NO309877B1 - Automatisk gearkasse - Google Patents

Abstract

Automatisk gearkasse som omfatter minst en primær hydraulisk pumpe (1) anordnet til å drives av en motor, hvilken primære pumpe (1) er anordnet til å drive et antall av minst to sekundære hydrauliske pumper (2, 2„) som er mekanisk forbundet med en utgående drivaksling (6), idet de sekundære hydrauliske pumper individuelt bringes til aktiv drift av nevnte utgående aksling når det hydrauliske trykket forårsaket av hovedpumpen i et lukket rom (A) mellom den primære og de sekundære pumper, når opp til forutbestemte nivåer som er forskjellige for de forskjellige sekundære pumpene (2, hhv. 2hhv.... 2), idet de sekundære hydrauliske pumper har hver sin blindåpning c (2„) for olje som gjør at de passivt vil følge utgående aksling (6) når de ikke aktivt driver den.Hver av de sekundære hydrauliske pumper (2, - 2„) holdes fortrinnsvis lukket ved hjelp av en mekanisk fjærkraft fra en spiralfjær (2- 2) mot en ventil (2,- 2) som ligger an mot et ventilsete, inntil trykket fra den primære pumpe (1) blir tilstrekkelig stort til å overvinne kraften fra nevnte spiralfjær, idet hver sekundære hydrauliske pumpe (2, - 2„) har individuelt tilpassede fjærer (2,- 2) som åpner ved innbyrdes ulike trykk.

Description

Automatisk gearkasse

Foreliggende oppfinnelse omfatter en automatisk gearkasse av den type som angitt i innledningen til patentkrav 1. Foreliggende oppfinnelse omhandler også en anvendelse av en slik gearkasse.

Bakgrunn

Det er kjent i en rekke sammenhenger å benytte automatiske gearkasser for å tilpasse kraften og farten fra en motor til en utgående drivaksling, slik at motoren, som gjerne arbeider godt innenfor et relativt smalt turtallsområde, skal kunne arbeide rasjonelt under varierende driftsforhold.

Slike gearkasser er kjent benyttet i motorkjøretøyer, så som små og store biler, herunder lastebiler, i store og små båter, i tohjuls motorkjøretøyer, og i en rekke sammenhenger industrielt, hvor kraft skal overføres. Slike gearkasser er spesielt viktige ved bruk av motorer som arbeider godt bare innenfor et relativt snevert turtallsområde, så som er typisk for bensinmotorer.

Kjent teknikk

Vanlige automatiske gearkasser overfører kraften via ulikt store tannhjul som flyttes til hhv. fra inngrep med hverandre alt ettersom ulike styringsparametere blir forandret under innvirkning av en automatisk clutchmekanisme. Slike styringsparametere kan omfatte turtallet på motoren, kraften (momentet) på akslingen inn til gearkassen og/ eller akslingen ut av gearkassen, for bensindrevne biler innsugingsundertrykket ved forgasseren, etc. I det siste er det kommet såkalte "smarte" automatiske gearkasser, som reagerer i forhold til relativt mange ulike parametere, og som derfor skal være i stand til å geare mer "riktig" etter forholdene.

Felles for disse automatiske gearkassene er imidlertid, at de omfatter kostbare og sårbare styringssystemer med mye elektronikk. De er kostbare å fremstille og kan bli kostbare å reparere, fordi det er mange enkeltkomponenter, både mekaniske og elektroniske, som kan gå i stykker.

Det er også en ulempe ved slike gearkasser at de har et forholdsvis stort effekttap fra inngående aksling til utgående aksling.

Formål

Det er således et formål ved foreliggende oppfinnelse å komme frem til en automatisk gearkasse for bruk til såvel kjøretøyer som til industrielle formål, som er enkle og rimelige å fremstille.

Det er videre et formål å komme frem til en automatisk gearkasse som i liten grad er avhengig av komplisert eller sårbar elektronikk, og som likevel er i stand til effektivt å tilpasse seg varierende ytre betingelser, slik at motoren får arbeide ved et hensiktsmessig turtall og en hensiktsmessig belastning.

Det er et ytterligere formål å komme frem til en automatisk gearkasse som har små ytre mål og lav vekt.

Det er et ytterligere formål å komme frem til en automatisk gearkasse som har et lavt effekttap.

Det er et ytterligere formål å komme frem til en automatisk gearkasse som har få bevegelige komponenter som kan slites.

Oppfinnelsen

De ovennevnte formål er oppnådd ved en automatisk gearkasse ifølge oppfinnelsen, som er kjennetegnet ved de trekk som fremgår av patentkrav 1.

Fordelaktige utførelsesformer fremgår av de uselvstendige patentkrav.

En bestemt anvendelse av en slik gearkasse fremgår av krav 6.

I det følgende skal vi gi en nærmere beskrivelse av en foretrukket utførelsesform av gearkassen ifølge oppfinnelsen under henvisning til de ledsagende tegninger, idet: Figur 1 viser skjematisk en gjennomskåret gearkasse ifølge oppfinnelsen med fire sekundære hydrauliske pumper. Figur 2 viser skjematisk en gjennomskåret gearkasse ifølge oppfinnelsen med to sekundære hydrauliske pumper, idet gearkassen står i fri posisjon. Figur 3 viser skjematisk en gjennomskåret gearkasse ifølge oppfinnelsen med to sekundære hydrauliske pumper, idet gearkassen er satt i gear. Figur 4 viser skjematisk en gjennomskåret gearkasse ifølge oppfinnelsen med to sekundære hydrauliske pumper, idet gearkassen er koblet inn i revers. Figur 5a-5c viser detaljer ved ventilen til en vilkårlig sekundær pumpe i tre ulike stillinger.

Figur 6 viser skjematisk en annen utførelsesform av oppfinnelsen enn figurene 1-5.

På fig. 1 vises en gearkasse ifølge oppfinnelsen omfattende en primær hydraulisk pumpe 1 (på fig. 1 illustrert som en enkel vifte) som med et drev C drives av den aktuelle motor og som er innrettet til å drive en hydraulisk olje i et kretsløp som alt etter trykket på oljen gjennomstrømmer og driver et varierende antall sekundære pumper 2,- 24 (illustrert som enkle vifter) på en slik måte at disse igjen driver en utgående drivaksling 6 med en utveksling som varierer i avhengighet av trykket - i praksis av hvor mange av de sekundære pumper 2, 24 som til enhver tid er innsj altet.

Rent praktisk er det hele anordnet i et hovedsakelig sylindrisk hus 7 med et sentralt beliggende stempel 3 som kan trykkes noe tilbake mot en forholdsvis stor fjærkraft 4. På motsatt side av dette stempel i forhold til den hydrauliske primære pumpe, sitter den utgående drivaksling 6. Anordnet i "ringform" rundt dette stempel sitter et antall mindre sekundære hydrauliske pumper 2,- 24, som på sin "bakside" har tannhjul 2U, 22], 231, 241 som står i kontinuerlig inngrep med et tannhjul 5 på den utgående drivaksling 6. I prinsippet danner hver slik sekundær pumpe et gear. Hver av disse sekundære hydrauliske pumper er lukket med en ventil 2I2, <2>22, 232, 242 som holdes på plass med en fjærkraft 213, 223, 233, 243 som er forskjellig for hver enkelt av pumpene, og som derfor åpner hhv. lukker ved trykk som er forskjellig fra pumpe til pumpe. I det følgende benyttes indeks "n" til å indikere en hvilken som helst av de sekundære pumper, ventiler, fjærer eller tannhjul. Inntil trykket blir så stort at ventilen for den enkelte sekundære pumpe åpner, vil ikke hydraulikkoljen kunne gjennomstrømme pumpen på en slik måte at den bidrar til kraftoverføringen. Det er imidlertid på "baksiden" av pumpen, ved dens tannhjul 2nl, anordnet en "blindpassasje" 2n4 (fig. 2 og fig. 5) som tillater olje å strømme gjennom pumpen slik at den passivt kan følge med drivakslingen med den fart denne til enhver tid har, hvilket nedenfor er nærmere beskrevet under henvisning til fig. 5.

Ved frikobling, jfr. fig. 2, strømmer olje utelukkende rundt i en ekstern krets 9a, 9b som ikke involverer noen av de sekundære pumper. Så lenge kretsen 9a, 9b er åpen vil det ikke kunne skje noen trykkoppbygging i rommet A mellom den primære og de sekundære pumper.

Ved driftsstart stenges en ventil 10 i denne eksterne kretsen, jfr. fig 1 og 3, slik at det bygges opp et trykk mellom den primære pumpen 1 og det sentralt beliggende stempel 3, samt mot hver av ventilene 2^ som stenger for gjennomstrømning av olje gjennom de sekundære pumper. Fig. 3 viser en tilstand hvor trykket ennå ikke har blitt så stort at noen av ventilene har åpnet, mens piler mot ventilene 2n2 indikerer at en trykkoppbygging er påbegynt. På fig. 3 er henvisningstall til identiske detaljer til de vist på fig. 2 utelatt. Etter hvert som trykket øker vil en etter en av disse ventiler 212, 222, 232, 242 (fig. 1) begynne å åpne med den følge at oljen får adgang til å strømme gjennom. Slik hydrauliske pumper er konstruert, er det et fast forhold mellom mengde olje som strømmer gjennom den og dens rotasjon. Avhengig av belastning/ motstand på utgående aksling, kan det hende at trykket må bli så stort at alle ventiler er åpne før utgående aksling begynner å rotere, og kjøretøyet - når det er et kjøretøy gearkassen sitter i - setter seg i bevegelse.

Fig. 4 viser rent skjematisk hvordan et revers-gear er anordnet gjennom en sjaltemekanisme 11 i kanalen 9a som sørger for at oljen blir ledet i motsatt retning i forhold til retningen ved vanlig drift, gjennom en eller flere av de sekundære hydrauliske pumper 2n. Ved denne mekanismen omgår man ventilene 2n2, helt. Ønsker man at revers skal være like lavt gearet som det laveste gear forover, må sjaltemekanismen være knyttet til samtlige sekundære pumper 2, -2n.

I den følgende eksemplifisering er det antatt at gearkassen sitter i et motorkjøretøy, for eksempel en personbil. Når ventilene på alle de sekundære pumper er åpne, er gearkassen i første gear. Olje gjennomstrømmer nå alle pumper, slik at alle pumper bidrar til å trekke utgående aksling. Kraften på denne blir derfor stor. Ettersom oljen fordeles på flere pumper, blir imidlertid gjennomstrømningshastigheten i den enkelte sekundære pumpe forholdsvis lav, og tannhjulene ved pumpenes utgående side roterer tilsvarende langsomt. Stor kraft, men lav fart er det typiske kjennetegn for lavt gear, ved denne gearkassen såvel som for andre.

Når belastningen på utgående aksling begynner å avta, vil den ventil som har størst fjærkraft blant ventilene på de sekundære pumper lukkes. Da vil oljen som pumpes fra den primære pumpen, få et mindre areal å strømme gjennom, og gjennomstrømningshastigheten i de gjenværende åpne pumper, vil øke tilsvarende. Det vil si at når ventilen med størst fjærmotstand lukker seg, sjaltes derved 2. gear automatisk inn. Slik vil det fortsette inntil alle så nær som den siste ventilen til de sekundære pumper er lukket, når det kjøres med moderat motstand på utgående drivaksling (ikke motbakke) og med moderat gasspådrag. Ved sterke gasspådrag eller i motbakke, vil økt inngående kraft henholdsvis økt motstand på utgående aksling, føre til en trykkøkning som gjør at flere ventiler (minst en) vil åpne igjen, hvilket er det samme som at gearkassen gearer ned.

I fig. 5a vises ventil 2n2 og fjær 2n3 til en vilkårlig sekundær hydraulisk pumpe i lukket tilstand, der oljeflyten, indikert med en pil, kommer fra blindpassasjen 2n4 og går videre til selve pumpen (ikke vist) og ut igjen på samme side som oljen kom inn. Dette påvirker ikke trykket noe sted i systemet. Dette er den tilstand hvor den viste pumpen passivt trekkes med utgående aksel 6. Når det skjer en trykkøkning i rommet mellom den primære og den/ de sekundære pumpe(r), vil ventilen 2^ ved et gitt trykk begynne bevege seg tilbake (mot høyre) som vist på fig. 5b. I den viste tilstand stenger ventilen et kort øyeblikk begge passasjer, men den sekundære pumpen (ikke vist på fig. 5b) er stadig i rotasjon, og vil derfor trekke ut olje ut fra baksiden av ventilen mens denne fortsetter å åpnes, og fra dette øyeblikk vil ventil 2n2 begynne å slippe noe olje gjennom fra rommet A mens blindpassasjen 2n4 nå er helt stengt. Når ventilen har beveget seg helt tilbake, åpner den hele tverrsnittet på den gjennomgående kanalen, slik at olje kan passere uhindret gjennom, hvilket på utgående aksel 6 vil virke som en myk nedgearing, idet den aktuelle pumpen 2n har gått over fra passivt å følge utgående aksling 6 til aktivt å bidra til driften av denne.

Fig. 6 viser en alternativ utførelse av gearkassen ifølge oppfinnelsen. Denne bygger på det samme generelle prinsipp, med en inngående, primær hydraulisk pumpe 1 og flere utgående, sekundære hydrauliske punper 2,, 22 og 23 (tre sekundære pumper i den viste utførelsesform). Den hovedsakelige forskjellen fra utførelsesformen vist i figurene 1-5 består i at de sekundære ventiler ikke åpnes mot et mottrykk fra individuelle spiralfjærer, idet ventilfunksjonen styres helt og holdent av posisjonen til det sentrale stempel 3, ved at dette stempelet åpner for kanalene til 0, 1, 2 eller 3 sekundære pumper i avhengighet av trykket i rommet A og den derav følgende posisjon til stempelet 3. Det vil således forstås at det i denne utførelsesform ikke finnes særskilte, sekundære ventiler, idet innløpet til kanalene i dette tilfelle ligger i sylinderflaten som stempelet 3 beveges i, og stempelet 3 selv utgjør "ventilene". Den ytre konfigurasjon med sekundære pumper som ligger i ring rundt omkretsen av sylinderen til stempel 3 kan likevel bibeholdes, hvilket ikke fremgår av figur 6.

For en gearkasse i en personbil vil 4 sekundære pumper normalt være fullt tilfredsstillende, gitt at de aktuelle, individuelle fjærkraftene på de sekundære pumper er hensiktsmessig avpasset. For en liten båt vil man normalt klare seg med færre gear. På den annen side, hvis man benytter f.eks. så mye som 4 gear også i en båt, får man samtidig større frihet med hensyn til valg av propell, da gearkassen i stor grad er i stand til selv å tilpasse farten på utgående aksling etter behov. På tilsvarende måte vil man ved å benytte flere gear til biler, kunne benytte samme gearkasse til modeller med forskjellig vekt og motorytelse.

Videre har man generelt det forhold at det stempel 3 som sitter sentralt i en tett omsluttende sylinder og motspent med en fjærstyrke fra fjæren 4 som er så stor at dette stempel ikke vil være helt inntrykket selv når oljetrykket er så høyt at alle ventiler på de sekundære pumper åpne, vil bidra til å lagre energi for eksempel ved uvørent pådrag av motorkraft. I stedet for at denne energi går tapt, blir den "lagret" i fjæren 4, og slipper løs igjen over den utgående drivaksling 6 når trykket går tilbake til et lavere nivå. Sylinderen som stempel 3 beveger seg i er gjennomgående, slik at det samlede volum tilgjengelig for oljen er uavhengig av stempelets 3 posisjon. Tilstedeværelsen av dette stempel 3 med fjær 4 gjør for øvrig hele systemet "mykere" for eksempel ved igangsetting, da enhver brå trykkendring blir tatt opp av fjæren 4 i første omgang og straks deretter overført på en smidig måte til en eller flere av de sekundære hydrauliske pumper 2,- 2n så snart disse rekker å åpne. Ettersom den hydrauliske olje ikke har noen kompressibilitet, vil det være hensiktsmessig å ha en slik innretning som beskrevet over, som bidrar til en myk overføring av kreftene uten noe effekttap. Tilstedeværelsen av et slikt stempel utgjør et element i en slags clutch-mekanisme som ligger innebygget i selve gearkassen.

En ytterligere effekt av stempelet 3 og fjæren 4 kan oppnås ved å bygge opp høyt trykk i rommet A mens påsatte bremser holder utgående aksel 6 i ro. Derved blir fjæren 4 presset ekstra sammen, og når bremsene slippes, vil dette føre til et kortvarig effektuttak som vesentlig overskrider det motoren selv er i stand til å gi, hvilket for eksempel kan utnyttes til akselerasjon av et kjøretøy fra stillstand.

Tilpasning av gearkassen til store hhv. små belastninger (eks.: store/ små kjøretøyer) skjer gjennom en tilpasning av dimensjoner og fremfor alt i en tilpasning av fjærstyrken i de enkelte mekaniske fjærer som gir ventilene lukkekraft. Ved spesielle behov kan også størrelsen på de utgående tannhjul fra hver av de sekundære pumper endres. I normale tilfeller kan disse alle ha samme størrelse, da det ikke primært er tannhjulenes størrelse som bestemmer utvekslings-forholdet i en slik gearkasse, men hastigheten med hvilken oljen gjennomstrømmer den eller de til enhver tid aktive (innsjaltede) sekundære pumper.

Om ønskelig kan også tverrsnittet av kanalene lages forskjellig for de forskjellige sekundære pumpene, slik at man far en geareffekt som blir større eller mindre enn det man ellers ville fått, avhengig av behov. Dette kan for eksempel være hensiktsmessig hvis man trenger et "krypgear" hvor utgående aksling må gå ekstremt sakte, hvilket kan oppnås ved å benytte kanaler og ventiler med større diameter benyttes på ventilen som åpner ved høyest trykk, med en tilsvarende avpasning av den tilhørende hydrauliske pumpe 2 n(max), slik at denne slipper gjennom mer olje pr. omdreining ann de øvrige sekundære, hydrauliske pumper. En tilsvarende effekt kan også oppnås ved å benytte ulikt antall tenner på de forskjellige tannhjul 2u,221,...hhv. 2nl.

Ventilenes åpings- og lukningsbevegelse for gjennomstrømning av olje til de sekundære pumpene 2n, har en dobbelt funksjon i og med at de også lukker henholdsvis åpner for den såkalte "blindpassasje" for olje på baksiden av de sekundære pumper. Olje vil altså alltid gjennomstrømme de sekundære pumper enten fra forside til bakside som innebærer at pumpen virker som en motor som driver tarinhjulet på utgående side av pumpen, eller i "blindpassasjen", inn fra baksiden og ut på baksiden, som innebærer at pumpen passivt trekkes med utgående aksling. Når oljen passerer i den såkalte "blindpassasje", er både dens innløp og utløp på utgående side/ baksiden av de sekundære pumper, det vil si at disse strømmene bidrar ikke til å endre trykket som den primære pumpe bygger opp. Det er ovenfor angitte arrangement som tillater den enkle konstruksjon at tannhjulene 2nl på de sekundære pumper 2n og tannhjulet 5 på utgående aksling 6 aldri trenger å bringes fra inngrep med hverandre. Denne mekanismen utgjør et aspekt ved oppfinnelsen som innebærer at en ytre clutchmekanisme er helt overflødig, hvilket i seg selv er helt nytt ved slike gearkasser.

En gearkasse som beskrevet ovenfor har følgende egenskaper og fordeler:

Den har få bevegelige deler, lite som kan slites og som trenger vedlikehold.

Den har mindre effekttap enn tradisjonelle automatkasser, typisk 2-5%.

Den overflødiggjør clutch, som er en "logisk" del av den nye gearkassen.

Gearingen skjer lydløst og knapt merkbart.

Systemet er "hermetisk" tett, og selvsmørende med olje.

Den trenger hverken elektronikk eller vaiere for å fungere.

Dimensjon og vekt er lav.

Fremstillingskostnadene er lav.

Selv om eksempelet over i hovedsak er relatert til bruk av gearkassen i en bil eller et

tilsvarende kjøretøy, vil det forstås at brukstillempningene og fordelene beskrevet over, i stor grad er allmenngyldige, og ikke knyttet til et bestemt bruksområde. Selv på et område så vidt forskjellig som på en borchuck, vil man nyte godt av en automatiske nedveksling som oppnås ved bruk av en liten hydraulisk gearkasse ifølge oppfinnelsen, når for eksempel belastningen på utgående aksling brått øker.

Samme sak gjelder bruk av gearkasser i industriell sammenheng, hvor det er nødvendig med overføring av krefter under forhold som varierer, slik at man med dagens teknologi benytter en eller annen form for gearkasse.

For de aller fleste formål er det hensiktsmessig å benytte kun én primær hydraulisk pumpe. Der hensynet til driftssikkerhet langt overskygger hensynet til kostnadsbesparelse etc, er det selvsagt intet i veien for å etablere to pumper som arbeider kontinuerlig parallelt eller hvor den andre med et håndgrep kan koples inn hvis den første svikter.

Claims (6)

1. Automatisk gearkasse, karakterisert ved at den omfatter minst en primær hydraulisk pumpe (1) anordnet til å drives av en motor, hvilken primære pumpe (1) er anordnet til å drive et antall av minst to sekundære hydrauliske pumper (2,- 2n) som er mekanisk forbundet med en utgående drivaksling (6), idet de sekundære hydrauliske pumper individuelt bringes til aktiv drift av nevnte utgående aksling når det hydrauliske trykket forårsaket av hovedpumpen i et lukket rom (A) mellom den primære og de sekundære pumper, når opp til forutbestemte nivåer som er forskjellige for de forskjellige sekundære pumpene (2, hhv. 22 hhv.... 2n), idet de sekundære hydrauliske pumper har hver sin blindåpning (ikke vist) for olje som gjør at de passivt vil følge utgående aksling (6) når de ikke aktivt driver den.

2. Automatisk gearkasse ifølge krav 1, karakterisert ved at hver av de sekundære hydrauliske pumper holdes lukket ved hjelp av en mekanisk fjærkraft fra en spiralfjær (<2>13 - 2n3) mot en ventil (212<-><2>n2) som ligger an mot et ventilsete, inntil trykket fra den primære pumpe (1) blir tilstrekkelig stort til å overvinne kraften fra nevnte spiralfjær, idet hver sekundære hydrauliske pumpe (2, hhv 22 hhv.... 2n) har individuelt tilpassede fjærer (213 hhv. 223 hhv.... 2n3) som åpner ved innbyrdes ulike trykk.

3. Automatisk gearkasse ifølge krav 2, karakterisert ved at rommet (A) mellom den primære (1) og de sekundære (2,- 2n) hydrauliske pumper også omfatter en stempelanordning (3) som mot et mottrykk fra en forholdsvis kraftig spiralfjær (4 ), bidrar til å holde et balansert trykk i rommet (A), hvilket gir fleksibilitet til kraftoverføringsmekanismen, og tillater trykket å varieres innen et stort trykkregister samtidig som endringer i overføringene til utgående aksling (6) via de sekundære pumper (2,- 2n) kan skje mykt og uten effekttap eller høye transiente belastninger.

4. Automatisk gearkasse ifølge krav 3, karakterisert ved at stempelanordningen (3) også fungerer som ventil til i det minste noen av de sekundære pumper (2,- 2n), ved at ventilåpningene til hver av de aktuelle, sekundære pumpene ( 2„ 22 2n) ligger innbyrdes forskjøvet i den sylinderflate som stempelet (3) beveger seg i.

5. Automatisk gearkasse ifølge krav 1, karakterisert ved at den omfatter et antall sekundære hydrauliske pumper (2,- 2n) som er tilpasset det antall gearutvekslinger som ønskes.

6. Anvendelse av gearkasse som angitt i krav 1, omfattende en primær hydrulisk pumpe (1) og fire sekundære hydrauliske pumper (2,- 24) til bruk i personbil.