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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf das Gebiet der Automatikgetriebe für Kraftfahrzeuge. Insbesondere betrifft die Offenbarung eine Anordnung von Zahnrädern, Kupplungen und die Verbindungen zwischen ihnen in einem Leistungsgetriebe.
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Viele Fahrzeuge werden über einen weiten Bereich von Fahrzeuggeschwindigkeiten hinweg, sowohl beim Vorwärts- als auch Rückwärtsfahren, verwendet. Einige Motorarten können jedoch nur innerhalb eines eng gefassten Geschwindigkeitsbereichs effizient betrieben werden. Deshalb werden häufig Getriebe eingesetzt, die Leistung bei verschiedenen Gangübersetzungen effizient übertragen können. Ist die Geschwindigkeit des Fahrzeugs niedrig, wird das Getriebe üblicherweise mit einer hohen Gangübersetzung betrieben, so dass es das Motordrehmoment zur verbesserten Beschleunigung verstärkt. Bei hoher Fahrzeuggeschwindigkeit ermöglicht ein Betrieb des Getriebes mit einer niedrigen Gangübersetzung eine Motordrehzahl, die mit ruhigem und kraftstoffeffizientem Fahren mit konstanter Geschwindigkeit einhergeht. In der Regel weist ein Getriebe ein Gehäuse, das an der Fahrzeugstruktur befestigt ist, eine Eingangswelle, die durch eine Motorkurbelwelle angetrieben wird, und eine Ausgangswelle, die die Fahrzeugräder antreibt, oftmals mittels einer Differenzialanordnung, die es ermöglicht, dass sich das linke und das rechte Rad beim Wenden des Fahrzeugs mit geringfügig unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen, auf.
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1 ist ein Schemadiagramm einer ersten Getriebezahnradanordnung.
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2 ist ein Schemadiagramm einer zweiten Getriebezahnradanordnung.
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3 ist ein Schemadiagramm einer dritten Getriebezahnradanordnung.
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4 ist ein Schemadiagramm einer vierten Getriebezahnradanordnung.
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Es werden hierin Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstäblich; einige Merkmale könnten übertrieben oder minimiert sein, um Details besonderer Komponenten zu zeigen. Die speziellen strukturellen und funktionalen Details, die hierin offenbart werden, sollen deshalb nicht als einschränkend interpretiert werden, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einen Fachmann zu lehren, wie die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise auszuüben ist. Für einen Durchschnittsfachmann liegt es auf der Hand, dass verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine beliebige der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu schaffen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben werden. Die Kombinationen von dargestellten Merkmalen liefern Ausführungsbeispiele für typische Anwendungen. Es können jedoch verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die den Lehren der vorliegenden Offenbarung entsprechen, für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen erwünscht sein.
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Eine Zahnradanordnung ist eine Zusammenstellung von rotierenden Elementen und Schaltelementen, die dazu konfiguriert ist, spezielle Drehzahlverhältnisse zwischen den rotierenden Elementen vorzugeben. Einige Drehzahlverhältnisse, so genannte feste Drehzahlverhältnisse, werden unabhängig vom Zustand irgendwelcher Schaltelemente vorgegeben. Andere Drehzahlverhältnisse, so genannte gezielte Drehzahlverhältnisse, werden nur vorgegeben, wenn bestimmte Schaltelemente vollständig eingerückt sind. Es besteht ein lineares Drehzahlverhältnis zwischen einer geordneten Liste von rotierenden Elementen, wenn i) das erste und letzte rotierende Element in der Gruppe so beschränkt sind, dass sie die extremsten Drehzahlen aufweisen, ii) die Drehzahlen der übrigen rotierenden Elemente jeweils so beschränkt sind, dass sie ein gewichtetes Mittel des ersten und letzten rotierenden Elements sind, und iii) wenn sich die Drehzahlen der rotierenden Elemente unterscheiden, sind sie so beschränkt, dass sie in der aufgeführten Reihenfolge sind, entweder aufsteigend oder abfallend. Die Drehzahl eines Elements ist positiv, wenn sich das Element in einer Richtung dreht, und negativ, wenn sich das Element in der entgegengesetzten Richtung dreht. Ein Stufenwechselgetriebe weist eine Zahnradanordnung auf, die verschiedene Gangübersetzungen zwischen einem Eingang und einem Ausgang gezielt vorgibt.
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Rotierende Elemente einer Gruppe sind fest miteinander gekoppelt, wenn sie so beschränkt sind, dass sie sich unter allen Betriebsbedingungen als eine Einheit drehen. Rotierende Elemente können durch Keilverzahnungsverbindungen, Schweißen, Presspassung, Herausarbeiten aus gemeinsamem Vollmaterial oder anderweitig fest gekoppelt sein. Es können geringfügige Abweichungen bei der Drehverschiebung zwischen fest gekoppelten Elementen auftreten, wie Verschiebung durch Spiel oder Wellennachgiebigkeit. Ein rotierendes Element oder mehrere rotierende Elemente, die alle fest miteinander gekoppelt sind, kann/können als Welle bezeichnet werden. Im Gegensatz dazu sind zwei rotierende Elemente durch ein Schaltelement gezielt gekoppelt, wenn das Schaltelement sie auf Drehung als eine Einheit beschränkt, wann immer das Schaltelement vollständig eingerückt ist, und sie sich zumindest unter einigen anderen Betriebsbedingungen mit verschiedenen Drehzahlen frei drehen können. Ein Schaltelement, das ein rotierendes Element durch gezieltes Verbinden des Elements mit dem Gehäuse gegen Drehung hält, wird als Bremse bezeichnet. Ein Schaltelement, das zwei oder mehr rotierende Elemente gezielt miteinander koppelt, wird als Kupplung bezeichnet. Schaltelemente können aktiv gesteuerte Vorrichtungen, wie hydraulisch oder elektrisch betätigte Kupplungen oder Bremsen, oder passive Vorrichtungen, wie Freilaufkupplungen oder Bremsen, sein. Zwei rotierende Elemente sind gekoppelt, wenn sie entweder fest oder gezielt gekoppelt sind.
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Die 1 und 2 zeigen eine Transaxle, die verschiedene Gangübersetzungen zwischen dem Eingang 50 und dem Ausgang 52 bereitstellt. Der Eingang 50 kann durch einen Verbrennungsmotor oder eine andere Antriebsquelle angetrieben werden. Eine Anfahrvorrichtung, wie zum Beispiel ein Drehmomentwandler oder eine Anfahrkupplung, können zwischen der Antriebsquelle und dem Transaxle-Eingang 50 eingesetzt werden, wodurch ein Leerlauf des Motors gestattet wird, während das Fahrzeug stationär ist und eine Transaxle-Übersetzung gewählt ist. Der Ausgang 52 kann ein Kettenrad sein, das eine Kette antreibt, die Energie auf eine Differenzialachse überträgt. Als Alternative dazu kann der Ausgang 52 ein Zahnrad sein, das Kraft durch eine Reihe von Zahneingriffen auf eine Differenzialachse überträgt. Bei einer Längsanordnung würde der Eingang 50 von links eintreten, und der Ausgang 52 wäre eine Welle, die sich nach rechts erstreckt.
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Die Transaxle der 1 und 2 verwendet vier einfache Planetenradsätze 10, 20, 30 und 40. Ein Planetenträger 12 dreht sich um eine Mittelachse und stützt einen Satz von Planetenrädern 14 derart, dass sich die Planetenräder bezüglich des Planetenträgers drehen. Äußere Zahnradzähne an den Planetenrädern kämmen mit äußeren Zahnradzähnen an einem Sonnenrad 16 und mit inneren Zahnradzähnen an einem Hohlrad 18. Das Sonnenrad und das Hohlrad werden zur Drehung um die gleiche Achse wie der Träger gestützt. Die Zahnradsätze 20, 30 und 40 sind ähnlich aufgebaut. Der Zahnradsatz 30 kann neben den anderen Zahnradsätzen positioniert sein. Zur Reduzierung der axialen Länge kann der Zahnradsatz 30 jedoch radial außerhalb der Zahnradsätze 10 und 20 positioniert sein, wie in 1 gezeigt, oder radial außerhalb des Zahnradsatzes 40 positioniert sein, wie in 2 gezeigt.
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Ein einfacher Planetenradsatz ist eine Art von Zahnradanordnung, die ein festes lineares Drehzahlverhältnis zwischen dem Sonnenrad, dem Planetenträger und dem Hohlrad vorgibt. Andere bekannte Arten von Zahnradanordnungen geben auch ein festes lineares Drehzahlverhältnis zwischen drei rotierenden Elementen vor. Ein Doppelritzel-Planetenradsatz gibt beispielsweise ein festes lineares Drehzahlverhältnis zwischen dem Sonnenrad, dem Hohlrad und dem Planetenträger vor.
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Ein empfohlenes Zahnradzähneverhältnis für jeden Planetenradsatz ist in Tabelle 1 aufgeführt. TABELLE 1
Hohlrad 18 / Sonnenrad 16 | 2,00 |
Hohlrad 28 / Sonnenrad 26 | 1,80 |
Hohlrad 38 / Sonnenrad 36 | 1,50 |
Hohlrad 48 / Sonnenrad 46 | 2,00 |
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Das Sonnenrad 36 wird gegen Drehung festgehalten; der Träger 42 ist fest mit dem Eingang 50 gekoppelt; der Träger 12 ist fest mit dem Hohlrad 28 gekoppelt; und das Hohlrad 18, der Träger 22, das Hohlrad 38 und das Sonnenrad 46 sind fest aneinander gekoppelt. Der Ausgang 52 wird durch die Kupplung 60 gezielt mit dem Träger 32 gekoppelt und durch die Kupplung 62 gezielt mit dem Hohlrad 48 gekoppelt. Der Eingang 50 wird durch die Kupplung 64 gezielt mit dem Sonnenrad 26 gekoppelt. Das Sonnenrad 16 wird durch die Kupplung 66 gezielt mit dem Träger 50 gekoppelt und durch die Bremse 68 gezielt gegen Drehung gehalten. Die Kombination aus dem Träger 12 und dem Hohlrad 28 wird durch die Bremse 70 gezielt gegen Drehung gehalten. Die optionale Freilaufbremse 72 hindert die Kombination aus dem Träger 12 und dem Hohlrad 28 passiv daran, sich in eine negative Richtung zu drehen, während sie eine Drehung in die positive Richtung gestattet.
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Verschiedene Kombinationen von Zahnradsätzen, Kupplungen und Bremsen geben gezielt bestimmte Drehzahlverhältnisse vor. Die Kombination aus den Zahnradsätzen 10 und 20 gibt ein lineares Drehzahlverhältnis zwischen dem Sonnenrad 16, der Kombination aus dem Träger 12 und dem Hohlrad 28, der Kombination aus dem Hohlrad 18 und dem Träger 22 und dem Sonnenrad 26 vor. Die Kombination aus dem Zahnradsatz 30 und der Kupplung 60 gibt gezielt ein Kriechgang-Verhältnis zwischen dem Träger 22 und dem Ausgang 52 vor. Mit anderen Worten wird der Ausgang 52 bei eingerückter Kupplung 60 darauf beschränkt, sich langsamer als der Träger 22 und in dieselbe Richtung zu drehen.
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Wie in Tabelle 2 gezeigt, erzeugt das Einrücken der Schaltelemente in Dreierkombinationen neun Vorwärtsgangübersetzungen und eine Rückwärtsgangübersetzung zwischen dem Eingang 50 und dem Ausgang 52. Ein X zeigt an, dass das Schaltelement erforderlich ist, um die Gangübersetzung herzustellen. Ein (X) zeigt an, dass die Kupplung betätigt werden kann, dies aber nicht erforderlich ist. Im 4. Gang stellen die Kupplungen 60 und 62 den Kraftflussweg zwischen dem Eingang 50 und dem Ausgang 52 her. Es können auch beliebige der übrigen Schaltelemente betätigt werden. Ein Betätigen der Kupplung 64 gewährleistet, dass alle einstufigen und zweistufigen Schaltungen vom 4. Gang durch Einrücken lediglich eines Schaltelements und Ausrücken lediglich eines Schaltelements erzielt werden können.
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Wenn die Zahnradsätze die in Tabelle 1 gezeigten Zähnezahlen haben, haben die Gangübersetzungen die in Tabelle 2 gezeigten Werte. TABELLE 2
| 60 | 62 | 64 | 66 | 68 | 70 | Übersetzung | Stufe |
Rückwärts | X | | | X | | X | –3,33 | 71% |
1. | X | | X | | | X | 4,67 | |
2. | X | | X | | X | | 2,67 | 1,75 |
3. | X | | X | X | | | 1,67 | 1,60 |
4. | X | X | (X) | | | | 1,22 | 1,36 |
5. | | X | X | X | | | 1,00 | 1,22 |
6. | | X | X | | X | | 0,84 | 1,19 |
7. | | X | X | | | X | 0,76 | 1,11 |
8. | | X | | | X | X | 0,67 | 1,14 |
9. | | X | | X | | X | 0,57 | 1,17 |
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Eine zweite beispielhafte Transaxle wird in den 3 und 4 dargestellt. Diese Transaxle verwendet drei einfache Planetenradsätze 10, 20 und 40, die jeweils ein Sonnenrad, ein Hohlrad und einen Planetenträger haben, die zur Drehung um eine erste Achse gestützt werden. Darüber hinaus werden die Achsübertragungszahnräder 82 und 86 zur Drehung um diese erste Achse gestützt. Das Zahnrad 86 ist radial größer als das Zahnrad 82. Das Ausgangszahnrad 52 und die Achsübertragungszahnräder 84 und 88 werden zur Drehung um eine im Wesentlichen parallel zur ersten Achse verlaufende zweite Achse gestützt. Der Ausgang 52 überträgt durch einen zusätzlichen Zahnradeingriff Kraft auf eine Differenzialachse. Das Zahnrad 84 kämmt mit dem Zahnrad 82 und das Zahnrad 88 kämmt mit dem Zahnrad 86. Der Träger 42 ist fest mit dem Eingang 50 gekoppelt; das Achsübertragungszahnrad 84 ist fest mit dem Ausgangszahnrad 52 gekoppelt; der Träger 12 ist fest mit dem Hohlrad 28 gekoppelt; und das Hohlrad 18, der Träger 22 und das Sonnenrad 46 sind fest aneinander gekoppelt. Das Achsübertragungszahnrad 82 wird durch die Kupplung 60' gezielt mit dem Träger 22 gekoppelt. Das Ausgangszahnrad 52 wird durch die Kupplung 62' gezielt mit dem Achsübertragungszahnrad 88 gekoppelt. Der Eingang 50 wird durch die Kupplung 64 gezielt mit dem Sonnenrad 26 gekoppelt. Das Sonnenrad 16 wird durch die Kupplung 66 gezielt mit dem Eingang 50 gekoppelt und durch die Bremse 68 gezielt gegen Drehung gehalten. Die Kombination aus dem Träger 12 und dem Hohlrad 28 wird durch die Bremse 70 gezielt gegen Drehung gehalten. Die optionale Freilaufbremse 72 hindert die Kombination aus dem Träger 12 und dem Hohlrad 28 passiv daran, sich in eine negative Richtung zu drehen, während sie eine Drehung in die positive Richtung gestattet.
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Um Axialraum zu sparen, kann das Zahnrad 86 radial außerhalb des Hohlrads 48 positioniert sein, wie in 3 gezeigt. Als Alternative dazu kann der Planetenradsatz 40 radial außerhalb der Planetenradsätze 10 und 20 positioniert sein, wie in 4 gezeigt.
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Verschiedene Kombinationen von Zahnradsätzen, Kupplungen und Bremsen geben gezielt bestimmte Drehzahlverhältnisse vor. Die Kombination aus den Zahnradsätzen 10 und 20 gibt ein lineares Drehzahlverhältnis zwischen dem Sonnenrad 16, der Kombination aus dem Träger 12 und dem Hohlrad 28, der Kombination aus dem Hohlrad 18 und dem Träger 22 und dem Sonnenrad 26 vor. Die Kombination aus dem Achsübertragungszahnrad 82, dem Achsübertragungszahnrad 84 und der Kupplung 60' gibt gezielt eine erste Gangübersetzung zwischen dem Träger 22 und dem Ausgang 52 vor. Mit anderen Worten ist bei eingerückter Kupplung 60' die Drehzahl des Ausgangs 52 geteilt durch die Drehzahl des Trägers 22 ein erster fester Wert, bei dem es sich um einen negativen Wert handelt. Ebenso gibt die Kombination aus dem Achsübertragungszahnrad 86, dem Achsübertragungszahnrad 88 und der Kupplung 62' gezielt eine zweite Gangübersetzung zwischen dem Hohlrad 48 und dem Ausgang 52 vor. Wenn die Kupplung 62' eingerückt ist, ist die Drehzahl des Ausgangs 52 geteilt durch die Drehzahl des Hohlrads 48 ein zweiter fester Wert. Der zweite feste Wert ist auch ein negativer Wert, hat jedoch einen größeren Absolutwert als der erste feste Wert.
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Ein vorgeschlagenes Zahnradzähneverhältnis für jeden Planetenradsatz und jedes Paar von Achsübertragungsrädern ist in Tabelle 3 aufgeführt. TABELLE 3
Hohlrad 18 / Sonnenrad 16 | 1,88 |
Hohlrad 28 / Sonnenrad 26 | 1,65 |
Hohlrad 48 / Sonnenrad 46 | 2,00 |
Zahnrad 84 / Zahnrad 82 | 1,68 |
Zahnrad 88 / Zahnrad 86 | 1,06 |
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Wie in Tabelle 4 gezeigt, erzeugt das Einrücken der Schaltelemente in Dreierkombinationen neun Vorwärtsgangübersetzungen und eine Rückwärtsgangübersetzung zwischen dem Eingang
50 und dem Ausgang
52. Wenn die Zahnradsätze die in Tabelle 3 gezeigten Zähnezahlen haben, haben die Gangübersetzungen die in Tabelle 4 gezeigten Werte. TABELLE 4
| 60' | 62' | 64 | 66 | 68 | 70 | Übersetzung | Stufe |
Rückwärts | X | | | X | | X | –3,14 | 71% |
1. | X | | X | | | X | 4,44 | |
2. | X | | X | | X | | 2,64 | 1,68 |
3. | X | | X | X | | | 1,67 | 1,57 |
4. | X | X | (X) | | | | 1,26 | 1,32 |
5. | | X | X | X | | | 1,06 | 1,19 |
6. | | X | X | | X | | 0,90 | 1,18 |
7. | | X | X | | | X | 0,81 | 1,11 |
8. | | X | | | X | X | 0,71 | 1,14 |
9. | | X | | X | | X | 0,60 | 1,18 |
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Obgleich oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben werden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen, die von den Ansprüchen umfasst werden, beschreiben. Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke dienen der Beschreibung und nicht der Einschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die möglicherweise nicht explizit beschrieben oder dargestellt sind. Verschiedene Ausführungsformen könnten zwar als Vorteile bietend oder bevorzugt gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen des Stands der Technik hinsichtlich einer oder mehrerer gewünschter Eigenschaften beschrieben worden sein, jedoch können, wie für den Durchschnittsfachmann offensichtlich ist, zwischen einem oder mehreren Merkmalen oder einer oder mehreren Eigenschaften Kompromisse geschlossen werden, um die gewünschten Gesamtsystemmerkmale zu erreichen, die von der besonderen Anwendung und Implementierung abhängig sind. Diese Merkmale können Kosten, Festigkeit, Langlebigkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Packaging, Größe, Wartungsfreundlichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Leichtigkeit der Montage usw. umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt. Ausführungsformen, die bezüglich einer oder mehrerer Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen des Stands der Technik beschrieben werden, liegen somit nicht außerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.