DE2942775A1

DE2942775A1 - Stufenlos regelbare getriebeeinheit und ein die getriebeeinheit enthaltendes system

Info

Publication number: DE2942775A1
Application number: DE19792942775
Authority: DE
Inventors: Yves Jean Kemper
Original assignee: Vadetec Corp
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1978-10-27
Filing date: 1979-10-23
Publication date: 1980-05-08
Also published as: SE437867B; GB2033034B; GB2033034A; DE2942775C2; FR2439912B1; SE7908385L; FR2439912A1; IT7969096A0; JPS5560751A; IT1119405B

Description

22.Oktober 1979 L 1634 Al/a

Vadetec Corporation
2681 Industrial Row
Troy, Michigan 48084

U.S.A.
10

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 über^ov/ 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 an_n 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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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:

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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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Claims

PATENT- UND RECHTSANWÄLTE:

RECHTSANWALT PATENT ANWÄLTE-

JOCHEN PAGENBERG or jur.ll.μ harvard WOLFGANG A. DOST dr..

UDO W. ALTENBURG

GALILEIPLATZ 1, Θ000 MÜNCHEN ΘΟ

TELEFON (0 89) 98 66 64 TELEX: (05) 22 791 pad d CABLE: PADBÜRO MÜNCHEN

datum 22. Oktober 1979 L 1634 Al/a

Patentansprüche

Stufenlos 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-,

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'ZUGELASSENE VERTRETER BEIM EUROPAISCHEN PATENTAMT PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OfFICE

Beta- 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.

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5. 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.
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6. 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 mit

^OJ einer der Einheitsausgangswellen (70, 72) ist.

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9. 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.

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13. 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.

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