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Stufenlos regelbares Getriebe, insbesondere für Kraftfahrzeuge Stufenlose
Getriebe haben sich als Untersetzungsgetriebe für Kraftfahrzeuge bisher nicht einführen
können. Sämtliche Versuche mit Regelgetrieben, insbesondere mit Reibradgetriehen,
sind gescheitert. Obwohl die auf dem Markt befindlichen Getriebe sich im allgemeinen
Maschinenbau bewährt haben, so sind diese den außerordentlich großen und mannigfaltigen
Anforderungen als Fahrzeuggetriebe nicht gewachsen.
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In den letzten Jahren ist, besonders auch im Ausland, eine Anzahl
automatischer Getriebe für Fahrzeuge entwickelt worden, welche sich hinsichtlich
ihrer Funktion bereits bewährt haben. Diese Getricl)c Haben jedoch mit stufenlosen
Regelgetrieben nichts gemein, wenn auch durch Ablösefreiläufe oder auf Hydraulischem
Wege (meistens handelt es sich tun eine Weiterentwicklung des Föttinger-Betriebes)
die notwendigen Zahnradgetriebe automatisch geschaltet werden. Diese hydraulischen
Automatiken zeichnen sich aber durch einen sehr ungünstigen Wirkungsgrad aus und
bedingen hohe Herstellungskosten.
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Ein echtes stufenloses Getriebe, z. B. ein Reibradgetriebe, ermöglicht
es erst, dem Motor eine einzige und eindeutige, vom Leerlauf bis zur Höchstleistung
durchlaufende Betriebskennlinie zuzuordnen, welche er niemals zu verlassen braucht,
gleichgültig welche Anfordierungen durch die Straße oder den Fahrer an den Motor
gestellt werden. Dadurch fallen die Teillastmehrverbräuche weg, welche bekanntlich
beim Ottomotor sehr hoch sind. Ein stufenlos regelbares Getriebe ermöglicht also
nicht nur ein einfaches und sicheres Fahren, sondern es bringt auch eine beachtliche
Kraftstoffersparnis m.it sich. Auch ist der
Wirkungsgrad eines gut
arbeitenden Reibradgetriebes besser als derjenige eines Strömungswandlers. Ferner
ließe sich durch die Anwendung der stufenlosen Geschwindigkeitsregelung die Entwicklung
im Motorenbau dahin gehend steuern, daß der Verlauf der Motorenkennlinie nicht mehr
mit Rücksicht auf Elastizitätsforderungen, sondern nur noch auf geringen spezifischen
Verbrauch, Spitzenleistung, Klopfgrenze und Rundlauf festzulegen wäre.
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Erfindungsgemäß wird nachstehend ein stufenlos regelbares Kraftfahrzeuggetriebe
beschrieben, welches ein Reibradgetriebc darstellt, dessen Regelung durch eine hydraulische
Steuervorrichtung bewirkt wird. Das stufenlos regelbare Reibradgetriebe besitzt
drei Reibräder, deren Wellen derart angeordnet sind, daß diese jeweils einen Winkel
von 12o° einschließen. Die Wellen und somit die Reibräder werden über ein in der
Getriebemitte befindliches Verteilergetriebe angetrieben. Die Reibräder befinden
sich zwischen, zwei Tellerscheiben, und wälzen sich an diesen ab. Dadurch nimmt
jedes Reibrad zweimal an der Leistungsübertragung teil. Ein Getriebe dieser Art
ist somit in der Lage, das Mehrfache an Leistung zu übertragen gegenüber einem normalen
Reibradgetriebe mit nur einer Reibstelle. Die Größe der zu übertragenden Leistung
bei Reibradgetrieben ist bekanntlich von dem Anpreßdruck der aufeinander abwälzenden
Reiborgane und von dem Reibungsbeiwert der verwendeten Werkstoffe abhängig. Ein
Getriebe zur Übertragung großer Leistungen isst demnach nur durch die Anordnung
mehrerer Reibstellen durchführbar. Dabei ist das Getriebe in seinen äußeren Abmessungen
nicht größer als ein normales Reibra-dgetriebe. Es ist somit eine wesentliche Forderung
zur Entwicklung eines Fahrzeugreibradgetriebes erfüllt.
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Die Reibstellen zwischen den Reibrädern und, den Tellerscheiben stehen
sich bei dem neuen Getriebe gegenüber, so daß sich die Anpreßdrücke innerhalb der
Reibräder aufheben:. Dadurch sind die Reibradwellen druckenitIastet, was,s,ich zugleich
auch auf die Lager der Wellen günstig auswirkt. Die Reibraddrücke werden ausschließlich
von den Tellerscheiben aufgenommen und über kräftige Längslager an die Gehäusewand
weitergeleitet.
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Zur Erzielung einer gleichmäßigen Lastverteilung an den einzelnen
Reibstellen sind die Tellerscheiben auf @sagenannten Führungsringen pendelnd gelagert.
Dadurch können sich die Scheiben mit jeweils gleich großem Druck an die Reibrädier
anpressen (Dreipunktlagerung). Jede Tellerscheibe übernimmt die Hälfte der zu übertragenden
Gesamtleistung. Die Scheiben sind über einen Klemmrollentrieb mit den Abtriebswellen
verbunden. Letztere sind übereinenKegelradtrieb miteinander gekoppelt. Dieser Klemmrollentrieb
ist derart ausgebildet, daß Kugeln oder schräg gestellte Rollen die in Längsrichtung
eingestellten Klemmbuchsen, welche durch die zu übertragende Abtriebskraft versuchen,
gegenüber den Führungsringen nachzueilen, verschieben, möchten und so die Anpressung
der Tellerscheiben gegen die Reibräder bewirken. Dabei stellt sich die Größe des
Anpreßdruckes entsprechend dem jeweiligen Abtriebsdrehmoment ein. Die Kugelführung
in den Klemmbuchsen ist ferner so ausgebildet, daß der Klemmrollentriel> in beiden
Drehrichtungen eine sichere Kupplung und Anpressung der Tellerscheiben gegen die
Reibräder gewährleistet. Da ein Fahrzeuggetriebe nicht nur Zugkräfte, sondern auch
Schubkräfte zu übertragen hat, ist die beschriebene Ausführung des Klemmrollentriebes
unerläßlich, womit eine weitere Forderung für ein Fahrzeugreibradgetriebc erfüllt
ist.
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Es ist ferner von großer Wichtigkeit, daß die Reiborgane bei einem
Fahrzeuggetriebe niemals zum Rutschen kommen, können. Im Fall des Rutschens wäre
es unmöglich, ein Fahrzeug zum Anfahren zu bringen oder gar auf einer Steigung hinaufzufahren
bzw. bei Talfahrt mit dem Motor zu bremsen. Um die geischilderte Gefahr mit Sicherheit
abwenden zu können, drückt gegen den Führungsring der Tellerscheibe in .Richtung
auf diie Reibräder zusätzlich ein Längslager. Der Längsdruck wird ständig durch
einige einstellbare Druckfedern hervorgerufen. Sollte einmal die feste Einstellung
der Reiborgane, welche über dien Klemmrollentrieb kraftschlüssig miteinander verbunden
sind, nachlassen, was z. B. infolge eingetretenen Lagerspiels vorkommen kann, dann
genügt der durch die Federn hervorgerufene zusätzliche Anpreßdruck, um eine ständige
und sichere Verbindung zwischen den Reiborganen zu gewährleisten. Dieser Druck ist
in der Lage, den Kraftfluß zwischen den Reibrädern und Tellerscheiben einzuleiten.
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Die Verstellung der Reibräder wird durch einen im Gehäuse befindlichen
Zahnstangentrieb erreicht, welcher durch eine hydraulische Steuereinrichtung betätigt
wird. Dadurch ist es möglich, die Verstellung genau und rasch durchzuführen. Der
Arbeitszylinder der Steuereinrichtung ist direkt an das Getriebe angeflanscht.
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Diese hydraulische Steuereinrichtung ermöglicht es, daß sich die Unte.rlsetzung
des Regelgetriebes einmal selbsttätig mittels Fliehkraftreglers, entsprechend den
auftretenden Fahrwiderständen, einstellen läßt. Ferner ist es aber auch möglich,
durch ein von Hand zu betätigendes Drosiselventil die Hydraulik derart zu verändern,
daß eine vom Fahrer beeinflußbare Fahrgeschwindigkeit eingestellt werden kann, wobei
der Motor ständig mit seiner wirtschaftlichsten Drehzahl arbeitet. Es ist also nicht
rotwendig, für eine bestimmte Fahrzeuggeschwindigkeit eine dazugehörige Stellung
der Vergaserdrosselklappe zu wählen, wie dies bei einem Stufengetriebe der Fall
ist. Es fallen somit die vor allem beim Ottomotor unerwünscht hohen Teillastmehrverbräuche
fort. Nicht zuletzt ist es von Bedeutung, daß ein stufenlos regelbares Kraftfahrzeuggetriebe
unmittelbar mit dem Motor verbunden wird, während die Kupplung zum Lösen der Verbindung
zwischen Motor und dem eigentlichen, Radantrieb hinter das stufenlose Getriebe gesetzt
wird. Dadurch ist es möglich, bei stillstehendem Fahrzeug, jedoch laufendem Motor,
eine zum Anfahren geeignete Getriebeuntersetzung einzustellen.
Getriebeaufbau:
Abb. 1 zeigt einen Schnitt durch das Getriebegehäuse, während Ub. 2 die Draufsicht
auf die rechte Tellerscheibe darstellt, wobei die Anordnung der Reibräder und des
Zahnstangentriebes zu erkennen ist. Abb. 3 läßt die schwach V-förmige Hutform der
Klemmbuchse erkennen. Abb. 4 stellt einen vollständigen Getriebeplan dar, worauf
der Motor, das Regelgetriebe mit der hydraulischen Steuereinrichtung dargestellt
sind. Abb. 5 bis 7 veranschaulichen verschiedene Stellungen des Steuerkolbens und
Drosselventils.
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Auf Abb. r ist die Antriebswelle 1 zu sehen, auf welcher das Kegelrad
2 befestigt ist, in das die Kegelräder 3 eingreifen. Die Kegelräder 3 sind ihrerseits
mit den Reibradwellen 4 fest verbunden. Die Wellen sind einmal in dem Verteilergehäuse
5 und ferner in dem Getriebegehäuse 6 gelagert. Auf den Wellen 4 sind verschiebbar
die Reibräder 7 angeordnet. Die Reibräder wälzen sich an den Tellerscheiben 8 und
9 ab. Letztere sind pendelnd in den Fiihrtingsringen io gelagert, wobei Keile die
Drehbewegung der Scheiben auf die Ringe übertragen. Die Führungsringe io sind über
die Kugeln ii mit den Klenunbuchsen 12 und 13 verbunden und bilden zusammen einen
Klemmrollentrieb, welcher durch die besondere Ausführung der Nuten 14 in beiden
Drehrichtungnen wirksam ist. Die Klemmbuchsen 12 und 13 laufen in den Lagerbuchöen
15. Die Lagerbuchsen werden in Längsrichtung mittels der Einstellscheiben 16 so
justiert, daß die Lager über die Klemmrollentriebe einen leichten, aber ständigen
Druck auf diie Tellerscheiben ausüben. Dadurch werden letztere gegen die Reibräder
angepreßt. Parallel hierzu üben die durch Druckschrauben 17 eingestellten Federn
18 über die Längslager 19 einen stetigen, sanften Druck auf die Fiihrungsringe io
aus. Hierdurch werden die Tellerscheiben ebenfalls gegen die Reibräder gedrückt,
um auch bei abgenutzten Geti-ielieteilen eine sichere kraftschlüssige Verbindung
zwischen den Reihradorganen einleiten zu können.
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Auf der tlntrielisseite ist die Kleinnibuchse 12 finit der Nabe des
Kegel r@i(Ies 20 verbunden. Dadurch wird das l)relliiloineilt der Teliersclieil).e
8 über den Klemini-ollentriel) und die Kegelräder 20, 21, 22 auf die Alitrieliswelle
23 übertragen. Auf der Abtriebsseite wird das Dreh-inoment der Tellersclieil>e 9
über den Kleinnii-ollcntriel) unmittelbar auf die Welle 23 abgegeben.
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Zur Verstellung der Reibräder 7 wird die Kolbenstange 24 in das (@eliätise
6 ein- oder ausgeschoben. Die Kolbenstange 24 ist mit einer der Führungsgabeln 25
verbunden, welche die Reibräder verschieben. An den Führungsgabeln befinden sich
Zahnstangen 26, die in das Zahnrad 27 eingreifen, wodurch eine zwangsläufige und
gleichförmige Bewegung der Zahnstangen bedingt ist. Das Zahnrad 27 ist seitlich
an dem Vei-teilergeli<itise 5 gelagert. In Abb. 4 ist der 110t01- mit 28 bezeichnet.
An den Motor ist das Regclgetrielie 29 in Ausführung wie zuvor beschrieben angeflanscht.
Von dem Motor wird die Zahnradpumpe 3o angetrieben. Die Abtriebswelle 23 des 12egelgetrielies
29 ist mit der Antriebswelle 32 durch die Kupplung 33 in bekannter Weise verbunden.
Das Fahrtrichtungswechselgetriebe 34 zeigt den bekannten Aufbau eines Schubräderwechselgetriebes.Auf
der Antriebswelle 32 befindet sich das Zahnrad 35. Dieses kämmt- mit dem Zahnrad
36, welches wie das Zahnrad 37 mit der Vorgelegtwelle 38 verbunden ist. Das Zahnrad
37 kämmt ständig mit dem Rücklaufrald 39. Auf der genuteten Hauptwelle 40 befindet
sich dlas Schubrad 41. In bekannter Weise kann das Schubrad; 41 aus seiner Leerlaufstellung
heraus mit dem Zahnrad 35 verbunden «-erden, so daß die Hauptwelle 4o mit der Antriebswelle
32 verbunden ist. Es erfolgt dann die Kraftübertragung von dem stufenlosen Regelgetriebe
29, über die Kupplung 33 und die Hauptwelle 40 zum Fahrzeugantrieb (Vorwärtsfahrt).
Wird das Schubrad 41 mit dem Rücklaufrad: 39 verbunden, so wird die Bewegungsrichtung
umgekehrt (Rückwärtsfahrt).
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Die Zahnradpumpe 30 saugt die Druckflüssigkeit aus dem Behälter
42. Die Pumpe ist so bemessen, daß bei Überschreitung der Motorleerlaufdrehzahl
bereits genug gefördert wird, um die Hydraulik betätigen zu können. Das Überdruckventil
43 dient zur Einstellung eines bestimmten Flüssigkeitsdruckes. Das Druckmedium wird
durch die Leitungen 31 und 44 zu dem Drosselventil 45 gedrückt. Das Drosselventil
wird von Hand betätigt und: entsprechend den Verkehrsverhältnissen eingestellt.
Der Betätigungshebel für das Drosselventil wird, zweckmäßigeY-weise an der Steuersäule
angebracht. Von dem Dros-selventil45 führt die Leitung 46 zu dem Arbeitszylinder
47, welcher an das Getriebegehäuse 6 angeflanscht ist (""Xbb. 1). Die Leitung 48
führt zu dem Steuerzylinder 49 und die Leitung 50 zu dem Behälter 42. Von
dem Steuerzylinder 49 führen die Ablaufleitungen 51 und 52 ebenfalls in den Behälter
42. Ferner ist der Steuerzylinder durch die Leitungen 53, 54 Und 55 mit dem Arbeitszylinder
47 verbunden.
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In dein Steuerzylinder 49 befindet sich, verschiebbar angeordnet,
der Steuerkolben 56. Derselbe ist direkt finit dem Fliehkraftregler 57 verbunden,
welcher auf der Hauptwelle 4o angebracht ist. In (lein Arbeitszylinder 47 verschiebt
sich der Arbeitskop)en 58, welcher mit der Kolbenstange 24 verbunden ist. Die Bewegung
desi Arbeitskolbens bewirkt die Verstellung der Reibräder über den Zahnstangentriel>.
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Wirkungsweise des Getriebes: Die Antriebswelle i des Getriebes gemäß
Abb. 1 wird unmittelbar von dein Motor angetrieben. Die zu übertragende .'lotorleistung
wird durch das zentral angeordnete Kegelradgetriebe auf die Reibräder verteilt.
Da sich die drei Reibräder zugleich an zwei Tellerscheiben abwälzen, ist an jeder
Reibstelle nur ein Sechstel des Gesamtmomentes zu übertragen. Hiermit ergeben sich
geringe .-lnpreßdrücke, so daß die Reiborgane und deren Lager nur mäßig beansprucht
werden. Durch die Pendellagerung der Tellerscheiben wird erreicht, daß die Teilmomente
an den sechs Reibstellen gleich groß ausfallen. Jede Tellerscheibe übernimmt je
drei Teilmomente, also die Hälfte der
Gesamtleistung. Die Drehmomente
der Tellerscheiben werden über die Klemmrollentriebeeinmal direkt an die Abtriebswelle
und zum anderen an die Nabe eines Kegelrades abgegeben, wobei letzteres über zwei
weitere Kegelräder ebenfalls mit der Abtriebswelle 23 verbunden ist. Die Abtriebswelle
übernimmt wieder die insgesamt zu übertragende Leistung. Die Kleinmrollentriebe
bewirken durch die schwach V-förmi.gen; Nuten und die darin geführten Kugeln oder
Rollen das iNacheilen der von der- Abtriebsseite her belasteten Klemmbuchsen 12
und 13 gegenüber den Führungsringen io mit den Tellerscheiben. Dadurch versuchen
die Tellerscheiben in Richtung auf die Reibräder ehre Verschiebung auszuüben, so
daß eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den Reiborganen entsteht, wobei sich
dlie Größe des Anpreßdruckes der Tellerscheiben auf die Reibräder proportional mit
der Belastung ändert.
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Uni zu verhindern, daß bei einer eventuellen Abnutzung der Reibräder
oder bei Entstehung von 1_agerspiel die stetige Verbindung zwischen den Tellerscheiben
und Reibrädern unterbrochen würde, wodurch ein Rutschen eintreten müßte, wirkt auf
jeden Führungsring ro ein federbelastetes Längslager i9 in Richtung auf die Reibräder.
Damit ist stets die Einleitung des Kraftflusses zwischen den Reiborganen sichergestellt.
Es würde dabei lediglich der Nacheilwinkel innerhalb des. Klernmrollentrielws sich
etwas vergrößern, welcher jedoch durch Verstellen der Einstellscheiben 16 wieder
verringert werden kann.
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Die Regelung des Getriebes bzw. die Verstellung der Reibrädler wird
durch den Zahnstangentrieb erreicht. Die Kolbenstange 24, deren eines Ende mit der
Führungsgabel 25 eines Reibrades verbunden ist, wird durch die hydraulische
Verschiebung des Arbeitskolbens 58 (Abt. 4) in das Getriebegehäuse ein- oder ausgeschoben.
Dadurch verstellt sich das Reibrad entsprechend. Die an den Führungsgabeln befindlichen
Zahnstangen, welche über das Zahnrad 27 miteinander verbunden sind, bewirken durch
die Verstellung des einen Reibrades eine gleichläufige und gleichmäßige Verschiebung
der übrigen, Reibräder.
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Die Verschiebung der Kolbenstange durch den Arbeitskolben wird durch
die hydraulische Steuereinrichtung erreicht.
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Nachdem der Motor 28 (Abt. 4) angelassen worden ist, fördert die Zahnradpumpe
3o Flüssigkeit aus dem Behälter 42 und leitet diese durch die Leitungen
31 und 44 zu dem Drosselventil 45. Das Dresselventil ist zuvor, wie auf Abb.
4 gezeichnet, eingestellt worden. Es kann die Druckflüssigkeit nur über die Leitung
46 zu dem Arbeitszylinder 47 gelangen. Der Kolben 58 bewegt sich nach oben, wobei
sich die größte Untersetzung .in dem Regelgetriebe einstellt. Es erfolgt dlas Anfahren
dies Fahrzeuges, wobei man. zugleich die Vergaserdrosselklappe mehr öffnet, bis
der Motor innerhalb seines wirtschaftlichsten, I)rehzahlbcxeiches arbeitet. Während
sich das Fahrzeug beschleunigt, wird das Drosselventil 45 etwa in die Stellung,
wie auf Abb. 5 zu sehen ist, eingestellt. Die Stellung richtet sich nach den Verkehrsverhältnisisen.
Die Druckflüssigkeit kann von dem Drosselventil aus auch durch die Leitung 48 zu
dem Steuerzylinder 49 gelangen. Infolge der Fahrzeugbeschleunigung läuft die FIauptwelle
40 immer rascher um, und der Fliehkraftregle r 57 verschiebt den Steuerkolben 56
nach links, gemäß Abb. 6. Jetzt kann auch ein Teil dien Druckflüssigkeit von der
Leitung 48 durch den Steuerzylinder 49 und die Leitung 54 in en Arbeitszylinder
47 gelangen. Zugleich fließt auch Druckflüssigkeit durch die Leitung 53, den Steuerzylinder
und die Leitung 5 1 in dien Behälter 42 zurück. Der Kolben 58 beginnt sich
nach unten zu bewegen; dadurch verringert sich die Getriebeuntersetzung, und das
Fahrzeug wird weiter beschleunigt. Der Steuervorgang vollzieht sich dabei rascher
oder langsamer, je nach der Größe der Belastung des Fahrzeuges und dem auftretenden
Fahrwiderstand. Motor und Triebwerk wer(len durch die selbsttätige Einstellung weitgehend
geschont. Durch die dabei günstige Stellung der Vergaserdrosselklappe gibt der Motor
nicht nur eine gute Leistung her, sondern es wird auch Kraftstoff gespart.
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Soll die Fahrzeuggeschwindigkeit weiter erhöht werden, z. B. für Autobahnfahrt,
dann wird lediglich das Drosselventil 45, wie auf Abb. 7 gezeigt, eingestellt, während
die Vergaserdrosselklappenstellung beibehalten wird. Jetzt kann keine Druckflüssigkeit
mehr durch die Leitung 46 in den Arbeitszylinder gefördert werden. Der Kolben 58
bewegt sich weiter nach unten und verringert die Getriebeuntersetzung. Zugleich
wird durch den Fliehkraftregler 57 der Steuerkolben 56 ganz nach links geschoben.
Die in dein unteren Teil des Arbeitszylinders befindliche Druckflüssigkeit fließt
über die Leitungen 53 und 5 i ab, wobei sich der Kolben 58 so weit nach unten bewegt,
bis die geringste Getriel)cuntersetzung erreicht ist. Damit ist die wirtschaftlich
höchste Fahrgeschwindigkeit eingestellt, welche nur noch durch volles Öffnen der
Vergaserdrosselklappe erhöht werden, kann, wobei der Motor mit seine höchsten Drehzahl
läuft und die Fahrzeugspitzengeschwindigkeit erreicht wird.
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Soll die Geschwindigkeit wieder verringert werden, normale Stellung
der Vergaserdrosselklappe angenommen, dann wird in erster Linie das Drosselventil
45 wieder zurückgestellt, wie z. B. auf Abb. 5, wobei sich die Getriel-oeuntersetzung
vergrößert und dias Fahrzeug langsamer fährt.
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Im Stadtverkehr ist es vorteilhaft, die Stellung des Drosselventils
(ähnlich Abb.5) beizubehalten, während über den Fußgashebel die Stellung der Vergaserdrosselklappe
in gewohnter Weise geändert wird. Dabei ergeben sich Verzögerungen und Beschleunigungen
der Fahrgeschwindigkeit, was zur Folge hat, daß der Fliehkraftregler 57 das stufenlose
Getriebe ständig im gewünschten Sinne einregelt. Beschleunigung und Verzögerung
werden hierbei durch zwei Faktoren beeinflußt: die Vergaserdrosselklappe und den
Fliehkraftregler. Dadurch ergibt sich, daß der Motor nicht in dem gewohnten Ausmaß,
wie dies bei einem Schaltgetriebe notwendig ist, gedrosselt werden muß. Dieser Umstand
ist
nicht nur vorteilhaft für das gesamte Triebwerk, sondern wirkt sich auch günstig
auf den Kraftstoffverbrauch aus. Nicht zuletzt ist die Bedienung des beschriebenen
Getriebes äußerst einfach, womit zugleich die Verkehrssicherheit erhöht wird.