AT507070B1 - Planetengetriebe - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT507 070B1 2010-02-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Getriebe mit einem Eingangsbereich und einem Ausgangsbereich, wobei das Getriebe die Eigenschaft besitzt, dass die Ausgangswelle stufenlos jede beliebige Drehzahl zwischen Stillstand und der Drehzahl der Eingangswelle annehmen kann. Weiters wirkt das Getriebe im Bereich einer Ausgangsdrehzahl unterhalb der Eingangsdrehzahl z.T. deutlich drehmomentverstärkend. Dies wird durch eine spezielle Formgebung der Getriebe-Zahnräder und durch eine Verwendung von Torsionsfedern und Freiläufen erzielt. Es treten somit im ganzen Drehzahlbereich der Ausgangswelle (Stillstand bis maximale Drehzahl), abgesehen von üblichen Zahnradgetriebeverlusten (Lagerreibung, Reibung der Zahnräder.) keine weiteren Getriebeverluste auf.

[0002] Das Getriebe kann beispielsweise als Kupplung, auch für robuste Einsätze, verwendet werden, weil ein Dauerbetrieb auch bei beständiger Drehzahldifferenz zwischen Eingang und Ausgang und sogar bei blockierender Ausgangswelle ohne Schadensgefahr möglich ist. Wenn die Maximaldrehzahl der Getriebeausgangswelle im Betrieb nur einen Bruchteil der Maximaldrehzahl der Getriebeeingangswelle erreichen soll, so ist eine signifikante Drehmomentsteigerung möglich (z.B. bei 5 % Drehzahl ~20-faches Drehmoment).

[0003] Auch ein Einsatz in Fahrzeugen ist bei diesem Getriebe denkbar. Diese können dann ohne Unterbrechung des Kraftflusses stufenlos beschleunigt werden, wobei sich das Ausgangsdrehmoment für diese Beschleunigung näherungsweise umgekehrt proportional zur Fahrgeschwindigkeit verhält und von einem, bei kleinen Geschwindigkeiten, vier bis fünffachen Wert des maximalen Antriebsdrehmomentes, bei großen Geschwindigkeiten an den Wert des Antriebsdrehmomentes annähert. Weiters ist beim Anfahren keine zusätzliche Reibungs- oder Flüssigkeits-Kupplung notwendig, weil das Getriebe eine Beschleunigung vom Fahrzeug-Stillstand weg ermöglicht.

[0004] Basis der Erfindung ist ein Getriebe, das bei konstanter Eingängsdrehzahl eine schwankende Ausgangsdrehzahl liefert. Eine bekannte Lösung hierfür bilden Zahnradpaarungen, bei denen die Zahnräder beispielsweise eine identische elliptische Form haben und bei denen ihre Drehachse jeweils durch einen der beiden Ellipsenbrennpunkte läuft. Die längere Seite des einen Zahnrades soll dann an der kürzeren Seite des anderen abwälzen und umgekehrt. Wenn beide Zahnräder nicht identisch ausgeführt sind sollten sie zumindest den gleichen Umfang aufweisen.

[0005] Solche Getriebe sind auch mit integrierten Torsionsfedern bekannt (z.B. GB 301 468 A), sie dienen auch dann zur Erzeugung einer schwankenden Ausgangsdrehzahl bei konstanter Eingangsdrehzahl.

[0006] Bekannt ist auch ein Getriebe mit elliptischen Zahnrädern (Anmeldung 2A A 17252006), das bei konstant drehender Eingangswelle zur Beschleunigung der Ausgangswelle dient. Dieses Getriebe hat aber die nachteilige Eigenschaft, dass es keine drehmomentverstärkende Wirkung aufweist.

[0007] Die Erfindung hat als Basis ebenfalls ein Ellipsengetriebe mit Torsionsfedern und Freiläufen. Durch konstruktive und funktionelle Änderungen wird allerdings ermöglicht, dass ein Getriebe entsteht, das die Ausgangswelle bei vorgegebener Drehzahl der Eingangswelle von Stillstand auf die Eingangsdrehzahl beschleunigen kann und dabei vor allem im unteren Ausgangsdrehzahlbereich eine große drehmomentverstärkende Wirkung aufweist.

[0008] Figur 1 zeigt schematisch eine mögliche Ausführung der Erfindung in Seitenansicht. Der durch den Getriebeeingang (hier als ein mit dem Planetenträger 1 eine Einheit bildendes Stirnrad dargestellt) angetriebene Planetenträger 1 versetzt drei elliptische Zahnräder 3 (eines ist in der Zeichnung verdeckt) in Umlauf um deren, im Verhältnis zum Getriebegehäuse 10 feststehendes, elliptisches Sonnenrad 2. Die elliptischen Zahnräder 3 sind über jeweils einen Freilauf 4 und jeweils eine Torsionsfeder 5 mit jeweils einem in üblicher Weise kreisrund geformten Zahnrad 6 eines weiteren Planetengetriebes gekoppelt. Die Reihenfolge von Freilauf 4 und 1/9 österreichisches Patentamt AT507 070B1 2010-02-15

Torsionsfeder 5 ist dabei für die grundsätzliche Getriebefunktion nicht relevant. Die drei Planetenräder 6 (eines ist in der Zeichnung wiederum verdeckt) werden ebenfalls vom Planetenträger 1 um ihr (kreisrundes) Sonnenrad 7 in Drehung versetzt, wobei das Sonnerad 7 drehfest mit der Getriebeausgangswelle 8 verbunden ist.

[0009] Figur 2 zeigt schematisch dieselbe Ausführung der Erfindung in Oberansicht.

[0010] Figur 3 zeigt in einer Schnittzeichnung eine Oberansicht der elliptischen Zahnräder 2 und 3.

[0011] Die Diagramme in den Figuren 4, 5 und 6 skizzieren Rechenergebnisse für ein einzelnes umlaufendes elliptisches Planetenrad 3 und ein zugehöriges Planetenrad 6 ohne Berücksichtigung der inneren Getriebeverluste (z.B. Zahnradreibung, Lagerreibung). Die genauen Erläuterungen folgen im Text.

[0012] Werden nun die elliptischen Zahnräder 3 durch den Planetenträger 1 in Drehung um ihr feststehendes Sonnenrad 2 versetzt, so drehen sich diese auch bei konstanter Getriebe-Eingangsdrehzahl mit schwankender Eigendrehgeschwindigkeit um ihre Achse 9. Diese Drehzahlschwankungen sind umso größer, je stärker die Zahnräder elliptisch ausgeführt sind. Weiters lässt sich die Drehzahlschwankung noch dadurch vergrößern, dass exzentrische Drehachsen gewählt werden.

[0013] Werden die Drehachsen 9 der Planetenräder 3 durch jeweils einen Ellipsenbrennpunkt geführt und die Drehachse des Planetenträgers 1 durch einen Brennpunkt des elliptischen Sonnenrades 2, lässt sich vorteilhafterweise erzielen, dass die Drehachsen 9 der elliptischen Planetenräder 3 auf ihrem Planetenträger 1 im Getriebebetrieb nicht translatorisch beweglich gelagert werden müssen.

[0014] Die Form der Zahnräder kann im Übrigen auch z. B. eine nichtelliptisch-ovale sein.

[0015] Der drehende Planetenträger 1 versetzt auch die kreisrunden Planetenräder 6 in Drehung um ihr Sonnenrad 7, das mit der Getriebeausgangswelle 8 verbunden ist. Die Planetenräder 6 drehen sich dabei (bei ruhendem oder konstant drehendem Sonnenrad 7) mit konstanter Drehgeschwindigkeit um ihre Achse 9. Durch die Koppelung mit den in ihrer Eigendrehzahl schwankenden Rädern 3 mittels der Torsionsfedern 5 kommt es zu einem Drehmomentaufbau zwischen diesen Rädern. Dreht das Rad 3 langsamer als das Rad 6 so entsteht eine Bremswirkung auf das Rad 6. Dies führt zu einer auf das Sonnenrad 7 und somit auf die Ausgangswelle 8 beschleunigend wirkenden Drehmomentübertragung. Eine Verdrehung der Torsionsfeder 5 in andere Richtung, die aus einem gegenüber dem Rad 6 schneller drehenden Rad 3 resultieren würde, wird durch den Freilauf 4 verhindert. Das Getriebe erzeugt somit im Betrieb nur Ausgangsdrehmomente positiven Vorzeichens.

[0016] In Figur 4 wird das aufgenommene Eingangsdrehmoment des Getriebes bei stehender und bei mit 1/4-Eingangsdrehzahl rotierender Ausgangswelle 8 als Funktion des Drehwinkels des Planetenträgers 1 über eine vollständige Drehung dargestellt. Eingangsdrehmomente werden als positiv angenommen, wenn Kraft durch die Eingangswelle in das Getriebe abgegeben wird und als negativ, wenn Kraft durch die Eingangswelle an den Antrieb (z.B. mit Schwungscheibe) zurückgegeben wird.

[0017] Das durch die Torsionsfeder 5 aufgebaute Drehmoment wirkt durch das Rad 3 und das Rad 6 mit unterschiedlichem Vorzeichen auf den Planetenträger 1. Nachdem das durch das elliptische Rad 3 wirkende Drehmoment aber aufgrund seiner Form in seiner absoluten Größe um den Wert des durch das Rad 6 wirkenden Drehmomentes schwankt, ergibt sich in Summe ein mit wechselndem Vorzeichen auftretendes Getriebeeingangsdrehmoment. Steht die Getriebeausgangswelle 8, so schwankt das Eingangsdrehmoment zwischen positivem und negativem Wert so, dass sich in Summe über eine Umdrehung der Wert 0 ergibt. Dies muss auch aus physikalischen Gründen so sein, weil bei stehender Ausgangswelle keine Arbeit verrichtet wird.

[0018] Bei rotierender Ausgangswelle 8 heben sich die positiven und negativen Drehmomente der Eingangswelle nicht mehr auf, weil nun Arbeit durch das Getriebe verrichtet wird. 2/9 österreichisches Patentamt AT507 070 B1 2010-02-15 [0019] In Figur 5 wird das Ausgangsdrehmoment des Getriebes bei stehender und bei mit 1/4 Eingangsdrehzahl rotierender Ausgangswelle 8 als Funktion des Drehwinkels des Planetenträgers 1 über eine vollständige Drehung dargestellt. Das Ausgangsdrehmoment wird nur durch die Wirkung des Rades 6 auf sein Sonnenrad 7 erzeugt. Steht die Getriebeausgangswelle 8 entstehen die größten Drehmomente. Mit steigender Drehzahl der Getriebeausgangswelle 8 und damit des Sonnenrades 7 verlangsamt sich die Drehgeschwindigkeit des Planetenrades 6 im Verhältnis zur durchschnittlichen Drehgeschwindigkeit des elliptischen Rades 3. Die Sperrzeiten des Freilaufes 4 und die Größe der Verdrehwinkel der Torsionsfeder 5 verringern sich dadurch und damit auch die erzeugten Ausgangsdrehmomente.

[0020] Durch den bereits angeführten und auch dargestellten Einsatz mehrerer, phasenversetzt arbeitender Räder 3 und 6 und evtl, auch durch die Verwendung von Schwungscheiben lässt sich in Summe eine weitgehend kontinuierliches Eingangs- und Ausgangsdrehmoment erzeugen.

[0021] In Figur 6 wird das über eine Umdrehung des Planetenträgers 1 gemittelte Eingangs-drehmoment und Ausgangsdrehmoment des Getriebes als Funktion der Ausgangsdrehzahl dargestellt. Die Eingangswelle dreht sich hier mit konstanter Drehzahl. Der gezeigte Drehzahlbereich der Ausgangswelle umfasst Stillstand (0) bis ca. 70 % der Eingangsdrehzahl. Der sinnvoll nutzbare Ausgangsdrehzahlbereich dieses Getriebes endet ungefähr bei 50 % der [0022] Eingangsdrehzahl. Steigt die Ausgangsdrehzahl noch weiter, so sinken wegen der kinematisch bedingt dann deutlich kleiner werdenden Eingriffszeiten der Freiläufe 4 und damit der Verdrehwinkel der Torsionsfedern 5 das aufnehmbare und damit auch das abgegebene Drehmoment signifikant.

[0023] Deutlich erkennbar ist die drehmomentverstärkende Eigenschaft des Getriebes im Drehzahlbereich der stehenden bzw. langsam drehenden Ausgangswelle. Hier wird ein Vielfaches (Faktor 8~9) des maximalen Eingangsdrehmomentes erreicht. Lässt man mit Hilfe eines einfachen vorgeschalteten Übersetzungsgetriebes das Getriebe im Sinne der Erfindung mit doppelter Drehzahl des Antriebsmotors antreiben, so kann der nutzbare Ausgangsdrehzahlbereich des Getriebes von 0 bis zur maximalen Motordrehzahl angehoben werden. Das Ausgangsdrehmoment erreicht dann im niedrigen Drehzahlbereich immer noch einen über 4-fachen Wert des maximalen Motordrehmomentes und nähert sich bis zum Erreichen der maximalen Motordrehzahl ungefähr linear fallend dem maximalen Motordrehmoment an.

[0024] Das Getriebe funktioniert in gleicher Weise, wenn die Planetenräder 3 und ihr Sonnenrad 2 kreisrund ausgeführt sind und dafür die Planetenräder 6 und ihr Sonnenrad 7 eine elliptische bzw. ovale Form haben. Auch hier kommt es dann zu einem positiven Drehmomentaufbau durch die Torsionsfeder 5, wenn das Rad 3 langsamer dreht wie das gekoppelte Rad 6 und zu einem Entkoppeln durch den Freilauf 4, wenn das Rad 3 schneller dreht wie das Rad 6.

[0025] Das durch die Torsionsfedern 5 ausgeübte Drehmoment lässt sich durch die Charakteristik der Federn gestalten. Denkbar ist hier auch die Verwendung von vorgespannten Federn mit Endanschlag und/oder von Federn mit nichtlinearer (progressiver oder degressiver) Federkennlinie.

[0026] Aufwendiger wären Lösungen mit im Betrieb veränderbaren Federkennlinien. Dies könnte aber beispielsweise durch einen mit dem Planetenträger 1 mitdrehenden, die Torsionsfedern 5 tangierenden Ring realisiert werden. Wird der Ring im Verhältnis zum rotierenden Planetenträger 1 verdreht, so könnte beispielsweise durch eine zahnradmäßige Verbindung zwischen Torsionsfedern 5 und Ring eine Einstellung der Torsionsfedern 5 ermöglicht werden. Dies z.B. so, dass die Federsteifigkeit bei vorgespannten Torsionsfedern 5 mit Endanschlag durch Verdrehen erhöht oder vermindert wird. 3/9

Claims (2)

1. österreichisches Patentamt AT507 070B1 2010-02-15 Patentansprüche 1. Planetengetriebe mit einem oder mehreren Planetenrädern (3) und einem Sonnenrad (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Planetenträger (1) als Getriebeeingang angetrieben wird und das Sonnenrad (2) bezüglich des Getriebes feststehend eingebaut ist, und jedes Planetenrad (3) auf seiner Achse (9) über jeweils einen Freilauf (4) und jeweils eine Torsionsfeder (5) mit jeweils einem Planetenrad (6) eines weiteren Planetengetriebes gekoppelt ist, wobei die Planetenräder (6) direkt oder indirekt ebenfalls durch den angetriebenen Planetenträger (1) in Umlauf um ihr Sonnenrad (7) versetzt werden und ein Planetengetriebe-Radsatz (3, 2) oder (6, 7) über elliptisch oder anders oval geformte Räder verfügt während die Räder des anderen Planetengetriebe-Radsatzes (6, 7) bzw. (3, 2) dann vorzugsweise kreisrund sind und die Freiläufe (4) so eingerichtet sind, dass sie ein schneller Drehen ihres, dem jeweiligen Rad (6) zugewandten Wellenausgangs gegenüber ihrem, dem jeweiligen Rad (3) zugewandten Wellenausgang nicht zulassen und das Sonnenrad (7) drehfest mit dem Getriebeausgang (8) verbunden ist.
2. 2. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Getriebe ein mit dem Planetenträger (1) umlaufender und im Bezug zu diesem verdrehbarer Ring die Torsionsfedern (5) mittels einer Innenverzahnung umfasst und mittels drehbarer Zahnräder an den Torsionsfedern (5) an diesen Verdrehungen vornehmen kann. Hierzu 5 Blatt Zeichnungen 4/9