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Antriebseinrichtung, insbesondere für Kraftfahrzeuge Zum stoßfreien
Schalten von mehrgängigen Getrieben ist es bekannt, eine dem Getriebe vorgeschaltete
schaltbare Trennkupplung anzuordnen, die bei jedem Gangwechsel gelöst wird. Die
Betätigung dieser Trennkupplung erfordert eine sachgemäße Bedienung, damit keine
Drehmomentstöße und Getriebeschäden auftreten. Zu dieser Getriebeausbildung mit
einer schaltbaren Trennkupplung ist zwecks Vermeidung von Bedienungsfehlern schon
eine zusätzliche Kupplung vorgeschlagen worden, die sich beim Überschreiten eines
bestimmten Drehmomentes, z. B. bei plötzlichem Einkuppeln der Trennkupplung, löst.
Ferner ist bei einem Getriebe mit kraftschlüssig schaltbaren Gangkupplungen, bei
dem also die Schaltstöße bereits von vornherein gegenüber einem Getriebe mit formschlüssig
schaltbaren Gangkupplungen gemildert sind, eine außerhalb des Getriebegehäuses angeordnete,
das übertragbare Drehmoment selbsttätig steuernde und dem Getriebe vorgeschaltete
Elektromagnetkupplung bekanntgeworden, deren übertragbares Moment während des Gangschaltens
kleiner ist als das der zu schaltenden Gangschaltkupplung des Getriebes und sogar
kleiner ist als das Motormoment.
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Die oben beschriebenen Getriebeausbildungen benötigen jedoch für die
vorgeschalteten Trennkupplungen eine aufwendige und zum Teil komplizierte und somit
störanfällige Schaltvorrichtung, die zudem eine unsachgemäße Bedienung zuläßt. Deren
Vermeidung erfordert aber eine weitere Kupplung und macht den Bauaufwand noch größer.
Um diesen Mängeln abzuhelfen, wurden bereits mehrgängige Getriebe ohne vorgeschaltete
Trennkupplung bekannt, deren Gangwechsel während des Betriebes lediglich durch Ein-und
Ausschalten von kraftschlüssigen Gangschaltkupplungen erfolgt. Hierbei sind die
Gangschaltkupplungen so bemessen, daß sie allein die beim Gangwechsel erforderliche
Drehzahlangleichung (Synchronisierung) gegebenenfalls auch bei unverminderter, voller
Belastung durch das zu übertragende Drehmoment bewerkstelligen können. Derartige
Getriebe haben allerdings den Nachteil, daß zur Vermeidung von harten Schaltvorgängen
und dadurch bedingten unangenehmen Schaltstößen auf das Fahrzeug diese Gangschaltkupplungen
schwächer dimensioniert sein müssen, als dies mit Rücksicht auf ihre Lebensdauer
günstig wäre. Dadurch tritt an den Kupplungen ein großer Verschleiß auf. Bemißt
man dagegen die kraftschlüssigen Gangschaltkupplungen zwecks Verminderung der Abnutzung
verhältnismäßig kräftig, so erfolgt die Drehzahlangleichung zwischen der Motorschwungmasse
einerseits und der Fahrzeugmasse andererseits beim Gangwechsel zu schnell und daher
stoßartig. Die dabei ausgelösten großen Massenkräfte, die ein Vielfaches des maximalen
Motordrehmomentes betragen können, wirken sich sehr ungünstig auf die Fahreigenschaften
des Fahrzeuges aus (Schaltstöße) und beanspruchen alle Triebwerksteile in unzulässiger
Weise.
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Die Erfindung bezieht sich nun auf eine insbesondere für Kraftfahrzeuge
vorgesehene Antriebseinrichtung, die aus einem lediglich durch kraftschlüssige Gangschaltkupplungen
unter Last schaltbaren Getriebe sowie aus einer zwischen Antriebsmotor und Getriebe
angeordneten Rutschkupplung besteht, die außerhalb des Getriebegehäuses angeordnet
ist, sich fortwährend in eingerücktem Zustand befindet und deren maximal übertragbares
Drehmoment während des Betriebes stets gleichbleibt. Der Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde, die eingangs genannten Nachteile bei einer Antriebseinrichtung der beschriebenen
Art zu beseitigen, so daß Schaltstöße vermieden werden und trotzdem ein unzulässig
großer Verschleiß nicht auftritt. Gelöst wird die gestellte Aufgabe gemäß der Erfindung
dadurch, daß die Rutschkupplung für ein solches maximal übertragbares Drehmoment
bemessen ist, das einerseits um einen Sicherheitsbetrag größer ist als das maximale
statische Motordrehmoment und andererseits in an sich bekannter Weise kleiner ist
als das auf die Kupplungswelle wirkende, beim Schalten auftretende Reibmoment jeder
Gangschaltkupplung.
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Hierbei sei unter dem statischen Motordrehmoment das lediglich durch
die Gasdrücke des Motors erzeugte Drehmoment verstanden. Das statische Motordrehmoment
umfaßt
also nicht das Moment auf Grund der Trägheitskräfte der sich bewegenden Motorteile,
die bei Drehzahländerungen des Motors ein zusätzliches Drehmoment hervorrufen.
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Der Fortschritt der Antriebseinrichtung mit diesen Merkmalen liegt
darin, daß die bisher mit einer dem Schaltgetriebe vorgeschalteten schaltbaren Rutschkupplung
erzielten Vorteile - nämlich die Verlegung der Hauptsynchronisierarbeit (Reibungsarbeit)
von den Gangschaltkupplungen eines Getriebes zu einer gut zugänglichen Rutschkupplung
und die damit verbundene weitgehende Vermeidung des beim Schalten anfallenden Schleifstaubes
im Getriebegehäuse sowie eine gute Ableitung der beim Rutschen der Rutschkupplung
anfallenden Wärme - nunmehr sogar bei einer Getriebeausführung mit einer solchen
Rutschkupplung erreicht werden, die nicht schalt- oder regelbar ist, sondern eine
bewährte, unkomplizierte und nicht störanfällige Bauart aufweist. Ein weiterer Vorteil
wird noch dadurch erzielt, daß das Drehmoment der Rutschkupplung nur um einen Sicherheitsbetrag
größer ist als das maximale statische Motordrehmoment. Hierdurch wird nämlich einerseits
eine verlustlose Übertragung auch des größten statischen Motordrehmomentes gewährleistet,
d. h. ohne daß die Rutschkupplung auf Grund des statischen Motormomentes zum Rutschen
kommt, andererseits aber ein möglichst weiches Schalten der Gänge durch die Gangschaltkupplungen
erreicht.
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Bei den üblichen Anwendungsfällen empfiehlt es sich, die Rutschkupplung
für ein maximal übertragbares Drehmoment auszulegen, das etwa das 1,2- bis 1,3fache
des maximal zu übertragenden statischen Motordrehmomentes beträgt. Da den Hauptteil
der Hauptsynchronisierarbeit nun die vorgeschaltete Rutschkupplung trägt, lassen
sich die Gangschaltkupplungen ohne Befürchtung hoher Stoßmomente so ausbilden, daß
sie stärker bemessen sind und härter einrücken, als es bei kraftschlüssig geschalteten
Getrieben üblich ist, Infolgedessen weisen diese Gangschaltkupplungen eine sehr
geringe Abnutzung auf, was eine verringerte Wartung und erhöhte Lebensdauer der
Gangschaltkupplungen sowie des ganzen Getriebes zur Folge hat.
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Es ist zwar bereits ein Fahrzeugantrieb bekannt, der ein lediglich
durch Ein- und Ausrücken kraftschlüssiger Gangschaltkupplungen schaltbares Getriebe
und eine diesem Getriebe vorgeschaltete Strömungskupplung aufweist. Hierbei bezweckt
jedoch die Strömungskupplung vor allem eine Verbesserung der Anfahrverhältnisse
und vermeidet die Übertragung von Schwingungen, beseitigt aber keine Schaltstöße.
Die Hauptsynchronisierarbeit müssen also die Gangschaltkupplungen leisten. Dieser
Umstand soll aber bei dem erfindungsgemäßen Antrieb gerade vermieden werden.
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Es ist noch eine weitere Kraftübertragung bekanntgeworden, die eine
mechanische Reibkupplung mit einem Freilauf und eine dieser nachgeschaltete Hauptrutschkupplung
aufweist. Das durch die Reibkupplung übertragbare Drehmoment ist hierbei lediglich
mit Rücksicht auf erträgliche Bremsstöße etwas niedriger als das Moment der Hauptrutschkupplung
ausgelegt. Da bei der druckschriftlichen Veröffentlichung dieser Kraftübertragung
das Gangschaltgetriebe nicht erwähnt ist, konnte auch nichts über die Drehmomentbemessung
der Reibkupplung oder der Hauptrutschkupplung gegenüber den Kupp-Lungen des Gangschaltgetriebes
ausgesagt werden, während gerade diese Bemessungsangaben ein wesentliches Merkmal
des Erfindungsgegenstandes ausmachen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der Rutschkupplung in
üblicher Weise noch eine elastische Kupplung nach- oder vorgeschaltet. Diese ergänzt
vorteilhaft die Wirkung der Rutschkupplung, indem sie die Schwingungsdämpfung erhöht
und andererseits Wellenversetzungen unschädlich macht. Zwecks Platzersparnis kann
dabei die elastische Kupplung in bekannter Weise radial innerhalb oder außerhalb
der Rutschkupplung angeordnet sein. Ferner ist es zweckmäßig, die Rutschkupplung
in gleichfalls bekannter Weise unmittelbar an der Schwungscheibe des Antriebsmotors
anzuordnen, da sich dann die Schwungscheibe zugleich als Bauteil für die Rutschkupplung
verwenden läßt.
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Nähere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen an
drei Ausführungsbeispielen erläutert. Hierbei zeigt Fig. 1 das Schema eines Kraftfahrzeugantriebes
mit einem kraftschlüssig schaltbaren Wechselgetriebe und einer diesem vorgeschalteten
Rutschkupplung, Fig.2 ebenfalls in schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel
eines Fahrzeugantriebes mit einem mittels Bandbremse schaltbaren Differential-Wandlergetriebe
und einer diesem vorgeschalteten Rutschkupplung, Fig. 3 bis 5 zum Antrieb nach der
Fig. 2 gehörige Diagramme für die Drehzahlen und die übertragenen Drehmomente in
Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit bzw. Zeit und Fig.6 nähere Einzelheiten
einer Rutschkupplung mit einer nachgeschalteten elastischen Kupplung. Die für ein
Kraftfahrzeug vorgesehene Antriebseinrichtung nach Fig. 1 weist einen Verbrennungsmotor
1 auf, der über die als Kegelreibungskupplung ausgebildete; dauernd eingeschaltete
Rutschkopplung 2 das zweigängige Zahnradwechselgetriebe 3 und die Kardanwelle 4
das Kegelrad-Differentialgetriebe 5 antreibt. Die beiden Tellerräder dieses Getriebes
übertragen dann das Drehmoment in üblicher Weise über Achswellen 6 auf die Treibräder
13 der Fahrzeugachse. Das Wechselgetriebe 3 enthält zwei zum Gangschalten dienende,
wechselweise einschaltbare Lamellenkupplungen 7 und B. Bei eingerückter Lamellenkupplung
7 ist der langsame Gang eingeschaltet; wobei der Kraftfloß über das Zahnräderpaar
9, die Vorgelegewelle 10, das Zahnräderpaar 11 und die Kupplung 7 verläuft. Bei
eingerückter Lamellenkupplung 8 ist der schnelle Gang mit direkter Kraftübertragung
eingeschaltet, Die Rutschkupplung 2 ist außerhalb des Gehäuses für das Wechselgetriebe
3 angeordnet, so daß der an ihr anfallende Schleifstaub nicht das Getriebeinnere
verschmutzen kann. Ferner sind die Feder 12 der Rutschkupplung 2 und deren übrige
Ausbildung erfindungsgemäß so gewählt, daß das durch die Rutschkupplung 2 maximal
übertragbare Drehmoment kleiner ist als die auf ihre Kupplungswelle 3' wirkenden,
beim Schalten auftretenden Reibmomente der Gangschaltkupplungen 7 und B. Weitere
Einzelheiten der Wirkungsweise sind aus der Beschreibung zum zweiten Ausführungsbeispiel
zu entnehmen.
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Das Beispiel nach Fig. 2 stellt ebenfalls einen Fahrzeugantrieb mit
einem Verbrennungsmotor 101 dar; der über die Rutschkupplung 102, das Getriebe 103;
die
Kardanwelle 104 und das Kegelrad-DifTeerentialgetriebe 105 die beiden Achswellen
106 der Fahrzeughinterachse antreibt. Abweichend von Fig. 1 ist hier das Getriebe
als Differential-Wandlergetriebe ausgebildet. Es weist ein leistungsteilendes Kegelrad-Differentialgetriebe
130, eine Bremsscheibe 131 mit einer Bandbremse 108, einen Strömungswandler 132
mit Pumpenrad 133, Turbinenrad 134 und Leitrad 135 sowie einen Freilauf 136 auf.
Die Bandbremse 108 stellt eine kraftschlüssige Gangkupplung dar und ist im unteren
Gangbereich ausgeschaltet. Das Getriebe 103 arbeitet dann mit Leistungsteilung,
wobei ein Teil der Motorleistung über die Hohlwelle 137, das Pumpenrad 133, das
Turbinenrad 134 und den Freilauf 136 hydraulisch auf die Kardanwelle 104 übertragen
wird und der andere Teil der Leistung über die Welle 138 mechanisch direkt zur Kardanwelle
104 gelangt. Zum Umschalten auf den schnellen Gangbereich legt man die Bandbremse
108 an. Dadurch werden die Hohlwelle 137, das hintere Sonnenrad des Differentialgetriebes
130 und das Pumpenrad 133 stillgesetzt. Das Turbinenrad 134 bleibt infolge des Freilaufes
136 ebenfalls stehen, und der Strömungswandler 132 ist somit ausgeschaltet. Die
gesamte Motorleistung wird nunmehr rein mechanisch über das Differentialgetriebe
130, das nunmehr mit einer anderen Übersetzung arbeitet, und die Welle 138 auf die
Kardanwelle 104 übertragen.
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Die Rutschkupplung 102 ist hier als Einscheiben-Reibkupplung ausgebildet
und erfindungsgemäß wiederum so ausgelegt, daß sie bereits bei einem Drehmoment
zu rutschen beginnt, das kleiner als das auf ihre Kupplungswelle 103' bezogene Rutschmoment
der Bandbremse 108 ist. Außerdem ist das größte übertragbare Drehmoment der
Rutschkupplung 102 nur etwa 20 bis 30 °/o höher bemessen als das maximal übertragbare
statische Motordrehmoment. Die Rutschkupplung 102 leistet also wiederum den größten
Teil der Synchronisierarbeit, während die Bandbremse 108 stets nur geringfügig rutscht
und daher wenig verschleißt. Des weiteren ist die Rutschkupplung 102 in einem gesonderten
Gehäuseteil 139 untergebracht. Die Zwischenwand 140 verhindert, daß
der Schleifstaub der Rutschkupplung 102 das Innere des Getriebes 103 verschmutzt.
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Um den Arbeitsbereich des Antriebs zu erweitern, könnte dem Differential-Wandlergetriebe
noch ein gestrichelt angedeutetes mechanisches Stufengetriebe 141 mit kraftschlüssig
geschalteten Gängen nachgeordnet sein, etwa ein durch Bandbremsen schaltbares Umlaufräder-Stufengetriebe.
Die durch die erfindungsgemäße Ausbildung dieser Antriebseinrichtung bedingte Wirkung
sei nachstehend an Hand von Diagrammen (Fig. 3 bis 5) näher erläutert: Das Sägediagramm
nach Fig. 3 stellt den Verlauf der Motordrehzahl nmot in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit
Y dar. Der untere Gang ermöglicht ein Verändern der Fahrgeschwindigkeit von V =
0 (Fahrzeugstillstand) bis zum 0,5fachen Wert der Höchstgeschwindigkeit. Gleichzeitig
damit nimmt die Motordrehzahl nmot nach der Linie 114 bis etwa zum Höchstwert 1
zu. Zwecks weiterer Steigerung der Fahrgeschwindigkeit ist bei V = 0,5 auf den schnellen
Gang umzuschalten, wobei die Motordrehzahl nmot wegen der nunmehr geänderten Gangübersetzung
entsprechend der lotrechten Linie 115 von ihrem fast vollen Wert 1 bis auf etwa
die Hälfte, 0,5, heruntergedrückt werden muß. Die dabei erforderliche schnelle Verzögerung
der bewegten Motorteile (Motorschwungscheibe, Kurbelwelle usw.) verursacht in der
Kraftübertragung erhebliche Massenkräfte.
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Der Linienzug 116-117-118 in Fig. 4 zeigt in Abhängigkeit von der
Zeit t den Verlauf der von der Antriebseinrichtung nach Fig. 2 übertragenen Drehmomente
an der Getriebeeingangswelle l03', und zwar für den Zeitraum kurz vor bis nach dem
Umschalten vom langsamen zum schnellen Gang. Dabei sei angenommen, daß vor dem Schalten
das maximale Motordrehmoment MMot. max übertragen werde (Linie 116). Im Zeitpunkt
T1 werde ferner gerade die Bandbremse 108 (Gangkupplung) für den schnellen Gang
(direkte Kraftübertragung) festgezogen. Die durch die Motorverzögerung bedingten
Trägheitskräfte vergrößern nun das übertragene Drehmoment über den Wert Mmot # max
hinaus: Infolge der erfindungsgemäßen Auslegung der Rutschkupplung 102 bleibt jedoch
das gesamte übertragene Drehmoment auf etwa den 1,3fachen Wert (Linie 117) des maximalen
Motordrehmomentes beschränkt, da die Rutschkupplung 102 bei Überschreitung dieses
Wertes durchrutscht. Im Zeitpunkt T2 ist der Drehzahlangleichvorgang zwischen der
Motormasse und der Masse des Fahrzeuges beendet, und das übertragene Drehmoment
sinkt wiederum auf den Wert des maximalen Motordrehmomentes ab (Linie 118).
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Der in der Fig. 4 gestrichelt eingetragene Linienzug 119-120 zeigt
zum Vergleich noch den Drehmomentverlauf eines Antriebs ohne erfindungsgemäß ausgebildete
Rutschkupplung. Hierbei steigt das von der Getriebeeingangswelle übertragene Drehmoment
infolge der harten Auslegung der als Gangkupplung wirkenden Bandbremse auf die hohen
Werte nach der Linie 119 an. Die Drehzahlangleichung ist nunmehr allerdings entsprechend
früher, nämlich schon im Zeitpunkt T3, beendet. Sämtliche Kraftübertragungsteile,
wie Wellen, Zahnräder, Kardangelenke, Lager usw., werden aber dabei durch die hohen
Spitzenmomente nach Linie 119 stoßartig belastet. Im Gegensatz hierzu bietet der
Erfindungsgegenstand den Vorteil, daß die Teile der Kraftübertragung wesentlich
geringer beansprucht werden, schwächer dimensioniert sein können und eine größere
Lebensdauer aufweisen. Daß bei dem erfindungsgemäßen Antrieb die Umschaltzeit auf
die Zeit von T; bis TZ verlängert ist, hat auf den praktischen Betrieb keinen nachteiligen
Einfluß.
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Der Vollständigkeit halber ist in Fig. 5 noch der Verlauf der Drehzahlen
während des Umschaltvorgangs dargestellt, und zwar ebenfalls in Abhängigkeit von
der Zeit. Hierbei gibt der Linienzug 121-122-123 den Motordrehzahlverlauf des Antriebs
nach Fig. 2, der Linienzug 121-127-128-123 etwa den Drehzahlverlauf der Getriebeeingangswelle
103' und der Linienzug 124-125-126 die zugeordneten Drehzahlen der Kardanwelle 104
an. Wie ersichtlich, wird die Motordrehzahl während der Drehzahlangleichung vom
Zeitpunkt T1 bis T2 von ihrem ursprünglichen Wert nmot bis auf etwa den halben Wert,
nämlich nmot, heruntergedrückt. Die Drehzahl der Kardanwelle 104 wird dagegen von
dem ursprünglichen Wert n2 nur geringfügig auf n2 erhöht, da die zu beschleunigende
Fahrzeugmasse gegenüber der zu verzögernden Motorschwungmasse wesentlich größer
ist. Für einen ohne erfindungsgemäße Rutschkupplung ausgebildeten Antrieb gelten
wiederum die gestrichelten Kurven, und
zwar 122'-123' für die Motordrehzahl
und zugleich die Drehzahl der Getriebeantriebswelle 103' und 125'-126' für
die Drehzahl der Kardanwelle 104. Hiernach sind Motor und Kardanwelle
104 bereits im Zeitpunkt T3 auf die der Übersetzung im schnellen Gang entsprechende
Drehzahl gebracht.
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Die Fig. 6 zeigt nähere Einzelheiten der' Rutschkupplung, der außerdem
noch eine elastische Kupplung nachgeschaltet ist. An der Kurbelwelle 250 des Antriebsmotors
ist das Schwungrad 251 angeflanscht, das zugleich einen Bauanteil der Rutschkupplung
bildet. Die mittels Schrauben 252 am Schwungrad 251 befestigte Scheibe 253 bildet
das Widerlager für die Kupplungsfedern 254. Diese pressen über die Druckplatte 255
die Kupplungsscheibe 256 mit den Reibbelägen 257 gegen das Motorschwungrad 251 und
bewirken so den erforderlichen Reibungsschluß. Durch Verstellen der Schrauben 252
können die Spaltbreite 258, die Vorspannung der Kupplungsfedern 254 und damit auch
die Höhe des maximal übertragbaren Drehmomentes der Rutschkupplung eingestellt oder
verstellt werden.
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Die Kupplungsscheibe 256 der Rutschkupplung ist mit dem Außenkranz
259 einer elastischen Kupplung starr verbunden, die außerdem die nachgiebigen Kupplungsteile
260 und den Kupplungsinnenkranz 261
aufweist. Dieser ist auf der genuteten
Welle 262 des nachgeschalteten kraftschlüssig schaltbaren Getriebes 263 drehfest
angeordnet. Dessen Gehäuse 264 ist mittels eines Flansches 265 am Motorgehäuse 266
verschraubt. Die durch einen Deckel 267 verschließbare Öffnung 268 ermöglicht
ein schnelles und bequemes Verstellen der Schrauben 252 und damit des maximal übertragbaren
Drehmomentes der Rutschkupplung.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt, sondern bei allen Antrieben anwendbar, deren Getriebe durch kraftschlüssige
Kupplungen, Bremsen od. dgl. von einem Gang- oder Arbeitsbereich auf einen anderen
umschaltbar sind und wobei infolge der beim Drehzahlangleichen auftretenden Trägheitskräfte
Stöße und Überlastungen auftreten. Ferner kann für die Rutschkupplung eine beliebige
Bauart, etwa auch eine Mehrscheibenausführung, eine trocken oder im Ölbad arbeitende
Kupplungsbauart, gewählt werden.
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Anspruch 1 schützt lediglich die Gesamtkombination der in diesem Anspruch
enthaltenen Merkmale. Die Ansprüche 2 bis 6 gelten als echte Unteransprüche nur
in Verbindung mit dem Anspruch 1.