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Selbstspannendes Reibungsgetriebe
Es ist ein selbstspannendes Reibungsgetriebe bekannt geworden, dessen als Hohlkegelflächen ausgebildete Reibflächen mit zueinander parallelen oder einander schneidenden Achsen eine sich an ihnen abwälzende Kugel im Leerlauf an den Enden eines Durchmessers berühren, sie bei Belastung jedoch in den sich verjüngenden Teil ihres Zwischenraumes pressen, wobei zum Zwecke der Änderung des Übersetzungsverhältnisses der Reibflächendrehzahlen eine Einrichtung vorgesehen ist, die aus zwei mit der Kugel in rollendem Eingriff stehenden und jede für sich drehbar gelagerten Scheiben besteht, die derart gemeinsam verschiebbar gelagert sind, dass die Kugel längs paralleler Reibflächenerzeugenden verschoben werden kann.
Der Vorteil des geringen Platzbedarfes der aktiven Getriebeteile an sich geht durch die Anordnung der verhältnismässig grossen Scheiben verloren. Die Grösse der Scheiben ist aber durch die nur in weitem Abstand voneinander unterbringbaren Scheibenlagerungen bedingt. Weiters ist die Führung der Kugel nur im Bereich des Leerlaufes gewährleistet, da die Kugel sich bekanntlich bei Belastung in den sich verjüngenden Teil des Reibflächenzwischenraumes zwängt, dort aber sich der Abstand zwischen den Stützscheibenoberflächen vergrössert.
Die Erfindung schlägt dagegen für ein selbstspannendes Reibungsgetriebe, dessen als Drehflächen ausgebildete Reibflächen mit zueinander parallelen oder einander schneidenden Achsen eine sich an ihnen abwälzende Kugel im Leerlauf an den Enden eines Durchmessers berühren, sie bei Belastung jedoch in den sich verjüngenden Teil ihres Zwischenraumes pressen, zur Halterung bzw. Verschiebung der Kugel zwischen den Reibflächen einen Käfig vor, der so ausgebildet ist, dass er die Kugel nur mit Teilen berührt, die sich gegeneinander in Ruhe befinden. Im besonderen soll der Käfig die Kugel an ihren Polen berühren. Diese Anordnung spart an Raum und gewährleistet eine sichere Führung der Kugel.
Die Erfindung will sich nicht nur auf die Reibflächenpaarung von zwei Hohlkegeln, sondern auch auf die Paarung allgemeiner Drehflächen beziehen, sofern die Verjüngung des Reibflächenzwischenraumes von der Leerlaufstellung der Kugel aus gegeben ist. Als neben der Hohlkegelpaarung herstellungs-und betriebsmässig besonders günstige Paarung wird eine solche gesondert unter
Schutz gestellt, bei der d1e Reibflächenerzeugenden, die von der Kugel im Leerlauf berührt werden, konzentrische Kreisbögen sind.
Für die so beschriebenen Kugelgetriebe ergeben sich aus einer Komponente der in der Natur der Reibungsgetriebe liegenden grossen Anpresskräfte grosse Querbelastungen für die Lager der An-und Abtriebswellen. Die Erfindung schlägt daher auch eine Lösung vor, bei der die Querbelastungen durch folgende Anordnung aufgehoben sind.
Die auf den An-und Abtriebswellen sitzenden (End-) Reibflächen sind Innendrehflächen, die auf zwei parallelen Wegen durch je eine Kette Kugel-Zwischenreibfläche-Kugel miteinander im Sinne der Kugelgetriebe gekoppelt sind. Die Zwischenreibflächen sind Aussendrehflächen mit zu den entsprechenden Erzeugenden der Endreibflächen äquidistanten Leerlaufberührungserzeugenden und sind um eine gemeinsame Achse unabhängig voneinander drehbar gelagert. Die mit je einer Endreibfläche in Eingriff stehenden Kugeln sind derart gemeinsam verschiebbar, dass ihre Eingriffsradien untereinander immer gleich sind. Auf diese Weise wird eine Endreibfläche immer von zwei Kugeln auf zwei entgegengesetzten Radien berührt. Die radialen Komponenten der Anpresskräfte der beiden Kugeln heben somit einander auf.
Eine weitere Abwandlung der Erfindung sieht als koaxiale Endreibflächen Aussendrehflächen vor, die auf zwei oder sogar mehreren Wegen durch je eine Kette Kugel-Zwischenreibfläche-Kugel im Sinne der Kugelgetriebe miteinander gekoppelt sind. Die Zwischenreibflächen sind Innendrehflächen mit zu den entsprechenden Erzeugenden der Endreibfläche äquidistanten Leerlaufberührungserzeugenden. Auch hier sind die mit je einer Endreibfläche in Eingriff stehenden Kugeln derart gemeinsam verschiebbar, dass ihre Eingriffsradien untereinander immer gleich sind. Diese Getriebeart bietet gegenüber der zuletzt beschriebenen den Vorteil, dass ohne erhebliche Vergrösserung der Einheit, nämlich durch Anordnung von mehr als zwei parallelen Koppelwegen, die übertragbare Leistung entsprechend erhöht werden kann.
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Das Kugelgetriebe kann auch so abgewandelt werden, dass die von der Kugel abtreibende Reibfläche selbst wieder eine Kugel ist, die sich ihrerseits zwischen der ersten Kugel und einer weiteren Reibfläche im bekannten Sinne abwälzt, wobei die äusseren Reibflächen Innenkegel mit parallelen Leerlaufberührungserzeugenden sind. Hiedurch ergibt sich von selbst der Vorteil, dass die unter dem Anpressdruck stehenden Kugeln beim Verschieben in Richtung der Leerlaufberührungs- erzeugenden zum Zwecke der Änderung der Getriebeübersetzung sich aneinander abwälzen und so statt der gleitenden nur rollende Reibung zu überwinden haben.
Derselbe Vorteil der rollenden Reibung ergibt sich auch bei einem Kugelgetriebe, bei dem die von der Kugel abtreibende Reibfläche selbst wieder eine Kugel ist, die gegen seitliches Aus-
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die antreibende Reibfläche für eine dritte Kugel bildet, die sich ihrerseits zwischen der zweiten
Kugel und einer weiteren Reibfläche im bekannten
Sinne abwälzt, wobei die äusseren Reibflächen
Innenwulstflächen sind, deren Leerlaufbe- rührungszerzeugende Bögen ein und desselben
Kreises sind. Hier erfolgt die Verstellung zur Änderung der Übersetzung durch Schwenken des
Systems der drei Kugeln in der Ebene der Leer- laufberührungserzeugenden.
Wie weiter unten näher erläutert wird, zeigt die
Kugel unter Last das Bestreben, sich auch in Rich- tung ihrer Drehachse zu verlagern. Den Umstand aber, dass die Kugel gerade im Sinne einer Ver- ldein. erung der Abtriebsdrehzahl auf den Käfig drückt und dies je nach Belastung mit mehr oder weniger grossem Kraftaufwand, macht sich ein weiterer Erfindungsgedanke zunutze, indem der
Käfig nachgiebig ausgebildet und so eingerichtet wird, dass er mit zunehmender Verdrängung durch die Kugel eine steigende Stützkraft auf diese ausübt. Als Mittel zum Erreichen dieses Zieles können an sich bekannte Elemente, wie Federn, Gewichtspendel od. dgl., Verwendung finden.
Auf diese Weise wird es möglich, das Übersetzungsverhältnis der auftretenden Belastung selbsttätig anzupassen, ja dem Getriebe sogar eine beliebige Drehzahlchara Rristik zu geben.
Schliesslich sieht die Erfindung auch noch die Regelbarkeit der Stützkraft vor, wie dies z. B. durch die Änderung der Federvorspannung oder durch Änderung der Pendelgewichte oder-längen möglich ist.
Die Erfindung möge nun an den in der Zeichnung dargestellten Beispielen näher erläutert werden.
Ohne Ansehen der Ausbildung der Teile im Einzelfalle bedeutet in sämtlichen Figuren : 1 antreibende Reibfläche, 2 abtreibende Reibfläche, 3 eigentliche Getriebekugel, 4 Kugelkäfig, 5 Antrieb des Käfigs, 6 Stützrolle, 7 Erzeuger der veränderlichen Stützkraft, 8 Regelorgan der Stützkraft.
Zweistellige Zahlen gelten für Teile mit Doppelfunktionen, wobei den einzelnen Ziffern die Bedeutung der einstelligen Teilnummem zukommt.
Die ausgezogenen Pfeile gelten, soweit sie nicht als Schnittbezeichnungen erkenntlich sind, als
Richtungsangabe für die Arbeitsbewegungen, die gestrichelten Pfeile für die Verstellbewegungen.
Die Angaben an"und ab"bezeichnen jeweils die An-bzw. Abtriebsseite.
Als Beispiele für einfache Getriebe nach der Erfindung gelten die in den Achsenschnitten dargestellten Getriebe gemäss den Fig. 1 und 2. In Fig. 1 handelt es sich um Reibflächen mit geraden, in Fig. 2 um solche mit kreisbogenförmigen Berührungserzeugenden. Dementsprechend ist der Käfig 4 in dem einen Falle geradlinig verschiebbar, im anderen um den Mittelpunkt der Leerlaufberührungserzeugenden schwenkbar eingerichtet. Unter allen Umständen berührt der Käfig die Kugel 3 nur an deren Polen.
Die Berührungsflächen des Käfigs bleiben gegeneinander in Ruhe. Es sind hier nur Fälle dargestellt, bei denen die Reibflächenachsen parallel sind. Es ist aber leicht vorstellbar, wie sich die Bilder ändern, wenn die Reibflächenachsen einander schneiden.
Sowohl für Fig. 1 als auch für Fig. 2 gilt der Schnitte-J ! ? (Fig. 3). Da es sich hier bei den Reibflächen durchwegs um Innendrehflächen handelt, erscheinen beide Reibflächen in der Schnittebene, das ist die Ebene des Kugelrollkreises, als hohl gewölbt mit den Krümmungsmittelpunkten Kl und K2. Der ausgezogene Kreis kennzeichnet die Lage der Kugel 3 im Leerlauf, der gestrichelte
Kreis die bei Belastung. Wie die Figur zeigt, liegen die Berührungspunkte der Kugel im Leerlauf auf einem Durchmesser. Infolge des Widerstandes der abtreibenden Reibfläche 2 bei Belastung wird die Kugel von der antreibenden Reibfläche 1 mitgenommen und in die gestrichelte Lage gebracht.
Die Berührungspunkte liegen jetzt infolge der Verjüngung des Raumes zwischen den Reibflächen von der Kugelleerlaufstellung aus auf einer Sehne, die mit den zugehörigen Radien je einen Winkel einschliessen, der halb so gross ist als der Winkel, den die Berührungsebenen miteinander einschliessen. Der Winkel zwischen Sehne und Radius muss natürlich kleiner sein als der Reibungswinkel und ist sowohl in dieser Figur als auch in den Fig. 6,8 und 11 durch einen stark ausgezogenen Bogen kenntlich gemacht.
In Fig. 4 ist ein Achsenschnitt durch ein Getriebe gezeigt, bei welchem die als Innendrehflächen ausgebildeten An-und Abtriebsreibflächen 1 und 2 auf zwei getrennten Wegen über Kugel 3-Zwischenreibfläche 21-Kugel 3' gekoppelt sind. Die kegeligen Zwischenreibflächen 21 sitzen jede für sich drehbar auf einer als Nockenwelle 5 ausgebildeten gemeinsamen Achse. Die zu einem Rahmen vereinigten einzelnen Käfige 4 werden zum Zwecke der Änderung des Übersetzungsverhältnisses durch die auf der vonaussenversteIlbarenNockenwelleFfestsitzenden Nocken in Richtung der An-und Abtriebswelle verschoben. Dabei berühren die Kugeln 3 die Antriebsreibfläche 1 sowie die Kugeln 3'die Abtriebsreibfläche 2 jeweils auf gleichen Radien.
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Die entsprechenden Eingriffsradien auf den Zwischenreibflächen 21 sind ebenfalls immer gleich.
In Fig. 5 ist ein Hauptachsenschnitt durch ein Getriebe abgebildet, bei dem gegenüber dem Getriebe der Fig. 4 die Formen der An-und Abtriebsreibflächen 1 und 2 einerseits und die der Zwischenreibflächen 21 andererseits vertauscht sind. Ausserdem sind am Umfang des Getriebes drei Zwischenreibflächen 21 mit den zugehörigen Kugeln 3 und 3'gleichmässig verteilt zu denken. Die Verschiebung des Rahmens mit den Käfigen 4 zur Drehzahländerung erfolgt hier durch einen Hebel 5.
Die Fig. 6 (Schnitt L-M) gilt in gleichem Masse für die Getriebe der Fig. 4 und 5. Entsprechend den verschieden gewölbten Reibflächen erscheinen auch deren Krümmungen in der Schnittebene als aussen bzw. innen gewölbt.
Im übrigen gilt das zu Fig. 3 Gesagte sinngemäss.
Getriebe, bei denen bei Übersetzungsänderung nur rollende Reibung zu überwinden ist, erscheinen in den Fig. 7,9 und 10, u. zw. zeigt Fig. 7 ein solches mit zwei Kugeln und geradliniger Verstellung des Käfigs, während aus den Fig. 9 und 10 solche mit drei Kugeln und schwenkbaren Käfigen ersichtlich sind.
Der zum Getriebe Fig. 7 gehörige Schnitt N-0 ist in Fig. 8 gezeigt.
Aus der Fig. 11 geht klar hervor, dass die mittlere (Zwischen-) Kugel 21 der Getriebe nach den Fig. 9 und 10 durch seitliche Rollen 6 abgestützt sein muss, weil sonst die Kugel aus dem Verband ausknicken würde. Ebenso erklärt sich die zusätzliche dritte Rolle 6', die in Fig. 10 dargestellt ist und den Pol der Zwischenkugel abstützt.
Zur Erläuterung dessen, dass die Kugel das Bestreben hat, je nach Getriebebeaufschlagung mit mehr oder weniger grosser Kraft den Käfig zurückzudrängen und damit die Übersetzung zu ändern, wurde das Getriebe nach Fig. 12 mit der zugehörigen Schnittzeichnung (U-V) nach Fig. 13 gewählt.
Bekanntlich findet die Berührung der Kugel mit den Reibflächen nicht in ideellen Punkten sondern in, wenn auch kleinen, so doch messbaren Flächen (Ellipsen) statt. Ferner steht nach Obigem fest, dass unter der Getriebebeaufschlagung der Kugelmittelpunkt und noch mehr die Kontaktflächen mit den Reibflächen aus der Ebene der
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innerhalb der Kontaktfläche der Kugel mit der Antriebsreibfläche 1, die Punkte Fgg, Fg, Fg solche innerhalb der Kontaktfläche mit der Abtriebsreibfläche 2. Die Verlagerung aus der Ebene ist der Deutlichkeit halber stark übertrieben dargestellt. Die Kegelspitzen der Reibflächen sind mit 01 und O2 bezeichnet.
Im Punkte X13 mögen sich ein Punkt der Kugeloberfläche und ein solcher der Reibfläche 1 berühren. Beim Abwälzen wird der Kugelpunkt nach Xg, der Reibflächenpunkt nach wandern. Da aber alle drei Punkte nach der Annahme noch innerhalb der Berührungsellipse liegen, muss während des Abwälzens eine gewaltsame Ver- schiebung durch eine vom Käfig von unten her ausgeübte Kraft stattgefunden haben. Anderen- falls wäre der Punkt Xg auch nach X1 gelaufen und die Kugel entsprechend abgesackt. Die gleiche Überlegung sinngemäss für den Punkt Y23 bzw. Y2 und Y3 angewandt liefert auch hier das
Ergebnis, dass die Kugel nach unten drückt.
Bei Betrachtung der Fig. 12 kann man ohneweiters erkennen, dass das Bestreben der Kugel, sich nach unten zu bewegen, einer Verringerung der Abtriebsdrehzahl entspricht.
Das in Fig. 12 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung besitzt zur Einstellung des Käfigs entsprechend einem bestimmten Übersetzungsverhältnis im Leerlauf das an Ort drehbare, als Mutter ausgeführte Handrad 5. Durch die Zwischenschaltung der Federn 7 und 7'zwischen dem Verstellantrieb 5 und dem eigentlichen Käfig ist letzterer nachgiebig und hat so die Eigenschaft, mit zunehmender Verdrängung durch die Kugel auf diese eine zunehmende Stützkraft auszuüben. Je nach der Kraft-und Drehrichtung des Getriebes wird dabei entweder die Feder 7, wie dargestellt, oder die Feder 7'beansprucht.
Die Stützkraft kann durch Änderung der Federvorspannung von dem Handrad 8 aus über eine Spindel und gegenläufige Muttern von aussen her geregelt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Selbstspannendes Reibungsgetriebe, dessen als Drehflächen ausgebildete Reibflächen mit zueinander parallelen oder einander schneidenden Achsen eine sich an ihnen abwälzende Kugel im Leerlauf an den Enden eines Durchmessers berühren, sie bei Belastung jedoch in den sich verjüngenden Teil ihres Zwischenraumes pressen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Käfig, mit dessen Hilfe die Kugel zwischen den Reibflächen gehalten wird bzw. verschoben werden kann, die Kugel nur mit Teilen berührt, die sich gegeneinander in Ruhe befinden.