DE3809992A1 - Vorrichtung zur formschluessigen uebertragung oder umwandlung von kraeften und bewegungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur form­ schlüssigen Übertragung bzw. Umwandlung von Kräften und Bewe­ gungen. Derartige mechanische Vorrichtungen sind als Getriebe, Kupplungen, Bremsen und Differentiale bekannt und in allen Be­ reichen der Technik anzutreffen.

Formschlüssige Getriebe zur Übertragung gleichförmiger Drehbewegungen sind in der Regel als Verzahnungsgetriebe aus­ geführt. Verzahnungen sind jedoch teuer in der Herstellung und weisen springende Berührungslinien auf. Vor allem bei den am weitesten verbreiteten Stirnrädern, aber auch bei anderen Ver­ zahnungsrädern, ergibt sich wegen des Nulldurchgangs der Be­ rührungslinien sowie aufgrund von Schwingungen durch wechseln­ de Berührungslinien ein unruhiger und geräuschvoller Lauf. Nur bei bester Qualität und Verzahnungsgenauigkeit mit entspre­ chendem Bearbeitungsaufwand lassen sich Zahnradgetriebe her­ stellen, die höchsten Übertragungsanforderungen genügen. Kommt es auf gedrängte Bauart (hohe Raumleistung) an, so sind die noch aufwendigeren Planetengetriebe erforderlich.

Für eine gleichförmige formschlüssige Umwandlung einer ersten geradlinigen Bewegung in eine zweite geradlinige Bewe­ gung anderer Geschwindigkeit ist bisher kein einfaches Getrie­ be verfügbar. Die mit Gestängen oder Zahnrädern und Zahnstan­ gen arbeitenden bekannten Getriebe sind aufwendig und erfor­ dern großen Bauraum.

Auch für mechanische, während des Betriebs ein- und aus­ rückbare Kupplungen sind mehrere Bauarten bekannt, wobei als Sicherheitskupplungen zur Vermeidung von Drehmomentüberschrei­ tungen üblicherweise Reibungskupplungen verwendet werden, die bei Drehmomentüberschreitung rutschen. Ein Nachteil derartiger Kupplungen besteht darin, daß sie verschleißen und beim Rut­ schen Nutzenergie verloren geht. Auch bauen sie verhältnismä­ ßig groß.

Ähnlich sind die bekannten Bremsen in der Regel groß, schwer, aufwendig und hohem Verschleiß ausgesetzt. Häufig ist auch das Drehmoment nicht oder nur ungenügend regelbar.

Der Erfindung liegt die generelle Aufgabe zugrunde, Nach­ teile, wie sie bei vergleichbaren Vorrichtungen zur form­ schlüssigen Übertragung oder Umwandlung von Kräften und Momen­ ten nach dem Stand der Technik auftreten, mindestens teilweise zu beseitigen. Eine speziellere Aufgabe der Erfindung kann da­ rin gesehen werden, eine auf einem neuartigen Prinzip zur formschlüssigen, mechanischen Kraftübertragung beruhenden Vor­ richtung anzugeben, die aus einfachen Bauteilen mit entspre­ chend geringem Fertigungsaufwand herstellbar ist, wenig Bau­ raum beansprucht und geräusch- und verschleißarm arbeitet.

Die erfindunggemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 gekennzeichnet; vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung läßt sich bei Getrieben, Kupplungen, Brem­ sen und Differentialen vorteilhaft anwenden:

Getriebe werden dabei einfach in der Herstellung und neh­ men geringen Bauraum ein. Ferner weisen sie einen ruhigen, vi­ brationsfreien Lauf auf, da die Linien bzw. Punkte der Kraft­ übertragung nicht wie bei Zahnrädern springen, sondern sich auf Wälzkörpern stetig bewegen; da die über eine Linie bzw. einen Punkt übertragene Kraft ohne schwingungserzeugende Stöße periodisch an- und abschwillt; da die Kraftübertragung an meh­ reren symmetrisch gelegenen Stellen gleichzeitig erfolgt; und da es möglich ist, ein formschlüssiges Getriebe mit aus­ schließlich aufeinander abrollenden Teilen und entsprechend hohem Wirkungsgrad zu realisieren. Dabei ist auch eine un­ gleichförmige Übertragung von Dreh- und Linearbewegungen mög­ lich. Insbesondere lassen sich Lineargetriebe mit beliebiger pro- oder degressiver Übersetzung erzielen, was beispielsweise beim Anfahren oder Abbremsen günstig ist. Schließlich wird es möglich, kleinbauende und einfache Lineargetriebe zu realisie­ ren, die eine erste geradlinige Bewegung in eine zweite gerad­ linige Bewegung beliebiger anderer, beschleunigter oder unbe­ schleunigter Geschwindigkeit umzuwandeln.

Nach der Erfindung gebaute Kupplungen werden ebenfalls klein und einfach, und es lassen sich Sicherheitskupplungen herstellen, deren Haltbarkeit nicht vom Materialverschleiß in­ folge Reibung, sondern lediglich von der Materialermüdung wie bei Wälzlagern abhängt. Dabei kann das Grenzdrehmoment bei um­ laufender Welle oder die maximale Bewegungskraft während der Bewegung verändert werden. Ferner lassen sich erfindungsgemäße Kupplungen so gestalten, daß bei Erreichen des Maximaldrehmo­ ments Mmax der Antriebswelle das Drehmoment der Abtriebswelle gegenüber Mmax erhöht wird (analoge Krafterhöhung bei Linear­ getrieben).

Nach der Lehre der Erfindung gestaltete Bremsen arbeiten nahezu verschleißfrei und lassen sich klein und verhältnismä­ ßig einfach bauen. Dabei kann das Bremsmoment während des Bremsvorgangs gezielt und stufenlos verändert und die Brems­ energie zurückgewonnen werden.

Zu den Vorteilen erfindungsgemäßer Differentiale gehören neben sehr einfacher Herstellbarkeit, geringem Gewicht und kleinem Bauraum die Tatsache, daß sie eine beliebig festlegba­ re oder sogar variierbare Sperrwirkung haben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an­ hand der Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Lineargetrie­ bes in zerlegter, perspektivischer Ansicht,

Fig. 2 eine Übereinanderprojektion des Getriebes nach Fig. 1,

Fig. 3 und 4 Diagramme zur Erläuterung der Funktion des Getriebes nach Fig. 1 und 2,

Fig. 5 eine schematische, perspektivische und zerlegte Darstellung eines Rädergetriebes,

Fig. 6 eine Übereinanderprojektion der Teile des Getrie­ bes nach Fig. 5,

Fig. 7 einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 5 und 6,

Fig. 8 eine schematische, perspektivische und zerlegte Darstellung einer anderen Ausführungsform eines Rädergetrie­ bes,

Fig. 9 eine Übereinanderprojektion der Bauteile des Ge­ triebes nach Fig. 8,

Fig. 10 einen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 8 und 9,

Fig. 11 einen Axialschnitt durch eine Kupplung,

Fig. 12 ein Diagramm zur Erläuterung der an der Kupplung nach Fig. 11 auftretenden Kräfte,

Fig. 13 einen Axialschnitt durch eine Bremse,

Fig. 14 ein Schaltbild zur Erläuterung eines Betriebs der Bremse nach Fig. 13 mit Rückgewinnung der Bremsenergie,

Fig. 15 einen Axialschnitt durch ein Differential,

Fig. 16 einen Axialschnitt durch ein verstellbares Dif­ ferential, und

Fig. 17 ein erfindungsgemäßes Rädergetriebe mit Außen­ eingriff.

Anhand von Fig. 1 bis 3 soll zunächst das Prinzip der Erfindung anhand eines Lineargetriebes erläutert werden. Fig. 1 zeigt eine ein erstes Kurvenglied bildende obere Platte 1, an deren Unterseite zwei Nutenkurven 2, 3 mit halbkreisförmi­ gem Profil vorgesehen sind. Die Nutenkurven 2, 3 haben die Form von um Bezugskurven 4, 5 schwingenden Sinuskurven kon­ stanter Frequenz und Amplitude.

In ähnlicher Weise sind in einer ein zweites Kurvenglied bildenden unteren Platte 6 zwei um Bezugskurven 7, 8 schwin­ gende Nutenkurven 9, 10 mit halbkreisförmigem Profil ausgebil­ det, die die gleiche Amplitude aber eine geringere Frequenz aufweisen als die Nutenkurven 2, 3.

Zwischen der oberen Platte 1 und der unteren Platte 6 ist eine flache Platte 11 angeordnet, die quer zu den Nutenkurven 2, 3, 7, 8 verlaufende längliche Schlitze 12 aufweist. In je­ dem Schlitz 12 sind zwei Kugeln 13, 14 hin- und herbewegbar gehalten.

Im zusammengebauten Zustand liegen die drei Platten 1, 6, 11 derart aufeinander, daß die Bezugkurven 2, 3, 7, 8 parallel zueinander verlaufen, die Kugeln 13 in die Nutenkurven 2 und 9 und die Kugeln 14 in die Nutenkurven 3 und 10 eingreifen. Wird nun eine Platte relativ zu den anderen beiden Platten in Rich­ tung der Bezugskurven 4, 5, 7, 8 verschoben, so bewegen sich die Kugeln 13 längs der Nutenkurven 2 und 9 sowie quer dazu in den Schlitzen 12, und ebenso bewegen sich die Kugeln 14 längs den Nutenkurven 3 und 10 sowie quer dazu in den Schlitzen 12.

Stellt man sich die Platten (1, 6, 11) um ein Rohr gebo­ gen vor, ergeben sich daraus weitere Ausführungsbeispiele. Wenn man die Bezugskurven (4, 5, 7, 8) so krümmt, daß sie Kreise werden, ergeben sich Getriebe für Drehbewegungen. Dies ist für die Fig. 5 bis 11, 15, 16, 17 erläutert. Nicht dargestellt ist die Biegung der Platten um eine zu den Bezugskurven (4, 5, 7, 8) parallele Gerade. Die Platten würden dann umeinanderliegende Rohre bzw. parallel liegende Körper mit gekrümmter oder geknickter Querschnittsfläche bil­ den. Der Bauraum einer derartigen Vorrichtung ist geringer als der in Fig. 1 gezeigte.

Faßt man die Vorrichtung nach Fig. 1 als Kurvengetriebe auf, dann sind Platten 1, 6 die Kurvenglieder, Platte 11 ist der Steg und die Kugeln 13, 14 sind die Eingriffsglieder. Man kann jedes Kurvenglied und den Steg zum Gestell machen, nicht jedoch das Eingriffsglied. Die Platten 1, 6 sind die beiden weiteren Bauteile, die nach Patentanspruch 1 von dem Ein­ griffsglied kraftschlüssig gekoppelt werden.

Wie in Fig. 2 gezeigt, finden sich die Kugeln 13, 14 stets im gemeinsamen Schnittpunkt dreier Kurven, nämlich die Kugeln 13 an denen der jeweilige Schlitz 12 durch den Schnitt­ punkt der Nutenkurven 2 und 9 verläuft, und die Kugeln 14 an den Stellen, an denen der jeweilige Schlitz 12 durch den Schnittpunkt der Nutenkurven 3, 10 verläuft. Wird beispiels­ weise die Platte 1 mit den Nutenkurven 2, 3 hoher Frequenz festgehalten und die Platte 6 mit den Nutenkurven 9, 10 nie­ driger Frequenz in Fig. 2 so weit nach rechts verschoben, daß eine auf der Platte 6 vorgesehene Markierung von der Linie G 1 zur Linie G 3 wandert, so verschiebt sich dabei die mit den Schlitzen 12 versehene mittlere Platte 11 von der Linie G 2 zur Linie G 3. Wie nämlich aus Fig. 2 ersichtlich, ist die Markie­ rungslinie G 1 auf der Platte 6 an derjenigen Stelle vorgese­ hen, an der die Nutenkurven 9, 10 den geringsten Abstand von­ einander haben. Wird diese Position der Platte 6 mit der Posi­ tion der Markierungslinie G 3 in Deckung gebracht, an der die in der Platte 1 vorgesehenen Nutenkurven 2, 3 ihren geringsten Abstand voneinander haben, so muß der mit der Markierungslinie G 2 versehene Schlitz 12 der Platte 11 ebenfalls die Position der Linie G 3 erreichen, damit die in dem Schlitz 12 geführten Kugeln 13 und 14 im Überschneidungsbereich der Nutenkurven verbleiben.

Das Getriebe nach Fig. 1 und 2 ergibt also eine Ge­ schwindigkeits-Übersetzung von (G 1-G 3)/(G 2-G 3) . Aus der Tat­ sache, daß in jeder Platte 1, 6 die beiden Nutenkurven 2, 3 bzw. 9, 10 jeweils symmetrisch zueinander schwingen bzw. um π zueinander versetzt sind, ergibt sich eine Kompensation der Querkräfte.

Fig. 3 dient zum Nachweis

(a) daß die Abstände zwischen den Schnittpunkten zweier Sinuskurven konstanter Frequenz und gleicher Amplitude unab­ hängig von einer Relativverschiebung in Richtung der O-Achse stets gleich sind und

(b) die Geschwindigkeitsübertragung gleichförmig ist. Gemäß Fig. 3 haben die beiden Sinuskurven S 1, S 2 ein Fre­ quenzverhältnis n/m, d.h. daß auf einer Länge λ längs der O- Achse bzw. Bezugskurve B die Sinuskurve S 1 n Perioden und die Sinuskurve S 2 m Perioden hat. Nun ordne man die quer zur Be­ zugskurve B verlaufenden Schlitze 12 so an, daß sie durch die­ jenigen Schnittpunkte von S 1 und S 2 gehen, in denen jeweils eine der beiden Sinuskurven S 1 oder S 2 steigt und die andere fällt. Dabei ergeben sich über die Länge λ insgesamt m+n Schlitze.

Es sei angenommen, daß die Sinuskurve S 2 festgehalten und die Sinuskurve S 1 um die Strecke ε nach rechts verschoben wird. Dann verschiebt sich der Schnittpunkt P 1 um die Strecke x. Der Radiant von S 1 steht zum Radiant von S 2 im Verhältnis n/m, d. h.

π₁/π₂ = n/m.

Da sin (α · π) = sin (π-α π), muß diese Gleichung für alle Schnittpunkte von S 1 und S 2 gelten. Die Relativbewegung des Schnittpunktes P 1 gegenüber S 2 nach rechts sei x = α π₂. Dann bewegt sich P 1 relativ zu S 1 um α π₂ nach links. Im Ausgangspunkt P 1 (alt) ist

sin (β π₁) = sin (1-β)π₂).

Daher muß im neuen Schnittpunkt P 1 (neu)

sin (β + y) π₁) = sin ((1-(β-α))π₂)

sein. Folglich ist y = -α und S 1 wandert gegenüber S 2 um

ε = α π₁ + α π₂

nach rechts. Das Streckenverhältnis

V = ε/x = α (π₁ + π₂)/(α π₂) = (π₁ + π₂)/π₂ = 1 + (n/m)

gibt somit auch das Verhältnis der Relativgeschwindigkeiten von S 1 und P 1 zu S 2 an.

Daraus ergibt sich,

(a) daß die Schnittpunktsabstände wegen gleicher Ge­ schwindigkeitsverhältnisse aller Schnittpunkte zur Kurve S 1 sich nicht ändern und das Getriebe auch mit mehreren Schlitzen im Steg bei konstanten Schlitzabständen funktioniert, und

(b) daß das Geschwindigkeitsverhältnis für jedes noch so kleine ε gleich ist und daher eine absolut gleichförmige Ge­ schwindigkeitsübertragung erfolgt.

Fig. 4 zeigt die Überlagerung einer Sinuskurve konstan­ ter Frequenz mit einer solchen abnehmender Frequenz. In einem derartigen Fall kann in der Regel nur ein Eingriffsglied (Ku­ gel) pro Kurvenpaar verwendet werden. Durch parallele Anord­ nung mehrerer Kurvenpaare lassen sich aber auch derartige Ge­ triebe für hohe Übertragungskräfte auslegen. Bei Gestaltung der Kurvenpaare gemäß Fig. 4 ergeben sich Beschleunigungen bzw. Verzögerungen zweier geradliniger Bewegungen relativ zu­ einander.

Anhand von Fig. 3 läßt sich auch nachweisen, daß die Be­ wegung der mit den Schlitzen 12 versehenen Platte ungleichför­ mig wird, wenn diese einen schräggestellten Schlitz aufweist. Weitere Variationen lassen sich durch gekrümmte Schlitze sowie durch eine Asymmetrie einer oder beider Sinuskurven S 1, S 2 er­ reichen.

Das in Fig. 5 bis 7 dargestellte Rädergetriebe dient zur Übertragung von Drehbewegungen und weist ein Antriebsrad 20 mit einer um eine in diesem Fall kreisförmige Bezugskurve 21 oszillierenden Nutenkurve 22, ein dazu axiales Abtriebsrad 23 mit in Schlitzen 24 verschiebbaren Kugeln 25 und eine statio­ näre Scheibe 26 mit einer um eine ebenfalls kreisförmige Be­ zugskurve 27 oszillierenden Nutenkurve 28 auf. Analog zu dem oben beschriebenen linearen Fall sind die Bezugskurven 21, 25 im zusammengebauten Zustand des Getriebes konzentrisch zuein­ ander und die Kugeln 25 greifen in beide Nutenkurven 22, 28 ein. Die Kraft- und Bewegungsübertragung erfolgt bei diesem Rädergetriebe analog zu dem Linieargetriebe nach Fig. 1 und 2. Bei unterschiedlichen Oszillationsfrequenzen der Nutenkur­ ven 22, 28 ergibt sich eine entsprechende Drehzahlübersetzung. Bei dem gezeigten Getriebe sind das Antriebsrad (20) und die stationäre Scheibe (26) Kurvenglieder, das Abtriebsrad (23) Steg und die Kugeln (25) Eingriffsglieder und die Kurven­ glieder die weiteren Bauteile, die nach Patentanspruch 1 von dem Eingriffsglied kraftschlüssig gekoppelt werden.

Das in Fig. 8 bis 10 dargestellte Rädergetriebe ist dem­ nach Fig. 5 bis 7 grundsätzlich ähnlich, weicht jedoch an­ stelle von in Nutenkurven eingreifenden Kugeln Rollen auf, die an den voneinander abgewandten Flächen von Nocken- oder Wulst­ kurven ablaufen. Das Getriebe nach Fig. 8 bis 10 weist wie­ derum ein Antriebsrad 30, ein Abtriebsrad 31 und eine statio­ näre Stützscheibe 32 auf. An der Stützscheibe 32 ist eine um eine (nicht gezeigte) kreisförmige Bezugskurve oszillierende Wulstkurve 33 gezeigt. Solche Wulstkurvenscheiben oder -räder lassen sich dadurch herstellen, daß man die Wulstkurven etwa mit Hilfe eines Laserstrahls aus einer Platte schneidet und an dem Rad bzw. der Scheibe befestigt.

Das Abtriebsrad 31 ist mit Eingriffselementen 34 verse­ hen, die in radialen Schlitzen 35 hin- und herbewegbar sind. An den Eingriffselementen 34 sind Rollen 36 gelagert, die an der Innen- bzw. Außenseite der entsprechenden Wulstkurve ab­ rollen. Die an dem Antriebsrad 30 vorgesehene Wulstkurve 37 ist in Fig. 9 angedeutet. Wie in Fig. 10 gezeigt, können die Rollen 36 an den Eingriffselementen 34 wälzgelagert sein, so daß das Getriebe ausschließlich aneinander abrollende Elemente aufweist, dennoch formschlüssige Kraftübertragung gestattet.

Hier sind Antriebsrad (30) und Scheibe (32) die Kurven­ glieder, das Abtriebsrad (31) der Steg und die Eingriffsele­ mente (=Eingriffsglieder) mit Wälzkörpern versehen. Wieder sind die Kurvenglieder, die beiden nach Patentanspruch 1 kraftschlüssig gekoppelten weiteren Bauteile, die von dem Ein­ griffsglied kraftschlüssig miteinander verbunden sind.

Während bei den Getrieben nach Fig. 5 bis 7 und 8 bis 10 die Kurven in radialer Richtung oszillieren und dementspe­ chend die Schlitze radial im Stegrad verlaufen, weist das Aus­ führungsbeispiel nach Fig. 11 eine auf einer Antriebswelle 40 in radialer Richtung oszillierende Nutenkurve 41 auf, und ebenso ist eine zu der Antriebswelle 40 koaxiale Abtriebswelle 42 in einem das Ende der Antriebswelle 40 umgreifenden zylin­ drischen oder gabelartigen Teil mit einem oder mehreren axial verlaufenden Schlitzen 43 versehen. Anders als bei einem Ge­ triebe erfordert die Kupplung nach Fig. 11 in der die inein­ andergreifenden Enden von Antriebswelle 40 und Abtriebswelle 42 umgebenden Stützhülse 44 keine oszillierende Gegenkurve. Vielmehr ist in der Stützhülse 44 eine in einer Radialebene liegende Ringnut 45 vorgesehen. Eine in dem Schlitz 43 der Ab­ triebswelle 42 in Axialrichtung hin- und herbewegbare Kugel 46 greift in die in Axialrichtung oszillierende Nutenkurve 41 so­ wie in die in der Stützhülse 44 ausgebildete Ringnut 45 ein. Die Stützhülse 44 stützt sich an ihren beiden Stirnseiten je­ weils über Federn 47 an die Antriebswelle 40 bzw. die Ab­ triebswelle 42 umgebenden Lagerhülsen 48 ab.

In der in Fig. 11 gezeigten Stellung der Kupplung wird bei Drehung der Antriebswelle 40 die Kugel 46 in dem Schlitz 43 hin- und herbewegt und nimmt dabei die Stützhülse 44 gegen die Kraft der Federn 47 mit. Ist das Drehmoment jedoch gering, so reicht die über die Kugel 46 auf die Stützhülse 44 übertra­ gene Axialkraft nicht aus, die Stützhülse 44 weit genug gegen die Federn 47 zu verschieben; in diesem Fall wird die Kugel 46 in Drehrichtung mitgenommen und damit die Abtriebswelle 42 in Drehung versetzt. Bei genügend großer Axialkraft rollt die Ku­ gel in der Nutenkurve 41, und die Abtriebswelle 42 dreht sich langsamer als die Antriebswelle 40. Durch axiale Verschiebung einer oder beider Lagerhülsen 48 läßt sich die Vorspannung der Federn 47 und damit das maximale Kupplungsdrehmoment ändern.

Bei der Kupplung nach Fig. 11 stellt die Antriebswelle 40 das Kurvenglied, die Abtriebswelle 42 den Steg, die Kugel 46 das Eingriffsglied und Antriebswelle 40 und Stützhülse 44 die zwei weiteren Bauteile dar, die nach Patentanspruch 1 von dem Eingriffsglied miteinander gekoppelt werden.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 ist angenommen, daß die Stützhülse 44 nur axial hin- und herbewegbar, nicht aber drehbar ist. Bei eingerückter Kupplung ergibt sich daher ein Drehzahlverhältnis von 1 : 1. Ist in der Stützhülse 44 eben­ falls eine sinusförmige Nutenkurve vorgesehen, so ergibt sich bei eingerückter Kupplung eine Übersetzung von 1 : n, die bei durchrutschender Kupplung das Verhältnis 1 : m mit m < n an­ nimmt.

In einer (nicht dargestellten) alternativen Gestaltung der Kupplung kann die Kugel 46 nach Fig. 11 durch einen oder mehrere an der Innenseite der Stützhülse 44 vorgesehene Stifte ersetzt sein, die Schlitze 43 in der Abtriebswelle durchsetzen und in die Nutenkurve 41 der Antriebswelle 40 eingreifen. In diesem Fall muß die Stützhülse 44 hin- und herbewegbar und drehbar sein.

In einer weiteren (nicht gezeigten) Ausführungsform läßt sich das dargestellte Kupplungsprinzip auch in verstellbares oder schaltbares Getriebe umwandeln. Dazu denke man sich in der Anordnung nach Fig. 11 die Federn 47 entfernt und durch eine beispielsweise mechanische, hydraulische oder pneumati­ sche Einrichtung ersetzt, mit deren Hilfe die Frequenz der hin- und herbewegten Stützhülse 44 ein- und verstellt werden kann. Die Kraft der Hin- und Herbewegung der Stützhülse 44 würde dann auf die An- oder die Abtriebswelle übertragen. Bei vorgegebener oszillierender Kurve und vorgegebener Drehzahl der Antriebswelle 40 hängt dann die Drehzahl der Abtriebswelle 42 von der Frequenz der Stützhülse ab. Bei Ändern der Frequenz ändert sich die Abtriebsdrehzahl, d.h. die Getriebeüberset­ zung.

Fig. 12 erläutert die Kraftwirkungen bei durchrutschen­ der Antriebswelle. Befindet sich das etwa von der Kugel 46 in Fig. 11 gebildete und in Fig. 12 mit 50 bezeichnete Ein­ griffselement auf der Bezugskurve 51, dann heben die von rechts und links auf das der Stützhülse 44 nach Fig. 11 ent­ sprechende Eingriffselement einwirkenden Federkräfte (Fl, Fr) einander auf. Wird das Eingriffselement nach links bewegt, so ist die von links wirkende Federkraft größer als die von rechts (Fl < Fr). Bei ausreichend großem Drehmoment der An­ triebswelle wird die von links einwirkende Feder ausreichend weit zusammengedrückt und das Eingriffselement 50 über die Am­ plitude der von der Nutenkurve 41 gebildeten Kurve 52 gehoben und bewegt sich zurück in Richtung der Bezugskurve 51. Die in der Feder gespeicherte Kraft wird dabei frei und drückt das Eingriffselement gegen die rechte Begrenzung der Nutenkurve. Eine Betrachtung der Kraftvektoren zeigt, daß die bei Entspan­ nung freiwerdende Kraft eine zusätzliche Komponente in Bewe­ gungsrichtung ergibt, das Drehmoment an der Abtriebswelle al­ so zunimmt.

Die in Fig. 13 schematisch dargestellte Bremse weist ähnlich wie die Kupplung nach Fig. 11 eine Welle 60 auf, die mit in Axialrichtung oszillierenden Nutenkurven versehen ist und den (nicht gezeigten) abzubremsenden Körper trägt. Die Welle 60 ist von einer stationären oder stationär feststellba­ ren Steghülse 61 mit Axialschlitzen 62 umgeben, durch die hin­ durch Eingriffselemente 63 einer hin- und herbewegbaren Stütz­ hülse 64 in die Nutenkurven eingreifen. Mit der Stützhülse 64 ist ein Kolben 65 verbunden, der in einem Hydraulikzylinder 66 hin- und herbewegbar ist. Der Auspreßdruck des Hydraulikzylin­ ders läßt sich über ein Ventil 67 stufenlos regeln, so daß das Bremsmoment entsprechend variiert werden kann. Bei vorgegebe­ ner Mindestöffnung des Ventils 67 arbeitet die Bremse bloc­ kierfrei.

Bei der beschriebenen Bremse stellt die Welle 60 das Kur­ venglied, die Steghülse 61 den Steg und die Stützhülse 64 mit den Eingriffselementen 63 das Eingriffsglied gemäß Anspruch 1 dar. Die Welle 60 und der Kolben 65 bilden die beiden weiteren Bauteile, die nach Anspruch 1 von dem Eingriffsglied kraftschlüssig miteinander gekoppelt werden.

Wird die Bremse nach Fig. 13 in Verbindung mit einer Hydraulikschaltung nach Fig. 14 eingesetzt, so läßt sich die Bremsenergie teilweise zurückgewinnen. Von der vom Zylinder 70 kommenden Leitung 71 zweigt vor dem Ventil 72 zur Regelung des Bremsmoments eine Leitung 73 zu einem Druckbehälter 74 ab, die mit einem Rückschlagventil 75 versehen ist. Solange der Druck in der Leitung 71 den des Druckbehälters 74 überschreitet, strömt Hydraulikflüssigkeit aus dem Zylinder 70 in den Druckbehälter 74.

Vom Druckbehälter 74 führt eine Leitung 76 zu einem Ven­ til 77, mit dem sich der Hydraulik-Flüssigkeitsstrom zu einem Hydraulikmotor 78 regeln läßt. Ist der Hydraulikmotor 78 über einen Freilauf 780 an die Antriebswelle 79 einer Arbeitsma­ schine oder eines Fahrzeugs derart angeschlossen, daß die Wel­ le 79 schneller drehen kann als der Hydraulikmotor 78, nicht aber umgekehrt, so steht der Hydraulikmotor 78 normalerweise still. Wird aber das Ventil 77 vom Druckbehälter 74 geöffnet, so wird der Hydraulikmotor 78 vom Behälterdruck auf die Dreh­ zahl der Welle 79 beschleunigt und kann ein Drehmoment abge­ ben.

Das in Fig. 15 dargestellte Differential weist eine den Steg des Getriebes bildende Hohlwelle 80 auf, auf der ein Ke­ gelrad 81 befestigt ist, und die mit Axialschlitzen 82 verse­ hen ist, in denen wiederum als Kugeln 83 ausgebildete Ein­ griffskörper hin- und herbewegbar sind. Die Hohlwelle 80 wird von einer Motorwelle über ein mit dem Kegelrad 81 kämmenden Kegelrad 84 angetrieben. Eine Innenwelle 85 und eine Außenwel­ le 86 weisen jeweils zwei mit gleicher Frequenz oszillierende Nutenkurven 87, 88 bzw. 89, 90 auf, in die die Kugeln 83 ein­ greifen. Wenn Innenwelle und Außenwelle 85, 86 mit gleichem Drehmoment beaufschlagt sind und gleiche Drehzahl haben, blei­ ben die Kugeln 83 relativ zu den drei Wellen 80, 85, 86 unbe­ wegt, und die von der Motorwelle zugeführte Leistung wird zu gleichen Teilen auf die beiden Abtriebswellen 85, 86 des Dif­ ferentials übertragen. Dreht dagegen bei Kurvenfahrten eine der Wellen 85, 86 schneller als die andere, so verschieben sich die Kugeln 83 in den Schlitzen 82 und den Nutenkurven 87...90.

Das Differential erfordert in Innen- und Außenwelle 85, 86 jeweils zwei Nutenkurven 87...90, wobei wenigstens an einer Welle die beiden Kurven nicht parallel verlaufen dürfen. In Fig. 15 ist angenommen, daß die in der Außenwelle 86 vorgese­ henen Nutenkurven 87, 88 parallel zueinander, die an der In­ nenwelle 85 ausgebildeten Nutenkurven 89, 90 dagegen symme­ trisch zueinander verlaufen, d.h. um π gegeneinander ver­ setzt sind. In Fig. 15 sind ferner die beiden Wellen 85, 86 in einer solchen Stellung relativ zueinander gezeigt, daß die beiden rechten Nutenkurven 88 und 90 parallel zueinander ver­ laufen. In dieser Stellung können beim Drehen der Hohlwelle 80 die rechten Kugeln 83 keine Kraft auf die Wellen 85, 86 über­ tragen sondern würden vielmehr in dem von den beiden Nutenkur­ ven 88, 90 gebildeten Kanal laufen und sich dabei längs der Schlitze 82 verschieben. Andererseits sind in dieser Stellung die linken Nutenkurven 87, 89 derart zueinander versetzt, daß sie einander kreuzen und die an den Kreuzungspunkten befind­ lichen, in Fig. 15 gestrichelt angedeuteten Kugeln 83 Kraft übertragen können. Bei allen anderen relativen Stellungen der beiden Wellen 85, 86 nehmen beide Kugelpaare 83 an der Kraft­ übertragung von der Hohlwelle 80 auf die Abtriebswellen 85, 86 teil. Zur Stabilisierung der Laufeigenschaften können die Ku­ geln 83 in ihren Schlitzen 82 gegen Federkräfte verschiebbar sein.

Bei dem in Fig. 16 gezeigten Differential wird wiederum die den Steg des Getriebes bildende Hohlwelle 91 von einer Mo­ torwelle 92 gedreht. Drehfest aber in Axialrichtung verschieb­ bar in der Hohlwelle 91 sind Eingriffselemente 93 gelagert, die mit Stiften oder Rollen in Nutenkurven 94, 95 eingreifen. Zu den beiden in Fig. 16 gezeigten Eingriffselementen 93 um 90° versetzt sind weitere (nicht dargestellte) Eingriffsele­ mente in der Hohlwelle 91 verschiebbar gelagert, die in weite­ re Nutenkurven 96, 97 eingreifen. Die Nutenkurven 94...97 sind in den beiden Abtriebswellen 98, 99 des Differentials ausge­ bildet. Ähnlich wie bei der Kupplung nach Fig. 11 sind die Eingriffselemente 93 gegen die Kraft von Federn 100 verschieb­ bar, deren Spannung sich durch axial verschiebbare, an beiden Stirnseiten der Hohlwelle 91 angebrachte und mit dieser rotie­ rende Hülsen 101 verstellt werden kann.

Fig. 17 zeigt die Anwendung des Erfindungsprinzips auf ein Räderpaar mit Außeneingriff. Die beiden Räder 110, 111 weisen dabei an ihrer Umfangsfläche Nutenkurven 112, 113 auf, die mit gleicher Amplitude und gleicher oder unterschiedlicher Frequenz oszillieren. Zwei zwischen den beiden Rädern 110, 111 angeordnete Eingriffskörper 114 sind parallel zu den beiden Achsen der Räder 110, 111 in einem (nicht gezeigten) Gehäuse verschiebbar und weisen auf ihren, den Rädern zugewandten Flä­ chen jeweils einen in die betreffende Nutenkurve 112, 113 ein­ greifenden (nicht gezeigten) Vorsprung auf. Wird beispielswei­ se das Rad 110 angetrieben, so werden die gegen ein Ausweichen in Querrichtung durch einen (nicht gezeigten) Gehäuseschlitz gehaltenen Eingriffskörper 114 in Richtung des Doppelpfeils hin- und herverschoben und treiben dabei ihrerseits das Rad 111 an.

Entsprechend Fig. 1 kann man sich das obere Rad 110 als die nach oben gebogene obere Nutenkurvenplatte, das untere Rad 111 als die nach unten gebogene untere Nutenkurvenplatte und das Gehäuse mit den Eingriffskörpern 114 als verkümmerte Schlitzplatte vorstellen. Im Sinne von Anspruch 1 bilden wie­ der die beiden Räder 110, 111 die Kurvenglieder und die von den Eingriffselementen (Eingriffskörper 114) kraftschlüssig gekoppelten Bauteile, während das (nicht gezeigte) Gehäuse den Steg darstellt.

Grundsätzlich funktionieren alle oben beschriebenen Aus­ führungbeispiele mit Kurvengliedern, die Kurven mit einer be­ liebigen Anzahl von Oszillationsphasen auf die Länge der Be­ zugskurve aufweisen. Bei kreisförmigen oder generell geschlos­ senen Bezugskurven sollte die Kurve des Kurvengliedes aber mindestens zwei Oszillationsphasen auf die Kurvenlänge oder das Kurvenglied mindestens zwei verschiedene phasenversetzte Kurven aufweisen, so daß mehrere Eingriffselemente möglichst symmetrisch entlang der Bezugskurve angeordnet werden können. Dadurch wird die Gefahr eines Klemmens vermieden und Vorteile wie symmetrische Kraftverteilung, ruhiger Lauf, hohe Tragfä­ higkeit usw. erreicht. Bei geraden Bezugskurven werden ohnehin regelmäßig mehrere Oszillationsphasen vorgesehen sein.

Claims (21)

1. Vorrichtung zur formschlüssigen Übertragung oder Umwand­ lung von Kräften und Bewegungen, umfassend mindestens ein Kur­ venglied (1, 6; 20, 26; 30, 32; 40, 44; 60; 85, 86; 98, 99; 110, 111), mindestens einen Steg (11; 23; 31; 42; 61; 80; 91; 114) und mindestens ein Eingriffsglied (13, 14; 25; 34, 36; 46; 63, 64; 83; 93), wobei Steg oder Kurvenglied Gestell sein kann und der Steg mit dem in die Kurve des Kurvengliedes ein­ greifenden Eingriffsglied versehen ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kurve (2, 3, 9, 10; 22, 28; 33; 41; 87...90; 94 ...97; 112, 113) des Kurvengliedes (1, 6; 20, 26; 30, 32; 40, 44; 60; 85, 86; 98, 99; 110, 111), eine mit konstanter Ampli­ tude relativ zu einer Bezugskurve (4, 5, 7, 8; 21, 27) oszil­ lierende Kurve ist,
daß das Eingriffsglied (1, 6; 20, 26; 30, 32; 40, 44; 60; 85, 86; 98, 99; 110, 111) zwei weitere Bauteile der Vorrich­ tung kraftschlüssig miteinander koppelt, und
daß das Eingriffsglied (1, 6; 20, 26; 30, 32; 40, 44; 60; 85, 86; 98, 99; 110, 111) im Steg (1, 6; 20, 26; 30, 32; 40, 44; 60; 85, 86; 98, 99; 110, 111) so geführt ist, daß es quer zu der Bezugskurve (1, 6; 20, 26; 30, 32; 40, 44; 60; 85, 86; 98, 99; 110, 111) und relativ zum Steg nur hin- und herbeweg­ bar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurve eine Nuten- oder Wulstkurve ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingriffsglied (34, 36; 63, 64; 93) ein mit der Kurve (33; 87...90; 94...97) zusammenarbeitender Gleit- oder Wälzkörper ist oder mit einem solchen versehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kurvenglieder (1, 6) als parallele ebene Platten ausgebildet sind, die an den einander zugewandten Flä­ chen jeweils mindestens eine sinusförmig oszillierende Kurve (2, 3; 9, 10) aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Platte (1, 6) zwei symmetrisch zueinander verlaufende oszillierende Kurven (2, 3, 9, 10) vorgesehen sind, deren Be­ zugskurven (4, 5, 7, 8) parallel zueinander verlaufen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kurvenglieder (40; 44; 85, 86) konzen­ trisch ineinander angeordnete zylindrische Bauteile sind, die an einander zugewandten Mantelflächen jeweils eine quer zur Bezugskurve oszillierende Kurve aufweisen und die Bezugskurve eine achsparallele Gerade oder ein konzentrischer Kreis ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kurvenglieder (110, 111) zwei parallel­ achsig angeordnete Räder sind, die an ihren äußeren Umfangs­ flächen mit jeweils zwei Kurven (112, 113) versehen sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kurvenglieder (20, 26; 30, 32) als ko­ axiale Räder ausgebildet sind, die an den einander zugewandten Seitenflächen mit jeweils einer um einen Bezugskreis (21, 27) oszillierenden Kurve (22, 28; 33) versehen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (23; 31) als zwischen den beiden Rädern (20, 26; 30, 32) und koaxial dazu angeordnetes Rad ausgebildet ist, der die Eingriffskörper (25; 34, 36) in Radialschlitzen (24; 35) trägt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich­ net, daß eines der beiden äußeren Räder (20, 26; 30, 32) als stationäre Scheibe ausgebildet ist und das mittlere Rad (23; 31) das Antriebs- oder Abtriebsglied des Getriebes darstellt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Kurvenglied als Welle (40; 60; 85, 86; 98, 99) ausgebildet ist, die auf einer äußeren oder inneren Umfangsfläche mindestens einer in Axialrichtung oszillierenden Kurve (41; 87...90; 94...97) versehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Kurve (41) versehene Endabschnitt der Welle (40) von einem mit einem Axialschlitz (43) versehenen hülsen- oder gabelförmigen Ende einer zu der ersten Welle (40) koaxialen zweiten Welle (42) umgeben ist, daß das Ende der zweiten Welle (42) von einer Hülse (44) umgeben ist, die mit einem Ein­ griffselement (46) durch den Axialschlitz (43) hindurch in die Kurve (41) eingreift, und daß die Hülse (44) drehfest, aber in Axialrichtung gegen eine gegebenenfalls einstellbare federnde Vorspannung bewegbar ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Hin- und Herbewegung der Hülse (44) steuerbar ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kurve aufweisende Welle (40) von einer mit einem Axialschlitz (62) versehenen im Betrieb stationären Hülse (61) umgeben ist, und daß durch den Axialschlitz (62) hindurch in die Kurve der Welle (60) eingreifendes Eingriffsglied (63, 64) mit einem in einem Hydraulikzylinder (66) hin- und herbewegba­ ren Kolben (65) verbunden ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Hydraulikzylinder eine den Hydraulikdruck und damit das auf die Welle (60) ausgeübte Bremsmoment verstellende und/oder begrenzende Einrichtung (67) versehen ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, gekennzeichnet durch eine mit dem Hydraulikzylinder (70) und der Welle (79) verbundene Schaltung (71...78) zur Rückgewinnung der Brems­ energie.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei zueinander koaxiale und mit den Kur­ ven (87...90; 94...97) versehene Wellen (85, 86; 98, 99) oder Räder die Abtriebselemente eines Differentials bilden, dessen Antriebselement (81; 91) das Eingriffsglied (83; 93) in Axial- bzw. Radialrichtung hin- und herbewegbar enthält.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (83) als eine zwischen dem Ende der einen Abtriebswelle (85) und dem dieses umgreifenden hohlen Ende der zweiten Abtriebswelle (86) gelagerte Hülse mit Axialschlitzen (82) ausgebildet ist, in denen in Kurven (87...90) der beiden Abtriebswellen (85, 86) eingreifende Eingriffsglieder (83) ge­ führt sind.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kurven (87, 88) des einen Abtriebselements (86) parallel zueinander und die Kurven (89, 90) des anderen Abtriebselements (85) symmetrisch zueinander verlaufen.

20. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingriffsglied (93) des Antriebselements (91) in Axial- bzw. Radialrichtung hin- und herbewegbar gelagert und mit dem Antriebselement (91) drehfest gekoppelt ist und mit seinen beiden Enden in die an den einander zugewandten Enden der bei­ den Abtriebselemente (98, 99) vorgesehenen Kurven eingreift.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingriffsglied gegen eine gegebenenfalls verstellbare Fe­ dervorspannung in Axial- bzw. Radialrichtung hin- und herbe­ wegbar ist.