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Dokumentenidentifikation DE19936342A1 15.02.2001
Titel Selbsttätig steuerbares Regelgetriebe in Kompaktbauweise
Anmelder Reh, Karl-Heinz, Dipl.-Ing., 35578 Wetzlar, DE
Erfinder Reh, Karl-Heinz, Dipl.-Ing., 35578 Wetzlar, DE
DE-Anmeldedatum 02.08.1999
DE-Aktenzeichen 19936342
Offenlegungstag 15.02.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.02.2001
IPC-Hauptklasse F16H 3/42
Zusammenfassung Die Erfindung soll die Aufgabe lösen, ein Regelgetriebe mit formschlüssiger Kraftübertragung zu entwickeln, welches selbsttätig für jedes aufgebrachte Moment die größtmögliche Ausgangsdrehzahl unter Berücksichtigung des Lastmoments anzusteuern. Dabei sollte eine Verstellmöglichkeit auch bei Getriebestillstand gegeben sein.
Das Problem wurde dadurch gelöst, daß auf ein mit strahlenförmig auf die Nabe aufgesetzten keilartigen Lamellen bestücktes Rad beidseitig je ein Zahnrad mit rundflankigen Zähnen eingreift, das über die im Eingriff stehenden Lamellen mit dem Gegenrad ineinander kämmt. Die Drehzahlverstellung geschieht über gesteuerte Positionsveränderung des Zahnradpaares in Radialrichtung des Lamellenrades. Die Drehzahlvariationsmöglichkeit wird erweitert, wenn entsprechend Fig. 3 Bild b spiegelbildlich zur Achse der Lamellenscheibe (1) ein zweiter Zahnradsatz (4) in das Lamellenrad (3) eingreift. Wenn An- und Abtrieb über die Zahnradsätze laufen, ist ein zweistufiges Getriebe gegeben. Die Eingriffsverschiebung erfolgt nun über die Radialverschiebung des Lamellenrades.
Hauptanwendungsgebiet für diese Getriebekonstruktion ist der Ersatz einer Getriebeautomatik im KFZ-Bau, da Leistungslücken beim Schalten systembedingt vermieden werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung ist dem Gebiet der Antriebs- und Getriebetechnik zuzuordnen.

Regelgetriebe mit kraftschlüssiger Momentenübertragung bestehen heute hauptsächlich aus einem Regelscheibenpaar, welches durch einen endlosen Riemen keilförmigen Querschnitts miteinander verbunden ist. Da der spezifische Anpressdruck des Riemens aufgrund des Riemenmaterials wie auch seiner Formstabilität und der mechanischen Verstellsteuerung der umlaufenden Regelscheibe begrenzt ist, können nur kleinere Drehmomente direkt übertragen werden. Erhöhte Getriebeleistungen werden dadurch nur in hohen Drehzahlbereichen möglich, oder die Momente müssen durch entsprechend große Regelscheibendurchmesser übertragen werden. Gewicht und Baugröße solcher Getriebe sind dabei bezogen auf die möglichen Leistungsübertragungen äußerst umfangreich. Eine formschlüssige Kraftübertragung nach dem gleichen Regelprinzip mit Hilfe einer Kette statt eines Riemens vermeidet überhöhte Dimensionierungen. Die Kettenkonstruktion dieses Getriebes ist nicht geräuscharm, die Konstruktion ist schwergewichtig und für hohe Drehzahlen nicht geeignet.

Eine weitere Gruppe mechanischer Regelgetriebe basiert auf der Kraftübertragung durch Friktion. Durch die Punkt- oder Linienberührung der Friktionselemente lassen sich hiermit nur geringe Leistungen übertragen.

Bei allen bisher genannten Konstruktionen wird als zusätzlicher Nachteil verzeichnet, dass die Regelfähigkeit bei Getriebestillstand stand nicht gegeben ist.

Die Erfindung basiert auf der Aufgabe, eine Getriebekonstruktion darzustellen, die bei geringem Gewicht und beschränkter Baugröße ausreichend hohe Drehmomente sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Drehzahlen erreicht. Dabei sollte die Verstellbarkeit auch bei Drehzahl 0 gegeben sein.

Eine Konstruktion, die allen diesen Forderungen gerecht wird, stellt sich in Fig. 1 vor.

Ein Lamellenrad (1) ist, ausgehend von der Radnabe (2), aus einer Vielzahl von konisch gearbeiteten, aus hochfestem Material - z. B. gehärtetem Federstahl - hergestellten Bandabschnitten(Lamellen)zusammengesetzt. Die Lamellenkanten sind keilförmig angeschliffen, die Lamellen von der Nabenseite ausgehend mittig mit einer rechteckigen Ausnehmung versehen (Schnitt AB), die im Fortgang der jeweils benachbarten Lamellen eine steigende oder fallende Einschnittiefe aufweist. Das Einschnittende wird durch eine Schrägfläche (6) abgestützt, die den Abschluss eines mit der Nabe fest verbundenen, dachförmigen und radial zur Nabe gerichteten Aufsatzes (3) bildet. Der feste Aufsatz nimmt über die teilelastischen Lamellen die Kräfte des Drehmomentes auf, mit dem das Getriebe beaufschlagt wird. Die Breite der Einschnitte in die Lamellen wird bestimmt durch die Speichenbreite ergänzt durch eine Zahnhöhe.

Ein ringförmiges Federelement (7) richtet die Lamellen nach der Eingriffszone wieder aus.

In das Lamellenrad greifen gegenüberliegend zwei gleichgrosse Zahnräder (4) ein, die über das tangierte Lamellenpaket ineinander kämmen. Je nach radialer Lage des Eingriffspunktes wird eine verschiedene Anzahl von Lamellen von dem Zahnkopf und den anschließenden Flanken des einen Zahnrades erfasst und in die Zahnlücke des quasikämmenden Gegenrades gedrückt.

Die angeschliffenen Lamellenseiten legen sich dann entsprechend der Zahnflankenform versetzt in die Zahnlücke ein. Die Zahnform ist sowohl in der Zahnbreite als auch in der Zahnhöhe vom Zahnkopf aus abfallend ausgebildet, um beim Einlaufen des Zahnrades in die Eingriffszone sowie beim Auslaufen das im Eingriff stehende Lamellenpaket nicht zu quetschen. Der Synchronlauf der beiden in das Lamellenrad eingreifenden Zahnräder wird durch zwei gleichachsig angeordnete und unmittelbar ineinander kämmende Zahnräder sichergestellt. (5)

Weitere formschlüssige Kraftübertragungselemente sowie geeignete Speichenformen werden in Fig. 2 wiedergegeben. Das Lamellenrad(1) wird von einem Stabilisierungsring umschlossen (2). Auf die Nabe (3) und die Innenfläche des Stabilisierungsringes sind Mitnehmernocken (4) aufgesetzt, die Fuß- und Kopfende der Lamellenbündel stabilisieren. Alternative Speichenformen zeigen die Bilder (5-7).

Fig. 3 zeigt das Prinzip eines einstufigen (a) und zweistufigen (b) Regelgetriebes. Dabei bedeuten (1) die Hauptwelle, (2) die Lagerung der Hauptwelle, (3) das Lamellenrad und (4) die ins Lamellenrad eingreifenden Zahnradsätze mit den zugehörigen Synchronradsätzen. Das steuernde Verschiebeteil (5) ist in Bild (a) als Leiste, in Bild (b) als Rahmen ausgebildet. Bei der Rahmenbauweise der zweistufigen Ausführung kann der ganze Übersetzungsbereich in einem Schubschritt überfahren werden. Diese Anordnung hat weiterhin den Vorteil, dass An- und Abtriebswellen mit der Antriebsmaschine und der abnehmenden Mechanik fest verkuppelt werden können.

Ein Anwendungsbeispiel für das zweistufige Getriebe ist der Automobilbau. Hierbei werden Ausgangsdrehzahl und Ausgangsmoment durch die variable Energiezuführung und die Getriebeübersetzung bestimmt. Bei Stufenschaltung wird beim Schaltvorgang zur Fahrzeugbeschleunigung die Motordrehzahl zurückgenommen, um beim Eingriff der nächstgewählten Getriebestufe einen ruckfreien Abtriebsdrehzahlübergang zu erreichen. In diesem Augenblick wird die Leistung, die aus dem Produkt von Drehmoment und Drehzahl erwächst, um den Anteil des Übersetzungsverhältnisses der beiden betroffenen Getriebestufen reduziert, sodass eine konstante Leistungsabgabe auf die Antriebsräder nicht gegeben ist.

Beim Getriebe gemäß der vorliegenden Erfindung treten dagegen keine Leistungseinbrüche auf. Die Beschleunigungswerte werden verbessert, oder man kann alternativ leistungsschwächere Triebwerke einbauen, wenn die Triebwerkswahl ausschließlich durch die Beschleunigungswerte bestimmt ist.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus dem Umstand, dass sich für jede Fahrbedingung ein Optimum ansteuern lässt, wobei die Vorgabe beim Verbrennungsmotor ausschließlich über das Gaspedal erfolgt. Beim Start des Motors wird das Getriebe auf die Stellung des größten Abtriebsmoments zurückgefahren, was auch bei Getriebestillstand möglich ist.

Ein weiterer beispielhafter Anwendungsfall einer rein mechanischen schen Steuerung für das Regelgetriebe ist der Zweiradantrieb in Fig. 4.

Der Ansatz der Fußpedale oder des Antriebsrades beim Kraftrad (1) bringen das Antriebsdrehmoment über die Antriebswelle (2) auf. Ein auf der Antriebswelle fest montierter Bolzen trägt eine bewegliche Rolle (3), die auf der Exzenterkurve (4) einer auf der Antriebswelle frei laufenden Buchse (5) ablaufen kann. Ein von der Buchse umschlossenes Druckfederpaket (6) wirkt über ein Drucklager (7) auf einen an dem Getriebekasten (8) fest montierten Drucktopf (9), der über eine Druckplatte (10) und einen mit Emulsionsfüllung versehenen Gummischlauchring (11) eine Verschiebung der Buchse (5) in Axialrichtung in eine Druckänderung umwandelt. Auf der Buchse (5) sitzt außen auf einem axial verschiebbaren Buchsenring (12) das Lamellenrad (13) mit dem Zahnradsatz (14). Die steuernde Verschiebearbeit des Zahnradsatzes wird von einem Druckzylinder (15) geleistet, dessen Kolbenfläche wesentlich kleiner als der Querschnitt des Drucktopfes ist, der durch eine Druckleitung (20) mit dem Zylinder (15) verbunden ist. Durch geeignete Führungselemente (16) wird das Lamellenrad mittig gehalten.

Bei Betätigung der Pedale resp. Bewegung des Antriebsrades wird die, Antriebsachse und mit ihr der Zapfen mit der Rolle bewegt. Die Rolle rollt auf der Schraubenlinie des Exzenters ein Stück ab, bis zwischen An- und Abtriebsmoment ein Momentengleichgewicht besteht. Dabei stellt sich die, beim aufgebrachten Drehmoment höchst mögliche Drehzahl im Abtrieb ein.

Das Getriebe entsprechend Fig. 3 Bild B kann im Automobilbau auch als Ausgleichsgetriebe eingesetzt werden, wenn die Verschiebung des Rahmens vom Lenkeinschlag gesteuert wird und die Drehmomentzuführung über die Hauptachse (1) erfolgt. An den zwei Abgängen des Lamellenrades stehen alle Drehrichtungen zur Verfügung. Beim Fixieren des Verschiebeschlittens in Mittelstellung ergibt sich die Wirkung einer Differentialsperre.

Alle Vorteile des erfindungsgemäß beschriebenen Getriebes gegenüber herkömmlichen Konstruktionen seien an dieser Stelle nochmals zusammengefasst:

Im Fahrzeugbau ersetzt das Getriebe die Drehmomentwandler inklusive der Schaltgetriebe. Die Energiezufuhr bei der Beschleunigungsarbeit erfolgt kontinuierlich ohne Leistungseinbrüche. Das Getriebe zeichnet sich durch geringe Baugröße und hohe Fähigkeit der Leistungsübertragung bei geringem Gewicht aus. Eine Verwndungsmöglichkeit als Ausgleichsgetriebe mit einfacher Differentialsperre ist ebenfalls gegeben.

Die Antriebstechnik im allgemeinen Maschinenbau erlaubt Variationen von Drehzahl und Moment bei einfachen nicht drehzahlregelbaren Elekromotoren (Kurzschlussläufer), der dann während der ganzen Übertragungszeit an seiner Nennleistungsgrenze arbeiten kann.


Anspruch[de]
  1. 1. Selbsttätiges drehmomentsteuerbares Regelgetriebe in Kompaktbauweise, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe aus einer aus Sektorlamellen aufgebauten, wahlweise als Antrieb oder Abtrieb benutzten Lamellenscheibe und zwei beidseitig der Scheibe eingreifenden, zur Scheibenachse rechtwinklig laufenden Zahnrädern besteht, die entsprechend der Anordnung der Zahnköpfe eine Querverschiebung der Lamellen im Eingriffsbereich und eine formschlüssige und über die Lamellenbrücke kämmende Kraftübertragung der Zahnräder bewirken.
  2. 2. Regelgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden parallel laufenden, gegenläufigen Zahnradachsen ausserhalb des Laufbereichs der Lamellenscheibe durch zwei kämmende Zahnräder verbunden sind, die die Synchronisation der Zahnradachsen sichern.
  3. 3. Regelgetriebe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe der Lamellenscheibe mehrere radspeichenartig angeordnete Aufsätze mit schräg angeschnittenen Kopfseiten trägt, die in mittig eingearbeiteten Schlitzen der Radlamellen eingreifen und bei Belastung durch ein Drehmoment die Momentenkräfte von der Nabe auf die Lamellenscheibe wechselseitig übertragen,
  4. 4. Regelgetriebe nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass ein stabilisierender Radreifen das Lamellenrad umfasst, auf dessen Innenseite wie auch auf der Radnabe Nocken aufgesetzt sind, an die sich sektorweise Lamellenpakete anlegen, und durch die die Drehkräfte wechselweise auf die Nabe und den Radreifen übertragen werden.
  5. 5. Regelgetriebe nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlregelung durch radiale Verschiebung des Eingriffspunktes auf der Lamellenscheibe erfolgt.
  6. 6. Regelgetriebe nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Nabe und Nabenwelle mechanische, elektronische oder andere Regelelemente eingeschaltet sind, die messend und/oder steuernd in das Verhältnis zwischen An- und Abtriebsmoment sowie Eingangs- und Abgangsdrehzahl eingreifen.
  7. 7. Regelgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnflanken der Eingriffszahnräder so ausgeformt sind, dass die geometrischen Tangentialbedingungen an jedem Punkt des Eingriffs eingehalten werden.
  8. 8. Regelgetriebe nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellenränder in der Weise angefast sind, dass jede Lamelle für sich beim Eingriff die geometrischen Tangentialbedingungen in jedem Punkt des Eingriffs erfüllt.
  9. 9. Regelgetriebe nach Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass spiegelbildlich zur Achse der Lamellenscheibe eine zweite, gleichartig gestaltete Zahnradkombination eingreift, die für sich oder in Verbindung mit der ersten Zahnradkombination durch Verschiebung in Lamellenrichtung das Übersetzungsverhältnis bestimmt.
  10. 10. Regelgetriebe nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe der Lamellenscheibe einseitig exzenterförmig angeschnitten ist und dass der Antrieb über eine die Exzenterkurve berührende Rolle übertragen wird, die auf einem Bolzen läuft, der senkrecht zur Antriebsachse angebracht ist und sowohl das Drehmoment auf die Exzenternabe aufbringt als auch eine drehmomentabhängige Axialkraft überträgt, deren Kraftwirkung oder deren Verschiebeweg für die Steuerung der Getriebeeinstellung genutzt wird.






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