DE2224771C3 - Stufenlos drehzahlveränderbares Getriebe - Google Patents

Description

Es sind aus Planelengetrieben aufgebaute Überlagerungsgetriebe bekannt (Zeitschrift: »Antriebstechnik« 6, 1967, Nr. 12, Seiten 432-440), bei denen eine Leistungsverzweigung zwischen dem mechanischen Planetengetriebe und einem weiteren regelbaren Getriebe vorgenommen ist, welches aus zwei hydraulischen Axialkolbeneinheiten besteht. Entsprechend den Betriebszuständen wird die eine Axialkolbeneinheit als Pumpe und die andere als Motor betrieben, so daß entweder antriebsseitig Leistung zurückgewonnen wird, die abtriebsseitig von der als Pumpe betriebenen Axialkolbeneinheit stammt, oder die Leistung wird antriebsseitig aufgeteilt und abtriebsseitig überlagert, wobei noch der Betriebsfall ohne Leistungsübertragung im hydraulischen Zweig vorkommt. Wenn der Betriebsbereich des stufenlos drehzahlverbänderbaren Getriebes durchfahren wird, wird eine erhebliche hydrostatische Leistung benötigt, die maximal ebenso groß ist wie die mechanische Leistung. Wenn der hydraulische Zweig als Steuerzweig aufgefaßt wird, dann wird gegebenenfalls eine erhebliche Steuerleistung benötigt.

die mit der Breite des Arbeitsbereichs des Getriebes zunimmt.

Ein stufenlos drehzahlveränderbares Getriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 i.,t aus der schweizerischen Patentschrift 3 56 329 bekannt, wobei das Eingangsgetriebe und das Steuergetriebe gleichartig ausgebildet sind und parallel zueinander liegen und durch das Verbindungsgetriebe mit dem Abtrieb verknüpft werden. Bei weitgehend symmetrischem Aufbau kann die Ausgangsdrehzahl durch das Steuergetriebe nicht beeinflußt werden, wird jedoch das Getriebe unsymmetrisch ausgebildet, dann wird eine um so höhere Steuerleistung benötigt, je größer der Betriebsbereich ist

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erforderliche Steuerleistung gering zu halten.

Die gestellte Aufgabe wird bei einem oberbegrifflichen Getriebe durch die kennzeichnenden Maßnahmen des Anspruchs 1 gelöst und durch die weiteren z.T. für sich bekannten Maßnahmen der Unteransprüche ausgestaltet und weitergebildet.

Bei dem stufenlos drehzahlveränderbaren Getriebe gemäß Erfindung wird der größte Teil der Leistung auf kurzem Wege in dem Eingangsgetriebe von der Antriebswelle auf die Abtriebswelle übertragen, wobei das für Planetengetriebe notwendige Stütz- oder Reaktionsmoment von dem Elektromotor stammt und mit hoher Übersetzung durch das Steuergetriebe mittels des Verbindungsgetriebes in das Eingangsgetriebe eingeleitet wird. Die Leistung des Steuerzweiges im Verhältnis zur gesamten übertragenen Leistung ist dabei gering, beispielsweise in der Größenordnung von 1 Prozent der von der Antriebswelle auf die Abtriebswelle zu übertragenden Leistung.

Eine weitere Besonderheit bei dem stufenlos drehzahlveränderbaren Getriebe gemäß Erfindung ist das Merkmal, daß die Bewegung der Abtriebswelle der Umdrehung des Steuergetriebes folgt, beispielsweise im Verhältnis 1:1, was durch besondere Wahl der Übersetzungsverhältnisse in dem Getriebe erreicht werden kann. Die Größe des Abstütz- oder Reaktionsmoments in dem Eingangsgetriebe hängt natürlich von der Größe des Lastmoments an der Abtriebswelle ab, und, da das Reaktionsmoment nach Übersetzung durch das Steuergetriebe letztlich von dem Elektromotor aufgebracht werden muß, hängt das Verhalten des Getriebes sehr stark davon ab, wie der Elektromotor beschaffen ist und betrieben wird.

Durch Anwendung des Prinzips der Leistungsverzweigung in einen mechanischen Zweig (Größenordnung 99%) und einen elektrischen Zweig (Größenordnung 1%) läßt sich das stutenlos drehzahlveränderbare Getriebe zu einem automatischen Getriebs in dem Sinne ausgestalten, daß die Drehzahl der Abtriebswelle von der Antriebsdrehzahl und dem Lastmoinent abhängt, wie es beispielsweise bei der Anwendung in Kraftfahrzeugen gefordert wird. Für andere Anwendungen kann dafür gesorgt werden, daß der Elektromotor mit einer bestimmten Drehzahl umläuft, wonach die Abtriebswelle dieser Drehzahl folgt, wobei natürlich dafür zu sorgen ist, daß eine entsprechende Antriebsleistung zur Verfügung gestellt wird.

Die gute Steuerbarkeit des Elektromotors läßt sich auch dahingehend ausnutzen, mit der Abtriebswelle einen bestimmten Zug auszuüben, wie dies bei Wickeltrommeln erforderlich ist.

Nachfolgend werden drei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine erste Ausführungsform.
Fig.2 ein Drehzahl-Drehmoment-Diagramm eines bevorzugt verwendeten Elektromotors,

F i g. 3 ein Übersetzungs-Drehzahl-Diagramm gewisser Elemente des Getriebes nach Fig. 1,

Fig.4 ein Drehzahl-Leistungs- bzw. Drehmoment-Diagramm des Elektromotors des Getriebes nach Fig. 1,
F i g. 5 eine zweite Ausführungsform des Getriebes,

Fig.6 eine Einzelheit des Getriebes bei der Anwendung in einem Kraftfahrzeug,

Fi g. 7 ein Übersetzungs-Drehzahl-Diagramm gewisser Elemente des Getriebes nach F i g. 5,
Fig.8 ein Drehzahl-Drehmoment-Diagramm des Elektromotors des Getriebes nach F i g. 5 und

F ι g. 9 eine dritte Ausführungsform als Variante der zweiten Ausführungsform.

In F i g. 1 ist die erste Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das Getriebe enthält grundsätzlich ein Eingangsplanetengetriebe I, ein Steuerplanetengetriebe Il und ein Verbindungsplanetengetriebe 111, ferner ist noch ein Drehrichtungsumkehrgetriebe IV vorgeschaltet. Dieses verbindet eine Eingangswelle 31 mit einer Hauptantriebswelle 34, und zwar über eine Zahnradpaarung 32/33 und eine Magnetkupplung 35 (Vorwärtsgang) oder über Zahnradpaarungen 32/36/37 und eine Magnetkupplung 38 (Rückwärtsgang), je nachdem, welche Magnetkupplung wirksam gemacht ist. Über eine Zahnradpaarung 37/39 wird ein Wechselstromgenerator 40 angetrieben, der einen elektrischen Steuermotor 61 speist. Die Magnetkupplungen 35 und 38 können beide mit Hilfe von Sperrfedern so im Eingriff gehalten werden, daß eine »Parksperre« des Fahrzeugs möglich ist, die durch Erregung des entsprechenden Elektromagneten bei Bedarf gelöst wird.

Auf der Hauptantriebswelle 34 des Getriebes sitzt ein inneres Zentralrad 41 des Eingangs-Planetengetriebes I, das über Planetenräder 47 mit einem äußeren Zentralrad 42 in Verbindung steht. Dieses ist formschlüssig mit einem Zahnrad 43 verbunden, das mit einem Zahnrad 44 einer Abtriebswelle 45 in Eingriff steht und diese antreibt. Ein Zahnrad 46 stellt gleichzeitig den Planetenträger 46 des Eingangsgetriebes I dar und kämmt mit einem Zahnrad 48, das frei auf der Welle 45 sitzt, und formschlüssig mit einem äußeren Zentralrad 49 des Verbindungsgetriebes III verbunden ist, dessen Planetenträger 50 seinerseits fest mit der Abtriebswelle 45 verbunden ist.

Der Planetenträger 46 des Eingangsgetriebes I ist über eine Hohlwelle 5t, die konzentrisch zur Abtriebswelle 34 ist, mit einem Zahnrad 52 verbunden, welches mit einem Zahnrad 53 in Eingriff steht, das formschlüssig mit einem kleinen inneren Zentralrad 54 auf der Eingangsseite des Steuergetriebes Il verbunden ist. Auf diese Weise werden ein Element (48, 49) des Verbindungsgetriebes III und ein Element (53, 54) des Steuergetriebes Il vom Planetenträger 46 des Eingangsgetriebes I angetrieben, dessen Drehzahl von dem an der Abtriebswelle 45 aufgebrachten Widerstandsmoment abhängt und das mit der Abtriebswelle 45 über ein äußeres Zentralrad 42 und Zahnräder 43, 44 verbunden ist.

Das kleine innere Zentralrad 54 des Steuergetriebes Il steht mit großen Planetenrädern 56 eines außenverzahnten Planetenträgers 55 in Eingriff. Kleine Planetenräder 57 dieses Planetenträgers 55 kämmen mit einem großen inneren Zentralrad 58 auf der Ausgangs-

seite des Steuergetriebes II. Das Zentralrad 58 ist einstückig zu einem Zentralrad 59 des Verbindungsgetriebes Nl ausgebildet. Die Außenverzahnung des Planetenträgers 55 steht mit einem Zahnrad 60 in Eingriff, das fest auf der Welle eines elektrischen Steuermotors 61 sitzt. Dieser wird von dem Wechselstromgenerator 40 gespeist und ist als Asynchrondrehfeldmotor mit Doppelkäfig ausgeführt.

Ausgehend vom elektrischen Steuermotor 61 bietet das Steuergetriebe Il ein hohes Übersetzungsverhältnis des Drehmoments dieses Steuermotors, welches als verstärktes Reaktionsmoment zur Verfügung gestellt wird auch dann, wenn, wie beim Start, die Leistung des Motors noch klein ist.

Der Wechselstromgenerator 40 und der asynchrone Steuermotor 61, die in den meisten Fällen von den elektrischen Stromkreisen des Fahrzeugs vollständig unabhängig sind, sind für sehr niedrige Spannung in der Größenordnung von 1 bis 5 Volt ausgelegt; durch diese Wahl können die Statorwicklungen der beiden Maschinen als Aluminiumstäbe ausgeführt werden, die unter Umständen in die geschlossenen Nuten der Magnetbleche dieser Ständer eingepreßt werden können, wobei sich eine ausreichende Isolierung zwischen den AIuminiumstäben und den Blechen durch Oxydation oder Phosphatierung der mit den Aluminiumstäber. in Berührung stehenden Nutoberflächen erzielen läßt.

Wie oben erläutert, benutzt man bei dieser ersten Ausführungsform einen Steuermotor, der ein Reaktionsmoment abgibt, welches bei allen gegenüber dem Drehfeld positiven und negativen Rotordrehzahlen im wesentlichen konstant ist, indem man einen Asynchronmotor mit Doppelkäfigläufer verwendet, wobei der Widerstand des Außenkäfigs 3- bis 4mal größer als der des Innenkäfigs ist. In Fig. 2 stellt die Kurve 62 die Drehmomentänderung eines Asynchronmotors dar, die vom Außenkäfig herrührt, während Kurve 63 die Änderungen des Drehmoments darstellt, die vom Innenkäfig herrühren. Bei nur geringen Drehzahlen des Drehfeldes schließt sich dieses Feld fast ausschließlich durch den Außenkäfig, der den größten Anteil am Motordrehmoment erzeugt und eine Abschirmung bildet, die die Erzeugung von Induktionsströmen im Innenkäfig verhindert. Bei steigender Drehzahl dagegen erreicht das Magnetfeld immer mehr den Innenkäfig, dessen Drehmoment wächst, während das Drehfeld des Außenkäfigs kleiner wird. Die Summe der Drehmomente 62 und 63 liefert also das resultierende Drehmoment 64, dessen Wert zu beiden Seiten der Rotordrehzahl 0 merklich konstant ist.

Wenn man den Wirkungsgrad der Getriebe vernachlässigt, unterliegen in einem beliebigen Planetengetriebe, bestehend aus den drei Elementen A, B und C die Momente M sowie die Winkelgeschwindigkeiten w dieser drei Elemente der folgenden Beziehung:

MaWa + MbWb + McWc = 0

Führt man in diese Gleichung die durch Reibung verschiedenen Ursprungs verlorengegangene Leistung Pr ein, dann erhalten wir:

MaWa + MbWb + M_cw_c +Pr=O.

Bekanntlich besitzt eine Zahnradübersetzung guter Qualität einen Grundwirkungsgrad in der Größenordnung von 98%. Eine Planetengetriebepaarung besitzt einen Gesamtwirkungsgrad, der über diesem Grundwirkungsgrad liegt und in der Größenordnung von 99% liegt. Bei einer Paarung mit äußerem Zentralrad können die auf die Achsen der Planetenräder wirkenden Zentrifugalkräfte als Slörkräfte vernachlässigt werden. Bei einer »geraden« Übersetzung dagegen, wie diese im Getriebe II vorkommt, das zum Beispiel eine Übersetzung von K = 15 besitzt, erhält man einen Wirkungsgrad von 98%, wenn der Planetenträger 55 antreibt und die Zentralräder angetrieben werden, aber einen Wirkungsgrad in der Größenordnung von 30%, wenn eines der Planetenräder antreibendes Element ist,

ίο während das andere Planetenrad festgehalten und der Planetenträger angetriebenes Element ist. Wenn die Drehzahl des angetriebenen Planetenträgers ansteigt, sinkt der Wirkungsgrad außerdem auf Grund der auf die Achsen der Planetenräder wirkenden Fliehkräfte noch

!5 weiter ab und wird schließlich Null, d. h. es wird der Irreversibilitätspunkt des Getriebes bei einer bestimmten Drehzahl erreicht.

Wenn beim Anlaufen des Getriebes noch gewisse Teile still stehen, genügen die Drehmomente des Zentralrades 58 und des Planetenträgers 55 der folgenden Gleichung:

M₅₅ = M₅₈- K- r

Hierbei ist K das Übersetzungsverhältnis und r der Gesamtwirkungsgrad des Getriebes. Wenn der Wirkungsgrad r= 0,3 und K = 15 sind, muß das bei dem Zentralrad 58 aufgebrachte Drehmoment zum Ausgleich des durch den elektrischen Steuermotor 61 auf den Planetenträger 55 aufgebrachten Drehmoments nicht mehr 15mal sondern 15 χ 3,33 = 50mal größer sein als das auf den Planetenträger 55 aufgebrachte Drehmoment. Diese Verstärkung des Drehmoments steigt jedoch noch schneller mit der steigenden Drehzahl des Planetenträgers und wird bei einer Drehzahl unendlich, die in Abhängigkeit von der Konstruktion des Getriebes ermittelt werden kann.

Diese Situation bleibt bis zu dem Augenblick bestehen, an dem die Elemente 55 und 58 des Steuergetriebes Il mit nahezu gleicher Drehzahl laufen; dieser Fall liegt vor, wenn die angetriebene Welle 45 selbst mit einer ähnlichen Drehzahl wie die treibende Welle 34 rotiert.

Dadurch wird verständlich, daß das Reaktionsmoment, weiches vom Elektromotor 61 mit Hilfe des Steuergetriebes Il auf das Gesamtgetriebe übertragen wird, und somit auch die Drehzahl der Abtriebswelle 45, vom Widerstandsmoment der Abtriebswelle abhängig sind. Wenn das Widerstandsmoment noch weiter abfallen würde, könnte der Planetenträger 55 des Steuergetriebes II zum antreibenden Element werden, seine Drehzahl wäre höher als die des Zentralrads 54 und wir wären im Betriebsbereich des »Überdrehens« mit einem Wirkungsgrad der Verzahnung, der bei maximal 0,8 liegt, und das Drehmomentsverhältnis wäre 15 χ 0,8 = 12 (das so beschriebene Getriebe wurde jedoch nicht für den Gebrauch vorgesehen).

Das Diagramm in Fig.3 stellt in Abhängigkeit vor der Obersetzung zwischen den Elementen des Getrie bes (Abszissenabstand) die Drehzahlen dieser Elemente

dar. Wegen des Drehrichtungsumkehrgetriebes I\ entspricht die Drehzahl des Elements 34 bzw. 41 dei halben Drehzahl des Hauptmotors von z. B. 5000 U/min Die entsprechenden Diagramme der anderen Betriebs bereiche des Motors lassen sich durch Homothetie von f>5 dargestellten Diagramm ableiten. (Nähere Einzelheiter s. »Les Trains Epicycloidaux« von Paul Ravigneau Publikation durch das Cetre de Documentatior Universitaire, Paris 1944—1946.) Es ist auch festzustel

len, daß auf Grund der Auslegung des Eingangsgetriebes I die Drehzahl des Zentralrades 42 und auch die des Zentralrades 54 des Steuergetriebes Il von der Drehzahl des elektrischen Steuermotors 61 abhängig sind, die ihrerseits von dem auf die Welle 45 aufgebrachten Widerstandsmoment abhängt. Unter diesen Bedingungen kann die Drehzahl der abgetriebenen Welle 45 für jede Betriebsweise des Hauptmotors den ganzen Drehzahlbereich von 0 bis zu der Drehzahl der Welle 34 durchlaufen.

Im gewählten Beispiel besitzt der Motor bei 5000 U/min ein maximales Drehmoment von 12 m ■ kp und das Diagramm zeigt die an den Elementen der drei Getriebe I, II und 111 verfügbaren Drehzahlen und errechneten Drehmomente.

F i g. 4 zeigt in Abhängigkeit von der Drehzahl auf der linken Seite die Kennwerte von Motordrehmoment und -leistung des Steuermotors 61 und auf der rechten Seite die Kennwerte der Bremsleistung, die dann entwickelt wird, wenn der Hauptmotor selbst als Bremse wirkt und der Elektromotor mit einer Drehzahl angetrieben wird, die über seiner im gewählten Beispiel mit 8000 U/min angenommenen Synchrondrehzahl liegt.

Aus F i g. 3, 4 ergibt sich, daß bei einer Drehzahl der Abtriebswelle 45 (= der des Planetenträgers 50) von 5000 U/min der Motor 61 mit einer ähnlichen Drehzahl von 5700 U/min läuft und dabei eine Leistung von nur 450 Watt entwickelt, und zwar bei einer übertragenen Gesamtleistung von 60 kW.

Beim Anlassen (Drehzahl der Abtriebswelle 45 ist gleich Null) steht am Element 50 (44, 45) ein Drehmoment von 107 m ■ kp zur Verfügung. In diesem Augenblick wird der elektrische Steuermotor 61 gemäß Fig. 3 rechts unten mit einer inversen Drehzahl von 24 500 U/min angeworfen. Diese (theoretische) Drehzahl nimmt in dem Maße ab, wie die tatsächliche Drehzahl der Abtriebswelle 45 ansteigt, erreicht Null und ändert ihr Vorzeichen, und erreicht schließlich die Synchrondrehzahl der Wellen 34 und 45, bei der das an der Abtriebswelle 45 verfügbare Drehmoment 12 m ■ kp beträgt.

Das Anlaßdrehmoment von 107 m · kp entspricht einem Übersetzungsverhältnis von 9, wenn das Fahrzeug dazu neigt, den Hauptmotor anzutreiben und dieser es bremsen muß. In diesem Moment wird der elektrische Steuermotor 61 entgegen seinem Drehfeld mit einer Drehzahl angeworfen, die über seiner Synchrondrehzahl liegt, und er gibt eine Bremsleistung ab, die durch den oberen Teil der Kurve dargestellt wird, während der untere Teil die Kurve des negativen Drehmoments angibt.

In der Ausführungsform nach Fig.5 treibt eine Antriebswelle 65 über ein Eingangsrad 66 ein äußeres Zentralrad 67 des Eingangsgetriebes I an. Das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Eingangsrad 66 und dem äußeren Zentralrad 67 legt das maximale Untersetzungsverhältnis des Getriebes fest, das im beschriebenen Beispiel vier beträgt

Ein großes inneres Zentralrad 69 des Eingangsgetriebes I ist mit einer Abtriebswelle 68 verbunden. Ein kleines inneres Zentralrad 70 des Eingangsgetriebes ist mit einem äußeren Zentralrad 71 des Verbmdungsgetriebes HI verbunden. Das kleine innere Zentralrad 70 steht außerdem mit einem großen Planetenrad 72 in Eingriff, das mit einem kleinen Planetenrad 73 drehfest verbunden· ist Ein zugehöriger Planetenträger 74 ist außerdem mit einem äußeren Zentralrad 75 des Steuergetriebes II verbunden. Ein weiteres äußeres Zentralrad 76 des Getriebes Il besitzt in jedem Falle einen Zahn mehr als das Zentralrad 75. Die für eines der Hohlräder gewählte Zähnezahl liegt immer über 100, was immer ein Übersetzungsverhältnis der Konstruktion von > 100 zuläßt, das jedoch vorteilhafterweise zwischen 100 und 150 liegen soll. Es ist auf eine angemessene Korrektur der Verzahnungen zu achten, weil die Zentralräder 75 und 76 einen Zähneunterschied von einem Zahn aufweisen, während die Planetenräder 77 und 77' die gleiche Zähnezahl haben. Die Anzahl der Zähne der Zentralräder 75 und 76 wird in Abhängigkeit des Drehmoments festgelegt, das man für den elektrischen Steuermotor erreichen möchte, wobei die Übersetzung dieses Drehmoments durch den Rädersatz 75-76-77 zu berücksichtigen ist.

Ein zugehöriger, verzahnter Planetenträger 78 kämmt mit einem Rad 79, das mit einem Steuer-Asynchronmotor 80 verbunden ist. Mit Hilfe einer Kupplungsscheibe 82, die mit einer Feder 83 und einem Elektromagneten 84 ein- und ausgedrückt wird, wird das Zentralrad 76 formschlüssig entweder direkt mit einem inneren Zentralrad 81 des Verbindungsgetriebes III oder — falls ein festes Übersetzungsverhältnis des Rückwärtsganges gewünscht wird — mit einem Festpunkt (dem Elektromagneten 84) verbunden. Ein Planetenträger 85 ist formschlüssig mit der Abtriebswelle 68 verbunden und trägt Planetenräder 86, die mit den Zentralrädern 71, 81 kämmen. Ein Wechselstromgenerator 87, mit dem das Getriebe ausgerüstet werden kann, wird über ein Rad 88 vom Zentralrad 67 angetrieben.

Fig. 7 zeigt das Übersetzungs-Drehzahldiagramm des Getriebes für die Elemente 67, 69, 70, 72, 73 und 74. Das Gesamtübersetzungsverhältnis des Getriebes ergibt sich aus dem Produkt der beiden Ausdrücke »Übersetzungsverhältnis der Räder 66 und 67« mal dem »Verhältnis aus Ausgangsdrehzahl bei maximalem Schnellgang der Abtriebswelle 68 zu Eingangsdrehzahl der Welle 65«.

Bei dem Diagramm nach F i g. 7 sind Elemente mit festem Übersetzungsverhältnis auf der gleichen Ordinate eingezeichnet, z. B. 66 und 67.1, Il und III bezieht sich auf die Teilgetriebe I, II, III. Für II würde wegen des hohen Übersetzungsverhältnisses sehr viel Platz benötigt werden, deshalb wurde eine Verkürzung mit gezackter Linienführung angedeutet. Es muß noch beachtet werden, daß durch dieses hohe Übersetzungsverhältnis die Irreversibilität dieses Steuergetriebes Il verursacht wird, und zwar unabhängig von praktisch erreichbaren Wirkungsgrad der Zahnräder. Durch theoretische Berechnung ergibt sich, daß bei einem Wirkungsgrad der Verzahnung von 0,98 das Getriebe bereits dann nicht umkehrbar ist, wenn das Übersetzungsverhältnis 50 beträgt Die Zentralräder 75 und 76 können nur mit relativer Drehbewegung zueinander angetrieben werden, wenn sich das Element 77 gleichzeitig nicht dreht Jede andere Bedingung führt auf Grund dieser Irreversibilität zu einem gesperrten System. Dagegen kann der Planetenträger 77 bei einem sehr hohen Wirkungsgrad mit beliebiger Drehzahl rotieren. Die sehr geringen Kräfte, denen er unter der Einwirkung des Drehmoments des elektrischen Steuermotors ausgesetzt ist gestatten es, die hohen Gleichgewichtskräfte von Getriebe I als Kraft und Reaktions-

f>5 kraft auf die beiden Zentralräder 75 und 76 zu übertragen, und zwar im gesamten Drehzahlbereich des Planetenträgers.
Die drehfeste Verbindung zwischen den Zentral-

rädern 70 und 71 drückt sich im Diagramm nach F i g. 7 durch die horizontale Gerade aus, welche die Punkte 70 und 71 verbindet. Diese kann sich in vertikaler Richtung nur parallel zur Achse x-x' verschieben. Durch geschickte Bemessung der Elemente des Getriebes ist es ferner gelungen, den Elementen 68/69/85 einerseits und 77 andererseits gleiche Drehzahlen zuzuweisen. Es sind drei Betriebszustände dargestellt:

1. Eine mit unterbrochenen Linien dargestellte Kennlinie, bei der die Drehzahl der Elemente 69/85/68 (Abtriebswelle 68) Null ist. Wie bereits beschrieben, ist dabei die Drehzahl des an den Steuermotor angeschlossenen Planetenträgers 77 Null, und ob an der Abtriebswelle 68 ein Drehmoment erscheint, hängt davon ab, ob der Steuermotor 80 ein Drehmoment abgibt oder nicht.

2. Eine mit strichpunktierten Linien dargestellte Kennlinie, bei der die Abtriebswelle 68 mit einer Drehzahl läuft, welche der Eingangsdrehzahl des Elements 67, d. h. einem Untersetzungsverhältnis von !/4 gegenüber der Drehzahl der Antriebswelle 65 entspricht. Alle Elemente der Getriebe liegen auf einer Geraden, es sind keine Drehzahldifferenzen vorhanden.

3. Eine mit durchgehenden Linien dargestellte Kennlinie, bei der die Abtriebswelle 68 mit der gleichen Drehzahl wie die Antriebswelle 63 läuft.

Der besseren Deutlichkeit wegen wurde die Kennlinie für eine höhere Drehzahl des Planetenträgers 77, d. h. der Schnellgang des Getriebes, nicht dargestellt. Das Diagramm zeigt im übrigen die Möglichkeiten einer großen Veränderbarkeit der Abtriebsdrehzahl gegenüber einer bestimmten Antriebsdrehzahl.

In dem Bereich zwischen den Kennlinien des Falles 1 und 2 steht das maximale Ausgangsmoment von 100 mkg zur Verfügung, wenn die höchste Eingangsdrehzahl des Elements 67 von 1250 U/min zugrunde gelegt wird. Liegt die Antriebsdrehzahl der Welle 65 und damit die Eingangsdrehzahl des Elements 67 niedriger, so vermindert sich das abgegebene Drehmoment dementsprechend (Betrieb bei Teillast).

Das Getriebe nach F i g. 9 stellt eine Variante zu dem nach Fi g. 5 dar, und sich entsprechende Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen worden. Das innere Zentralrad 69 ist jedoch zu einem Planetenträger 69' und der Planetenträger 74 zu einem inneren Zentralrad 74' geworden, während bei den Zentralrädern 67, 70 die Anordnung »inneres« gegenüber »äußeres« vertauscht wurde. Das innere Zentralrad 74' des Getriebeteils I ist mit dem äußeren Zentralrad 76' des Getriebeteils Il verbunden. Statt mit der Abtriebswelle ist nunmehr der Planetenträger 85' des Getriebeteils IiI mit dem PJanetenträger 69' des Getriebeteils I verbunden. Ferner ist das innere Zentralrad 81' des Verbindungsgetriebes Ul mit dem äußeren Zentralrad 75' verbunden. Statt der Kupplung 82/83 zur Richtungsumkehr ist die Vertauschung der Phasenanschlüsse am Elektromotor 80' vorgesehen, wodurch der Drehsinn des Drehfeldes umgekehrt wird.

Das Diagramm nach Fig.7 gilt auch für die Ausführungsform nach F i g. 9, jedoch muß dieses nach unten für den negativen Drehzahlbereich ergänzt werden, da der Planetenträger 77' in umgekehrter Drehrichtung laufen kann. Dadurch kommt trotz der dauernd positiven Drehzahl des Eingangselements 67' eine negative Drehzahl der Elemente 69785', die mit der Abtriebswelle 68' verbunden sind, zustande.

Ein kompakter Aufbau wurde durch Einbezug der Elektromaschinen in den mechanischen Teil des Getriebes erreicht. Der Stator 97 des Steuermotors ist in dem Getriebegehäuse 98 angeordnet und der Rotor 80' mit dem Planetenträger 77' drehfest verbunden. Der Steuermotor kann durch das Schmieröl im Gehäuse gekühlt werden. Der Rotor des Drehstromgenerators 87' seinerseits kann auf der Antriebswelle 65' befestigt werden, er bleibt dabei vom Schmierölkreis getrennt, da auf seinem Rotor die zur Spannungseinstellung bestimmte Erregerspule sitzt.

Die Teilgetriebe I, Il und III sind hinsichtlich Paarungen und Einsatzbedingungen in allen Drehzahl-Drehmomentbereichen auf bestmöglichen Wirkungsgrad ausgerichtet. Dieser Wirkungsgrad ist vergleichbar mit demjenigen eines klassischen Schaltgelriebes.

Um aus dem stufenlos drehzahlveränderbaren Getriebe ein automatisches Getriebe zu machen, bedarf es nur noch einer richtigen Auswahl der Kennwerte des elektrischen Steuermotors 80. Eine passende Kennlinie bietet der AsynchrondrehstromniOtor mit einem Läufer als sogenannter Doppelkäfig. Die Impedanz des Läuferkreises oder einer entsprechenden Ständer-Kunstschaltung wird im Hinblick auf die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie Mi, M 2, M 3 (Fig. 8) eingestellt, bei ω = Drehzahl des Drehfelds. Bei bestimmter Drehzahl des Generators 87 ist die abgezweigte Betriebsleistung konstant, ihre Größe wird entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des Steuergetriebes Il gewählt. Die Zweigleistung liegt zwischen

0,66 und 1% der Getriebeleistung. Für die Kennlinien Ml oder M 2 ist praktisch das Drehmoment der Drehzahl umgekehrt proportional.

Die Drehzahl des elektrischen Steuermotors ist bei allen Ausführungsformen nicht eindeutig festgelegt, sie ergibt sich vielmehr aus den vorhandener. Drehmomentverhältnissen aus treibender und angetriebener Welle. Die Frequenz ω des Drehfeldes soll davon unabhängig als fest betrachtet werden. Es können entsprechend den in Betracht gezogenen Anwendungsfällen vier Hauptarten der Steuerung vorgesehen werden.

Jedenfalls ist eine Stromquelle zum Betrieb des Steuermotors erforderlich, und der Wechselstromgenerator 40,87,87' angemessener Leistung hat den Vorteil, bereits mit der Drehzahl des Antriebsmotors gekoppelt zu sein. Die verschiedenen betrachteten Steuerarten können also auf die Beeinflussung des Erregerfeldes des Generators einwirken, der dadurch eine bei konstanter Frequenz veränderliche Spannung abgibt und somit das

Drehmoment des elektrischen Steuermotors und folglich auch dessen Drehzahl im Verhältnis zum Abtriebsdrehmoment beeinflussen kann. Die angestrebte Korrektur des Übersetzungsverhältnisses wird somit auf sehr einfache Weise erreicht.

Steuerung für Kraftfahrzeuge mit Wärmekraftmschine oder mit Elektromotor.

Für diesen Anwendungsfall ist die sehr vereinfachte Schaltung nach Fig.6 vorgesehen. Ein Potentiometer 92 ist mit dem Gas- oder Fahrpedal 93 verbunden und entsprechend der Stellung des Fahrpedals wird die Feldspule 94 des Wechselstromgenerators 87 unterschiedlich gespeist Die Statorwicklungen dieses Generators 87 sind zum Asynchronmotor 80 parallel geschaltet. Je nach dem Widerstandsmoment der Abtriebswelle stellt sich ein entsprechendes Reaktionsmoment am Steuergetriebe ein, welches vom Drehmoment des Steuermotors aufgebracht werden muß. Dieser nimmt eine entsprechende Drehzahl ein und die

gleiche Drehzahl stellt sich an der Abtriebswelle ein. Das Übersetzungsverhältnis hängt somit sowohl von der Stellung des Fahrpedals als auch des Widerstandsmoments ab. Eine geringe Verschiebung des Fahrpedals kann ein Anstieg auf maximale Drehzahl des Motors und maximales Übersetzungsverhältnis bewirken, wenn das Widerstandsmoment sehr schwach ist. Wenn das Widerstandsmoment sehr hoch ist, kann das Fahrpedal vollständig heruntergedrückt werden, so daß die maximale Leistung des Motors bei einer niedrigen Ausgangsdrehzahl und einem hohen Drehmoment abgegeben wird.

In der Schaltung nach Fi g. 6 ist ein Endschalter 95 in Reihe mit einem Fliehkraftschalter % geschaltet, damit eine maximale Motorbremsung erzielbar ist, wenn das Fahrpedal freigegeben ist und die Ausgangswelle mit wenigstens der Schaltdrehzahl des Fliehkraftschalters 96 läuft. Bei der betrachteten Molorbremsung wird der elektrische Steuermotor mit einer höheren Drehzahl angetrieben als es dem Drehfeld entspricht. Die Kennlinie des Brems- oder Widerstandsmoments entspricht der Kurvenform des Motorbetriebes. Infolge der Übersetzung durch das Steuergetriebe Il wird das Bremsmoment in dem gleichen Maße verstärkt, wie im Falle des Motorbetriebes.

Anwendung auf gesteuerte Ausgangsdrehzahlen (programmgesteuerte Werkzeugmaschinen):

Bei diesem Anwendungsfall ist der Hauptmotor im allgemeinen ein klassischer Asynchronmotor. Ein Drehzahlgeber an der Abtriebswelle des Getriebes liefert eine Spannung, die mit einer Sollspannung entsprechend der Solldreh^ahl verglichen wird. Die Differenzspannung wird verstärkt und dem Erregersystem eines Drehstromgenerators zugeführt, der den Asynchronmotor speist.

Vorrichtungen mit variabler Beschleunigung in Abhängigkeit von der Last (Aufzüge, Kräne, usw.):

Dieses Verhalten ergibt sich automatisch, wenn der Hauptmotor mit konstanter Leistung betrieben wird.

Anwendungsfälle mit konstanter Zugkraft (Wickeltromme!):

Für diesen Anwendungszweck steuert ein einfacher Meßfühler, der die Wickelspannung prüft, das Feld des Wechselstromgenerators und steuert auf diese Weise die für die Aufwickeltrommel wesentlichen Kennwerte: Drehzahl und Drehmoment der Trommel müssen entsprechend dem Wickelradius verändert werden, damit am Walzgut eine konstante Zugkraft und Laufgeschwindigkeit während des Ziehvorgangs erzielt werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Stufenlos drehzahlveränderbares Getriebe, mit einem Eingangsplanetengetriebe, mit einem Steuerplanetengetriebe und mit einem Verbindungsplanetengetriebe zwischen einer Antriebswelle und einer Abtriebswelle sowie mit einem Elektromotor für variable Drehzahl zum Antrieb des Planetenträgers als einem Element des Steuergetriebes, wobei ein weiteres Element des Steuergetriebes mit dem Verbindungsgetriebe verbunden ist und das Verbindungsgetriebe bezüglich eines Elements mit dem Eingangsgetriebe und bezüglich eines weiteren Elements mit der Abtriebswelle in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß nur das Eingangsgetriebe (1) ein von der Antriebsweib (34, 65,65') angetriebenes Eingangselement (41, 67,67') sowie ein weiteres mit der Abtriebswelle (45,68,68') in Verbindung stehendes Element (44, 69, 69') besitzt, daß das Steuergetriebe (II) als ein Getriebe mit hohem Übersetzungsverhältnis zur Irreversibilität in einer Richtung ausgebildet ist und daß das dritte Element (54, 75, 75') des Steuergetriebes (II) mit dem dritten Element (46, 74, 74') des Eingangsgetriebes (1) verbunden ist.

2. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Antriebswelle angetriebene Element des Eingangsgetriebes als inneres Zentralrad (41) ausgebildet ist, welches über Planetenräder (47) und einen Planetenträger (46) als Reaktionsglied mit einem äußeren Zentralrad (42) in Antriebsverbindung steht, welches über eine Zahnradpaarung (43/44) die Abtriebswelle (45) antreibt, und daß der Planetenträger (46) als Reaktionsglied einerseits über eine Zahnradpaarung (52/53) mit dem Steuergetriebe (II) und andererseits über eine Zahnradpaarung (46/48) mit dem Verbindungsgetriebe (III) verbunden ist, welches einen drehfest mit der Abtriebswelle verbundenen Planeteniräger (50) aufweist (F ig. 1).

3. Getriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung »Eingangsgetriebe-Steuergetriebe« über ein Zentralrad (54) des Steuergetriebes die Verbindung »Steuergetriebe-Verbindungsgetriebe« über ein weiteres gemeinsames Zentralrad (58,59) erfolgt (F i g. 1).

4. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Antriebswelle angetriebene Element des Eingangsgetriebes (I) als äußeres Zentralrad (67) ausgebildet ist, welches über Planetenräder (73) und einen Planetenträger (74) als Reaktionsglied mit einem inneren Zentralrad (69) in Antriebsverbindung steht, welches drehfest mit der Abtriebswelle verbunden ist, und daß der Planetenträger (74) als Reaktionsglied einerseits drehfest mit dem Steuergetriebe (II) und andererseits über eine Zahnradpaarung (72/70) mit dem Verbindungsgetriebe (III) verbunden ist, welches einen drehfest mit der Abtriebswelle verbundenen Planetenträger (85) aufweist (F ig. 5).

5. Getriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung »Eingangsgetriebe-Steuergetriebe« vom Reaktionsglied (74) drehfest zu einem Zentralrad (75) des Steuergetriebes erfolgt, welches ein weiteres Zentralrad (76) aufweist, dessen Zähnezahl im Hinblick auf eine große Übersetzung nur wenig die des ersten Zentralrades (75)

übersteigt, und das die Verbindung »Steuergetriebe-Verbindungsgetriebe«, ausgehend von dem zweiten Zentralrad (76) über eine lösbare Kupplung (82, 83) entweder drehfest zu einem Zentralrad (81) des Verbindungsgetriebes (IiI) erfolgt oder — für den Rückwärtsgang — mit einem Gehäuseteil (8·ί-, Fig. 5).

6. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Antriebswelle angetriebene Element des Eingangsgetriebes (I) als Zentralrad (67') ausgebildet ist, welches über doppelte Planetenräder (72', 73') einerseits mit einem Planetenträger (69') in Antriebsverbindung steht, der drehfest mit der Abtriebswelle verbunden ist, wobei andererseits eine Stützung des einen Planetenrades (73') über ein doppeltes Zentralrad (70', 71') als Reaktionsglied erfolgt, welches als Teil des Verbindungsgetriebes (III) über zwei getrennte Zahnradpaarungen (73774' und 8478Γ) drehfest mit dem Steuergetriebe (II) verbunden ist und die mit dem Reaktionsgiied (70', 7Γ) kämmenden Zahnräder (73', 84') auf einem gemeinsamen Planetenträger (85') sitzen, der drehfest mit der Abtriebswelle verbunden ist (F i g. 9).

7. Getriebe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergetriebe (U) zwei Zentralräder (75', 76') mit geringer Differenz der Zähnezahlen und doppelte Planetenräder (77') aufweist, so daß beim Antrieb des Planetenträgers (78') eine große Übersetzung des Drehmoments für das Reaktionsglied geschaffen ist (F i g. 9).

8. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 — 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (61, 80, 80') als Asynchronmotor mit Doppelkäfig ausgebildet ist.

9. Getriebe nach einem der Ansprüche 1—8, dadurch gekennzeichnet, daß antriebsseitig ein Wechselstromgenerator (40, 87, 87') vorgesehen ist, dessen Antriebsdrehzahl im festen Verhältnis zur Antriebsdrehzahl des Getriebes steht und der mit dem Elektromotor (61, 40, 80, 80') zu dessen Speisung, gegebenenfalls unter Einschaltung einer Steuer- oder Regeleinrichtung (92—96), verbunden ist(Fig. 1,5,6,9).