DE102013016689B4

DE102013016689B4 - Das Quotientengetriebe

Info

Publication number: DE102013016689B4
Application number: DE102013016689.6A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-10-09
Filing date: 2013-10-09
Publication date: 2018-09-13
Anticipated expiration: 2033-10-10
Also published as: DE102013016689A1

Abstract

Ein Quotientengetriebe für das Verteilen des Drehmoments einer Antriebswelle (W_a) an die zwei getriebene Wellen rechts (W_r) und links (W_l), das für die Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung umschaltbar ist, bei dem eine der angetriebenen Wellen (auch Hauptwelle genannt) permanent angetrieben wird, wobei eine zweite angetriebene Welle (auch Nebenwelle genannt) einen freien Lauf hat und erst dann angetrieben wird, wenn der Quotient der Winkelgeschwindigkeiten (auch das Drehzahlverhältnis genannt) der getriebenen Wellen W_l / W_r bzw. W_r / W_l einen vorgegebenen Wert erreicht hat. Das Quotientengetriebe wird folgendermaßen zusammengebaut:
- In einem Gehäuse sind vier Paar Kegelzahnräder (oder anders formuliert, vier einzelne Kegelradgetriebe) (A_v - D_l), (B_h - C_r), (A_h - D_r), (B_v - C_l) angebracht, die verschiedene Übersetzungen haben;
- wobei in Vorwärtsrichtung des Getriebes die getriebenen Kegelzahnräder (D_l, C_r) und in Rückwärtsrichtung die getriebenen Kegelzahnräder (D_r, C_l) benutzt werden;
- wobei die zwei treibenden Kegelzahnräder vorne (B_v) und hinten (B_h) ein festes Schaltpaar (B_v-B_h) bilden, das auf einer Schlitzverbindung entlang der Antriebswelle (W_a) zwischen den Kegelzahnrädern (A_v, A_h) verschiebbar ist und zum Verkuppeln mit diesen Kegelzahnrädern (A_v, A_h) an seinen beiden Enden mit einigen Zapfen versehen ist;
- wobei die treibenden Kegelzahnräder vorne (A_v) und hinten (A_h) auf der Antriebswelle (W_a) gelagert sind und in Vorwärtsrichtung das Kegelzahnrad (A_v) oder in Rückwärtsrichtung das Kegelzahnrad (A_h) mithilfe des Schaltpaares (B_v-B_h) mit der Welle (W_a) drehfest verbunden werden;
- wobei das getriebene Kegelzahnrad links (C_l) mittels einem eingebauten Freilaufkörper mit dem Kegelzahnrad links (D_l) verknüpft wird, das mit seiner Welle links (W_l) eine feste Verbindung hat,
- und das getriebene Kegelzahnrad rechts (C_r) mittels einem eingebauten Freilaufkörper mit dem Kegelzahnrad rechts (Dr) verknüpft wird, das mit seiner Welle rechts (W_r) eine feste Verbindung hat,
- durch die verschiedene Übersetzungen der genannten vier Paar Kegelzahnräder werden in der Vorwärtsrichtung die getriebenen Kegelzahnräder (D_l, C_r) oder in der Rückwärtsrichtung die getriebenen Kegelzahnräder (D_r, C_l) zur Rotation mit verschiedenen Winkelgeschwindigkeiten gebracht, deren Quotient konstruktionsbedingt konstant bleibt;
- wobei in der Vorwärtsrichtung der Antriebswelle (W_a) mithilfe des Schaltpaares (B_v-B_h) das treibende Kegelzahnrad vorne (A_v) drehfest zugeschaltet wird, wodurch die getriebene Welle links (W_l) permanent angetrieben wird und zur Hauptwelle wird;
- wobei, falls der konstruktionsbedingte Quotient erreicht wird, sich der im Kegelzahnrad rechts (C_r) eingebaute Freilaufkörper verkeilt und die zweite Welle rechts (W_r) ebenfalls angetrieben wird, wenn auch mit einer geringeren, durch den Quotienten vorgegebenen Winkelgeschwindigkeit, als die getriebene Hauptwelle (W_l);
- wobei in der Rückwärtsrichtung der Antriebswelle (W_a) mithilfe des Schaltpaares (B_v-B_h) das treibende Kegelzahnrad hinten (A_h) drehfest zugeschaltet wird, wodurch die getriebene Welle rechts (W_r) permanent angetrieben wird und zur Hauptwelle wird; dabei wird das Kegelzahnrad (A_v) antriebslos geschaltet wodurch die zweite andere angetriebene Welle links (W_l) als eine Nebenwelle agieren wird, die beim Erreichen des konstruktionsbedingten Quotienten durch das Verkeilen des im Kegelzahnrad links (C_l) eingebauten Freilaufkörpers mit einer geringeren durch den Quotient vorgegebenen Winkelgeschwindigkeit angetrieben wird.

Description

Das Drehmoment an der Antriebsachse eines Autos wird üblicherweise mittels eines Differenzialgetriebes an die beiden Räder übertragen. Dabei ist die Drehzahlsumme der zwei Räder der Drehzahl der Antriebswelle proportional. Anders formuliert: Das zweite Rad bekommt eine Differenz der Drehzahl, die vom ersten Rad übrig bleibt. Falls das erste Rad beim Anfahren auf dem Glatteis „durchdreht“, bekommt das zweite Rad eine Drehzahl gleich Null und das Auto bleibt stehen. Falls ein Rad den Griff mit dem Straßenbelag verliert, bekommt das zweite Rad ebenfalls kein Drehmoment. Um diesen Nachteil des Differenzialgetriebes zu beheben, werden immer häufiger elektronische Steuerungssysteme eingesetzt, die die übermäßigen Drehzahldifferenzen an den Rädern erkennen und das zu schnell rotierende Rad abbremsen. Das „Wegbremsen“ der mechanischen Energie ist keine spritsparende Maßnahme und die Anwendung der Elektronik spiegelt sich im Endpreis des Autos wieder. Um das Drehmoment des Motors an das Fahrwerk des Autos zu übertragen und an die Räder zu verteilen, sind aus der Patentliteratur verschiedene Arten von Getrieben bekannt, die in folgenden Schriften dargestellt sind: WO 2008 / 048 477 A2 ; DE 24 13 288 A1 ; DE 899 149 B . Die Schrift WO 2008 / 048 477 A2 beschreibt das Fahrwerk eines allradgetriebenen Hybridfahrzeugs. In der Schrift DE 24 13 288 A1 wird ein Verteilergetriebe für die zwei Achsen eines allradgetriebenen Fahrzeugs vorgeschlagen, dabei werden nebst den Radbremsen zusätzliche Bremsen im Getriebe eingesetzt. In der Schrift DE 899 149 B ist ein Lenkgetriebe für Kettenfahrzeuge dargestellt. Dies beschreibt im Kurzen den Stand der Technik.
Für die meisten Kleinautos, die immer auf Asphalt fahren, lohnt sich der in den genannten Schriften vorgeschlagene Aufwand nicht. Zum besseren Verständnis der Problematik werden zwei Beispiele genannt, die jedoch nicht erfindungsrelevant sind. Hier das Beispiel 1: Ein Motorrad mit einem Beiwagen wird mit einem Antriebsrad bewegt. Auf Glatteis dreht das Antriebsrad „durch“ und das Fahrzeug bleibt stehen. Für die Fortbewegung wäre es nützlich, das Rad am Beiwagen mit einer Nebenwelle zu versehen, damit diese beim „Durchdrehen“ des Antriebsrades mithilfe eines Getriebes zugeschaltet würde. Bei manchen Motorrädern wird für diesen Zweck ein Differenzialgetriebe verwendet, allerdings mit einem mäßigen Ergebnis: Das Rad am Beiwagen ist meistens gering belastet und dreht auf dem Glatteis eher „durch“ als das Antriebsrad des Motorrads. Hier das Beispiel 2: Ein allradgetriebenes Auto wird mit einem Verteilergetriebe ausgestattet, wie es in der Schrift DE 24 13 288 A1 annäherungsweise dargestellt ist. Für das stabile Fahrverhalten des Autos wird das Drehmoment bei manchem Verteilergetriebe ungleich verteilt, beispielsweise im Betrieb bei guten Straßenbedingungen in dem Verhältnis von Hauptwelle zur Nebenwelle = 60:40. Für die meisten Kleinautos wäre eine Verteilung bei guten Straßenbedingungen in einem Verhältnis von 100:0 am günstigsten. Die Aufgabe besteht darin, ein Verteilergetriebe mit einer permanentgetriebenen Hauptwelle, bei dem zur Sicherstellung der Traktion eine weitere Antriebswelle erst beim „Durchdrehen“ der Hauptwelle, sowohl für die Vorwärts- als auch für die Rückwärtsrichtung, angekoppelt wird, zu entwickeln. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach dem Anspruch 1 gelöst. Bei einem Differenzialgetriebe ist die Drehzahldifferenz zwischen den getriebenen Wellen und dem rotierenden Differenzialkorb gleich, wenn auch mit unterschiedlichen Vorzeichen, daher ist der Name des Getriebes abgeleitet. Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung nach dem Anspruch 1 wird die Nebenwelle erst dann zugeschaltet, wenn das Drehzahlverhältnis der getriebenen Wellen bzw. der Quotient deren Winkelgeschwindigkeiten einen vorgegebenen Wert erreicht hat - daher wird der Name „das Quotientengetriebe“ abgeleitet.
Das Quotientengetriebe entsteht aus einer Kombination von einem Kegelradgetriebe und einem Freilaufkörper, die in der Fahrradtechnik allgemein verbreitet sind. Der Zusammenbau des Quotientengetriebes ist auf der dargestellt. Für die Vorwärts- bzw. Rückwärtsrichtung des Getriebes ist je ein Freilaufkörper verwendet. Die Antriebswelle (Wa) sowie die getriebenen Wellen links (W_l) und rechts (W_r) sind im Gehäuse gelagert, das in nicht gezeigt ist. Die Antriebswelle (W_a) ist von der Symmetrieachse des Getriebes um einen Winkel (α) geneigt. Somit ergibt sich für das gesamte Quotientengetriebe, dass jedes eingebaute Kegelradpaar (bzw. die einzelnen Kegelradgetriebe) (A_v - D_l), (B_h - Cr), (A_h - D_r), (B_v - C_l) einen Achsenwinkel hat, der um diesen Winkel (α) kleiner als 90° ist.
Die zwei treibenden Kegelzahnräder vorne (A_v) und hinten (A_h) sind auf der Antriebswelle (W_a) gelagert. Die zwei kleineren treibenden Kegelzahnräder vorne (B_v) und hinten (B_h) bilden ein festes Paar (B_v-B_h), das mit der Antriebswelle (W_a) eine Schlitzverbindung hat und entlang der Antriebswelle (W_a) zwischen den Kegelzahnrädern (A_v, A_h) verschiebbar ist. Durch das Schieben dieses Schaltpaares (B_v-B_h) wird das Quotientengetriebe immer dann auf die beiden anderen Kegelradgetriebe umgeschaltet, wenn rückwärts gefahren wird. Auf der ist das Getriebe in der Vorwärtsrichtung gezeigt. Mithilfe einiger Zapfen am Kegelzahnrad (B_v) wird das Drehmoment von der Antriebswelle (W_a) an das treibende Kegelzahnrad vorne (A_v) übertragen. Das treibende Kegelzahnrad hinten (A_h) darf in der Vorwärtsrichtung auf der Welle (W_a) frei rotieren.
Das Drehmoment vom treibenden Kegelzahnrad vorne (A_v) wird durch das getriebene Kegelzahnrad links (D_l) unmittelbar auf die linke Welle (W_l) übertragen. Das kleinere getriebene Kegelzahnrad links (C_l) bleibt in Vorwärtsrichtung nicht betätigt; es wird nach dem Umschalten für Rückwärtsfahrt vom Kegelzahnrad (B_v) angetrieben. In Vorwärtsrichtung wird auf der rechten Hälfte des Quotientengetriebes das kleinere getriebene Kegelzahnrad (C_r) vom Kegelzahnrad (B_h) angetrieben. Somit werden in Vorwärtsrichtung von der Antriebswelle (W_a) gleichzeitig das getriebene Kegelzahnrad links (D_l) und das getriebene Kegelzahnrad rechts (C_r) angetrieben.
Wegen den verschiedenen Übersetzungen bekommt das linke Kegelzahnrad (D_l) eine höhere Winkelgeschwindigkeit als das rechte Kegelzahnrad (C_r). Das Verhältnis der beiden Winkelgeschwindigkeiten (bzw. der Quotient) ist konstruktionsbedingt und bleibt konstant. Auf der sind folgende Werte für die bezeichneten Winkel gewählt: α = γ = 5°; β = δ = 40°. Aus diesen Werten ergibt sich der Quotient der Winkelgeschwindigkeiten ω der getriebenen Kegelzahnräder: ω(D_l)/ω(C_r) = 1,21; bzw. der getriebenen Wellen: ω(W_l)/ω(W_r) = 1,21. Bei den guten Straßenbedingungen rollen die Räder des Autos ohne zu rutschen, daher sind die Winkelgeschwindigkeiten der Kegelzahnräder links (D_l) und rechts (Dr) annähernd gleich; das Kegelzahnrad (C_r) rotiert um (1 - 1/1,21)* 100% = 17% langsamer. Dies ist dadurch möglich, weil die Kegelzahnräder rechts (C_r) und (Dr) durch einen eingebauten Freilaufkörper miteinander verknüpft sind. Auf der ist der eingebaute Freilaufkörper im Schnitt S - S gezeigt. Der in den Kegelzahnrädern rechts (C_r, D_r) eingebaute Freilaufkörper verkeilt, wenn die zweite Welle (W_r) langsamer als das Kegelzahnrad (C_r) rotiert. Für die Beschränkung des Drehzahlverhältnisses der getriebenen Wellen (W_r, W_l) in Rückwärtsrichtung ist das getriebene Kegelzahnrad links (C_l) zuständig, wobei der in den Kegelzahnrädern links (C_l, D_l) eingebaute Freilaufkörper verkeilt, wenn die als zweite Welle wirkende Welle (W_l) langsamer als das Kegelzahnrad (Ci) rotiert.
Hier wird auf das Beispiel in Absatz [0001] Bezug genommen: Das Anfahren mit vorgeschlagenem Quotientengetriebe bei Glatteis auf der Straße. Das permanent getriebene linke Rad dreht um einige Zentimeter „durch“. Weil das rechte Rad stehen bleibt, ist der konstruktionsbedingte Quotient ω(D) /ω(C) = 1,21 sofort überschritten; der in den Kegelzahnräder rechts (C_r, D_r) eingebaute Freilaufkörper greift ein und das Drehmoment wird auf die beiden Räder übertragen, wenn auch das rechte Rad mit einer geringeren Winkelgeschwindigkeit rotieren wird als das linke Rad, welche durch den konstruktionsbedingten Quotient bestimmt ist. Sobald das linke Rad den Griff mit dem Straßenbelag bekommt, lässt der Freilaufkörper das rechte Rad frei rollen. Im Gegensatz zu den elektronischen Steuerungssystemen in der Kombination mit einem Differenzialgetriebe erfolgt das Eingreifen des Freilaufkörpers im Quotientengetriebe ohne das „Wegbremsen“ der mechanischen Energie.
Durch das Verschieben des Schaltpaares (B_v-B_h) auf der entlang der Antriebswelle (W_a) nach hinten wird das Quotientengetriebe in die Rückwärtsrichtung umgeschaltet. Die Zapfen am Kegelzahnrad (B_h) greifen in das treibende Kegelzahnrad hinten (A_h) ein. Gleichzeitig wird das treibende Kegelzahnrad vorne (B_v) vom Kegelzahnrad (A_v) abgekoppelt, somit kann das Kegelzahnrad (A_v) auf der Welle (W_a) frei rotieren. Ab jetzt wird das Drehmoment von der Antriebswelle (W_a) permanent auf die rechte getriebene Welle (W_r) übertragen. Falls das rechte Rad „durchdreht“, wird durch das Eingreifen des in den Kegelzahnrädern links (C_l, D_l) eingebauten Freilaufkörpers die linke getriebene Welle (W_l) zugeschaltet. Die Abbildung für das Quotientengetriebe in Rückwärtsrichtung wäre gegenüber der des Getriebes in Vorwärtsrichtung bezüglich auf den Punkt (O) punktsymmetrisch. Somit ist die Beschreibung des Quotientengetriebes für die Rückwärtsrichtung der Beschreibung für die Vorwärtsrichtung vom Absatz [0003] bis [0007] ähnlich.