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lufenloses Zahnradgetriebe Dic e erfindung betrifft ein stufenlos
regelbares Zahnradgetriebe mit in einem Gehäuse drehbar angeordneten Antrieb und
Abtriebswellen, wobei die Antriebskraft über ein stufenloses oder mehrstufiges Vorgetriebe
und über Zahnräder zwischon An- und Abtriebswelle iibertragen wird.
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Insbesondere in dcr Automobilindustri besteht das Bedürfnis, ein stufenloses
Zahnradgetriebe zur Verfügung zu haben, bei dem vom Leerlauf bis zur Vollast, d.h
niedrigen bis großen Motordrehzahlen, ohne zusätzliche Schaltvorgänge das gesamte
Arbeitsprogramm durchgeführt werden lcann, sei es für leichte, sci es für schwere
Kraftfahrzeuge, Personenwagen, Lastkraftwagen oder Zugmaschinen. Dieses Problem
fällt in das Gebiet der Automatisierung von Maschinen, das gerade in der Kfz-Industrie
deshalb von bosonderar Bedeutung ist, weil eine einfachere Handhabung der Maschine
eine Bedienung auch durch ungeübte Personen gestattet* Bekannt sind in der Kfz-Industrie
automatische Getriebe Diese weisen keinen Schalthebel zur Betätigung der Einzelgange
mehr
auf. Die Geschwindigkeitsregelung über den gesamten Fahrbereich is-t allein von
der Stellung des Fußgashebels abhängig. Dafür muß aber gegenüber den herkömmlichen
Zahnradgetrieben ein entsprechender zusätzlicher Aufwand getrieben werden0 In den
automatischen Getrieben befindet sich ein hydraulischer und ein mechanischer Teil.
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Der hydraulischc besteht aus Strömungskupplungen und Stromungswandlern,
der mechanische aus Umlauf- oder Planetengotrieben. In den Strömungskupplungen wird
als Kraftübertragungsmittel in Regel Öl verwendet. Auf diese Weise erreicht man
ein stoßfreies Anfahren0 Dio Verbindung zwischen den über das Öl verbundenen Getrieberädern
ist nicht starr; so daß ein Schlupauftritt, der den Wirkungsgrad der automatischen
Getriebe herabsetzt. Bei der Vorwondung der Strömungskupplung sind noch zahlreiche
automatisch ablaufende Schaltvorgänge vorgesehen, die durch einen hydraulischen
Regler) einen Fliehkraftreglor, gesteuert werden.
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Andere bekannte automatische Getriebe vorwenden anstelle der Strömungskupplung
oin Strömungsgetriebe oder hydraulaschen Drehmomentwandlero Allen bekannten automatischen
Getrieben ist der Nachteil gemeinsam1 daß sie im Aufbau kompliziert und daher recht
teuer sind Ein gewöhliches Kraftfahrzeug verteuert sich bei der Verwendung einos
automatischen herkömmlichen Getriebe bes um beispielsweise 10 bis 20, Der komplizierte
Aufbau ergibt sioh dadurch daß bei den gewöhnlichen Getrieben außer dem Drehmomentwandler
und den Planetengetrieben
meist noch reibschaltelemente und hydraulische
Betätigungs- und Steuersysteme vorgesehen sind. Ein weiterer Nachteil besteht darin,
daß nach wie vor ein Wählhebel entsprechend dem Betriebsprogramm eingestellt werden
muß, Verändert man das Programm beispielsweise zwischen zügigem Bergauffahren, steilem
Bergabfahren und Vorwärts- und Rückwärtsfahren, so ist die Betätigung des Wählhebels
unum-gänglich. Außerdem sind in den bckanntcn automatischen Getrieben nach wie vor
Gänge zu schalten, was allerdings automatisch vorgenommen wird. Hierbei sorgt der
Drehmomentwandler für geschmeidige Übergänge bei den Schaltvorgängen.
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Während die bekannten automatischen Getriebe einerseits während der
normalen Fahrt mit geringerem Wirkungsgrad arbeiten, ist andererseits ein Stillstand
im Leerlauf ohne zusätzliches Bremsen des Fahrzeuges nicht gegeben.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein stufenloses
Zahnradgetriebe der eingangs genannten Art unter Vermeidung der vorstehenden nachteile
dahingehend zu verbessern, daß eine konstruktive Voreinfachung die Gestehungskosten
in die Größenordnung der herkömlichen Schaltgetriebe zu senken gestattet, wobei
im Leerlauf ein Stillstand einwandfrei gewährloeistet is, uii Anfahren ohne Kupplung
ermöglicht ist und der Abtrieb vom Leerlauf bis zur normalen Betriebsgeschwindigkeit
stufenlos gegenüber ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das an
der
Abtreibswelle angeordnete Zahnrad schraub- oder schneckenvorzahnt ist und mit mindestens
einem um die Achse der Abtriebswelle mit dercn Drehzahl umlaufenden sowie um seine
eigene Achse drehbaren Ausgleichszahnrad kämmt, das kraftschlüssig mit der labtriebseito
dos Vorgetriebes verbunden ist, welches drehzahlabhängig so einstellbar ist, daß
bei großen Antriebsdrehzahlen, z. B.
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bei direktor Übetragung, das Ausgleichzahnrad bezüglich seiner eigenen
Achse Stillsteht, im Falle kleiner Antriebsdrehzahlen, z,B. bei Leerlauf, um seine
eigene Achse mit einer solchen Drehzahl umlaufcnd antreibbar ist, daß die hieraus
resultierende, die Abtriebswelle drehen Kraftkomponenete entgegengesetzt gleich
der infolge Drehung des Ausgleichszahnrades um die Achse der Abtriebswelle sich
ergebenden Kraftkomponente ist, so daß die Drehung der Abtriebswelle aufgehoben
wird, und bei Antriebsdrehzahlen zwischen direkter Übertragung und Leerlauf sich
eine Differenz der Kraftkomponenten ergibt, so das eine entsprechende teilweise
Aufhebung der Abtriebsdrehung erfolgt.
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Der prinzipielle neue Erfindungsgedanke liegt in der Kompensation
zweier Antriebsmomente, die auf das an der Abtriebswelle angeordnete Zahnrad wirken.
Diese Kompensation wird im Leerlauf, wenn die Antriebswelle mit niedriger Drehzahl
umläuft, maximal eingerichtet, so daß die Summe bzw. Differenz der Antriebsmomente
0 ist. Daraus resultiert ein Stillstand der Abtriebswelle bei laufender Antriebswelle.
Die
Entstehung der beiden Antriebamomcnto ist in überraschond einfacher Weise dadurch
gewährleistet, daß das mit dem auf der Abtriebswelle angeordneten Zahnrad kämmende
Ausgleichszahnrad nicht nur um seine eigene Achse, sondern auch um die der Abtriebswelle
drehbar ist. Das Vorgetriebe und zwischengeschaltete Radsätze steuern dio Drehung
des Ausgleichzahnrades um seine eigene Achse derart, daß diese Bewegung im Falle
hoher Drehzahlen der Antriebswelle zu o wird. Dann wird durch die Blo ekierung der
Ausgleichsräder mit dem Zahnrad auf der Abtriebswelle diese durch direkte Übertragungs
von der Antriebswelle mitgenommen0 Hierdurch ist cin Wirkungsgradsteigerung des
automatisehen Getriebes bis in dio Größenordnung der Wirkungsgrade bei herkömmlichen
Schaltgetrieben erreicht.
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Besonders zweckmäßig ist os, wenn erfindungsgemäß zwei Ausgleichs
zahnräder diametral zur Abtriebswelle angeordnet und in einem an der Antriebswelle
befestigten und sich mit dicscr drehenden Halterungskörper drehbar gelagert sind.
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In einfacher Weise ist somit die Möglichkeit gegeben, das oder die
Ausgleichs zahnräder um dio Achse der Abtriebswelle drehend anzutreiben. Der Halterungskörper
kann kompakt und stabil ausgeführt worden, so daß bei entsprechender Auslegung auch
große Zugmaschinon udglo in den Genuß der direkten Kraftübertragung bei hohem Wirkungsgrad
kommen.
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Grundsätzlich ist cs möglich, das neue Zahnradgetriebe mit nur einem
Ausgleichszahnrad zu vsrsohcn. In der Regel wird dann abcr, .insbesondore in Anbetracht
der möglichen hohon
Drehzahlen der Antriebswelle, eine besondere
Aus wuchtung notwendig werden, die grundsätzlich in zufriedonstellender Weise durch
ein Gegenwicht, beispielsweise am Halterungskörper, orrcicht wird. Es ist jedoch
entsprechend der vorgenannten Maßnahmo sohr zweckmäßig, -das von dem Ausgleichzahnrad
zu übertragende Drehmoment durch die Anordnung eines zweiten Ausgleichszahnrades
zu halbieren. Dann wird bei diametraler Anordnung beztiglich der Abtriebswelle durch
die annähernd gleichen Gewichte der Ausgloi chs zahnräd er sowie deren Antriebe
die Auswuchtung von selbst gegeben sein. Selbstverständlich ist es möglich, eine
größere Zahl von Ausgleichszahnrädorn um das an der Abtriebswelle angebrachte Zahnrad
vorzusehen.
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Jo nach der konstrukti-ven Auslegung kann man auch 4, 6, 8 usw. Ausgleichszahnräde
sternförmig enordnen.
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In vorteilhafter Weiterbildung der erfindung ist im Halterungskörper
eine mit dem Ausgleichszahnrad kraftschlilssig verbundene Kegelradwelle drehbar
gelagert, die über oin mit einem Zwischenzahnrad kämmendes Ritzel drehbar ist.
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Duroh diese oinfachc Konstruktion ist einerseits die Kraft-Übertragung
von dem Zwischenzahnrad auf die Ausgleichszahn räder gewährleistet und andererseits
ergibt sich dio oinfache Möglichkeit, das Aggregat der sternförmig angeordneten
Ausgleichszahnräder mit Antriebselementen in dem Halterungskörper so zu befestigen,
daß auch große Drehmomonte zuverlässig und ohne Bruchgefahr von der Antrieb welle
auf die Ausgleichszahnräder übertragen werden können.
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Es ist weiterhin gemäß der Erfidnung günstig, wenn die Längsrichtung
der Zähne dos an der Abtriebswelle angeordneten Zahnrades gegen die Achsrichtung
der Abtriebswelle nur schwach geneigt ist. Dann findet die Drehmomentenübertragung
steht vom Ausgleichszahnrad zur Abtriebselle hin statt, und eine Übertragungsrrichtung
der Bewegung in umgekehrter Richtung ist ausgeschlossen, denn bei einer solchen
Zahnanordnung ist es nicht möglich, bei Drehung der Abtriebswelle die Ausgleichzahnräder
zu drehen, selbst wenn diese ohne wesentliche Belastung währen. Versuche haben gezeigt,
daß die Ausgleichszahnräder um so leichter gedreht werden können, jo größer die
zu übertragende Kraft ist.
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Es ist des ferncren gemäß der Erfindung sehr zweckmäßig, wenn eine
Nebenwelle an der Abtriebsseite des Vorgetriebes über einen zusätzlichen Zahnrädersatz
vermittels einer automatisch lösbaren Kupplung kraftschlüssig mit der Antriebswelle
verbunden ist, Diese Maßnahmen gestatten eine sehr genaue Einstellung des Ubersetzungsverhältnisses
zwisehen Antriebswelle und Nebenwelle, , doh, innerhalb des Vorgetriebes, Diese
genaue Einstellung kann dann besonders wichtig werden, wenn das Vorgetriebe stufenlos
ist, Das stufenlose Vorgetriebe kann erfindungsgemäß ein Keilriemengetriebe, Reibringgetriebe
oder ein Übertragungsmittel über Kegelräder oder Kegelscheiben aufweisen. Für den
Fall des mehrstufigen Vorgetriebes ist dieses erfindungsgemäß als ein Vielganggetreibe
mit mehreren Radsützen ausgebildet. Für das genannte Vorgetriebe könen also die
berei
bekannten Getriebeeinheiten verwendet werden, wobei die Verstellung
über ebenfalls bekannte Maschinenelemente, z.B. Fliehkraftregler usw., erfolgt.
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Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, wenn das Zwischenzahnrad
zusammen mit einem Antriebszahnrad an einer lose auf der Antriebswelle angeordneten
Hülse befestigt ist. Bei einem solchen Aufbau des Getriebes kann platzsparend konstruiert
werden, wobei dio Antriebswelle in günstiger Weise mehrere Funktionen, d.h. die
Halterung mehrerer L'lemente gleichzeitig ausfiihrell kann. So tragt die Antriebswelle
einerseits das stufenlose oder mehrstufige Vorgetriebet den zusätzlichen Radsatz
mit der Kupplung für den Leerlauf, die Kraftübertragungsmittel des Antriebs- und
Zwischenzahnrades und schließlich -angeflanscht oder angeschweißt - den Halterungskörper.
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Ersichtlich wird durch diese geschachtelte Bauweise das erfindungsgemäße
Getriebe sehr raumsparend.
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Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß der Antrieb von der Antriebswelle einerseits über ein'Vorgetriebe, das Antriobszahnrad,
das Zwischenzahnrad1 das Ritzel und andererseits über den Halterungskörper auf das
Ausgleichs zahnrad und das Znlmrad an der Antriebswelle erfolgt. Der Weg der Kraftfibertragung
ist kurz und klar, und die Verzweigung der Drehmomentenübertragung ist mit einfachsten
Mitteln auf engem Raume zuverlässig gewährleistet. Ein derart aufgebautes, stufenloses
Getreibe ist nahezu wertungsfrei und leicht
zu reparieren.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist erfindungsgemäß
das Übersetzungsverhältnis zwischen dem auf der Nebenwelle angeordneten Zahnrad
und dem Antriebszahnrad 1 F 1.
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Ferner ist erfindungsgemäß das Übersetzungsverhältnis zwischen dem
Zwischenzahnrad und dem Ritzel 1X2 und in weiterer Ausbildung der Brfindung zwischen
dem Ausgleichszahnrad und dem Zahnrad an der Abtriebswelle 211o Das mit den vorgenannten
Merkmalen ausgebildete stufenlose Getriebe kann unabhängig von der Verwendung eines
stufenlosen oder mehrstufigen Getriebes als Vorgetriebe ohne Kupplung angefahren
werden, weist einen einwandfreien Leerlauf auf 1 gestattet eine Blockierung der
Ausgleichszahnräder um ihre eigene Achse und somit eine Mitnahme der Abtriebswelle
durch direkte Übertragung von der Antriebswelle her.
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Alle treibenden Zahnräder und Wellen verlangsamen vom Anfahren an
ihre Drehzahl bis zum Stillstand bei der direkten Übertragung. Wird im Vorgetriebe
ein Keilscheiben aufweisend. stufenloses Getriebe verwendete so wird als Leerlaufverbesserung
durch den Rädersatz und die Kupplung an der Nebenwelle die den Antrieb auf die Nebenwelle
übermittelnde Keilscheibe auf der Abtriebsseite kraftschlüssig durch die automatisch
lösbare Kupplung mit der Antriebsseite, d.h.
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der Antriebswelle1 verbunden so daß ein exaktes Drehzahlverhältnis
innerhalb des Vorgetriebes gegeben ist und die Differenz der auf die Abtriebswelle
übertragenen Drehmomente wirklich 0 ist. Beim Anfahren, d.h. Erhöhen der Drehzahl,
der
Antriebswelle, rastet die vorgenannte Kupplung aus und gibt die Keilscheibe wieder
frei. Dann arbeitet das Vorgetriebe mit stufenlosem Getriebe.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung im Zusammenahng mit der einzigen
Zeichnung.
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Die Antriebswelle 1 und die Abtriebswelle 14 haben eine gemeinsame
Achse. Um diese gemeinsame Achse werden die übrigen Elemente raumsparend herumgebaut.
In das auf der Abtriebswelle 14 befestigte Zahnrad 15 greifen die Ausgleichszahnräder
13 ein. Mit diesen sind die Kegelräder 16 fest verbunden. Die Kegelgegenräder 17
skid zusammen mit den Ritzeln 11 fest auf den Kegelradwellen 12 angeordnet. In der
Figur sind symmetrisch die gleichen Elemente mit 11' bis 132 sowie 16' und 171 bezeichnet.
Bei dem oberen Aussich gleiohszahnrad 13 befindedie Kegelzahnräder 16 und 17', die
Welle 12 und das Ritzel 11 auf der anderen Seite des Ausgleichszahnrades 13', damit
eine noch bessere Auswuohtung gegeben ist.
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Die Zahnräder 13,16117 und 11 sowie die Welle 12 sind in dem Halterungskörper
20 drehbar angebracht, der seinerseits an der Antriebswelle 1 durch Schweißen oder
Sohrauben fest verbunden ist. Bei der Drehung der Antriebswelle 1 dreht sich somit
der Halterungskörper 20 mit gleioher Drehzahl; mit ihm die vorgenannten Zahnräder,
namentlich die Ausgleiohszahnräder 13 und 13'. Es versteht sich, daß diese außerdem
roch um ihre eigene Achse drehbar sind0
Das Antriebszahnrad 19
und das ,Zwischenzahnrad 18 sind fest mlteinander und nit einer lose auf der Äntr,.iebs
welle 1 gelagerten Hülse 21 verbunden, Das Anttriebszahnrad 19 wird über ein Zahnrad
10 von einem Zahnrad 9 angetrieben, das auf der Nebenwelle 4 sitzt. Diese ist in
dem Getriebegehäuse 22 gelagert.
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Die stufenlose Regelung erfolgt über das Keilriemengetriebe 8, das
abtriebsseitig zwei Keilscheiben auf der Nebenwelle 4 und antriebsseitig zwei Keilscheiben
auf der Antriebswelle 1 aufweist. Durch Fliehkraftsregler oder dgl. können die Keilscheiben
verstellt werden.
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Die Nebenwelle 4 wird also von der Antriebswelle 1 über die Keilscheiben
8 angetrieben und treibt ihrerseits über die Zahnräder 9 und 10 das lose Zahnräderpaar
18, 19. Es ist oben erwähnt, daß das Zwischenzahnrad 18 über die Ritzel 11 und Kegelradwellen
12 die Ausgleichszahnräder 13 antreibt.
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Auf der Abtriebswelle 14 ist das schrauben- oder schneckenverzahnte
Zahnrad 15 angeordnet. Deren Zähne laufen etwa in Längsrichtung zur Abtriebswelle
14 während die Zähne der Ausgleichszahnräder 13 quer verlaufen Hierdurch können
die Ausgleichszahnräder 13 das Zahnrad 15 leicht drehen, besonders dadurch, daß
die Drehung im ablaufenden Sinne erfolgt.
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Dagegen kann das Zahnrad 15 die Ausgleichszahnräder 13 nicht antreiben,
Um einen einwandfreien Leerlauf herbeizuführen, ist im Falle
der
Verwendung eines stufenlosen Gctriebes eine sehr genaue Eis tellung der Keilscheiben
zueinander nötig. Um hier Unsicherheiten und mögliche Fehler auszuschalten, ist
auf der Antriebswelle 1 und der Nebenwelle 4 ein zusätzlicher Rädersatz 2, 3, 5
angeordnet. Das Zahnrad 2 sitzt fest auf der Antriebswelle 1 und treibt über das
Zwischenrad 3 das Zahnrad 5 auf der Nebenwelle 4 an. Das Zahnrad 5 ist auf der Nebenwelle
4 lose angeordnet und mit der Keilscheibe 7 durch eine Kupplung 6 verbunden. Diese
ist dann geschlossen, d,h. das Zahnrad 5 ist dann mit der Keilscheibe 7 fest verbunden,
wenn die Keilschalbenpaare 8 in Stellung Leerlauf stehen. Beim anfahren wird die
Kupplung 6 durch das Abrücken der Keilscheibe 7 automatisch gelöst.
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Der Betrieb des erfindungsgemäßen Zahnradgetriebes ist folgender Bei
hoher Drehzahl der Antriebswelle 1 ist durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen in
vorteilhafter Weise der Fall der direkten Übertragung gegeben. Dann stehen die Seilscheiben
8 soF daß die Übersetzung 1s1 beträgt. Damit dreht sich das Räderpaar 19, 18 mit
gleicher Drehzahl wie die Antriebswelle 1. Die Hülse 21 steht also auf der Antriebswelle
still und dreht sich mit dieser in gleicher Itichtung und gleichem Betrag um. Das
geiche gilt für den Halterungskörper 20, der auf der Antriebswelle 1 fest angebracht
ist. hierdurch stehen alle im Halterungskörper 20 angeordneten Zahnräder 11,13,16,17
sowie die Welle 12 gleiciiermaßen auf der Antriebswelle 1 still und laufen mit dieser
um. Hierdurcll ist lceiiic Abwälz- oder Abrollbewegung der Ritzel 11 auf dem
Zwischenzahnrad
18 möglich, so daß ersichtlich die Drehzahl der Ausgleichszahnräder 13, 13' um ihre
eigene Achse 0 ist.
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Dies bedeutet, daß das auf der Abtriebswelle 14 angebrachte Zahnrad
15 blockiert und über den lIalterungskörper 20 mit der gleichen Drehzahl wie die
Antriebswelle 1 mitgenommen wird. Die Übertragung ist direkt.
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Bei niedriger Drehzahl der Antriebswelle 1 ist der Fall des Leerlaufes
gegeben. Dann stehen die Keilscheiben 8 so, daß das Übersetzungsverhältnis zwischen
den beiden Paaren 2a1 ist. Dann dreht sich das Räderpaar 19,18 doppelt so schnell
wie Antriebswelle 1, und die Ausgleichszahnräder 13 drehen sich viermal so schnell-wie
die Antriebswelle. Die Ausgleichszahnräder 13 umlaufen das Zahnrad d 15 auf der
Abtriebswelle 14 infolge der Drehung des Halterungskörpers 20. Die Einstellung der
Übersetzungsverhältnisse zwischen Zahnrad 15 und Ausgleichszahnrädern 13, 13' ist
nun so gewählt, daß bei den vorgenannten Ubersetzungsverhältnissen die Differenz
der übertragenen Drehmomente O ist, d.ho die Abtriebswelle 14 stillsteht.
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Mit anderen Worten ist die aus der Drehung des Ausgleichszahnrades
13 um seine eigene Achse resultierende Kraftkomponente entgegengesetzt gleich der
sich dadurch ergebenden Kraftkomponente, daß das Ausgleichszahnrad 13 um die Achse
der Abtriebswelle 14 umläuft. Es findet somit eine Kompensation der Kraftkomponenten
statt, die auf die Abtriebswelle wirken. Die Stillstehung der Abtriebswelle in diesem
Fall bedeutet aber nichts anderes als der vorteilhafte einwandfreie Leerlauf.
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Bei Antrebsdrehzahlen zwischen direkter Übertragung und Leerlauf wirken
die vorgenannten Kraftkomponenten entsprechend teilweise gegeneinander, so daß sich
stets eine gewisse Differenz ergibt. Dies läßt sich besonders klar am Beispiel des
Anfahrens eines Kraftfahrzeuges erläutern: - Wenn der Xraftfahrzeugmotor durch Gasgeben
die Anfahrdrehzahl erreicht hat, dann werden die Keilscheibenpaare 8 durch den Fliehkraftregler
im Übersetzungsverhältnis zueinandor dahingehend verstellt, daß die Nebenwelle 4
langsamer wird und damit auch die Zahnräder 9,10,19,18,17 und 13 langsamer drehen.
Wird nun die Drehung der Ausgleichszahnräder 13 immer langsamer, dann rollen sie
sich wahrend einer Umdrehung des Halterungskörpers 20 nicht mehr voll auf dem Zahnrad
15 der Abtriebswelle 14 ab, und letztere wird um die sich ergebende Differenz der
verbleibenden Drehkraftkomponente mitgenommen.
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Bei zunehmender Motordrehzahl und weiterer Verstellung der Keilscheibenpaare
durch den Regler verlangsamen die Ausgleichzahnräder 13 ihre Drehung weiter, bis
durch Stillstand der Ausgleichzahnräder 13 die direkte Übertragung hergestellt ist.