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Geschwindigkeitswechselgetriebe mit Antriebsumkehr Die Erfindung bezieht
sich auf ein mechanisches Getriebe zur Antriebsübertragung und betrifft-insbesondere
ein vereinfachtes und verbessertes Getriebe mit stufenlos veränderlichem Übersetzungsverhältnis,
das außerdem eine Einrichtung zur steuerbaren Antriebsumkehr bzwo einen Rückwärtsgang
enthalten kann, ohne daß das Geschwindigkeitswechselgetriebe dadurch komplizierter
wird. Der Erfindung liegt die Hauptaufgabe zugrunde, ein mechanisches Getriebe dieser
Art zu schaffen, das äußerst einfach und wirtschaftlich im Aufbau ist, dabei widerstandsfähig
und zuverlässig im Dauerbetrieb und das dabei in einfacher Weise an eine Steuerung
von Handoder eine automatische Steuerung angepaßt werden kann. Das neue Getriebe
kann für die verschiedensten Anwendungsgebiete mit Vorteil verwendet werden, ist
jedoch besonders für Kraftfahrzeuge geegnet, um den Motor unmittelbar mit der Antriebswelle
des Fahrzeugs zu kuppeln, ohne daß die Zwischenschaltung einer Trockenkupplung oder
einer hydraulischen oder pneumatischen Kupplung
erforderlich ist.
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Die Erfindung sieht, hierfür ein in besonderer Weise aufgebauten und
gesteuertes Differentialgetriebe vor, das ausgargeseitig mit einem einfachen und
leicht steuerbaren Umkehrgetriebe kombiniert werden kann. Differentialgetriebe mit
zwei gesonderten Eingangswellen und einer einzigen Ausgangswelle sind zwar für stufenlos
veränderliche Ausgangswellen bereits bekannt, und in manchen Fällen ist auch bereits
eine Antriebsumkehr der Ausgangswelle für vorbestimmte veränderliche Drehzahlen
vorgesehen, doch macht der Aufbau dieser bekannten Getriebe diese für viele Anwendungsgebiete
und insbesondere für die Verwendung bei Kraftfahrzeugen unbrauchbar oder wenig praktisch.
Diese bekannten Getriebe erfordern zwei getrennte erhebliche Kraftquellen, nämlich
eine für jede Eingangswelle, und außerdem einen extrem breiten Variationsbereich
der relativen Drehzahlen der Eingangswellen, wodurch das erforderliche Übersetzungsverhältnis
außerordentlich hoch wird, falls -an der Ausgangswelle eine Umkehr des Drehsinns
erzielt werden soll. Diese Schwierigkeiten werden aufgrund der Erfindung vermieden.
-Ein Geschwindigkeitswechselgetriebe mit Rückwärtsgang nach der Erfindung, bei dem
eine Eingangswelle, eine Zwischenwelle, eine Ausgangswelle und. ein Differentialgetriebe
für den Antrieb
einen Zugang für den Zusammenbau und f-zr Reparaturzwecke ermöglichen.
Während zur Vereinfachung der Zeichnung die GYellenlager als einfache Zylinderlager
dargestellt sind, werden diese in der Praxis im allgemeinen als Antifriktionslager
mit entsprechenden Aussparungen, Halterungen und Dichtungen ausgeführt sein. Zwischen
die Gehäuseteile 12 und 13 und quer zu den konaxialen Längsachsen der Eingangswelle
10 und der Ausgangswelle 11 ist eine Strebe oder Querwand 14 als Zager für eine
gleichfalls konaxiale Zwischenwelle 15 .vorgesehen, sowie eine Lagerkappe 16, die
den Zusammenbau des Getriebes ermöglicht und die Zwischenwelle 15 axial ausgerichtet
hält.
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Auf das innere Ende der Antriebswelle 10 ist ein Zahnrad 17 aufgekeilt
oder aufgesplintet und starr befestigt, das in der Zeichnung als einfaches Spurrad
dargestellt, in der Praxis jedoch zweckmäßig als schräg verzahntes Rad für geräuscharmen
Lauf ausgeführt ist. Ein gleiches Zahnrad 18 ist in derselben Weise am vorderen
Ende der Zwischenwelle 15 befestigt.
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Auf den Wellen 10 und 15 ist an axial außerhalb von den Zahnrädern
17 und 18 gelegenen Stellen ein Träger oder Käfig 19 drehbar gelagert, dessen Stirnwände
zwei Zahnräder 20 von größerer axialer Ausdehnung lagern, die mit den Verzahnungen
der Räder 17 und 18 in Eingriff stehen. Di.e vordere in der Zeichnung mit 21 bezeichnete
Stirnwand des Käfigs 20 ist als
Schneckenrad ausgebildet und mit
dem Käfig durch Bolzen 22 starr, jedoch lösbar verbunden. Das von der Stirnwand
gebildete Schneckenrad 21 kämmt mit einer Schnecke 23, die in einem Vorsprung 12'
des Gehäuseteils 12 untergebracht und drehbar gelagert ist. Die Schnecke 23 ist
über einen großen Bereich wahlweiser Drehzahlen durch einen Motor 24 antreibbar,
der am Gehäuseteil 12 bzw. 12# gelagert bzw. starr befestigt ist.
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Der L,lotor 24 kann ein elektrischer Motor, vorzugsweise mit Speisung
durch das übliche 12 Volt-System des Fahrzeuges, oder ein durch Druckmittel betriebener
Motor, vorzugsweise ein pneumatischer, von einem mit dem Fahrzeugmotor gekoppelten
Kompressor angetriebener Motor sein. Jedenf,ills soll der Motor 24 mit einem weiten
Bereich veränderlicher Drehzahlen zur Drehzahlsteuerung von Hand oder automatisch
ausgelegt sein. Im Falle eines elektrischen Motors kann die Steuerung über hier
nicht gezeigte, dem Fachmann jedoch geläufige Mittel durch .Änderung der an den
Zuführkabeln 25 angelegten Spannung erfolgen, wodurch die liIotordrehzahl wahlweise
veränderbar ist. Im Falle eines pneumatischen Motors;können entsprechende Druckregler
und/oder Steuerventile für die Strömung zum Steuern der Drehzahl des Motors 24 Verwendung
finden. Auch können bei jeder Ausführungsart und unabhängig davon, ob die Steuerung
von Hand oder vollautomatisch erfolgt, auf die Drehzahl ansprechende (hier nicht
gezeigte) Einrichtungen verwendet werden, um zu gewährleisten, daß der Motor 24
unter verschiedenen
Belastungen, Beschleunigungen und/oder Verzögerungen
mit der gewünschten Drehzahl läuft. Line solche Ausrüstung hat den weiteren Vorteil,
daß sie es gestattet, den Hauptiaotor, der unmittelbar mit der ,;in@@#-#@nt-;svrelle
10 gekup gelt sein kann, kontinuierlich mit optimaler Drehzahl zu betreiben,
wobei diese Drehzahl durch im Kraftfahrzeug bekannte b'inrichtunen automatisch gesteuert
werden kann.
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Betrachtet man jetzt die Arbeitsweise der bisher beschriebenen Teile
der Vorrichtung und unter der Annahme, daß die Ausgangswelle 11 mit der Zwischenwelle
15 gekuppelt ist, so ergibt sich, daß bei gegen Drehung festgeiüaltenem Käfig 19
das Zahnrad 18 synchron mit der Lindanöswelle 10 und dem Zahnrad 17 angetrieben
wird, vaobei die 1°;,nglichen Zahnräder 20 ihren Antrieb von dem Zahnrad 17 erhalten
und diesen auf das Zahnrad 18 übertragen. Diese Übertragung ergibt ein erhebliches
Drehmoment auf den Käfig, welches jedoch durch die nicht reversible Charakteristik,
also die Selbsthemmung des Schneckengetriebes 21,23 wirksam-abgebremst wird. Eine
praktische Ausführung ist jedoch auch in der Weise möglich, daß der Schneckentrieb
nicht voll selbsthemmend ist, sondern stattdessen eine entsprechende Bremsung oder
Steuerung-für den Motor 24 vorgesehen wird, was vorteilhaft dadurch verwirklicht
werden kann, daß die für das hchste gewünschte Übersetzungsverhältnis des Getriebes
erforderliche Höchstdrehzahl des Rotors von dem T,iotor 24 herabgesetzt wird. In
einem solchen Fall kann die Steigung der Schnecke 23 wesentlich größer sein, als
sie in der Zeichnung
dL:rgestellt ist.
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"iie erwähnt, ergibt sich ein Ubersetzungsverhältnis 1 z 1 zwischen
den Wellen 10 und 11, wenn der häfib 19 ortsfest gehalten ist, was für Antriebe
auf dem Kraftfahrzeugsektor die übliche bzw. direkte "Übersetzung sein würde. Ls
sei nun jedoch angenommen, daß der Käfig 19 durch den Motor 24 in geeignetem Drehsinn
und mit geeigneter Drehzahl bezüglich Drehsirvi und Drehzahl der Eingangswelle 10
angetrieben wird, so kann das Zahnrad 18 festgehalten werden, während die 'Helle
10 weiter mit ihrer gedrosselten oder gesteuerten Drehzahl umläuft. In diesem Fall
kreisen die länglichen Zahnräder 20 lediglich um das festgehaltüne Zahnrad 18, während
der erforderliche resultierende Eingriff am Umfang der Zahnräder 17 und 20 durch
die Drehung des Käfigs 19 aufgenommen wird. Dies entspricht dem neutralen Zustand
bei üblichen Getrieben und gestattet das Anlassen sowie den Betrieb des Fahrzeugmotors
ohne irgendeine Kupplung zwischen dem Motor und der Eingangswelle 10 sowie das Starten,
Anhalten und Steuern des Fahrzeuges ohne das Erfordernis einer solchen Kupplung.
Für die praktische Ausführung der Erfindung wird natürlich für eine geeignete (hier
nicht dargestellte) Synchronisierungseinriehtung für die Drehzahl des Käfigs 19
mit der Drehzahl des Tvlotors und der Eingangswelle 10 gesorgt. läuft die Eingangswelle
10 mit gedrosselter oder gesteuerter Drehzahl um, so wird durch progressive Verminderung
der Drehzahl des Käfigs 19
das Übersetzungsverhältnis zwischen den
Wellen 10 und 11 von beliebig kleinen Werten bis zu 1 : 1 vergrößert, wodurch sich
ein kontinuierlich veränderlicher Bereich von Drehzahlverhältnissen ohne Unterbrechung
zwischen dessen einzelnen Werten ergibt. Da zu jeder Zeit während der angetriebenen
Drehung der Eingangswelle 10 eine Tendenz des Käfigs 19 besteht, in gleichem Drehsinn
wie die Welle umzulaufen, wirkt der Schnekkentrieb 21,23 nur als Bremse oder Drehzahlsteuerung
und überträgt die resultierende Kraft auf den Motor 24. Wenn der Schneckentrieb
irreversibel ist, braucht der Motor 24 nur für einen Drehsinn ausgelegt zu sein,
was insbesondere in der Luftfahrt vorteilhaft ist, aber - wie oben bereits ausgeführt
- kann es, um den Drehzahlbereich des Motors 24 in praktischeren Grenzen zu halten,
wünschenswert sein, den Motor als Umkehrmotor, vorzugsweise als 12 Volt-Gleichstromeinheit
auszubilden, wobei dann die Steigung der Schnecke 23 größer und ihre Drehzahl vermindert
sein kann.
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Für jede Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Kraftübertragung
vom Motor über die Welle 10, die Zahnräder 17, 20 und 18 auf die Zwischenwelle 15
erfolgt, wobei nur die Käfiganordnung 1g, das Schneckengetriebe 21,23 sowie der
Motor 24 für die Steuerung vorgesehen sind. Diese Steuerung gestattet es, mit der
Eingangswelle 10 zu starten und deren maximale Drehzahl zu erreichen, während das
Zahnrad 18 und die Zwischenwelle 15 in Ruhe bleiben, und daran anschließend die
Drehzahl des Käfige 19 zu vermindern 9 um gleichfalls progressiv das
Verhältnis
zwischen den Wellen 15 und 10 über einen kontinuierlich veränderlichen Bereich herabzusetzen,
bis der Käfig angehalten und das Verhältnis 1 : 1 erreicht ist. Es ist zu beachten,
daß die beschriebene Antriebsübertragung ein Drosseln des die Welle 15 antreibenden
Motors nicht ausschließt, aber es muß - wie oben erläutert - eine Umkehrbeziehung
zwischen den Drehzahlen der Schnecke 23 und der Welle 15 bestehen, wenn das Fahrzeug
ohne eine Kupplung zwischen der Welle 10 und dem Fahrzeugmotor betrieben werden
soll. Die Anordnung im einzelnen sowie die Ausbildung der Steuerung liegt natürlich
im Einzelfall im Belieben des Fahrzeugkonstrukteurs.
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Was den Rückwärtsgang anbetrifft, sei. insbesondere auf Fig. 4 und
5 sowie den rechten Teil der Fig. 1 verwiesen, wonach ein Kegelrad 26 am rückwärtigen
Teil der Zwischenwelle 15 aufgekeilt und starr befestigt ist. Dieses Kegelrad 26
weist in einer rückwärtigen Verlängerung eine axiale Bohrung 27 mit Kerbverzahnung
auf.- Diese Bohrung-27 nimmt gleitend einen entsprechend kerbverzahnten Ansatz 28
eines zweiten Kegelrades 29 auf. Das Kegelrad 29 wiederum nimmt in einer kerbverzahnten.
Bohrung
rückwärtigen Ansatzes 30 das entsprechend verzahnte vordere Ende der Welle 11 gleitend
auf. Eine Schraubenfeder 31 drückt die Kegelräder 26 und 29 gegeneinander, und in
diesem Zustand sind, wie Fig. 5 zeigt, die Zwischenwelle 15 und die Ausgangswelle
11 unmittelbar gekoppelt, so-daß, beispielsweise bei einem Kraftfahrzeug, das Fahrzeug
im Vorwärtsgen g wäre.
Für die Antriebsumkehr ist ein überbrückendes
Kegelrad 32 (Fig. 1) auf einem Zapfen 33 frei. drehbar gelagert, so daß das Kegelrad
32 durch axiale Gleitbewegung des Zapfens 33 in und außer Eingriff mit.den Kegelrädern
26 uaid 29 gebracht werden kann. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, erfolgt die axiale Bewegung
des Zapfens 33 senkrecht zur gemeinsamen Drehachse der Kegelräder 26 und 29, und
letztere wird von der Längsachse des Zapfens 33 geschnitten. Für die axiale
Bewegung des Zapfens 33
ist ein doppelt wirkender Kolbenmotor 34 vorgesehen,
der elektrisch oder druckmittelbetätigt sein kann.
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Bei normalem Betrieb in Vorwärtsrichtung ist das Kegelrad 32 gegenüber
den Kegelrädern 26 und 29 zzuückgezogen, und letztere sind durch die Kerbverzahnung
27, 28 gekoppelt. Für eine Richtungsumkehr zwischen den Kegelrädern 26 und 29 mittels
des Kegelrades 32 ist ein Hockenglied 35 starr am Ende des Zapfens 33, also außerhalb
des Kegelrades 32, vorgesehen. Das Nockenglied 35 ist, wie Fig. 1 zeigt, keilartig
ausgebildet, so daß während der Einwärtsbe@vegang des Zapfens 33 das Kegelrad 29
entgegen der Federwirkung 31 zurückgedrückt und zugleich ein Eingriff des Kegelrades
32 in die Verzahnung der Kegelräder 26 und 29 ermöglicht wird. Hierbei wird also
die Kerbzahnverbin-Jung 27, 28 unterbrochen, so daß nunmehr bei Drehung der Zwischenwelle
15 die Antriebsverbindung von der Welle 15 über die Kegelräder 26, 32, 29, die-Kerbverbindung
30, 31 zur Ausgangswelle 11 erfolgt. Bei dieser Kraftübertragung über die
Kegelräder
wird natürlich das Kegelrad 29 und infolgedessen auch die Ausgangswelle 11 in umgekehrtem
Drehsinn zu dem der Zwischenwelle 15 und des Kegelrades 26 angetrieben. Natürlich
erfolgt das Einrücken und Ausrücken der Teile während des Stillstandes der Kegelräder
26, 29 und 32, um einen ruhigen Eingriff zu gewährleisten. Mit Ausnahme eines sehr
kurzen Intervalls zwischen der Trennung der Kerbverzahnungen 27, 28 und des Eingriffs
von dem Kegelrad 32 mit den Rädern 26 und 29 sowie umgekehrt sind die Kegelräder
26 und 29 und entsprechend die Wellen 15 und 11 stets in Antriebsverbindung.
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Weiter kann hinsichtlich der Arbeitsweise des Rückwärtsganges in der
hier beschriebenen Kraftübertragung zweckmäßig eine (hier nicht gezeigte) Steuerung
bzw. ein Antrieb für die Betätigung der Einwärtsbewegung des Motors 3¢ für das Kegelrad
32 mit einer (gleichfalls nicht gezeigten) Einrichtung zur Begrenzung des unteren
Bereiches der Drehzahl des Käfigs 19 vorgesehen werden, um die Rückwärtsbewegung
des Fahrzeuges innerhalb sicherer Grenzen zu halten.
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Die Erfindung schafft also eine vorteilhafte Antriebsübertragung mit
stufenlos veränderlichem Übersetzungsverhältnis und Umkehrgetriebe, das rein mechanisch
arbeitet und eine Anzahl zusätzlicher Vorteile bringt. Der Grundgedanke der Erfindung
ruht auf der Verwendung eines rotierenden Differentialkäfigs,
der
die Tendenz hat, im gleichen Drehsinn wie die Eingangswelle zu rotieren, welche
unmittelbar mit dem Rotor oder der Kurbelwelle des Haupt-Antriebsmotors verbunden
sein kann. Die Drehzahl des Getriebekäfigs erreicht ihr Maximum, wenn das Ausgangszahnrad
und die Ausgangswelle stillstehen,'und es besteht die Möglichkeit maximaler Drehmomentenübertragung,
wenn die Relativgeschwindigkeit des Käfigs dieses Maximum verläßt. Eine solche negative
Beschleunigung bzw. Verzögerung des Differentialkäfigs kann auf verschiedenen Wegen
erreicht werden, beispielsweise über ein Schneckengetriebe von hoher Drehzahl, wie
dargestellt, oder auch andere Getriebearten und sogar durch Friktionsbremsung mit
gesteuerter Geschwindigkeit. Ein besonderer Vorteil einer Antriebsübertragung nach
der Erfindung liegt darin, daß das Geschwindigkeitswechselgetriebe besonders einfach
und unmittelbar wirkend ist dank der Verwendung eines vollständig selbständigen
Umkehrgetriebes an der Ausgangsseite des Geschwindigkeitswechselgetriebes. Durch
konstruktive Anpassung der Antriebsübertragung nach der Erfindung an den Einzelfall
kann dieselbe leicht den verschiedensten Zwecken dienstbar gemacht werden einschließlich
des Antriebs ortsfester Maschinen und/oder Werkzeugmaschinen sowie leichter, und
schwerer Fahrzeuge, darunter Kraftfahrzeuge, Lastwagen und Traktoren.. Weiter ist
die Anpassungsfähigkeit einer erfindungsgemäßen Antriebsübertragung an sehr unterschiedliche
Arten der Steuerung beachtlich, von denen einige bereits oben erwähnt wurden, und
ein weiterer Vorteil ist der geringe Material- und Raumbedarf im Vergleich mit der
Leistung, die übertragen werden kann.