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Stufenloses, selbsttätig regelndes Getriebe, insbesondere für Kraftfahrzeuge
Die Erfindung bezieht sich auf ein stufenloses, selbsttätig regelndes Getriebe,
insbesondere für Kraftfahrzeuge. Es ist bereits bekannt, bei derartigen Getrieben
ein leistungsteilendes. Differentialgetriebe einem Strömungsgetriebe vorzuschalten,
dessen mit der Antriebswelle verbundenes, mit nach rückwärts gekrümmten Schaufeln
versehenes Turbinenrad beim Antrieb der Antriebswelle in entgegengesetzter Drehrichtung
zu dem mit dem. Differentialgetriebe verbundenen. Pumpenrad umläuft und bei dem
das Turbinenrad einen kleineren Durchmesser hat als -das Pumpenrad.
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Gemäß der Erfindung soll nun bei einem solchen Getriebe das Turbinenrad
in an sich bekannter Weise innerhalb des Pumpenrades angeordnet sein und radial
von innen nach außen durchströmt werden. Hierdurch wird beim Anfahren des Fahrzeuges
die von der Pumpe erzeugte Energie möglichst vollständig in die Umfangsgeschwindigkeit
des Treibmittels umgewandelt, wobei die Richtung der Umfangsgeschwindigkeit des
Treibmittels gleich der Richtung der Pumpenumfangsgeschwindigkeit ist. Hierdurch
werden insbesondere beim Anfahrzustand die Verluste wesentlich verringert und die
Momentenwandlung wesentlich erhöht gegenüber den bisher bekannten stufenlosen Getrieben,
die aus einem als Leistungsteilergetriebe wirkenden Differentialgetriebe und einem
Strömungsgetriebe bestehen.
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Es ist an sich bekannt, die Turbine innerhalb des Pumpenrades anzuordnen.
Bei dieser bekannten Ausführung sind aber die Schaufeln des Turbinenrades
nicht
stark nach rückwärts gekrümmt, vor allem sind aber das Pumpenrad und das Turbinenrad
nach dieser Entgegenhaltung nicht gegenläufig ausgeführt.
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Um den Bereich guten Wirkungsgrades eines solchen Getriebes noch mehr
zu erweitern und auch mit niedrigen Drehzahlen einen guten Wirkungsgrad zu erreichen,
kann .das Getriebe mit zwei Leiträdern versehen werden, von denen das eine axial
durchströmt wird und zu- und abschaltbar ist. Gemäß der Erfindung ist hierbei das
zweite Leitrad durch den im Strömungskreislauf herrschenden Öldruck feststellbar
oder lose drehbar. Bei einem zweiten Leitrad, das radial durchströmt wird, kann
dieses zweite Leitrad gemäß der Erfindung in den Strömungskreis hinein oder aus
diesem heraus verschiebbar sein.
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Um Leckverluste des Strömungsgetriebes durch die Lager von Pumpe und
Turbine weitgehend zu vermindern, können in oder zwischen den Lagern des Turbinenrades
und des Pumpenrades Ringkammern angeordnet werden, die durch Bohrungen in den Wellen
mit dem Strömungskreislauf verbunden sind, um das Lecköl auf diese Weise zurückzuführen.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele von Getrieben gemäß
der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. I einen Längsschnitt durch das Getriebe,
Fig. 2 einen Längsschnitt einer abgeänderten Ausführungsform, Fig. 3 einen Querschnitt
nach der Linie A-B der Fig. I und Fig. 4 bis I3 Geschwindigkeitsdiagramme und Beispiele
für die Schaufelausbildung.
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Nach der dargestellten Ausführungsform ist das Differentialgetriebe
als Planetengetriebe ausgeführt. Die vom Motor kommende Leistung wird über die Antriebswelle
I dem äußeren Sonnenrad 5 zugeführt. An dem Planetenträger 2 sind mehrere Bolzen
3 od. dgl. befestigt, auf denen die Planetenräder 4 drehbar gelagert sind. Diese
Planetenräder sind als Zahnräder ausgebildet und befinden sich gleichzeitig im Eingriff
mit dem Außenrad 5, das eine Innenverzahnung trägt, und dem Innenrad 6, das eine
Außenverzahnung besitzt. Das Innenrad 6 ist durch die Welle 7 mit dem Pumpenlaufrad
8 verbunden. Dieses Pumpenrad ist in dem Gehäuse 9 drehbar gelagert. Außerdem ist
in diesem Gehäuse das Turbinenrad I0 drehbar angeordnet. Dieses Turbinenrad I0 ist
über die Hohlwelle II mit einem Rad I3 verbunden, von dem aus die Leistung weitergegeben
wird.
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In dem Gehäuse 9 befindet sich innerhalb des Strömungskanals 14 das
Leitrad I5. Außer diesem Leitrad I5 ist noch ein zweites Leitrad I6 innerhalb des
Strömungskanals 14 angeordnet. Dieses Leitrad I6 sitzt auf einer Welle I7, die in
unbeeinflußtem Zustand frei umlaufen kann. Hierdurch wird eine Wirkung dieses zweiten
Leitrades nicht erreicht, wodurch bei niedrigen Drehzahlen der Abtriebswelle beim
Anfahren die Verluste des Getriebes vermindert werden. Es ist möglich, dieses Leitrad
I6 festzustellen, und zwar beispielsweise mittels eines Klemmringes I8, der die
Welle II umgibt und durch mehrere Kolben I9 entgegen Druckfedern (nicht dargestellt)
verschoben werden kann.
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Bei langsam laufendem Pumpenrad, d. h. bei Teilgas oder bei Vollgas
mit hoher Fahrgeschwindigkeit, wird durch die Federn der Ring I8 gegen die Welle
I7 gedrückt, wodurch das Leitrad I6 festgestellt und eine entsprechende Beeinflussung
des Strömungskreislaufs erreicht wird. Bei höherem Druck innerhalb des Strömungskreislaufs
pflanzt sich dieser Druck durch einen Kanal 2o auf die Kolben I9 fort, wodurch der
Ring I8 von der Welle I7 abgezogen wird. Nunmehr kann sich diese Welle mit dem Leitrad
frei bewegen, so daß der Strömungskreislauf nicht mehr durch dieses Leitrad beeinflußt
wird.
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In den Fig. 7, 8 und 9 ist die Beschaufelung nach Fig. I dargestellt.
Die Schaufeln des Pumpenrades 8 sind, wie aus Fig.7 hervorgeht, nach rückwärts gekrümmt,
ebenso weisen die Schaufeln des Turbinenrades Io eine starke Krümmung nach rückwärts
auf. In Fig. 8 ist die Beschaufelung des zweiten Leitrades I6 dargestellt, während
Fig. 9 die Schaufeln des feststehenden Leitrades I5 angibt. Bei diesen Beschaufelungen
sind die entsprechenden Geschwindigkeiten im Strömungskreislauf durch Pfeile angegeben.
Hierbei bedeuten die Buchstaben P das Pumpenrad, T das Turbinenrad, L das Leitrad,
während die Indices »i« die Eintrictsgeschwindigkeit und »2« die Austrittsgeschwindigkeit
angeben.
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In den Fig. 4 bis 6 sind die Geschwindigkeitsdreiecke dargestellt,
und zwar für den Fall, daß das Leitrad 16 wirkungslos ist, beispielsweise beim Anfahren
des Kraftfahrzeuges. Die Geschwindigkeitsdiagramme in den Fig. II bis I3 zeigen
die Ausführung beim Fahren mit hoher Geschwindigkeit, d. h. bei feststehendem Leitrad.
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Die Wirkungsweise der Ausführung nach Fig. I ist folgende: Das Pumpenrad
8 wird über das Verzweigungsgetriebe angetrieben-und erzeugt einen Ölumlauf im Strömungskreislauf.
Das Turbinenrad I0 wird radial durchströmt, und zwar strömt das Treibmittel (Öl,
Luft od. dgl.) von innen nach außen. Das Turbinenrad ist innerhalb des Pumpenrades
8 derart angeordnet, daß zwischen dem Außendurchmesser des Turbinenrades und dem
Eintrittsdurchmesser des Pumpenrades nur ein sehr kleiner Abstand besteht. Diese
Maßnahme dient in erster Linie der Verminderung der Verluste. weil die höchsten
auftretenden absoluten Geschwindigkeiten in dem Zwischenraum zwischen Turbinenrad
und Pumpenrad vorhanden sind, wie sich aus den Geschwindigkeitsdreiecken nach Fig.
4 bis 6 ergibt.
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Die Rückführscbaufeln des Leitrades I5 sind gernäß Fig. 9 nur schwach
gekrümmt. Da beim Anfahren der höchste Druck im Strömungskreislauf herrscht, ist
- das Leitrad 16 wirkungslos. Die Strörnungsverluste in den Rückführschaufeln sind
demzufolge sehr gering. Aber auch im Turbinenrad io herrscher_ noch günstige Zu-
und Abströmverhältnisse,
wodurch das Anfahrmoment beachtlich gesteigert
werden kann.
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Beim Fahren mit Höchstgeschwindigkeiten oder mit gedrosseltem Motor
soll die Turbine bei möglichst hoher Drehzahl des Turbinenrades noch mit gutem Wirkungsgrad
arbeiten. Dies wird erreicht durch das stillstehende Leitrad 16, indem dieses einen
Gleichdrall CTl vor der Turbine erzeugt, wie aus Fig.I2 hervorgeht.
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Die Verschiebung des Ringes 18 erfolgt automatisch durch die geschilderte
Beaufschlagung der Kolben I9.
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Die Anordnung des zweiten Leitrades innerhalb des Strömungskreislaufs
kann gemäß Fig.2 auch noch in anderer Weise erreicht werden. Nach dieser Figur ist
ebenfalls das Pumpenrad 8 vorgesehen, innerhalb dessen sich das Turbinenrad I0 befindet.
Das zweite Leitrad 21 ist nicht im engsten Querschnitt wie nach Fig. I angeordnet,
sondern befindet sich in einem radial durchströmten Teil des Strömungskreislaufs.
Dieses Leitrad 21 kann ebenfalls durch einen Ringkolben 22 verstellt werden, und
zwar über ein Ventil 23, das durch einen Kolben 24 gesteuert wird. Bei entsprechendem
Druck hinter dem Pumpenrad I0 wird durch den Kolben 24 das Ventil 23 geöffnet, und
das Druckmittel kann aus dem Zylinderraum 25 durch den Kanal 41 in den Raum 42 zwischen
dem Turbinenrad I0 und dem Pumpenrad 8 ausströmen, da hier niedriger Druck herrscht.
Durch den Unterdrink im Zylinderraum 25 und den höheren Druck im Strömungskreislauf
wird somit das Leitrad 2I aus dem Strömungskreislauf herausgeschoben, so daß es
wirkungslos ist. Durch die Druckft lern 26 wird der Ringkolben 22 derart beeinflußt,
daß die Leitschaufeln des Leitrades 21 im Strömungskreislauf wirksam sind. Der Kolben
24 des Ventils 23 ist durch eine Druckfeder 27 belastet, deren Spannkraft durch
die Stellschraube 28 einreguliert werden kann. Diese Feder 27 schließt das Ventil
23, wenn der Druck im Strömungskreislauf einen bestimmten Wert unterschreitet, also
wenn die Fahrgeschwindigkeit bei Vollgasstellung etwa 7o bis 8o % der Höchstgeschwindigkeit
erreicht hat oder wenn der Motor gedrosselt wird.
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Durch diese Anordnung wird auf sehr einfache Weise die Verschiebung
des Leitrades sowohl von der Motordrehzahl als auch von der Gaspedalstellung abhängig
gemacht, d. h., bei Vollgasstellung wird das Leitrad erst bei viel höherer Motordrehzahl
eingeschaltet als bei Teilgas, weil die Drehzahl des Pumpenrades und damit der Steuerdruck
sowohl von der Motordrehzahl als auch von dem Drehzahlverhältnis zwischen Antriebs-
und Abtriebswelle abhängig sind.
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Durch die zusätzliche Anordnung des zu- und abschaltbaren Leitrades
16 bzw. 21 erreicht man die gleichen Vorteile wie durch eine automatische Stufenschaltung,
ohne deren Nachteile in Kauf nehmen zu müssen, nämlich die komplizierte Automatik,
die verschleißempfindlichen Kupplungen und Bremsen und die Umschaltung der die gesamte
Leistung übertragenden Teile. Fig. I0 zeigt noch die Anordnung der Schaufeln des
feststehenden Leitrades 15 und des verstellbaren Leitrades 2I gemäß Fig. 2.
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Bei beiden Ausführungen nach Fig. I und 2 ist die Abtriebswelle 29
zwischen dem Planetenträger 3 und einer Keilwelle 30 unterbrochen. Bei der
Vorwärtsfahrt werden die beiden Teile durch eine Zahnkupplung 32 zwischen dem Schieberad
31 und einer Rastenscheibe 35 verbunden, so daß die Leistung des Planetenträgers
und der Turbine addiert werden. Bei der Rückwärtsschaltung wird das Schieberad 31
nach rechts verschoben, so daß es mit einem Zahnrad 33 einer Zwischenwelle 34 in
Eingriff kommt. Bei dieser Rückwärtsfahrt wird der Planetenträger durch die Rastenscheibe
35 (Fig. 3) und die Sperrklinke 36 festgehalten: Die beiden Teile der Abtriebswelle
werden also getrennt, und die Turbine wirkt über die Zwischenwelle 34 im umgekehrten
Drehsinn auf den Abtrieb. Man erspart auf diese Weise ein zusätzliches Wendegetriebe,
' wodurch der gesamte Aufbau wesentlich vereinfacht wird.
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Die Unterbrechung der Abtriebswelle hat eine wesentliche Erhöhung
des Drehmomentes bei Rückwärtsfahrt zur Folge. Die Parkstellung, bei der die Abtriebswelle
nicht drehbar ist, wird erreicht, wenn das Schieberad 31 auf vorwärts steht und
die Sperrklinke 36 in die Rastenscheibe eingreift, was durch einen entsprechenden
Schalthebel erreichbar ist.
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Um Leckverluste zu vermeiden, werden entsprechende Maßn?.hmen vorgesehen.
Die Leckverluste durch die Lagerstelle im Strömungskreislauf werden um so größer,
je schneller das Pumpenrad 8 umläuft. Bei maximaler Drehzahl des Pumpenrades läuft
aber die Antriebswelle nur mit etwa halber Motordrehzahl. Umgekehrt, läuft bei maximäler
Motordrehzahl das Pumpenrad nur mit einem Drittel der maximalen Pumpendrehzahl.
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Die Versorgung des Strömungskreislaufs erfolgt durch die mit der Antriebswelle
i umlaufende Zahnradpumpe 37. Diese ist so bemessen, daß in jedem Betriebszustand
mehr Öl gefördert werden kann, als aus dem Strömungskreislauf entweicht. Die Zahnradpumpe
und deren Antriebseinrichtung können dadurch sehr klein bemessen werden, daß. das
Lecköl aus dem Strömungskreislauf durch Bohrungen 38 der Welle 7 oder durch Bohrungen
39 der Turbinenwelle i r dem Strömungskreislauf wieder zugeführt wird.
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Zur Luftabscheidung können radiale Schaufeln 4o dienen, die im Pumpenrad
8 angebracht sind.