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Automatisches Zahnrad-Umlaufgetriebe, insbesondere für Kraftfahrzeuge
Die Erfindung bezieht sich auf ein Stufengetriebe, insbesondere für Kraftfahrzeuge,
das aus beliebig vielen Planetenrädersätzen zusammengesetzt ist, sich selbsttätig
reguliert und außerdem Hand- und 1#ußschaltungen zuläßt.
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Die bisher bekannten automatischen Zahnradgetriebe sind auf Fliehkraftwirkung
aufgebaut, d. h. jeder Gangwechsel setzt ein, wenn der Motor hierfür die bestimmte
Umdrehungszahl oder auch das Fahrzeug die bestimmte Fahrgeschwindigkeit erreicht
hat. Dieses Prinzip ist aber vom technischen und wirtschaftlichen Standpunkt aus
betrachtet falsch. Der Gangwechsel muß dann einsetzen, wenn das Drehmoment dies
erfordert, d. h. das Motordrehmoment muß entsprechend der Belastung und nicht entsprechend
der Geschwindigkeit vom Getriebe umgewandelt werden. Da die Anwendung dieses Prinzips
bisher nur bei hydraulischen, mit bekanntlich relativ geringem Wirkungsgrad arbeitenden
Getrieben und solchen Zahnradgetrieben mit pneumatischem (Vakuum) oder elektromagnetischem
Einschlag bekannt geworden ist, so ist der technische Fortschritt der Erfindung
darin zu erblicken, daß Pneumatik und Elektromagnetik wegfallen, wodurch wesentliche
Störungsquellen schon von vornherein ausgeschaltet werden.
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Das Neue besteht ferner darin, daß der Umlauf der Planetenräder von
je einem Doppelbremskörper und einem Gegenbremskörper gesteuert wird, indem beide
durch Federdruck so lange kraftschlüssig miteinander verbunden bleiben, bis sie
durch das gegenläufige Drehmoment des mit Druckwalzen versehenen Zentralrades mittels
Kurvenringes und axial verschiebbarer Druckstifte getrennt werden
und
zugleich der Doppelbremskörper allein gegen das Getriebegehäuse reibungsschlüssig
abgestützt wird, wodurch ein Untersetzungsverhältnis entsteht.
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In Fig. i der Zeichnung ist eine Ausführungform des Erfindungsgegenstandes
als Dreiganggetriebe mit einem besonderen Schnellgang und einem Rückwärtsantrieb
im Schaltraum a sowie einer Anbaufolge für weitere Gänge im Schaltraum d und die
Möglichkeit einer zusätzlichen Handschaltung im Schaltraum bim Längsschnitt schematisch
dargestellt. Die Fig. 2 und 3 zeigen schematisch die beiden Hauptstellungen der
Druckwalzen auf den abgewickelten halben äußeren Auflaufkurven der Kurvenringe.
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Auf den Mittel- oder Hauptwellen 7, 8 und 9 sind die Hohlradträger
io mit ihren Hohlrädern i i fest verkeilt. Die ebenfalls feste Verbindung der Planetenradträger
12 mit einer Hauptwelle ist so getroffen, daß der in Richtung des Kraftflusses vorgeordnete
Planetenradumlauf als Antrieb für das nachgeordnete Hohlrad dient. Die Zentralräder
13 sitzen lose auf den Hauptwellen. Erstere sind mit zwei oder mehreren auf dem
Umfang gleichmäßig verteilten Druckwalzen 14 versehen, die gegen einen Kurvenring
15 laufen, der wiederum von einer Anzahl auf dem Umfang gleichmäßig verteilter,
in dem Doppelbremskörper 16 axial verschiebbarer Druckstifte 17 geführt wird. Der
Doppelbremskörper 16, der ebenfalls lose auf der Hauptwelle sitzt, wird von einer
Zentralfeder 18 mit seiner äußeren Bremsfläche gegen das Gehäuse i9 abgestiitzt
(gebremst). Der zugehörende Gegenbremskörper 2o ist in Keilnuten auf der gleichen
Hauptwelle verschiebbar. Seine Druckfedern 21 finden ihre Abstützung an der Vollringscheibe
22, welche die geteilte Scheibe 23 umfaßt, die mit ihren Hälften in einer Ringnut
24 der Hauptwelle fest gegen Schub und Verdrehung eingekeilt ist.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Der von der fußbedienten Reibungskupplung
abgehende Wellenstrang ist direkt mit dem Antriebsrad 25 verbunden. Das mittels
Handhebels 26 auf der Hauptwelle 7 in Keilnuten verschiebbare und mit einer Art
Überwurfkupplung versehene (Zentral-) Rad 27 stellt entweder, wie in der jetzigen
D-Stellung (direkte Gangart), den unmittelbaren Kraftschluß bis an den ersten Planetenradsatz
her oder leitet den Kraftfluß nach Handumstellung von außen über das Vorgelege 28
als Schnellgang- oder Rückwärtsganggetriebe mittelbar weiter nach dem ersten Planetenradsatz.
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Die Leerlaufstellung L (Schaltraum a, Fig. i) liegt
hier zweckmäßig zwischen dem direkten Gang D und dem Schnellgang S. Sie könnte ganz
wegfallen, wenn man den Kupplungsfußhebel noch mit einer automatischen Abfangvorrichtung
versehen würde, die den Kupplungsfußhebel aber sofort wieder freigibt, sobald er
noch etwas weiter nach unten getreten wird, als zu seiner Abfangung nötig war (konstruktiv
ist dieses Problem bereits gelöst).
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Beim Anfahren ist zunächst der Hauptgang, das ist der schnellste Gang,
also bei einem Vierganggetriebe der IV. Gang direkt eingeschaltet. (Der besonders
vorgesehene Schnell- oder Schongang bleibt hier außer Betracht.) Sämtliche inneren
Umlaufteile des Drehmomentwandlers, ob drei-, vier-, fünf- oder mehrstufig, bilden
zunächst einen einzigen in sich geschlossenen, vorläufig jedoch noch stillstehenden
Block. Hierbei 'nehmen die Druckwalzen 14 ihre tiefste (Rasten-) Stellung 29 wie
im Schaltraum c und in Fig. 3 auf dem Kurvenring 15 ein.
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Das bedeutet, daß die Druckfedern 21 in Oberwindung der Zentralfederkraft
18 den Reibungsschluß des Gehäuses i9 mit dem Doppelbremskörper 16 aufgehoben und
diesen zugleich kraftschlüssig mit dem Gegenbreniskörper 2o verbunden haben. Das
Untersetzungsverhältnis jedes einzelnen Umlaufgetriebes und damit des gesamten Drehmomentwandlers
beträgt somit beim Start zunächst noch i : i, womit das Fahrzeug nicht anlaufen
kann. Nimmt man beispielsweise einen Motor mit 40 PS Gesamtleistung an, dann beträgt
dessen Drehmoment bei seiner größten Geschwindigkeit von 4000 Umdrehungen je Minute
noch 7,i6mkg. Sobald aber bei geringer Gesch,#vindigkeit des Motors das Drehmoment
an der fußbedienten Reibungskupplung auf 7,5 inkg oder mehr angewachsen ist, wird
das Zentralrad 13 des ersten Planetengetriebes, also das im Schaltraum b, das den
entsprechenden Federdruck hat, in entgegengesetzte Drehrichtung versetzt. Seine
Druckwalzen 14 laufen nach Überwindung der Rastenlage auf dem Kurvenring 15 hoch,
wodurch dieser axial verschoben wird (Schaltraum b und Fig. 2). Die Folge hiervon
ist, daß mittels der Führungsstifte 17 der Gegenbremskörper 2o vom Doppelbreniskörper
16 gelöst und dieser durch den Zentralfederdruck gegen das Getriebegehäuse i9 abgestützt
wird. Dadurch wird aber auch der weitere Rücklauf des Zentralrades 13, das höchstens
eine Viertelumdrehung machen könnte, gehemmt und ein kraftschlüssiges Untersetzungsverhältnis
geschaffen, welches sich auf den nächsten Planetenradsatz (Schaltraum c) auswirkt.
Das hierbei übertragene Drehmoment erhöht sich um den Betrag, der sich aus dem Größenverhältnis
der Zentralräder zu den Hohlrädern plus eins ergibt. Beispiel Zentralräder 36 Zähne,
Ilohlrä der 6o Zähne. Dann ist das Untersetzungsverhältnis der Hauptwelle 8 zur
Hauptwelle 9 bei abgebremstem Zentralrad 13 am Gehäuse i 9
oder bei stillstehendem Fahrzeug ist das jetzt auf den zweiten Planetenradsatz (Schaltraum
c) einwirkende Drehmoment iAinal so groß wie beim ersten. Die Federn 18 und 21 des
zweiten Planetenradsatzes sind so bemessen, daß die Umstellung jetzt nicht sofort
erfolgt, sondern erst nachdem sich das Drehmoment von der fußbedienten Reibungskupplung
her noch weiter erhöht hat, etwa auf 8,6 mkg. Auf diese Weise stellt sich dann das
nächste und stellen sich dann nacheinander, bei entsprechend weiterer Erhöhung des
Drehmoments sämtliche
vorhandenen Planetenradsätze auf ihr Untersetzungsverhältnis
von 1,6 : i um, so daß sich bei einem Vierganggetriebe, welches drei komplette Planetenradsätze
haben muß, das Drehmoment an der Abtriebsachse zum Differential auf 1,6 - 1,6 1,f>
= 4,1 mal (i. Gang) gegenüber (lern Motordrehmoment an der fußbedienten Reibungskupplung
vergrößert hat, womit (las Fahrzeug, wenn nicht schon vorher, anfahren kann. Der
gesamte Anlaufprozeß vollzieht sich dabei genau so schnell wie bei einem manuellen
Schaltgetriebe, so daß auch keine größeren Reibungsverluste entstehen. Sobald aber
das Fahrzeug angelaufen ist, wird, wie üblich, der Kupplungsfußhebel ganz zurückgenommen.
Die Weiterfahrt wird nur noch mit dem Gasfußhebel reguliert, wobei folgende Automatik
spielt: Der Druck der Federn 21 auf den Kurvenring 15 und damit auch gegen die Druckwalze
14 ist die Kraft, die das Zentralrad 13 immer wieder in die Kurvenraste 29 (Fig.
3) dreht und zu drehen bestrebt ist. Dieser Kurvenablauf tritt ein, sobald durch
Vergrößertuig der Fahrgeschwindigkeit oder Drosselung der Gaszufuhr das gegenläufige
Drehmoment entsprechend verringert wird. Hierbei läuft immer das zuletzt aufgelaufene
Zentralrad eines Planetengetriebes, also das mit dem stärkeren Federdruck zuerst
wieder ab. Mit jedem Ablauf eines Zentralrades aber schaltet sich auch ein Untersetzungsverhältilis
in Größe 1,6 : i ab, bis alle inneren Umlaufteile des Drehmomentwandlers einen einzigen
jetzt aber umlaufenden Block mit dem Übertragungsverhältnis i : i bilden.
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Kommt das Fahrzeug auf eine Steigung, so wiederholt sich dieselbe
Automatik wie beim Anfahren (Start), d. 1i. das Drehmoment der Last paßt sich automatisch
mit den Untersetzungen von 1 : 1 nacheinander auf 1,6: i oder 2,56: i oder 4,1 :
1 sofort dem jeweiligen Motordrehmoment an.
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Fährt das Fahrzeug bergab, so kann man entweder je nach Gefälle und
gewünschter Geschwindigkeit den Leerlauf von Hand einschalten oder die Fußkupplung,
was bequemer ist, austreten, falls der Kupplungshebel automatisch abgefangen wird,
oder bei mehr oder weniger Gaswegnahme den Motor mehr oder weniger zum Bremsen mitverwenden.
In diesem Falle verharren die Druckwalzen 14 der Zentralräder 13 entweder in ihrer
Raste 29 mit einem Übertragungsverhältnis von i : i oder sie laufen auf der anderen
Seite der Kurven des Kurvenringes 15 hoch und stellen somit ein Cbersetzungsbremsverhältnis
von 1 : 1,6 oder 1 :2,56 oder 1 :4,1 je nach Gaswegnahme und Fahrgeschwindigkeit
automatisch her. Die ganze Fahrtechnik beschränkt sich somit hauptsächlich auf die
Bedienung des Gaspedals, also einschließlich des Bremsens, und beseitigt damit zugleich
den ständigen und ermüdenden Fußwechsel zwischen Gas-und Bremspedal.
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Obwohl bei einer derartigen Automatik Handschaltungen kaum erforderlich
sind, läßt es die Konstruktion des Erfindungsgegenstandes mit den einfachsten und
bewährten Mitteln zu, ein oder mehrere Getriebegänge auch von Hand oder Fuß schalten
zu können. Zu diesem Zweck wird der Gegenbremskörper 2o mittels mehrerer Hebel 30
und dem Druckring 31 in Weiterleitung von außen durch eine Schaltwelle 32 gegen
die Vollringscheibe 22 gedruckt (Schaltraum b), womit das übertragungsverhältnis
dieses Planetenradsatzes in der Größe 1,6 : i dauernd eingeschaltet und nicht mehr
der Automatik unterworfen ist.
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Umgekehrt aber ist es auch möglich, den Kraftschluß zwischen dem Doppelbremskörper
16 und Gegenbremskörper 2o von außen mit ähnlichen, einfachen Mitteln zu blockieren
und dadurch die Automatik ebenfalls auszuschalten.
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Die Anordnung des Rückwärtsgetriebes zwischen Drehmomentwandler und
fußbedienter Reibungskupplung hat u. a. den Vorteil, daß alle Räder, Wellen und
Lager im Schaltraum a immer nur mit dem einfachen Motordrehmoment belastet und daher
entsprechend schwächer und leichter gehalten werden können.
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Auch die Vorordnung eines manuellen Schnellganges ist von besonderer
Bedeutung. So ist es bei flacheren Bergfahrten oft erwünscht, mit dem größten Motordrehmoment
auch die größtmöglichste Fahrgeschwindigkeit zu erzielen. Erzeugt der Motor beispielsweise
bei 2ooo Umdrehungen je Minute sein größtes Drehmoment mit (angenommen) 1o,5 mkg,
so würde ohne Schnellgang und bei entsprechender Steigung das Getriebe jetzt im
ersten Gang laufen, weil es zunächst mit 7,5, dann mit 8,6 und schließlich mit 9,8
mkg nacheinander alle drei Untersetzungsstufen eingeschaltet und das Ulitersetzungsverhältnis
somit auf 1,6 - 1,6 # 1,6 = 4,1 : 1 gebracht hat. Das größte Drehmoment von io,5
mkg könnte also immer nur im I. Gang ausgenutzt werden. Schaltet man jedoch einen
Schnellgang mit einer Übersetzung von 1 :1,2 vor die Automatik, so müßte das Drehmoment
auch immer auf das 1,2fache, das ist auf 9,o bzw. 10,32 bzw. 11,76 mkg anwachsen,
bevor es die einzelnen Untersetzungsstufen einschalten kann. Da das größte Drehmoment
jedoch über io,5 mkg nicht ansteigt, kann es im Schnellgang eben gerade noch diese
beiden Untersetzungen mit 9,o und dann 10,32 mkg einschalten. Das Untersetzungsverhältnis
würde in diesem Falle
und bei nur einer Untersetzung sein. Aus diesem eigentlichen Vierganggetriebe
ist somit ein Siebenganggetriebe, allerdings mit einer einmaligen Handhebelbewegung,
in den Abstufungen 4,1 : 1 ; 2,56: 1; 2,13 : 1; 1,6 : 1; 1,33 : i ; i : i und 1
:1,2 geworden.
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Ein Dreiganggetriebe mit zwei Planetenradsätzen würde unter gleichen
Voraussetzungen, also auch unter Einbau nur eines einzigen Zahnrades 33 zu einem
Fünfganggetriebe.
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Bei allen vorbenannten Zahlenbeispielen handelt es sich um ein Vollgasdrehmoment.
Durch entsprechende Abflachung der Kurvenrasten 29 ist es aber ebenso gut möglich,
das Getriebe schon auf ein bestimmtes Teillastdrehmoment, reagieren und das Vollgasdrehmoment
erst mit Einschaltung
eines entsprechend großen Schnellganges wirksam
werden zu lassen.
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Nach Einschaltung des Rückwärtslaufes ändert sich bei dieser Anordnung
auch die Drehrichtung der Zentralräder 13. Die Druckwalzen 1q. laufen dann wie bei
einer Motorbremsung ebenfalls auf der Bremsseite der Kurvenringe 15 hoch.
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Statt der Stirnräder können auch Kegelräder verwendet werden.
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Da die Schaltungen mit dem Handhebel 26 in einer Ebene verlaufen,
ist es konstruktiv einfach, ihn nach bekannter Art unter dem Steuerrad ]in Parallellauf
mit diesem anzuordnen.