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Umlaufräderwechselgetriebe mit selbsttätiger Änderung des Übersetzungsverhältnisses
Die Erfindung betrifft ein Umlaufräderwechselgetriebe mit selbsttätiger Änderung
des übersetzungsverhältnisses in Abhängigkeit von der Belastung unter Anwendung
einer ihr Drehmoment mit der Differenzdrehzahl verändernden Schlupfkupplung.
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Es sind bereits mehrere Getriebeanordnungen dieser Art bekannt, die
jedoch alle den Nachteil haben, daß sie außerhalb eines sehr engen optimalen Übersetzungsbereichs
einen sehr schlechten Wirkungsgrad aufweisen. Um diesen entscheidenden Nachteil
zu vermeiden, wird gemäß der Erfindung ein erster Umlaufrädersatz, dessen Einzelwelle
die treibende und dessen Umlaufträgerwelle die getriebene Welle ist, leistungsverzweigend
mit einem zweiten Umlaufrädersatz gekoppelt, dessen Einzelwelle über die ihr Drehmoment
mit der Differenzdrehzahl verändernden Schlupfkupplung mit der getriebenen Welle
des ersten Umlaufrädersatzes verbunden ist. Hierbei sind vorteilhafterweise die
Umlaufräderträgerwellen beider Sätze mit den jeweils zweiten Koppelwellen der beiden
Sätze verbunden.
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Durch diese erfindungsgemäße Kopplung zweier Umlaufrädergetriebe mit
einer Schlupfkupplung wird eine Leistungsteilung erreicht, so daß immer der größere
Teil der Leistung über Zahnräder übertragen wird und nur ein kleinerer Teil der
Leistung über die Schlupfkupplung geleitet wird, die grundsätzlich den schlechteren
Wirkungsgrad hat. Dadurch wird es möglich; den Gesamtwirkungsgrad des erfindungsgemäßen
Umlaufrädergetriebes in einem sehr weiten Übersetzungsbereich beträchtlich zu erhöhen.
Bei einem bekannten Getriebe sind ebenfalls zwei Um laufrädersätze und ein Reduziergetriebe
miteinander gekoppelt. Jedoch sind hier die beiden Umlaufrädersätze hintereinandergeschaltet
und im Nebenzweig durch das Reduziergetriebe überbrückt, von dem unterstellt werden
kann; daß es sich selbsttätig verstellt, während bei der erfindungsgemäßen Anordnung
ein Umlaufrädersatz und die Schlupfkupplung hintereinandergeschaltet und im Nebenzweig
durch den zweiten Umlaufrädersatz überbrückt sind. Bei der bekannten Anordnung mit
zwei hintereinandergeschalteten Umlaufrädersätzen, die im Nebenzweig von einem Reduziergetriebe
überbrückt sind, kann aber eine Leistungsverzweigung nicht auftreten, weil das Koppelglied
einer der hintereinandergeschalteten Umlaufrädersätze festgebremst sein muß, wenn
die Leistung über das Reduziergetriebe geleitet werden soll. Das kann in diesem
Falle aber nur die gesamte Leistung sein, so daß die gesamte Leistung über das z.
B. als Schlupfkupplung ausgebildete Reduziergetriebe geht. Bei teilweisem Abbremsen
eines oder beider Koppelglieder dagegen wird in den Bremsen ein nicht unerheblicher
Teil der Leistung nutzlos in Wärme umgesetzt. Dieses bekannte Getriebe kann daher
nur mit ungünstigem Wirkungsgrad arbeiten.
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In Weiterbildung der Erfindung hat es sich als zweckmäßig erwiesen,
daß zwischen der Einzelwelle des zweiten Umlaufrädersatzes und der Schlupfkupplung
Zahnradstufen vorgesehen sind und daß zwischen den Umlaufräderträgerwellen und den
zweiten Koppelwellen der beiden Umlaufrädersätze wenigstens je ein Zahnradpaar eingeschaltet
ist. Durch die Wahl der Zähnezahlen der in dieser Welle zwischengeschalteten Zahnräder
läßt sich erreichen, daß der günstigste Wirkungsgrad in einen je nach dem Anwendungsgebiet
gewünschten Bereich gelegt werden kann.
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Hinter der getriebenen Welle des ersten Umlaufrädersatzes kann ein
willkürlich zu schaltendes Umkehrgetriebe angeschlossen sein, und zwischen der treibenden
Welle und der getriebenen Welle des ersten Umlaufrädersatzes kann eine willkürlich
einschaltbare überbrückungskupplung vorgesehen sein, um bei einem Kraftfahrzeuggetriebe
Rückwärtsgänge und direkten Antrieb zu schaffen.
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Die Sehlupfkupplung kann als Turbokupplung, vorzugsweise mit beweglichen
Schaufeln, oder aber
als magnetische oder elektromagnetische Kupplung
ausgebildet sein.
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In der Zeichnung ist in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel
des Erfindungsgegenstands im Längsschnitt dargestellt. Zum leichteren Verständnis
sind die Umlaufrädersätze als Kegekaddifferentialgetriebe dargestellt.
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Auf der Einzelwelle I eines ersten Umlaufrädersatzes II ist ein Sonnenrad
A befestigt, das mit Planetenrädern C kämmt, die ihrerseits mit einem Sonnenrad
im Eingriff stehen, das Teil der zweiten Koppelwelle B des Umlaufrädersatzes ist,
die außerdem noch mit einem Zahnrad F fest verbunden ist. Die als Hohlwelle ausgebildete
zweite Koppelwelle B des ersten Umlaufrädersatzes ist um eine Umlaufräderträgerwelle
I1I des ersten Umlaufrädersatzesfrei drehbar. Die Einzelwelle I ist die treibende
Welle, während die Umlaufräderträgerwelle III die getriebene Welle ist. Auf der
Umlaufräderträgerwelle III des ersten Umlaufrädersatzes II ist außerdem ein Zahnrad
U undrehbar befestigt.
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Die Zahnräder F und U kämmen mit Zahnrädern G und T, welche um die
Einzelwelle V eines zweiten Umlaufrädersatzes IV lose drehbar sind. Das Zahnrad
G bildet zugleich die Umlaufräderträgerwelle H des zweiten Umlaufrädersatzes. Sie
ist zur Vereinfachung der Darstellung als Hohlwelle ausgebildet und trägt die radial
stehenden Achsen für die Planetenräder L des zweiten Umlaufrädersatzes. Mit der
Einzelwelle V des zweiten Umlaufrädersatzes ist ein Sonnenrad f verbunden, das mit
den Planetenrädern L kämmt, die ihrerseits mit einem zweiten Sonnenrad im Eingriff
stehen, das ebenso wie das Zahnrad T ein Teil der zweiten Koppelwelle K des zweiten
Umlaufrädersatzes ist. Die beiden Umlaufrädersätze I1 ; und IV sind somit über die
Zahnradpaare F, G und U, T miteinander gekoppelt. Mit der Einzelwelle V des
zweiten Umlaufrädersatzes IV ist ein Zahnrad M drehfest verbunden, das über ein
Zwischenrad N auf ein weiteres Zahnrad P treibt, das lose um die Um- , laufräderträgerwelle
III des ersten Umlaufrädersatzes drehbar ist und mit dem Gehäuse einer hydraulischen
Kupplung R, Q fest verbunden ist und dieses antreibt. Das umlaufende Gehäuse der
hydraulischen Kupplung ist zugleich als Pumpenrad Q ausgebildet. Das @, Turbinenrad
R der hydraulischen Kupplung ist mit der Umlaufträgerwelle III des ersten Umlaufrädersatzes
drehfest verbunden. Zwischen Pumpenrad Q und Turbinenrad R der Turbokupplung sind
bewegliche Schaufeln S vorgesehen. Da das vorstehend beschriebene Getriebe für sich
allein keinen Rückwärtsgang liefern kann, ist mit der Abtriebswelle III der Umlaufräderträgerwelle
des ersten Umlaufrädersatzes ein in der Zeichnung rechts von der Turbokupplung schematisch
dargestelltes, an sich bekanntes Umkehrgetriebe vorgesehen, mit dessen Hilfe Vorwärtsgang;
Leerlauf und Rückwärtsgang schaltbar sind. Weiterhin ist eine starre Kupplungsmöglichkeit
zwischen der treibenden Welle I und der getriebenen Welle III des ersten Umlaufrädersatzes
vorgesehen. Hierzu ist der Planetenträger D mit einem auf der treibenden Welle I
verschiebbar angeordneten Kupplungsglied E drehfest verbindbar, z. B. in Formeiner
Klauenkupplung.
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Die Wirkungsweise läßt sich wie folgt beschreiben: Das Sonnenrad A
wird durch die Welle I, die vom Motor kommt, angetrieben, weil das Sonnenrad A und
die Welle I fest miteinander verbunden sind. Wenn das Sonnenrad B (Koppelwelle)
festgehalten wäre, dann würden sich die Planetenräder C um ihre eigene Achse drehen
und umlaufen. Die Welle III, mit der die Achsen der Planetenräder fest verbunden
sind, würde dann mit einer Drehzahl angetrieben, die 5 einen Bruchteil der Drehzahl
des Sonnenrades A beträgt. Wenn man eine Drehung des Sonnenrades B entgegengesetzt
dem Drehsinn des Sonnenrades A zuläßt; treiben die Planetenräder C die Welle III
mit einer Drehzahl an, die geringer ist, als wenn das Sonnenrad B festgehalten wäre.
Wenn jedoch das Sonnenrad B gezwungen wird, sich im gleichen Drehsinn wie das SonnenradA
zu drehen, treiben die Planetenräder C die Welle III mit einer Drehzahl an, die
höher ist als bei stillstehendem Sonnenrad B.
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Wenn man beispielsweise eine Drehung des Sonnenrades B entgegengesetzt
dem Drehsinn des Sonnenrades A und mit der Drehzahl des letzteren zuläßt, dann laufen
die Planetenräder nicht mehr um, und die Geschwindigkeit, mit welcher die Planetenräder
C die Welle III antreiben, ist gleich Null, ein Zustand, der möglich ist und bei
niedrigsten Drehzahlen des Motors ausgenutzt wird. Wenn umgekehrt das Sonnenrad
B gezwungen wird; sich im gleichen Drehsinn wie das Sonnenrad A und mit zunehmender
Drehzahl zu drehen, treiben, wenn die Drehzahl des Sonnenrades B die Drehzahl
des Sonnenrades A im Betrag und im Drehsinn erreicht, die Planetenräder C
die Welle III mit der Drehzahl und dem Drehsinn des Sonnenrades A an. Wenn das Sonnenrad
B eine geringere Drehzahl hat als das Sonnenrad A, wird die Welle III mit einer
Drehzahl angetrieben, die zwischen Null und der Drehzahl des Sonnenrades A liegt.
Was hinsichtlich der Drehzahlen gesagt worden ist, gilt im umgekehrten Sinn für
die Drehmomente.
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Das Sonnenrad B dient als Abstützung für die Planetenräder C in der
Übersetzungskombination, welche durch das auf die Planetenräder C wirkende Sonnenrad
A gegeben ist, so daß sich für die Welle III der ganze mögliche Drehzahlbereich
von der Drehzahl Null bis zur Drehzahl des Sonnenrades A erzielen läßt, wobei sich
das SonnenradB in dem einen oder anderen Drehsinn dreht, so daß dieses eine bewegliche
Abstützung bildet.
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Wenn das Sonnenrad K des zweiten Umlaufrädersatzes IV festgehalten
wird und die Planetenräder L durch das Zahnrad G über die Koppelwelle H angetrieben
werden, verursachen die Planetenräder L eine Drehung des Sonnenrades J mit einer
dem Antrieb entsprechenden Drehzahl, so daß dieses Sonnenrad bei seiner Bewegung
die Welle V antreibt. Das auf der Welle V drehfest angeordnete Zahnrad
M überträgt über das Zwischenrad N seine Bewegung auf das Zahnrad
P. Das Zwischenrad N kehrt den auf das Zahnrad P übertragenen Drehsinn um. Das Zahnrad
P ist drehfest mit dem Pumpenrad Q der Schlupfkupplung Q, R verbunden.
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Die dargestellte Turbokupplung überträgt ihren Widerstand gegen die
Bewegung des Sonnenrades B und der Koppelwelle des ersten Umlaufrädersatzes auf
einem Weg, der in umgekehrter Richtung zu dem verläuft, über welchen dem Pumpenrad
eine Bewegung mitgeteilt wird, d. h. über die Räder P, N, M,
die Welle V,
das Sonnenrad J, die Planetenräder L, die Koppelwelle H und das Zahnradpaar G,
F zum Sonnenrad B, welches infolge des Widerstands, den die Turbokupplung
der Bewegung entgegensetzt, nicht dazu gebracht wird, sich mit der gleichen Drehzahl
wie das Sonnenrad A und im entgegengesetzten Drehsinn
zu drehen,
mit Ausnahme bei niedrigsten Drehzahlen des Motors, da, wenn die Drehzahl des Sonnenrades
B der des Sonnenrades A gleich, aber der Richtung nach entgegengesetzt
wäre, die Planetenräder C nicht umlaufen würden und infolgedessen die Welle III,
die zum Widerstand führt, unbeweglich bleiben müßte.
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Der der Bewegung der Koppelwelle des ersten Umlaufrädersatzes, SonnenradB,
durch das Pumpenrad Q der Turbokupplung entgegengesetzte Widerstand ist veränderlich
und erreicht sein Maximum, wenn die Welle III des Widerstands unbeweglich ist, und
sein Minimum, wenn die Drehzahl der Welle des Widerstands die Drehzahl des Motors
erreicht.
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Die Veränderlichkeit in der Bewegung des als bewegliche Abstützung
dienenden Sonnenrades B und des Widerstands gegen diese Bewegung, welche das Pumpenrad
Q der Turbokupplung entgegensetzt, wird auf folgende Weise erzielt: Es sei angenommen,
daß die Welle III direkt zum Widerstand führt. Wenn die Bewegung eingeleitet wird
und sich der Widerstand im Ruhezustand befindet, ist das Zahnrad U unbeweglich und
damit auch das mit diesem im Eingriff befindliche Zahnrad T sowie das mit dem Zahnrad
T drehfest verbundene Sonnenrad K. Sobald sich jedoch der Widerstand zu bewegen
beginnt, drehen sich auch die Zahnräder U und T sowie das Sonnenrad K, was zur Folge
hat, daß die Planetenräder L des zweiten Umlaufrädersatzes IV ihre Umlaufgeschwindigkeit
um die Welle V vermindern. Diese Drehzahländerung wird über die Koppelwelle H, das
Zahnradpaar G, F auf die Koppelwelle über das Sonnenrad B des ersten Umlaufrädergetriebes
übertragen. In dem Maß, in dem die Welle III des Widerstands ihre Drehzahl erhöht,
wird die Drehzahl des Sonnenrades B verändert und dieses zunächst zum Stillstand
gebracht, worauf sich dessen ursprünglicher Drehsinn umkehrt und die Drehzahl mit
neuem Drehsinn wieder zunimmt, bis sie die Drehzahl des Sonnenrades A erreicht oder
eine geringere in dem Augenblick, in dem der Betriebszustand hergestellt wird.
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Durch die Veränderung der Umlaufgeschwindigkeit der Planetenräder
L wird auch die Drehzahl des Sonnenrades J verändert, so daß die Drehzahl des Pumpenrades
Q abnimmt, wodurch die Veränderung des Widerstands, der durch das Pumpenrad der
Bewegung des Sonnenrades B entgegengesetzt wird, herbeigeführt wird.
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Auf diese Weise paßt sich das Getriebe selbsttätig ; dem wechselnden
Abtriebsbedarf durch Übersetzungsänderung an, wobei jedoch immer der größere Teil
der Leistung über Zahnräder und nur ein geringerer Teil über die Turbokupplung übertragen
wird, weil die beiden Umlaufrädersätze leistungsverzweigend miteinander verbunden
sind.
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Um einen Teil der Arbeit der beweglichen Abstützung auf die zum Widerstand
führende Welle zu übertragen, um diesen zu überwinden, ist das Turbinenrad R der
Turbokupplung mit der zum Widerstand führenden Welle III fest verbunden. Das Turbinenrad
R nimmt von dem Pumpenrad Q das Drehmoment auf, welches diesem vom Sonnenrad B über
die Elemente F, G, H, L, J, V, M, N und P zugeführt wird, und überträgt es
auf die Welle HI mit einem um so größeren Wert, je größer der Unterschied zwischen
der Drehzahl des Pumpenrades Q und des Turbinenrades R ist. Andererseits überträgt
das Sonnenrad B ebenfalls einen Teil des Drehmoments auf die Welle III übel die
Elemente F, G, H, L, K, T und U.
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Die Arbeitsweise des Getriebes gemäß der Erfindung ist bei Anwendung
auf ein Kraftfahrzeug wie folgt: Wenn die Hilfseinrichtung bzw. das Hilfsgetriebe
für Vorwärtsgang geschaltet und der Kraftwagen im Stillstand ist, befindet sich
die Welle III ebenfalls im Ruhezustand. Hierauf wird das Getriebe mit dem Motor
gekuppelt, der nicht stärker beschleunigt werden muß, als es für die überwindung
der Trägheit der Elemente des Getriebes erforderlich ist. Das Sonnenrad A dreht
sich mit der Drehzahl des Motors. Da die Welle III stillsteht, können sich die Planetenräder
nur um ihre eigene Achse drehen, so daß sie eine Drehung des Sonnenrades B mit gleicher
Drehzahl wie das Sonnenrad A, jedoch in entgegengesetztem Drehsinn bewirken. Das
Sonnenrad B versetzt das Pumpenrad Q der Turbokupplung über die Elemente F,
H, L, J, V, M, N und P in Drehung. Das mit der im Ruhezustand befindlichen
Welle III fest verbundene Turbinenrad R erzeugt im Pumpenrad Q einen Widerstand
gegen die Bewegung der Welle 11I, der auf das Sonnenrad B auf einem umgekehrten
Weg übertragen wird, wodurch teilweise verhindert wird, daß sich das Sonnenrad B
mit der Drehzahl des Sonnenrades A dreht, jedoch eine Drehung des ersteren mit einer
geringeren und um so mehr von der Drehzahl des Sonnenrades A abweichenden Drehzahl
ermöglicht wird, je größer der Widerstand ist, den die Turbokupplung Q, R, S dieser
Drehung entgegensetzt. Die Welle III kann durch drei verschiedene Wirkungen Bewegungsimpulse
erfahren: 1. Durch das Drehmoment, das durch die Untersetzung zwischen dem Sonnenrad
A und den Planetenrädern bei der Drehung des Sonnenrades B entgegengesetzt dem Drehsinn
des Sonnenrades A und mit geringerer Drehzahl als der des letzteren erzeugt wird.
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2. Durch das Drehmoment, das auf sie durch das Turbinenrad der Turbokupplung
übertragen wird und vom Sonnenrad B geliefert wird.
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3. Durch das Drehmoment, welches ebenfalls das Sonnenrad B über das
Sonnenrad K des zweiten Umlaufrädersatzes überträgt und seinen Weg über die Zahnräder
U und T nimmt.
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Durch das Einleiten der Bewegung des Widerstands oder der Welle III
werden die Zahnräder U und T sowie das Sonnenrad K auf Drehzahl gebracht, was zur
Folge hat, daß die Planetenräder L zuerst ihre Umlaufgeschwindigkeit verringern,
bis sie zum Stillstand kommen, und sich dann im entgegengesetzten Drehsinn drehen.
Diese Drehzahlveränderungen übertragen sich auf das Sonnenrad B des ersten Umlaufrädersatzes
über die Elemente H, G und F in der Weise, daß das Sonnenrad B, das sich ursprünglich
entgegengesetzt dem Drehsinn des Sonnenrades A drehte, seine Drehzahl bis zum Stillstand
verringert, um sich dann im gleichen Drehsinn wie das Sonnenrad A zu drehen, wobei
sich seine Drehzahl im neuen Drehsinn so lange erhöht, bis die Drehzahl des Sonnenrades
A erreicht ist, wenn das durch den Widerstand entgegengesetzte Drehmoment dies gestattet,
da andernfalls die Betriebsdrehzahl des Sonnenrades B auf einen Wert festgelegt
wird, der zwischen seiner ursprünglichen Drehzahl und derjenigen des Sonnenrades
A liegt.
Da bei einer niedrigen Drehzahl des Motors die Turbokupplung
eine sehr geringe bzw. keine Wirkung hat, dreht sie sich anfänglich, solange der
Widerstand sich im Stillstand befindet, mit der gleichen Drehzahl wie der Motor,
wobei das Pumpenrad Q auf eine Drehzahl gebracht wird, die höher ist als die des
Motors, was eine Drehzahlübersetzung zur Folge hat, die im zweiten Umlaufrädersatz
stattfindet, da durch das stillstehende Sonnenrad K bewirkt wird, daß die Planetenräder
L das Sonnenrad J bei dem in der Zeichnung dargestellten Fall mit der doppelten
Drehzahl der Umlaufdrehzahl der Planetenräder antreiben. Durch das Einleiten der
Bewegung der Welle III kommt das Sonnenrad J auf die gleiche Drehzahl wie die Welle
111, da diese durch die Zahnräder T und U übertragen wird,
so daß die Drehzahl des Sonnenrades J und damit die des Pumpenrades Q verringert
wird, was zur Folge hat, daß der Widerstand, den das Pumpenrad Q dem Sonnenrad B
entgegensetzt, verringert wird, bis im Betriebszustand der durch das Pumpenrad Q
entgegengesetzte Widerstand sein Mindestmaß erreicht.
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Die Turbokupplung im Getriebe gemäß der Erfindung wirkt nach dem Vorangehenden
daher nicht lediglich als Kupplung oder als ein die Leistung des Motors auf das
Getriebe übertragendes Organ. Ihre Aufgabe besteht vielmehr vorzugsweise darin,
eine Rückwirkung zu erzeugen, damit sich das Sonnenrad B als bewegliche Abstützung
nicht ausschließlich mit der durch die Anordnung und Zähnezahlen auferlegten Drehzahl
dreht, und ferner darin, einen Teil der Arbeit der beweglichen Abstützung auf die
zum Widerstand führende Welle in zweckmäßigster Weise zu übertragen, um ein der
jeweiligen Drehzahl entsprechendes Drehmoment zu erzielen, damit dem für die Erhaltung
der Leistung notwendigen dynamischen Zustand Rechnung getragen und nicht nur ein
rein kinematischer Effekt erzielt wird.