DE2942775A1 - Stufenlos regelbare getriebeeinheit und ein die getriebeeinheit enthaltendes system - Google Patents
Stufenlos regelbare getriebeeinheit und ein die getriebeeinheit enthaltendes systemInfo
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Description
22.Oktober 1979
L 1634 Al/a
Vadetec Corporation
2681 Industrial Row
Troy, Michigan 48084
2681 Industrial Row
Troy, Michigan 48084
U.S.A.
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Beschreibung
Stufenlos regelbare Getriebeeinheit und ein die Getriebeeinheit enthaltendes System
Die vorliegende Erfindung betrifft stufenlos regelbare Getriebe und insbesondere eine stufenlos regelbare Getriebeeinheit,
die in einem Ubertragssystem mechanischer Leistung derart verwendbar ist, daß der als Ergebnis des Einheitsaufbaus
verfügbare Bereich von Drehzahlverhältnissen beim Betrieb des Systems wesentlich vergrößert wird.
Ubertragungseinrichtungen mechanischer Energie bzw. Leistung,
welche Drehmomente von einem Eingang zu einem Ausgang mit stufenlos regelbaren Drehzahlverhältnissen überov/
tragen, sind allgemein bekannt und werden normalerweise stufenlos regelbare Getriebe genannt. Da der Leistungswirkungsgrad
der meisten Motoren oder Antriebsmaschinen nur in einem beschränkten Bereich der Betriebsdrehzahlen am
größten ist, haben stufenlos regelbare Getriebe großes In-
teresse hervorgerufen und werden dies weiter tun als eine potentiell ideale Lösung zur übertragung von Leistung von
einer Leistungsjuelle zu einer leistungsverbrauchenden Last,
welche mit Drehzahlen angetrieben werden muß, welche sich
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entsprechend den Betriebsdrehzahlen der Leistungsquelle verändern.
Mechanische,stufenlos regelbare Getriebe sind normalerweise
in eine bauliche Konstruktion eingefügt, welche in der Lage ist, Drehmomente durch Reibung zwischen zwei oder mehr Trieboberflächen auf relativ drehbaren Körpern zu übertragen,
welche derart gelagert sind, daß die Trieboberflächen gegen-
IQ einander mit einer Normalkraft gehalten werden, die ein Rutschen
zwischen den Oberflächen verhindert. Das stufenlos verstellbare Drehzahlverhältnis wird dadurch erreicht, daß
der Drehmomentarm oder der Radius eines der Körper kontinuierlich veränderbar relativ zu dem Radius des anderen Körpears
ist. Die geometrische Gestaltung solcher Körper, welche dieses Ergebnis erzielen können, wird z.B. verwirklicht
durch ein Rad, das axial auf einer Scheibe verschiebbar ist, oder durch einen Ring, der längs der Achse eines Kegels
verschiebbar ist.
In der US-PS 4 152 946 vom 8. Mai 1979 vom gleichen Erfinder sind einige Ausführungsformen stufenlos regelbarer Getriebe
offenbart, in welchen drei Arbeitskörper, welche von einem Gehäuse getragen werden, einen mechanischen Leistungseingang
zu einem drehbaren Ausgang mit stufenlos regelbaren Verhältnissen der Ausgangs-/Eingangsdrehzahlen innerhalb
des vorgesehenen Bereichs des Getriebes übertragen können. Die drei Arbeitskörper werden jeweils definitionsgemäß
als "Alpha-Körper", welcher im Getriebegehäuse dreh-
30>bar um eine erste Achse gelagert ist, als "Beta-Körper",
welcher konzentrisch um eine zweite Achse gelagert ist, die in Bezug zur ersten Achse geneigt ist und die erste
Achse in einem Achsenschnittpunkt schneidet, und als "Omega -Körper", der vom Gehäuse derart getragen wird, daß
er konzentrisch zur ersten Achse ist, bezeichnet. Obwohl sowohl der Omega-Körper als auch der Beta-Körper um die
jeweiligen Achsen drehbar sein können, um welche sie konzentrisch sind, wird für die vorliegende Erörterung vor-
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ausgesetzt, daß der Omega-Körper gegen Drehung gesichert ist, um ein Reaktionsdrehmoment zu erzeugen, wohingegen
der Beta-Körper um die zweite Achse drehbar und im Alphac
Körper gelagert ist. Die Fähigkeit stufenlos regelbarer Drehzahlverhältnisse solcher Getriebe wird dadurch erreicht,
daß einer der Beta- und Omega-Körper mit einem Paar von Rollbahnen versehen ist, welche Drehrollbahnen um die konzentrische
Körperachse sind und welche einen veränderbaren Ra-
,Q dius haben längs der Achse symmetrisch zu dem Schnittpunkt
der ersten und zweiten Achse. Körperlich stellen solche Drehrollbahnen daher einen Körper mit einer doppelkegelförmigen
Gestalt dar. Der andere Körper der Beta- und Omega-Körper ist mit einem Paar von Rollbahnen versehen, wel-
lc ehe ebenfalls Drehrollbahnen um die konzentrische Körperachse
sind, welche jedoch einen relativ konstanten Radius aufweisen. Die Paare von Rollbahnen auf dem Beta- und Omega-Körper
werden in Reibeingriff miteinander an zwei Berührungspunkten oder Bereichen gehalten, deren Position einstellbar
2Q ist, um das Verhältnis des Bahnradius R. des Beta-Körpers
zum Bahnradius R des Omega-Körpers zu verändern. Wenn dem
Alpha-Körper daher ein Eingangsdrehmoment auferlegt wird, das eine Drehung dieses Körpers um die erste Achse mit einer
Geschwindigkeit <£ verursacht, wird der Beta-Körper
durch den Alpha-Körper in Nutation bzw. eine Taumelbewegung versetzt, wobei die Rollbahnen des Beta-Körpers in einem
Drehmomente/ibertragenden Kontakt mit den Rollbahnen des Omega-Körpers
stehen. Wenn die Drehzahl des Beta-Körpers um die zweite Achse />
und die Drehzahl des Omega-Körpers um die erste Achse u>
ist, stehen die jeweiligen Drehzahlen der drei Körper in folgender Beziehung zueinander:
u, _ et + (<t-/3) Rj3^ = O
Da sich entweder der Beta- oder der Alpha-Körper innerhalb des anderen Körpers erstreckt, kann das Radiusverhältnis
R,/R einen Wert kleiner als 1 aufweisen (wobei R. immer
kleiner als R ist) oder einen Wert größer als 1 aufweisen
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(wobei R, immer größer als R ist) . Wenn R, /R oder das
reziproke Verhältnis R /R^/ welches von beiden größer als
1 ist, als Funktion ρ bezeichnet wird und wenn der Omegac
Körper gegen Drehung gesichert ist, wie oben erwähnt, so daß d» gleich Null ist, vereinfacht sich die allgemeine
Gleichung der entsprechenden Drehzahlen auf:
K-/l)p-oc= ο
Wenn der Einheitsausgang vom Beta-Körper abgenommen wird, was der Fall ist, wenn der Omega-Körper gegen Drehung um
die erste Achse gesichert ist, ist der Beta-Körper mit einer um die erste Achse drehbaren Ausgangswelle durch ein
Einheitszahnradvorgelege verbunden, das von einem Antriebsritzel ausgeht, welches drehfest um die zweite Achse mit
dem Beta-Körper verbunden ist, und mit einem Sonnenzahnrad endet, das mit der Einheitsausgangswelle drehfest verbunden
ist. Ein solches Zahnradvorgelege kann ein Uber-Setzungsverhältnis
K aufweisen, welches theoretisch jeden Wert annehmen kann und sowohl positiv als auch negativ
sein kann in Abhängigkeit davon, ob das Einheitszahnradvorgelege ein Umkehrzahnrad oder nicht aufweist. Im Lichte des
vorhergehend Gesagten, wobei θ die Einheitsausgangsdrehzahl ist, und unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses
K des Einheitszahnradvorgeleges wird das Verhältnis der Ausgangs-/Eingangsdrehzahl der Einheit durch
folgende Gleichung bestimmt:
Der Stand der Technik in Bezug auf stufenlos regelbare Getriebe und Systeme, welche solche Getriebe beinhalten,
ist derart weiterentwickelt worden, daß der Drehzahlverhältnisbereich der Einheit durch ein äußeres epizyklisches
Getriebe bzw. Planetengetriebe vergrößert werden kann, in welchem der stufenlos regelbare Einheitseingang· und Ausgang
als zwei Eingänge zu dem äußeren epizyklischen Ge-
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triebe derart verwendet werden, daß eine einzige Systemausgangswelle
vom epizyklischen Getriebe angetrieben wird. Solche Systeme sind darüber hinaus für einen Synchronbetrieb
herangezogen worden, in welchem das System verschoben werden kann zwischen einem Bereich stufenlos regelbarer Drehzahlverhältnisse,
wobei die stufenlos regelbare Einheit in einer Richtung zwischen den extremen Grenzen ihres Radiusverhältnisses
eingestellt wird, und einem zweiten angrenzenden Bereich von Systemdrehzahlverhältnissen, in welchen
die stufenlos regelbare Einheit in der entgegengesetzten Richtung zwischen ihren Grenzen der Drehzahlverhältnisveränderung
eingestellt wird. In diesem Zusammenhang wird auf die US-PS 3 406 597 verwiesen. Während die Verwendung
solcher äußeren epizyklischen Getriebe zur Vergrößerung des in einer stufenlos regelbaren Getriebeeinheit verfügbaren
Drehzahlverhältnisbereiches eine äußerst zufriedenstellende Lösung für das Problem der Vergrößerung des in einem stufenlos
regelbaren Getriebes zur Verfügung stehenden Bereichs von Drehzahlverhältnissen darstellt, ist der Betrieb
eines epizyklischen Getriebes vom Standpunkt der Einführung von Wirkungsgradverlusten in das System zu beanstanden.
Mit anderen Worten, während ein synchroner Betrieb eines stufenlos regelbaren Getriebes Energieverluste infolge
des Verschiebens zwischen Ubersetzungsverhältnisinkrementen minimiert, wird der durch einen solchen synchronen Betrieb
erzielte Wirkungsgradgewinn durch Verluste im Betrieb des äußeren epizyklischen Getriebes wieder verspielt.
Die vorliegende Erfindung ist daher darauf gerichtet, eine stufenlos regelbare Getriebeeinheit zu schaffen mit einem
einzigen Drehmomenteingang und zwei oder mehr Ausgängen, welche verschiedene Bereiche von Verhältnissen der Ausgangs-/
Eingangsdrehzahlen schafft . In dieser Einheit soll mindestens einer der beiden Ausgänge in einem Drehzahlverhältnisbereich
arbeiten, in welchem der Ausgang in der gleichen Richtung wie der Einheitseingang, in der entgegengesetzten
Richtung des Einheitseinganges und ohne Drehung relativ
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zum Einheitseingang angetrieben werden kann. Darüber hinaus sollen in einer solchen stufenlos regelbaren Einheit getrennte
Einheitsausgänge durch ein einfaches äußeres Zahn- _ radvorgelege kombinierbar sein, um ein stufenlos regelbares
übertragungssystem zu schaffen, welches einen synchronen Betrieb der stufenlos regelbaren Einheit über zwei oder mehr
Bereiche von Systemdrehzahlverhältnissen ermöglicht. Das stufenlos regelbare übertragungssystem soll einen synchronen
-n Betrieb in mindestens zwei Systemdrehzahlverhältnisberejchen
erlauben. Das System soll in äußerst einfacher Weise an verschiedene Betriebsbedingungen anpaßbar sein und mit hohen
Wirkungsgraden arbeiten.
,,- Dies wird gemäß der Erfindung durch Getriebeeinheiten bzw.
Übertragungssysteme erreicht, wie sie in den Patentansprüchen gekennzeichnet sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung
ist die Aufbauorganisation der Alpha-, Beta- und Omega-Körper der vorher offenbarten stufenlos regelbaren Getriebe-
2Q einheit aufrechterhalten, um mindestens zwei verschiedene
Einheitsbereiche der Ausgangs-/Eingangsdrehzahlverhältnisse zu schaffen. Der Alpha-Körper wird ebenfalls in Drehung
versetzt durch einen einzigen Einheitseingang, um den Beta-Körper in eine Nutations- bzw. Taumelbewegung zu bringen
nc und um eine Drehung des Beta-Körpers mit veränderbarer Drehzahl
um die zweite Achse als Ergebnis der Rollreibungsberührung zwischen den Beta-Bahnen mit den Omega-Bahnen zu
entwickeln, welche gegen eine Drehung um die erste Achse gesichert oder festgehalten werden. Die Einheitsübertragung
weist darüber hinaus ein Antriebsritzel auf, das drehfest an einem Ende des Beta-Körpers angebracht ist.
Das Antriebsritzel wird daher in einer Umlaufbahn um die erste Achse bewegt wie bei früheren Getriebeausführungsformen.
Das Antriebsritzel der vorliegenden Erfindung steht jedoch in Eingriff mit mindestens zwei angetriebenen Zahnrädern
verschiedenen Durchmessers und ist getrennt verbunden mit einem Paar von Einheitsausgangswellen, welche vorzugsweise
konzentrisch zur ersten Achse verlaufen. Die Doppel-
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bereich-Ausgangswellen der stufenlos regelbaren Einheit werden abwechselnd durch eine geeignete Kupplung mit einer
Systemausgangswelle verbunden.
Gemäß einer Ausführungsform des Systems der vorliegenden
Erfindung ist einer der beiden Einheitsausgangswellen derart angeordnet, um'den Systemausgang über ein einfaches
äußeres Zahnradvorgelege anzutreiben, wohingegen die ann
dere der beiden Einheitsausgangswellen über eine Kupplung direkt mit dem Systemausgang verbunden werden kann. Bei
einer anderen Systemausführungsform werden die Einheitsausgangswellen
abwechselnd über ein einfaches Zahnradvorgelege mit der Systemausgangswelle verbunden. In beiden
je Fällen wird ein synchroner Betrieb der stufenlos regelbaren
Einheit in zwei oder mehr Systemdrehzahlverhältnisbereichen ermöglicht durch eine geeignete Auswahl des Zahnradvorgeleges.
Der Systemausgang kann entweder durch das EinheitsZahnradvorgelege oder das äußere Zahnradvorgelege
ng umgekehrt werden. Einer der Einheitsausgangswellen kann
untersetzt oder übersetzt werden durch das äußere Zahnradvorgelege, um Systemausgangsdrehzahlen zu erzeugen, die jeweils
kleiner oder größer als die Eingangsdrehzahlen sind.
«ς Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der
vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit
der Zeichnung. Darin zeigen:
Fig.1 einen Längsschnitt durch eine stufenlos regelbare
Getriebeeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig.2 einen schematischen Querschnitt längs der Linie 2-2
der Fig.1,
Fig.3 eine graphische Darstellung von Geraden, welche
verschiedene Getriebeuntersetzungsfaktoren in Beziehung zu Ubersetzungsverhältnisänderungen und der Aus-
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gangsdrehzahl zeigen,
Fig.4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform
eines stufenlos regelbaren Ubertragungssystems gemäß
der vorliegenden Erfindung,
Fig.5 eine alternative Ausführungsform eines Ubertragungssystems
gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig.6 eine weitere Ausführungsform eines Ubertragungssystems
gemäß der vorliegenden Erfindung und
Fig.7 eine graphische Darstellung, in welcher Betriebs-Wirkungsgrad-und
Drehmomentmultiplikationswerte für die in Fig.4 dargestellte Ausführungsform gegen den Prozentsatz
der größten Drehzahl bei Nennleistung dieser Ausführungsform aufgezeichnet sind.
In Fig.1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der stufenlos
regelbaren Einheit 10 dargestellt. Der Längsschnitt der Fig.1 verläuft in einer Ebene, welche eine erste Achse
12 der stufenlos regelbaren Einheit 10 enthält. Die Achse 12 wird körperlich erstellt durch ein festes Gehäuse
14 mit einem im wesentlichen zylindrischen Mittelabschnitt 16 und einem Paar von gelagerten Endabschnitten
18 und 20.
Die innerhalb des Gehäuses 14 angeordneten Bauteile der stufenlos verstellbaren Einheit weisen einen kurbelartigen
Alpha-Körper 26 auf, welcher in Lagern 28 und 30 in den Gehäuseendabschnitten 18 und 20 drehbar um die erste
Achse 12 gelagert ist. Eine Einheitseingangswelle 32 ist direkt mit dem Alpha-Körper 26 verbunden und daher konzentrisch
zur Achse 12. Ein Nutations- bzw. Taumel-Beta-Körper 34 wird von Lagern 36 und 38 in dem Alpha-Körper
drehbar um eine zweite Achse 40 unterstützt, die in Bezug zur ersten Achse 12 geneigt ist und diese erste Achse in
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einem Achsenschnittpunkt S schneidet. Bei der dargestellten Ausführungsform weist der Beta-Körper 34 eine mittlere
Trägerwelle 42 auf, welche ein Paar von entgegengesetzt konvergenten, kegelförmigen Bauteilen 4 4 und 46 trägt, die
in gewissem Umfang sowohl axial als auch rotationsmäßig in Bezug zur Welle 42 bewegbar sind. Eine Kugel/Rampen-Einheit
48 ist auf der Welle 42 zwischen den Kegelbauteilen 44 und 46 verzahnt bzw. verkeilt. Die Einheit 48 ist in ihren Auf-IQ
baueinzelheiten nicht vollständig dargestellt. Für ein volles Verständnis ist es jedoch lediglich erforderlich,
festzuhalten, daß die Einheit 48 die Kegelbauteile in entgegengesetzten Richtungen weg vom Achsenschnittpunkt S
entsprechend einem Differenzmoment zwischen der Welle 42 und den Kegelbauteilen 44 und 46 vorspannt. Es wird außerdem
angemerkt, daß die kegelförmigen Flächen bzw. Bahnen der Bauteile 44 und 46, auch Beta-Bahnen genannt, konzentrisch
zur zweiten Achse 40 verlaufen und einen veränderbaren Radius R, in Bezug zu dieser Achse aufweisen.
Die axiale Vorspannung der Kegelbauteile 44 und 46 durch die Kugel/Rampen-Einheit 48 längs der Welle 42, gekoppelt
mit der Winkelbeziehung der Achse 40 sowie der Gestalt der kegelförmigen Bauteilen zwingt die kegelförmigen Beta-Bahnen
auf den Bauteilen 44 und 46 in Eingriff mit einem Omega-Körper, welcher bei der dargestellten Ausführungsform von einem Paar von axial einstellbaren Ringen 50 und
52 gebildet wird, welche innere Omega-Rollbahnen 54 und 56 aufweisen, welche Drehrollbahnen um die erste Achse 12
sind und einen konstanten Radius R^ aufweisen. Die Ringe
50 und 52 sind gegen Drehung im Gehäuseabschnitt 16 festgelegt und an inneren Enden von ringförmigen Kolbenbauteilen
58 und 60 befestigt, die betriebsfähig jeweils in ringförmigen Kammern 62 und 64 angeordnet sind. Kammern
62 und 64 stehen mit Flüssigkeitsleitungen 66 und 68 derart in Verbindung, daß eine Drucksteuerflüssigkeit, welche
in die Kammern 62 und 64 über die Leitungen 66 eingeführt und über die Leitungen 68 abgeführt wird, die Kolben und
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somit die Ringe 50 und 52 längs der Achse Ί2 in Richtung
des Achsenschnittpunktes S bewegt. Wenn umgekehrt Drucksteuerflüssigkeit
über die Leitungen 68 eingeführt und über c die Leitungen 66 abgeführt wird, werden die Ringe in der
entgegengesetzten Richtung bewegt. Obwohl in der Zeichnung nicht gezeigt, ist es auch möglich, daß die Ringe mechanisch
derart verbunden sind, daß eine synchronisierte Bewegung zu und von dem Achsenschnittpunkt weg gewährleistet
ist·
Der Aufbau des Gehäuses 14 sowie des Alpha-Körpers 26, des Beta-Körpers 34 und des Omega-Körpers , verwirklicht
durch die Ringe 50 und 52 ist sowohl in struktureller wie
}5 auch in funktioneller Hinsicht ähnlich der Offenbarung
der US-PS 4 152 946. Bei der vorliegenden Einheit 10 sind jedoch zwei Einheitsausgangswellen 70 und 72 vorgesehen.
Wie in Fig.1 gezeigt ist, ist die Welle 72 hohl und konzentrisch zu der Welle 70 und zur ersten Achse 12. Beide WeI-len
sind unabhängig drehbar und mit einem Einheitszahnradvorgelege 74 verbunden, um durch den Beta-Körper 34 angetrieben
zu werden. Insbesondere ist ein Antriebsritzel 76 drehfest mit dem Beta-Körper um die zweite Achse 40
verbunden und außerdem bei der Nutation bzw. der Taumelbewegung des Beta-Körpers auf einer Umlaufbahn bewegbar, die
konzentrisch zur ersten Achse 12 verläuft. Das Antriebsritzel 76 bewegt sich daher in der gleichen Weise wie ein
Planetenzahnrad in einem epizyklischen Zahnradsatz bzw. Getriebe. v
Das Antriebsritzel 76 steht in direktem Eingriff mit einem Zahnkranz 78, welcher direkt mit der hohlen Ausgangswelle
72 verbunden ist. Das Antriebsritzel kämmt außerdem mit einem Zwischenzahnrad 80, das um seine Achse drehbar vom
Alpha-Körper 26 getragen wird. Das Zwischenzahnrad kämmt zusätzlich mit einem zentralen oder Sonnenzahnrad 82, das
mit der zentralen Ausgangswelle 70 verzahnt oder anderweitig direkt verbunden ist.
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30
Wie vorher gezeigt worden ist, werden die Drehzahlbeziehungen
des Alpha (<)-Körpers 26 und des Beta (/5)-Körpers 34, wenn der Omega-Körper an einer Drehung um die erste Achse
12 gehindert wird und wenn f> , in diesem Falle gleich R^/Rv.*
immer einen Wert größer als 1 aufweist, durch folgende Gleichung bestimmt:
10
Aus Fig.2 geht hervor, daß das Einheitszahnradvorgelege
ein epizyklischer Zahnradsatz ist, in welchem die Rotationsgeschwindigkeit θ einer der Ausgangswellen 70 oder
72 sowohl eine Funktion von «t und f>
wie auch des Übersetzungsverhältnisses ist, das durch die jeweiligen Durchmesser
der Zahnräder 76 und 82 bzw. 76 und 78 bestimmt wird. Wenn der Durchmesser des Zahnrades 76 geteilt durch
den Durchmesser des Zahnrades 82 gleich einer Funktion K ist, stehen die Geschwindigkeitskomponenten $ , U, und/
„n in folgender Beziehung zueinander:
• · ° ο
K = (Θ -OL) τ (/J-oO
Aufgrund der Drehzahlbeziehungen von fb , et und f in der
„, vorher gegebenen Gleichung steht die Drehzahl und Richtung
der Drehung jeder der Einheitsausgangswellen zu der Drehzahl und Richtung der Drehung der Einheitseingangswelle
oder zu at in folgender Beziehung:
θ =oC(1 - Kf)
Die Bedeutung der Funktion K ergibt sich aus der graphischen Darstellung der Fig.3. In der graphischen Darstellung
werden als tatsächliche Werte der Funktion P Werte zwischen einem Minimum von 1,14 und einem Maximum
von 2,31 angenommen. Die Werte von f sind auf der Ordinate der graphischen Darstellung in Fig.3 aufgetragen. Die
Werte der Ausgangsdrehzahl θ als Bruchteil der Eingangs-
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drehzahl eC sind auf der Abszisse der graphischen Darstellung
aufgetragen. Wenn K1 das Durchmesserverhältnis des Zahnrades 76 und des Zahnrades 82, das mit der mittleren
Ausgangswelle 70 verzahnt ist, darstellt und K1 einen Wert von 0,88 aufweist, erkennt man aus der Linie 84 in Fig.3,
daß, wenn f von seinem Minimalwert auf seinen Maximalwert verändert wird, die Ausgangswelle 70 mit einer Geschwindigkeit
01 angetrieben wird, welche sich von O auf 1 verän-]Q
dert mit der Eingangsgeschwindigkeit et . Es wird außerdem angemerkt, daß die Richtung der 0 1-Drehung dem Eingang
entgegengesetzt ist und daher einen negativen Wert annimmt.
Wenn das Durchmesserverhältnis des Antriebsritzels 76 zu dem Zahnkranz 78 mit 0,34 gewählt wird, verändert sich die
Veränderung in der Drehgeschwindigkeit der hohlen Ausgangswelle 72 längs der Linie 86 in Fig.3. Die Werte liegen in
der gleichen Richtung wie die Eingangsdrehung und sind daher positiv und verändern sich von ungefähr 0,2 auf 0,6
mal der Geschwindigkeit der Eingangsdrehung. Die Bereiche
der Drehzahlverhältnisse, welche beim Betrieb der Einheit zum Antrieb der Wellen 70 und 72 zur Verfügung stehen,
sind jeweils durch die Abmessungen A und B in Fig.3 dargestellt.
In den Figuren 4 bis 6 sind drei alternative Ausführungsformen von stufenlos verstellbaren übertragungssystemen
gezeigt. In jedem Falle ist der Systemeingang direkt mit der Einheitseingangswelle 32 verbunden und der Aufbau der
stufenlos regelbaren Einheit 10 der gleiche wie der unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 beschriebene Aufbau.
Das in Fig.4 gezeigte Ausführungsbeispiel des Systems ist
für Querfeldeinfahrzeuge vorgesehen, bei welchen ein gleieher
Bereich von Drehzahlverhältnissen sowohl in Vorwärtswie in Rückwärtsrichtung bevorzugt wird. In diesem System
sind das Sonnenzahnrad 82 und die zentrale Welle 70 direkt mit einem zentralen Zahnrad 88 eines äußeren Zahnradsatzes
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90 verbunden. Der Zahnkranz 78 der Einheit 1O ist lösbar
durch eine Kupplung C1 mit einer Zahnradeinheit 92 verbunden, welche einen Innenzahnkranz 94 des äußeren Zahnrad-
c satzes 90 bildet. Die Zahnradeinheit 92 weist darüber hinaus
ein Zahnrad 96 auf, das mit einem Zahnrad 98 kämmt, welches mit der Systemausgangswelle 100 drehfest verbunden
ist. Ritzelzahnräder 102, welche drehbar um ihre jeweiligen Achsen von einem Träger 1O4 getragen werden, käm-
jQ men sowohl mit dem zentralen Zahnrad 88 als auch mit dem
Zahnkranz 94 des äußeren Zahnradsatzes 90. Der Träger 104 ist lösbar mit der Zahnradeinheit 92 über eine Kupplung
C2 und lösbar mit einer ortsfesten Einheit über eine Kupplung C3 verbunden, welche den Träger 104 im eingerückten
j5 Zustand an einer Drehung hindert.
In dem in Fig.4 dargestellten System sind die Parameter
der Einheit diejenigen, welche in Verbindung mit Fig.3 beschrieben worden sind. Das übersetzungsverhältnis, mit
welchem das Antriebsritzel 76 der Einheit mit dem Sonnenzahnrad 82 verbunden ist, d.h. K1 ist gleich 0,88. Das
Übersetzungsverhältnis, mit welchem das Antriebsritzel 76 mit dem Zahnrad 78 verbunden ist, d.h. K2 ist gleich 0,34.
Das Verhältnis f der Radien der Rollbahnen der stufenlos verstellbaren Einheit 10 verändert sich zwischen den Werten
1/14 und 2,31. Darüber hinaus ist für das Übersetzungsverhältnis des äußeren Zahnradsatzes 90 ein Wert von -0,21
ausgewählt worden. Es wird darüber hinaus angemerkt, daß die Kupplungen C1 , C2 und C3 durch ein geeignetes Steuersystem
(nicht gezeigt) abwechselnd eingerückt oder ausgerückt werden können.
Bei Vorgabe der vorher erwähnten Parameter beginnt der Betrieb des in Fig.4 dargestellten Systems, wenn eine konstante,
in einer Richtung festgelegte Drehung der Eingangswelle 32 vorausgesetzt wird, mit der Funktion γ an
ihrem kleinsten Wert, d.h. 1,14, mit ausgerückten Kupplungen C1 und C2 und mit einer eingerückten Kupplung C3,
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um den Träger 104 an einer Drehung zu hindern. In diesem Betriebszustand wird das Ausgangsdrehmoment von der stufenlos
regelbaren Einheit 10 über das Sonnenrad 82 und die c zentrale Ausgangswelle 70 geführt, um das zentrale Zahnrad
88 des äußeren Zahnradsatzes 90 anzutreiben. Das Ritzelzahnrad 102, welches sowohl mit dem zentralen Zahnrad
88 als auch mit dem Zahnkranz 94 in Eingriff steht, arbeitet als Drehzahluntersetzungsgetriebe und Richtungsum-
jQ kehrgetriebe, um die Zahnradeinheit 92 in einer Vorwärtsrichtung
anzutreiben. Als Ergebnis der Zahnräder 96 und 98 wird die Systemausgangswelle 100 angetrieben. Die Drehzahl,
mit welcher die Ausgangswelle 100 angetrieben wird, ändert sich, wenn die Funktion f der Einheit 10 geändert
wird. Die Richtung und der Bereich des Antriebs der Systemausgangswelle in diesem Betriebszustand wird jedoch
auch durch die Ubersetzungsfunktion K3 des äußeren Zahnradsatzes 90 bestimmt. Das Ergebnis dieses Betriebes wird durch
die gestrichelte Linie 105 in Fig.3 dargestellt.
Wenn die Funktion f der stufenlos regelbaren Einheit ihren
größten Wert 2,31 erreicht, werden die Kupplungen C2 und C3 ausgerückt und die Kupplung C4 eingerückt, so daß der
Zahnkranz 78 der Einheit direkt mit der Zahnradeinheit 92 des äußeren Zahnradsatzes 90 verbunden ist. Wenn dann der
Wert γ von seinem größten Wert zurück zu seinem kleinsten
Wert 1,14 verringert wird, steigt die Drehzahl der Systemausgangswelle 100 auf Werte an, welche proportional zu
denjenigen sind, welche durch die Linie 86 in Fig.3 dargestellt sind.
Es wird angemerkt, daß bei dem beschriebenen Betrieb des in Fig.4 illustrierten Systems ein synchroner Betrieb der
stufenlos regelbaren Einheit über zwei Bereiche der Dreh-ζah!veränderung
des Systemausgangs bewirkt wird und daß außerdem der äußere Zahnradsatz 90 zu keiner Zeit als epizyklische
Einheit arbeitet. In Fig.7 ist der Betriebswirkungsgrad des Systems in den beiden Betriebszuständen je-
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weils durch die Kurven 106 und 108 dargestellt. Aufgrund
des Untersetzungsfaktors in dem äußeren Zahnradsatz während der Kraftübertragungen über die zentrale Einheitsausgangswelle
70 wird der Gesamtwirkungsgrad in gewissem Umfang erhöht aufgrund der reduzierten Momentbelastung der
Rollbahnen der stufenlos regelbaren Einheit. Der höhere Betriebsbereich, bei welchem das Drehmoment von der Einheit
über die hohle Ausgangswelle 72 übertragen wird, ist
der Wirkungsgrad der Einheit nicht nur hoch, sondern relativ flach aufgrund der relativ geringen Veränderung der
Drehmomentvervielfachung bei hohen Drehzahlen.
Wenn das System der Fig.4 im Rückwärtsgang betrieben werden
soll, werden die Kupplungen C1 und C3 ausgerückt, während die Kupplung C2 eingerückt wird, um den äußeren Zahnradsatz
als eine Einheit zu verriegeln, wodurch ein Ausgangsantrieb vom Zahnrad 96 über das Zahnrad 98 zur Systemausgangswelle
100 bewirkt wird. Bei dieser Betriebsart erfolgt der Drehmomentausgang von der stufenlos verstellbaren
Einheit 10 über das Sonnenzahnrad 80 und die zentrale
Welle 70, um einen Betrieb der Systemausgangswelle zu schaffen proportional zu den durch die Linie 84 in Fig.3
dargestellten Werten.
In einer alternativen in Fig.5 illustrierten Ausführungsform ist ein stufenlos verstellbares Getriebe für Anwendungen
vorgesehen, in welchen ein relativ enger Bereich des Rückwärtsbetriebes erforderlich ist und in welchem
relativ große Ausgangs-ZEingangsdrehzahlverhältnisse im Vorwärtsbetrieb gewünscht sind. Ein Beispiel für eine solche
Anwendung ist ein Kraftfahrzeug. Bei dieser Ausfühnmgsform
ist wieder ein äußerer Zahnradsatz vorgesehen. Teile, welche den im vorhergehenden Ausführungsbeispiel identifizierten
Teilen entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen mit einem ' bezeichnet. Das Einheitssonnenrad
82' und die Welle 70' erstrecken sich zu einer Kupplung
C2·, durch welche die Welle 70' direkt mit einer
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Systemausgangswelle 10O1 verbunden werden kann. In diesem
System ist als Einheitsübersetzungsfunktion K ein Wert von 0,64 ausgewählt worden, um einen durch die Linie 107 in
Fig.3 dargestellten Bereich C zu schaffen.
Bei dieser Ausführungsform sind negative Drehzahlwerte in Fig.3 Vorwärtsdrehzahlen, wohingegen positive Drehzahlwerte
Rückwärtsdrehzahlen sind.
Beim Betrieb der Ausführungsform gemäß Fig.5, wenn die
Welle 7O' direkt mit der Systemausgangswelle 1OO1 verbunden
ist, würde die stufenlos regelbare Einheit anfangs derart eingestellt, daß die Funktion f einen neutralen
Zustand aufweist oder einen Zustand, in welchem keine Drehung der Welle 70 bei Drehung der Eingangswelle 32 erfolgt.
Durch Verschieben des Wertes von f nach oben auf seinen Maximalwert ergibt sich eine langsame Vorwärtsbetriebsart.
Durch Erniedrigung des Wertes γ ergibt sich dementsprechend eine Rückwärtsbetriebsart des Systems.
Wenn der Wert P seinen Maximalwert von 2,31 erreicht, wird die Kupplung C2 ausgerückt und die Kupplung C1 eingerückt,
um die Ausgangswelle 1001 mit dem zentralen Zahnrad 88'
des äußeren Zahnradsatzes 90' zu koppeln. Dieses Zahnrad
wird von dem Zahnkranz 94' über die Planetenzahnräder 1021
angetrieben, welche zu allen Zeiten an einer Planetenbzw. Umlaufbewegung gehindert werden. Die übertragung
von dem Einheitszahnkranz 78 arbeitet in Verbindung mit dem äußeren Zahnradsatz 90', um einen Schnellgangausgang oder
einen Betrieb zu bewirken, in welchem die Systemausgangswelle mit Drehzahlen angetrieben wird, die oberhalb der
Drehzahlen der rohrförmigen Einheitswelle 72· liegen.
Der Zahnradsatz kehrt außerdem die Richtung der Wellendrehung um, so daß Werte, welche durch die Linie 86 in Fig.3
dargestellt sind, in invertierte negative Werte, dargestellt durch die Linie 86' in Fig.3, umgewandelt werden.
Im Betrieb der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform erhält man wieder einen synchronen Betrieb der stufenlos
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verstellbaren Einheit 10 wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel.
*
In Fig.6 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei welcher beide
Einheitsausgangswellen 70" und 72" alternativ direkt mit einer Systemausgangswelle 100" verbunden werden können.
Bei diesem letzteren System wird für die Untersetzungsfunktion K1 ein Wert von 0,69 ausgewählt. Wenn die Kupplung C2"
]Q eingerückt ist, ergibt sich ein Rückwärtsbetrieb, Leerlaufbetrieb
und Vorwärtsbetrieb niedrigen Ganges der in Bezug zu Fig.5 beschriebenen Ausführungsform. Der Betrieb in einem
höheren Bereich der Ausgangs-ZEingangsdrehzahlverhältnisse wird durch Ausrücken der Kupplung C2" und durch Ein-
]5 rücken der Kupplung C1" ausgewählt, so daß der Systemausgang
von der hohlen Einheitsausgangswelle 72" abgenommen wird. Beim übergehen zwischen den beiden Bereichen der in
Fig.6 dargestellten Ausführungsform ist ein synchroner Betrieb
nicht möglich. Es ist daher erforderlich, daß der Wert von f schnell von einem Ende seiner Grenzwerte zu dem
• anderen beim übergehen zwischen den beiden Bereichen eingestellt
wird.
Mit dem vorliegenden System wird eine äußerst wirksame, stufenlos regelbare Getriebeeinheit und ein System geschaffen,
mit welchem die oben erläuterten Ziele vollständig erreicht werden. Es können auch Abänderungen der dargestellten
Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne von den Grundkonzepten abzuweichen. Es wird nochmals ausdrücklich darauf
hingewiesen, daß die vorliegende Beschreibung lediglich vorteilhafte, nicht beschränkende Ausführungsbeispiele illustriert.
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- 33-Leerseite
Claims (1)
- PATENT- UND RECHTSANWÄLTE:RECHTSANWALT PATENT ANWÄLTE-JOCHEN PAGENBERG or jur.ll.μ harvard WOLFGANG A. DOST dr..UDO W. ALTENBURGGALILEIPLATZ 1, Θ000 MÜNCHEN ΘΟTELEFON (0 89) 98 66 64 TELEX: (05) 22 791 pad d CABLE: PADBÜRO MÜNCHENdatum 22. Oktober 1979 L 1634 Al/aPatentansprücheStufenlos regelbare Getriebeeinheit mit einem Alpha-Körper, der um eine erste Achse drehbar ist und mit einer Einheitseingangswelle in Antriebsverbindung steht, einem Beta-Körper mit einer Beta-Drehrollbahn um eine zweite Achse, der von dem Alpha-Körper getragen wird, so daß die zweite Achse in Bezug zur ersten Achse geneigt ist und diese erste Achse in einem Achsenschnittpunkt schneidet und der um die zweite Achse drehbar ist, und mit einem Omega-Körper mit Omega-Drehrollbahnen um die erste Achse, wobei eine der Beta- und Omega-Drehrollbahnen einen veränderbaren Radius und die andere der Drehrollbahnen einen relativ konstanten Radius aufweist, wobei die Drehrollbahnen an einem Berührungspunkt in Reibeingriff miteinander stehen, und mit einer Einrichtung zur Einstellung der Position des Berührungspunktes zur Veränderung des Verhältnisses der Radien der Drehrollbahnen, gekennzeichnet durch ein Paar von drehbaren Einheitsausgangswellen (70, 72), eine erste Einrichtung (76, 82) mit einem festen übersetzungsverhältnis (K1) zum Kombinieren der Bewegung von mindestens zwei Körpern der Alpha-,030019/0760'ZUGELASSENE VERTRETER BEIM EUROPAISCHEN PATENTAMT PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OfFICEBeta- und Omega-Körper (26; 34; 50, 52), um eine der Ausgangswellen in einem ersten Drehzahlbereich für eine gegebene Eingangsdrehzahl in Abhängigkeit von der Verände- - rung des Verhältnisses ( f ) der Radien der Drehrollbahnen anzutreiben, und durch eine zweite Einrichtung (76, 78) mit einem festen Übersetzungsverhältnis (K2) zum Kombinieren der Bewegung der gleichen zwei Körper der Alpha-, Beta- und Omega-Körper, um die andere Ausgangswelle in ,* einem zweiten unterschiedlichen Drehzahlbereich für die gegebene Eingangsdrehzahl ebenfalls in Abhängigkeit von der Veränderung des Verhältnisses ( f ) der Radien der Drehrollbahnen anzutreiben.j «j 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bevegungen des Alpha- und Beta-Körpers (26; 34) kombiniert werden, um die Ausgangswellen (70, 72) anzutreiben.2Q 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung mit festem übersetzungsverhältnis (K1) ein Antriebsritzel (76), das mit einem Ende des Beta-Körpers (34) gekoppelt ist, und ein Sonnenzahnrad (82) an einer Ausgangswelle (70) aufweist und daß die zweite Einrichtung mit festem übersetzungsverhältnis (K2) einen Zahnkranz (78) aufweist, der mit dem Antriebsritzel in Eingriff steht und mit der anderen Ausgangswelle (72) drehverbunden ist.4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung mit festem übersetzungsverhältnis außerdem ein Zwischenzahnrad (80) aufweist, das drehbar vom Alpha-Körper (26) getragen wird und sowohl mit dem Sonnenzahnrad (82) als auch mit dem Antriebsritzel (76) in Eingriff steht.030019/0760- 3 15. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Getriebeeinheit (10) in einem übertragungssystem eingebaut ist mit einem Systemeingang gleich der Einheitseingangswelle (32) und einem Systemausgang (100) und daß eine Einrichtung (90) vorgesehen ist, um alternativ die eine oder andere der Einheitsausgangswellen (70, 72) mit dem Systemausgang (100) zu verbinden.
106. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, ^aB die Einrichtung (90) zum alternativen Verbinden der einen oder anderen Einheitsausgangswelle mit dem Systemausgang ein Zahnradvorgelege (88, 94, 102) aufweist, das eine dritte Einrichtung mit festem übersetzungsverhältnis (K3) bestimmt, welche mit mindestens einer Einrichtung der ersten und zweiten Einrichtung mit festem Übersetzungsverhältnis kombinierbar ist, um im wesentlichen das größte Ausgangs-iingangsdrehzahlverhältnis eines der Systembereiche dem kleinsten Ausgangs-ZEingangsdrehzahlverhältnis des anderen Systembereichs anzupassen.7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung(9Q) zum alternativen Verbinden der einen oder anderen Einheitsausgangswelle eine vierte Einrichtung (C1, C2 ) mit festem Übersetzungsverhältnis aufweist, die mit einer Einrichtung der ersten und zweiten Einrichtung mit festem Übersetzungsverhältnis kombinierbar ist abwechselnd mit der dritten Einrichtung mit festem Übersetzungsverhältnis.8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Einrichtung mit festem Übersetzungsverhältnis eine direkte 1:1-Verbindung der Systemausgangswelle mitOJ einer der Einheitsausgangswellen (70, 72) ist.0300 1 9/07SP- 4 19. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, zweite und dritte Einrichtung mit festem Übersetzungsverhältnis derart zueinander und zu dem Verhältnis ( f ) der Radien der Drehrollbahnen in Beziehung stehen, daß Veränderungen des Verhältnisses ( f ) der Radien der Drehrollbahnen zwischen dem kleinsten und größten Wert in entgegengesetzter Veränderungsrichtung verlaufen für die gleiche Drehzahlveränderungsrichtung in jedem der Systembereiche, wobei die Größe des Verhältnisses der Radien der Drehrollbahnen die gleiche ist für die im wesentlichen angeglichenen größten und kleinsten Drehzahlverhältnisse.10.Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnradvorgelege (90) eine Einrichtung (C2) aufweist, die mit der ersten oder zweiten Einrichtung mit festem Drehzahlverhältnis kombinierbar ist, um die Richtung des Systemausgangs in mindestens einem der Systembereiche umzukehren.11. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheitsausgangswellen (70, 72) in entgegengesetzten Richtungen für die gleiche Richtung der Systemeingangsdrehung drehbar sind und daß die dritte Einrichtung mit festem übersetzungsverhältnis (K3) die Drehrichtung umkehrt, die sich aus einer Einrichtung der ersten und zweiten Einrichtung mit festem Übersetzungsverhältnis, mit welcher sie kombiniert wird, ergibt.12. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnradvorgelege eine einfache Zahnradübertragung ist, so daß ein hierdurch übertragenes Drehmoment nicht zu einer der Einheitsausgangswellen zurückgeführt wird.030019/076013. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination einer Einrichtung der ersten und zweiten Einrichtung mit fe-5 stem Übersetzungsverhältnis (K1, K2) und des Veränderungsbereichs im Verhältnis ( j> ) der Radien der Drehrollbahnen eine Richtungsumkehr an einer der Einheitsausgangswellen verursacht, wenn das Verhältnis der Radien der Drehrollbahnen zwischen dem kleinsten und größ-10 ten Wert in einer Veränderungsrichtung verändert wird.030019/0760
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