DE4321755A1

DE4321755A1 - Vegetative Antriebskonzeption mit Hilfe eines stufenlosen servomechanischen Getriebes

Info

Publication number: DE4321755A1
Application number: DE19934321755
Authority: DE
Inventors: Harald Von Hacht
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-06-30
Filing date: 1993-06-30
Publication date: 1993-12-02
Anticipated expiration: 2013-07-01
Also published as: DE4321755B4

Description

Die im Sinne dieser Erfindung als "vegetativ" bezeichnete Antriebskon zeption (VA-Konzeption) für alle durch Getriebe steuerbaren Antriebe ist dadurch gekennzeichnet, daß im Gegensatz zu allen bisherigen An triebsformen die Antriebsmaschine nicht mehr direkt, also motorisch, gesteuert wird, sondern konstant mit ihrer optimalen Drehzahl bei ma ximalem Drehmoment und damit beim besten Wirkungsgrad arbeiten kann. Die Steuerung erfolgt vielmehr über ein stufenlos regelbares und stufenlos umkehrbares Getriebe, das Gegenstand dieser Erfindung ist. Dieses Getriebe, bei dem nie ein Zahnrad geschaltet werden muß, er möglicht zusätzlich eine kontinuierliche und leistungsabhängige maxi male Beschleunigung.

Herkömmliche Antriebssysteme sind in der Regel dadurch gekennzeichnet, daß zur Variation der abgegebenen Leistung das krafterzeugende Aggre gat gesteuert wird, wobei das zwischengeschaltete Getriebe die Aufgabe hat, die Leistungsübertragung so zu regeln, daß einerseits ein Anfah ren überhaupt erst möglich wird und anderseits im Zustand des Laufens ein möglichst guter Wirkungsgrad zwischen Leistungserzeugung und Lei stungsabnahme erreicht wird. Die Nachteile dieser Anordnungen bestehen darin, daß das Antriebsaggregat zu einem nicht optimal ausgelegt wer den kann und zum anderen , wenn es erst einmal ausgelegt ist, nur sel ten in der dem optimalen Wirkungsgrad entsprechenden Drehzahl betrie ben werden kann. Alle bisherigen Entwicklungen von stufenlosen Getrie ben, wie beispielsweise in den Schriften
DP 6 53 589,
DP 22 15 396,
DP 23 17 482,
DP 24 10 342,
DP 35 30 185,
DE 26 50 152,
DE 37 12 659 A1,
US 2 147 528,
US 2 308 547,
US 3 431 798,
US 3 653 279
dargestellt, bieten zum Beispiel der Antriebsmaschine nie die Möglich keit, mit einer konstanten Drehzahl ihres besten Wirkungsgrades laufen zu können. Ferner ist auch der Wirkungsgrad der hydraulischen Drehzahl steuerungsmechanismen noch sehr schlecht, weil die Turbinen der Wand ler oft, im Gegensatz zu der vorliegenden Erfindung, aus dem Stand her aus beschleunigt werden müssen. Eine einfache Drehrichtungsumkehr wird fast nie erwähnt. Viele Konstruktionen vermitteln durch ihre Kompli ziertheit verstärkte Anfälligkeit. Viele Konstruktionen lassen auch ohne zusätzliches Bauteil keine Ruhesteilung im Abtrieb zu.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine servomechanische Antriebs vorrichtung mit möglichst geringem technischen Aufwand und gutem Wir kungsgrad zu entwickeln, deren Übersetzung stufenlos zu regeln ist. Die vorliegende Erfindung geht davon aus, daß das Antriebsaggregat selbst durch interne automatische Regelung, wie sie bereits hinreichend bekannt ist, immer im optimalen Drehzahlbereich gehalten werden kann und die Variation der Leistungsübertragung über das stufenlos regelbare Getriebe, das Gegenstand dieser Erfindung ist, vorgenommen wird. In gleicher Weise wäre es möglich, die Drehzahlkonstanz auf die Seite der Leistungsabnahme zu legen, wenn das Antriebsaggregat (z. B. bei Wind kraftmaschinen) mit wechselnder Drehzahl arbeiten sollte.

In Analogie zu biologischen Abläufen wird die hier dargestellte Anord nung mit dem Begriff "vegetativ" gekennzeichnet, da die Steuerung der Leistungsabnahme nicht mehr durch direkte motorische Beeinflussung der Antriebsmaschine, sondern indirekt durch ausschließliche Steuerung des diesem Getriebe eigenen "systemimmanenten Drehzahlverhältnisses" er folgt.

Zur vorliegenden Erfindung gehören u. a. Vorrichtungen (Wandler), die ge eignet sind, alle Arten von Getriebeformationen, die zwischen Antriebs- und Abtriebsrad Planetenräder aufweisen (z. B. auch Differentiale), in einer bisher nicht bekannten Art und Weise zu steuern.

Die mechanischen, geometrischen und mathematisch/physikalischen Grund lagen von Planetenradanordnungen werden als bekannt vorausgesetzt, wenn gleich das Drehzahlverhalten noch neue Erkenntnisse zuläßt.

Bisher bekannte Planetenradsysteme arbeiten in der Weise, daß eine Ein gangskraft entsprechend der vorgegebenen Auslegung des Systems in pas siver Weise umgesetzt wird. Dabei kann im Normalfall davon ausgegangen werden, daß von den drei wesentlichen, beweglichen Teilen, nämlich Sonnenrad (S), Planetenträger (PT) mit Planetenrädern und Umlaufrad (U), jeweils eines fixiert bleibt. Im Betrieb stellt sich dabei ein "system immanentes Drehzahlverhältnis" zwischen den beiden beweglichen Teilen ein, das für einfachste Planetensatzkonstellationen durch die folgende Formel wiedergegeben wird:

Darin ist n die jeweilige Drehzahl in min^-1 und Z die jeweilige Anzahl der Zahnradzähne.

Ist in einer derart "stabilen" Planetensatzkonstellation das Umlaufrad fixiert, so liegt das "systemimmanente Drehzahlverhältnis" im Bereich von ca. 0,4 : 1 bei gleicher Drehrichtung von Planetenträger und Son nenrad vor. Dabei ist eine evtl. gewünschte Variation dieses Drehzahl verhältnisses durch Änderung der Zahnradgrößen aufgrund konstruktiver Beschränkungen nur in sehr begrenztem Maße möglich. Arretiert man da gegen den Planetenträger, so ergibt sich nach gleicher Formel ein "systemimmanentes Drehzahlverhältnis" von ca. 0,5 : 1 zwischen Umlauf rad und Sonnenrad. Nur sind jetzt die Drehrichtungen von Umlaufrad und Sonnenrad entgegengesetzt.

Sind allerdings im Gegensatz zu den obigen Annahmen in einem Planeten radsystem alle Teile frei beweglich, so liegt im System ein instabiles Drehzahlverhalten vor.

Das Drehzahlverhältnis zweier Teile der einfachsten Planetensatzkon stellation läßt sich jedoch stärker beeinflussen, wenn z. B. mehrere Planetensätze derart in Reihe geschaltet werden, daß alle Sonnenräder sich auf einer Welle drehen und die Umlaufräder mit dem Planetenträger des jeweils nächsten Satzes verbunden sind (siehe Fig. II).

Die Erfindung bietet mit dem "systemimmanenten Drehzahlverhältnis" technisch die Möglichkeit, daß zur Synchronisation zwischen An- und Abtrieb nicht die zwischen diesen bestehende volle Drehzahldifferenz abgebaut werden muß, sondern nur eine um mehr als die Hälfte niedrige re Drehzahldifferenz zwischen den beweglichen Teilen des Servogetrie bes.

Da der Gesamtwirkungsgrad der neuen, der Erfindung zugrundeliegenden VA-Konzeption im wesentlichen vom Wirkungsgrad der die Drehzahl regeln den Technik abhängt, sollte die zu beeinflussende Drehzahldifferenz zweier Teile immer so gering wie technisch möglich sein. Daraus folgt, daß auf der einen Seite die Antriebsmaschine mit einer Drehzahl auto matisch gesteuert werden kann, die den laut Konstruktionsberechnung besten Wirkungsgrad ermöglicht und anderseits dank des "vegetativen" Antriebs jetzt stufenlos jede Drehzahl abgenommen werden kann.

Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Stabili sierung des Drehzahlverhaltens bei freier Beweglichkeit aller Teile in das Planetensystem aktiv in der Weise eingegriffen wird, daß

a. beim Anfahren des Systems aus dem Stand heraus (d. h. ein Teil ist fixiert) das "systemimmanente Drehzahlverhältnis" zwischen dann zwei beweglichen Teilen verändert wird mit der Wirkung, daß das dritte Teil sich in Bewegung setzt, und zwar vor oder zurück, je nachdem, ob das obige Drehzahlverhältnis verkleinert oder vergrößert wird,
b. während des Laufens durch stufenlose Veränderung dieses Drehzahl verhältnisses im positiven wie im negativen Sinne alle denkbaren Änderungen des Laufzustandes (Beschleunigen, Verlangsamen, Änderung der Drehrichtung) herbeigeführt werden. Dabei verharrt das dritte Teil immer dann in Ruhestellung, wenn sich zwischen den beiden ande ren Teilen deren "systemimmanentes Drehzahlverhältnis" einstellt.

Bei konstanter Eingangsdrehzahl läßt sich nur auf diese Weise technisch sinnvoll eine stufenlos regelbare Abgangsdrehzahl erreichen.

Der erfindungsgemäße aktive Eingriff im Sinne einer stufenlosen Rege lung erfolgt also durch Steuerung der Änderung der Drehzahlrelation über stufenlose Beschleunigung bzw. Verzögerung eines Teils des Plane tenradsystems gegenüber einem anderen.

Dies kann durch Steuermechanismen vielfältiger Art geschehen, z. B. Drehmomentwandler, Viskosekupplung oder Strommaschine, die mit Teilen des Getriebes fest verbunden sind, wie in den Fig. I bis XII darge stellt. Die Viskosekupplungen oder -bremsen können und sollten immer thermisch gesteuert werden.

Wesentlich für die Erfindung ist die Tatsache, daß aktiv in das in al len Teilen bewegliche Planetenradsystem eingegriffen wird, und zwar gilt dies für alle Freiheitsgrade des jeweiligen Systems von Planeten radkonstruktionen.

In den Fig. I bis XII sind beispielhaft Möglichkeiten dargestellt, wie unterschiedliche Steuermechanismen auf unterschiedliche Weise mit Planetenradanordnungen konstruktiv fest verbunden sein können. Für alle Anordnungen gilt, daß das über eine Welle eingeleitete Dreh moment in mindestens zwei Stränge aufgeteilt wird, und zwar

- in Fig. I und II in zwei hydraulische Stränge,
- in den Fig. III bis X in jeweils einen mechanischen und hydrauli schen Strang,
- in den Fig. XI und XII in jeweils einen mechanischen und einen elektrischen Strang.

Die Einleitung der Kraft muß bei Fig. I bis VI immer bei 1 erfolgen, bei Fig. VII bis XII kann der Kraftfluß sowohl von 1 nach 10 als auch von 10 nach 1 geführt werden. Die drehenden Wandlergehäuse 2 von Fig. I, II, III, IV und VI müssen zwecks Steuerung der Ölfüllung mit Fliehkraftventilen 14 versehen sein. Bei dem stehenden Wandler in Fig. V ist die Ölsteuerung stationär auszuführen. Bei allen Getriebe formationen ist sinnvoll eine Fliehkraftkupplung oder Überbrückungskupplung einzusetzen, die greift, sobald Synchronlauf vorliegt.

Die Drehrichtungsumkehr ist bei Fig. I, II und VI mit Hilfe eines blockierenden Bremsbandes 13 zu erreichen, bei den Fig. III, IV, V, VII, VIII, X, XI und XII muß eine steuerbare Abbremsung gewählt wer den, eine Viskosebremse oder eine z. B. bei einem Kraftfahrzeug über den Bremspedaldruck steuerbare Schlupfkupplung bekannter Art. Eine stufenlose Drehzahländerung sowohl im Vor- und Rücklauf wird in Fig. VI dargestellt. Sollte auf die Umkehr der Drehrichtung im Ab trieb verzichtet werden können, ist jede Verbindung von Teilen des Drehzahlwandlers mit Teilen des Planetenradsatzes möglich (siehe Fig. IX), bei einfachster Umkehrmöglichkeit sollte aber ein Dreh momentanteil über den Planetenträger führen, der dann abzubremsen sein muß.

Der Einsatz eines VA-Antriebs in einem Kraftfahrzeug bietet die fol genden Vorteile:

1. Die Antriebsmaschine kann bei geforderter Leistung ohne direkte Einflußnahme stets konstant in der günstigsten Drehzahl betrieben werden.
2. Der Wirkungsgrad der Antriebsmaschine kann somit maximiert werden, ihr thermischer Haushalt ist gleichmäßiger.
3. Auch bei Verbrennungsmaschinen ist eine vereinfachte Auslegung mög lich.
4. Der notwendige Energieeinsatz wird reduziert.
5. VA-Systeme sind umweltfreundlich, da die Abgaszusammensetzung leichter überprüfbar, berechenbar und steuerbar ist.
6. VA-Antriebe sind durch ihre vergleichsweise einfache Konstruktion billiger in der Herstellung und wartungsärmer, da sie weniger Bau teile erfordern.
7. Bei Bedarf ist auch optimale Beschleunigung bis hin zum Synchron lauf im Getriebe möglich, d. h. bei normal üblicher Übersetzung im Differential von Kraftfahrzeugen, bis hin zu einer Geschwindigkeit von ca. 100 km/h.
8. Das Führen von Fahrzeugen wird erleichtert.
9. Die Antriebsmaschine kann bezüglich des Energieverbrauchs und der Schadstoffemission konstruktiv effektiver ausgelegt werden: Für die Motorkonstruktion ist nur noch die Drehzahl des maximalen Drehmo mentes wichtig, d. h. es bedarf nicht so vieler technischer Kompro misse wie bei herkömmlichen Antriebssystemen. Sämtliche Berech nungskriterien können auf diese Drehzahl bezogen werden. Die Leer laufdrehzahl kann vernachlässigt werden, die Drehzahlen zwischen der Leerlaufdrehzahl und der Drehzahl des maximalen Drehmoments sind nicht relevant und Drehzahlen oberhalb der Drehzahl des maxi malen Drehmoments können vorkommen oder auch nicht.
10. Neue Antriebe treten jetzt in den Bereich der technischen und wirt schaftlichen Realisierbarkeit.
11. Die Übersetzung im Fahrzeug kann so ausgelegt werden, daß der Syn chronlauf in dem neuen Getriebe dann eintritt, wenn eine evtl. ge setzlich vorgeschriebene Endgeschwindigkeit erreicht ist.
12. Um unter Inkaufnahme eines schlechteren Wirkungsgrades Fahrzeugen eine höhere Geschwindigkeit zu verleihen, als es der Synchronlauf des VA-Antriebs erlaubt, kann die Motordrehzahl zusätzlich erhöht werden, um die Leistungsreserve (in kW bzw. PS) des Motors zu nut zen.

Bezeichnungen in den Fig. I bis XII

1 Antriebswelle
2 Wandler-Gehäuse
3 Pumpe
4 Pumpenwelle
5.1 Imlaufrad 1
5.2 Umlaufrad 2
6.1 Turbine 1
6.2 Turbine 2
7.1 Turbinenwelle 1
7.2 Turbinenwelle 2
8.1 Planetenträger 1
8.2 Planetenträger 2
9.1 Sonnenrad 1
9.2 Sonnenrad 2
10 Abtriebswelle
11 Leitrad
12 Freilauf
13 Bremse
14 Fliehkraftventil
15 Ölkanal
16 Differential
17 Zahnrad
18 Zahnrad
19 Zahnrad
20 Zahnrad

Claims

1. Die Erfindung betrifft ein als "vegetativ" bezeichnetes Antriebs system, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des Verhältnis ses zwischen Antriebs- und Abtriebsdrehzahl über ein stufenlos regelbares servomechanisches Getriebe erfolgt, wobei jeweils eine der beiden Drehzahlen zur Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades unabhängig von der Belastung konstant gehalten werden kann. Die stufenlose Veränderung der jeweils nicht konstant gehaltenen ande ren Drehzahl (auch bei n = 0 beginnend) erfolgt durch bewußt her beigeführte Veränderung des dem im Servogetriebe wirksamen Plane tenradsystems innewohnenden, im folgenden als "systemimmanent" bezeichneten Drehzahlverhältnisses zwischen jeweils zwei der sämt lich beweglichen Teile dieser Planetenradanordnung mittels fest mit Teilen dieser Anordnung verbundener Servomaschinen (Steuerme chanismen wie z. B. hydraulische Kupplung, hydraulischer Wandler, Viskosekupplung, elektrische Kupplung, mechanische Rutschkupplung), wodurch das jeweils dritte Teil der Planetenradanordnung in eine Drehbewegung versetzt wird, wobei Drehzahl und Drehrichtung von der Art der Veränderung des Drehzahlverhältnisses der jeweils beiden anderen Teile sowie davon abhängt, in welchem Drehzahlbereich sich diese bewußt herbeigeführte Veränderung abspielt.
Die Umkehr der Drehrichtung, die nur möglich ist, wenn der Planeten radträger individuell abgebremst werden kann, wird durch Reduzierung der Planetenträgerdrehzahl, notfalls bis zum Stand, erzielt.
Um stets ein Leistungsgleichgewicht zwischen erzeugter und abgenom mener Leistung zu gewährleisten, wird eine Rückkopplung zwischen Servogetriebe und Antriebsmaschine vorgesehen.
Die Erfindung beinhaltet die Nutzung des spezifischen "systemimma nenten Drehzahlverhältnisses" von Planetenradsystemen mit dem Ergeb nis, daß bei drehender Antriebswelle und stehendem Abtrieb schon zwei Elemente im servomechanischen Getriebe mit unter Umständen we niger als 50% Drehzahldifferenz sich in gleicher Drehrichtung bewe gen können. Eine völlige Drehzahlangleichung zwischen An- und Ab trieb durch Synchronisation dieser beiden Elemente bedeutet eine er hebliche Wirkungsgradsteigerung gegenüber allen bisher bekannten Konstruktionen.

2. Anordnung nach Anspruch 1 mit hydromechanischer Steuerung, bei der der die Drehzahldifferenz steuernde Wandler zum Zwecke der notfalls erforderlichen Entleerung bei Leerlaufdrehzahl mit Fliehkraftventi len ausgestattet ist, die bis zum Synchronlauf von Pumpe und Turbi ne für einen ständigen begrenzten Durchlauf sorgen.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das in der Servomaschine zu synchronisierende "systemimmanente Drehzahl verhältnis" in dem Planetenradsystem dadurch erheblich beeinflussen läßt, daß das Planetenradgetriebe erweitert wird. Nach Fig. II ver ringert sich die den Wirkungsgrad beeinflussende Drehzahldifferenz im Wandler zwischen Pumpenrad und Turbine auf weniger als 1 : 0,6. Hierbei treibt z. B. die Turbine 6.1 beide Sonnenräder 9.1 und 9.2 und Turbine 6.2 den ersten Planetenträger 8.1, der wiederum über das Umlaufrad 5.1 den Planetenträger 8.2 antreibt. Auf diese Weise läßt sich der Wirkungsgrad in der Servomaschine sehr einfach erheb lich verbessern.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Servomaschine mittels durch Freilauf gelagerter Leiträder eine wei tere Wirkungsgradsteigerung bringt.

5. Anordnung nach Anspruch 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei stehendem Gehäuse nach Fig. V eine leichtere Drehmomentsteuerung möglich wird.

6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wandleraufbau mit Pumpe, Turbine und Leitrad nach Fig. VI möglich wird, bei dem jetzt auch eine stufenlose Drehzahländerung nach Drehrichtungsumkehr möglich ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei den Aus führungen nach Fig. VII, VIII, IX und X die die Drehzahl steuernden Viskosemaschinen zusätzlich thermisch gesteuert werden, um die stu fenlose Traktion zu erleichtern. Bei diesen Konstruktionen ist die Richtung des Kraftverlaufes durch das servomechanische Getriebe nicht festgelegt.

8. Anordnung nach Anspruch 1, 2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Anordnung nach Fig. IX in der einerseits mit dem Sonnen rad und anderseits mit dem Umlaufrad gekoppelten Servomaschine von vornherein eine Drehzahldifferenz von etwa 1 : 0,5 (und zwar in Gegenrichtung) besteht. Die Umkehr der Drehrichtung müßte jetzt z. B. nach Anordnung der Fig. VI erfolgen.