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Kraftübertragungseinrichtung, insbesondere für
Kraftfahrzeuge
Es sind bereits mehrgängige Getriebe bekannt, deren Gangwechsel während des Betriebes lediglich durch Ein-und Ausschalten von kraftschlüssigen Gangkupplungen erfolgt. Dabei ist eine dem Getriebe vorgeschaltete Trennkupplung (Hauptkupplung), die jeweils beim Gangwechsel betätigt werden müsste, nicht erforderlich. Die Gangkupplungen sind so bemessen, dass sie die beim Gangwechsel erforderliche Drehzahlangleichung (Synchronisierung) gegebenenfalls auch bei unverminderter, voller Belastung durch das zu übertragende Drehmoment allein bewerkstelligen können.
Derartige Getriebe weisen allerdings den Nachteil auf, dass zur Vermeidung vonharten Schaltvorgängen und dadurch bedingten unangenehmen Schalt- stössenauf dje Abtriebswelle und die damit verbundenen Massen die Gangkupplungen schwächer dimensioniert sein müssen, als dies mit Rücksicht auf ihre Lebensdauer günstig wäre. Dadurch tritt ein grosser Verschleiss an diesen auf und als Folge die Notwendigkeit, sie öfter zu überholen oder zu erneuern, was meistens umständlich ist, da die Gangkupplungen in der Regel im Getriebeinnern untergebracht sind. Ferner verunreinigt der Schleifstaub das Getriebeöl, wodurch ausserdem die Lebensdauer der Getriebe-Zahnräder und - Lager herabgesetzt wird.
. Bemisst man dagegen die kraftschlüssigen Gangkupplungen zwecks Verminderung der Abnutzung verhaltnismässig kräftig, so erfolgt die Drehzahlangleichung zwischen der Motorschwungmasse einerseits und den abtriebsseitigen Massen (wozu bei Kraftfahrzeugen auch die Fahrzeugmasse gehört) anderseits beim
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maximalen Motormomentes betragen können, wirken sich ungünstig auf die Betriebseigenschaften, insbesondere auf die Fahreigenschaften eines Fahrzeuges (Schaltstösse) aus und beanspruchen alle Trieb werkselemente in unzulässiger Weise.
Die Erfindung bezieht sich nun auf solche, vorzugsweise für Kraftfahrzeuge vorgesehene Kraftüber- tragungseinrichtungen mit einem lediglich durch kraftschlüssige Gangkupplungen auch während des Betriebes und unter Last schaltbaren Getriebe, wobei ausserdem zwischen Antriebsmotor und Getriebe eine zusätzliche, dauernd eingeschaltete Rutschkupplung angeordnet ist.
Zum Vermeiden der genannten Nachteile wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, die zusätzliche Rutschkupplung ausserhalb des die Getriebezahnräder, Gangkupplungen, Strömungskreisläufe od. dgl. enthaltenden Getriebeinnenraumes anzuordnen und sie ferner für ein solches maximal übertragbares Drehmoment zu bemessen, das einerseits mindestens um einen für einwandfreien Betrieb erforderlichen Sicherheitsbetrag grösser ist als das maximale statische Motordrehmoment und anderseits kleiner ist als das auf die Rutschkupplungswelle bezogene, beim Schalten auftretende Reibmoment jeder Gangkupplung.
Die Kraftübertragung nach der Erfindung ergibt den Vorteil, dass die im Getriebeinnern angeordneten kraftschlüssigen Gangschaltkupplungen nur mehr einen geringen Teil der Synchronisierarbeit aufzubringen und lediglich die zwischen je einer Gangschaltkupplung und der zusatzlichen Rutschkupplung liegenden Kraftübertragungselemente (die nur kleine Massen besitzen) mit den abtriebsseitigen Massen zu synchronisieren brauchen. Die Gangschaltkupplungen lassen sich daher ohne Gefahr hoher Stossmomente verhältnismässig stark und hart bemessen und weisen infolgedessen eine sehr geringe Abnutzung auf, was eine verringerte Wartung und erhöhte Lebensdauer der Gangkupplungen sowie des ganzen Getriebes zur Folge hat.
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Den Hauptteil der Synchronisierarbeit trägt nunmehr die weicher als die Gangkupplungen bemessene zusätzliche Rutschkupplung, da sie die Drehzahlangleichung zwischen den Hauptmassen der Antriebsanlage, nämlich zwischen der Motorschwungmasse und der Masse des Fahrzeuges, bewirkt. Ihr grösserer Verschleiss kann ohne weiteres in Kauf genommen werden, da ihr Schleifstaub nicht in das Getriebeinnere und Getriebeöl gelangt und somit die Lebensdauer des Getriebes nicht beeinträchtigen kann. Zudem weist die zusätzliche Rutschkupplung infolge ihrer Anordnung ausserhalb des eigentlichen Getriebeinnenraumes meist eine bessere Wärmeableitung und Zugänglichkeit auf. Sie wird zweckmässig als mechanische Reibkupplung mit leicht auswechselbaren Reibgliedern ausgebildet, so dass sich diese leicht und schnell überholen oder erneuern lassen.
Es ist wohl bereits ein Fahrzeugantrieb bekannt, der ein lediglich durch Ein- und Ausrücken kraft-
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lung aufweist. Hiebei bezweckt jedoch die Strömungskupplung vor allem eine Verbesserung der Anfahrverhältnisse und vermeidet die Übertragung von Schwingungen, beseitigt aber keine Schaltstösse. Die Hauptsynchronisierarbeit müssen also die Gangkupplungen leisten. Gerade der letztgenannte Umstand soll aber bei dem erfindungsgemässen Antrieb vermieden werden.
Um die Schaltvorgänge möglichst weich zu gestalten und die Massenkräfte in der Kraftübertragungseinrichtung während der Schaltzeiträume klein zu halten, wird die zusätzliche Rutschkupplung für ein möglichst niedriges maximal übertragbares Drehmoment ausgelegt, wobei jedoch das grösste statische Motordrehmoment (d. h. also das grösste Motordrehmoment ohne Berücksichtigung der Massenkräfte) noch mit hinreichender Sicherheit übertragen werden muss. Für die meisten Anwendungsfälle empfiehlt sich eine Auslegung der Rutschkupplung für ein maximal übertragbares Drehmoment von etwa dem 1, 2 bis 1, 3-fachen Wert des maximalen statischen Motordrehmomentes. Ferner ist es zweckmässig, die Gang-
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schalteten Getrieben der Fall ist, so dass dann die Abnutzung dieser Kupplungen besonders gering ist.
Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung ist der zusätzlichen Rutschkupplung noch eine elastische
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lung, indem sie die Schwingungsdämpfung erhöht und anderseits Wellenversetzungen unschädlich macht. Dabei empfiehlt es sich, zwecks Raumersparnis die elastische Kupplung radial innerhalb oder ausserhalb der zusätzlichen Rutschkupplung anzuordnen. Ferner kann die Rutschkupplung unmittelbar an der Schwungscheibe des Antriebsmotors angeordnet sein, wie dies für Trennkupplungen (Hauptkupplungen) an Verbrennungsmotorantrieben bereits bekannt ist und wobei die Schwungscheibe zugleich als Bauteil für die Rutschkupplung dient.
Nähere Einzelheiten der Erfindung werden in den Zeichnungen an drei Ausführungsbeispielen erläutert. Hiebei zeigen Fig. 1 das Schema eines Kraftfahrzeugantriebes mit einem kraftschlüssig schaltbaren
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tischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel eines Fahrzeugantriebes mit einem mittels Bandbremse schaltbaren Differential-Wandlergetriebe und diesem vorgeschalteter Reib-Rutschkupplung, Fig. 3 - 5 zum Antrieb nach der Fig. 2 gehörige Diagramme für die Drehzahlen und die übertragenen Drehmomente in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit bzw. Zeit und Fig. 6 eine zusätzliche Reib-Rutschkupplung mit einer nachgeschalteten elastischen Kupplung.
Die für ein Kraftfahrzeug vorgesehene Antriebseinrichtung nach Fig. l weist einen Verbrennungsmotor 1 auf, der über die als Reibkonuskupplung ausgebildete, dauernd eingeschaltete Rutschkupplung 2 (die eingangs als zusätzliche Rutschkupplung bezeichnet ist) das zweigängige Zahnrad-Wechselgetriebe 3 und über die Kardanwelle 4 das Kegelrad-Differentialgetriebe 5 antreibt. Die Tellerräder des letzteren übertragen dann das Drehmoment in üblicher Weise über Achswellen 6 auf die Treibräder 13 der Fahrzeugachse. Das Wechselgetriebe 3 besitzt zwei zur Gangschaltung dienende, wechselweise einschaltbare Lamellenkupplungen 7 und 8. Bei eingerückter Lamellenkupplung 7 ist der langsame Gang eingeschaltet, wobei der Kraftfluss über das Zahnräderpaar 9, die Vorgelegewelle 10, das Zahnräderpaar 11 und die Kupplung 7 verläuft.
Bei eingerückter Lamellenkupplung 8 ist der obere, schnelle Gang mit direkter Kraftübertragung eingeschaltet.
Die zusätzliche Rutschkupplung 2 ist ausserhalb des Innenraumes des Getriebes 3 angeordnet, so dass der an ihr anfallende Schleifstaub nicht das Getriebeinnere verschmutzen kann. Ferner sind die Feder 12 der zusätzlichen Rutschkupplung 2 und deren übrige Ausbildung erfindungsgemäss so gewählt, dass das durch diese Rutschkupplung maximal übertragbare Drehmoment kleiner ist als die auf ihre Welle bezogenen, beim Schalten auftretenden Reibmomente der Gangkupplungen 7 und 8. Weitere Einzelheiten der Wir-
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kungsweise sind aus der nachstehenden Beschreibung zum zweiten Ausführungsbeispiel zu entnehmen.
Das Beispiel nach Fig. 2 stellt ebenfalls einenFahrzeugantrieb mit einem Verbrennungsmotor 101 dar, der über die Rutschkupplung 102, das Getriebe 103, die Kardanwelle 104 und das Kegelrad-Differentialgetriebe 105 die Achswellen 106 an der Fahrzeughinterachse antreibt. Abweichend von Fig. 1 ist hier das Getriebe als Differential-Wandlergetriebe ausgebildet. Es weist ein leistungsteilendes Kegelrad - Differen- tialgetriebe 130, eine Bremsscheibe 131 mit einer Bandbremse 108, einen Strömungswandler 132 mit Pumpenrad 133, Turbinenrad 134 und Leitrad 135 sowie einen Freilauf 136 auf. Die Reibbandbremse 108 stellt eine kraftschlüssige Gangkupplung dar und ist im unteren Gangbereich ausgeschaltet (unwirksam).
Das Getriebe arbeitet dann mit Leistungsteilung, wobei ein Teil der Motorleistung über die Hohlwelle 137, das Pumpenrad 133, das Turbinenrad 134 und den Freilauf 136 hydraulisch auf die Abtriebswelle 104 übertragen wird, und der andere Teil der Leistung über die Welle 138 mechanisch zur Abtriebswelle 104 gelangt. Zum Umschalten auf den oberen Gangbereich schaltet man die Bandbremse 108 ein. Dadurch werden die Hohlwelle 137, das rechte Sonnenrad des Differentialgetriebes 130 und das Pumpenrad 133 stillgesetzt. Das Turbinenrad 134 bleibt nun zufolge des Freilaufes 136 ebenfalls stehen und der Wandler ist somit ausgeschaltet. Die gesamte Motorleistung wird nunmehr rein mechanisch über das Differentialgetriebe 130 (das dann mit anderer Übersetzung arbeitet) und die Welle 138 auf die Kardanwelle 104 übertragen.
Die zusätzliche Rutschkupplung 102 ist hier als Einscheiben-Reibkupplung ausgebildet und erfindungsgemäss wieder so ausgelegt, dass sie bereits bei einem Drehmoment zu rutschen beginnt, das kleiner als das auf ihre Welle bezogene Reibmoment der Bandbremse 108 ist. Ausserdem ist das grösste übertragbare Moment der zusätzlichen Rutschkupplung 102 nur etwa 20 - 30 % höher bemessen als das maximal übertragbare Motordrehmoment. Die Rutschkupplung leistet also wieder den grössten Teil der Synchronisierarbeit, während die Bandbremse 108 stets nur geringfügig rutscht und wenig verschleisst. Des weiteren ist die Rutschkupplung 102 in einem gesonderten Gehäuseteil 139 untergebracht. Die Zwischenwand 140 verhindert, dass der Schleifstaub der Rutschkupplung das Innere des Getriebes 103 verschmutzt.
Um den Arbeitsbereich des Antriebes zu erweitern, könnte dem Differential-Wandlergetriebe noch ein (strichliert angedeutetes) mechanisches Stufengetriebe 141 mit kraftschlüssig geschalteten Gängen nachgeordnet sein, etwa ein durch Bandbremsen schaltbares Umlaufräder-Stufengetriebe.
Die durch die erfindungsgemässe Ausbildung dieses Getriebes bedingte Wirkung ist folgende : Das Sägediagramm nach Fig. 3 stellt den Verlauf der Motordrehzahl noot in Abhangigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit V dar. Der untere Gang ermöglicht ein Verändern der Fahrgeschwindigkeit von V = 0 (Fahrzeugstillstand) bis zum 0, 5-fachen Wert der Höchstgeschwindigkeit. Gleichzeitig damit nimmt die Motordrehzahl nMot nach der Linie 114 bis etwa zum Höchstwert 1 zu. Zwecks weiterer Steigerung der Fahrgeschwindigkeit ist bei V = 0, 5 auf den oberen Gang umzuschalten, wobei die Motordrehzahl wegen der nunmehr geänderten Gangübersetzung entsprechend der lotrechten Linie 115 von ihrem fast vollen Wert 1 bis auf etwa die Hälfte 0, 5 heruntergedrückt werden muss.
Die dabei erforderliche schnelle Verzögerung der bewegten Motorteile (Motorschwungscheibe, Kurbelwelle usw.) verursacht in der Kraftübertragung erhebliche Massen - (Trägheits-)kräfte.
Der Linienzug 116 - 117 - 118 im Diagramm nach Fig. 4 zeigt in Abhängigkeit von der Zeit t den
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welle 103', u. zw. für den Zeitraum kurz vor bis nach dem Umschalten vom unteren zum oberen Gang.
Dabei sei angenommen, dass vor dem Schalten das maximale Motormoment MMot. max übertragen weide (Linie 116). Im Zeitpunkt T, werde ferner gerade die Bandbremse 108 (Gangkupplung) für den oberen mechanischen Gang festgezogen. Die durch die Motorverzögerung bedingten Trägheitskräfte vergrössern nun das übertragene Drehmoment über den Wert MMot. hinaus : Infolge der erfindungsgemässen Auslegung der zusätzlichen Rutschkupplung 102 bleibt jedoch das gesamte übertragene Drehmoment auf etwa den 1, 3-fachen Wert (Linie 117) des maximalen Motormomentes beschränkt, da die Rutschkupplung bei Überschreitung dieses Wertes durchrutscht.
Im Zeitpunkt T2 ist der Drehzahlangleichvorgang zwischen der Motormasse und der Masse des Fahrzeuges beendet, und das übertragene Drehmoment sinkt wieder auf den Wert des Motormomentes ab (Linie 118).
Der in der Fig. 4 (strichliert eingetragene) Linienzug 119 - 120 zeigt zum Vergleich noch den Drehmomentverlauf eines Antriebes ohne erfindungsgemäss ausgebildete zusätzliche Rutschkupplung. Hiebei steigt das von der Getriebeeingangswelle übertragene Drehmoment infolge der harten Auslegung der als Gangkupplung wirkenden Bandbremse auf die hohen Werte nach der Linie 119 an. Die Drehzahlangleichung ist. nunmehr allerdings entsprechend früher, nämlich schon im Zeitpunkt T, beendet. Sämtliche
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Kraftübertragungselemente wie Wellen, Zahnräder, Kardangelenke, Lager usw. werden aber dabei durch die hohen Spitzenmomente nach Linie 119 stossartig belastet.
Im Gegensatz hiezu bietet der Erfindungsgegenstand den Vorteil, dass die Kiaftübertragungselemente wesentlich geringer beansprucht werden, schwächer dimensioniert sein können und eine grössere Lebensdauer aufweisen ; dass bei dem erfindungs- geTlässen Antrieb die Umschaltzeit auf die Zeit von T, bis T 2 verlängert ist, übt auf den praktischen Betr'eb kaum einen nachteiligen Einfluss aus.
Der Vollstandigkei-l halber ist in Fig. 5 noch der Verlauf der Drehzahlen während des Umschaltvorganges dargestellt, u. zw. ebenfalls in Abhängigkeit von der Zeit. Hiebei gibt der Linienzug 121-122-123 den Motordrehzahl-Verlauf des Antriebes nach Fig. 2, der Linienzug 121-127-128-123 etwa den Drehzahlverlauf der Getriebeeingangswelle 103'und der Linienzug 124-125-126 die zugeordneten Drehzah- len der Getriebeabtriebswelle 104 an. Wie ersichtlich, wird die Motordrehzahl während des Drehzahlangleichvorganges vom Zeitpunkt Tl bis T2 von ihrem ursprünglichen Wert nMot bis auf etwa den halben Wen :, n. ülch a'M :) t, heruntergedrückt.
Die Drehzahl der Getriebeabtriebswelle 104 wird dagegen von dem ursprünglichen Wert n2 nur geringfügig auf n2'erhöht, da die zu beschleunigende Fahrzeugmasse gegenüber der zu verzögernden Motorschwungmasse wesentlich grösser ist. Für einen ohne erfindungsgemässe Rutschkupplung ausgebildeten Antrieb gelten wieder die snichlierten Kurven, u. zw. 122'-123'für die Motordrehzahl und zugleich Getriebeantriebsdrehzahl und 125'-126'four die Drehzahl der Getriebeabtriebswelle. Hienach sind Motor und Getriebeabtriebswelle'bereits im Zeitpunkt T. auf die der Übersetzung im mechanischen Gang entsprechende Drehzahl gebracht.
Die Fig. 6 zeigt Einzelheiten einer Ausführung der der zusätzlichen Reib-Rutschkupplung noch eine elastische Kupplung nachgeschaltet ist. An der Kurbelwelle 250 des Antriebsmotors ist das Schwungrad 251 angeflanscht, das zugleich einen Bauteil der zusätzlichen Rutschkupplung bildet. Die mittels Schrauben 252 am Schwungrad befestigte Scheibe 253 bildet das Widerlager für die Kupplungsfedern 254. Diese pressen über die Druckplatte 255 die Kupplungsscheibe 256 mit Reibbelägen 257 gegen das Motorschwungrad und bewirken so den erforderlichen Reibungsschluss. Durch Verstellen der Schrauben 252 können die Spaltbreite 258, die Vorspannung der Kupplungsfedern 254 und damit auch die Höhe des maximal übertragbaren Drehmomentes der Rutschkupplung eingestellt oder verstellt werden.
Die Kupplungsscheibe 256 der Rutschkupplung ist mit dem Aussenkranz 259 einer elastischen Kupplung starr verbunden, die ausserdem die nachgiebigen Kupplungselemente 260 und den Kupplungsinnenkranz 261 aufweist. Letzterer ist seinerseits auf der genuteten Welle 262 des nachgeschalteten kraftschlüssig schaltbaren Getriebes 263 drehfest angeordnet. Dessen Gehäuse 264 ist mittels eines Flansches 265 am Motorgehäuse 266 verschraubt. Die durch einen Deckel 267 verschliessbare Öffnung 268 ermöglicht ein schnelles und bequemes Verstellen der Schrauben 252 und des maximal übertragbaren Drehmomentes der Rutschkupplung.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern bei allen Antrieben anwendbar, deren Getriebe durch kraftschlüssige Kupplungen, Bremsen od. dgl. von einem Gangoder Arbeitsbereich auf einen andern umschaltbar sind und wobei infolge der beim Drehzahlangleichen auftretenden Trägheitskräfte Stösse und Überlastungen auftreten. Ferner kann für die zusätzliche Rutschkupplung eine beliebige Bauart, etwa auch eine Mehrscheibenausführung, eine trocken oder im Ölbad arbeitende Kupplungsbauart, gewählt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kraftübertragungseinrichtung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem lediglich durch kraftschlüssige Gangkupplungen auch während des Betriebes schaltbaren Getriebe und einer zwischen Antriebsmotor und Getriebe angeordneten zusätzlichen, dauernd eingeschalteten Rutschkupplung, dadurch gekennzeichnet, dass diese Ruschkupplung (2 ; 102) ausserhalb des die Getriebezahnräder, Gangkupplungen, Strömungskreisläufe od. dgl. enthaltenden Getriebeinnenraumes (3 ;
103) angeordnet und ferner für ein solches maximal übertragbares Drehmoment bemessen ist, das einerseits mindestens um einen für einwandfreien Betrieb erforderlichen Sicherheitsbetrag grösser ist als das maximale statische Motordrehmoment und anderseits kleiner ist als das auf die Rutschkupplungswelle bezogene, beim Schalten auftretende Reibmoment jeder Gangkupplung (7, 8 ; 108).