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Getriebeanordnung für Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Getriebeanordnung für Fahrzeuge,
insbesondere Kraftfahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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In letzter Zeit sind Tendenzen sichtbar geworden, insbesondere durch
Kegelscheibenumschlingungsgetriebe gebildete stufenlos verstellbare Getriebe in
größerem Umfang im Kraftfahrzeugbau einzusetzen. Trotz einer Reihe von bekannten
Vorteilen, die diese stufenlos verstellbaren Getriebe aufweisen, haben sie auch
einige Nachteile, von denen im folgenden einige wesentliche aufgeführt werden sollen:
Die Spreizung, d. h. das Verhältnis der größten zur kleinsten Übersetzung des Getriebes,
ist im allgemeinen nicht sehr groß.
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Die Lebensdauer und der Wirkungsgrad dieser Getriebe ist im Vergleich
zu Zahnradgetrieben relativ niedrig.
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Das mit derartigen Getrieben übertragbare maximale Drehmoment ist
begrenzt, wobei die Höhe des maximal übertragbaren Drehmoments durch die im ziehenden
bzw. im gezogenen Trum des Zugmittels auftretenden Kräfte bestimmt wird.
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Zur Vergrößerung der Spreizung ist es bereits bekannt, dem stufenlos
verstellbaren Getriebe ein Getriebe mit konstanter Übersetzung parallel zu schalten
und die beiden Getriebezweige wahlweise durch Einrücken entsprechender Kupplungen
zuzuschalten. Auch ist es bereits bekannt, dem stufenlos verstellbaren Getriebe
ein Planetengetriebe zur Erzeugung einer Achsuntersetzung sowie einer wahlweise
zuschaltbaren Drehrichtungsumkehr zuzuordnen. Mit diesen Maßnahmen kann jedoch nicht
das Problem der in der Höhe beschränkten
Drehmomentübertragurtg
solcher stufelllos verstellbarcn Cetricbc gtliisl wcrdcll.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine
Getriebeanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Bauart zu schaffen,
bei der sowohl die Spreizung des Gesamtgetriebes als auch das insgesamt übertragbare
Drehmoment sowie die Lebensdauer und der Wirkungsgrad verbessert werden können.
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Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs
1 angegebenen Merkmale erreicht. Dadurch, daß erfindungsgemäß das Planetengetriebe
und das stufenlos verstellbare Getriebe in einer Leistungsverzweigungsschaltung
angeordnet werden, wird auch für den Fall der Zuschaltung des stufenlos verstellbaren
Getriebes ein wesentlicher Teil des Drehmoment es über den durch das Planetengetriebe
gebildeten mechanischen Weg übertragen, so daß letztendlich nur ein Teil des zu
übertragenen Drehmoment es auch wirklich über das stufenlos verstellbare Getriebe
läuft. Durch einfache Abschaltung des stufenlos verstellbaren Getriebes und Festlegung
des zu dessen Eingangswelle führenden Ausgangs des Planetengetriebes wird ein zusätzlicher,
vorzugsweise als Dauerfahrgang mit einer Übersetzung ins Schnelle auszulegender
Getriebegang bereitgestellt, der die Spreizung des Gesamtgetriebes wesentlich vergrößert.
Neben der Reduzierung des über das stufenlos verstellbare Getriebe zu leitenden
Drehmoments wird durch die Leistungsverzweigung auch eine Verbesserung des Wirkungsgrades
erreicht.
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Auch die Lebensdauer des stufenlos verstellbaren Getriebes wird erhöht,
da zumindest im Dauerfahrgang dieser Getriebezweig abgeschaltet bleibt.
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Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich gemäß den Merkmalen
der Unteransprüche.
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In der Zeichnung sind in den Figuren 1 und 2 zwei alternative Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Getriebeanordnung gezeigt, die im folgenden näher erläutert
wird. Die Figuren 3 und 4 stellen dagegen in grafischen Darstellungen den Verlauf
des Wirkungsgrades 4 , der veränderlichen Übersetzung i des c stufenlos verstellbaren
Getriebes und des Drehmomenten- und Leistungsverhältnisses
dar, womit das Verhältnis des über das stufenlos veränderbare Getriebe zu übertragenden
Drehmomente Mc bzw. der darüber
zu übertragenden Leistung N im Verhältnis
zu dem von dem gesamten Getriebe übertragenen Drehmoment M bzw. der insgesamt übertragenen
Leistung N a 5 angegeben ist, jeweils aufgetragen als Funktion der Gesamtübersetzung
ik In den Figuren 1 und 2 sind jeweils gleiche oder vergleichbare Bauteile mit den
gleichen, ggf. mit einem Strich versehenen Bezugszeichen gekennzeichnet worden.
Dabei ist mit 1 die Getriebeanordnung insgesamt bezeichnet, die ein stufenlos veränderbares
Getriebe 2, ein diesem unmittelbar nachgeschaltetes Getriebe 3 mit konstanter Übersetzung
sowie ein Planetengetriebe 4 aufweist, das aus zwei miteinander in Koppelbauweise
verbundenen Planetensätzen 4a und 4b besteht. Mit 5 ist eine von einem Antriebsmotor,
beispielsweise der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs kommende Getriebeantriebswelle
bezeichnet, die mit einem ersten Eingang des Planetengetriebes 4 verbunden ist.
Dieser erste Eingang wird durch den Planetenträger 6 des ersten Planetensatzes 4a
gebildet, auf dem Planetenräder 7 drehbar gelagert sind. Wie dies allgemein üblich
ist, snd dabei mehrere gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnete Planetenräder
vorgesehen. Der erste Planetensatz 4a weist weiterhin ein Ringrad 8 sowie ein Sonnenrad
9 auf, die beide mit den Planetenrädern 7 im Kämmeingriff stehen.
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Der zweite Planetensatz 4b weist einen Planetenträger 22 auf, auf
dem Planetenräder 26 drehbar gelagert sind, die mit einem Ringrad 27 und einem Sonnenrad
28 in Kämmeingriff stehen. Wie aus der Figur 1 weiter hervorgeht, sind die beiden
Planetensätze 4a und 4b dadurch miteinander gekoppelt, daß das Sonnenrad 28 des
zweiten Planetensatzes 4b über einen Steg 29 mit dem den ersten Eingang des Planetengetriebes
4 bildenden Planetenträger 6 des ersten Planetensatzes 4a verbunden ist. Darüber
hinaus sind die beiden Ringräder 8 und 27 der beiden Planetensätze 4a, 4b über eine
Glocke 30 starr verbunden, wobei diese Glocke 30 mit der ein Abtriebsritzel 32 aufweisenden
Getriebeabtriebswelle 31 verbunden ist und so den zweiten Ausgang des Planetengetriebes
4 bildet.
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Der erste Ausgang dieses in Leistungsverzweigungsschaltung mit dem
stufenlos verstellbaren Getriebe 2 verbundenen Planetengetriebes 4 wird durch das
Sonnenrad 9 des ersten Planetensatzes 4a gebildet, das auf einer zentralen Welle
10 sitzt, die wahlweise über eine Kupplung 11 mit einer Eingangswelle
13
des stufenlos verstellbaren Getriebes 2 oder mittels einer hier als Bandbremse ausgebildeten
ersten Bremse 12 mit dem Gehäuse verbunden werden kann.
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Das stufenlos verstellbare Getriebe 2 ist hier als Kegelscheibenumschlingungsgetriebe
ausgebildet und besitzt ein auf einer Eingangswelle 13 sitzendes Eingangskegelscheibenpaar
14 sowie ein mit einer Ausgangswelle 17 verbundenes Ausgangskegelscheibenpaar 15.
Beide Kegelscheibenpaare 14, 15 sind durch ein Zugmittel 16 verbunden, das vorzugsweise
als Gliederkette ausgebildet ist. Durch gegensinnige Verstellung der Kegelscheibenpaare
14 und 15 ergibt sich dabei in bekannter Weise eine Veränderung der Wirkradien,
mit denen das Zugmittel 16 an den Kegelscheibenpaaren angreift, und damit eine stufenlose
Veränderbarkeit der Übersetzung des stufenlos verstellbaren Getriebes 2.
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Dem stufenlos verstellbaren Getriebe 2 ist ein Getriebe 3 mit konstanter
Übersetzung nachgeschaltet, das hier aus einem ein Eingangszahnrad 18, ein Zwischenzahnrad
19 und ein Ausgangszahnrad 20 aufweisenden Zahnradgetriebe gebildet wird. Eine Ausgangswelle
21 des aus dem stufenlos verstellbaren Getriebe 2 und dem Konstantübersetzungsgetriebe
3 bestehenden Getriebeanordnung ist mit dem durch den Planetenträger 22 des zweiten
Planetensatzes 4b gebildeten zweiten Eingang des Planetengetriebes 4 verbunden.
Dieser zweite Eingang weist einen Steg 23 auf, der über eine hier als Lamellenbremse
ausgebildete zweite schaltbare Bremse 24 mit dem Getriebegehäuse 25 verbindbar ist.
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Während die Getriebeanordnung nach der Figur i in rücktreibender Bauweise,
beispielsweise also für ein Fahrzeug mit Frontantrieb ausgestaltet ist, zeigt die
in der Figur 2 gezeigte Anordnung eine Ausführung in durchtreibender Bauweise, die
vorzugsweise für einen Standardantrieb Verwendung finden kann. Es ist jedoch selbstverständlich,
daß die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Anordnungen jeweils auch für die andere
Bauweise geeignet sind.
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Die Ausführung nach der Figur 2 unterscheidet sich von derjenigen
der Figur 1 im wesentlichen dadurch, daß die Anordnung und Kopplung des Planetengetriebes
4'
anders ist. Die Kopplung der beiden Planetensätze 4a' und 4b' erfolgt hier nämlich
durch starre Verbindung der Planetenräder 7' und 26' der beiden Planetensätze, wodurch
ein gemeinsamer Planetenträger 6' vorgesehen ist, der, wie bereits bei der Ausführung
nach der Figur 1, als erster Eingang des Planetengetriebes 4' mit der Getriebeantriebswelle
5' verbunden ist. Das Sonnenrad des zweiten Planetensatzes ist bei der Ausführung
nach der Figur 2 weggelassen worden, bzw. seine Funktion wird durch das Ringrad
8' des ersten Planetensatzes 4a' miterfüllt. Dieses ist über eine Glocke 30' mit
der Getriebeabtriebswelle 31' verbunden und bildet so allein den zweiten Ausgang
des Planetengetriebes 4'. Der erste Ausgang wird auch hier durch das Sonnenrad 9'
des ersten Planetensatzes 4a' gebildet, das auf der zentralen Hohlwelle 10' gehalten
ist, durch die die Getriebeantriebswelle 5' hindurchgreift.
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Der zweite Eingang des Planetengetriebes 4', der mit der Ausgangswelle
21 des aus dem stufenlos verstellbaren Getriebe 2 und dem Konstantübersetzungsgetriebe
3 bestehenden Getriebezuges verbunden ist, wird bei der Ausführung nach der Figur
2 durch das Ringrad 27' des zweiten Planetensatzes 4b' gebildet, das über einen
Steg 23' und die als Lamellenbremse ausgebildete zweite schaltbare Bremse 24 am
Getriebegehäuse 25 festlegbar ist.
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In beiden, in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen der
Erfindung wird dadurch, daß immer zumindest ein Teil des von dem Getriebe zu übertragenden
Moments direkt über das Planetengetriebe an den Abtrieb weitergegeben wird, erreicht,
daß zum einen die von dem stufenlos verstellbaren Getriebe 2 zu übertragende Leistung,
bzw. das von diesem zu übertragende Drehmoment, reduziert wird. Gleichzeitig wird
der Wirkungsgrad verbessert und dadurch, daß das stufenlos verstellbare Getriebe
2 ganz abgeschaltet werden kann, eine relativ große Spreizung des Gesamtgetriebes
erreicht.
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Dabei brauchen nur relativ wenig Schaltglieder, nämlich eine Kupplung
und zwei Bremsen zur Verfügung gestellt werden, um den gesamten, von einem Kraftfahrzeug
abzudeckenden Betriebsbereich zu überdecken,wobei die Kupplung 11 im Vorwärtsfahrbetrieb
und die Lamellenbremse 24 im Rückwärtsfahrbetrieb zugleich als Anfahrglieder verwendet
werden. In den nachfolgenden Tabellen ist für die mit Hilfe eines Getriebewählhebels
anzuwählenden unterschiedlichen Betriebsbereiche, nämlich Leerlauf N, Anfahr- und
Beschleunigungsbereich
A, Dauerfahrt D, Rückwärtsfahrbereich R
sowie Parkstellung P jeweils der Schaltzustand der drei Schaltglieder angegeben,
wobei das Symbol "X" ein eingerücktes Schaltglied und das Symbol "-" ein ausgerückt
es Schaltglied bedeutet. Darüber hinaus ist die Drehzahlübersetzung ik und die Drehmomentübersetzung
iM für die einzelnen Fahrbereiche sowie der Wirkungsgrad angegeben.
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Während die Tabelle 1 die Verhältnisse für die in der Figur 1 der
Zeichnung dargestellte Getriebeanordnung angibt, zeigt die Tabelle 2 die Verhältnisse
für die Ausführung nach der Figur 2.
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In der letzten Spalte der Tabellen sind unter der Rubrik Bemerkungen
noch Angaben über realistisch zu wählende Übersetzungsverhältnisse der verwendeten
Getriebearten zu finden, anhand derer dann die in der Tabelle zu findenden Werte
der Drehzahlübersetzung und der Drehmomentenübersetzung sowie des Wirkungsgrades
errechnet wurden. Dabei ist jeweils mit i01 die sogenannte Standübersetzung des
ersten Planetensatzes und mit i02 die des zweiten Planetensatzes des Planetengetriebes
bezeichnet, die sich bis auf die Standübersetzung des zweiten Planetensatzes der
in der Fig. 2 gezeigten Getriebeanordnung aus dem Verhältnis des jeweiligen Ringrades
zum entsprechenden Sonnenrad errechnet. Die Standübersetzung i02 des zweiten Planetensatzes
4b' aus Fig. 2 ergibt sich dagegen gemäß der Tabelle 2 mit den angenommenen Zähnezahlen
Z7, für die ersten Planetenräder 7?, 7 für das erste Ringrad 8', Z27' für das zweite
Ringrad 27' und Z26, für die zweiten Planetenräder 26' zu 1,417.
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i ' gibt in den Tabellen die veränderliche Übersetzung des stufenlos
verstellbaren Getriebes 2 an, die zusammen mit der konstanten Übersetzung k des
Konstantübersetzungsgetriebes 3 die veränderliche Gesamtübersetzung ic des aus dem
stufenlos verstellbaren Getriebe und dem Konstantübersetzungsgetriebe bestehenden
Getriebezuges ergibt. Dabei ist mit Z18 in beiden Tabellen die Zähnezahl des Eingangszahnrades
18 und mit 20 die Zähnezahl des Ausgangszahnrades 20 des Konstantübersetzungsgetriebes
3 bei der Formel zur Ermittlung der konstanten Übersetzung ik des Getriebes 3 angegeben.
Tabelle
1
| Schalt- Wirkungsgrad |
| zustand #=iM#1/iK |
| Drehzahlübersetzung Drehmomentübersetzung Bemerkungen |
| Betriebs- K B1 B2 |
| bereich (11) (12) (24) |
| N - - - Standübersetzungen |
| X - - ikc = ############# iMc = ############### 0,8344-0,9551
iO1=-2; iO2=-4. |
| = 3,4---1,0 =2,8370-0,9551 Standswirkungsgrad: |
| #01=#02=#0=0,98 |
| D - X - ikK = ##### = 0,667 iMk = ####### = 0,662 0,993 ic=i'c-ik,
ik=2,354 |
| i'cmax=2,354 @min |
| R - - X ikR = iO2 = -4,0 iMR = #o#io2 = -3,92 0,980 0,425 |
| ik=Z20/Z1B=2,354 |
| P - X X #c=#c'#k=0,873 |
| #'c=0,9; #k=0,97 |
| Verstellbereich |
| des CVT: |
| R= i'cmax/i'cmin=1,571: |
| Gesamtverstellbe- |
| R9=3,4 |
| Gesamtspreizung |
| ikcmax/ikK=3,4/0,667=5,@ |
Tabelle 2
| Schalt- |
| zustand |
| Betriebs- K B1 B2 Drehzahlübersetzung Drehmomentübersetzung
Wirkungsgrad Bemerkungen |
| bereich (11) (12) (24) ik iM #=iMJ.1/iK |
| N - - - Standübersetzungen |
| io1=-2,333; io2=Z7/Z8#@@@/@@@ |
| A X - - ikc=############### iMc=################# 0,8190-0,9581
Standwirkungsgrad |
| =3,5-1,0 =2,8190-0,9581 #01=8,98; #02=0,99, |
| ic=i'cik; ik=2,319, |
| D - X - ikK=###########=0,7 iMk=###########=0,696 0,994 i'cmax=2,319;
i'cmin=0,431, |
| #c = n'c##k=0,873: |
| R - - X ikR=####=-2,4 iMR=#######=-2,319 0,966 #'c=0,9; #k=0,97 |
| Verstellbereich des CVT |
| P - X X R=i'cmax/i'cmin=5,38 |
| Gesamtverstellbereich |
| Rg=3,503 |
| Gesamtspreizung |
| ikcmax/ikK=3,5/0,7=5,0 |
Aus dat in der beiden Tabellen angecJcterlerlllerten sowie den
in den Figuren 3 und 4 dargestellten Verläufen läßt sich nun unmittelbar herleiten,
daß der Gesamtverstellbereich der aus dem verstellbaren Getriebe 2 (ergänzt durch
das Konstantübersetzungsgetriebe 3) und dem Planetengetriebe 4 bestehenden Getriebeanordnung
sich zu 3,4 : 1 für die Ausführung nach der Figur 1 bzw. zu 3,5 : 1 für die Ausführung
nach der Figur 2 ergibt. Dieser Verstellbereich, der sich im Betriebsbereich A einstellt,
reicht aus, um ein günstiges Anfahren, Beschleunigungsvorgänge sowie den größten
Teil des Stadtfahrtbetriebes durchführen zu können. Hierbei ist bei geschlossener
Kupplung 11 das stufenlos verstellbare Getriebe 2 in leistungsverzweigter Anordnung
zugeschaltet, wobei die Übersetzung in herkömmlicher Weise den jeweiligen Betriebszuständen
stufenlos angepaßt werden kann.
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Dieser Verstellbereich wird durch eine in dem Dauerfahrt-Betriebsbereich
D erreichte konstante Übersetzung von beispielsweise 0,667 für die Ausführung nach
der Figur 1 bzw. 0,7 für die Ausführung nach der Figur 2 ergänzt, wobei diese Übersetzungen
einen Schnellgang (overdrive) für besonders geräuscharme und verbrauchsgünstige
Betriebsweise darstellen. Die Gesamtspreizung der Getriebeanordnung ergibt sich
damit zu 3;'467 = 5,1 bzw. 3 - 5 0,667 - 0,7 -Der Rückwärtsgang wird durch Zuschalten
der zweiten Bremse 24 bei ausgerückter Kupplung 11 erreicht und steht mit einer
konstanten Übersetzung von 4 bzw. 2,4 bereit.
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Bei Auswertung der in den Figuren 3 und 4 gezeigten grafischen Darstellungen
läßt sich weiter feststellen, daß durch die erfindungsgemäßen Getriebeanordnung
eine wesentliche Reduzierung des über das stufenlos verstellbare Getriebe 2 zu übertragenden
Drehmomentes erreicht wird. So zeigt sich, daß bei der größten Getriebegesamtübersetzung
ikcmaçd. h. also beim M Anfahren, das Drehmomentenverhältnis c , also das Verhältnis
des über 5 das stufenlos verstellbare Getriebe 2 zu leitenden Drehmomentes zu dem
Gesamtdrehmoment kleiner als 0,5 ist. Das bedeutet, daß weniger als die Hälfte des
gesamten über das Getriebe zu übertragenden Antriebsmomentes über das stufenlos
verstellbare Getriebe 2 läuft, so daß dieses trotz der erreichten großen Spreizung
wesentlich entlastet wird. Mit anderen Worten kann nunmehr für einen Fahrzeugantrieb
einer bestimmten Leistungsklasse ein stufenlos verstellbares Getriebe in der von
der Erfindung aufgezeigten leistungsverzweigten Schaltung verwendet werden, das
bei den bisher bekannten Anordnungen nur für Fahrzeugantriebe mit etwa halb so großer
Leistung verwendet werden konnte.
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Das Verhältnis der Leistung des stufenlos verstellbaren Getriebes
2 zur N Gesamtleistung des Getriebes r ist beim Anfahren zwar etwas größer N a als
1 und fällt dann mit kleiner werdender Übersetzung relativ stark ab.
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Jedoch wird gerade beim Anfahren nur eine kleine Leistung verlangt,
so daß dieses Verhalten keinen Nachteil bedeutet. Der Uirkungsgrad der Getriebeanordnung
beträgt beim Anfahren etwa 0,8 bis 0,85; er verbessert sich jedoch mit abnehmender
Übersetzung und beträgt im Bereich von 1,6 bis 1, was etwa Stadtfahrbetriebsverhältnissen
entspricht, einem Wert von 0,9 und darüber. Für Dauerfahrt mit der konstanten Schnellgangübersetzung,
die vorzugsweise auf Autobahnen und Landstraßen verwendet wird, ist der Wirkungsgrad
mit über 0,99 sehr gut.
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Es ist auch möglich, den Gesamtverstellbereich noch weiter zu vergrößern,
M wobei sich auch das Verhältnis ~ c vergrößern würde, jedoch würde dadurch a der
Wirkungsgrad des Getriebes auch verschlechtert.
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Weiter wäre es möglich, durch Optimierung der Standübersetzungen der
beiden Planetensätze den Gesamtverstellbereich des Getriebes zu verkleinern und
eventuell mit einem Planetensatz in Gruppenbauweise im Abtrieb des Getriebes den
Gesamtverstellbereich wieder zu erweitern. Auf diese Weise könnte der beim Anfahren
über das stufenlos verstellbare Getriebe 2 zu leitende Antriebsmomentenanteil noch
weiter reduziert werden.
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Insgesamt gesehen ergibt sich also, daß mit der erfindungsgemäßen
Anordnung trotz Erweiterung des Verstellbereiches und Verwendung eines stufenlos
verstellbaren Getriebes das über dieses zu übertragende Drehmoment dadurch wesentlich
reduziert werden kann, daß ein wesentlicher Teil des Antriebsdrehmomentes über das
in Leistungsverzweigung geschaltete Planetengetriebe geleitet wird. Darüber hinaus
wird eine Verbesserung des Wirkungsgrades eben auch dadurch erreicht, daß ein wesentlicher
Teil der Leistung direkt über das Planetengetriebe geführt wird. In einem speziellen
Schnellgang, bei dem das stufenlos verstellbare Getriebe abgeschaltet ist, wird
dann ein besonders guter Wirkungsgrad erzielt. Das stufenlos verstellbare Getriebe
ist demgegenüber nur während des Anfahrens, in Beschleunigungsphasen und bei der
Stadtfahrt in Betrieb, also nur in einem beschränkten Teil der Gesamtbetriebszeit
des Fahrzeugs, wodurch die gegenüber Zahnradgetrieben verringerte Lebensdauer der
stufenlos verstellbaren Getriebe weniger
kritisch wird. Die Zahl
der zu verwendenden Schaltglieder ist sehr klein und die beschriebene Getriebeanordnung
läßt sich sowohl für Frontantrieb als auch für Heckantrieb verwenden. Die Getriebeanordnung
zeichnet sich weiter durch Kompaktheit und dadurch aus, daß eine einfache Vollautomatisierung
möglich ist.