AT507070B1

AT507070B1 - PLANETARY GEAR

Info

Publication number: AT507070B1
Application number: AT12792008A
Authority: AT
Inventors: Thomas Dipl Ing Dr Sonnweber
Original assignee: Thomas Dipl Ing Dr Sonnweber
Priority date: 2008-08-19
Filing date: 2008-08-19
Publication date: 2010-02-15
Also published as: AT507070A4

Description

österreichisches Patentamt AT507 070B1 2010-02-15Austrian Patent Office AT507 070B1 2010-02-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Getriebe mit einem Eingangsbereich und einem Ausgangsbereich, wobei das Getriebe die Eigenschaft besitzt, dass die Ausgangswelle stufenlos jede beliebige Drehzahl zwischen Stillstand und der Drehzahl der Eingangswelle annehmen kann. Weiters wirkt das Getriebe im Bereich einer Ausgangsdrehzahl unterhalb der Eingangsdrehzahl z.T. deutlich drehmomentverstärkend. Dies wird durch eine spezielle Formgebung der Getriebe-Zahnräder und durch eine Verwendung von Torsionsfedern und Freiläufen erzielt. Es treten somit im ganzen Drehzahlbereich der Ausgangswelle (Stillstand bis maximale Drehzahl), abgesehen von üblichen Zahnradgetriebeverlusten (Lagerreibung, Reibung der Zahnräder.) keine weiteren Getriebeverluste auf.Description: [0001] The invention relates to a transmission having an input range and an output range, wherein the transmission has the property that the output shaft can steplessly assume any desired rotational speed between standstill and the rotational speed of the input shaft. Furthermore, the transmission acts in the range of an output speed below the input speed z.T. significantly enhancing the torque. This is achieved by a special shape of the gear wheels and by the use of torsion springs and freewheels. It thus occur in the entire speed range of the output shaft (standstill to maximum speed), apart from the usual gear transmission losses (bearing friction, friction of the gears.) No further transmission losses.

[0002] Das Getriebe kann beispielsweise als Kupplung, auch für robuste Einsätze, verwendet werden, weil ein Dauerbetrieb auch bei beständiger Drehzahldifferenz zwischen Eingang und Ausgang und sogar bei blockierender Ausgangswelle ohne Schadensgefahr möglich ist. Wenn die Maximaldrehzahl der Getriebeausgangswelle im Betrieb nur einen Bruchteil der Maximaldrehzahl der Getriebeeingangswelle erreichen soll, so ist eine signifikante Drehmomentsteigerung möglich (z.B. bei 5 % Drehzahl ~20-faches Drehmoment).The transmission can be used for example as a clutch, even for sturdy missions, because a continuous operation is possible even with constant speed difference between input and output and even with blocking output shaft without risk of damage. If the maximum speed of the transmission output shaft during operation is to reach only a fraction of the maximum speed of the transmission input shaft, then a significant increase in torque is possible (e.g., at 5% speed ~ 20 times torque).

[0003] Auch ein Einsatz in Fahrzeugen ist bei diesem Getriebe denkbar. Diese können dann ohne Unterbrechung des Kraftflusses stufenlos beschleunigt werden, wobei sich das Ausgangsdrehmoment für diese Beschleunigung näherungsweise umgekehrt proportional zur Fahrgeschwindigkeit verhält und von einem, bei kleinen Geschwindigkeiten, vier bis fünffachen Wert des maximalen Antriebsdrehmomentes, bei großen Geschwindigkeiten an den Wert des Antriebsdrehmomentes annähert. Weiters ist beim Anfahren keine zusätzliche Reibungs- oder Flüssigkeits-Kupplung notwendig, weil das Getriebe eine Beschleunigung vom Fahrzeug-Stillstand weg ermöglicht.A use in vehicles is conceivable in this transmission. These can then be infinitely accelerated without interrupting the power flow, the output torque for this acceleration being approximately inversely proportional to the vehicle speed and approaching from four to five times the maximum drive torque at low speeds and the drive torque at high speeds. Furthermore, no additional friction or fluid coupling is necessary when starting, because the transmission allows acceleration from the vehicle standstill away.

[0004] Basis der Erfindung ist ein Getriebe, das bei konstanter Eingängsdrehzahl eine schwankende Ausgangsdrehzahl liefert. Eine bekannte Lösung hierfür bilden Zahnradpaarungen, bei denen die Zahnräder beispielsweise eine identische elliptische Form haben und bei denen ihre Drehachse jeweils durch einen der beiden Ellipsenbrennpunkte läuft. Die längere Seite des einen Zahnrades soll dann an der kürzeren Seite des anderen abwälzen und umgekehrt. Wenn beide Zahnräder nicht identisch ausgeführt sind sollten sie zumindest den gleichen Umfang aufweisen.Basis of the invention is a transmission that delivers a fluctuating output speed at constant input speed. A known solution for this form gear pairings in which the gears, for example, have an identical elliptical shape and in which their axis of rotation in each case passes through one of the two ellipse focal points. The longer side of one gear should then roll on the shorter side of the other and vice versa. If both gears are not identical, they should have at least the same circumference.

[0005] Solche Getriebe sind auch mit integrierten Torsionsfedern bekannt (z.B. GB 301 468 A), sie dienen auch dann zur Erzeugung einer schwankenden Ausgangsdrehzahl bei konstanter Eingangsdrehzahl.Such transmissions are also known with integrated torsion springs (e.g., GB 301 468 A), they also serve to produce a fluctuating output speed at a constant input speed.

[0006] Bekannt ist auch ein Getriebe mit elliptischen Zahnrädern (Anmeldung 2A A 17252006), das bei konstant drehender Eingangswelle zur Beschleunigung der Ausgangswelle dient. Dieses Getriebe hat aber die nachteilige Eigenschaft, dass es keine drehmomentverstärkende Wirkung aufweist.Also known is a transmission with elliptical gears (application 2A A 17252006), which serves to accelerate the output shaft at constantly rotating input shaft. But this transmission has the disadvantageous property that it has no torque-enhancing effect.

[0007] Die Erfindung hat als Basis ebenfalls ein Ellipsengetriebe mit Torsionsfedern und Freiläufen. Durch konstruktive und funktionelle Änderungen wird allerdings ermöglicht, dass ein Getriebe entsteht, das die Ausgangswelle bei vorgegebener Drehzahl der Eingangswelle von Stillstand auf die Eingangsdrehzahl beschleunigen kann und dabei vor allem im unteren Ausgangsdrehzahlbereich eine große drehmomentverstärkende Wirkung aufweist.The invention also has as its basis an elliptical transmission with torsion springs and freewheels. By constructive and functional changes, however, it is possible that a transmission is formed, which can accelerate the output shaft at a predetermined speed of the input shaft from standstill to the input speed and thereby has a large torque-enhancing effect, especially in the lower output speed range.

[0008] Figur 1 zeigt schematisch eine mögliche Ausführung der Erfindung in Seitenansicht. Der durch den Getriebeeingang (hier als ein mit dem Planetenträger 1 eine Einheit bildendes Stirnrad dargestellt) angetriebene Planetenträger 1 versetzt drei elliptische Zahnräder 3 (eines ist in der Zeichnung verdeckt) in Umlauf um deren, im Verhältnis zum Getriebegehäuse 10 feststehendes, elliptisches Sonnenrad 2. Die elliptischen Zahnräder 3 sind über jeweils einen Freilauf 4 und jeweils eine Torsionsfeder 5 mit jeweils einem in üblicher Weise kreisrund geformten Zahnrad 6 eines weiteren Planetengetriebes gekoppelt. Die Reihenfolge von Freilauf 4 und 1/9 österreichisches Patentamt AT507 070B1 2010-02-15Figure 1 shows schematically a possible embodiment of the invention in side view. The planet carrier 1 driven by the transmission input (shown here as a spur gear forming a unit with the planet carrier 1) displaces three elliptical gears 3 (one is hidden in the drawing) in circulation around their elliptical sun gear 2 fixed relative to the transmission housing 10. The elliptical gears 3 are each coupled via a freewheel 4 and in each case a torsion spring 5, each with a circular shaped in the usual way gear 6 of another planetary gear. The order of freewheel 4 and 1/9 Austrian Patent Office AT507 070B1 2010-02-15

Torsionsfeder 5 ist dabei für die grundsätzliche Getriebefunktion nicht relevant. Die drei Planetenräder 6 (eines ist in der Zeichnung wiederum verdeckt) werden ebenfalls vom Planetenträger 1 um ihr (kreisrundes) Sonnenrad 7 in Drehung versetzt, wobei das Sonnerad 7 drehfest mit der Getriebeausgangswelle 8 verbunden ist.Torsion spring 5 is not relevant to the basic transmission function. The three planet wheels 6 (one is hidden in the drawing) are also rotated by the planet carrier 1 about their (circular) sun gear 7 in rotation, wherein the sun gear 7 is rotatably connected to the transmission output shaft 8.

[0009] Figur 2 zeigt schematisch dieselbe Ausführung der Erfindung in Oberansicht.Figure 2 shows schematically the same embodiment of the invention in a top view.

[0010] Figur 3 zeigt in einer Schnittzeichnung eine Oberansicht der elliptischen Zahnräder 2 und 3.FIG. 3 shows a sectional view of a top view of the elliptical gears 2 and 3.

[0011] Die Diagramme in den Figuren 4, 5 und 6 skizzieren Rechenergebnisse für ein einzelnes umlaufendes elliptisches Planetenrad 3 und ein zugehöriges Planetenrad 6 ohne Berücksichtigung der inneren Getriebeverluste (z.B. Zahnradreibung, Lagerreibung). Die genauen Erläuterungen folgen im Text.The graphs in Figures 4, 5 and 6 outline computational results for a single circumferential elliptical planetary gear 3 and an associated planetary gear 6 without regard to internal transmission losses (e.g., gear friction, bearing friction). The exact explanations follow in the text.

[0012] Werden nun die elliptischen Zahnräder 3 durch den Planetenträger 1 in Drehung um ihr feststehendes Sonnenrad 2 versetzt, so drehen sich diese auch bei konstanter Getriebe-Eingangsdrehzahl mit schwankender Eigendrehgeschwindigkeit um ihre Achse 9. Diese Drehzahlschwankungen sind umso größer, je stärker die Zahnräder elliptisch ausgeführt sind. Weiters lässt sich die Drehzahlschwankung noch dadurch vergrößern, dass exzentrische Drehachsen gewählt werden.Now, if the elliptical gears 3 offset by the planet carrier 1 in rotation about its fixed sun gear 2, so they rotate even at constant transmission input speed with fluctuating rotational speed about its axis 9. These speed fluctuations are the greater, the stronger the gears elliptical are executed. Furthermore, the speed fluctuation can be increased by the fact that eccentric axes of rotation are selected.

[0013] Werden die Drehachsen 9 der Planetenräder 3 durch jeweils einen Ellipsenbrennpunkt geführt und die Drehachse des Planetenträgers 1 durch einen Brennpunkt des elliptischen Sonnenrades 2, lässt sich vorteilhafterweise erzielen, dass die Drehachsen 9 der elliptischen Planetenräder 3 auf ihrem Planetenträger 1 im Getriebebetrieb nicht translatorisch beweglich gelagert werden müssen.If the axes of rotation 9 of the planetary gears 3 guided by a respective Ellipsenbrennpunkt and the axis of rotation of the planet carrier 1 through a focal point of the elliptical sun gear 2, can advantageously achieve that the axes of rotation 9 of the elliptical planetary gears 3 on their planet carrier 1 in the transmission operation is not translational must be stored movable.

[0014] Die Form der Zahnräder kann im Übrigen auch z. B. eine nichtelliptisch-ovale sein.The shape of the gears can also z. B. be a non-elliptical-oval.

[0015] Der drehende Planetenträger 1 versetzt auch die kreisrunden Planetenräder 6 in Drehung um ihr Sonnenrad 7, das mit der Getriebeausgangswelle 8 verbunden ist. Die Planetenräder 6 drehen sich dabei (bei ruhendem oder konstant drehendem Sonnenrad 7) mit konstanter Drehgeschwindigkeit um ihre Achse 9. Durch die Koppelung mit den in ihrer Eigendrehzahl schwankenden Rädern 3 mittels der Torsionsfedern 5 kommt es zu einem Drehmomentaufbau zwischen diesen Rädern. Dreht das Rad 3 langsamer als das Rad 6 so entsteht eine Bremswirkung auf das Rad 6. Dies führt zu einer auf das Sonnenrad 7 und somit auf die Ausgangswelle 8 beschleunigend wirkenden Drehmomentübertragung. Eine Verdrehung der Torsionsfeder 5 in andere Richtung, die aus einem gegenüber dem Rad 6 schneller drehenden Rad 3 resultieren würde, wird durch den Freilauf 4 verhindert. Das Getriebe erzeugt somit im Betrieb nur Ausgangsdrehmomente positiven Vorzeichens.The rotating planetary carrier 1 also sets the circular planet gears 6 in rotation about their sun gear 7, which is connected to the transmission output shaft 8. The planetary gears 6 rotate (at rest or constantly rotating sun gear 7) at a constant rotational speed about its axis 9. By coupling with the fluctuating in their own speed wheels 3 by means of the torsion springs 5, there is a torque build-up between these wheels. Rotates the wheel 3 slower than the wheel 6 so creates a braking effect on the wheel 6. This leads to a on the sun gear 7 and thus on the output shaft 8 accelerating acting torque transmission. A rotation of the torsion spring 5 in the other direction, which would result from a relative to the wheel 6 faster rotating wheel 3 is prevented by the freewheel 4. The gear thus generates only output torques of positive sign during operation.

[0016] In Figur 4 wird das aufgenommene Eingangsdrehmoment des Getriebes bei stehender und bei mit 1/4-Eingangsdrehzahl rotierender Ausgangswelle 8 als Funktion des Drehwinkels des Planetenträgers 1 über eine vollständige Drehung dargestellt. Eingangsdrehmomente werden als positiv angenommen, wenn Kraft durch die Eingangswelle in das Getriebe abgegeben wird und als negativ, wenn Kraft durch die Eingangswelle an den Antrieb (z.B. mit Schwungscheibe) zurückgegeben wird.In Figure 4, the recorded input torque of the transmission is shown at a standstill and rotating at 1/4-input speed output shaft 8 as a function of the rotation angle of the planet carrier 1 over a complete rotation. Input torques are assumed to be positive when power is applied to the transmission through the input shaft and negative when power is returned through the input shaft to the drive (e.g., flywheel).

[0017] Das durch die Torsionsfeder 5 aufgebaute Drehmoment wirkt durch das Rad 3 und das Rad 6 mit unterschiedlichem Vorzeichen auf den Planetenträger 1. Nachdem das durch das elliptische Rad 3 wirkende Drehmoment aber aufgrund seiner Form in seiner absoluten Größe um den Wert des durch das Rad 6 wirkenden Drehmomentes schwankt, ergibt sich in Summe ein mit wechselndem Vorzeichen auftretendes Getriebeeingangsdrehmoment. Steht die Getriebeausgangswelle 8, so schwankt das Eingangsdrehmoment zwischen positivem und negativem Wert so, dass sich in Summe über eine Umdrehung der Wert 0 ergibt. Dies muss auch aus physikalischen Gründen so sein, weil bei stehender Ausgangswelle keine Arbeit verrichtet wird.The torque built up by the torsion spring 5 acts by the wheel 3 and the wheel 6 with different signs on the planet carrier 1. After the torque acting through the elliptical wheel 3 but due to its shape in its absolute size by the value of the Wheel 6 acting torque fluctuates, resulting in sum a occurring with changing sign transmission input torque. If the transmission output shaft 8 is stationary, the input torque between the positive and negative values fluctuates so that a total of one revolution results in the value 0. For physical reasons, this also has to be the case because no work is done when the output shaft is stationary.

[0018] Bei rotierender Ausgangswelle 8 heben sich die positiven und negativen Drehmomente der Eingangswelle nicht mehr auf, weil nun Arbeit durch das Getriebe verrichtet wird. 2/9 österreichisches Patentamt AT507 070 B1 2010-02-15 [0019] In Figur 5 wird das Ausgangsdrehmoment des Getriebes bei stehender und bei mit 1/4 Eingangsdrehzahl rotierender Ausgangswelle 8 als Funktion des Drehwinkels des Planetenträgers 1 über eine vollständige Drehung dargestellt. Das Ausgangsdrehmoment wird nur durch die Wirkung des Rades 6 auf sein Sonnenrad 7 erzeugt. Steht die Getriebeausgangswelle 8 entstehen die größten Drehmomente. Mit steigender Drehzahl der Getriebeausgangswelle 8 und damit des Sonnenrades 7 verlangsamt sich die Drehgeschwindigkeit des Planetenrades 6 im Verhältnis zur durchschnittlichen Drehgeschwindigkeit des elliptischen Rades 3. Die Sperrzeiten des Freilaufes 4 und die Größe der Verdrehwinkel der Torsionsfeder 5 verringern sich dadurch und damit auch die erzeugten Ausgangsdrehmomente.When rotating output shaft 8, the positive and negative torques of the input shaft no longer cancel, because now work is performed by the transmission. FIG. 5 shows the output torque of the transmission with the output shaft 8 stationary and with output shaft 8 rotating at 1/4 input speed as a function of the rotation angle of the planetary carrier 1 over a complete rotation. The output torque is generated only by the action of the wheel 6 on its sun gear 7. Is the transmission output shaft 8 arise the largest torques. With increasing speed of the transmission output shaft 8 and thus of the sun gear 7, the rotational speed of the planetary gear 6 slows down in relation to the average rotational speed of the elliptical wheel 3. The blocking times of the freewheel 4 and the size of the torsion angle of the torsion spring 5 are reduced thereby and thus the output torque generated ,

[0020] Durch den bereits angeführten und auch dargestellten Einsatz mehrerer, phasenversetzt arbeitender Räder 3 und 6 und evtl, auch durch die Verwendung von Schwungscheiben lässt sich in Summe eine weitgehend kontinuierliches Eingangs- und Ausgangsdrehmoment erzeugen.By the already mentioned and also shown use of multiple, phase-shifted working wheels 3 and 6 and possibly, through the use of flywheels can be in sum produce a largely continuous input and output torque.

[0021] In Figur 6 wird das über eine Umdrehung des Planetenträgers 1 gemittelte Eingangs-drehmoment und Ausgangsdrehmoment des Getriebes als Funktion der Ausgangsdrehzahl dargestellt. Die Eingangswelle dreht sich hier mit konstanter Drehzahl. Der gezeigte Drehzahlbereich der Ausgangswelle umfasst Stillstand (0) bis ca. 70 % der Eingangsdrehzahl. Der sinnvoll nutzbare Ausgangsdrehzahlbereich dieses Getriebes endet ungefähr bei 50 % der [0022] Eingangsdrehzahl. Steigt die Ausgangsdrehzahl noch weiter, so sinken wegen der kinematisch bedingt dann deutlich kleiner werdenden Eingriffszeiten der Freiläufe 4 und damit der Verdrehwinkel der Torsionsfedern 5 das aufnehmbare und damit auch das abgegebene Drehmoment signifikant.In Figure 6, the averaged over a revolution of the planet carrier 1 input torque and output torque of the transmission is shown as a function of the output speed. The input shaft rotates here at a constant speed. The speed range of the output shaft shown includes standstill (0) to about 70% of the input speed. The useful output speed range of this transmission ends at approximately 50% of the input speed. Increases the output speed even further, so sink because of the kinematically caused then significantly smaller engagement times of the clutches 4 and thus the angle of rotation of the torsion springs 5 the recordable and thus the output torque significantly.

[0023] Deutlich erkennbar ist die drehmomentverstärkende Eigenschaft des Getriebes im Drehzahlbereich der stehenden bzw. langsam drehenden Ausgangswelle. Hier wird ein Vielfaches (Faktor 8~9) des maximalen Eingangsdrehmomentes erreicht. Lässt man mit Hilfe eines einfachen vorgeschalteten Übersetzungsgetriebes das Getriebe im Sinne der Erfindung mit doppelter Drehzahl des Antriebsmotors antreiben, so kann der nutzbare Ausgangsdrehzahlbereich des Getriebes von 0 bis zur maximalen Motordrehzahl angehoben werden. Das Ausgangsdrehmoment erreicht dann im niedrigen Drehzahlbereich immer noch einen über 4-fachen Wert des maximalen Motordrehmomentes und nähert sich bis zum Erreichen der maximalen Motordrehzahl ungefähr linear fallend dem maximalen Motordrehmoment an.Clearly visible is the torque-enhancing property of the transmission in the speed range of the stationary or slowly rotating output shaft. Here, a multiple (factor 8 ~ 9) of the maximum input torque is achieved. If, with the aid of a simple upstream transmission, the transmission is driven at twice the speed of the drive motor in the sense of the invention, the useful output speed range of the transmission can be raised from 0 to the maximum engine speed. The output torque then still reaches over 4 times the maximum engine torque value in the low speed range, and approaches the maximum engine torque approximately linearly decreasing until the maximum engine speed is reached.

[0024] Das Getriebe funktioniert in gleicher Weise, wenn die Planetenräder 3 und ihr Sonnenrad 2 kreisrund ausgeführt sind und dafür die Planetenräder 6 und ihr Sonnenrad 7 eine elliptische bzw. ovale Form haben. Auch hier kommt es dann zu einem positiven Drehmomentaufbau durch die Torsionsfeder 5, wenn das Rad 3 langsamer dreht wie das gekoppelte Rad 6 und zu einem Entkoppeln durch den Freilauf 4, wenn das Rad 3 schneller dreht wie das Rad 6.The transmission works in the same way when the planetary gears 3 and their sun gear 2 are circular and for the planetary gears 6 and their sun gear 7 have an elliptical or oval shape. Again, there is then a positive torque build-up by the torsion spring 5, when the wheel 3 rotates slower as the coupled wheel 6 and decoupling by the freewheel 4 when the wheel 3 rotates faster than the wheel. 6

[0025] Das durch die Torsionsfedern 5 ausgeübte Drehmoment lässt sich durch die Charakteristik der Federn gestalten. Denkbar ist hier auch die Verwendung von vorgespannten Federn mit Endanschlag und/oder von Federn mit nichtlinearer (progressiver oder degressiver) Federkennlinie.The torque exerted by the torsion springs 5 can be designed by the characteristics of the springs. Conceivable here is the use of prestressed springs with end stop and / or springs with non-linear (progressive or degressive) spring characteristic.

[0026] Aufwendiger wären Lösungen mit im Betrieb veränderbaren Federkennlinien. Dies könnte aber beispielsweise durch einen mit dem Planetenträger 1 mitdrehenden, die Torsionsfedern 5 tangierenden Ring realisiert werden. Wird der Ring im Verhältnis zum rotierenden Planetenträger 1 verdreht, so könnte beispielsweise durch eine zahnradmäßige Verbindung zwischen Torsionsfedern 5 und Ring eine Einstellung der Torsionsfedern 5 ermöglicht werden. Dies z.B. so, dass die Federsteifigkeit bei vorgespannten Torsionsfedern 5 mit Endanschlag durch Verdrehen erhöht oder vermindert wird. 3/9Elaborate solutions would be variable with in operation spring characteristics. However, this could be realized for example by a co-rotating with the planet carrier 1, the torsion springs 5 tangent ring. If the ring is rotated in relation to the rotating planet carrier 1, an adjustment of the torsion springs 5 could be made possible, for example, by a toothed connection between torsion springs 5 and ring. This e.g. so that the spring stiffness is increased or reduced by biasing torsion springs 5 with end stop by turning. 3.9

Claims

Austrian Patent Office AT507 070B1 2010-02-15 Claims 1. Planetary gear with one or more planetary gears (3) and a sun gear (2), characterized in that the planet carrier (1) is driven as a transmission input and the sun gear (2) with respect to the transmission is permanently installed, and each planetary gear (3) on its axis (9) via one freewheel (4) and one torsion spring (5) is coupled to a respective planetary gear (6) of another planetary gear, wherein the planet gears (6) directly or indirectly also by the driven planet carrier (1) in circulation about their sun gear (7) and a planetary gear set (3, 2) or (6, 7) has elliptical or otherwise oval shaped wheels while the wheels of the other planetary gear -Radsatzes (6, 7) and (3, 2) are then preferably circular and the freewheels (4) are set up so that they turn faster their, the respective wheel (6) facing shaft output with respect to their, the respective wheel (3) facing shaft output does not allow and the sun gear (7) rotatably connected to the transmission output (8).

2. A transmission according to claim 1, characterized in that on the transmission one with the planet carrier (1) encircling and rotatable with respect to this ring, the torsion springs (5) by means of internal teeth and means of rotatable gears on the torsion springs (5) at these rotations can make. For this 5 sheets drawings 4/9