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Eines der Getriebe in modernen Fahrzeugen ist das stufenlose Getriebe (Variator) [1]. Er ist beliebt, da er einfach zu bedienen ist und der Motor mit solchem Getriebe genügend sparsam ist. Variatoren verwenden jedoch in der Regel verschiedene Arten von Reibungsmechanismen, was ihren Einsatz - bei leistungsstarken Motoren - einschränkt.
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In [2] werden jedoch Variatoren vorgeschlagen, bei denen keine Reibungsmechanismen verwendet werden, wodurch die Beschränkung der Motorleistung sofort aufgehoben wird.
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Die Funktionsweise solcher Variatoren basiert auf dem Verfahren stufenlosen Geschwindigkeitsänderung, bei der die anfängliche Drehbewegung über das Kulissenwerk in eine Schwingbewegung umgewandelt wird und die stufenlose Geschwindigkeitsänderung durch stufenlose Änderung des Abstands zwischen dem Mittelpunkt der anfänglichen Drehwelle (Motor) und dem Mittelpunkt der Oszillationswelle die Kulisse erfolgt, was zu einer stufenlosen Änderung der maximalen Amplitude der Kulissenoszillation führt. Bei der Oszillation dreht sich das Zahnrad, das starr mit der Kulisse verbunden ist und sich zusammen mit der Kulisse um die Oszillationswelle die Kulisse dreht.
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Dieses Zahnrad wandelt zusammen mit der zusätzlichen Zahnstange die Oszillationsbewegung der Kulisse in eine lineare Hin- und Her Bewegung um. In diesem Fall ist dies durch die Verwendung einer speziellen Kupplung [3] erforderlich, die Elemente der Freilaufkupplung verwendet und die lineare Hin- und Her Bewegung in eine kontinuierliche einseitige Drehung umwandelt. In der Kupplung gibt es keine freie Drehung. Die dynamischen Belastungen der Federelemente sind wesentlich geringer als bei Freilaufkupplungen, wodurch sich diese Variatoren für den Einsatz im Transportbereich eignen.
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Diese Variatoren haben auch einen großen variablen Drehzahlbereich (1:11 oder mehr). Diese Spanne ist wesentlich größer als die gängiger CVT-Variatoren, die nur eine Spanne von 1:6 haben (einigen Berichten zufolge: 1:8, was immer noch weniger ist als die des vorgeschlagenen Variator).
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Trotz der ziemlich einfachen Konstruktion solcher Variatoren erzeugt die Notwendigkeit, des zusätzlichen Paars: Zahnrad - Zahnstange, zur Betätigung dieser Kupplung, zusätzliche Reibung und Geräusche bei der Arbeit solchen Variatoren gibt. Und ist es - ihr Nachteil.
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Dieser Nachteil kann nun jedoch beseitigt werden, da eine Kupplungsanordnung entwickelt und erfolgreich getestet wurde, die ebenfalls Elemente von Freilaufkupplungen verwendet, aber die oszillierend-rotierende Bewegung direkt in eine kontinuierliche, rotierende unidirektionale Bewegung umwandelt [3]. Dadurch ist es möglich, solche Variatoren, ohne dieses Paars zu bauen, was die Konstruktion von solchen Variatoren zweifellos vereinfacht und zusätzliches Geräusch abräumt.
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Im Folgenden werden drei Varianten solcher Variatoren betrachtet.
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zeigt die erste Variante eines solchen Variator.
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Hier ist eine Scheibe 2 starr an der Stirnseite der Welle 1 der Anfangsrotierung (Motor) befestigt, die durch die Platte 6 des Variator verläuft, an deren Umfang der Stift 3 starr befestigt ist.
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Der Stift 3 kann in dem Längs Nut 5 der Kulisse 4 gleiten. Die Kulisse 4 ist in diesem Fall ein Griff der beweglichen Platte der vorgeschlagenen Kupplung 8 [3], die die Oszillationsbewegung der Kulisse 4 in eine kontinuierliche Drehung ihrer Ausgangswelle 9 umwandelt.
die Welle 7 Schwingungen der Kulisse 4 am Ende des Stegs 11 befestigen ist, und die Drehachse 13 des Stegs 11 kann in der Bohrung der Platte 6 des Variator frei gedreht werden. Hier spielt der Steg 11 auch die Rolle der Hauptplatine der Kupplung 8, in der Bohrung, welcher sich die Abtriebswelle 9 der Kupplung 8 frei drehen kann. Auf der beweglichen Platte der Kupplung befindet sich ein ringförmiger Ausschnitt, in dem sich mit der Oszillationsbewegung der Kulisse 4 die Abtriebswelle 9 der Kupplung frei bewegen kann. Der Einfachheit halber wird er (ebenso wie der Kupplungsdeckel) nicht konventionell dargestellt.
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Wie auf der Ausgangswelle 9 der Kupplung und auf der Welle 13 der Rotation des Stegs 11 - Kettenräder (bzw. 10 und 12), die verbunden sind.
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In 1 zeigen die Pfeile die Drehrichtung der Räder und das Kippen der Kulisse 4. Die Drehrichtung der Welle 1 der Anfangsrotierung spielt jedoch im Prinzip keine Rolle, da die Kulisse 4 in jeder Richtung ihrer Drehung gleich schwingt.
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Dabei ist zu beachten, dass anstelle des Kettengetriebes auch ein Riemengetriebe (z.B. mit Zahnriemen) eingesetzt werden kann. In diesem Fall sollten anstelle der Kettenräder 10 und 12 jeweils die Räder für Zahnriemen verwendet werden.
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Die Welle 13 ist nicht nur die Antriebswelle, sondern auch die Abtriebswelle des Variator.
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Auf dem Steg 11, seitwärts, etwa in der Mitte, befinden sich Vorsprünge a und b.
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Auf der rechten Seite (Vorsprung a) ein Ende eine Rückstellfeder 15 befestigt sich, und das zweite Ende der Rückstellfeder 15 zur Platte 6 befestigt, und die Rückstellfeder 15 dazu neigt, den Steg 11, um die Achse 13 zu drehen, um den Abstand zwischen der Welle 1 der Anfangsrotierung und der Welle 7 Schwingungen der Kulisse 4 zu vergrößern.
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Das Drahtseil 16 ist auf der linken Seite angebracht (Vorsprung b) und wird durch das Loch 17 in der Platte 6 des Variator geführt, um den Abstand zwischen den oben genannten Achsen zu verringern. Dabei kann die Welle 7 Schwingungen der Kulisse 4 entlang eines Teils der Kreisbahn 18 bewegt werden, die von der Mitte der Welle 1 der Anfangsrotierung ausgeht und sich im Uhrzeigersinn mit der Drehung des Stegs 11 fortsetzt.
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Um die Funktionsweise eines solchen Variator zu beschreiben, gehen wir davon aus, dass sich die Welle 1 der Anfangsrotation mit konstanter Geschwindigkeit in eine Richtung dreht (egal in welche Richtung).
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In diesem Fall zwingt der Stift 3 der Kulisse 4 die Oszillation zu machen, und da der Kulisse 4 Teil der beweglichen Platte der Kupplung 8 ist, wandelt die Kupplung 8 diese Oszillationen in eine kontinuierliche Drehung ihrer Ausgangswelle 9 um, die über eine Kette (Riemen) auf die Ausgangswelle 13 des Variator übertragen wird. Durch Veränderung der Kettenradgröße kann der Drehzahlbereich des Variator leicht verschoben werden, nicht aber der stufenlose Drehzahlbereich.
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Die maximale Oszillationsamplitude der Kulisse 4 wird erreicht, wenn der Radius r des Umfangs, auf dem sich der Stift 3 bewegt, senkrecht zu der Linie steht, die die Mittelpunkte der Wellen 1 und 7 verbindet. An diesem Punkt erreicht der Winkel α zwischen dieser Linie und der Mittellinie der Kulisse 4 den größten Wert. Was passiert, wenn die Position des Stegs 11 verändert wird? Wenn Sie den Abstand zwischen den Wellen 1 und 7 schrittweise verringern, vergrößert sich der Winkel α stufenlos, und wenn Sie den Abstand schrittweise vergrößern, verringert sich der Winkel α stufenlos.
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Um zu zeigen, warum dies der Fall ist, ist zu beachten, dass an jeder bestimmten Position des Stegs 11 ein rechtwinkliges Dreieck durch die Linien (Strahlen, wie man in der Mathematik sagt) mit dem Winkel α und dem Radius r gebildet wird - an der Position der maximalen Amplitude der Oszillation. In diesem rechtwinkligen Dreieck ist r der dem Winkel α gegenüberliegende Kathete, und er ist unveränderlich. Und die Linie zwischen den Mittelpunkten der Wellen 1 und 7 - der angrenzende Kathete (zum Winkel α) - ändert ihre Größe. Das Verhältnis zwischen den Längen des gegenüberliegenden und des angrenzenden Katheters ist tg α. Dann stellt sich heraus, dass eine Änderung des Abstands zwischen den Mittelpunkten der Wellen 1 und 7 - zu einer Änderung von tg α und einer entsprechenden Änderung des Winkels α führt. Da wir davon ausgegangen sind, dass sich die Welle 1 der Anfangsrotierung mit konstanter Geschwindigkeit dreht, stellt sich heraus, dass der Winkel α in gleichen Zeitabständen seinen Wert ändert, wenn die Position des Stegs 11 verändert wird, und dies ist eine Änderung der Drehgeschwindigkeit, die unendlich oft auftritt.
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In diesem Fall bestimmen die maximalen Positionen des Stegs 11 (am nächsten und am weitesten entfernt) bzw. der Welle 7 Schwingungen der Kulisse 4 den Bereich der stufenlos einstellbaren Drehzahl der Abtriebswelle 13.
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Die Drehrichtung der Abtriebswelle 13 des Variator wird durch die Kupplung 8 bestimmt, und wenn diese nicht die richtige Richtung ist (was vorher bei der Konstruktion des Variator festgelegt wird), kann das Problem leicht durch Drehen der Kupplung 8 auf der Welle 7 Schwingungen der Kulisse 4 gelöst werden - um 180°.
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2 zeigt die zweite Variante des Variator.
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Der Unterschied besteht darin, dass es keinen Kettenantrieb (Riemen) gibt. Stattdessen befinden sich auf der Abtriebswelle 9 der Kupplung 8 und 13 des Variator zwei Zahnräder (bzw. Zahnräder 21 und 22), die miteinander in Eingriff stehen. Die Funktionsweise dieses Variator unterscheidet sich nicht von der der ersten Variante.
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Diese Variator-Konstruktion ist etwas einfacher als die Vorherige, da es kein Kettengetriebe gibt. Bei dieser Version des Variator wurden ein flexibles Kabel 19 und eine Rolle 20 hinzugefügt, nur um die Größe der Platine der Variator 6 zu verringern, und sie sind nicht von grundlegender Bedeutung. Durch die Änderung dieses Übersetzungsverhältnisses kann der Drehzahlbereich des Variator leicht verschoben werden, nicht aber der stufenlose Drehzahlbereich.
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Die dritte Variante des Variator ist in 3 dargestellt.
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Die Änderungen am Design sind hier von größerer Bedeutung. Die Kulisse 4 steht für sich allein und ist nicht Teil der Kupplung 8. Es ist starr mit dem Zahnrad 23 verbunden, und gemeinsam oszillieren sie auf der Welle 7 Schwingungen der Kulisse 4.
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Der bewegliche Platte der Kupplung 8 hat die Form eines Zahnrads, das auf die Welle 13 des Stegs 11 aufgesetzt ist und mit dem Zahnrad 23 in Eingriff steht, und die Welle 13 ist starr an der Platte 6 des Variator befestigt. Hier ist die Platte 6 des Variator gleichzeitig die Hauptplatte der Kupplung 8 ist. Die Abtriebswelle 9 der Kupplung 8 - dreht sich frei in der Bohrung der Platte 6 und ist die Abtriebswelle des Variator. Im Inneren der beweglichen Platte der Kupplung 8 (in Form eines Zahnrads) befindet sich ein kreisingsförmiger Ausschnitt 24, in dem sich die Abtriebswelle 9 frei bewegen kann und in dem sich auch alle anderen Elemente der Kupplung 8 befinden. So auf der Welle 9 starr fixiert Rotationselement 26, das wiederum mit den Federelementen der Gruppen 25 der Kupplung 8 zusammenwirkt.
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Ein solcher Variator funktioniert wie folgt. Wenn sich die Welle 1 nicht dreht, drehen sich das Zahnrad 23 und der bewegliche Teil der Kupplung 8 beim Drehen des Stegs 11 gemeinsam um die Drehachse 13 des Stegs 11. Und da diese Achse hier auch die Drehachse der Kupplung 8 ist, wird sich die Kupplung 8 um diese Achse drehen, was, wie wir aus [3] wissen, keinen Einfluss auf die Leistung der Kupplung 8 hat. Tatsächlich aber dreht sich die Welle 1, wenn der Variator arbeitet, die Kulisse 4 und das Zahnrad 23 führen Oszillierens- und Drehbewegungen aus, die auf die bewegliche Platte der Kupplung 8 (in Form eines Zahnrads) übertragen werden. Infolgedessen dreht sich die Abtriebswelle 9 der Kupplung 8 kontinuierlich in eine Richtung mit einer Geschwindigkeit, die davon abhängt, wo sich zu diesem Zeitpunkt der Stegs 11 und damit die Welle 7 Schwingungen der Kulisse 4 befindet. Die Geschwindigkeitsänderung ist stufenlos einstellbar.
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Gehen wir näher auf den Bereich der stufenlosen Drehzahlveränderung bei solchen Variatoren ein.
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Wie bereits erwähnt, ist die Kreisbahn 18 der Bewegung der die Welle 7 Schwingungen der Kulisse 4- ein Teil des Kreises ist, der durch den Mittelpunkt der Welle 1 der Anfangsrotierung verläuft. An diesem Punkt ist der maximale Schwenkwinkel der Kulisse 4 am größten und beträgt 90°. Daraus folgt, dass der kleinstmögliche maximale Schwenkwinkel diesen Bereich bestimmen wird.
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Tabellen mit vorberechneten Werten für tg α und den dazugehörigen Winkeln finden Sie in mathematischen Nachschlagewerken.
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Nehmen wir nun an, dass der Rotationsradius von den Stift 3 - 5 cm beträgt.
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Dann ist tg α = 5: X, wobei X die Länge des angrenzenden Katheters ist.
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Für den Winkel α = 8° ist tg α ≈ 0,14. Demnach ist X = 5: 0,14 ≈ 35,7 (cm). Dies ist der Abstand von der Welle 1 der Anfangsrotierung bis zur Welle 7 Schwingungen der Kulisse 4. Und es - entspricht einem Bereich der stufenlosen Änderung der Geschwindigkeit: 90°: 8° = 11,25. Dies sind durchaus akzeptable Werte für ein reales Verkehr.
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Nimmt man den Winkel α = 5°, so beträgt tg α = 0,09. Hier ist X = 5: 0,09 ≈ 55,6 (cm). Der stufenlose Drehzahlbereich beträgt 90°: 5° = 18. Das ist bereits der dreifache Bereich eines CVT-Variator. Die Abmessungen eines Variator sind jedoch wenig akzeptabel.
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Für den Winkel α = 2° beträgt der stufenlos einstellbare Geschwindigkeitsbereich 90°: 2° ≈ 45. Aber sind die Abmessungen eines solchen Variator jedoch in der Praxis einfach nicht akzeptabel.
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Technische Lösungen sind bekannt, wenn zur Vergrößerung des stufenlosen Drehzahlbereichs die Variatoren in Reihe geschaltet werden. Dies wurde beispielsweise in [4] vorgeschlagen, wo zwei Variatoren mit einem stufenlosen Drehzahlbereich von 3 so verbunden werden, dass der Ausgang des ersten Variator mit dem Eingang des zweiten Variator verbunden ist, und der gesamte stufenlose Drehzahlbereich durch Multiplikation der Bereiche bestimmt wird, was zu einem endgültigen stufenlosen Drehzahlbereich von 9 führt. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass ein solcher Variator in der Realität gebaut wurde, da er zu komplex und unhandlich ist.
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Alle hier vorgeschlagenen Variatoren sind jedoch strukturell einfach und relativ flach (angesichts ihrer Dicken). Und wenn ein großer Bereich stufenlos verstellbarer Drehzahlen benötigt wird, können zwei solcher Variatoren in Reihe geschaltet werden, z. B. nebeneinander und parallel zueinander. In diesem Fall sind die Gesamtabmessungen dieser beiden Variatoren für die Praxis durchaus akzeptabel, und ihr Gesamtbereich ist für alle praktischen Fälle akzeptabel.
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Wenn der Bereich der gleichmäßigen Geschwindigkeitsänderung jedes Variator beispielsweise 10 beträgt, würde dieser Bereich bei zwei in Reihe geschalteten Variatoren gleich 100 sein. Dies wäre wahrscheinlich bei Motoren mit Abtriebs Drehzahlen von mehreren tausend Umdrehungen pro Minute erforderlich.
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Grundsätzlich unterscheiden sich die hier betrachteten Varianten durch die Art der Verbindung der Variator Welle mit der Abtriebswelle und durch den Grad der Integration der Kupplungselemente in die Variator Konstruktion. Aber die Art und Weise, wie die Bewegungsarten des Variator umgesetzt werden, bleibt unverändert. Der Anmelder schlägt daher vor, die vorliegende Anmeldung als Anhang zum Patent [2] zu betrachten.
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In Anbetracht der obigen Ausführungen können solche Variatoren eine Alternative sowohl zu Automatikgetrieben als auch zu CVT-Variatoren werden.
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Da solche Variatoren keine Prototypen oder Analoga haben, schlägt der Autor vor, solche Variatoren ASV-Variatoren zu nennen, wobei ASV die Initialen des Autors sind (Afanasiev - Nachname, Sergey - Vorname, Vladimir - zweiter Vorname).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- die Welle der Anfangsrotierung,
- 2
- die Scheibe,
- 3
- der Stift am Rande der Scheibe 2,
- 4
- die Kulisse,
- 5
- der Längsschlitz der Kulisse 4,
- 6
- die Platte des Variator,
- 7
- die Welle 7 Schwingungen der Kulisse 4,
- 8
- die Kupplung
- 9
- die Abtriebswelle 9 der Kupplung 8,
- 10
- das Kettenrad auf der Abtriebswelle 9 der Kupplung 8,
- 11
- der Steg,
- 12
- das Kettenrad auf der Drehwelle 13 des Stegs 11,
- 13
- die Drehwelle des Stegs 11,
- 14
- die geschlossener Kette,
- 15
- die Rückholfeder,
- 16
- das Drahtseil,
- 17
- das Loch in der Platte 6 des Variator,
- 18
- die Bahnkurve der Oszillationswelle 7 der Kulisse 4,
- 19
- das Drahtseil der Rückholfeder 15,
- 20
- die Rolle des Drahtseil 19 der Rückholfeder 15,
- 21
- das Zahnrad auf der Abtriebswelle 9 der Kupplung 8,
- 22
- das Zahnrad auf der Abtriebswelle 13 des Variator,
- 23
- das Zahnrad auf der Oszillationswelle 7 der Kulisse 4,
- 24
- der kreisförmiger Ausschnitt in der beweglichen Platte der Kupplung 8,
- 25
- die Gruppen federbelasteten Elementen der Kupplung 8,
- 26
- die Ausgangsdrehelement auf der Abtriebswelle 9 der Kupplung 8.
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Literatur
- 1. https://de.wikipedia.org/wiki/Stufenloses_Getriebe_24.06.2019
- 2. DE 10 2018 007 014 16.07.2020
- 3. DE 20 2022 001 523.2 18.07.2022
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018007014 [0046]
- DE 202022001523 [0046]
