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Die Erfindung betrifft eine Getriebevorrichtung für ein Fahrzeug. Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug mit der Getriebevorrichtung.
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Übersetzungsgetriebe mit variabler Übersetzung eröffnen die Möglichkeit, für jeden Betriebszustand des Fahrzeugs ein optimales Übersetzungsverhältnis zu wählen. Allerdings beruht die Umsetzung von Übersetzungsgetrieben mit variablem Übersetzungsverhältnis sehr oft auf reibschlüssigen Getrieben, welche gegenüber Zahnradgetrieben den Nachteil aufweisen können, dass deren Übertragungswirkungsgrad niedriger ist.
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Diesem Problem widmet sich auch die Druckschrift
DE 36 16 343 C2 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet. In dieser Druckschrift wird ein Übersetzungsgetriebe vorgeschlagen, welches als Kernelemente unrunde Zahnräder verwendet, wobei die unrunden Zahnräder in dem Übersetzungsgetriebe so angeordnet sind, dass sich – letztlich – ein konstantes Übersetzungsverhältnis ergibt, welches in Abhängigkeit von einem steuerbaren Winkel geändert werden kann. Dieses Übersetzungsgetriebe vereinigt den Vorteil eines Zahnradgetriebes mit einem Getriebe mit variablem Übersetzungsverhältnis.
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DE 37 16 400 A1 zeigt eine Winkelgeschwindigkeit modulierende Vorrichtung, die eine automatische, schrittlose Übersetzung ermöglicht. Die Übersetzung setzt sich zusammen aus mehreren, die Winkelgeschwindigkeit modulierenden Vorrichtungen, die aus einem ersten und zweiten Paar Zahnräder aufgebaut sind, von denen jedes ein erstes und zweites nichtkreisförmiges Zahnrad umschließt, und die eine Übersetzung realisieren, in der die Winkelgeschwindigkeit kontinuierlich exponentiell verändert wird.
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Gebiet der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Alternative für eine Getriebevorrichtung mit variabler Übersetzung vorzuschlagen. Diese Aufgabe wird durch eine Getriebevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Im Rahmen der Erfindung wird eine Getriebevorrichtung vorgeschlagen, welche für ein Fahrzeug geeignet und/oder ausgebildet ist. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein motorbetriebenes Fahrzeug, wie z. B. ein Auto, oder um ein manuell betriebenes Fahrzeug, insbesondere um ein Fahrrad, handeln. Vorzugsweise dient die Getriebevorrichtung zur Übertragung eines Antriebsdrehmoments für das Fahrzeug.
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Die Getriebevorrichtung weist eine Eingangswelle zur Einleitung eines Eingangsdrehmoments sowie eine Ausgangswelle zur Ausgabe eines Ausgangsdrehmoments auf. Ferner umfasst die Getriebevorrichtung eine Phasenstelleinrichtung, welche später näher beschrieben wird.
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Die Getriebevorrichtung umfasst mindestens einen ersten Antriebsstrang, welcher zugleich einen Drehmomentpfad zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle bildet. Der erste Antriebsstrang umfasst eine erste Eingangsgetriebestufe, eine erste Ausgangsgetriebestufe, eine erste Zwischenwelle und eine erste Freilaufeinrichtung.
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Die erste Eingangsgetriebestufe ist mit der Eingangswelle wirkverbunden. Insbesondere wird die erste Eingangsgetriebestufe durch die Eingangswelle angetrieben, sodass das Eingangsdrehmoment in die Eingangsgetriebestufe übertragen wird.
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Die erste Ausgangsgetriebestufe ist mit der ersten Eingangsgetriebestufe über die erste Zwischenwelle wirkverbunden. Insbesondere bildet die erste Zwischenwelle einen Ausgang aus der ersten Eingangsgetriebestufe und einen Eingang in die erste Ausgangsgetriebestufe. Besonders bevorzugt sind die Eingangswelle, die Ausgangswelle und die erste Zwischenwelle koaxial zueinander angeordnet.
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Der erste Antriebsstrang umfasst ferner die erste Freilaufeinrichtung, welche mit der ersten Ausgangsgetriebestufe und der Ausgangswelle wirkverbunden ist, sodass ein erstes Ausgangsdrehmoment von der ersten Ausgangsgetriebestufe über die Freilaufeinrichtung auf die Ausgangswelle übertragen werden kann. Insbesondere bildet die Freilaufeinrichtung einen Ausgang der ersten Ausgangsgetriebestufe oder ist mit diesem gekoppelt. Die Freilaufeinrichtung ist so ausgebildet, dass diese das erste Ausgangsdrehmoment nur dann auf die Ausgangswelle überträgt, wenn die Winkelgeschwindigkeit der Ausgangswelle kleiner oder gleich der Winkelgeschwindigkeit des Ausgangs der ersten Ausgangsgetriebestufe ist und ansonsten freiläuft. Insbesondere ist die Freilaufeinrichtung so ausgebildet, dass diese ein Drehmoment in eine erste Drehrichtung überträgt und in einer Gegenrichtung freiläuft.
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Die erste Eingangsgetriebestufe weist ein Eingangsübersetzungsverhältnis auf, welches abhängig von dem Eingangsdrehwinkel der Eingangswelle ist. Es handelt sich somit um ein winkelabhängiges Eingangsübersetzungsverhältnis. Insbesondere ändert sich das Eingangsübersetzungsverhältnis periodisch mit einer Periodenlänge von 2·pi oder 360° der Eingangswelle.
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Die erste Ausgangsgetriebestufe weist ein Ausgangsübersetzungsverhältnis auf, wobei das Ausgangsübersetzungsverhältnis abhängig von dem Zwischendrehwinkel der Zwischenwelle ist. Insbesondere ändert sich das Ausgangsübersetzungsverhältnis periodisch mit einer Periodenlänge von 2·pi oder 360° der Zwischenwelle. Somit weist die erste Ausgangsgetriebestufe ein winkelabhängiges Ausgangsübersetzungsverhältnis auf.
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Die zuvor erwähnte Phasenstelleinrichtung ist zur Einstellung eines Phasenversatzes zwischen dem winkelabhängigen Eingangsübersetzungsverhältnisses und dem winkelabhängigen Ausgangsübersetzungsverhältnisses ausgebildet. Das Gesamtübersetzungsverhältnis des ersten Antriebsstrangs und insbesondere der Getriebevorrichtung, also das Übersetzungsverhältnis zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle, ist abhängig von dem Phasenversatz. In Abhängigkeit des Phasenversatzes kann somit das Gesamtübersetzungsverhältnis eingestellt werden, sodass eine Getriebevorrichtung mit variablem Übersetzungsverhältnis geschaffen ist. Der Phasenversatz wird besonders bevorzugt statisch eingestellt, das heißt, dass der Phasenversatz üblicherweise über mehrere Umdrehungen der Eingangswelle und/oder der Ausgangswelle konstant ist. Das winkelabhängige Eingangsübersetzungsverhältnis und das winkelabhängige Ausgangsübersetzungsverhältnis ändern sich periodisch mit der jeweils gleichen Periodenlänge.
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Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die erste Eingangsgetriebestufe als Vorlegegetriebe und die erste Ausgangsgetriebestufe als Planetengetriebestufe ausgebildet sind, wobei die Eingangsgetriebestufe einen Eingangsträger und die Ausgangsgetriebestufe einen Ausgangsträger jeweils als Planetenträger des/der Vorlegegetriebe/Planetengetriebestufe aufweist. Die Phasenstelleinrichtung ist ausgebildet, den Ausgangsträger und den Eingangsträger um eine gemeinsame Hauptdrehachse, die durch die Eingangswelle, die Ausgangswelle und/oder die Zwischenwelle definiert ist, relativ zueinander zu verdrehen, um den Phasenversatz zu ändern. Insbesondere ist die Winkelposition des Eingangsträgers und/oder des Ausgangsträgers stationär relativ zu einem Gehäuse oder einer Umgebungskonstruktion der Getriebevorrichtung und der andere Träger wird verdreht. Im Speziellen ist der Eingangsträger oder der Ausgangsträger ortsfest in der Umgebungskonstruktion festgehalten.
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Die Erfindung schlägt somit eine konstruktive Alternative zum Stand der Technik vor. Die Alternative zeichnet sich dadurch aus, dass durch die Nutzung von Planetengetriebestufen die Getriebevorrichtung sehr übersichtlich aufgebaut werden kann. Besondere Vorteile ergeben sich insbesondere daher, dass – wie nachfolgend noch erläutert wird – mehr als ein Antriebsstrang verwendet werden kann, wobei die weiteren Antriebsstränge in einfacher Weise in die Getriebevorrichtung integriert werden können. Damit weist die Getriebevorrichtung Vorteile hinsichtlich des konstruktiven Aufbaus und der möglichen Erweiterungen auf.
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Bei einer bevorzugten, produktnahen Ausgestaltung der Erfindung weisen die erste Eingangsgetriebestufe und die erste Ausgangsgetriebestufe jeweils einen Arbeitswinkelbereich und jeweils einen Rückführwinkelbereich auf. Die winkelabhängigen Übersetzungsverhältnisse sind in den Arbeitswinkelbereichen derart aufeinander abgestimmt, dass in einem Übersetzungswinkelbereich des ersten Antriebsstrangs ein Gesamtübersetzungsverhältnis des ersten Antriebsstrangs konstant ist. Die erste Eingangsgetriebestufe und die erste Ausgangsgetriebestufe beziehungsweise deren winkelabhängige Übersetzungsverhältnisse werden somit so gewählt, dass das resultierende Gesamtübersetzungsverhältnis zumindest in dem Übersetzungswinkelbereich des ersten Antriebsstrangs konstant oder im Wesentlichen konstant ist. In einer Näherung können sich die beiden Übersetzungsverhältnisse winkelabhängig linear oder näherungsweise linear mit der betragsmäßig gleichen Steigung, jedoch mit unterschiedlichem Vorzeichen ändern. Insbesondere sind die Übersetzungsverhältnisse so gewählt, dass gegenläufig das eine Übersetzungsverhältnis steigt, während das andere Übersetzungsverhältnis sinkt und das resultierende Gesamtübersetzungsverhältnis des ersten Antriebsstrangs in dem Übersetzungswinkelbereich konstant ist.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Übersetzungswinkelbereich durch den in der Phasenlage überlappenden Winkelbereich der beiden Arbeitswinkelbereiche umfasst ist.
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Berücksichtigt man, dass die Arbeitswinkelbereiche nicht über 360 Grad gehen und zudem über den Phasenversatz zueinander verschoben werden können, so stellt man fest, dass auch der Übersetzungswinkelbereich sich nur über einen Teilwinkelbereich erstrecken kann. Somit dient der erste Antriebsstrang zur Umsetzung und Übertragung des Antriebsdrehmoments nur für den Teilwinkelbereich, der durch den Übersetzungswinkelbereich abgedeckt ist. In dem verbleibenden Teilwinkelbereich, der sich dann zu 360 Grad ergänzt, wird die Freilaufeinrichtung aktiviert und die Ausgangswelle kann unabhängig und insbesondere schneller als der Ausgang der ersten Ausgangsgetriebestufe bzw. des ersten Antriebsstrangs drehen.
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Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens eine der Getriebestufen, also die erste Eingangsgetriebestufe und/oder die erste Ausgangsgetriebestufe, vorzugsweise beide Getriebestufen, eine Zahnradpaarung mit unrunden Zahnrädern aufweisen. Wenn üblicherweise Zahnräder rund ausgebildet sind, so werden bei dieser Ausgestaltung der Erfindung Zahnräder eingesetzt, deren Form, insbesondere deren Wälzlinie, von einem Kreis abweichen. Bei den Zahnradpaarungen ist allerdings vorgesehen, dass die Drehachsen der zueinander gehörigen, unrunden Zahnräder einen konstanten Abstand zueinander aufweisen. Somit ist der Radiusverlauf der unrunden Zahnräder bzw. deren Wälzlinien einer Zahnradpaarung so gewählt, dass für jede Winkellage gilt, dass der aktuelle Radius der unrunden Zahnräder in der Kontaktsituation addiert insgesamt den Abstand der Drehachsen ergibt. Insbesondere sind die Eingangsgetriebestufe und/oder die Ausgangsgetriebestufe als ein Stirnradgetriebe realisiert.
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Betrachtet man die unrunden Zahnräder etwas genauer, so stellt man fest, dass diese in einer bevorzugten Ausführungsform in Umfangsrichtung oder entlang der Wälzlinie jeweils einen Arbeitsbereich und einen Rückführbereich aufweisen. In dem Arbeitsbereich steigt der Radius des unrunden Zahnrads stetig an bzw. nimmt stetig ab. Nachdem ein derartiges Ansteigen bzw. Abnehmen des Radius nicht über 360 Grad möglich ist, so wird in dem Rückführbereich der Radius des unrunden Zahnrads wieder verringert bzw. vergrößert. Durch den gegenseitigen Eingriff der unrunden Zahnräder einer Zahnradpaarung jeweils in den Arbeitsbereich, wird der Arbeitswinkelbereich der Getriebestufe bestimmt. Besonders bevorzugt sind die unrunden Zahnräder in axialer Draufsicht in dem Arbeitsbereich spiralabschnittförmig ausgebildet. Der Rückführbereich kann sich theoretisch auf eine Rückführkante reduzieren, so dass der Arbeitsbereich theoretisch 360 Grad einnimmt. Um jedoch zu hohe Belastungen zu vermeiden, ist es bevorzugt, dass der Rückführbereich einen ausgedehnten Winkelbereich z. B. zwischen 10 Grad und 30 Grad einnimmt.
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In einer konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung weist die Eingangsgetriebestufe mindestens eine der Zahnradpaarungen mit unrunden Zahnrädern auf, wobei eines der unrunden Zahnräder als ein Sonnenrad und das andere der unrunden Zahnräder der gleichen Zahnradpaarung als ein Planetenrad auf dem Eingangsträger ausgebildet ist.
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Zudem wird vorzugsweise beansprucht, dass die Ausgangsgetriebestufe mindestens eine der Zahnradpaarungen mit unrunden Zahnrädern aufweist, wobei eines der unrunden Zahnräder als ein Sonnenrad und das andere unrunde Zahnrad der gleichen Zahnradpaarung als ein Planetenrad auf dem Ausgangsträger ausgebildet ist.
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Bei einer nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Eingangsgetriebestufe und die Ausgangsgetriebestufe jeweils eine zweite Zahnradpaarung aufweisen, wobei die zweiten Zahnradpaarungen jeweils runde Zahnräder aufweisen. Die zweite Zahnradpaarung dient dazu, das Drehmoment von dem Planetenrad wieder auf die koaxial zu der Eingangswelle verlaufende Hauptdrehachse, insbesondere auf die Zwischenwelle beziehungsweise die Ausgangswelle zu bringen. Besonders bevorzugt weist die Zahnradpaarung ein Übertragungsverhältnis von i = 1 auf bzw. ist eine 1:1 Übersetzung.
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In dieser Ausgestaltung ist es bevorzugt, dass für die Zahnradpaarungen mit unrunden Zahnrädern jeweils von der Form betrachtet die gleichen unrunden Zahnräder in der ersten Eingangsgetriebestufe und in der ersten Ausgangsgetriebestufe verwendet werden.
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Im Rahmen der Erfindung weisen auch die erste Eingangsgetriebestufe und die erste Ausgangsgetriebestufe jeweils eine zweite Zahnradpaarung auf, wobei die zweite Zahnradpaarung jeweils unrunde Zahnräder aufweist. In dieser Ausgestaltung kann das winkelabhängige Übersetzungsverhältnis der ersten Eingangsgetriebestufe und/oder der ersten Ausgangsgetriebestufe weiter gespreizt werden.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Getriebevorrichtung mindestens oder genau einen weiteren Antriebsstrang auf, wobei der weitere Antriebsstrang phasenversetzt zu dem ersten Antriebsstrang arbeitet. Der weitere Antriebsstrang ist konstruktiv analog zu dem ersten Antriebsstrang ausgebildet und weist eine weitere Eingangsgetriebestufe und eine weitere Ausgangsgetriebestufe, die baugleich zu der ersten Eingangsgetriebestufe bzw. zu der ersten Ausgangsgetriebestufe ausgebildet ist. In der möglichen Ausbildung mit den Zahnradpaarungen mit unrunden Zahnrädern sitzen die Planetenräder der ersten und der weiteren Eingangsgetriebestufe auf dem Eingangsplanetenträger und die Planetenräder der ersten und der weiteren Ausgangsgetriebestufe auf dem Ausgangsplanetenträger, so dass die Phasenstelleinrichtung zugleich einen Phasenversatz in dem ersten und in dem weiteren Antriebsstrang erzeugt.
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Die Übersetzungswinkelbereiche sind jedoch versetzt zueinander angeordnet, so dass die Freilaufeinrichtungen des ersten und des weiteren Antriebsstrangs das Antriebsdrehmoment versetzt auf die Ausgangswelle übertragen, um eine zeitlich betrachtet gleichmäßige Ausgangsdrehmomentverteilung auf der Ausgangswelle zu erreichen. Besonders bevorzugt sind die Übersetzungswinkelbereiche und der Versatz zwischen erstem und weiteren Antriebsstrang so gewählt, dass stets über 360° ein Antriebsdrehmoment an die Ausgangswelle ausgegeben wird.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist das Fahrzeug mit der Getriebevorrichtung.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und verschiedener Alternativen sowie den beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Prinzipdarstellung einer Getriebevorrichtung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung einer ersten Zahnradpaarung mit unrunden Zahnrädern, wie diese in der Getriebevorrichtung in der 1 einsetzbar sind;
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3 eine schematische Darstellung einer zweiten Zahnradpaarung mit unrunden Zahnrädern, wie diese in der Getriebevorrichtung in der 1 einsetzbar sind;
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4 ein schematisches Diagramm zur Illustration des Effekts des Phasenversatzes bei einem Phasenversatz von epsilon = 0°;
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5 ein schematisches Diagramm zur Illustration des Effekts des Phasenversatzes bei einem Phasenversatz von epsilon = ca. 90°;
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6 ein weiteres schematisches Diagramm zur Illustration des Effekts des Phasenversatzes bei einem Phasenversatz von epsilon = 0°;
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7 ein weiteres schematisches Diagramm zur Illustration des Effekts des Phasenversatzes bei einem Phasenversatz von epsilon = ca. 127°;
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Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Getriebevorrichtung 1 mit einem variabel einstellbaren Gesamtübersetzungsverhältnis als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Getriebevorrichtung 1 weist eine Eingangswelle 2 zur Einleitung eines Eingangsdrehmoment und eine Ausgangswelle 3 zur Ausgabe oder Ausleitung eines Ausgangsdrehmoments auf. Die Getriebevorrichtung 1 weist ein variabel einstellbares Übersetzungsverhältnis auf, welches durch ein formschlüssiges Getriebe umgesetzt ist.
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Beispielsweise kann die Getriebevorrichtung 1 in einem Gehäuse 4 stationär aufgenommen sein. Die Getriebevorrichtung 1 kann z. B. als ein Übersetzungsgetriebe in einem Fahrzeug, z. B. in einem Auto oder in einem Fahrrad, ausgebildet sein, wobei das Ausgangsdrehmoment ein Antriebsdrehmoment für das Fahrzeug bildet.
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Die Getriebevorrichtung 1 weist einen ersten Antriebsstrang 5 und einen weiteren Antriebsstrang 6 auf. Im weiteren wird zunächst der erste Antriebsstrang 5 beschrieben, das Zusammenwirken mit dem weiteren Antriebsstrang 6 wird später erläutert.
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Der erste Antriebsstrang 5 weist eine Eingangsgetriebestufe 8 und eine Ausgangsgetriebestufe 9 auf. Der Eingang der Eingangsgetriebestufe 8 wird durch die Eingangswelle 2 gebildet. Der Ausgang der Eingangsgetriebestufe 8 wird durch eine Zwischenwelle 10 gebildet, die koaxial zu der Eingangswelle 2 angeordnet ist. Die Eingangsgetriebestufe 8 und die Ausgangsgetriebestufe 9 sind jeweils als ein Planetengetriebeabschnitt ausgebildet.
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Die Zwischenwelle 10 bildet ferner einen Eingang in die Ausgangsgetriebestufe 9. Der Ausgang der Ausgangsgetriebestufe 9 wird durch eine Freilaufeinrichtung 11 gebildet, die auf der Ausgangswelle 3 sitzt und mit dieser wirkverbunden ist. Eingangswelle 2, Zwischenwelle 10 und Ausgangswelle 3 sind koaxial zueinander angeordnet und definieren eine Hauptdrehachse HD.
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Die Freilaufeinrichtung 11 – auch Überhohlkupplung genannt – ist eine Vorrichtung, die ein Antriebsdrehmoment in der Ausgangsgetriebestufe 9 auf die Ausgangswelle 3 überträgt, wenn die Winkelgeschwindigkeit am Ausgang der Ausgangsgetriebestufe 9 größer als die Winkelgeschwindigkeit der Ausgangswelle 3 ist und welche die Ausgangswelle 3 entkoppelt, wenn die Winkelgeschwindigkeit am Ausgang der Ausgangsgetriebestufe 9 kleiner ist als die Winkelgeschwindigkeit der Ausgangswelle 3.
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Die Eingangsgetriebestufe 8 umfasst eine erste Eingangsplanetenstufe 8.1 und eine zweite Eingangsplanetenstufe 8.2. Beide Eingangsplanetenstufen 8.1 und 8.2 nutzen den gleichen Eingangsplanetenträger 8.T, welcher in dem Gehäuse 4 drehfest angeordnet ist. Die erste Eingangsplanetenstufe 8.1 weist ein Sonnenrad 8.1.S auf, welches mit einem Planetenrad 8.1.P kämmt, wobei das Planetenrad 8.1.P drehbar auf dem Eingangsplanetenträger 8.T angeordnet ist. Die Drehachse des Planetenrads 8.1.P ist versetzt zu der Hauptdrehachse HD bzw. der Eingangswelle 2 angeordnet. Die zweite Eingangsplanetenstufe 8.2 weist ebenfalls ein Sonnenrad 8.2.S und ein Planetenrad 8.2.P auf, welche miteinander kämmen.
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Das Planetenrad 8.2.Pist drehfest mit dem Planetenrad 8.1.P der ersten Eingangsplanetenstufe 8.1 verbunden und ist auf dem Eingangsplanetenträge 8.T zusammen mit dem Planetenrad 8.1.P drehbar gelagert. Das Sonnenrad 8.2.S ist drehfest mit der Zwischenwelle 10 gekoppelt und bildet den Ausgang der Eingangsgetriebestufe 8.
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Die Ausgangsgetriebestufe 9 weist eine erste Ausgangsplanetenstufe 9.1 und eine zweite Ausgangsplanetenstufe 9.2 auf. Auch die Ausgangsgetriebestufe 9 umfasst einen Ausgangsplanetenträger 9.T, welcher beiden Ausgangsplanetenstufen 9.1 und 9.2 zugeordnet ist. Im Gegensatz zu dem Eingangsplanetenträger 8.T kann der Ausgangsplanetenträger 9.T um die Hauptdrehachse HD durch eine nicht gezeigte Phasenstelleinrichtung 12 gegenüber dem Eingangsplanetenträger 8.T um einen Phasenwinkel epsilon verdreht werden.
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Der weitere Antriebsstrang 6 weist die gleichen Komponenten auf, wobei der weitere Antriebsstrang 6 und weitere Antriebsstränge (nicht gezeigt) den gleichen Eingangsplanetenträger 8.T und den gleichen Ausgangsplanetenträger 9.T verwenden.
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Sowohl die Eingangsgetriebestufe 8 als auch die Ausgangsgetriebestufe 9 realisieren ein winkelabhängiges Übersetzungsverhältnis. Das Übersetzungsverhältnis ändert sich jeweils periodisch mit einer maximalen Periodenlänge von 360 Grad der Eingangswelle 2. Es ist auch möglich, dass sich die Übersetzungsverhältnisse in einem Teilwinkel von 360 Grad, so z. B. 180 Grad oder 90 Grad, ändern. Besonders effektiv ist die Getriebevorrichtung 1 jedoch, wenn die Periodenlänge möglichst nahe an 360 Grad oder 2pi liegt.
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Sowohl das Eingangsübersetzungsverhältnis als auch das Ausgangsübersetzungsverhältnis ändern sich linear in Abhängigkeit des Eingangswinkels des jeweiligen Eingangs. So ändert sich das Eingangsübersetzungsverhältnis linear in Abhängigkeit des Drehwinkels der Eingangswelle 2 und das Ausgangsübersetzungsverhältnis linear in Abhängigkeit der Winkelstellung der Zwischenwelle 10. Allerdings stehen die Übersetzungsverhältnisse in einem festen Phasenzusammenhang zueinander. So ist beispielsweise ein Betriebszustand möglich, wobei der Phasenversatz epsilon = 0 Grad ist, sodass die beiden Übersetzungsverhältnisse gleichphasig laufen.
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Die Übersetzungsverhältnisse sind im jeweiligen Verlauf so gewählt, dass eines der Übersetzungsverhältnisse, vorzugsweise das Eingangsübersetzungsverhältnis, linear ansteigend ist und zugleich das andere Übersetzungsverhältnis, vorzugsweise das Ausgangsübersetzungsverhältnis, linear absteigend ist. Für den Fall, dass die Übersetzungsverhältnisse die gleiche Steigung aufweisen und im Wesentlichen die gleiche Amplitudenhöhe aufweisen, so laufen diese bei einem Phasenversatz von epsilon = 0 Grad so, dass deren Übersetzungsverhältnisse sich für jede Winkeleinstellung der Eingangswelle 2 kompensieren und das Gesamtübersetzungsverhältnis der Getriebevorrichtung 1 i = 1 beträgt.
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Werden über die Phasenstelleinrichtung 12 die Übersetzungsverhältnisse in der Phasenlage verschoben, so stellt sich für einen Übersetzungswinkelbereich des ersten Antriebsstrangs 5 ein Übersetzungsverhältnis i > 1 ein. Im Bereich des Übersetzungswinkelbereichs wird das Antriebsdrehmoment über den ersten Antriebsstrang 5 und die Freilaufeinrichtung 11 an die Ausgangswelle 3 übertragen, in dem verbleibenden Winkelbereich der Eingangsswelle 2 entkoppelt die Freilaufeinrichtung 11 die Ausgangswelle 3. Wie später noch ausführlich erläutert wird, kann in dem anderen Winkelbereich der weitere Antriebsstrang 6 phasenversetzt zu dem ersten Antriebsstrang 5 ein Drehmoment auf die Ausgangswelle bringen.
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Um das winkelabhängige Übersetzungsverhältnis zu realisieren, weisen die Eingangsgetriebestufe 8 und die Ausgangsgetriebestufe 9 jeweils mindestens eine Zahnradpaarung mit unrunden Zahnrädern auf. Im Nachfolgenden wird davon ausgegangen, dass die erste Eingangsplanetenstufe 8.1 unrunde Zahnräder aufweist und die zweite Eingangsplanetenstufe 8.2 runde Zahnräder aufweist. Bei abgewandelten Ausführungsbeispielen kann dies jedoch auch umgedreht sein. Es ist sogar möglich, dass beide Eingangsplanetenstufen 8.1 und 8.2 unrunde Zahnräder aufweisen. Ferner wird im Weiteren davon ausgegangen, dass die erste Ausgangsplanetenstufe 9.1 unrunde Zahnräder aufweist und die zweite Ausgangsplanetenstufe 9.2 runde Zahnräder aufweist. Auch hier können die Zahnradpaarungen miteinander vertauscht sein oder beide Zahnradpaarungen unrunde Zahnräder aufweisen.
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In der 2 ist beispielhaft der erste Eingangsplanetensatz 8.1 gezeigt, wobei links das Sonnenrad 8.1.S und rechts das Planetenrad 8.1.P dargestellt ist. Beide Zahnräder weisen einen stetig ansteigenden Radius auf, wobei die Radien und der gegenseitige Eingriff jedoch so gewählt sind, dass der Abstand d zwischen den Drehachsen der Zahnräder für jeden Drehwinkel konstant ist. Der Winkelbereich der Zahnräder mit dem ansteigenden Radius wird als Arbeitswinkelbereich bezeichnet. Der Sprungbereich zwischen dem größten und dem kleinsten Radius wird als Rückführwinkelbereich bezeichnet. Die Abtriebswinkelgeschwindigkeit β' des Planetenrads 8.1.P ist abhängig zum einen von der Antriebswinkelgeschwindigkeit α' und zudem abhängig vom Antriebswinkel α, der durch die Eingangswelle 2 vorgegeben ist.
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Es gilt β'/α' = –1/(A + Bα) mit:
- A
- minimales Anfangsübersetzungsverhältnis
- B
- Steigung des Übersetzungsverhältnisses
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Durch Integration ergibt sich daraus für den Abtriebswinkel β als Funktion des Antriebswinkels α: β = [ln(A) – ln(A + Bα)]/B
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Für einen Umlauf des Antriebswinkels α soll auch der Abtriebswinkel β genau einmal umlaufen. Die beiden Faktoren A und B in der Übersetzungsvorgabe sind dadurch nicht mehr beide frei wählbar. Nur einer der beiden Faktoren kann frei vorgegeben werden – z. B. A –, und der andere muss dann passend dazu so bestimmt werden, dass sich für α = 360 Grad und für β = –360 Grad ergeben.
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Somit muss gelten: [ln(A) – ln(A + 2πB)]/B = 2π
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Diese Formel kann wahlweise analytisch oder durch ”Ausprobieren”, also systematische Parameteränderung gelöst werden. Auf diese Weise kann die Zahnradpaarung mit unrunden Zahnrädern konstruiert werden.
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Durch die zweite Eingangsgetriebestufe 8.2 mit runden Zahnrädern wird die Drehbewegung des Planetenrads 8.1.P auf die Zwischenwelle 10 übertragen. Besonders bevorzugt ist die zweite Eingangsplanetenstufe 8.2 mit einem 1:1-Übersetzungsverhältnis ausgerüstet.
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Wie in der 3 illustriert, bedeutet dies für den Eingang in die Ausgangsgetriebestufe 9.2, dass sich ein anliegender Eingangswinkel gamma aus dem Ausgangswinkel β des Planetenrads 8.1.P und zusätzlich durch den Phasenversatz epsilon durch die Phasenstelleinrichtung 12 ergibt.
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Die unrunden Zahnräder der ersten Ausgangsplanetenstufe 9.1 sind – wie bereits erläutert – in Bezug auf den Wälzlinienverlauf gegengleich zu der ersten Eingangsplanetenstufe 8.1 ausgebildet. Insbesondere kann das Sonnenrad 9.1.S in der Form baugleich zu dem Planetenrad 8.1.P und das Planetenrad 9.1.P baugleich zu dem Sonnenrad 8.1.S ausgebildet sein.
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Zusammenfassend betrachtet wird die erste Zahnradpaarung am Sonnenrad 8.1.S mit dem Winkel α angetrieben und erzeugt an seinem Abtriebsglied 8.1.P den Abtriebswinkel β. Dieser wird 1:1 auf das Antriebsglied 9.1.S der Ausgangsgetriebestufe 9 übertragen, jedoch mit dem einstellbaren Phasenversatzwinkel epsilon. Aus dem Antriebswinkel γ = β + φ der Ausgangsgetriebestufe 9 ergibt sich der Abtriebswinkel delta und die Abtriebswinkelgeschwindigkeit delta' an dem Planetenrad 9.1.P. δ = {e[ln(A)-Bγ] – A}/B δ' = α'·(A + Bδ)/(A + Bα)
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Bei einem Phasenversatzwinkel von epsilon = 0 Grad ist die Abtriebswinkelgeschwindigkeit delta' exakt gleich der Antriebswinkelgeschwindigkeit α' (Gesamtübertragungsverhältnis i = 1), während sich bei einem Phasenversatzwinkel epsilon ungleich 0 Grad eine konstante Abtriebswinkelgeschwindigkeit delta' ergibt, die – abhängig vom Betrag und der Richtung des Phasenversatzwinkels epsilons – größer als die Antriebswinkelgeschwindigkeit alpha' ist (Gesamtübertragungsverhältnis i > 1). Damit kann in Abhängigkeit des Phasenversatzwinkels epsilon das Gesamtübertragungsverhältnis i eingestellt werden.
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In der 4 ist ein Diagramm in Polarkoordinaten zur qualitativen Erläuterung des Ausführungsbeispiels dargestellt, wobei zum einen das Übersetzungsverhältnis der Eingangsgetriebestufe 8 und zum zweiten das Übersetzungsverhältnis der Ausgangsgetriebestufe 9 mit einem Phasenversatzwinkel von epsilon = 0 Grad dargestellt sind. Um die gegenläufigen Übersetzungsverhältnisse zu erreichen, sind die Sonnenräder 8.1.S und 9.1.S gegengleich angeordnet. Bei einem Phasenversatzwinkel von epsilon = 0 Grad steigt die Übersetzung der Eingangsgetriebestufe 8 bzw. die Änderung des Radius des Sonnenrads 8.1.S in gleicher Weise, wie das Übersetzungsverhältnis der Ausgangsgetriebestufe 9 bzw. der Radius des Sonnenrads 9.1.S reduziert wird. Aus dem Eingangsübersetzungsverhältnis der Eingangsgetriebestufe 8 und dem Ausgangsübersetzungsverhältnis der Ausgangsgetriebestufe 9 folgt somit ein Gesamtübersetzungsverhältnis G für den ersten Antriebsstrang 5, das einer Referenzübersetzung R mit dem Wert i = 1 entspricht. Das Gesamtübersetzungsverhältnis G ist bezogen auf den Drehwinkel alpha der Eingangswelle 2 über 360 Grad oder 2·pi durchgängig oder nahezu durchgängig. Dies liegt daran, dass die Arbeitswinkelbereiche der Eingangsgetriebestufe 8 und der Ausgangsgetriebestufe 9 sich über nahezu 360° erstrecken bzw. dass der Rückführwinkelbereich der Eingangsgetriebestufe 8 und der Ausgangsgetriebestufe 9 sehr klein ist und zudem der Phasenversatzwinkel epsilon = 0 Grad ist, so dass die Rückführwinkelbereiche von Eingangsgetriebestufe 8 und der Ausgangsgetriebestufe 9 phasenmäßig überlappen.
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In der 5 ist das Diagramm in der 4 mit einem deutlich größeren Phasenversatzwinkel epsilon (epsilon > 0) gezeigt, wobei zu erkennen ist, dass ausgehend von einer hohen Übersetzung der Eingangsgetriebestufe 8 und einer niedrigen Übersetzung der Ausgangsgetriebestufe 9 eine Gesamtübersetzung G generiert wird, die größer als die Referenzübersetzung R mit i = 1 ist. Die Gesamtübersetzung G bleibt jedoch nur so lange konstant, bis der Arbeitswinkelbereich – in diesem Fall der Ausgangsgetriebestufe 9 – beendet ist. Danach fällt das Gesamtübersetzungsverhältnis auf einen Wert i < 1 ab, sodass die Freilaufeinrichtung 11 die Ausgangswelle 3 entkoppelt.
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Somit bemisst sich ein Übersetzungswinkelbereich des ersten Antriebsstrangs 5 ausgehend von dem Drehwinkel alpha der Eingangswelle 2 als der Zwischenwinkelbereich zwischen den Rückführwinkelbereichen der Eingangsgetriebestufe 8 und der Ausgangsgetriebestufe 9, wobei der Winkelbereich gewählt wird, bei dem für den Wert des Gesamtübersetzungsverhältnisses gilt i ≥ 1.
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Die 6 zeigt ein schematisches Diagramm, wobei auf der X-Achse der Drehwinkel α der Eingangswelle 2 aufgetragen ist und auf der Y-Achse das Übersetzungsverhältnis U aufgetragen ist. Für die Eingangsgetriebestufe 8 ist dargestellt, dass das Übersetzungsverhältnis mit dem Drehwinkel α linear ansteigt, wobei der Bereich des linearen Anstiegs den Arbeitswinkelbereich der Eingangsgetriebestufe 8 bildet. Nach 360 Grad oder 2 Pi wird innerhalb des Rückführwinkelbereichs die Übersetzung U wieder auf den Anfangswert zurückgesetzt. Betrachtet man die zuvor dargestellten Formeln, so entspricht der Anfangswert A und die Steigung B.
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Bei der Ausgangsgetriebestufe 9 ergibt sich ein ähnlicher Verlauf, wobei das Übersetzungsverhältnis U jedoch linear absteigend ist. So ergibt sich für das Übersetzungsverhältnis U der Eingangsgetriebestufe 8 zunächst der gleiche Anfangswert A, nachfolgend sinkt das Übersetzungsverhältnis linear mit der Steigung B. Auch bei der Ausgangsgetriebestufe 9 ergibt sich durch den linearen Bereich der Arbeitswinkelbereich, nach 360 Grad oder 2 Pi wird der Wert für das Übersetzungsverhältnis wieder auf den Anfangswert A zurückgesetzt. Dies passiert wieder im Rückführwinkelbereich.
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Durch das Hintereinanderschalten der Eingangsgetriebestufe 8 und der Ausgangsgetriebestufe 9 mit einem Phasenversatzwinkel von epsilon = 0 ergibt sich ein Gesamtübersetzungsverhältnis G, welches dem Referenzübersetzungsverhältnis von i = 1 entspricht. Qualitativ gesprochen können die beiden Übersetzungsverhältnisse in Näherung einfach addiert werden, um das Gesamtübersetzungsverhältnis G zu erreichen. Tatsächlich erfolgt jedoch keine Addition, sodass diese nur als Gedankenexperiment zur Illustration zu verstehen ist.
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In der 7 ist das winkelabhängige Eingangsübersetzungsverhältnis der Eingangsgetriebestufe 8 gegenüber dem winkelabhängigen Ausgangsübersetzungsverhältnis der Ausgangsgetriebestufe 9 um den Phasenversatzwinkel epsilon > 0 verschoben. Betrachtet man wieder das Gesamtübersetzungsverhältnis G, so ergibt sich dieses für den Bereich bis zum Wert epsilon mit einem Wert kleiner als der Wert des Referenzübersetzungsverhältnisses A. In diesem Bereich ist die Freilaufeinrichtung 11 aktiviert, sodass Ausgangsgetriebestufe 9 und Ausgangswelle 3 voneinander entkoppelt sind. Nach dem Rückführwinkelbereich des winkelabhängigen Ausgangsübersetzungsverhältnisses der Ausgangsgetriebestufe 9 steigt das Gesamtübersetzungsverhältnis G auf einen Wert G > A, wobei der daran anschließende Winkelbereich den Übersetzungswinkelbereich des Antriebsstrangs 5 bildet. Der Übersetzungswinkelbereich des Antriebsstrangs 5 erstreckt sich zwischen den Rückführwinkelbereichen der Eingangsgetriebestufe 8 und der Ausgangsgetriebestufe 9. Sobald der Rückführwinkelbereich der Eingangsgetriebestufe 8 erreicht ist, sinkt das Gesamtübersetzungsverhältnis G wieder auf einen Wert G < R, sodass die Freilaufeinrichtung 11 den Antriebsstrang 5 von der Ausgangswelle 3 entkoppelt.
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In Abhängigkeit des Phasenversatzwinkels epsilon wird somit im Übersetzungswinkelbereich die Höhe der Gesamtübersetzung G kontinuierlich und/oder stufenlos eingestellt. Allerdings erfolgt durch eine Erhöhung des Gesamtübersetzungsverhältnisses G eine Reduktion des Übersetzungswinkelbereichs, sodass Winkelbereiche in Bezug auf den Drehwinkel α auftreten, in denen kein Antriebsdrehmoment von der Eingangswelle 2 auf die Ausgangswelle 3 übertragen wird.
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Um diese „Drehmomentlöcher” zu kompensieren, weist – wie in der 1 dargestellt – die Getriebevorrichtung 1 den weiteren Antriebsstrang 6 auf, wobei der weitere Antriebsstrang 6 in analoger Weise wie der erste Antriebsstrang 5 eine Eingangsgetriebestufe 8' und eine Ausgangsgetriebestufe 9' aufweist, welche den identischen Eingangsplanetenträger 8.T beziehungsweise Ausgangsplanetenträger 9.T benutzen. Somit wird für die weitere Beschreibung des weiteren Antriebsstrangs 6 auf die zuvor erfolgte Beschreibung des ersten Antriebsstrangs 5 verwiesen.
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Im Unterschied zu dem ersten Antriebsstrang 5 ist der weitere Antriebsstrang 6 jedoch phasenverschoben, sodass die Übersetzungswinkelbereiche des Antriebsstrangs 5 und die Übersetzungsbereiche des Antriebsstrangs 6 bezogen auf den Drehwinkel α der Eingangswelle 2 zueinander versetzt angeordnet sind. Auf diese Weise ist es möglich, die Drehmomentlöcher zwischen den Übersetzungswinkelbereichen des ersten Antriebsstrangs 5 durch die Übersetzungswinkelbereiche des weiteren Antriebsstrangs 6 zu füllen und einen kontinuierlichen Abtrieb an der Ausgangswelle 3 zu ermöglichen.
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Bei einer bevorzugten Ausbildung des Ausführungsbeispiels weist die Getriebevorrichtung 1 genau die gezeigten zwei Antriebsstränge 5, 6 auf, wobei diese zueinander um 180 Grad oder Pi versetzt sind. Ferner sind die Parameter A, B, epsilon so gewählt, dass die Übersetzungswinkelbereiche der Antriebsstränge 5, 6 stets größer als 180 Grad oder Pi sind, sodass ein kontinuierlicher Abtrieb an der Abtriebswelle 3 umgesetzt wird.
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Die Getriebevorrichtung 1 setzt somit ein CVT (continuously variable transmission) um, wobei das Gesamtübersetzungsverhältnis G stets einen Wert I > 0, insbesondere I ≥ 1 einnimmt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass bei der Getriebevorrichtung 1 keine Schwenkbewegungen der Freilaufeinrichtungen 11 erfolgen, sondern wechselnde Geschwindigkeiten in gleicher Drehrichtung, sodass ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird. Durch die Doppelnutzung des Eingangsplanetenträgers 8.T und des Ausgangsplanetenträgers 9.T ist eine kompakte Bauform möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Getriebevorrichtung
- 2
- Eingangswelle
- 3
- Ausgangswelle
- 4
- Gehäuse
- 5
- erster Antriebsstrang
- 6
- weiterer Antriebsstrang
- 7
- leer
- 8
- Eingangsgetriebestufe
- 8'
- weitere Eingangsgetriebestufe
- 8.1
- erste Eingangsplanetenstufe
- 8.1.S
- Sonnenrad
- 8.1.P
- Planetenrad
- 8.2
- zweite Eingangsplanetenstufe
- 8.2.S
- Sonnenrad
- 8.2.P
- Planetenrad
- 8.T
- Eingangsplanetenträger
- 9
- Ausgangsgetriebestufe
- 9'
- weitere Ausgangsgetriebestufe
- 9.1
- erste Ausgangsplanetenstufe
- 9.1.S
- Sonnenrad
- 9.1.P
- Planetenrad
- 9.2
- zweite Ausgangsplanetenstufe
- 9.2.S
- Sonnenrad
- 9.2.P
- Planetenrad
- 9.T
- Ausgangsplanetenträger
- 10
- Zwischenwelle
- 11
- Freilaufeinrichtung
- 11'
- weitere Freilaufeinrichtung
- 12
- Phasenstelleinrichtung
- HD
- Hauptdrehachse
