DE112017001163T5

DE112017001163T5 - Gangrad-axialschubkraftoptimierung für hocheffiziente fahrzeuggetriebe

Info

Publication number: DE112017001163T5
Application number: DE112017001163.9T
Authority: DE
Inventors: Christian Chimner; Thomas J. Stoltz
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Cummins Automated Transmission Technologies LLC
Priority date: 2016-04-03
Filing date: 2017-04-02
Publication date: 2018-11-22
Also published as: WO2017176605A1; CN109153327A; US11149822B2; US20190032753A1; CN109153327B

Abstract

Getriebe, das selektiv mit einer Motorkurbelwelle eines auf einem Fahrzeug angeordneten Verbrennungsmotors gekoppelt ist, und das eine Eingangswelle, eine Hauptwelle, eine Antriebswelle, eine erste Vorgelegewelle und eine zweite Vorgelegewelle einschließt. Ein erster Gangradsatz schließt ein erstes auf der Hauptwelle angeordnetes Hauptwellengangrad, ein erstes Vorgelegewellengangrad auf der ersten Vorgelegewelle und ein erstes Vorgelegewellengangrad auf der zweiten Vogelegewelle ein. Ein zweiter Gangradsatz schließt ein erstes auf der Hauptwelle angeordnetes Hauptwellengangrad, ein erstes Vorgelegewellengangrad auf der zweiten Vorgelegewelle und ein zweites Vorgelegewellengangrad auf der zweiten Vogelegewelle ein. Die Gangräder des ersten Gangradsatzes haben alle einen ersten Schrägungswinkel. Die Gangräder des zweiten Gangradsatzes haben alle einen zweiten Schrägungswinkel. Der erste und zweite Schrägungswinkel werden so gewählt, um eine konstante Führung des Getriebes bereitzustellen, wodurch die auf die erste und zweite Vorgelegewelle gerichteten Schubkräfte ausgeglichen werden.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANWENDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität gegenüber dem vorläufigen Patentantrag US Nr. 62/317.619 , der am 3. April 2016 eingereicht wurde. Die Offenlegung der oben genannten Anwendung ist hierin durch Verweis enthalten.
FELD
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Getriebe mit einer verbesserten Lagerkonfiguration und ein entsprechendes Verfahren, das die Lagerreibungsverluste minimiert, indem es die Lagerschubkräfte reduziert, die von den Gangrädern des Getriebes während des Betriebs erzeugt werden.
HINTERGRUND
Herkömmliche Antriebsstränge von Kraftfahrzeugen verfügen typischerweise über mehrstufige Getriebe, die Leistungsabgabepfade vom Motor zu den Antriebsrädern der Fahrzeuge festlegen. Um eine effiziente Energiebereitstellung zu gewährleisten, muss das Getriebe so ausgelegt sein, dass die von den Getriebelagern aufgenommenen Schubkräfte ausgeglichen und reduziert werden. Es ist auch wünschenswert, die Axialschubbelastungen durch Schrägverzahnungen zu minimieren, um den Gesamtwirkungsgrad eines Fahrzeuggetriebes zu verbessern.
Die hierin gelieferte Hintergrundbeschreibung dient dazu, den Kontext der Offenbarung allgemein darzustellen. Werke der derzeit genannten Erfinder, soweit sie in diesem Hintergrundabschnitt beschrieben sind, sowie Aspekte der Beschreibung, die zum Zeitpunkt der Anmeldung nicht als Stand der Technik gelten können, werden weder ausdrücklich noch stillschweigend als Stand der Technik gegen die vorliegende Offenbarung anerkannt.
ZUSAMMENFASSUNG
Getriebe, das selektiv mit einer Motorkurbelwelle eines auf einem Fahrzeug angeordneten Verbrennungsmotors gekoppelt ist, und das eine Eingangswelle, eine Hauptwelle, eine Antriebswelle, eine erste Vorgelegewelle und eine zweite Vorgelegewelle einschließt. Die erste und zweite Vorgelegewelle sind von der Hauptwelle versetzt und antreibbar mit der Eingangswelle und der Hauptwelle verbunden. Ein erster Gangradsatz schließt ein erstes auf der Hauptwelle angeordnetes Hauptwellengangrad, ein erstes Vorgelegewellengangrad auf der ersten Vorgelegewelle und ein erstes Vorgelegewellengangrad auf der zweiten Vogelegewelle ein. Die Gangräder des ersten Gangradsatzes stehen ineinandergreifend in Eingriff. Ein zweiter Gangradsatz schließt ein erstes auf der Hauptwelle angeordnetes Hauptwellengangrad, ein erstes Vorgelegewellengangrad auf der zweiten Vorgelegewelle und ein zweites Vorgelegewellengangrad auf der zweiten Vogelegewelle ein. Die Gangräder des zweiten Gangradsatzes stehen ineinandergreifend in Eingriff. Die Gangräder des ersten Gangradsatzes haben alle einen ersten Schrägungswinkel. Die Gangräder des zweiten Gangradsatzes haben alle einen zweiten Schrägungswinkel. Der erste und zweite Schrägungswinkel werden so gewählt, um eine konstante Führung des Getriebes bereitzustellen, wodurch die auf die erste und zweite Vorgelegewelle gerichteten Schubkräfte ausgeglichen werden.
Entsprechend zusätzlichen Eigenschaften schließt das Getriebe ferner ein erstes und zweites Vorgelegewellenlager, das die erste Vorgelegewelle drehbar trägt, ein; und ein drittes und viertes Vorgelegewellenlager, die die zweite Vorgelegewelle drehbar tragen. Axiale Belastungen auf das erste, zweite, dritte und vierte Lager werden auf Grundlage der Gangradkonstantenführung gemildert. Die axialen Belastungen betragen weniger als 10 Newton. In einer Anordnung betragen die axialen Belastungen Null. Mindestens eins des ersten, zweiten, dritten und vierten Vorgelegewellenlagers umfasst ein Zylinderrollenlager. In einer anderen Anordnung umfassen alle der ersten, zweiten, dritten und vierten Vorgelegewellenlager ein Zylinderrollenlager.
Nach weiteren Merkmalen erzeugt das erste Hauptwellenrad eine erste Kraft. Das erste Vorgelegewellengangrad der ersten Vorgelegewelle erzeugt eine zweite Kraft. Das erste Vorgelegewellengangrad der zweiten Vorgelegewelle erzeugt eine dritte Kraft. Die zweite und dritte Kraft sind gleich und entgegengesetzt zur ersten Kraft. Das zweite Hauptwellenrad erzeugt eine vierte Kraft. Das zweite Vorgelegewellengangrad der ersten Vorgelegewelle erzeugt eine fünfte Kraft. Das zweite Vorgelegewellengangrad der zweiten Vorgelegewelle erzeugt eine sechste Kraft. Die fünfte und sechste Kraft sind gleich und entgegengesetzt zur vierten Kraft. Die erste Kraft entspricht der vierten Kraft.
In anderen Merkmalen sind die Spiralzeiger für Gangräder des ersten und zweiten Satzes so ausgewählt, dass von den Gangrädern erzeugte Kräfte auf mindestens ein Lager des Getriebes mit einer reduzierten Schlupfdrehzahl in Bezug auf verbleibende Lager des Getriebes gerichtet sind. Das Getriebe schließt weiterhin ein erstes Hauptwellenlager, ein zweites Hauptwellenlager und ein Taschenlager ein, die alle die Hauptwellen tragen. Das Taschenlager ist zwischen dem ersten und zweiten Hauptwellenlager angeordnet. Die von den Gangrädern erzeugten Kräfte sind auf das Taschenlager gerichtet, während die an dem ersten und zweiten Hauptwellenlager auftretenden Kräfte Null sind.
Ein Getriebe, das selektiv mit einer Motorkurbelwelle eines Verbrennungsmotors gekoppelt ist, der an einem Fahrzeug angeordnet und gemäß einem anderen Beispiel der vorliegenden Offenbarung konstruiert ist, schließt eine Eingangswelle, eine Hauptwelle, eine Antriebswelle, eine erste Vorgelegewelle und eine zweite Vorgelegewelle ein. Die erste und zweite Vorgelegewelle sind von der Hauptwelle versetzt und antreibbar mit der Eingangswelle und der Hauptwelle verbunden. Ein erster Gangradsatz schließt ein erstes auf der Hauptwelle angeordnetes Hauptwellengangrad, ein erstes Vorgelegewellengangrad auf der ersten Vorgelegewelle und ein erstes Vorgelegewellengangrad auf der zweiten Vogelegewelle ein. Die Gangräder des ersten Gangradsatzes stehen ineinandergreifend in Eingriff. Ein zweiter Gangradsatz schließt ein erstes auf der Hauptwelle angeordnetes Hauptwellengangrad, ein erstes Vorgelegewellengangrad auf der zweiten Vorgelegewelle und ein zweites Vorgelegewellengangrad auf der zweiten Vogelegewelle ein. Die Gangräder des zweiten Gangradsatzes stehen ineinandergreifend in Eingriff. Eine Vielzahl von Lagern tragen die Eingangswelle, die Hauptwelle, die Antriebswelle, die erste Vorgelegewelle und die zweite Vorgelegewelle tragen. Auf die erste und zweite Vorgelegewelle gerichtete Schubkräfte werden ausgeglichen. Gangräder des ersten und zweiten Satzes haben Spiralzeiger, die Kräfte erzeugen, die auf mindestens ein Lager der Vielzahl von Lagern gerichtet sind, die eine reduzierte Schlupfdrehzahl im Verhältnis zu den verbleibenden Lagern der Vielzahl von Lagern aufweisen.
Entsprechend zusätzlichen Merkmalen haben die Gangräder des ersten Gangradsatzes alle einen ersten Schrägungswinkel. Die Gangräder des zweiten Gangradsatzes haben alle einen zweiten Schrägungswinkel. Der erste und zweite Schrägungswinkel werden so gewählt, um eine konstante Führung des Getriebes bereitzustellen, wodurch die auf die erste und zweite Vorgelegewelle gerichteten Schubkräfte ausgeglichen werden. Die Vielzahl der Lager umfasst ferner ein erstes, zweites, drittes und viertes Vorgelegewellenlager. Das erste und zweite Vorgelegewellenlager trägt drehbar die erste Vorgelegewelle. Ein drittes und viertes Vorgelegewellenlager tragen drehbar die zweite Vorgelegewelle. Die axialen Belastungen auf das erste, zweite, dritte und vierte Vorgelegewellenlager sind Null. Mindestens eins des ersten, zweiten, dritten und vierten Vorgelegewellenlagers umfasst ein Zylinderrollenlager.
Nach weiteren Merkmalen erzeugt das erste Hauptwellenrad eine erste Kraft. Das erste Vorgelegewellengangrad der ersten Vorgelegewelle erzeugt eine zweite Kraft. Das erste Vorgelegewellengangrad der zweiten Vorgelegewelle erzeugt eine dritte Kraft. Die zweite und dritte Kraft sind gleich und entgegengesetzt zur ersten Kraft. Das zweite Hauptwellenrad erzeugt eine vierte Kraft. Das zweite Vorgelegewellengangrad der ersten Vorgelegewelle erzeugt eine fünfte Kraft. Das zweite Vorgelegewellengangrad der zweiten Vorgelegewelle erzeugt eine sechste Kraft. Die fünfte und sechste Kraft sind gleich und entgegengesetzt zur vierten Kraft. Die erste Kraft entspricht der vierten Kraft. Die Vielzahl der Lager umfasst ferner ein erstes Hauptwellenlager, ein zweites Hauptwellenlager und ein Taschenlager ein, die alle die Hauptwellen tragen. Das Taschenlager ist zwischen dem ersten und zweiten Hauptwellenlager angeordnet. Die von den Gangrädern erzeugten Kräfte sind auf das Taschenlager gerichtet, während die an dem ersten und zweiten Hauptwellenlager auftretenden Kräfte Null sind.
Ein Verfahren zum Auswählen von Schrägstirnrädern in einem Getriebe zum Minimieren von Schubkräften innerhalb des Getriebes beinhaltet das Auswählen von mindestens zwei Gangradsätzen. Jeder Gangradsatz weist ein Hauptwellenrad, ein erstes Vorgelegewellengangrad und ein zweites Vorgelegewellengangrad auf. Drehmomentübertragungsgangrädern der Gangradsätze für jeden Leistungspfad innerhalb des Getriebes werden bestimmt. Ein erster Schrägungswinkel für einen ersten Gangradsatz der mindestens zwei Gangradsätze wird ausgewählt. Ein zweiter Schrägungswinkel für einen zweiten Gangradsatz der mindestens zwei Gangradsätze basierend auf dem ersten Schrägungswinkel wird bestimmt, um Axialkräfte auszugleichen, die zwischen dem ersten und zweiten Gangradsatz auftreten.
Nach zusätzlichen Merkmalen wird eine Matrix von linearen Gleichungen erstellt. Die Matrix weist Daten auf, die sich auf (Y) eine Summe von Axialkräften für die Gangräder des ersten Gangradsatzes, (M) mit der tangentialen Kraftübertragungsfunktion von Schrägungswinkel auf Kraft und (X) Schrägungswerte beziehen. Die Matrix wird in der Form Y=MX vorbereitet. Der zweite Schrägungswinkel wird durch Lösen für X mit einem linearen Quadratmatrixlöser bestimmt.
Figurenliste
Die vorliegende Offenbarung wird durch die detaillierte Beschreibung und die zugehörigen Zeichnungen besser verstanden, wobei:

1 ist eine schematische Darstellung eines Getriebes, das nach einem Stand der Technik aufgebaut ist;
2 ist eine schematische Darstellung eines Getriebes, das in Übereinstimmung mit einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung konstruiert wurde und konstante führende und linke Hauptwellen-Spiralzeiger aufweist; und
3 ist eine schematische Darstellung eines Getriebes, das in Übereinstimmung mit einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung konstruiert wurde und konstante führende und rechte Hauptwellen-Spiralzeiger aufweist; und

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In Anlehnung an 1 wird ein mehrgängiges Schaltgetriebe dargestellt, das nach einem Beispiel des Standes der Technik konstruiert ist und bei Referenz 10 allgemein als Referenz dient. Das Mehrgang-Schaltgetriebe 10 ist ein Hochleistungsgetriebe, das selektiv von einem kraftstoffgesteuerten Motor (wie beispielsweise einem Dieselmotor oder dergleichen, nicht dargestellt) über eine Eingangswelle 18 angetrieben wird. Das mehrgängige Schaltgetriebe 10 kann vom Verbundtyp sein, der einen Hauptgetriebeabschnitt umfasst, der in Reihe mit einem Verteiler und/oder einem Hilfsabschnitt vom Bereichstyp verbunden ist. Getriebe dieser Art, insbesondere für den Einsatz in Schwerlastfahrzeugen, weisen typischerweise 9, 10, 12, 13, 16 oder 18 Vorwärtsgeschwindigkeiten auf Das besondere Beispiel, das in dieser Offenbarung verwendet wird, hat 12 Vorwärtsgeschwindigkeiten und damit 12 Leistungspfade. Eine Getriebeantriebswelle 20 erstreckt sich vom Mehrgang-Schaltgetriebe 10 nach außen und ist mit den Fahrzeugantriebsachsen 22, meist über eine Kardanwelle, antreibend verbunden.
Das mehrgängige Schaltgetriebe 10 weist eine Hauptwelle auf, die unter der Referenz 30 zusammengefasst ist und aus einer ersten Hauptwelle 38 und einer zweiten oder Zwischenwelle 40 besteht. Die Hauptwelle 30 ist koaxial zur Eingangswelle 18. Das Getriebe 10 weist eine erste Vorgelegewelle 42 und eine zweite Vorgelegewelle 44 auf. Die Vorgelegewellen 42 und 44 sind von der Eingangswelle 18 und der Hauptwelle 30 versetzt. Die Vorgelegewellen 42 und 44 sind als versetzt zueinander dargestellt, jedoch können in einigen Beispielen die Vorgelegewellen 42 und 44 koaxial zueinander sein. Die Hauptwelle 20 ist koaxial zur Eingangswelle 30.
Die erste Hauptwelle 38 ist in einem Gehäuse 46 des Getriebes 10 durch ein erstes Hauptwellenlager 38A drehbar gelagert. Die zweite Hauptwelle 40 wird im Gehäuse 46 des Getriebes 10 durch ein zweites Hauptwellenlager 40A und 40B vorne und hinten abgestützt. Ein Taschenlager 30A trägt zusätzlich die Hauptwelle 30. Die zweite Vorgelegewelle 42 wird vom Gehäuse 46 des Getriebes 10 durch erste und zweite Vorgelegewellenlager 42A und 42B drehbar gelagert. Die erste Vorgelegewelle 42 des Getriebes 14 weist Vorgelegewellengangräder 50, 52, 54, 56 und 58 auf. Die zweite Vorgelegewelle 44 wird vom Gehäuse 46 des Getriebes 10 durch dritte und vierte Vorgelegewellenlager 44A und 44B drehbar gelagert. Die zweite Vorgelegewelle 44 des Getriebes 10 weist Vorgelegewellengangräder 60, 62, 64, 66 und 68 auf. Die Hauptwelle 30 des Getriebes 10 weist die Hauptwellengangräder 70, 72, 74, 76 und 78 auf. Eine Masterkupplung kann das Drehmoment selektiv in das Getriebe 10 übertragen. Eine Steuersatzkupplung 84, eine erste Klauenkupplung 88 und eine zweite Klauenkupplung 90 können sich nach links und rechts bewegen, wie in 1 zum Verbinden verschiedener Hauptwellengangräder 70-78 und Vorgelegewellengangräder 50-58 und 60-68 zum Erreichen eines gewünschten Antriebsgangrades und Drehmomentweges innerhalb des Getriebes 10.
Das rechte Ende der Hauptwelle 30 ist antriebsmäßig mit einem Sonnenrad 110 verbunden. Ein Planetenträger 112 ist mit der Antriebswelle 20 verbunden oder integral mit ihr, die über die Antriebsachse 22 antreibbar mit den Fahrzeug-Treibrädern verbunden ist. Ein Hohlrad 118 greift in die vom Träger 112 getragenen Planetenritzel 120 ein.
Wie hierin verwendet, wird der Begriff „Zeiger“ verwendet, um eine Richtung zu bezeichnen, in die die Verzahnung auf dem Gangrad geneigt ist. Wenn man von der Seite des Getriebes schaut, wird von oben nach unten nach rechts geschaut. Von unten nach oben wird links geschaut. Zeiger in Kombination mit der Kraftflussrichtung bestimmt die Schubrichtung. Der Begriff „Schrägungswinkel“ wird verwendet, um einen Winkel zwischen einer beliebigen Schrägstellung eines schrägverzahnten Gangrades und einer axialen Linie auf dem rechten, runden Zylinder zu bezeichnen. Wie bekannt, erzeugt der Zahnwinkel bei Schrägstirnrädern eine Schubkraft auf die Gangräder, wenn sie ineinander greifen. Diese Vertrauenslasten müssen mit den hierin gekennzeichneten Lagern aufgenommen werden.
Wie aus der folgenden Diskussion hervorgeht, bieten die vorliegenden Unterrichtungen ein Getriebe mit Gangrädern, die mit Schrägungswinkeln optimiert sind, und mit Händen, die die Schubkräfte innerhalb des Getriebes minimieren. Durch die Optimierung der Schubkräfte können die Lagerverluste reduziert werden, so dass das Getriebe kostengünstigere Lageroptionen integrieren kann. Im Allgemeinen werden während des Betriebs des Getriebes 10 die Gangräder Hauptwellengangräder 70-78 und Vorgelegewellengangräder 50-58 und 60-68 unter Last stehen und Kräfte erzeugen, die dazu führen, dass die jeweiligen Wellen 38, 40, 42, 44 in unterschiedliche Richtungen drücken. Diese Kräfte sind ein Faktor aus den Schrägungswinkeln der jeweiligen Gangräder und einem hohen Drehmoment, das in das Gangrad einwirkt. Gemäß der vorliegenden Offenbarung werden die Schrägungswinkel (und die Richtung, in die sie die axiale Schubkraft erzeugen) so gewählt, dass sich alle resultierenden Kräfte ausgleichen, so dass ein Nettoschub auf einer einzelnen Welle Null ist.
Mit dem Schwerlastgetriebe 10, dargestellt in 1 muss ein Drehmomentweg durch mindestens zwei Gangradlagen verlaufen, die von der Eingangswelle 18 auf die Ausgangswelle 20 übertragen werden. Das Getriebe 10 weist im Allgemeinen einen ersten Gangradsatz 150, einen zweiten Gangradsatz 152, einen dritten Gangradsatz 154, einen vierten Gangradsatz 156 und einen fünften Gangradsatz 158 auf. Der erste Gangradsatz 150 kann das Hauptwellengangrad 70 und die Vorgelegewellengangräder 50, 60 beinhalten. Der zweite Gangradsatz 152 kann das Hauptwellenrad 72 und die Vorgelegewellengangräder 52, 62 beinhalten. Der dritte Gangradsatz 154 kann das Hauptwellenrad 74 und die Vorgelegewellengangräder 54, 64 beinhalten Der vierte Gangradsatz 156 kann das Hauptwellengangrad 76 und die Vorgelegewellengangräder 56, 66 einschließen. Der fünfte Gangradsatz 158 kann das Hauptwellengangrad 78 und die Vorgelegewellengangräder 58, 68 beinhalten.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein Verfahren zur Optimierung des Getriebes das Bestimmen, welche Gänge für bestimmte Drehzahlen des Getriebes aktiv sind. So können beispielsweise im ersten Gang vier Gangradsätze (Lagen) aktiv sein. Im zweiten Gang können verschiedene vier Getriebelagen aktiv sein. Es wird eine Matrix aufgebaut, die die für jeden Leistungspfad (Vorwärtsgeschwindigkeit) des Getriebes verwendeten Gangräder identifiziert. Ein Eingangsdrehmoment kann auf einen bestimmten Zustand eingestellt werden. Die Schuberzeugung kann dann für jedes Gangrad in Abhängigkeit davon bestimmt werden, welcher Schrägungswinkel für die Gangräder verwendet wird.
Wenn die Schrägungswinkel und -zeiger der Gangräder so gewählt werden, dass die Axialkräfte, die von allen aktiven Gangrädern erzeugt werden, gleich Null sind, hat die Konstruktion eine konstante Steigung. Um ein konstantes Leitungsdesign zu erzeugen, werden für jeden Leistungspfad innerhalb des Getriebes aktive Gangräder (Drehmomentübertragung) bestimmt. Die Richtung (vorne oder hinten) der Axialschubkräfte für die aktiven Lagen wird aus den Gangradschraubenzeigern, den Leistungsflussrichtungen und den Drehrichtungen bestimmt. Mit einem systematischen Verfahren werden die Schrägungswinkel für alle Gangradlagen so lange angepasst, bis die gesamten Netzkräfte auf die einzelnen Wellen so weit wie möglich gegen Null gehen.
Die Getriebeschubkräfte für ein beliebiges Zahnrad innerhalb des Getriebes können berechnet werden mit: $F x = \frac{2 * τ}{d_{w}} t a n β$
F_x=Axiale Getriebeschubkraft in [N]. τ = Getriebeeingangsdrehmoment in [Nm]. d_w= Verzahnungsdurchmesser in [m]. β = Gangradschrägungswinkel in [rad].
Die Optimierung der Schrägungswinkel erfolgt durch die Anordnung der Kraftgleichungen für alle Leistungspfade in einer Matrix aus linearen Gleichungen in Form von Y = MX. Y ist eine Anordnung, die die Summe der Axialkräfte für die Gangräder mit bekannten Schrägungswinkeln enthält. M ist eine Matrix, die die tangentiale Kraftübertragungsfunktion für alle Gangräder mit unbekannten Schrägungswinkeln enthält. M enthält die Übertragungsfunktion vom Schrägungswinkel auf die Kraft. Das tanβ wird durch die Spiralzeiger und die Drehrichtung bestimmt. X ist ein Array von Variablen, die die Schraubenlinieninformation enthalten (gleich tan(β)). Einmal formuliert, kann X mit einem linearen Quadratmatrixlöser gelöst werden, um Konstruktion zu optimieren. Es ist zu beachten, dass für ein Gangrad ein Schrägungswinkel bekannt sein muss und die Schrägungswinkel für die übrigen Gangräder gelöst werden können. Die Gangräder in jedem Gangradsatz haben einen gemeinsamen Schrägungswinkel. Allerdings hat jeder Gangradsatz nicht unbedingt den gleichen Schrägungswinkel wie ein anderer Gangradsatz. Ist beispielsweise der Schrägungswinkel für die Gangräder im ersten Gangradsatz 150 bekannt, können die Schrägungswinkel für die übrigen Gangradsätze gelöst werden.
Nach der Lösung für X können die Schrägungswinkel für jedes unbekannte Gangrad innerhalb des Getriebes aus dem arctan(X) berechnet werden. Mit diesem Ansatz können die Schubkräfte, die von den einzelnen Getriebelagen innerhalb des Getriebes erzeugt werden, für alle Wellen und Leistungspfade gleichzeitig ausgeglichen werden. In einigen Beispielen, wie hierin beschrieben, wo Axialkräfte auf eine Welle vollständig eliminiert werden können, kann der Lagereffizienz weiter verbessert werden, indem die Wellenstützlager auf einen effizienteren Typ umgestellt werden, da es keine Axiallasten gibt, die auf diese Wellen wirken.
1 zeigt einen Drehmomentweg unter Verwendung der ersten und zweiten Getriebesätze 150 und 152. Die Schrägungswinkel werden für jeden der Gangradsätze 150, 152, 154, 156 und 158 beliebig gewählt. Eine Kraft F1A wird durch das Hauptwellenrad 70 erzeugt. Eine gleiche und entgegengesetzte Kraft F1B wird durch die Vorgelege 50, 60 erzeugt. Eine Kraft F2A wird durch das Hauptwellenrad 72 erzeugt. Eine gleiche und entgegengesetzte Kraft F2B wird durch die Vorgelegewellengangräder 52, 62 erzeugt. Die Kräfte F1A, F1B sind gleich den Kräften F2A, F2B. In dem vorliegenden Beispiel sind F1A und F1B 2,44kN, während F2A und F2B 3,20kN sind.
Die Eingangswelle 18 und die Ausgangswelle 20 werden zur Außenwand des Getriebes 10 geschoben. Mit anderen Worten, die Eingangswelle 18 wird nach links gedrängt in 1, während die Antriebswelle 20 nach rechts gedrückt wird. Diese Lasten müssen durch das Getriebe 10 als Ganzes und insbesondere durch die Lager 38A und 40B aufgenommen werden. In dem vorliegenden Beispiel beträgt die auf das Lager 38A wirkende Kraft 4876N bei einer Drehung mit 1000 U/min und einem Lagerverlust von 77,5 W. Die auf das Lager 40B wirkende Kraft beträgt 6409 N bei einer Drehung mit 1306 U/min und einem Lagerverlust von 111,5 W. Die Differenz zwischen den auf die Lager 38A und 40B wirkenden Kräften wird an den Lagern 42A und 44A realisiert. Insbesondere müssen die Lager 42A und 44B eine Kraft von 766 N aufnehmen, wenn sie sich mit 1368 U/min drehen und einen Lagerverlust von 72,5 W aufweisen. Das Lager 40A nimmt bei einer Drehung mit 306 U/min 0 N Kraft auf und hat eine Lagerdämpfung von 0 W. Fachleute werden verstehen, dass die oben genannten Werte nur exemplarisch sind und andere verwendet werden können. Wie zu erkennen ist, werden Lagerverluste im gesamten Getriebe 10 realisiert.
Weiter mit 2, es wird ein Getriebe 210 beschrieben, das konstante Zeiger der führenden und der linken Hauptwelle der Spirale gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung beinhaltet. Das Getriebe 210 umfasst ähnliche Komponenten des vorstehend beschriebenen Getriebes 10, die mit um 200 erhöhten Bezugszahlen gekennzeichnet sind. Im Getriebe 210 werden die Wellenschubkräfte durch eine konstante Gangradführung minimiert. Wenn die Schrägungswinkel und - zeiger der Gangräder so gewählt werden, dass die Axialkräfte, die von allen aktiven Gangrädern erzeugt werden, gleich Null sind, hat die Konstruktion eine konstante Steigung. Auf die Vorgelegewellen 242 und 244 gerichtete Kräfte werden ausgeglichen und axiale Belastungen in den Vorgelegewellenlagern 242A und 242B beseitigt. Für die Zwecke dieser Offenbarung kann „eliminiert“ eine unbedeutende Belastung wie 10 N oder weniger und vorzugsweise 0 N bedeuten.
Im Getriebe 210 wird der Schrägungswinkel für die Gangräder im Radsatz 350 auf 25,56 Grad eingestellt. Dadurch werden die Vorspannkräfte vollständig ausgeglichen und axiale Belastungen in den Vorgelegewellenlagern 242A und 244A eliminiert. Da die Vorgelegewellenlager 242A und 244A nicht mehr zur Aufnahme von Axiallasten im Getriebe 210 benötigt werden, können die Lager 44A, 44B, 42A und 42B durch effizientere Zylinderrollenlager ersetzt werden (im Gegensatz zu Kegelrollenlagern im Getriebe 10, 1). Die reduzierte Belastung in Kombination mit dem effizienteren Lagertyp reduziert die gesamten Lagerverluste für das Getriebe 210 auf 315,2 W gegenüber 412,6 W für das Getriebe 10.
Eine Kraft F3A wird durch das Hauptwellenrad 270 erzeugt. Eine gleiche und entgegengesetzte Kraft F3B wird durch die Vorgelege 250, 260 erzeugt. Eine Kraft F4A wird durch das Hauptwellenrad 272 erzeugt. Eine gleiche und entgegengesetzte Kraft F4B wird durch die Vorgelegewellengangräder 252, 262 erzeugt. Die Kräfte F3A, F3B sind gleich den Kräften F4A, F4B. In dem vorliegenden Beispiel sind F3A, F3B, F4A und F4B alle 3,20kN. Die auf das Lager 238A wirkende Kraft beträgt 6409N bei einer Drehung mit 1000 U/min und einem Lagerverlust von 102,1 W. Die auf das Lager 240B wirkende Kraft beträgt 6409 N bei einer Drehung mit 1306 U/min und einem Lagerverlust von 111,5 W. Die auf die Lager 242A und 244A wirkende Kraft beträgt 0 N bei einer Drehung mit 1368 U/min und einem Lagerverlust von 26,4 W.
Weiter mit 3, es wird ein Getriebe 410, das konstante Zeiger der führenden und rechten Hauptwelle beinhaltet, gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Das Getriebe 410 umfasst ähnliche Komponenten des vorstehend beschriebenen Getriebes 10, die mit um 400 erhöhten Bezugszahlen gekennzeichnet sind. Im Getriebe 410 werden die Gangradschraubenzeiger so gewechselt (LH auf RH), dass die von den Gangrädern erzeugten Kräfte auf Lager mit niedrigeren Gleitgeschwindigkeiten gerichtet sind. Der Verlust der Lagerleistung wird reduziert, da die Verluste eine Funktion der Differenzdrehzahl zwischen inneren und äußeren Laufringen des Lagers in Kombination mit der Last sind.
Rückkehr zum Getriebe 210 (2) haben die Hauptwellenlager 284 und 240B, die die axiale Belastung der Hauptwellen tragen, hohe Gleitgeschwindigkeiten, da ihre äußeren Laufringe am Boden und ihre inneren Laufringe an den Wellen befestigt sind. Das Taschenlager 240A, das die beiden Hauptwellen 238 und 240 trennt, weist eine wesentlich geringere Dreiecksgeschwindigkeit auf. Dadurch ist es in der Lage, die Last effizienter zu tragen.
Erneute Rückkehr zum Getriebe 410 (3), es werden die Schraubenzeiger des Hauptwellengetriebes von links auf rechts umgeschaltet. Die Axialkräfte werden aus den Lagern 484 und 440B entfernt. Alle Axialkräfte der Hauptwelle werden auf das Taschenlager 440A gerichtet. Da die Schlupfdrehzahl des Lagers 430A (300 U/min) niedriger ist als die Schlupfdrehzahlen des Lagers 484 (1000 U/min) und des Lagers 440B (1306 U/min), wird die Gesamtleistung reduziert, wenn die Reibungskoeffizienten für alle drei Lager ähnlich sind. Beim Vergleich einer Verlustleistung von Lager 430A (53,0 W) im Getriebe 410 mit der Verlustleistung von Lager 238A (102,1 W) und Lager 240B (115,5 W) im Getriebe 210, die Gesamtleistung für die drei Lager 430A, 438A und 440B. Da die beiden Gangradsätze 550 und 552 aufgrund der konstanten Führung gleiche und entgegengesetzte Axialkräfte erzeugen (F5A, F5B, F6A und F6B sind gleich), muss keine Axialkraft durch das Lager 438A oder das Lager 430A übertragen werden und die Axiallasten der Vorgelegewellenlager bleiben 0 N. In der Konfiguration des Getriebes 410 beträgt eine Gesamtreduktion der Lagerverluste über das Getriebe 10 61,8% (412,6 W gegenüber 157,7 W).
Die vorstehende Beschreibung der Beispiele wurde zur Veranschaulichung und Beschreibung zur Verfügung gestellt. Es ist nicht beabsichtigt, vollständig zu sein oder die Offenlegung einzuschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale eines bestimmten Beispiels sind in der Regel nicht auf dieses bestimmte Beispiel beschränkt, sondern sind gegebenenfalls austauschbar und können in einem ausgewählten Beispiel verwendet werden, auch wenn sie nicht ausdrücklich dargestellt oder beschrieben sind. Das Gleiche kann auch in vielerlei Hinsicht variiert werden. Solche Abweichungen sind nicht als Abweichung von der Offenbarung zu betrachten, und alle diese Änderungen sollen in den Umfang der Offenbarung einbezogen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

US 62317619 [0001]

Claims

Es wird Folgendes beansprucht:
Getriebe, das selektiv mit einer Motorkurbelwelle eines auf einem Fahrzeug angeordneten Verbrennungsmotors gekoppelt ist, wobei das Getriebesystem Folgendes umfasst: eine Eingangswelle, eine Hauptwelle, eine Antriebswelle, eine erste Vorgelegewelle und eine zweite Vorgelegewelle, wobei die erste und zweite Vorgelegewelle von der Hauptwelle versetzt und antreibbar mit der Eingangswelle und der Hauptwelle verbunden sind; einen ersten Gangradsatz mit einem ersten auf der Hauptwelle angeordneten Hauptwellengangrad, einem ersten Vorgelegegangrad auf der ersten Vorgelegewelle und einem ersten Vorgelegegangrad auf der zweiten Vogelegewelle, wobei die Gangräder des ersten Gangradsatzes ineinander greifen; einen zweiten Gangradsatz mit zweiten auf der Hauptwelle angeordneten Hauptwellengangrad, einem zweiten Vorgelegegangrad auf der ersten Vorgelegewelle und einem zweiten Vorgelegegangrad auf der zweiten Vogelegewelle, wobei die Gangräder des zweiten Gangradsatzes ineinander greifen; und wobei die Gangräder des ersten Gangradsatzes alle einen ersten Schrägungswinkel aufweisen und die Gangräder des zweiten Gangradsatzes alle einen zweiten Schrägungswinkel aufweisen, wobei der erste und zweite Schrägungswinkel ausgewählt sind, um eine Gangradkonstante bereitzustellen, wodurch auf die ersten und zweiten Vorgelegewellen gerichtete Schubkräfte ausgeglichen werden.
Getriebe nach Anspruch 1, das ferner Folgendes umfasst: ein erstes und zweites Vorgelegewellenlager, das die erste Vorgelegewelle drehbar trägt; und ein drittes und viertes Vorgelegewellenlager, das die zweite Vorgelegewelle drehbar trägt.
Getriebe nach Anspruch 2, worin axiale Belastungen in das erste, zweite, dritte und vierte Lager auf Grundlage der Gangradkonstantenführung gemildert werden.
Getriebe nach Anspruch 3, wobei die axialen Belastungen weniger als 10 Newton betragen.
Getriebe nach Anspruch 4, wobei die axialen Belastungen Null betragen.
Getriebe nach Anspruch 2, wobei mindestens eine der ersten, zweiten, dritten und vierten Vorgelegewellenlager ein Zylinderrollenlager umfasst.
Getriebe nach Anspruch 6, wobei alle der ersten, zweiten, dritten und vierten Vorgelegewellenlager ein Zylinderrollenlager umfassen.
Getriebe nach Anspruch 1, wobei: das erste Hauptwellengangrad eine erste Kraft erzeugt, das erste Vorgelegegangrad der ersten Vorgelegewelle eine zweite Kraft erzeugt, das erste Vorgelegegangrad der zweiten Vorgelegewelle eine dritte Kraft erzeugt, wobei die zweite und dritte Kraft gleich und entgegengesetzt zur ersten Kraft sind; das zweite Hauptwellengangrad eine vierte Kraft erzeugt, das zweite Vorgelegegangrad der ersten Vorgelegewelle eine fünfte Kraft erzeugt, das zweite Vorgelegegangrad der zweiten Vorgelegewelle eine sechste Kraft erzeugt, wobei die fünfte und sechste Kraft gleich und entgegengesetzt zur vierten Kraft sind; wobei die erste Kraft der vierten Kraft entspricht.
Getriebe nach Anspruch 8, wobei Spiralzeiger für Gangräder des ersten und zweiten Satzes so ausgewählt sind, dass von den Gangrädern erzeugte Kräfte auf mindestens ein Lager des Getriebes mit einer reduzierten Schlupfdrehzahl in Bezug auf verbleibende Lager des Getriebes gerichtet sind.
Getriebe nach Anspruch 9, das ferner ein erstes Hauptwellenlager, ein zweites Hauptwellenlager und ein Taschenlager umfasst, die alle die Hauptwelle tragen, wobei das Taschenlager zwischen dem ersten und zweiten Hauptwellenlager angeordnet ist und die von den Gangrädern erzeugten Kräfte auf das Taschenlager gerichtet sind, während die an dem ersten und zweiten Hauptwellenlager auftretenden Kräfte Null sind.
Getriebe, das selektiv mit einer Motorkurbelwelle eines auf einem Fahrzeug angeordneten Verbrennungsmotors gekoppelt ist, wobei das Getriebesystem umfasst: eine Eingangswelle, eine Hauptwelle, eine Antriebswelle, eine erste Vorgelegewelle und eine zweite Vorgelegewelle, wobei die erste und zweite Vorgelegewelle von der Hauptwelle versetzt und antreibbar mit der ersten Eingangswelle und der Hauptwelle verbunden sind; einen ersten Gangradsatz mit einem ersten auf der Hauptwelle angeordneten Hauptwellengangrad, einem ersten Vorgelegegangrad auf der ersten Vorgelegewelle und einem ersten Vorgelegegangrad auf der zweiten Vogelegewelle, wobei die Gangräder des ersten Gangradsatzes ineinander greifen; einen zweiten Gangradsatz mit einem zweiten auf der Hauptwelle angeordneten Hauptwellengangrad, einem zweiten Vorgelegewellengangrad auf der ersten Vorgelegewelle und einem zweiten Vorgelegewellengangrad auf der zweiten Vogelegewelle, wobei die Gangräder des zweiten Gangradsatzes ineinander greifen; eine Vielzahl von Lagern, die die Eingangswelle, die Hauptwelle, die Antriebswelle, die erste Vorgelegewelle und die zweite Vorgelegewelle tragen; und wobei die auf die ersten und zweiten Vorgelegewellen gerichteten Schubkräfte ausgeglichen sind und Gangräder des ersten und zweiten Satzes Spiralzeiger aufweisen, die Kräfte erzeugen, die auf mindestens ein Lager der Vielzahl von Lagern gerichtet sind, die eine reduzierte Schlupfgeschwindigkeit in Bezug auf die verbleibenden Lager der Vielzahl von Lagern aufweisen.
Getriebe nach Anspruch 11, wobei die Gangräder des ersten Gangradsatzes alle einen ersten Schrägungswinkel aufweisen und die Gangräder des zweiten Gangradsatzes alle einen zweiten Schrägungswinkel aufweisen, wobei der erste und zweite Schrägungswinkel ausgewählt sind, um eine Gangradkonstante bereitzustellen, wodurch auf die ersten und zweiten Vorgelegewellen gerichtete Schubkräfte ausgeglichen werden.
Getriebe nach Anspruch 12, wobei die Vielzahl der Lager ferner Folgendes umfasst: ein erstes und zweites Vorgelegewellenlager, das die erste Vorgelegewelle drehbar trägt; und ein drittes und viertes Vorgelegewellenlager, das die zweite Vorgelegewelle drehbar trägt. wobei die axialen Belastungen auf das erste, zweite, dritte und vierte Vorgelegewellenlager Null sind.
Getriebe nach Anspruch 13, wobei mindestens eins des ersten, zweiten, dritten und vierten Vorgelegewellenlagers ein Zylinderrollenlager umfasst.
Getriebe nach Anspruch 11, wobei: das erste Hauptwellengangrad eine erste Kraft erzeugt, das erste Vorgelegegangrad der ersten Vorgelegewelle eine zweite Kraft erzeugt, das erste Vorgelegegangrad der zweiten Vorgelegewelle eine dritte Kraft erzeugt, wobei die zweite und dritte Kraft gleich und entgegengesetzt zur ersten Kraft sind; das zweite Hauptwellengangrad eine vierte Kraft erzeugt, das zweite Vorgelegewellengangrad der ersten Vorgelegewelle eine fünfte Kraft erzeugt, das zweite Vorgelegewellengangrad der zweiten Vorgelegewelle eine sechste Kraft erzeugt, wobei die fünfte und sechste Kraft gleich und entgegengesetzt zur vierten Kraft sind; wobei die erste Kraft der vierten Kraft entspricht.
Getriebe nach Anspruch 13, wobei die Vielzahl der Lager ein erstes Hauptwellenlager, ein zweites Hauptwellenlager und ein Taschenlager umfasst, die alle die Hauptwelle tragen, wobei das Taschenlager zwischen dem ersten und zweiten Hauptwellenlager angeordnet ist und die von den Gangrädern erzeugten Kräfte auf das Taschenlager gerichtet sind, während die an dem ersten und zweiten Hauptwellenlager auftretenden Kräfte Null sind.
Verfahren zum Auswählen von Schrägstirnrädern in einem Getriebe zum Minimieren von Schubkräften innerhalb des Getriebes, wobei das Verfahren umfasst: Auswählen von mindestens zwei Gangradsätzen, wobei jeder Gangradsatz ein Hauptwellenrad, ein erstes Vorgelegewellengangrad und ein zweites Vorgelegewellengangrad aufweist; Bestimmen von Drehmomentübertragungsgangrädern der Gangradsätze für jeden Leistungspfad innerhalb des Getriebes; Auswählen eines ersten Schrägungswinkels für einen ersten Gangradsatz der mindestens zwei Gangradsätze; und Bestimmen eines zweiten Schrägungswinkels für einen zweiten Gangradsatz der mindestens zwei Gangradsätze basierend auf dem ersten Schrägungswinkel, um Axialkräfte auszugleichen, die zwischen dem ersten und zweiten Gangradsatz auftreten.
Getriebe nach Anspruch 17, das ferner Folgendes umfasst: Herstellen einer Matrix von linearen Gleichungen mit Daten, die sich auf (Y) eine Summe von Axialkräften für die Gangräder des ersten Gangradsatzes, (M) eine tangentiale Kraftübertragungsfunktion für die Gangräder des zweiten Gangradsatzes und (X) Schraubenlinienwerte beziehen.
Verfahren nach Anspruch 18, worin das Herstellen der Matrix das Herstellen der Matrix in Form von Y=MX einschließt.
Verfahren nach Anspruch 19, worin das Bestimmen des zweiten Schrägungswinkels das Lösen für X unter Verwendung eines linearen Quadratmatrixlösers beinhaltet.