DE10241745A1 - Stufenlos verstellbares Getriebe und Verfahren zur Berechnung der Parameter eines Getriebes - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein stufenlos verstellbares Getriebe (10) mit Übersetzung i¶G¶ mit einem Steg (1) mit einer Drehmasse J¶1¶, an dem die Motorleistung M¶Mot¶ anliegt, einem Variator (4) mit einer stufenlos verstellbaren Übersetzung i¶v¶ und einem Wirkungsgrad eta¶v¶ in einem Leistungszweig (5) des Getriebes mit einer Sonne (2) mit einer Drehmasse J¶2¶ und einem als Getriebeabtrieb ausgebildeten Hohlrad (3) mit einer Drehmasse J¶3¶, an dem ein Widerstandsmoment M¶w¶ anliegt, sowie ein Verfahren zur Berechnung der Parameter des Getriebes.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Berechnen eines stufenlos verstellbaren "geared neutral"-Getriebes mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und das Getriebe selbst mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 4.
• Bekannt ist aus der DE-A 199 08 838 eine gesamtheitliche Steuerung von drehzahlgeregelter Antriebsmaschine und stufenlos verstellbarem Getriebe für ein Kraftfahrzeug. Die Verstellung der stufenlosen Getriebeübersetzung und die Leistungsvorgabe für den Motor und damit dessen Drehzahl ist über ein Fahrpedal beeinflussbar für momentgesteuertes Fahren im Zug- und Schubbetrieb. Nachteilig bei dieser gesamtheitlichen Steuerung von drehzahlgeregelter Antriebsmaschine und stufenlos verstellbarem Getriebe ist die Möglichkeit des schlagartigen Blockierens des stufenlos verstellbaren Getriebes, das im Schubbetrieb von Fahrzeugen gemäß diesem Stand der Technik auftreten kann. Selbst wenn in einem solchen Fall die Räder des Fahrzeugs rutschen, sind dann das Getriebe und das Fahrzeug in Gefahr.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein stufenlos verstellbares "geared neutral"-Getriebe und ein Verfahren zum Berechnen eines stufenlos verstellbaren Getriebes zu schaffen, mit dem Blockieren grundsätzlich verhindert wird.
• Die Lösung erfolgt mit einem Verfahren zum Berechnen eines stufenlos verstellbaren Getriebes mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem stufenlos verstellbaren Ge triebe mit den Merkmalen des Anspruchs 4. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
• Gemäß der Erfindung enthält ein stufenlos verstellbares Getriebe mit Übersetzung i_G einen Steg mit einer. Drehmasse J₁, an dem die Motorleistung M_Mot anliegt, einen Variator mit einer stufenlos verstellbaren Übersetzung i_v und einem Wirkungsgrad η_v in einem Leistungszweig des Getriebes mit einer Sonne mit einer Drehmasse J₂ und ein als Getriebeabtrieb ausgebildetes Hohlrad mit einer Drehmasse J₃, an dem ein vorzugsweise über eine zuschaltbare Fahrzeugbremse erhöhbares Widerstandsmoment M_w anliegt. Erfindungsgemäß sind die Drehmassen J₁, J₂ und/oder J₃ am Getriebe so bestimmbar, dass die Ungleichung

  

  bei Wirkungsgraden

  

  stets erfüllt ist. Bei den o. g. Wirkungsgraden η des Variators, bei dem die Ungleichung ≥ 0 ist, ergeben sich zwei Nullstellen der Ungleichung, die jeweils zu einer kritischen Variatorübersetzung mit theoretisch unendlich hohen Momenten und Beschleunigungen im Getriebe führen. Die negativen Werte des Nenners zwischen den zwei Nullstellen führen zu einem ebenfalls kritischen Variatorübersetzungsbereich, die das Fahrzeug schlagartig abbremsen, d. h. blockieren, wobei Getriebebauteile wegen Überlastung komplett versagen können. Tatsächlich wird zwar durch die stets vorhandenen Elastizitäten im Antriebsstrang das Blockieren in endlicher Zeit erfolgen und damit wird es reduziert oder an irgendeiner Stelle im System tritt Schlupf auf, wobei in den meisten Fällen wohl die Antriebsräder durchrutschen, so dass dank der durchrutschenden Antriebsräder die große Fahrzeugmasse vom Getriebe abgekoppelt und so die effektive Drehmasse J₃ reduziert und damit das Blockieren des Getriebes vermieden wird. Durchrutschende Antriebsräder können aber keine Seitenkräfte mehr übertragen, so dass, je nachdem ob die Vorder- oder Hinterräder angetrieben sind, das Fahrzeug nicht mehr steuerbar oder der Fahrzustand nicht mehr stabil ist, d. h. das Fahrzeug dreht sich um seine Hochachse. Diese Nachteile des Standes der Technik werden behoben durch geeignete Abstimmung der Drehmassen J₁, J₂ und J₃ des erfindungsgemäßen stufenlos verstellbaren Getriebes, so dass eine Kupplung im Getriebe zum Trennen des Getriebes vom Leistungsfluss im Antriebsstrang des Fahrzeugs und die für diese Kupplung erforderliche Regelung und Steuerung entbehrlich werden.
• Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind bei einer beispielhaft angenommenen Standübersetzung i_o = -1 die Drehmassen J1 und J2 soweit zu erhöhen, daß stets gilt

  
• Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen zur Berechnung der Parameter eines stufenlos verstellbaren Getriebes mit einem Zahnradgetriebe mit mindestens 3 Drehmassen (J₁, J₂, J₃) sowie mit einem Variator mit einer stufenlos verstellbaren Übersetzung i_v und einem Variatorwirkungsgrad η_v, wobei in mindestens einem Leistungsbereich eine unendliche Übersetzung einstellbar ist, und einem Getriebeeingang und einem -ausgang zur Übertragung einer Motorleistung M_mot. Durch geeignete rechnerische Anpassung der Drehmassen (J₁, J₂, J₃) des Getriebes während der Konstruktion wird ein Blockieren des Getriebes im Betrieb verhindert, wobei man die Bewegungsgleichung des Getriebes aufstellt, den Nenner der Bewegungsgleichung analysiert und die Drehmassen (J₁, J₂, J₃) des Getriebes derart anpaßt, daß der Nenner der Bewegungsgleichung immer ungleich Null ist.
• Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Abstimmung der Drehmassen in der Konstruktionsphase des stufenlos verstellbaren Getriebes nach den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 2 und 3.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das als Getriebeabtrieb ausgebildete Hohlrad von der Fahrzeugbremse abgebremst, um so das an der Drehmasse J₃ angreifende Widerstandsmoment M_W des Fahrzeugs zu erhöhen.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand eines beworzugten Ausführungsbeispiels dargestellt.
• Es zeigen:
• 1 eine schematische Getriebestruktur des stufenlos verstellbaren Getriebes gemäß der Erfindung,
• 2 bis 5 Diagramme zum stufenlos verstellbaren Getriebe gemäß der Erfindung,
• 6 eine erweiterte schematische Getriebestruktur des stufenlos verstellbaren Getriebes gemäß der Erfindung und
• 7 bis 12 weitere Diagramme zum stufenlos verstellbaren Getriebe gemäß der Erfindung.
• Fig. 1, 2:
• Ein stufenlos verstellbares Getriebe 10 enthält einen Steg 1 mit einer Drehmasse J₁, an dem eine Motorleistung M_Mot anliegt, einen Variator 4 mit einer stufenlos verstellbaren Übersetzung i_v und einem Wirkungsgrad η_v in einem Leistungszweig 5 des Getriebes 10 mit einer Sonne 2 mit einer Drehmasse J₂ und ein als Getriebeabtrieb ausgebildetes Hohlrad 3 mit einer Drehmasse J₃, an dem das Widerstandsmoment M_w anliegt. Die Übersetzung des Getriebes 10 ergibt sich zu i_G aus einer angenommenen Standübersetzung i_o = -1 und in Abhängigkeit von der Variatorübersetzung i_v, wie in 2 dargestellt.
• Das Variatoreingangsmoment ergibt sich zu
• 
• Je nachdem ob sich der Variator im Zug- oder im Schubbetrieb befindet, muß für den Wirkungsgrad η der Variatorwirkungsgrad η_v oder dessen Kehrwert 1/η_v in die Formel eingesetzt werden

  

  und die Bewegungsgleichung mit gleichem Nenner entspricht-
• 
• Bei vorgegebenen Drehmassen J₁, J₂ und J₃ und ausreichend schlechtem Wirkungsgrad η_v des Variators 4 können die gleichen Nenner der Gleichungen für Eingangsmoment und die Beschleunigung des Variators 4 bei bestimmten Variatorΰbersetzungen Null, und damit das Eingangsmoment und die Be schleunigung unendlich, oder negativ werden. Bedingung für die Existenz von zwei Nullstellen des Nenners ist:

  
• Bei vorgegebener Standübersetzung i_o = -1 ist der Variatorgrenzwirkungsgrad η_{v ,grenz}, bei dem der Nenner genau eine Nullstelle hat, nur von den Drehmassen J₁, J₂ und J₃ abhängig und berechnet sich wie folgt:

  
• Fig. 3.
• Für realistisch angenommene Werte i_o = -1, J₁ = 0,3 kgm² und J₂ = 0,2 kgm² ist der Variatorgrenzwirkungsgrad η_v,grenz über der dem Getriebeabtrieb entsprechenden Drehmasse J₃ aufgetragen. Für Variatorwirkungsgrade η_v oberhalb dieser Grenzkurve hat der Nenner keine Nullstelle. Für Variatorwirkungsgrade η_v unterhalb dieser Grenzkurve hat der Nenner zwei Nullstellen zwischen denen es einen Variatorübersetzungsbereich gibt, in dem der Nenner negativ ist. Hat der Nenner nur eine (doppelte) Nullstelle, so entspricht dem eine Variatorübersetzung und für alle anderen Variatorübersetzungen ist der Nenner positiv.
• Fig. 4.
• Die Variatorübersetzung i_v ist über der Drehmasse J₃ und dem Variatorwirkungsgrad η_v dargestellt für den Variatorgrenzwirkungsgrad η_{v ,grenz}, bei dem der Nenner = 0 ist, wobei sich je eine Kurve für Zug- und Schubbelastung des Variators 4 ergeben.
• Fig. 5:
• Der Variatorwirkungsgrad η_v ist mit 10% schlechter als der Variatorgrenzwirkungsgrad η_{v ,grenz}. dargestellt, so dass sich jeweils für Zug- und Schubbelastung des Variators 4 kritische Variatorübersetzungsbereiche ergeben, in denen der Nenner negativ ist. Bei Standübersetzung i_o = -1 und i_v = 0,5 ergeben sich aus 2 positive Getriebeübersetzungen i_G und damit positive Geschwindigkeiten eines Fahrzeugs mit dem stufenlos verstellbaren Getriebe 10. Aus 4 und 5 folgt, dass bei positiven Geschwindigkeiten des Fahrzeugs nur bei Zugbelastung und bei negativen Geschwindigkeiten des Fahrzeugs nur bei Schubbelastung des Variators der Nenner Null oder negativ werden kann mit den daraus folgenden Nachteilen wie schlagartiges Abbremsen des Systems.
• Anhand eines Beispiels seien die Verhältnisse mit einem kritischen Variatorübersetzungsbereich bei angenommenen Werten für die Drehmasse J₃ = 15 kgm² und für J₁, J₂ und i_o wie bei 3 dargestellt.
• Für das Variatoreingangsmoment ergibt sich dann:

  

  und die Bewegung:

  

  
• Für positive Fahrzeuggeschwindigkeiten ist i_v ≥ 0,5. Für einen Variatorwirkungsgrad η_v = 0,72 liegt der kritische Variatorübersetzungsbereich zwischen 0,54 < i_v < 0,65, in dem Blockieren auftreten kann, wenn der Variator 4 unter Zugbelastung (M_v > 0) kommt. Zur Vermeidung von Zugbelastung innerhalb des kritischen Variatorübersetzungskbereichs muß gemäß Gleichung 1 die Variatorübersetzungsgeschwindigkeit so eingestellt werden, dass

  

  gilt.
• Beim Beschleunigen wird das Getriebe nach „Lang" verstellt und für die Variatorverstellung gilt i_v > 0. In der Ebene oder in einer Steigung ist der Term in den eckigen Klammern von Beziehung 4 größer 0 und man kann den Variator 4 beliebig in Richtung höherer Übersetzung verstellen. Nur beim Anfahren des Fahrzeugs im Gefälle muß der Variator 4 ausreichend schnell in Richtung höherer Übersetzung verstellt werden, was aber im Gefälle in der Regel ohnehin der Fall sein wird.
• Beim Verzögern wird das Getriebe nach „Kurz" verstellt und für die Variatorverstellung gilt i_v < 0, so dass die Bedingung der Beziehung 4 nicht ohne weiteres erfüllt ist und es im kritischen Variatorübersetzungsbereich zum Rutschen der Antriebsräder oder Blockieren des Getriebes kommt. Die angenommenen Werten für die Drehmasse J₃ und für J₁, J₂ und i_o bestätigen die o. g. Feststellungen zu. 4, 5, dass der Anfahrvorgang mit dem stufenlos verstellbaren Getriebe 10 unproblematisch ist – im Gegensatz zu dem prob 1ematischen Verzögern oder Anhalten mit dem stufenlos verstellbaren Getriebe 10.
• Zur Vermeidung kritischer Variatorübersetzungsbereich mit rutschenden Antriebsrädern oder Blockieren des Getriebes 10 kann das Widerstandsmoment M_w, z. B. durch Betätigen einer Fahrzeugbremse (nicht dargestellt), erhöht werden bis die Bedingung der Beziehung 4 bei vorgegebener Variatorverstellgeschwindigkeit erfüllt ist. Mit der beim Anhalten realistischen Annahme konstanter Motordrehzahl ω₁ ergibt sich das mindestens erforderliche Widerstandsmoment= M_{w ,m i n} in Abhängigkeit der Motordrehzahl, der Variatorübersetzung und der Variatorübersetzungsgeschwindigkeit rechnerisch zu

  
• Die Beschleunigung des der Abtriebsdrehmasse J₃ entsprechenden Hohlrads 3 ergibt sich aus der rechnerischen Getriebeübersetzung bei der Variatorübersetzungsgeschwindigkeit i_v und ω₁ = const. zu

  
• Das der Abtriebsdrehmasse J₃ = 15 kgm² entsprechende Hohlrad 3 ist zur Vermeidung des kritischen Variatorübersetzungsbereichs mit der Fahrzeugbremse zu verzögern. Abbremsen mit Hilfe des Motormoments M_Mot ist innerhalb des kritischen Variatorübersetzungsbereichs nicht zulässig.
• Für Rückwärtsfahrt gilt entsprechendes. Rückwärts Anfahren ist unproblematisch, wohingegen beim Anhalten/Bremsen aus Rückwärtsfahrt die Probleme wie beim Anhalten/Bremsen aus Vorwärtsfahrt auftreten.
• Fig. 6:
• Entsprechende Merkmale sind mit den Bezugszeichen aus 1 bezeichnet. Mittels eines um ein Differential 6, Rad 7, Reifen 8 und Fahrzeug 9 erweiterten Modells werden rechnerisch Anfahren und Anhalten mit dem stufenlos verstellbaren Getriebe 10 simuliert. Die Masse des Fahrzeugs 9 ist so gewählt, dass sich bei Annahme eines starren Modells, d. h. ohne Reifen, eine Drehmasse J₃ = 15 kgm² insgesamt für das Hohlrad 3 ergäbe. Die Drehzahl n₁ des Motors ist konstant angenommen mit n₁ = 1 200/min. Der Variator 4 wird jeweils beim An- oder Abfahren mit konstanter Geschwindigkeit verstellt.
• Die Antriebsstrangparameter sind in Tabelle 1 angegeben.
• 
• In 7 sind die Motor- und die Getriebeabtriebsdrehzahl und in 8 das Motor- und das Variatoreingangsmoment jeweils über der Zeit dargestellt, wie sich diese rechnerisch ergeben, wenn das Fahrzeug 9 nur durch Verstellen des Variators 4 ohne weitere Maßnahmen aus dem Stand bis auf eine Geschwindigkeit V_Fahr = 41 km/h beschleunigt und wieder bis zum Stand verzögert wird. In 9 ist das Variatoreingangsmoment über der Variatorübersetzung aufgetragen. Anfahren erfolgt ersichtlich ohne Probleme. Beim Verzögern treten dagegen etwa im letzten Drittel Schwingungen auf mit großer Amplitude vor allem beim Variatorein gangsmoment. Auch der Schlupf an den Antriebsrädern schwingt im kritischen Variatorübersetzungsbereich mit vergleichsweise großer Amplitude.
• Die dargestellten Schwingungszustände im kritischen Variatorübersetzungsbereich können dazu führen, daß Getriebebauteile, wie z. B. der Variator 4, wegen Überlastung komplett versagen können, und durchrutschende Antriebsräder keine Seitenkräfte mehr übertragen, so dass, je nachdem ob die Vorder- oder Hinterräder angetrieben sind, das Fahrzeug 9 nicht mehr steuerbar oder der Fahrzustand nicht mehr stabil ist, d. h. das Fahrzeug sich um seine Hochachse dreht (s. o.).
• Fig. 10, 11:
• Blockieren und durchrutschende Antriebsräder können bei vorgegebenem Variatorwirkungsgrad η_v und vorgegebener Drehmasse J₃ durch Erhöhen der Drehmassen J₁ und J₂ vermieden werden. Mit den Drehmasseverhältnissen

  

  ergibt sich für das Drehmasseverhältnis j₂ ein in 10 in Abhängigkeit von Variatorwirkungsgrad η_v und Drehmasseverhältnis j₁ dargestellter Mindestwert j_2,min, bei dem Blockieren des Getriebes 10 grundsätzlich vermieden ist. In 11 sind die Mindestwerte j_2,min als Höhenlinien dargestellt. Mit abnehmendem Drehmasseverhältnis j₁ und vor allem mit abnehmendem Variatorwirkungsgrad η_v kann durch erhöhtes Drehmasseverhältnis j₂ ein Blockieren des Getriebes 10 grundsätzlich verhindert werden.
• Fig. 12:
• Es ist das Motor- und das Variatoreingangsmoment jeweils über der Zeit dargestellt. Mit unverändert angenommenem η_v = 0,72 und j₁ = 0,3/15 = 0,02 wird das gegenüber dem Drehmasseverhältnis j₂ = 0,2/15 = 0,0133 erhöhte Drehmasseverhältnis j₂ = 0,5/15 = 0,033 eingesetzt. Gemäß 11 gibt es bei diesen Annahmen keinen kritischen Variatorübersetzungsbereich. 12 bestätigt, dass allein durch die Erhöhung der Drehmasse J₂ die Gefahren aus dem kritischen Variatorübersetzungsbereich für das Getriebe 10, das Fahrzeug 9 und den Fahrer vermieden werden.

1

Steg

2

Sonne

3

Hohlrad

4

Variator

5

Leistungszweig

6

Differential

7

Rad

8

Reifen

9

Fahrzeug

10

Getriebe

Claims (7)

1. Verfahren zur Berechnung der Parameter eines stufenlos verstellbaren Getriebes (10) mit einem Zahnradgetriebe mit mindestens drei Drehmassen (J₁, J₂, J₃) sowie mit einem Variator (4) mit einer stufenlos verstellbaren Übersetzung i_v und einem Variatorwirkungsgrad η_v, wobei in mindestens einem Leistungsbereich eine unendliche Übersetzung einstellbar ist, einem Getriebeeingang und einem -ausgang zur Übertragung einer Motorleistung M_mot, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine rechnerische Anpassung der Drehmassen (J₁, J₂, J₃) des Getriebes während der Konstruktion ein Blockieren des Getriebes im Betrieb verhindert wird, wobei man – die Bewegungsgleichung des Getriebes aufstellt, – den Nenner der Bewegungsgleichung analysiert und – die Drehmassen (J₁, J₂, J₃) des Getriebes derart anpasst, dass der Nenner der Bewegungsgleichung immer ungleich Null ist.
2. Verfahren zur Berechnung der Parameter eines stufenlos verstellbaren Getriebes (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmassen J₁, J₂ und/oder J₃ so bestimmbar sind, dass bei vorgegebenem Wirkungsgrad

   

   des Variators (4) die Beziehung

   

   stets erfüllt ist.
3. Verfahren zur Berechnung der Parameter eines stufenlos verstellbaren Getriebes (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmassen J₁, J₂ und J₃ so bestimmbar sind, dass bei einer Standübersetzung i_o = -1 der Wirkungsgrad η_v des Variators (4) größer einem Grenzwert η_{v ,grenz} ist, wobei η_{v ,grenz} bestimmt ist als

   
4. Stufenlos verstellbares Getriebe (10) mit Übersetzung i_G mit – einem Steg (1) mit einer Drehmasse J₁, an dem die Motorleistung M_{Mo t} anliegt, – einem Variator (4) mit einer stufenlos verstellbaren Übersetzung i_v und einem Wirkungsgrad η_v in einem Leistungszweig (5) des Getriebes mit einer Sonne (2) mit einer Drehmasse J₂ und – einem als Getriebeabtrieb ausgebildeten Hohlrad (3) mit einer Drehmasse J₃, an dem ein Widerstandsmoment M_w anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmassen J₁, J₂ und/oder J₃ so bestimmbar sind, dass bei vorgegebenem Wirkungsgrad

   

   des Variators (4) die Beziehung

   

   stets erfüllt ist.
5. Stufenlos verstellbares Getriebe (10) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmassen J₁, J₂ und J₃ so bestimmbar sind, dass bei einer Standübersetzung i_o = -1 der Wirkungsgrad η_v des Variators (4) größer einem Grenzwert η_{v ,grenz} ist, wobei η_{v ,grenz} bestimmt ist als

   
6. Stufenlos verstellbares Getriebe (10) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandsmoment M_w am Getriebeabtrieb (3) über eine zuschaltbare Fahrzeugbremse erhöhbar ist.
7. Stufenlos verstellbares Getriebe (10) nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das als Getriebeabtrieb ausgebildete Hohlrad (3) über die Fahrzeugbremse abgebremst wird.