DE102012022456A1

DE102012022456A1 - Planetengetriebe, Drehmomentübertragungsvorrichtung und Verwendung derselben

Info

Publication number: DE102012022456A1
Application number: DE201210022456
Authority: DE
Inventors: Matthias Rauchschwalbe; Juri Kniss
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2012-11-15
Filing date: 2012-11-15
Publication date: 2014-05-15

Abstract

Die Erfindung umfasst ein Planetengetriebe, umfassend ein Getriebegehäuse sowie ein Sonnenrad (40), ein Hohlrad (30) und einen Steg, auf dem eine Mehrzahl von Planetenrädern (50) gelagert sind, die einerseits über eine erste Koppelstrecke mit dem Sonnenrad (40) und andererseits über eine zweite Koppelstrecke mit dem Hohlrad (30) drehmomentübertragend gekoppelt sind. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens eine der Koppelstrecken als magnetische Koppelstrecke ausgebildet ist, wobei jedes Planetenrad (50) einen Satz Magneten (52, 52', 52'') aufweist, die mit einem korrespondierenden Satz Magneten (42, 42', 32) des Sonnenrades (40) und/oder der Hohlrades (30) drehmomentübertragend wechselwirken.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Planetengetriebe, umfassend ein Getriebegehäuse sowie ein Sonnenrad, ein Hohlrad und einen Steg, auf dem eine Mehrzahl von Planetenrädern gelagert sind, die einerseits über eine erste Koppelstrecke mit dem Sonnenrad und andererseits über eine zweite Koppelstrecke mit dem Hohlrad drehmomentübertragend gekoppelt sind.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Drehmomentübertragungsvorrichtung, umfassend

– ein erstes rotierbares Element, an dem ein erster Magnetträger mit einem ersten Satz Magnete drehfest angeordnet ist, und
– ein zweites rotierbares Element, an dem ein zweiter Magnetträger mit einem zweiten Satz Magnete drehfest angeordnet ist,

Die Erfindung bezieht sich schließlich auf eine Verwendung einer derartigen Drehmomentübertragungsvorrichtung als Synchronisierungsvorrichtung eines Schaltgetriebes, umfassend:

– eine axial verschiebbar auf der ersten Welle gelagerte Formschlusskupplung,
– einen mit dem Losrad verbundenen und mit der Formschlusskupplung mechanisch korrespondierenden Synchronkörper und
– einen zwischen der Formschlusskupplung und dem Synchronkörper angeordneten Synchronring.

Dem Fachmann ist die grundsätzliche Möglichkeit der Übertragung eines Drehmomentes von einem rotierenden Element auf ein anderes rotierendes Element mittels Magnetkraft bekannt. Beispielsweise werden unter der Marke MINEX^®-S der Firma KTR (www.ktr.com) berührungslos arbeitende Magnetkupplungen für explosionsgeschützte Anwendungen vertrieben. Eine Eingangswelle weist dabei einen als Innenrotor bezeichneten Magnetträger auf, der über seinen Umfang verteilt einen Satz Permanentmagnete trägt. Der Innenrotor sitzt koaxial innerhalb eines Außenrotors, der ebenfalls über seinen Umfang verteilt einen Satz Permanentmagnete aufweist. Der Außenrotor ist mit einer Ausgangswelle verbunden, deren Magnetträger er darstellt. Der Luftspalt zwischen dem Innenrotor und dem Außenrotor stellt eine magnetische Koppelstrecke zwischen den beiden Magnetträgern und somit zwischen den beiden Wellen dar. Eine Rotation der Eingangswelle führt aufgrund der magnetischen Wechselwirkung zwischen den beiden Magnetensätzen zu einer Übertragung des Drehmomentes auf die Ausgangswelle.
Aus der DE 10 2004 039 426 A1 ist ein magnetisches Äquivalent zu einer Lamellenkupplung bekannt. Die üblicherweise verschachtelt zueinander angeordneten Sätze von Reiblamellen sind hier ersetzt durch einen Satz Permanentmagnete einerseits und einen Satz Elektromagnete andererseits, sodass die Stärke der magnetischen Wechselwirkung und damit die Stärke der Drehmomentübertragung mittels Steuerung der Bestromung der Elektromagnete einstellbar ist.
Aus der DE 195 32 135 A1 und der DE 10 2004 013 450 B4 sind elektromagnetische Synchronisationsvorrichtungen bekannt, bei denen die axial benachbart zueinander angeordneten Magnetträger zweier zu synchronisierender Wellen gemeinsam koaxial innerhalb einer elektromagnetischen Koppelmanschette angeordnet sind. Je nach Bestromung der elektromagnetischen Koppelmanschette werden die Drehzahlen der beiden Magnetträger und damit der zu synchronisierenden Wellen einander angeglichen.
Aus der DE 10 2005 040 633 A1 , der DE 10 2004 040 230 A1 , der GB 887 079 , der GB 884 233 und der FR 1 212 121 sind unterschiedliche Varianten elektromagnetisch angesteuerter, im Ergebnis jedoch auf herkömmlicher Reibung beruhender Getriebesynchronisierungen bekannt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein neues Anwendungsfeld für magnetische Drehmomentübertragung zu schaffen und bestehende Systemen bezüglich ihrer Dosierbarkeit und im Hinblick auf eine Vereinfachung ihres Aufbaus zu verbessern.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass wenigstens eine der Koppelstrecken als magnetische Koppelstrecke ausgebildet ist, wobei jedes Planetenrad einen Satz Magnete aufweist, die mit einem korrespondierenden Satz Magnete des Sonnenrades und/oder der Hohlrades drehmomentübertragend wechselwirken.
Die Aufgabe wird weiter in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 9 dadurch gelöst, dass die Magnetträger zur Dosierung der Wechselwirkung zwischen ihren Magnetensätzen relativ zueinander axial verschiebbar sind.
Alternativ hierzu wird die Aufgabe in Verbindung in den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 12 dadurch gelöst, dass wenigstens einer der Magnetträger eine verschiebbare Abschirmanordnung aus μ-Metall zur Abschirmung wenigstens einiger Magnete seines Magnetensatzes zur Abschwächung dessen magnetischer Wechselwirkung mit dem Magnetensatz des anderen der Magnetträger aufweist.
Schließlich besteht eine Lösung der Aufgabe in der Verwendung einer erfindungsgemäßen Drehmomentvorrichtung als Synchronisierungsvorrichtung eines Schaltgetriebes gem. Anspruch 16.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Bereitstellung eines neuartigen Planetengetriebes. Der klassische Aufbau eines Planetengetriebes ist dem Fachmann bekannt. Die jeweiligen Koppelstrecken zwischen den Planetenrädern einerseits und dem Sonnenrad bzw. dem Hohlrad andererseits sind typischerweise mechanischer Natur, d. h. die Räder sind als miteinander kämmende Zahnräder ausgebildet. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, wenigstens eine, vorzugsweise sämtliche Koppelstrecken, als magnetische Koppelstrecken auszubilden. Die Räder tragen dazu Magnetensätze mit über den Radumfang verteilten Magneten, durch deren Wechselwirkung das Drehmoment übertragen wird. Aufgrund der berührungslosen Momentenübertragung arbeitet ein derartiges Planetengetriebe quasi verschleißfrei und außerordentlich geräuscharm. Diese Vorteile können weiter gesteigert werden, indem für die beteiligten Wellen Magnetlager anstelle der üblichen mechanischen Lager vorgesehen werden. Die grundsätzliche Übersetzungskinematik eines derartigen Planetengetriebes entspricht im Wesentlichen den dem Fachmann bekannten Gesetzmäßigkeiten.
Allerdings ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Magnet-Planetengetriebe eine zusätzliche Möglichkeit der Übersetzungssteuerung, nämlich durch Steuerung der „Schlupfes” zwischen den beteiligten Rädern. Eine derartige Schlupfsteuerung ist bei miteinander kämmenden Zahnrädern nicht möglich. Im Fall der erfindungsgemäßen magnetischen Momentenübertragung hängt der Schlupf und damit der resultierende Übersetzung von der Stärke der magnetischen Wechselwirkung im Verhältnis zu dem zu übertragenden Drehmoment ab. Eine Übersetzungssteuerung lässt sich daher mittels einer Steuerung der Magnetkraft wenigstens eines Magnetensatzes jedes Paares von korrespondierenden Magnetensätzen realisieren.
Eine besonders einfache Möglichkeit ist dabei die Steuerung der Bestromung der Elektromagneten eines Elektromagnetensatzes. Allerdings ist die Verwendung von Elektromagneten nicht in allen Fällen wünschenswert. Insbesondere erfordert eine Elektromagnetenansteuerung eine aufwändige elektrische Kontaktierung, die insbesondere bei Getriebevorrichtungen mit vielen schnell und komplex drehenden Teilen schwer zu realisieren ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist daher vorgesehen, dass wenigstens ein Magnetensatz als Satz von Permanentmagneten ausgebildet ist.
Zur Steuerung der Magnetkraft eines solchen Permanentmagnetensatzes sind unterschiedliche Ausführungsformen denkbar. Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Sonnenrad, das Hohlrad und/oder die Planetenräder jeweils mehrere, axial gestaffelte Permanentmagnetensätze unterschiedlicher Magnetkraft aufweisen, die relativ zu dem Getriebegehäuse axial verschiebbar sind. Die magnetische Momentenübertragung findet in demjenigen Axialabschnitt des Getriebes statt, in dem die korrespondierenden Magnetensätze einander überlappen. Bei geeigneter Dimensionierung befindet sich von einer Axialstaffel mehrerer Magnetensätze jeweils nur einer in dem kritischen, d. h. drehmomentübertragenden Axialabschnitt. Die benachbarten Magnetensätze tragen nicht zur Drehmomentübertragung bei. Axialverschiebung der Staffel führt jedoch dazu, dass der aktuell an der Drehmomentübertragung beteiligte Magnetensatz aus dem kritischen Bereich heraus und ein anderer Magnetensatz mit einer anderen Magnetkraft in den kritischen Bereich hinein verschoben wird. Im Ergebnis ändert sich somit die Stärke der Wechselwirkung des im kritischen Bereich liegenden Magnetenpaares, damit der Schlupf des Planetengetriebes und damit dessen Übersetzung.
Bei einer ersten Variante dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass die gestaffelten Permanentmagnetensätze zusammen mit dem zugeordneten Rad axial verschieblich sind. Dies bedeutet, dass das betroffene Rad, d. h. das Hohlrad, das Sonnenrad und/oder die Planetenräder, walzenartig ausgebildet sind und über ihre axial Länge mehrere festgelegte Permanentmagnetensätze aufweisen. Eine Verschiebung des gesamten Rades führt daher auch zu der oben erläuterten Axialverschiebung der Magnetensätze und damit zur Übersetzungsänderung.
Bei einer alternativen Variante ist vorgesehen, dass die gestaffelten Permanentmagnetensätze relativ zu dem zugeordneten Rad axial verschiebbar sind. Bei dieser Variante bleibt das Rad selbst axial unverändert. Die Verschiebung der Magnetensätze folgt innerhalb des Rades, wobei es möglich ist, komplette Magnetensätze durch Verschiebung auszutauschen oder durch Verschiebung einzelner Magnete in den und aus dem kritischen Bereich die Magnetkraft innerhalb des kritischen Bereiches zu verändern, d. h. den Magnetensatz im kritischen Bereich je nach Bedarf durch Axialverschiebung „zusammenzustellen”.
Alternativ zum Konzept der Axialverschiebung kann als zweite Ausführungsform der Magnetkraftdosierung vorgesehen sein, dass das Sonnenrad, das Hohlrad und/oder die Planetenräder eine verschiebbare Abschirmanordnung aus μ-Metall zur Abschirmung wenigstens einiger der Permanentmagnete eines jeweils zugeordneten Permanentmagnetensatzes zur Abschwächung dessen magnetischer Wechselwirkung mit dem jeweils korrespondierenden Magnetensatz aufweisen. μ-Metalle sind dem Fachmann geläufig. Es handelt sich dabei jeweils um eine weichmagnetische Metalllegierung, meist eine Eisen-Nickel-Legierung, welche magnetische Felder abzuschirmen in der Lage ist. Bei der vorgeschlagenen Ausführungsform trägt das jeweils betroffene Rad einen Satz Permanentmagnete, die gemeinsam die maximale Magnetkraft definieren. Durch gezielte Abschirmung einzelner dieser Magnete mittels der μ-Metallanordnung lässt sich die resultierende Magnetkraft, d. h. die zur Drehmomentübertragung zur Verfügung stehende Magnetkraft, stufenweise abschwächen. Zur konkreten Ausgestaltung der Abschirmvorrichtung sind verschiedene Varianten denkbar. Beispielsweise können axial angeordnete Stabmagnete durch korrespondierend geformte, axial verschiebliche μ-Metallröhren abgeschirmt werden. Auch ist es möglich, einen Stabmagneten koaxial zu einer μ-Metall-Halbröhre anzuordnen, wobei die Halbröhre um die gemeinsame Achse schwenkbar ist. Liegt sie, bezogen auf das betroffene Rad, auf der radial inneren Seite des Stabmagneten bedeutet das bei Anwendung bei einem Sonnen- oder Planetenrad eine minimale Abschirmung bzw. bei einem Hohlrad eine maximale Abschirmung der innerhalb des Planetengetriebes drehmomentübertragenden Magnetkraft. Verschwenkung der μ-Metall-Halbröhre auf die in Bezug auf das betroffene Rad radial äußere Seite des Stabmagneten bedeutet bei Anwendung auf Sonnen- oder Planetenrad eine maximale, bei Anwendung auf das Hohlrad eine minimale Magnetkraftabschirmung.
Schließlich ist eine dritte Ausführungsform der Magnetkraftdosierung alternativ zu Axialverschiebung und μ-Metallabschirmung denkbar, nämlich eine Radialverschiebbarkeit wenigstens einiger der Permanentmagnete eines Permanentmagnetensatzes des Sonnenrades, des Hohlrades und/oder der Planetenräder. „Radial” bezieht sich dabei auf das jeweils betroffene Rad. Durch eine solche Radialverschiebung ändert sich der Abstand der miteinander wechselwirkenden, korrespondieren Magnetensätze, etwa der Sätze von Hohlrad und Planetenrädern bzw. Sonnenrad und Planetenrädern.
Da eine aktive Ansteuerung einer solchen Radialverschiebung innerhalb eines Getriebes sehr aufwendig ist, ist eine passive Ansteuerung häufig vorteilhaft. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass eine Radialverschiebung wenigstens einiger der radial verschiebbaren Permanentmagnete mittels einer drehzahlabhängigen Fliehkraftregelung bewirkbar ist. So könnte beispielsweise vorgesehen sein, dass die Permanentmagnete innerhalb radial angeordneter Taschen gelagert und nach radial innen federvorgespannt sind. Die durch die Drehung des Getriebes erzeugten Fliehkräfte wirken der Federvorspannung entgegen, sodass die Permanentmagnete mit höheren Drehzahlen nach weiter radial außen verschoben werden, wobei sich die magnetische Wechselwirkung mit dem jeweils korrespondierenden Magnetensatz im Ergebnis verstärkt.
Die oben erläuterten Konzepte der Magnetkraftdosierung lassen sich auch auf andere, grundsätzlich bekannte Drehmomentübertragungsvorrichtungen anwenden. So ist gem. einem zweiten Aspekt der Erfindung vorgesehen, eine gattungsgemäße Drehmomentvorrichtung dadurch weiterzubilden, dass die Magnetträger zur Dosierung der Wechselwirkung zwischen den Magnetensätzen relativ zueinander verschiebbar sind. Dabei sind zwei unterschiedliche Ausführungsformen denkbar. Gem. einer ersten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Magnetträger koaxial zueinander angeordnet sind, sodass ihre relative Axialverschiebung eine Veränderung der Länge einer axialen Überlappung der zugeordneten Magnetensätze bewirkt. Der grundsätzliche Aufbau entspricht dem der eingangs erläuterten bekannten Magnetkupplung mit koaxialer Anordnung der Magnetträger der zu koppelnden Wellen. Durch die axiale Verschiebbarkeit der Magnetträger zueinander, die selbstverständlich während des Rotationsbetriebs erfolgen können muss, lässt sich die magnetische Wechselwirkung zwischen den Wellen und damit der Schlupf der Kupplung einstellen. Hierdurch wird, wie oben bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Planetengetriebe erläutert, eine veränderbare Übersetzung der Drehmomentübertragung realisiert. Außerdem lässt sich hierdurch ein besonders weiches Ein- und Auskuppeln durch entsprechend langsame Veränderung der wechselwirkenden Magnetkraft erzeugen.
Alternativ zur Koaxialanordnung können die Magnetträger einander axial benachbart angeordnet sein, sodass eine relative Axialverschiebung eine Veränderung des axialen Abstandes der zugeordneten Magnetsätze bewirkt. Auch hierdurch wird die magnetische Wechselwirkung und damit der Schlupf und die Übersetzung entsprechend variiert.
Alternativ zur Magnetkraftdosierung mittels Axialverschiebung ist bei einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehmomentübertragungsvorrichtung vorgesehen, dass wenigstens einer der Magnetträger eine verschiebbare Abschirmanordnung aus μ-Metall zur Abschirmung wenigstens einiger Magnete seines Magnetensatzes zur Abschwächung dessen magnetischer Wechselwirkung mit dem Magnetensatz des anderen der Magnetträger aufweist. Auch dieses Konzept wurde bereits zuvor am Beispiels des erfindungsgemäßen Planetengetriebes erläutert, sodass zur Vermeidung von Wiederholungen auf das zuvor Gesagte verwiesen werden kann.
Unabhängig von der konkreten Art und Weise der Magnetkraftdosierung ist bevorzugt vorgesehen, dass die Magnetensätze als Sätze von Permanentmagneten ausgebildet sind. Auch hierzu wird auf die obigen Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Planetengetriebe verwiesen.
Die konkrete Ausgestaltung der Drehmomentübertragungsvorrichtung kann durchaus mannigfaltig sein. Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das erste rotierbare Element eine erste Welle und das zweite rotierbare Element eine koaxial oder axial benachbart zu der ersten Welle angeordnete zweite Welle ist. Hierbei handelt es sich um eine Weiterbildung einer klassischen Wellenkupplung.
Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass das erste rotierbare Element eine erste Welle und das zweite rotierbare Element ein drehbeweglich und axial fest auf der ersten Welle gelagertes Losrad ist. Bei dieser Ausführungsform handelt es sich um eine Weiterbildung einer klassischen Welle-Nabe-Kupplung.
Eine solche kann vorteilhaft im Rahmen von Schaltgetrieben eingesetzt werden. Ein einfacher Ansatz hierzu wäre die Ausgestaltung des mit der Getriebewelle zu koppelnden Gangrades als Losrad im vorgenannten Sinne. Will man jedoch nicht auf die klassische Formschlusskupplung zwischen Getriebewelle und Gangrad verzichten, kann eine erfindungsgemäße Drehmomentvorrichtung als Synchronisierungsvorrichtung verwendet werden. Bekanntermaßen umfasst eine Synchronisierungsvorrichtung eines Schaltgetriebes in der hier im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Drehmomentvorrichtung verwendeten Terminologie eine axial auf der ersten Welle gelagerte Formschlusskupplung, einen mit dem Losrad verbundenen und mit der Formschlusskupplung mechanisch korrespondieren Synchronkörper und einen zwischen der Formschlusskupplung dem Synchronkörper angeordneten Synchronring. Bei der erfindungsgemäßen Verwendung der magnetischen Drehmomentvorrichtung ist der Synchronring dabei als der erste Magnetträger und der Synchronkörper als der zweite Magnetträger ausgebildet. Das bedeutet, dass zur Vorbereitung des Schaltvorgangs, wenn Gangrad und Getriebewelle stark unterschiedliche Drehzahlen haben, durch schrittweise oder kontinuierliche Erhöhung der magnetischen Wechselwirkung zwischen dem mit der Getriebewelle verbundenen Synchronring und dem mit dem Gangrad verbundenen Synchronkörper eine Drehzahlangleichung zwischen Gangrad und Getriebewelle erfolgt. Drehen beide Elemente gleich, kann die Klauenkupplung axial vorgeschoben werden, wobei sie den Synchronring durchsetzt und in die mechanischen Korrespondenzstrukturen des Synchronkörpers eingreift, sodass Gangrad und Getriebewelle durch Formschluss verbunden sind.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
Es zeigen:
1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenkupplung,
2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellen/Naben-Kupplung,
3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenkupplung,
4 eine schematische Skizze einer μ-Metall-Abschirmvorrichtung,
5 eine schematische, perspektivische Darstellung einer μ-Metall-Abschirmvorrichtung,
6 eine alternative Ausführungsform einer μ-Metall-Abschirmvorrichtung,
7 eine erfindungsgemäße Synchronisierungsvorrichtung in drei unterschiedlichen Schaltzuständen,
8 ein erfindungsgemäßes Planetengetriebe in drei unterschiedlichen, teilweise ausschnittsartigen Darstellungen.
1 zeigt eine stark schematisierte Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Wellenkupplung zur Übertragung eines Drehmomentes von einer Eingangswelle 10 auf eine Ausgangswelle 12. Die Eingangswelle 10 weist einen Magnetträger 102 auf, der über seine axiale Länge und über den Umfang der Eingangswelle verteilt einen Satz Permanentmagnete 104 aufweist. Die Ausgangswelle 12 weist einen Magnetträger 122 auf, der topfartig ausgebildet ist und über seine axiale Länge sowie über den Topfumfang verteilt einen Satz Permanentmagnete 124 aufweist. Der innere Topfdurchmesser des ausgangswellenseitigen Magnetträgers 122 ist auf den Außenumfang des eingangswellenseitigen Magnetträgers 102 so abgestimmt, dass eine koaxiale Anordnung mit geringem Luftspalt zwischen den Magnetträgern 102 und 122 möglich ist. Diese koaxiale Anordnung ist in 1 dargestellt. Soweit entspricht die gezeigte Wellenkupplung bekannten magnetischen Wellenkupplungen. Zur Variation des übertragenen Drehmomentes ist bei der dargestellten Ausführungsform eine axiale Verschiebbarkeit der Magnetträger 102, 122 relativ zueinander vorgesehen. Dies entspricht im Grunde der Variation der Kupplungskapazität durch Variation der Stärke der magnetischen Wechselwirkung zwischen den Permanentmagnete 104 und 124. In 1 sind schematisch mehrere Ausführungsmöglichkeiten gemeinsam dargestellt. Der Verschiebepfeil 141 zeigt dabei die Möglichkeit, die Eingangswelle 10 als Ganzes, einschließlich des Magnetträgers 102 axial zu verschieben. Hierdurch verändert sich die Länge des Überlappungsbereiches der Magnetträger 102, 122 und damit die Stärke der magnetischen Wechselwirkung zwischen den Magneten 104, 124. Der Verschiebepfeil 142 deutet hingegen die Möglichkeit an, den eingangswellenseitigen Magnetträger 102 relativ zur Eingangswelle 10 zu verschieben. Ein entsprechender, in der Eingangswelle 10 integrierter Mechanismus ist in 1 nicht dargestellt. Der Fachmann wird erkennen, dass das Ergebnis dasselbe ist wie bei der vorgenannten Variante, nämlich eine Änderung der axialen Länge des Überlappungsbereiches zwischen den Magnetträgern 102, 122. Der Verschiebepfeil 143 deutet die Möglichkeit der Axialverschiebung der gesamten Ausgangswelle 12 an. Die Verschiebepfeile 144 deuten die Möglichkeit der axialen Verschiebung des ausgangswellenseitigen Magnetträgers 122 relativ zur Ausgangswelle 12 an.
2 zeigt in stark schematisierter Darstellung ebenfalls eine magnetische Wellenkupplung zur Übertragung eines Drehmomentes von der Eingangswelle 10 auf die Ausgangswelle 12. Der Magnetträger 102 der Eingangswelle ist hier als eine Mehrzahl von drehfest mit der Eingangswelle 10 fixierten Scheiben mit über ihre Flächen verteilten Permanentmagneten 104 ausgestaltet. Der Magnetträger 122 der Ausgangswelle 12, die koaxial zur Eingangswelle 10 angeordnet ist, ist käfigartig gestaltet und weist ebenfalls drehfest mit der zugehörigen Welle 12 verbundene Scheiben mit über ihre Flächen verteilten Magneten 124 auf. Die Magnetträgerscheiben des eingangswellenseitigen Magnetträgers 104 und des ausgangswellenseitigen Magnetträgers 124 sind alternierend angeordnet, sodass sich zwischen jedem Scheibenpaar eine magnetische Wechselwirkung zur Drehmomentübertragung etablieren kann. Zur Variation der Wechselwirkung ist der ausgangswellenseitige Magnetträger 122, wie durch die Verschiebepfeile 141, 144 angedeutet axial verschieblich zur Eingangswelle 10 und damit zum eingangswellenseitigen Magnetträger 102 gelagert. Eine relative Axialverschiebung der Magnetträger 102, 122 führt zu einer Variation des Abstandes zwischen den Magneten 104, 124 und damit zu einer Variation der Kupplungskapazität.
3 zeigt eine magnetische Kupplung zwischen einer Eingangswelle 10 und einem auf dieser angeordneten Losrad 16. Die Eingangswelle 10 ist, vergleichbar der Eingangswelle 10 der Ausführungsform von 1, mit einem Magnetträger 102 mit Permanentmagneten 104 ausgestattet. Diese wechselwirken mit Magneten 164 eines um die Nabe des Losrades 16 angeordneten Magnetträgers 162. Zur Variation des übertragenen Drehmomentes ist, vergleichbar der Ausführungsform von 1 eine axiale Relativverschiebung der Magnetträger 102, 162 vorgesehen, die auf unterschiedliche Weise realisiert werden kann, nämlich insbesondere durch Axialverschiebung der Eingangswelle 10 (Verschiebepfeil 141) durch Axialverschiebung des eingangswellenseitigen Magnetträgers 102 (Verschiebepfeil 142) oder durch Axialverschiebung des Losrades 16, einschließlich seines Magnetträgers 162 (Verschiebepfeil 145).
Die 4 bis 6 stellen zwei Ausführungsformen eines grundlegend anderen Prinzips der Variation der magnetischen Wechselwirkung zwischen den Elementen einer genetischen Drehmomentübertragungsvorrichtung dar. Die konkrete Ausgestaltung der Drehmomentübertragungsvorrichtung ist dabei nicht von Belang. Insbesondere könnte sie analog zu den vorgenannten Ausführungsformen oder den weiter unten beschriebenen Ausführungsformen gestaltet sein. Die 4 und 5 stellen eine erste Variante dieses zweiten Grundprinzips dar. In den nur ausschnittsweise gezeigten Magnetträgern 102, 122 sind Permanentmagnete 104, 124 so angeordnet, dass sie miteinander über einen Luftspalt magnetisch wechselwirken. Die Permanentmagnete 104 sind dabei, wie in 5 perspektivisch dargestellt, innerhalb einer zylinderförmigen Verschiebevorrichtung für eine μ-Metall-Folie 18 angeordnet. Eine Verschiebung der μ-Metall-Folie in die magnetische Koppelstrecke zwischen den Magneten 104 und 124 führt zu einer Abschirmung des Magnetfeldes und damit zu einer Abschwächung der magnetischen Wechselwirkung. Verschiebung der μ-Metall-Folie aus diesem Zwischenraum heraus führt zu einer Verstärkung der magnetischen Wechselwirkung. Die Verschiebung kann, wie beispielsweise in 4 gezeigt, rotatorisch erfolgen. In 4a ist dabei die Stellung maximaler und in 4b die Stellung minimaler Abschirmung des Magnetfeldes gezeigt. Die rotatorische Verschiebung ist durch den Verschiebepfeil 146 angedeutet. In 5 ist zusätzlich zu der rotatorischen Verschiebung der μ-Metall-Folie 18 durch den Axialverschiebepfeil 167 die Möglichkeit der axialen Verschiebung der μ-Metall-Folie 18 angedeutet. Diese Variante benötigt zwar einen axial längeren Bauraum, ist jedoch konstruktiv einfacher zu realisieren.
6 zeigt eine andere Anordnung zur Abschirmung der magnetischen Wechselwirkung mittels μ-Metall-Folienverschiebung, die solchen Ausführungsformen mit kreisförmiger Anordnung der Magnete 104 auf einem scheibenförmigen Magnetträger 102 vorbehalten ist. Die μ-Metall-Folie 18 ist hier ebenfalls scheibenförmig ausgestaltet und weist Fenster auf, durch welche hindurch sich das Magnetfeld der Magneten 104 ausbreiten kann. Eine Relativdrehung der μ-Metall-Folie 18 zum Magnetträger 102, wie durch den Schiebepfeil 148 angedeutet, führt zu einer teilweisen oder vollständigen Abdeckung der Magnete 104 und somit zu einer Abschirmung des entsprechenden Magnetfeldes in axialer Richtung. Der Fachmann wird erkennen, dass sich eine solche Anordnung insbesondere zur Anwendung in einer Wellenkupplung analog der Ausführungsform von 2 als Alternative zur dortigen Axialverschiebung anbietet.
7 zeigt drei Stellungen einer stark schematisiert dargestellten Synchronisierung eines Schaltgetriebes. Bekanntermaßen ist es für einen Gangwechsel erforderlich, die als Drehmomenteingangswelle wirkende Gangwelle 10 mit einem Gangrad 16, welches als Losrad axial fest aber drehbeweglich angeordnet ist, drehfest zu koppeln. Hierzu ist typischerweise eine Klauenkupplung 20 vorgesehen, die axial verschieblich und drehfest mit der Gangwelle 10 verbunden ist. Diese geht zur Fixierung des Gangrades 16 einen Formschluss mit einer korrespondieren Kupplungsstruktur im Synchronkörper 161 des Gangrades 16 ein. Der Synchronkörper 161 ist hier als Magnetträger 162 des Gangrades 16 ausgestaltet, vergleichbar der Ausführungsform von 2. Axial zwischen dem Synchronkörper 161 und der Klauenkupplung 20 ist ein Synchronring 24 angeordnet, der im Wesentlichen drehfest und axial beweglich auf der Gangwelle 10 gelagert ist. Er stellt ebenfalls einen Magnetträger dar, der über seine axiale Länge und seinen Umfang verteilt einen Satz Permanentmagnete 244 trägt, die mit dem über dessen axiale Länge und Umfang verteilten Permanentmagnete 164 des Synchronkörpers 161 wechselwirken kann. Hierzu sind die Dimensionen des Synchronkörpers 161 und des Synchronringes 24 aufeinander abgestimmt, sodass letzterer ersteren mit einem geringen Luftspalt koaxial umgreifen kann. In Teilfigur 7a ist eine Ausgangsstellung gezeigt, in der das Gangrad 16 ungekoppelt auf der Gangwelle 10 drehen kann. Durch Axialverschiebung des Synchronrings 24 in Richtung des Synchronkörpers 161 treten die jeweiligen Magneten 244, 164 kontinuierlich ansteigend miteinander in Wechselwirkung, sodass eine ansteigende Drehmomentübertragung zwischen der Gangwelle 10 und dem Gangrad 16 auftritt.
Hierdurch werden die Drehgeschwindigkeiten der Gangwelle 10 und des Gangrades 16 bis zum Synchronlauf aneinander angeglichen. Sobald der Synchronlauf erreicht ist, kann, wie in Teilfigur 7c dargestellt, die Klauenkupplung 20 vorgeschoben werden, um in die korrespondierenden Kupplungsstrukturen 22 des Synchronkörpers 161 einzugreifen und eine formschlüssige, drehfeste Verbindung zwischen der Gangwelle 10 und dem Gangrad 16 zu etablieren.
8 zeigt ein erfindungsgemäßes Planetengetriebe mit einem Hohlrad 30, einem Sonnenrad 40 und einem nicht im Detail gezeigten Planetträger, auf den mehrere, Planetenräder 50 rotierbar angeordnet sind. Jedes der Räder 30, 40, 50 weist über seinen Umfang verteilt einen Satz Permanentmagneten 32, 42 bzw. 52 auf. Diese entwickeln jeweils Paarweise eine Wechselwirkung zu dem jeweils benachbarten Rad, wie insbesondere aus der Schnittdarstellung von 8a ersichtlich ist. Diese magnetischen Koppelstrecken sind in der Wirkung vergleichbar mit den mechanischen Koppelstrecken üblicher Verzahnungen bekannter Planetengetriebe. Die wesentlichen Bewegungsrichtungen sind in 8a durch die Pfeile dargestellt. Um eine variierbare Übersetzung des Planetengetriebes zu erzeugen, ist vorgesehen, die magnetische Wechselwirkung zwischen den Rädern 30, 40, 50 entsprechend zu ändern. Hierdurch ändert sich jeweils der Schlupf der Räder und damit im Ergebnis die Übersetzung. Zur Veränderung der Stärke der magnetischen Wechselwirkung ist, wie in 8b gezeigt, vorgesehen, dass wenigstens ein Rad einer Paarung mehrere axial gestaffelte Magnetensätze unterschiedlicher Stärke aufweist. Bei dem in 8b gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Planetenräder derart ausgestaltet und weisen die Magnetsätze 52, 52' und 52'' auf, deren unterschiedliche Magnetkraft durch unterschiedliche Größe und Anzahl der Einzelmagnete dargestellt ist. In 8b sind zwei unterschiedliche Varianten der Axialverschiebung dargestellt, die in realistischen Ausführungsformen in der Regel eher nicht kombiniert werden. Im oberen Teil von 8b ist ein in dem hohlzylindrisch ausgebildeten Planetenrad 50 ein die Magnetensätze 52, 52', 52'' tragender Magnetträger 54 angeordnet, der innerhalb des Hohlzylinders des Planetenrades 50 axial verschiebbar ist. Im unteren Teil von 8b ist dagegen die Möglichkeit der Axialverschiebung des gesamten Planetenrades 50 angedeutet. In 8c schließlich ist am Beispiel des Sonnenrades 40 eine weitere Möglichkeit der Variation der Magnetkraft dargestellt. Hier ist jeder zweite Magnet 42 in einer radialen Tasche angeordnet, in der er radial verschiebbar gelagert ist. Dabei ist jeder verschiebbare Magnet 42 mit einer im Bereich der Nabe des Sonnenrades 40 gelegten Zugfeder 44 mit einer nach radial innen gerichteten Federkraft vorgespannt. Die bei Rotation des Sonnenrades 40 wirkenden Zentrifugalkräfte wirken der Federvorspannung entgegen, sodass eine drehzahlabhängige Positionierung der radial verschiebbaren Magneten realisiert ist. Hieraus ergibt sich auch eine Drehzahlabhängigkeit der Stärke der magnetischen Wechselwirkung zwischen dem Sonnenrad 40 und dem Planetenrädern 50, da sich der Abstand zwischen den wechselwirkenden Magneten 42 bzw. 52 entsprechend der Radialposition der Sonnenrad-Magneten 42 ändert. Selbstverständlich lässt sich ein analog funktionierendes Planetengetriebe auch auf Basis der oben im Zusammenhang mit den 4 bis 6 erläuterten Magnetkraftvariation mittel μ-Metall-Folienabdeckung realisieren.
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben.
Bezugszeichenliste

10: Eingangswelle/Gangwelle
102: Magnetträger von 10
104: Permanentmagneten von 102
12: Ausgangswelle
122: Magnetträger von 12
124: Permanentmagneten von 122
141: Verschiebungspfeil
142: Verschiebungspfeil
143: Verschiebungspfeil
148: Verschiebungspfeil
16: Losrad/Gangrad
161: Synchronkörper
162: Magnetträger von 16
164: Permanentmagnet von 162
20: Klauenkupplung
22: korrespondierende Kupplungsstruktur
24: Synchronring
244: Permanentmagnet von 24
30: Hohlrad
32: Magnet von 30
40: Sonnenrad
42: Magnet von 40
42': radial verschiebbarer Magnet von 40
50: Planetenrad
52: Magnet von 50
52': Magnet von 50
52'': Magnet von 50
54: Magnetträger von 50

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004039426 A1 [0005]
DE 19532135 A1 [0006]
DE 102004013450 B4 [0006]
DE 102005040633 A1 [0007]
DE 102004040230 A1 [0007]
GB 887079 [0007]
GB 884233 [0007]
FR 1212121 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

www.ktr.com [0004]

Claims

Planetengetriebe, umfassend ein Getriebegehäuse sowie ein Sonnenrad (40), ein Hohlrad (30) und einen Steg, auf dem eine Mehrzahl von Planetenrädern (50) gelagert sind, die einerseits über eine erste Koppelstrecke mit dem Sonnenrad (40) und andererseits über eine zweite Koppelstrecke mit dem Hohlrad (30) drehmomentübertragend gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Koppelstrecken als magnetische Koppelstrecke ausgebildet ist, wobei jedes Planetenrad (50) einen Satz Magneten (52, 52', 52'') aufweist, die mit einem korrespondierenden Satz Magneten (42, 42', 32) des Sonnenrades (40) und/oder der Hohlrades (30) drehmomentübertragend wechselwirken.
Planetengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Magnetensatz (32; 42, 42'; 52, 52', 52'') als Satz von Permanentmagneten ausgebildet ist.
Planetengetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sonnenrad (40), das Hohlrad (30) und/oder die Planetenräder (50) jeweils mehrere, axial gestaffelte Permanentmagnetensätze (52, 52', 52'') unterschiedlicher Magnetkraft aufweisen, die relativ zu dem Getriebegehäuse axial verschiebbar sind.
Planetengetriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gestaffelten Permanentmagnetensätze (52, 52', 52'') zusammen mit dem zugeordneten Rad (50) axial verschieblich sind.
Planetengetriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gestaffelten Permanentmagnetensätze (52, 52', 52'') relativ zu dem zugeordneten Rad (50) axial verschiebbar sind.
Planetengetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sonnenrad, das Hohlrad und/oder die Planetenräder eine verschiebbare Abschirmanordnung aus μ-Metall zur Abschirmung wenigstens einiger der Permanentmagnete eines jeweils zugeordneten Permanentmagnetensatzes zur Abschwächung dessen magnetischer Wechselwirkung mit dem jeweils korrespondierenden Magnetensatz aufweisen.
Planetengetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einige der Permanentmagnete (42') eines Permanentmagnetensatzes des Sonnenrades (40), des Hohlrades (30) und/oder der Planetenräder (50) radial verschiebbar sind.
Planetengetriebe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Radialverschiebung wenigstens einiger der radial verschiebbaren Permanentmagnete (42') mittels einer drehzahlabhängigen Fliehkraftregelung bewirkbar ist.
Drehmomentübertragungsvorrichtung, umfassend – ein erstes rotierbares Element (10), an dem ein erster Magnetträger (102) mit einem ersten Satz Magnete (104) drehfest angeordnet ist, und – ein zweites rotierbares Element (12, 16), an dem ein zweiter Magnetträger (122, 162) mit einem zweiten Satz Magnete (124, 164) drehfest angeordnet ist, wobei die Magnetträger (102; 122, 162) derart benachbart zueinander angeordnet sind, dass ein Drehmoment zwischen dem ersten rotierbaren Element (10) und dem zweiten rotierbaren Element (12, 16) durch magnetische Wechselwirkung zwischen dem ersten Magnetensatz und dem zweiten Magnetensatz (124, 164) übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetträger (102; 122, 162) zur Dosierung der Wechselwirkung zwischen ihren Magnetsätzen relativ zueinander axial verschiebbar sind.
Drehmomentübertragungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetträger (102; 122, 162) koaxial zueinander angeordnet sind, sodass ihre relative Axialverschiebung eine Veränderung der Länge einer axialen Überlappung der zugeordneten Magnetensätze (104; 124, 164) bewirkt.
Drehmomentübertragungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetträger (102, 122) einander axial benachbart angeordnet sind, sodass eine relative Axialverschiebung eine Veränderung eines axialen Abstandes der zugeordneten Magnetsätze (104, 124) bewirkt.
Drehmomentübertragungsvorrichtung, umfassend – ein erstes rotierbares Element (10), an dem ein erster Magnetträger (102) mit einem ersten Satz Magnete (104) drehfest angeordnet ist, und – ein zweites rotierbares Element (12, 16), an dem ein zweiter Magnetträger (122, 162) mit einem zweiten Satz Magnete (124, 164) drehfest angeordnet ist, wobei die Magnetträger (102; 122, 162) derart benachbart zueinander angeordnet sind, dass ein Drehmoment zwischen dem ersten rotierbaren Element (10) und dem zweiten rotierbaren Element (12, 16) durch magnetische Wechselwirkung zwischen dem ersten Magnetensatz (104) und dem zweiten Magnetensatz (124, 164) übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Magnetträger (102; 122, 162) eine verschiebbare Abschirmanordnung aus μ-Metall (18) zur Abschirmung wenigstens einiger Magnete seines Magnetensatzes (104; 124, 164) zur Abschwächung dessen magnetischer Wechselwirkung mit dem Magnetensatz (124, 164, 104) des anderen der Magnetträger (122, 162; 102) aufweist.
Drehmomentübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetensätze (104, 124, 164) als Sätze von Permanentmagneten ausgebildet sind.
Drehmomentübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste rotierbare Element eine erste Welle (10) und das zweite rotierbare Element eine koaxial oder axial benachbart zu der ersten Welle (12) angeordnete zweite Welle ist.
Drehmomentübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste rotierbare Element (10) eine erste Welle und das zweite rotierbare Element ein drehbeweglich und axial fest auf der ersten Welle gelagertes Losrad (16) ist.
Verwendung einer Drehmomentvorrichtung nach Anspruch 15 als Synchronisierungsvorrichtung eines Schaltgetriebes, umfassend – eine axial verschiebbar auf der ersten Welle (10) gelagerte Formschlusskupplung (20), – einen mit dem Losrad (16) verbundenen und mit der Formschlusskupplung mechanisch korrespondierenden Synchronkörper (161) und – einen zwischen der Formschlusskupplung (20) und dem Synchronkörper (161) angeordneten Synchronring (24), wobei der Synchronring (24) als der erste Magnetträger (102) und der Synchronkörper (24) als der zweite Magnetträger (162) ausgebildet ist.