-
ReRelnetriebe mit stufenloser tbersetzungsänderung
-
1. Stand der Technik in der Kraftfahrzeugindustrie werden neue Entwicklungen
unter der Premisse geringer Energieverbrauch" entwickelt. Diese Überlegungen haben
Einzug in jeden Entwicklungezweig. Zum einen werden die Karosserieformgebungen aerodynamischer,
züm anderen die Motoren sparsamer, die Karosseriegewichte werden leichter und die
Rollwiderstände von Reifen geringer.
-
Ein besonders großer Verdienst in diesem Zusammenhang kommt der Entwicklung
von elektronischen Microbauateinen zu, die zu einem Kleincomputer zusammengeschaltet
sehr komplexe Regelvorgänge bewerkstelligen können.
-
Stand der Technik ist, daß man durch ein elektronisches System auf
der Seite der Gemischaufbereitung eine Verbrauchsoptimierung erzielen kann. Ebenso
ist es Stand der Technik, die Zündsysteme bei Ottomotoren elektronisch zu regeln,
so daß der Verbrennungszeitpunkt Jeweils optimal bestimmt werden kann.
-
Da Verbrennungskraftmaschinen nur einen begrenzt nutzbaren Drehzahlbereich
haben und einen noch kleiner begrenzen Bereich optimaler Verbrennung in Bezug auf
die Sparsamkeit, ist es wünschenswert, solche Motoren durch ein kontinuierlich regelbares
Getriebe den Jeweiligen Nutzaufgaben (Fahrzuständen) anzupassen.
-
2. Erfindungsaufgabe und Lösung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
ein Regelgetriebe zu schaffen, das einfach aufgebaut ist und über einen großen Übersetzungsbereich
regelbar ist. Das Getriebe soll mittels einer elektronischen Regel schaltung, beispielsweise
durch einen Microcomputer, den Jeweiligen Nutzaufgaben (Fahrzuständen) optimal angepaßt
werden können.
-
3. usführungsbeisiel Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch
1 angegebene Erfindung gelöst.
-
Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
-
Es zeigen die Figuren 1 bis 3 drei verschiedene Ansichten eines Getriebes
mit den erfindungsgemäßen Merkmalen, Figur 4 einige abgewandelte Ausführungsformen,
Figur 5 ein Motor - Getriebe - System für ein erfindungsgemäßes Getriebe, Figur
6 eine Regelanordnung für ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Regelgetriebe,
Figur 7 ein Diagramm zum Übersetzungsbereich eines konventionell aufgebauten Getriebes
und des erfindungsgemäßen Getriebes und Figur 8 ein Drehzahl diagramm
3.1.
Getriebe Das hier.vorgestellte Regelgetriebe gehört in die Familie der Reibgetriebe.
Solche Getriebe sind bisher in der Hauptsache verwendet worden für die Übertragung
kleiner Drehmomente. Aus diesem Grunde mußte eine Form des Reibgetriebes gefunden
werden, die Drehmomente übertragen kann, wie sie in der Kraftfahrzeugtechnik üblich
sind. Die in den Figuren 1 - 3 dargestellte Ausführungsform des Regelgetriebes,
mit drei Übertragungsscheiben, überträgt Drehmomente wie sie für Klein-und Mittelklasse-Personenkraftfahrzeuge
üblich sind (ca. 120 Nm). Bei größeren Drehmomenten siehe Punkt3.1.3.
-
Weiterbildungen.
-
Das Regelgetriebe ist in seinem Grundaufbau sehr infach und besteht
aus wenigen Teilen. Die innere Reibund dieses Getriebes ist lediglich die Rollreibung
zwischen den Übertragunsscheiben und den Rollkörpern.
-
Dazu kommen noch die üblichen Reibungsverluste in den Wellenlagerungen.
Die Rollkörper und die Ubertragungsscheiben haben eine hohe Lebensdauer, da beide
Komponenten im Dauerfestigkeitsbereich arbeiten.
-
3.1.1. Kraftübortrarunrselemente und Kraftfluß Die Motorrehmomente
werden wie folgt übertragen (Figur 1): Das Drehmoment des Motors liegt an einer
Antriebswelle 1 an, die über ein Profil mit einer Antriebsscheibe 2 in Drehrichtung
fest verbunden ist. Die Antriebsscheibe 2 kann sich in Längsriohtung auf der Antriebswelle
1 verschieben (Ausgleichsbewegung). Die Antriebsscheibe 2 liegt zwischen Rollkörpern
3 und 4. An der Stelle, wo die Rollkörper 3 und 4 ihre Punktberührung mit der Antriebsscheibe
2 haben, werden diese durch die Drehbewegung der Antriebsscheibe 2 in Rotation versetzt.
Die Rollkörper 3 und 4 können nicht in tangentialer Richtung der Übertragungsscheiben
ausweichen, da sie in dieser Bewegungsebene durch ein Verstellsystem 5 gefesselt
sind (Verstellsystem siehe 3.1.5). Die rotierenden Rollkörper 3,4 geben nun ihrerseits
durch Reibung zwei Abtriebsscheiben 6 und 7 ihr Drehmoment ab. Die Abtriebsscheiben
sind wiederum auf einer Abtriebswelle 8 fixiert.
-
Ebenso wie die Antriebsscheibe 1 sind auch Abtriebsscheiben 6 und
7 in Längsrichtung auf der Abtriebswelle 8 verschiebbar (Ausgleichsbewegung). Der
Kraftfluß ist in Figur 1 gekennzeichnet.
-
3.1.2. Übersetzungsänderungen Das Übersetzungsverhältnis der Drehzahlen
entspricht dem Verhältnis der in Fig. 1 eingezeichneten Strecken A und B. Wie aus
Fig. 2 zu sehen ist, ist das Verstellsystem 5, in dem die Rollkörper gefesselt sind,
in der Ebene der Übertragungsscheiben entlang einem Führungsbolzen 13 verstellbar.
Hierdurch verändern die Rollkdrper 3,4 ihre Lage auf der Verbindungslinie zwischen
Antriebs- und Abtriebsachse 1 bzw. 8. So ergeben sich Je nach Stellung des Verstellsystems
5 unterschiedliche Ubersetzungsverhältnisse A t B. Der Übersetzungsbereich des Regelgetriebes
ist begrenzt durch die zu übertragenden Drehmomente. Das bedeutet, daß bei hohen
Drehmomenten und kleinem Hebelarm (A oder B) unzulässig große tangentiale Kräfte
an der Stelle der Punktberührung zwischen Übertragungsscheiben und Rollkörpern vorhanden
sein werden, so daß die maximale Haftreibung an dieser Stelle überschritten wird.
Dennoch ist der maximal mögliche Übersetzungsbereich, wie aus einem Diagramm in
Fig. 8 ersichtlich, erheblich größer als dies bei einem Stufengetriebe zu realisieren
ist (in Fig. 8 wurde ein Übersetzungsverhältnis des Regelgetriebes von 2,7S s 1
bis 1 1 2,75 verwandt). Die auBerordentlich- Größe des Übersetzungsbereiches hat
bei Kraftfahrzeugen wesentliche Vorteile, wie z. B. bessere Beschleunigung und die
Möglichkeit niedrigerer Drehzahlen bei entsprechender Geschwindigkeit.
-
3.1.3 Veit-rbildungen dea Regelgstriebes Die kleinste Getriebeeinheit
besteht aus einer einzigen Antriebascheibe und. einer einzigen Abtriebsscheibe,
wie in Fig. 4 links dargestellt. Dazu kommen drei nicht näher eingezeichnete Rollkörper,
von denen ein Rollkörper, der nittlere, die Kraftübertragung übernimmt.
-
Da das kritische Element der Kraftübertragung bei diesem Regelgetriebe
die Rollkörper sind, bietet sich, wie in Fig. 4 Mitte und rechts gezeigt, eine Erweiterung
durch zusätzliche An- und Abtriebsscheiben an, so daß sich die Anzahl der Rollkörper
erhöht. Eine besonders vorteilhafte Paarung für die Kraftfahrzeugindustrie besteht
aus einer einzelnen Antriebsscheibe, zwei Abtriebescheiben und den zugehörigen vier
Rollkörpern, von denen zwei Kraftübertragungsfunktionen haben. Die beschriebene
Regelgetriebeform kann, wie aus der rechten Skizze in Fig. 4 ersichtlich, durch
eine Zusammenstellung von n Übertragungsecheiben (Summe der Antriebs-und Abtriebascheiben)
und n + 1 Rollkörpern- weiter ausgebaut werden. Dabei ist die Anzahl der Antriebsecheiben
gleich der der Abtriebsscheiben. Bei ungleicher Anzahl der Übertragungsscheiben
ist eine Seite in ihrer Anzahl um 1 größer. n - 1 Rollkörper sind Jeweils für die
Übertragung des Drehmomentes wirksam.
-
Um auf diese Weise bei Regelgetrieben das maximal mögliche Drehmoment
zu ermitteln, kann das bei n = 2 übertragbare Drehmoment mit n - 1 multipliziert
werden.
-
3.1.4. Rollkörper 0' Als Rollkörper kommen Kugeln oder plombierte
Rollen (Tonnenrollen 3,4,9 und 10 in Fig. 1) zur Verwendung.
-
Diese Rollkörper sind, wie in der Kugellagerindustrie üblich, durchgehdrtet
(z.B. 100 Cr6). Die Form der Rollkörper beeinflußt die Aufstandsfläche an der Stelle,
wo die Punktberührung mit den Übertragungescheiben stattfindet. Je größer diese
Aufstandsfläche ist, desto geringer die maximale Kraft pro mm 2 (Berechnung nach
Hertz). Bei den oben gemachten Angaben über Regelgetriebe für den Kraftfahrzeugbau
und Drehmomentübertragungen von ca. 120 Nm reicht die mögliche Ubertragungskraft
einer Kugel nicht aus, darum wurden hier plombierte Rollen verwendet (in diesem
Beispiel Durchmesser 25 mm, großer Radius 110 mm, Breite 18 mm). Um den Rollkörpern
größte Druckbeanspruchung zuzugestehen, wurden diese außen gelagert. Es ist auch
möglich, die Rollkörper mit Achszapfen zu versehen.
-
3.1.3. Fesselung der Rollkörper im Verstellsystem Wie aus; der Figur
3 sichtbar, sind die Rollkörper 3,4,9,10 in einem Verstellsystem 5 gelagert. Dieses
Verstellsystem 5 nimmt die gesamte Kraft in sich auf, die auf die Rollkörper wirken
muß, damit das eingeführte Drehmoment übertragen werden kann. Die Rollkörper schwimmen
in Längsrichtung ihrer Lager, bis auf das Endlager 9 in Fig. 1, und werden durch
Federkraft, die von einer Feder 12 aufgebracht wird, oder durch eine andere z.B.
hydraulische Krafteinleitung mit den Übertragungsscheiben zu einem Paket zusammengepreßt.
Die Übertragungsscheiben sind in Längsrichtung der Wellen 1 und 8 verschiebbar gelagert,
damit sie eine Ausgleichsbewegung ausfwiren können. Die Verstellbewegung geschieht
längs der Achse 13 durch einen Servomotor, der durch die Computersteuerung geregelt
wird.
-
3.1.6. Übertragungsscheiben Da die Übertragungescheiben (An- und Abtriebsscheiben
2,6,7) keinerlei seitlichen Kräften ausgeliefert sind und nur das Drehmoment übertragen
müssen, können diese Scheiben sehr dünn dimensioniert werden. Aus diesem Grunde
bietet es sich an, die Übertragunsscheiben ebenfalls aus Kugellagerstahl (z.B. 100
C6 durchgehärtet) mit einem Härtewert von RC 58 herzustellen. In diesem Falle würde
eine Scheibenstärke von 5= für das angeführte Beispiel ausreichen. (Die Nabenausbildung
ist hier unberücksichtigt). Andere Möglichkeiten der Werkstoffwahl für die Ubertragungsscheiben
wären Einsatzstähle mit beispielsweise 2,5mm Einsatztiefe oder Vergütungsetähle,
die dann aber (beispielsweise 6,5mm tief) gehärtet sein müßten.
-
3.2. Motor - Getriebesystem Aus der Figur 5 ist ersichtlich, wie eine
ko'toIt-''" Getriebeeinheit mit einem in der beschriebenen Weise aufgebauten Regelgetriebe
aussehen kann. Von links nach rechts sind ein Motor 16, eine Kupplung 15, das Regelgetriebe
17 und ein Untersetzungsgetriebe 18 symbolisch dargestellt. Die Kupplung 15 ist
im Kraftfahrzeugbetrieb nötig, um einen Leerlaufbetrieb des Motors 16 im Stand zu
ermöglichen. Die Kupplung 15 kann als fliehkraftgeregelte Kupplung, elektronisch
geregelte Kupplung, als hydraulischer Drehmomentwandler o ä. ausgeführt werden.
Im Falle eines hydraulischen Drehmomentwandlers kann der Übersetzungsbereich des
Regelgetriebes 17 kleiner gehalten werden (der Wandler überbrückt einen größeren
tibersetzungsbereich beim Anfahren). Dies bedeutet in der Praxis, daß man größere
Drehmomente in dem Regelgetriebe übertragen kann (siehe auch 3.1.2.). Aus Sparsamkeitsgründen
kann man den hydraulischen Drehmomentwandler im Fahrbetrieb mechanisch kurzschließen,
um keine Wärmeverluste und hiermit Energieverluste zu erzeugen.
-
Das Untersetzungsgetriebe ist nötig, um die Drehzahlen hinter dem
Regelgetriebe 17 den Nutzanforderungen anzupassen. Diesem Untersetzungsgetriebe
18 kann ein Reversiergetriebe zugeordnet werden, was ein Umdrehen der Drehrichtung
ermöglicht (Rückwärtsfahren bei Kraftfahrzeugen).
-
3.3. Regelung Zur Erläuterung der Regelung dient Fig. 6, in der die
verschiedenen Regelgrößen symbolisch dargestellt sind.
-
Die Anpassung des Regelgetriebes 24 in Fig. 6 und eines mit 21 bezeichneten
Gemischaufbereitungssystemes an ihre Nutzaufgabe übernimmt ein Microcomputer 25.
Die Informationen, die der Microoomputer 25 verarbeiten muß, um die Systeme 21 und
24 zu regeln, sind z.B. bei einem Kraftfahrzeug die Stellung des Gaspedal 19, der
Unterdruck im Ansaugrohr 20 des Gemischaufbereitungssystems, die Fahrgeschwindigkeit
22 und die Drehzahl 23 des Antriebsmotors..Außerdem gibt es einen Fahrwahlschalter
27, der die Fahrzustände Vorwärts", Rückwrts", "Leerlauf" und "Motorbremse" definiert.
Die Stellung "Motorbremse" erlaubt dem Getriebe nur bis zu einer bestimmten Drehzahl
herunterzuregsin (z.B. 3000 1/min), damit im Gebirge eine verstärkte Motorbremswirkung
zu erzielen ist und damit keine unnötigen Regelvorgänge bei Bergauffahrten vorkommen.
-
Alle weiteren Daten, die zur Verarbeitung dieser Eingangssignale benötigt
werden, sind in einem ROM 26 untergebracht. Dort findet der Microcomputer 25 folgende
Daten: Motor- und Kraftfahrzeugkennlinien wie Drehzahl- Geschwindigkeit- Unterdruckw.rte,
für die sich der günstigste Verbrauch bei einer Fahrt in der Ebene ergibt, und entsprechende
Werte für die Vollast- und Teillast-Beschleunigung.
-
Die Skizze stellt nur ein Beispiel für eine Regelung, wie sie in der
Kraftfahozougtechnik auftreten könnte, dar.
-
3.3.1. Übersetzunsbereich (Diagramm in Fig. 7) Das Diagramm in Fig.
7 zeigt eine Gegenüberstellung der.
-
Betriebsbereiche eines konventionellen Getriebes und des beschriebenen
Regelgetriebes. Die schraffierte Fläche kennzeichnet den Bereich eines konventionell
aufgebauten 4-Gang-Getriebes. Der in Fig. 7 gestrichelt eingezelchnete mögliche
Übersetzungebereich des beschriebenen Getriebes ist gegenüber dem Bereich des konventionellen
Getriebes außerordentlich groß Eine innvolle Nutzung fängt in dem Bereich von ca.
3,5 t 1 bis 1 t 3,3 an. In den ausgeführten Beispielen wurde ein Übersetzungsverhältnis
von 2,75 t 1 bis 1 : 2,75 gewählt. Dies entspricht einem Gesamtübersetzungsbereich
von ca. 7,5 s 1 bis 1 s 1. Diese Spannbreite des Übersetzungsbereiches ist erheblich
größer als der übliche Bereich eines Stufengetriebes in der Kraffahrzeugtechnik,
der im allgemeinen von ca. 4 t 1 bis 1 s 1 reicht.
-
Aus diesem Grunde können Fahrzustände besser dem Übersetzungsverhältnis
angepaßt werden. Die kürzeste Übersetzung kann deutlich unter den Übersetzungsverhältnissen
für den kürzesten üblichen Gang in der Kraftfahrzeugtechnik gowählt werden. Dies
ist besonders dann nützlich, wenn eine Fliehkraftkupplung zwischen Motor und Regelgetriebe
zum Einsatz kommen soll. Diese Kupplung kann eine relativ steife Kennlinie haben
und trotzdem wird der Motor nicht in unzulässig niedrige Drehzahlbereiche absinken
bei der entsprechenden Geschwindigkeit. Die kürzeste Übersetzung des Regelgetriebes
kann auch deutlich verlängert werden, wenn, wie bereits oben angedeutet, ein Drehmomentwandler
als Übertragungsglied zwischen Motor und Getriebe zur
Verwendung
kommen soll. Ein hydraulischer Drehmomontwandler kommt bekanntlich dem Prinzip des
"Sparenwollens" nicht entgegen, weil er systembedingte Übertragungsverluste hat.
Aus diesem Grunde soll der hydraulische Drehmomentwandler mechanisch kurzzuschließen
sein, wenn der Anfahrvorgang beendet ist.
-
3.3.2. DrehzahlReshwinaiRkeitsdiaRramm (Diagramm in Fig. 8) Das Drehzahlgeschwindigkeitsdiagramm
in Fig. 8 zeigt Kurvenfür das gewählte Beispiel. Die Kurve 28 ist die Kurve der
verbrauchsgünstigsten Drehzahl in der Ebene aufgetragen über Geschwindigkeit für
den Fall, daß die Geschwindigkeit beibehalten und also nicht beschleunigt wird.
Die Kurve 29 ist die Vollastkurve, die die höchste Beschleunigung ermöglicht. Das
Feld zwischen den beiden Kurven ist der Bereich überschüssiger Energie, die zur
Beschleunigung verwendet wird. Der Bereich unterhalb der Kurve 28 bis zur Geraden
30 (längste Übersetzung) ermöglicht noch niedrigere Drehzahlen, die durch das in
Punkt 3.3. beschriebene Regelsystem automatisch gewählt werden, wenn beim Beispiel
des Kraftfahrzeuges Rückenwind oder Bergabfahrten vorkommen. Ein weiterer Vorteil
der Übersetzungsweise ist, daß praktisch nie in Überdrehzahlen gefahren wird. Bei
Fahrten in der Ebene ohne Beöchleunigung wird das Regelgetriebe so geregelt, daß
sich das Drehzahlniveau des Motors auf der Linie 28 bewegt. Bei mittlerer Beschleunigung
über diese Geschwindigkeit hinaus (Beispiel 32) erhöht sich das Drehzahlniveau entsprechend
des eingestellten Gaspedaiweges.
-
Dieses Drehzahlniveau erzeugt überschüssige Leistung, die zum Beschleunigen
verwendet wird. Bei Erreichen der neuen Fahrgeschwindigkeit kann das Gaspedal zurUckgenommen
werden bis keine Beschleunigung mehr stattfindet.
-
Duin wird wieder auf der Linie 28 gefahren.
-
3.3.3. Drehsahl- Unterdruck- GeechwindiFkeitsdiagramm Das in Punkt
3.3.2. beschriebene Diagramm ist eine nur der Übersicht dienende vereinfachte Form
der Regelung. In der Kraftfahrzeugtechnik kommt als dritte Komponente die Regelung
der Gemischmenge (Drosselklappenstellung) des Motors dazu. Die Regelung kann kombiniert
werden mit elektronischen Einspritzsystemen oder ähnlichem. Die korrekte Darstellung
müßte ein anstelle des zweidimensionalen Diagramms in Fig. 8 ein dreidimensionales
Drehzahl- Unterdruck-Geschwindigkeitsdiagramm sein, das von dem Kraftfahrzeughersteller
mit den Kraftfahrzeugdaten und Motorkennlinien bestimmt wird.