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Die Erfindung betrifft ein stufenloses Getriebe zur Übertragung der Leistung eines Verbrennungsmotors an wenigstens eine Abtriebswelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein derartiges stufenloses Getriebe wird verwendet, um die Leistung eines Verbrennungsmotors in einem Fahrzeug zur Erzeugung unterschiedlicher Geschwindigkeiten und/oder zu Erzeugung unterschiedlicher Abtriebswellemomente umzuwandeln. Dazu wurden in der Vergangenheit vor allem Umschlingungsgetriebe (CVT-Getriebe) verwendet, die über in ihrem Abstand veränderbare, einander zugewandte Kegelradscheiben unterschiedliche Drehzahlen erzeugen können. Diese Getriebe stellen einen hohen Aufwand an die Schmierung und weisen erhöhte Reibungsverluste auf. Aus der
DE 31 29 414 A1 ist es bekannt, ein derartiges Zugorgangetriebe mit einem Umlaufräder-Wendegetriebe zu kombinieren.
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Aus der
DE 38 18 951 A1 ist ein gattungsgemäßes, aus zwei Planetengetrieben, einem Schneckenwinkeltrieb und einer Hydraulikpumpe bestehendes stufenloses Getriebe bekannt.
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Aus der
DE 26 47 240 A1 ist ein stufenloses Getriebe bekannt, bei dem ein Planetengetriebe mit einem hydrodynamischen Wandler kombiniert ist.
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Durch den aufgrund knapper werdender Rohstoffe in Zukunft stärker werdenden Zwang, Treibstoff zu sparen, steigt auch die Notwendigkeit, leichtere Fahrzeuge mit kleineren, verbrauchsgünstigen Motoren auszustatten, die weitestgehend in ihrem optimalen Betriebspunkt betrieben werden können, um somit die abgegebene Leistung optimal zu nutzen. Die Grenzen für den Schadstoffausstoß von PKW-Motoren sollen innerhalb der EU ab 2020 auf 95 g CO2/km abgesenkt werden. Hierfür kann ein intelligent steuerbares stufenloses Getriebe einen wichtigen Beitrag leisten.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein stufenloses Getriebe zu schaffen, das bei einfachem Aufbau, geringem Gewicht und vermindertem Bauraumbedarf eine variable, sichere und verschleißarme Kraftübertragung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein stufenloses Getriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Durch die Hintereinanderschaltung zweier Planetengetriebe wird eine kompakte Bauweise eines drehzahlvariablen und in der Drehrichtung umkehrbaren Getriebes erreicht. Durch den stetigen Eingriff der Zahnräder und den Verzicht auf reibschlüssige Übertragungselemente wird eine exakte, verschleißarme Übertragung der Leistung des Verbrennungsmotors gewährleistet. Der bevorzugt als hydraulischer oder elektrischer Antrieb ausgebildete Hilfsantrieb variiert die Ausgangsdrehzahl an der Abtriebswelle über ein als weiteres Planetengetriebe ausgebildetes Standgetriebe in einem weiten Drehzahlbereich, wobei der gesamte Momentfluss stets formschlüssig erfolgt. Der Hilfsantrieb ist dabei erfindungsgemäß über ein weiteres Planetengetriebe mit dem Hohlrad des zweiten Planetengetriebes verbunden. Bei einem Ausfall des Verbrennungsmotors sind durch den Hilfsantrieb auch Notfahreigenschaften des Fahrzeugs gewährleistet.
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Das erste Planetengetriebe dient als Wendestufe, wobei im Vorwärtsbetrieb der auch Steg genannte Planetenträger für eine Drehzahlreduzierung und Drehmomenterhöhung festgehalten wird. Im Rückwärtsbetrieb werden Sonnenrad und Hohlrad unmittelbar miteinander gekoppelt, so dass eine 1:1-Übertragung der Drehzahl und des Moments erfolgt. Die Blockierung des Steges ist dabei aufgehoben.
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Die bevorzugte koaxiale Anordnung der beiden Planetengetriebe trägt zusätzlich zu einer für eine Verwendung in Fahrzeugen besonders geeigneten kompakten Bauweise bei.
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Die des weiteren bevorzugt vorgesehene Anordnung eines insbesondere hydraulischen Drehmomentwandlers zwischen Verbrennungsmotor und den Planetengetrieben sorgt insbesondere bei kleinen Verbrennungsmotoren mit einer niedrigen Zylinderzahl für eine Kompensation von Drehschwingungen und für eine Drehmomentüberhöhung und damit für ein einfaches Hochfahren des Verbrennungsmotors in seinen optimalen Drehzahlbereich beim Anfahren. Nach dem Erreichen der optimalen Betriebsdrehzahl wird der Wandler mittels einer Wandler-Schaltkupplung (WSK) wieder überbrückt, so dass sich dessen geringerer Wirkungsgrad nur beim Hochfahren, jedoch nicht im Normalbetrieb auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt.
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Für die unmittelbare Verbindung des Sonnenrades mit dem Hohlrad des ersten Planetengetriebes im Rückwärtsbetrieb ist besonders bevorzugt eine Synchronisation vorgesehen, bei der bevorzugt unter Verwendung einer Schiebemuffe nach Herstellung der Schaltverzahnung der Kraftfluss ohne weitere ständige Zufuhr von Energie aufrechterhalten bleibt.
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Ebenso erfolgt die Verbindung des Steges des ersten Planetengetriebes mit einem ortsfesten Bauteil im Vorwärtsbetrieb oder dessen Freigabe für eine Drehrichtungsumkehr mittels einer derartigen Synchronisation. Optional können auch eine oder beide der Synchronisationen durch eine Kupplung ersetzt werden. Die beiden Synchronisationen bzw. Kupplungen werden zum Umschalten zwischen Vorwärts- und Rückwärtsbetrieb normalerweise gegenläufig betätigt: im Vorwärtsbetrieb ist die Synchronisation oder Kupplung für den Steg des ersten Planetengetriebes mit dem ortsfesten Bauteil im Eingriff, während die Synchronisation oder Kupplung des Sonnenrades gegenüber dem Hohlrad geöffnet ist. Im Rückwärtsbetrieb ist die Synchronisation oder Kupplung des Sonnenrades gegenüber dem Hohlrad geschlossen, während die Synchronisation oder Kupplung für den Steg des ersten Planetengetriebes vom ortsfesten Bauteil außer Eingriff ist.
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Nur bei einem ausschließlich vom Hilfsantrieb betriebenen Notfahrbetrieb (im Falle eines Ausfalls des Verbrennungsmotors an einer gefährlichen Stelle) sind beide Synchronisationen bzw. Kupplungen geschlossen.
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Das zweite Planetengetriebe ist aufgrund der hohen Planetenraddrehzahlen als Doppelplanet mit wenigstens zwei in radialer Richtung miteinander im Eingriff stehenden Planetenradsätzen ausgebildet. Dabei umfasst jeder Planetenradsatz zumindest zwei Planetenräder, die jeweils an einem Arm eines dreiarmigen Steges bzw. Planetenträgers angeordnet sind.
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Der Hilfsantrieb ist über ein selbsthemmendes Schneckengetriebe und das als drittes Planetengetriebe ausgebildete Standgetriebe mit dem Hohlrad des zweiten Planetengetriebes verbunden. Die Selbsthemmung hat den Vorteil, dass, sofern keine Drehzahlvariation mittels des Hilfsantriebs erforderlich ist, auch keine zusätzliche Energie für die Blockierung des Hilfsantriebsstranges erforderlich ist. Das dritte Planetengetriebe sorgt dafür, dass die für ein Schneckengetriebe typische niedrigere Drehzahl in eine in das zweite Planetengetriebe übertragene größere Drehzahl zur Beeinflussung der Drehzahl an der Abtriebswelle übersetzt werden kann.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die axiale Flankenpressung des Schneckengetriebes variabel ist. Dies lässt sich in besonders einfacher Weise dadurch erreichen, dass die Schneckenwelle beispielsweise durch ein Tellerfederpaket in axialer Richtung beaufschlagbar ist, wobei die Position des Tellerfederpakets und damit die Größe von dessen Kraftentfaltung mittels eines elektrischen oder hydraulischen Antriebs, im einfachsten Falle durch einen Druckkolben einstellbar ist.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen stufenlosen Getriebes unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit einem nachgeschalteten Drehmomentwandler, einer ersten Planetengetriebe-Wendestufe, einer zweiten Planetengetriebestufe und einem zwischen dieser und dem Hilfsantrieb angeordneten Standgetriebe;
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2 eine Einrichtung zur Variierung der axialen Flankenpressung eines Schneckengetriebes, und
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3 eine Stirnansicht des zweiten Planetengetriebes entsprechend der Schnittlinie III-III in 1.
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Ein in 1 dargestelltes Ausführungsbeispiel zeigt schematisch einen Verbrennungsmotor 10 mit dessen Kurbelwelle 11. Die Kurbelwelle 11 ist mit einem hydraulischen Drehmomentwandler 12 verbunden. Mittels des Drehmomentwandlers 12 werden Drehschwingungen, wie sie insbesondere im unteren Drehzahlbereich bei Hubraum-schwachem und mit kleiner Zylinderzahl arbeitendem Verbrennungsmotor 10 auftreten, vor Abgabe des Ausgangsdrehmoments an eine Welle 13 wirksam kompensiert. Der Drehmomentwandler 12 unterstützt durch seine Drehmomentüberhöhung einen kleinen Verbrennungsmotor 10 beim Anfahren. Nach Erreichen des optimalen Drehzahlbereichs des Verbrennungsmotors 10 wird der Drehmomentwandler 12 durch eine nicht dargestellte Wandler-Schaltkupplung (WSK) wieder überbrückt, so dass dessen etwas schlechterer Wirkungsgrad sich im normalen Fahrbetrieb nicht auswirkt. Bei einem eventuellen Ausfall des weiter unten beschriebenen Hilfsantriebs 42 kann die Wandler-Schaltkupplung (WSK) den Drehmomentwandler 12 jedoch jederzeit wieder in den Antriebsstrang einschalten oder über eine Sicherheitskupplung 50 an geeigneter Stelle der Antriebsstrang getrennt werden.
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Die vom Drehmomentwandler 12 ausgehende Welle 13 ist mit einem Sonnenrad 16 eines ersten Planetengetriebes 14 verbunden. Mit dem Sonnenrad 16 steht stirnseitig radial nach außen ein Satz von Planetenrädern 18 im Eingriff, die an einem Planetenträger oder Steg 19 drehbar gelagert sind. Die Planetenräder 18 kämmen ihrerseits radial nach außen mit der Verzahnung eines Hohlrades 20, das drehbar gegenüber dem Sonnenrad 16 auf der Welle 13 gelagert ist.
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Zwischen dem Sonnenrad 16 und dem Hohlrad 20 ist eine Synchronisation 24 vorgesehen, die eine drehfeste formschlüssige Verbindung zwischen Sonnenrad 16 und Hohlrad 20 insbesondere zur Einstellung eines Rückwärtsbetriebs herstellen kann.
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Zwischen dem Planetenträger oder Steg 19 und einem ortsfesten, beispielsweise mit dem Gehäuse des Getriebes verbundenen Bauteil 21 ist eine weitere Synchronisation oder Kupplung 22 angeordnet, mittels der der Steg 19 beim Vorwärtsbetrieb des stufenlosen Getriebes gegenüber dem Gehäuse festgehalten werden kann.
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Das Hohlrad 20 ist ausgangsseitig mit einer Welle 26 verbunden, die ihrerseits mit einem Sonnenrad 30 eines zweiten Planetengetriebes 28 verbunden ist. Das zweite Planetengetriebe 28 weist, wie auch in 3 dargestellt, an einem Planetenträger oder Steg 33 einen ersten Satz von Planetenrädern 34 auf, die stirnseitig mit dem Sonnenrad 30 kämmen. Der erste Satz von Planetenrädern 34 steht seinerseits mit einem radial weiter außen ebenfalls am Steg 33 gelagerten zweiten Satz von Planetenrädern 36 im Eingriff, die ihrerseits radial weiter außen mit einer Innenverzahnung eines Hohlrades 32 im Eingriff stehen.
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Das Hohlrad 32 ist zusätzlich über ein Sonnenrad 44 eines als Standgetriebe 37 ausgebildeten dritten Planetengetriebes antreibbar. Hierzu treibt ein Hilfsantrieb 42 eine Schnecke 40 an, die mit einem Schneckenrad 41 in selbsthemmendem Eingriff steht. Das Schneckenrad 41 treibt einen Steg 38 des dritten Planetengetriebes an, auf dem Planetenräder 43 gelagert sind, die sich zum einen an einem feststehenden oder an einem Gehäuse des Getriebes fest ausgebildeten Hohlrad 39 abwälzen und die zum anderen mit dem Sonnenrad 44 im Eingriff stehen. Der Steg 38 des Standgetriebes 37 ist mittels eines schematisch in 1 angedeuteten Lagers 54 drehbar gegenüber der Welle 26 oder gegenüber einem für den Durchtritt der Welle 26 vorgesehenen Durchbruch im nicht dargestellten Getriebegehäuse gelagert. Ebenso ist das Sonnenrad 44 des Standgetriebes 37 mittels eines schematisch in 1 angedeuteten Lagers 56 drehbar gegenüber der Welle 26 oder gegenüber einem für den Durchtritt der Welle 26 vorgesehenen Durchbruch im nicht dargestellten Getriebegehäuse gelagert.
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Der Hilfsantrieb 42 wird besonders bevorzugt von einem elektrischen Antrieb oder einem hydraulischen Antrieb gebildet. Die vom Hilfsantrieb 42 angetriebene Schnecke 40 steht mit einem Schneckenrad 41 in selbsthemmendem Eingriff, so dass das Hohlrad 32 bei stillstehendem Hilfsantrieb 42 über das Standgetriebe 37 ebenfalls festgehalten wird, ohne dass eine Rückwirkung vom zweiten Planetengetriebe auf den Hilfsantrieb 42 erfolgt.
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Der Hilfsantrieb 42 treibt für eine Variation der Abtriebsdrehzahl einer mit dem Steg 33 verbundenen Abtriebswelle 49 über das Standgetriebe 37 zusätzlich das Hohlrad 32 des zweiten Planetengetriebes 28 an. Dadurch kann bei einer konstanten Drehzahl des Verbrennungsmotors 10 in dessen optimalem Leistungsbereich mittels des Hilfsantriebs 42 eine Variation der Drehzahl und des Moments der Abtriebswelle 49 in einem weiten Bereich bewirkt werden.
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Die Drehzahl der Schnecke 40, des Schneckenrades 41 oder des Steges 38 wird mittels eines Drehzahlsensors 52 überwacht. Bei einer auf eine Störung des Hilfsantriebs 42 oder des Schneckengetriebes 40, 41 hinweisenden Drehzahlabweichung wird über eine Steuerung unverzüglich eine Sicherheitskupplung 50 geöffnet, die im Bereich der Abtriebswelle 49 angeordnet ist. Damit können Beschädigungen des Getriebes oder des Fahrzeugs sicher vermieden werden.
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Ein mittels des erfindungsgemäßen Getriebes realisierbarer, für einen Personenkraftwagen typischer Drehzahl- und Drehmomentverlauf wird anhand des nachfolgenden Berechnungsbeispiels deutlich:
Leerlauf: Der Verbrennungsmotor 10 läuft beispielsweise mit einer Leerlaufdrehzahl von 800 min–1 und einem Eingangsmoment von 30 Nm. Dabei erzeugt das erste Planetengetriebe 14 bei über die Synchronisation 22 mit dem ortsfesten Bauteil 21 gekuppeltem Steg 18 und gleichzeitig geöffneter Synchronisation 24 zwischen Sonnenrad 16 und Hohlrad 20 bei einer Zähnezahl von 32 des Sonnenrades 16, einer Zähnezahl von 22 des Planetenrades 18 und einer Zähnezahl von 76 des Hohlrades 20 sowie bei einem Modul von 3 mm ein Abtriebsmoment von 71 Nm und eine Abtriebsdrehzahl an der Welle 26 von –336 min–1. Der Hilfsantrieb 42 und damit das Hohlrad 32 des zweiten Planetengetriebes 28 stehen still. Dabei beträgt die Drehzahl an der Abtriebswelle 49 etwa 168 min–1. Diese Drehzahl wird bei einer Betätigung der Bremse des Fahrzeugs im Drehmomentwandler 12 „vernichtet”.
Anfahren: Der Verbrennungsmotor 10 fährt in seine optimale Betriebsdrehzahl von 2200 min–1. Er erzeugt dabei ein Drehmoment von beispielsweise 200 Nm. Dabei erzeugt das erste Planetengetriebe 14 bei über die Synchronisation 22 mit dem ortsfesten Bauteil 21 gekuppeltem Steg 18 und gleichzeitig geöffneter Synchronisation 24 zwischen Sonnenrad 16 und Hohlrad 20 eine Abtriebsdrehzahl an der Welle 26 von –936 min–1. Das Abtriebsmoment des ersten Planetengetriebes beträgt dabei 475 Nm. Der Hilfsantrieb 42 und damit das Hohlrad 32 des zweiten Planetengetriebes 28 stehen immer noch still. Dabei beträgt die Drehzahl an der Abtriebswelle 49 etwa 468 min–1. Nach Erreichen der optimalen Betriebsdrehzahl koppelt die Wandler-Schaltkupplung (WSK) den Drehmomentwandler 12 aus dem Antriebsstrang aus.
Fahrbetrieb: Der Verbrennungsmotor 10 bleibt bei seiner optimalen Betriebsdrehzahl von 2200 min–1. Die Abtriebsdrehzahl an der Welle 26 beträgt somit weiterhin –936 min–1 und das Abtriebsmoment weiterhin 475 Nm. Der Hilfsantrieb 42 treibt über das Schneckengetriebe 40, 41 und das Standgetriebe 37 das Hohlrad 32 des zweiten Planetengetriebes 28 variabel je nach Anforderung eines Fahrpedals mit einer Drehzahl von 0 bis zu etwa 1500 min–1 an. Aufgrund der Übersetzung im Standgetriebe 37 von etwa 3,5 beträgt dabei die Drehzahl der Schnecke 40 maximal etwa rund 430 min–1, was für das Schneckengetriebe eine verträgliche Drehzahl darstellt. Dabei beträgt die Drehzahl an der Abtriebswelle 49 maximal etwa 4968 min–1.
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Drehzahlgleichung für das zweite Planetengetriebe 28 mit 2 Planetenrädern
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Standgetriebe
37 (Hohlrad
30 steht):
Umlaufgetriebe:
mit
- n30
- = Drehzahl Sonne
- n33
- = Drehzahl Steg
- n32
- = Drehzahl Hohlrad
- d
- = Teilkreisdurchmesser [mm] → d = z·m
- m
- = Modul
- z30
- = Zähnezahl Sonnenrad, Teilkreis-Ø Sonne = d30 = z30·m
- r30
- = ½d30
- z34
- = Zähnezahl Planetenrad 34,
- Teilkreis-Ø Planetenrad 34
- = d34 = z34·m
- r34
- = ½d34
- z36
- = Zähnezahl Planetenrad 36,
- Teilkreis-Ø Planetenrad 36
- = d36 = z36·m
- r36
- = ½d36
aufgelöst nach der Stegdrehzahl ergibt sich für das Standgetriebe: aufgelöst nach der Stegdrehzahl ergibt sich für das Umlaufgetriebe: Berechnungsbeispiel für ein Fahrzeuggetriebe im Fahrbetrieb bei maximaler Abtriebsdrehzahl: | | Abtriebsdrehzahlen am Steg für das Stand- bzw. Umlaufgetriebe | |
| Auslegungsdaten: | | | | | | |
| | | | | d = z·m | | r = d/2 |
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| z30 = | 32 | m = | 3 | d30 = | 96 | 48 |
| z34 = | 15 | n30 = | –936 | d34 = | 45 | 22,5 |
| z36 = | 17 | | | d36 = | 51 | 25,5 |
| z32 = | 96 | n32 = | 1500 | d32 = | 288 | |
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| Stegdrehzahl am Standgetriebe: | n38 = | 468 | | | | |
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| Stegdrehzahl n33 am Umlaufgetriebe (entspricht der Abtriebswelle 49): | n33 = | 4968 | | | | |
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Das in 2 dargestellte Merkmal sieht vor, dass die Selbsthemmung des Schneckengetriebes durch eine Veränderung der axialen Flächenpressung zwischen der Schneckenwelle 40 und dem Schneckenrad 41 in Richtung des Pfeils A in 2 einstellbar ist. Hierzu wird die Schneckenwelle 40 beispielsweise axial mittels einer von einem Tellerfederpaket 46 erzeugten Kraft F beaufschlagt.
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Die Größe dieser wirksamen Kraft F ist im gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch veränderbar, dass der Abstützpunkt des Tellerfederpakets 46 mittels eines elektrischen oder hydraulischen Antriebs 48, von dem in 2 nur ein Stellkolben dargestellt ist, veränderbar ist. Je weniger die Tellerfedern 46 durch eine Verlagerung des Stellkolbens nach rechts vorgespannt sind, desto geringer ist deren Druck auf die Schneckenwelle 40 und somit die axiale Flächenpressung zwischen der Schneckenwelle 40 und dem Schneckenrad 41.
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Das Tellerfederpaket 46 kann sich alternativ dazu auch an einem festen Punkt abstützen und ein nicht dargestellter Antrieb 48 wirkt dann von der anderen Seite der Schneckenwelle 40 der Kraft der Tellerfedern 46 entgegen, so dass die axiale Flächenpressung mittels des Antriebs 48 bei Bedarf vermindert oder erhöht werden kann.
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Durch die Standgetriebeübersetzung und die Möglichkeit, die axiale Flächenpressung zu steuern, sind keine hohen Anforderungen im Hinblick auf die Antriebseinheit erforderlich. Dieser kann bei einer mittels des Antriebs 48 reduzierten Flankenpressung auch mit einer niedrigeren Leistung wirksam die Steuerung der gewünschten Drehzahl der Abtriebswelle 49 vornehmen, ohne dabei einen zu starken Drehwiderstand der Schnecke 40 überwinden zu müssen. Ist dagegen ein Festhalten des Steges 38 erforderlich, so kann dazu die axiale Flächenpressung mittels des Tellerfederpakets 46 bzw. des Antriebs 48 erhöht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 11
- Kurbelwelle
- 12
- Drehmomentwandler
- 13
- Welle (von 12)
- 14
- Planetengetriebe (Wendestufe)
- 16
- Sonnenrad (von 14)
- 18
- Planetenrad (von 14)
- 19
- Steg (von 14)
- 20
- Hohlrad (von 14)
- 21
- ortsfestes Bauteil
- 22
- Kupplung
- 24
- Synchronisation
- 26
- Welle (an 20)
- 28
- Planetengetriebe (Hauptstufe)
- 30
- Sonnenrad (von 28)
- 32
- Hohlrad (von 28)
- 33
- Steg (von 28)
- 34
- (erste) Planetenräder (von 28)
- 36
- (zweite) Planetenräder (von 28)
- 37
- Planetengetriebe (Standgetriebe)
- 38
- Steg (von 37)
- 39
- Hohlrad (von 37)
- 40
- Schnecke
- 41
- Schneckenrad
- 42
- Hilfsantrieb
- 43
- Planetenrad (von 37)
- 44
- Sonnenrad (von 37)
- 46
- Tellerfedern
- 48
- Antrieb
- 49
- Abtriebswelle
- 50
- Sicherheitskupplung
- 52
- Drehzahlsensor
- 54
- Lager
- 56
- Lager
mit
