelt, daß eine Vergrößerung des Abstandes der Planetenräder an der Antriebswelle zur Wellenachse der Antriebswelle gleichzeitig zu einer Verkleinerung des Abstandes der Planetenräder an der Abtriebswelle zur Wellenachse der Abtriebswelle führt und umgekehrt. Die Abstandsveränderungen der Planetenräder werden also jeweils an der Antriebswelle und der Abtriebswelle genau entgegengesetzt ausgeführt, was sich indes auf die Übersetzung des Getriebes beidemal in gleicher Richtung - und damit verstärkend - auswirkt. Hinzu kommt, daß je nach Konstruktion häufig mechanische Kräfte auftreten, die eine Vergrößerung des Durchmessers tendenziell unterstützen oder aber ihr entgegenwirken. Durch die beschriebene Kopplung einer Vergrößerung mit einer Verkleinerung können solche Kräfte vorteilhafterweise ausbalanciert werden.

Im folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht des Getriebes,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie A-A nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie C-C nach Fig. 1 und

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie B-B nach Fig. 3.

In den Fig. 1 bis 4 ist ein stufenlos schaltbares, formschlüssiges Getriebe dargestellt. Ein solches Getriebe soll insbesondere dazu dienen, Verbrennungskraftmaschinen in Kraftfahrzeugen im passenden optimalen Drehzahlbereich betreiben zu können, unabhängig von der gewünschten Fahrgeschwindigkeit. Die Kraftübertragung erfolgt über Ketten oder andere endlose, biegsame Elemente (Zahnriemen etc.). Das formschlüssige Übertragen der Kräfte bietet gegenüber dem Kraftschluß durch Reibung den Vorteil, daß keine großen Normalkräfte aufgebracht werden müssen (wie z. B. bei zwischen Riemenscheiben laufenden keilförmigen Riemen). Außerdem können die durch den Reibschluß zwangsläufig auftretenden Reibungsverluste minimiert werden und somit kann ein höherer mechanischer Wirkungsgrad des Getriebes gewährleistet werden.

Die Leistung wird über eine Welle-Nabe-Verbindung auf eine der beiden Führungsscheibensätze 9 oder 11 übertragen. Diese Scheiben weisen Nuten auf, in denen Führungselemente 12 verschiebbar angeordnet sind, vgl. Fig. 3 und 4. Zwischen den Führungselementen der oberen und unteren Scheibe 9 bzw. 11 befinden sich Achsen, die Planeten(räder) 3 bzw. 5 tragen. Die Planeten, die aus einem Wälzlager und einem Kettenrad bestehen, sind um ihre Achse frei drehbar.

Der in Fig. 2 dargestellte Schnitt A-A macht deutlich, daß die Planeten 3 auf der Innenseite auf einer Kette 2 bzw. 7 laufen, die Planeten 5 auf der Innenseite der Kette 2; 7 frei drehbar sind, während auf der Außenseite die Hauptkette 4 läuft. Die innere Kette 2 bzw. 7 ist um einem Kegelstumpf 1 bzw. 8 aufgezogen, der nicht drehbar ist.

Jeweils jeder zweite Planet ist um das Maß Δr in radialer Richtung nach außen verschoben. Damit wird erreicht, daß die Länge des Polygonzuges, den die Kette um die Planeten bildet, der Länge des idealen Wälzkreises (gestrichelt gezeichnet) entspricht. Die Planeten 5 sind also an der Leistungsübertragung nicht beteiligt. Sie sorgen aber dafür, daß jeweils mindestens zwei der Planeten 3 an der Kraftübertragung beteiligt sind, was nur bei entsprechend gespannter Kette möglich ist. Die Planeten 5 bilden mithin eine Art Kettenspanner und können einen kleineren Durchmesser als die Planeten 3 aufweisen.

Die Drehzahlverstellung wird über ein axiales Verschieben des Kegelstumpfes 1 (bzw. 8) erreicht, da sich dadurch die wirksame Kettenlänge und der Wälzkreisdurchmesser der inneren Kette 2 (bzw. 7) vergrößert. Ebenfalls werden dadurch die Planeten 3 in radialer Richtung verschoben, wodurch sich die Länge des Polygonzuges der äußeren Kette 4 bzw. der ideale Wälzkreisdurchmesser verändern. Wenn der Führungsscheibensatz 9, 11 mit konstanter Geschwindigkeit angetrieben wird, kann durch ein Verschieben des Kegelstumpfes 1 nach oben die Kettengeschwindigkeit stufenlos erhöht werden. Bei konstanter Kettenlänge der Hauptkette 4 muß der Kegelstumpf 7 auf der anderen Getriebeseite um das gleich Maß nach unten bewegt werden, wie Kegelstumpf 1 nach oben. Dadurch wird auf der rechten (Abtriebs-)Seite der Wälzkreisdurchmesser der Ketten kleiner und die Drehzahl des Führungsscheibensatzes auf dieser Seite wächst zusätzlich an.

Die innere Kette 2 übt auf den Kegelstumpf 1 eine radial nach innen gerichtete Kraft aus, die aufgrund des Schrägungswinkels des Kegelstumpfes eine nach unten (d. h. zur Kegelbasis) gerichtete Komponente aufweist. Die Verstellung der Übersetzung kann zum Beispiel durch eine Wippe, wie in Fig. 1 angedeutet, realisiert werden. Dadurch werden die aufzubringenden Verstellkräfte kleiner, weil der nach unten strebende Kegelstumpf 1 den anderen 8 hochdrückt. Das Übersetzungsverhältnis läßt sich auch unter Last stufenlos verstellen, weil die durch die radiale Verschiebung der Planeten zusätzlich benötigte Kettenlänge an der Außenkette 4 von den Planeten nachgezogen wird. Dies führt allerdings zu einer kurzfristigen Drehzahlschwankung zwischen der An- und Abtriebsseite.

Die Kegelstümpfe 1 und 8 haben auf der der Hauptkette 4 abgewandten Seite eine Öffnung von ca. 60°. Diese Öffnung erlaubt eine tatsächlich stufenlose Drehzahländerung, das heißt, es können auch "halbe Kettenglieder aufgezogen werden", weil beim Durchlaufen der Planeten in diesem Bereich der Öffnung weder an der Innennoch an der Außenkette eine Kraftübertragung stattfindet, und die Planeten frei um ihre Achse rotieren können. Bei entsprechender Formgebung der Flanken im Bereich der Aussparung der Kegelstümpfe können sich die Planeten so ausrichten, daß ihre Zähne in die Lücken zwischen den Kettenbolzen (bzw. Kettenhülsen) passen. Während dieser Positionierung findet noch kein Kraftfluß über den entsprechenden Planeten statt. Wenn der Planet bis zum Wiedereingriff in die äußere Kette 4 seine korrekte radiale Ausrichtung gefunden hat, ist gewährleistet, daß die Außenkette sauber in die Planetenzähne einläuft, weil die Kettenlänge der Außenkette durch den voreilenden Planeten 5 auf die richtige Länge eingestellt worden ist.

In der dargestellten Form kann das Getriebe eine Drehungleichförmigkeit aufweisen, weil die Außenkette in der Zeit zwischen dem Eingreifen jeweils zweier Planeten 3 nicht auf dem idealen Wälzkreisdurchmesser verläuft. Entsprechendes gilt auch für die andere Seite des Getriebes, von der die Kette im Lasttrum abläuft. Im Leertrum des Getriebes kann die entstehende Ungleichförmigkeit durch einen Kettenspanner ausgeglichen werden; der die Außenkette in dieser Bereich gespannt hält. Im Lasttrum sollte die Ungleichförmigkeit jedoch ausgeglichen werden. Das kann entweder über vor- bzw. nachgestellte Übersetzungsstufen erreicht werden, die eine betragsgleiche aber entgegengesetzte Ungleichförmigkeit aufweisen, oder durch eine geeignete Formgebung der Kegelstümpfe.

Bei einer solchen geeigneten Formgebung der Kegelstümpfe 1, 8 muß die Form der inneren Kette 2, 7 so gestaltet werden, daß in jeder Drehposition der Führungsscheiben die Kettenlänge der Außenkette derjenigen des idealen Wälzkreises entspricht. Dafür ist auf den Kegelstümpfen eine Art Nocken vorzusehen. Dieser Nocken erstreckt sich nur über den Winkelbereich, der von einem Planeten 3 während des Einlaufens überstrichen wird, da zwischen zwei sich im Eingriff befindlichen Planeten 3 der dazwischen angeordnete Planet 5 für die korrekte Kettenlänge und damit für Gleichlauf in diesem Bereich sorgt. Aufgrund der veränderten Einlaufverhältnisse bei unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen ist die Form des Nockens eine Funktion der Übersetzung und muß für jede Position der inneren Kette auf dem Kegelstumpf ermittelt werden.

Abweichend von der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausgestaltung des Getriebes wäre auch zum Beispiel eine fliegende Lagerung der Führungsscheiben denkbar, ebenso wie eine fliegende Lagerung der Planeten, wodurch sich die untere Führungsscheibe erübrigen würde. BEZUGSZEICHENLISTE 1 Kegelstumpf zur Verstellung der inneren Kettenlänge links 2 Innere Kette links 3 Planet zur Kraftübertragung 4 Hauptkette 5 Planet zum Spannen der Kette 6 Wickelvorrichtung für innere Kette 7 Innere Kette rechts 8 Kegelstumpf zur Verstellung der inneren Kettenlänge rechts 9 Obere Führungsscheibe 10 Verschraubungen zwischen Führungsscheiben 11 untere Führungsscheibe 12 Führung der Planetenachsen


Anspruch[de]
  1. 1. Stufenlos schaltbares Getriebe mit mindestens einer Welle und einem flexiblen, endlosen Kraftübertragungselement (4), welches die Wellenachse zumindest teilweise in Form eines Polygonzuges umgibt und von der Welle antreibbar ist, wobei die Ecken des Polygonzuges von Rädern (3, 5) gebildet werden, die mit dem Kraftübertragungselement in Eingriff stehen und deren Abstand von der Wellenachse veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Räder (3, 5) Planeten sind, deren Achsenlager derart mit der Welle gekoppelt sind, daß sie einer Drehbewegung der Wellenachse folgen, und daß die Räder (3) an ihrer vom Kraftübertragungselement abgewandten Seite auf einer feststehenden, zur Wellenachse konzentrischen Innenscheibe veränderbaren Durchmessers laufen.
  2. 2. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Linie der Wellenachse ein Kegel oder Kegelstumpf angeordnet ist, wobei ein Segment des Kegels oder Kegelstumpfes die Innenscheibe bildet, auf welcher die Räder (3) laufen.
  3. 3. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftübertragungselement durch eine Kette (4) und die Räder durch Kettenräder (3, 5) gebildet werden.
  4. 4. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenscheibe einen Leerlaufabschnitt hat, auf welchem die Räder (3) sich außer Eingriff befinden.
  5. 5. Getriebe nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kette (2, 7) bzw. ein Kettenabschnitt entlang des Umfanges der Innenscheibe angeordnet ist.
  6. 6. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenscheibe derartige Abweichungen von der Kreisform aufweist, daß die Länge des vom Kraftübertragungselement gebildeten Polygonzuges dem Wälzkreis entspricht.
  7. 7. Stufenlos schaltbares Getriebe dadurch gekennzeichnet, daß eine Antriebswelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und eine Abtriebswelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgestaltet ist.
  8. 8. Getriebe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsenlager der Räder (3, 5) an der Antriebswelle mit denen an der Abtriebswelle derart gekoppelt sind, daß eine Vergrößerung des Abstandes der Antriebswellen-Räder (3, 5) von der Wellenachse zu einer Verkleinerung des Abstandes der Abtriebswellen-Räder (3, 5) von der Wellenachse führt.






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