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Stufenlos regelbares Getriebe für stetige Geschwindigkeitsregelung
über einen beliebigen Drehzahlbereich bei gleichbleibender Übertragungsleistung,
insbesondere für Kraftfahrzeuge In Verbindung mit stufenlos regelbaren Getrieben
besteht seit Jahren die Aufgabe, eine gleichbleibende Leistung mit in beliebig großem
Bereich veränderlicher Übersetzung zu übertragen. Es war daher von jeher das Bestreben
der Konstrukteure, stufenlos regelbare Getriebe mit möglichst großem Regelbereich
in einem Zuge zu erreichen. Diesem Bestreben sind jedoch durch das starke Anwachsen
der Drehmomente bei niedrigen Drehzahlen Grenzen gesetzt. Auch bei hydraulischen
Getrieben ist es deshalb bisher nur möglich, die volle Getriebeleistung über einen
verhältnismäßig kleinen Drehzahlbereich zu übertragen. Bei den niedrigen Drehzahlen
sinkt dann die zulässige Übertragungsleistung, entsprechend dem höchstzulässigen
Drehmoment an der Abtriebwelle, linear mit der Drehzahl ab. Man hat sich aus diesem
Grunde schon seit Jahren um Lösungen bemüht, die diesem Mangel abhelfen sollen.
Die bekannteste Art, mit einem Regelgetriebe mit begrenztem Regelbereich einen größeren
Regelbereich zu bestreichen, ist die, dem Regelgetriebe ein Zahnräderschaltgetriebe
nachzuschalten. Es ist damit zwar möglich, beispielsweise bei einer Abtriebdrehzahl
des eigentlichen Regelgetriebes von 3ooo bis 300 Uml./min durch Einschaltung
eines Vorgeleges mit einer Untersetzung von z : zo ins Langsame den Drehzahlbereich
3oo bis 30 Uml./min und durch weiteres Einschalten eines zusätzlichen Untersetzungsgetriebes
von z : zo oder durch Zuschalten einer Gesamtuntersetzung von r : roo Drehzahlen
von 3o bis 3 Uml./min zu erreichen. Aber diese Anordnung hat den Nachteil, daß man,
um von 3oz auf 299 Uml./min zu kommen, das Getriebe entweder von 301 Uml./min mittels
der Zahnradstufe
zuerst auf 30,1 TJml./min hinunter- und dann auf
egg Uml./min hinaufregeln muß oder aber zuerst von 301 Uml./min auf 2ggo Uml./min
hinaufregeln muß, um dann durch die Einschaltung der Zahnradstufe von x : ro 299
Uml./min zu erreichen. Man hat deshalb als weitere Lösung Verbindungen mit einem
und auch mit zwei Umlaufgetrieben in Erwägung gezogen. Diesen zusammengesetzten
Getrieben haftet jedoch der Mangel an, daß die Übertragungsleistung bei den niedrigen
Drehzahlen absinkt, weil auch hier genau wie bei den zuerst erwähnten Flüssigkeitsgetrieben
das übertragbare Drehmoment durch das im eigentlichen Regelgetriebeübertragbare
Grenzdrehmoment eingeschränkt wird. Weiter ist eine nicht zum Stande der Technik
gehörende Bauart vorgeschlagen worden, die es ermöglicht, den Regelbereich eines
stufenlos regelbaren Getriebes abwechselnd in der einen und in der anderen Richtung
zu benutzen, wobei jeweils in den Endstellungen eine synchrone Umschaltung von Zahnradgetrieben
auf der Antriebseite und der Abtriebseite des Regelgetriebes vorgenommen wird. Der
Nachteil dieser Anordnung ist jedoch der, daß die Antriebdrehzahl des eigentlichen
Regelgetriebes beim Umschalten auf den jeweils nächstniedrigen Regelbereich im Verhältnis
der Wurzel aus dem Regelbereich verringert wird. Damit sinkt die Übertragungsleistung
des Getriebes im gleichen Verhältnis, weil ja das Regelgetriebe nur für ein bestimmtes
höchstes übertragbares Drehmoment an der Antriebwelle gebaut werden kann.
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Alle diese Nachteile sind bei der Erfindung ausgeschaltet. Sie gestattet
es, eine gleichbleibende Leistung in beliebig vielen stetig hintereinander gereihten
und stetig hintereinander einstellbaren Regelbereichert zu übertragen, und löst
damit ein Problem, das wohl annähernd so alt ist wie das Problem der stufenlosen
Drehzahlregelung selbst.
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Gemäß der Erfindung wird ein stufenlos regelbares Getriebe mit einem
antriebseitigen Leistungsverzweigungsgetriebe und einem stufenlosen Übersetzungsgetriebe
zur willkürlichen stufenlosen Änderung des Drehzahlverhältnisses der beiden Zweigwellen
des Leistungsverzweigungsgetriebes in der Weise ausgebildet, daß zwischen den beiden
Zweigwellen und der Abtriebwelle ein Stufenschaltgetriebe angeordnet ist, dessen
Stufensprung zwischen je zwei nacheinander einzuschaltenden Schaltstufen jeweils
gleich dem Verhältnis der höchsten Drehzahl der einen Zweigwelle zu der gleichzeitigen
niedrigsten Drehzahl der andern Zweigwelle (Grenzdrehzahlverhältnis der Zweigwellen)
ist und durch das die Zweigwellen abwechselnd mit der Abtriebwelle in Eingriff gebracht
werden können, wobei die stärker untersetzende Stufe des Stufenschaltgetriebes mit
der schneller laufenden und die schwächer untersetzende Stufe mit der langsam laufenden
Zweigwelle gekuppelt wird. Dabei können durch entsprechende Bemessung der den beiden
Zweigwellen zugeführten Drehmomente besondere Eigenschaften erreicht werden, z.
B. ein besonders hoher Wirkungsgrad und ein besonders geräuschloser Schnellgang,
indem man das stufenlose Übersetzungsgetriebe im schnelleren Drehzahlbereich langsamer
laufen läßt und von der Leistungsübertragung mehr als in den langsameren Gängen
entlastet. Das Getriebe gemäß der Erfindung hat weiter den Vorteil, daß die durch
das Übersetzungsgetriebe gehende Leistung nur einen Bruchteil der an der Abtriebwelle
abnehmbaren Leistung ausmacht.
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Da die miteinander in Eingriff zu bringenden Räder im Augenblick der
Einschaltung vollkommen synchrorasiert sind, kann die Umschaltung von einem stufenlosen
Bereich auf den nächsten jeweils so schnell erfolgen, daß eine Zugkraftunterbrechung
praktisch vermieden wird. Eine vollkommene Vermeidung der Zugkraftunterbrechung
kann mit der Einrichtung auch erreicht werden, indem ein Teil der Zahnräder mit
einseitig wirkenden Freiläufen versehen wird, Zweckmäßig wird das Getriebe so ausgeführt,
daß das stufenlose Übersetzungsgetriebe in solcher Verbindung mit dem Stufenschaltgetriebe
steht, daß dieses nur nach Erreichen des Grenzdrehzahlverhältnisses der Zweigwellen
umgeschaltet werden kann.
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Eine für Kraftfahrzeuge besonders vorteilhafte Ausführung ergibt sich
dadurch, daß das Leistungsverzweigungsgetriebe, die eine Zweigwelle und die Abtriebwelle
gleichzeitig angeördnet sind und das Leistungsverzweigungsgetriebe so ausgebildet
ist, daß es im meistbenutzten Geschwindigkeitsbereich wenigstens annähernd in sich
still steht und die Abtriebwelle in den schnellen Gängen mit der gleichachsigen
Zweigwelle unmittelbar gekuppelt wird. Um dann auch bei einer Störung im stufenlosen
Übersetzungsgetriebe einen Notbetrieb durchführen zu können, können Mittel vorgesehen
sein, um die Abtriebwelle mit der gleichachsigen Zweigwelle unmittelbar zu kuppeln
und gleichzeitig das Stufenschaltgetriebe zwischen der Abtriebwelle und der andern
Zweigwelle einschalten zu können.
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Eine gleichmäßig günstige Leistungsübertragung im ganzen Drehzahlbereich
kann dadurch erreicht werden, daß das Grenzdrehzahlverhältnis der Zweigwellen und
damit die Stufensprünge zwischen den einzelnen Schaltstufen für alle Schaltstufen,
sowie die Antriebsdrehmomente an beiden Zweigwellen einander gleich gewählt werden.
Man erreicht dadurch, daß für die Übertragung einer gleichbleibenden Leistung des
Gesamtgetriebes das Übersetzungsgetriebe stets mit dem gleichen Antriebsdrehmoment
belastet wird, und zwar unabhängig von der Antriebdrehzahl und der eingestellten
Schaltstufe, gleichgültig, welche Welle des Übersetzungsgetriebes die treibende
und welche die getriebene ist.
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In der Zeichnung sind drei, Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
schematisch mit den zugehörigen Leistungsdiagrammen dargestellt.
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Ein Motor x wirkt über eine Antriebwelle 2 auf ein Leistungsverzweigungsgetriebe
3, das zwei Zweigwellen q. und 5 antreibt. Diese Zweigwellen sind durch ein stufenloses
Übersetzungsgetriebe 6 verbunden, durch welches das Drehzahlverhältnis der beiden
Zweigwellen willkürlich stufenlos geändert werden kann. Zwischen die beiden Zweigwellen
q. und 5 und die Abtriebwelle 7 des Gesamtgetriebes ist ein Stufenschaltgetriebe
ß eingefügt, durch das die Abtriebwelle 7 abwechselnd mit den beiden Zweigwellen
q. und 5 in Eingriff gebracht werden kann. Die besonderen Schaltmittel, durch die
erreicht wird, daß das Stufenschaltgetriebe nur nach Erreichen des Grenzdrehzahlverhältnisses
der Zweigwellen
umgeschaltet werden kann, `Wobei die stärker untersetzende
Stufe des Stufenschaltgetriebes mit der schnell laufenden Zweigwelle und die schwächer
untersetzende Stufe mit der langsam laufenden Zweigwelle gekuppelt wird, sind nicht
dargestellt. Sie können in bekannter Weise verschiedenartig ausgebildet werden.
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Sowohl das Leistungsverzweigungsgetriebe wie das stufenlose Übersetzungsgetriebe
sind im Rahmen der Erfindung an keine bestimmte Bauart gebunden. Das stufenlose
Übersetzungsgetriebe 6 ist in den Ausführungsbeispielen als Riemscheibenwechselgetriebe
mit zwischen verschiebbaren $egelscheibenpaaren laufender Gliederkette dargestellt.
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Die Zweigwelle q. habe die Drehzahl n4 mit der unteren Grenzdrehzahl
n41 und der oberen Grenzdrehzahl n4o, die Zweigwelle 5 die Drehzahl n, mit den Grenzdrehzahlen
n51 und n..-Weiter sei
Das Stufenschaltgetriebe 8 umfaßt bei der Ausführung nach Fig. i drei Gänge, deren
jeweils zusammengehörige Räder auf den Zweigwellen und der Vorgelegewelle mit I,
II und III bezeichnet sind. Die Abtriebwelle 7 kann also durch den Gang I mit der
Zweigwelle q., durch den Gang II mit der Zweigwelle 5 und durch den Gang III wieder
mit der Zweigwelle q. in Eingriff gebracht werden, wodurch die drei Regelbereiche
entstehen.
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Die Übersetzung von Gang I sei c, die von Gang 1I sei b - c und die
von Gang III sei b2. c, so daß die Stufensprünge im Stufenschaltgetriebe einander
gleich, und zwar gleich b sind.
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Die Drehzahl der Abtriebwelle 7 werde mit 7i7, ihre Werte bei Einschaltung
der verschiedenen Stufen des Schaltgetriebes 8 mit n71, n711 und n711, bezeichnet.
Diese Beziehungen gelten sowohl für die oberen wie für die unteren Grenzdrehzahlen,
die durch Zufügen von o bzw. u unterschieden seien.
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Läuft im ersten Regelbereich die Zweigwelle q. mit ihrer oberen Grenzdrehzahl
n4o, dann ist
Durch das stufenlose Übersetzungsgetriebe 6 kann die Drehzahl der Zweigwelle q.
auf den unteren Grenzwert n41 herunter geregelt werden, wodurch die Abtriebwelle
7 die Drehzahl
annimmt.
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Dabei erhält die Zweigwelle 5 die obere Grenzdrehzahl n",. Wegen Gleichung
(i) ist
und damii wird
Der Wert auf der rechten Seite dieser Gleichung stellt aber die Drehzahl n7111 für
den Fall dar, daß die Abtriebwelle 7 mit dei mit n,, o laufenden Zweigwelle 5 durch
den Gang II des Stufenschaltgetriebes verbunden ist, der die Übersetzung b. c hat.
Dann ist nämlich
Also ist n71 21 = n7110, so daß es in diesem Augenblick möglich ist, das Stufenschaltgetriebe
von Gang I auf den Gang II umzuschalten und dadurch die Abtriebwelle mit der Zweigwelle
5 zu verbinden.
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Es kann im zweiten Regelbereich durch das stufenlose Übersetzungsgetriebe
6 die Drehzahl der Zweigwelle 5 auf den unteren Grenzwert n". erniedrigt werden,
wodurch die Abtriebwelle 7 die Drehzahl
erhält. Gleichzeitig steigt die Drehzahl derZweigwelle q. auf n4 o. Setzt man fürn"1
den Wertaus Gleichung (i)
ein, dann wird
Der rechts stehende Wert ist aber die Drehzahl n"IIO, die die Abtriebwelle 7 hätte,
wenn sie von der mit "41 laufenden Zweigwelle q. über den Gang III des Stufenschaltgetriebes
8 angetrieben würde, der ja die Übersetzung b2. c hat. Also ist n7II21
= n7zIIO, so daß in diesem Augenblick das Stufenschaltgetriebe 8 von Gang
II auf Gang III umgeschaltet und damit die Antriebwelle 7 von der Zweigwelle 5 auf
die Zweigwelle q. geschaltet werden kann.
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Bei dieser Verbindung der Wellen kann dann im dritten Regelbereich
durch das stufenlose Übersetzungsgetriebe 6 die Drehzahl der Zweigwelle q. -auf
n41 erniedrigt werden, wodurch die untere Grenzdrehzahl
erreicht wird.
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In gleicher Weise könnten durch weitere Stufen des Stufenschaltgetriebes
mit den Übersetzungen b3 # c,
b4 . c USW, weitere Regelbereiche gebildet
werden.
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Alle Umschaltungen finden bei Synchronismus der in Verbindung zu bringenden
Zahnräder statt, und die Drehzahlbereiche der Abtriebwelle 7 reihen sich stetig
und lückenlos aneinander.
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Entsprechende Verhältnisse ergeben sich, wenn das Verhältnis b nicht
für alle Regelbereiche konstant ist, sondern sein Wert von Regelbereich zu Regelbereich
durch Änderung der Übersetzung zwischen dem Leistungsverzweigungsgetriebe und den
Zweigwellen sich ändert. Sind die Werte von b dann b1, -b2, b3 usw., so treten an
die Stelle von b - c, b2 # c, b3 . c usw. die Werte b,.
c, b1. b2 . c, b,. b2 # b3 - c usw.
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Für die Leistungen ergibt sich folgendes: Wenn die der MotoZleistung
entsprechende Abtriebleistung mit N, die von den Zweigwellen q. und 5 abgenommenen
Leistungen bei der oberen Grenzdrehzahl n41 und der unteren Grenzdrehzahl n,,1 mit
N4, und Neu bezeichnet werden, dann ist einerseits N4o -j- N5.1 = N
und andererseits
Steht die Zweigwelle q. mit der Abtriebwelle 7 in Verbindung, dann
muß die Leistung N5 durch das stufenlose Übersetzungsgetriebe 6 auf die Abtriebwelle
7 übertragen werden, wobei die Drehzahl der Zweigwelle 5
beträgt.
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Wird das stufenlose Übersetzungsgetriebe in die entgegengesetzte Regelstellung
gebracht, in der die Zweigwelle q. mit n4" und die Zweigwelle 5 mit n5 0 läuft,
dann gilt N42L + N5 0 = N 7
ergibt. Die von derZweigwelle 5 durch-das stufenlose Übersetzungsgetriebe 6 auf
die Abtriebwelle 7 zu übertragende Leistung ist jetzt also das Mache der vorher
zu übertragenden Leistung. Nimmt man weiter an, daß die entsprechenden Grenzdrehzahlen
der beiden Zweigwellen einander absolut gleich sind, also n", = n4, und n5,
= n4. ist, dann ist n5o = b - x".. Die Drehzahl n", bei der die Mache
Leistung zu übertragen ist, hat also auch den Machen Wert von nsu, bei welcher Drehzahl
die Leistung vorher zu übertragen war. Daraus ergibt sich, daß das stufenlose übersetzungsgetriebe
bei den verschiedenen Regelstellungen stets mit gleichbleibendem Drehmoment angetrieben
wird, daß also, wenn als Übersetzungsgetriebe ein solches gewählt wird, das imstande
ist, Leistungen entsprechend gleichbleibendem Drehmoment der Antriebwelle zu übertragen,
dieses Getriebe in allen Regelstellungen voll ausgenutzt wird. Es ergibt sich ferner,
daß man mit der erfindungsgemäßen Getriebeverbindung in jeder Regelstellung eine
größere Leistung übertragen kann, als durch das eingebaute Übersetzungsgetriebe
gehen muß, was für Getriebe mit Leistungsverzweigung schon bekannt ist.
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In Fig: 2 sind die für das Getriebe nach Fig. z sich ergebenden Leistungswerte
als Funktion der Drehzahl n7 der Abtriebwelle 7 dargestellt. Man sieht, daß die
Übertragungsleistung des stufenlosen Übersetzungsgetriebes 6 stets nur einen Teil
der an der Abtriebwelle verfügbaren Leistung ausmacht.
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Fig. 3 bis 6 stellen zwei weitere Ausführungen von Getrieben der Erfindung
mit den zugehörigen Leistungsschaubildern dar. Die Welle 2 des Leistungsverzweigungsgetriebes
3, die Zweigwelle q. und die Abtriebwelle 7 sind gleichachsig angeordnet und gegenseitig
frei drehbar ineinander gelagert. Der auf der Abtriebwelle 7 undrehbar aber axial
verschiebbar sitzende Zahnräderblock des Stufenschaltgetriebes 6 trägt Kupplungsmittel
g, so daß er durch Verschieben nach links mit einer auf der Zweigwelle q. gelagerten
Kupplungsmuffe ro in Eingriff gebracht und dadurch die Abtriebwelle 7 mit der Zweigwelle
q. unmittelbar gekuppelt werden kann. Dabei ist Sorge getroffen, daß in diesem direkten
Gang das Leistungsverzweigungsgetriebe in sich möglichst stillsteht. Das Stufenschaltgetriebe
8 weist weiter einen Gang II und einen Rückwärtsgang R auf, an denen die Abtriebwelle
7 mit der Zweigwelle 5 verbunden ist.
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Die Ausführung nach Fig. 3 zeigt eine Ausgestaltung, um bei Bruch
der Kette des stufenlosen Übersetzungsgetriebes 6 einen Notbetrieb durchführen zu
können. Dazu ist die .Kupplungsmuffe zo auf der Welle q: axial verschiebbar angeordnet,
so daß sie auch bei eingeschaltetem Gang II des Stufenschaltgetriebes mit den Kupplungsmitteln
g in Eingriff gebracht und somit die Welle q. mit der Abtriebwelle 7 gekuppelt werden
kann.
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Die Ausführung nach Fig. 5 unterscheidet sich von der nach Fig. 3
dadurch, daß hier die Welle q. gegenüber der Welle 5 vom Leistungsverzweigungsgetriebe
3 her mit dem doppelten Drehmoment angetrieben wird. Dadurch ist der Leistungsanteil
(Fig. 6), der bei direkter Kupplung von g mit zo vom Leistungsverzweigungsgetriebe
3 über die Welle q. auf die Abtriebwelle 7 übertragen wird, hier wesentlich höher
als bei der Ausführung nach Fig. 3 und q.. Dementsprechend ist die Leistung, die
bei dieser Bauart im Schnellgeschwindigkeitsbereich durch den andern Leistungszweig
und das stufenlose Übersetzungsgetriebe geht, bedeutend geringer. Da erfahrungsgemäß
Kraftwagengetriebe nur zu etwa 4% ihrer Lebensdauer in langsamen Gängen gefahren
werden, gestattet eine solche Ausführung mit Drehmomententlastung des stufenlosen
Übersetzungsgetriebes in den meistgefahrenen Gängen eine wesentlich kleinere Bemessung
des stufenlosen Übersetzungsgetriebeteiles und trägt gleichzeitig zur Verbesserung
des Wirkungsgrades des Gesamtgetriebes bei.