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Steuereinrichtung für ein von einer Brennkraftmaschine angetriebenes
stufenloses Wechselgetriebe, insbesondere für Kraftfahrzeuge Die Erfindung bezieht
sich auf eine Steuereinrichtung für ein von einer Brennkraftmaschine angetriebenes
stufenloses Wechselgetriebe, insbesondere für Kraftfahrzeuge, bei der einem Servomotor
zum Verstellen des Wechselgetriebes Druckflüssigkeit über einen Verteiler zuführbar
ist, auf dessen bewegliches Organ in einer Richtung eine dem Quadrat der Maschinendrehzahl
etwa proportionale Kraft einwirkt und das in der anderen Richtung über mindestens
eine Feder unter der Einwirkung des Beschleunigungsorganes der Brennkraftmaschine
steht.
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Die Bedienungserleichterungen, die heute von den Käufern von Kraftwagen
verlangt werden, machen unter anderem die Verwendung von stufenlosen Wechselgetrieben
mit selbsttätig veränderlichem Übersetzungsverhältnis wünschenswert. Entsprechend
dem Verlauf des von der Brennkraftmaschine abgegebenen drehzahlabhängigen Drehmoments
muß ein solches Getriebe auf ein größeres übersetzungsverhältnis ins Langsame eingestellt
werden, wenn die Drehzahl abnimmt, und umgekehrt. Zum Einstellen des Getriebes auf
das jeweils verlangte Übersetzungsverhältnis wird bei derartigen Anlagen oft ein
Servomotor vorgesehen, der hydraulisch angetrieben und dessen Wirkung mittels einer
besonderen Einrichtung gesteuert wird. Steuereinrichtungen dieser Art besitzen im
wesentlichen einen verteilenden Steuerschieber, der in der Leitung vom Servodruckerzeuger
zum Servomotor liegt und auf den in einer Richtung eine dem Quadrat der Maschinendrehzahl
etwa proportionale Kraft und in der anderen Richtung die Kraft einwirkt, die der
Kraftwagenführer zum Betätigen des Beschleunigerorgans aufbringt. Zwischen das letztere
und den Steuerschieber ist ein Federglied geschaltet, das eine vom Betätigungsweg
des Beschleunigerorgans abhängige und mit ihm wachsende Kraft der drehzahlabhängigen
Kraft entgegengesetzt, somit die Steuerung auch abhängig vom Motordrehmoment macht
und das Betätigen des Beschleunigerorgans auch dann ermöglicht, wenn der Steuerschieber
unter einer großen drehzahlabhängigen Gegenkraft steht.
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In den bekannten Steuereinrichtungen wird der Steuerschieber in der
vorbeschriebenen Weise durch eine drehzahlabhängige Kraft und die dieser entgegenwirkende,
mittels des Beschleunigerorgans (Gaspedals) und einer zwischengeschalteten Feder
übertragenen Fußkraft des Kraftwagenführers im Gleichgewicht gehalten. Diese Einrichtungen
erfordern bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine eine erhebliche Fußkraft,
die weit über der Kraft liegt, die bei den üblichen Kraftfahrzeugen ohne selbsttätige
Getriebesteuerung von den relativ schwachen Rückzugfedern des Drosselklappenbetätigungsgestänges
ausgeübt wird. Verkleinert man die Fußkraft aber durch Wahl günstigerer Hebelverhältnisse
oder durch ähnliche Mittel, so ergibt sich bei kleinen Drehzahlen eine zu geringe
Verstellkraft für den Steuerschieber, die die Genauigkeit in der Steuerung des stufenlosen
Wechselgetriebes unerträglich vermindert.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, den erwähnten Nachteil zu vermeiden,
weil es vor allem bei lange dauernden Fahrten mit hoher Geschwindigkeit für den
Kraftwagenführer ermüdend ist, das Beschleunigungsorgan mit großem Kraftaufwand
in der Volllast-Stellung festzuhalten.
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Erfindungsgemäß ist, ausgehend von der eingangs erwähnten Steuereinrichtung,
die Aufgabe durch die Anordnung zweier Kolben gelöst, zwischen denen die Feder abgestützt
ist und deren jeder an einer Stirnfläche unter einem dem Quadrat der Maschinendrehzahl
etwa proportionalen Flüssigkeitsdruck steht, wobei der erste als Betätigerkolben
mit dem Beschleunigungsorgan und der zweite mit dem beweglichen Organ des Verteilers
mechanisch zusammenwirkt; und die Flüssigkeitsdruckbelastungen beider Kolben einander
und der Druckkraft der Feder entgegengerichtet sind.
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Es ist zwar bei einer der eingangs erwähnten Bauart ähnlichen Steuereinrichtung,
allerdings für die Umschaltung eines zweigängigen Stufenwechselgetriebes und nicht
abhängig von der Maschinendrehzahl,
sondern von der Fahrgeschwindigkeit
bekannt, die dem Quadrat einer Drehzahl (Abtriebsdrehzahl) etwa proportionale Kraft
in Form eines entsprechenden Flüssigkeitsdruckes auf einen Kolben eines Verteilers
einwirken zu lassen, der dem erwähnten zweiten Kolben gemäß der Eifindung entspricht,
jedoch ist ein dem Betätigerkolben der Erfindung entsprechendes, flüssigkeitsdruekbelastetes
Teil nicht vorhanden. Diese bekannte Steuereinrichtung hat somit ebenfalls den erwähnten
Nachteil der erheblichen Fußkraft am Beschleunigungsorgan.
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Ferner ist Gegenstand eines älteren Patentes eine Steuereinrichtung
für das selbsttätige Schalten eines Stufenwechselgetriebes mit einem auf die Drosselstellung
ansprechenden, einen der Stellung des Beschleunigungsorgans entsprechenden Druck
erzeugenden Ventil, bei der dieser Druck einem Teil des von der Drosselstellung
abhängigen Ventils zugeleitet wird, um dessen Bewegung in eine Lage zu unterstützen,
in der erhöhter Druck herrscht. Diese ältere Einrichtung dient dazu, die vom Fahrer
auf das Beschleunigungsorgan auszuübende Kraft zu unterstützen, d: h. die Fußkraft
herabzusetzen. Die Einrichtung ist jedoch im einzelnen abweichend von der Erfindung
ausgebildet.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist der mit dem beweglichen
Verteilerorgan zusammenwirkende zweite Kolben als Steuerkolben in der einen Richtung
vom drehzahlabhängigen Flüssigkeitsdruck und in' der entgegengesetzten Richtung
von- einem Druckstück belastet, das seinerseits unter der Kraft steht, die vom Beschleunigungsorgan
und vom drehzahlabhängigen Flüssigkeitsdruck auf den Betätigerkolben ausgeübt wird,
wobei diese Kraft mittels der genannten Feder und eines Federtellers auf das Druckstück
übertragen wird, und es ist zwecks Beaufschlagung des Steuerkolbens und des Betätigerkolbens
mit dem drehzahlabhängigen Flüssigkeitsdruck eine Verbindungsleitung vorgesehen,
mittels der die hinter den beiden Kolben liegenden Zylinderräume an die zum Steuerdruckerzeuger
führende Leitung angeschlossen sind.
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Eine besonders zweckmäßige Ausbildung der Erfindung ist dadurch gegeben,
daß der Zylinder des Betätigerkolbens, die Feder sowie der Federteller einander
koaxial in dem nach unten mittels eines Flansches abgeschlossenen Oberteil und der
Zylinder des Steuerkolbens im oben offenen Unterteil eines die Einrichtung aufnehmenden
Gehäuses angeordnet sind und daß der Flansch ein gegenüber dem Unterteil offenes
Sackloch aufweist, in dem das Verteilerorgan axial beweglich und nach unten herausragend
sitzt und in: das die Zweige der mittels des letzteren absperrbaren, den Servomotor
mit seinem Druckerzeuger verbindenden Leitung münden, sowie ein Durchgangsloch besitzt,
in dem das Druckstück parallel zur Achse der Kolben axial beweglich geführt ist.
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Von besonderem Vorteil ist die Ausbildung der Erfindung derart, daß
das Verteilerorgan als zwischen den genannten Leitungszweigen befindliches Tellerventil
ausgebildet ist sowie einen hohlen und in Höhe des zum Servomotor führenden Leitungszweigs
seitlich geöffneten Schaft besitzt, dessen offenes Ende bei Berührung mit dem Steuerkolben
von diesem verschlossen ist; und daß der vor dem Steuerkolben befindliche Zylinderraum
einen Auslaß besitzt, durch den die vom Kolben des Servomotor verdrängte Flüssigkeit
in eine Rücklaufleitung gelangt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend beschrieben
und in der Zeichnung dargestellt. Hierzu zeigt F i g. 1 die Anordnung eines stufenlosen
Geschwindigkeitswechselgetriebes mit der Steuereinrichtung, F i g. 2 den lotrechten
Schnitt durch die in F i g. 1 vereinfacht dargestellte Steuereinrichtung in größerem
Maßstab.
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In F i g. 1 ist ein Gaspedal (Beschleunigungsorgan) 1 über Lenker
2 mit einem Hebel 3 verbunden, welcher an der Achse der Drosselklappe 4 befestigt
ist.
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Die Lenker 2 sind mit dem einen Ende 5 eines zweiarmigen Hebels 6
einer Steuereinrichtung 7 verbunden, welche in F i g. 2 vergrößert dargestellt ist.
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Diese Einrichtung enthält im wesentlichen einen Steuerkolben 8, dessen
Unterseite unter einem Flüssigkeitsdruck steht, welcher dem Quadrat der Drehzahl
der Brennkraftmaschine 40 etwa proportional ist. Die Druckflüssigkeit wird durch
einen von der Maschine 40 angetriebenen Steuerdruckerzeuger 28 geliefert und in
der Leitung 9 auf die Unterseite des Steuerkolbens 8 übertragen.
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Der Steuerkolben 8 ist flüssigkeitsdicht in einem Zylinder 10 verstellbar.
Die Oberseite des Steuerkolbens 8 steht unter der abwärtsgerichteten Druckkraft
wenigstens eines Druckstücks 11, welches selbst durch Federn 12 und 13 nach unten
gedrückt wird, die sich gegen einen mit dem oberen Ende des Druckstücks 11 in Berührung
stehenden Federteller 14 legen. Der von den Federn ausgeübte Druck ist um so größer,
je mehr ein Finger 15, welcher den zweiten Arm des zweiarmigen Hebels 6 bildet,
der bei 16 an dem Gehäuse der Steuereinrichtung 7 schwenkbar gelagert ist, einen
Betätigerkolben 17 herunterdrückt, welch letzterer sich gegen das obere Ende der
Feder 13 legt und nach einer gewissen Abwärtsbewegung auch mit dem oberen Ende der
Feder 12 in Berührung kommen kann. Die Federn 12
und 13 werden so um so stärker
zusammengedrückt, je stärker das Gaspedal 1 heruntergedrückt und die Drosselklappe
weiter geöffnet wird. Bei Aufwärtsbewegung hebt der Steuerkolben 8 ein als Tellerventil
ausgebildetes Verteilerorgan 18 an, nachdem er die axiale Öffnung 19 des im Ventilschaft
befindlichen Kanals 20' geschlossen hat, welcher eine zu dem Servomotor 24, 25,
26 führende Leitung 20 mit einem Auslaßkanal21 verbindet. Bei angehobenem Verteilerorgan
18 ist die Leitung 20 mit einer Leitung 22 verbunden, welche zu einem Servodruckerzeuger
23 führt.
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Bei der Aufwärtsbewegung des Steuerkolbens 8 gelangt daher die Druckflüssigkeit
von dem Servodruckerzeuger 23 durch die Leitung 22 zu dem Verteilerorgan 18 und
durch die Leitung 20 in die Kammer 24 des Zylinders des Servomotors, so daß dessen
Differentialkolben 25 nach rechts verstellt wird. Die gegenüberliegende Seite des
Differentialkolbens 25, welche infolge des Vorhandenseins der Kolbenstange 45 eine
kleinere Nutzfläche hat, ist dem in der Kammer 26 des Servomotors herrschenden Druck
ausgesetzt, welche von dem Servodruckerzeuger 23 durch die Leitungen 22 und 27 unmittelbar
mit Flüssigkeit gespeist wird. Bei der Abwärtsbewegung des Steuerkolbens 8 wird
der Differentialkolben 25 des Servomotors nach links verschoben,
da
dann die Kammer 26 unter dem von dem Servodruckerzeuger 23 gelieferten Druck steht,
während die Kammer 24 über den axialen Kanal 20' des Verteilerorgans 18 mit der
Auslaßleitung 21 in Verbindung steht.
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Es ist somit nur ein einziges Ventil für die Zufuhr und die Abfuhr
der Druckflüssigkeit vorgesehen und dadurch jede Verzögerung zwischen den Bewegungen
des Kolbens 25 in entgegengesetzten Richtungen vermieden.
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Da der Druck in der Kammer 33 des Zylinders 10 unterhalb des Steuerkolbens
8 dem Quadrat der Maschinendrehzahl etwa proportional ist und der auf die Oberseite
des Steuerkolbens 8 ausgeübte Druck von der Stellung des Gaspedals 1 abhängt, entspricht
jeder Lage des Gaspedals 1 eine Drehzahl der Maschine, bei welcher sich die beiden
auf den Steuerkolben 8 wirkenden entgegengesetzten Kräfte das Gleichgewicht halten.
Dies bedeutet, daß, sobald die Maschine diese Drehzahl zu überschreiten sucht, die
Druckflüssigkeit den Kolben 25 des Servomotors nach rechts verschiebt, während bei
einer Abnahme der Maschinendrehzahl der Kolben 25 nach links verstellt wird.
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Das stufenlose Geschwindigkeitswechselgetriebe, über welches das von
der Maschine 40 gelieferte Moment auf die nicht dargestellten angetriebenen Räder
mittels der Abtriebswelle 41 übertragen wird, kann beliebig ausgebildet sein. Ein
einfaches derartiges Wechselgetriebe ist in F i g. 1 dargestellt. Es enthält ein
Reibrad 42, welches unmittelbar von der Maschine 40 angetrieben wird und ein Reibrad
43 antreibt, welches auf dem mit Nuten versehenen Ende 41 a der Abtriebswelle 41
verschiebbar ist. Die Verstellung des Reibrads 43 auf dem Ende 41 a der Abtriebswelle
41 erfolgt durch einen Finger 44, welcher von der Kolbenstange 45 des Servomotorkolbens
25 getragen wird und in. eine Nut 46 einer mit dem Reibrad 43 drehfest verbundenen
Muffe 47 eingreift. Bei Verstellung des Kolbens 25 nach links wird daher das Übersetzungsverhältnis
des Getriebes ins Langsame immer größer, während es bei Verstellung des Kolbens
25 nach rechts immer kleiner wird. Die vorstehend beschriebene Anordnung arbeitet
selbsttätig. Wenn der Fahrer des Fahrzeugs schnell anfahren will, drückt er das
Gaspedal 1 vollständig herunter. Der nach unten gedrückte Steuerkolben 8 gibt die
Öffnung 19 frei,, so daß die Kammer 24 mit der Auslaßleitung 21 in Verbindung gesetzt
ist, wodurch der Kolben 25 nach links verschoben und demzufolge ein großes übersetzungsverhältnis
ins Langsame eingestellt wird. Die Maschine erreicht schnell eine der größten erzeugten
Leistung entsprechende Drehzahl. In diesem Augenblick wird die Kraft aus dem dem
Quadrat der Maschinendrehzahl proportionalen Flüssigkeitsdruck höher als die von
dem Gaspedal 1 herrührende Kraft, so daß der Steuerkolben 8 aufwärts verschoben
wird und die Öffnung 19 verschließt sowie das Verteilerorgan 18 öffnet. Die Druckflüssigkeit
gelangt dann von dem Servodruckerzeuger 23 zu der Kammer 24 des Servomotors, so
daß dessen Kolben 25 nach rechts verstellt und das. Übersetzungsverhältnis des Getriebes
ins Langsame herabgesetzt wird. Dieses Verhältnis hat stets einen solchen Wert,
daß die Maschine mit 5000 U/min laufen kann, wobei sie das größte Moment abgibt.
Sobald die Drehzahl der Maschine abzunehmen sucht, verändert die Steuereinrichtung
das übersetzungsverhältnis, so daß die Maschine wieder die vorgeschriebene Drehzahl
annimmt. Wenn der Fahrer langsam anzufahren wünscht, drückt er das Gaspedal 1 weniger
herunter, z. B. nur um ein Viertel oder ein Drittel des der vollen Öffnung der Drösselklappe
4 entsprechenden Hubes. Sobald die Maschine die entsprechende, gegenüber der vorerwähnten
Höchstleistungsdrehzahl kleinere Drehzahl erreicht, wird das Übersetzungsverhältnis
ins Langsame selbsttätig herabgesetzt, bis das widerstehende Moment dem dieser Öffnung
der Drosselklappe 4 entsprechenden Antriebsmoment das Gleichgewicht hält.
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Zur Einstellung der Zeitdauer, während welcher die Maschine das Fahrzeug
in Gang bringt, ist eine Schraube 29 mit einer Gegenmutter 30 an einem Ansalz 6
a des Hebels 6 vorgesehen. Diese Schraube gibt der Feder 13 eine Vorspannung, welche
auf den Steuerkolben 8 übertragen wird und diesen herunterdrückt, so daß die Kammer
24 des Servomotors mit der Auslaßleitung 21 verbunden und der Kolben 25 des Servomotors
nach links (F i g. 1) in die Stellung verstellt wird, in welcher das übersetzungsverhältnis
ins Langsame unendlich ist. Das Fahrzeug wird daher nicht angetrieben. Beim Herunterdrücken
des Gaspedals 1 nimmt einerseits die Drehzahl der Maschine zu, so daß auch der mittels
der Leitung 9 auf den Steuerkolben 8 übertragene Druck, welcher dem Quadrat der
Maschinendrehzahl etwa proportional ist, zunimmt, und andererseits wird der von
der Feder 13 auf @ den Steuerkolben 8 übertragene Druck vergrößert. Je nach Stellung
des Gaspedals 1 läuft dann der oben beschriebene Steuervorgang an. Es ist zu bemerken,
maß; da dann das übersetzungsverhältnis ins Langsame noch in der Nähe des Wertes
Unendlich liegt, es im Gegensatz zu den Verhältnissen bei den üblichen selbsttätigen
Kupplungen möglich ist, ohne weiteres Herunterdrücken des Gaspedals sehr steile
Steigungen (natürlich mit sehr geringer Geschwindigkeit) zu befahren.
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Zur Erzielung einer guten Empfindlichkeit der Vorrichtung kamt der
Steuerkolben 8 z. B. eine Fläche von etwa 4 cm2 haben, und der dem Quadrat der Maschinendrehzahl
proportionale Druck kann z. B. 10 kg/cm2 betragen; wenn die Maschine mit 5000 U/min
läuft. Dieser Druck beträgt dann Q;4:00 kg/cm2, wenn die Drehzahl 100d U/min beträgt.
Die Kraft der Federn 13 und 12 kann dann zwischen 1,6 kg für eine Drehzahl der Maschine
von 1000 U/min und 40 kg für eine Drehzahl von 5000 U/min liegen. Dies entspricht
einem sehr starken auf das Gaspedal 1 auszuübenden. Druck, welcher auf langen Strecken
sehr ermüdend werden kann.
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Um diesem Nachteil abzuhelfen, ist der Betätigetkolben 17 so ausgebildet,
daß seine Oberseite mit dem Gehäuse der Einrichtung 7 zusammen eitle flüssigkeitsdichte
ringförmige Kammer 31 bildet. Diese Kammer 31. @ steht über einen Kanal 32 mit der
Kammer 33 unter dem Steuerkolben 8 in Verbindung. Die Ringfläche des Betätigungskolbens
17 in der Kammer 31 ist kleiner als die des Steuerkolbens 8, aber um so größer,
je mehr .der auf das Gaspedal auszuübende Druck verringert werden soll.
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Das Verhältnis derjenigen Flächen der beiden Kolben 8 und 17, die
dem drehzahlabhängigen Flüssigkeitsdruck ausgesetzt sind, kann somit je nach der
gewünschten Entlastung des Gaspedals 1 festgelegt
werden. Wenn -eine
geringe Beschleunigung erhalten werden soll, braucht dann nur ein geringer Druck
auf das Gaspedal 1 ausgeübt zu werden, um es herunterzudrücken, während, wenn eine
sehr große Beschleunigung erhalten werden soll, das Gaspedal seiner Abwärtsbewegung
einen Widerstand entgegensetzt, da die Drehzahl der Brennkraftmaschine nicht sofort
bei Öffnung der Drosselklappe 4 zunimmt.
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Durch die Erfindung ist der wesentliche Fortschritt erzielt, daß für
die Einwirkung auf die Steuereinrichtung eines von einer Brennkraftmaschine angetriebenen
stufenlosen Wechselgetriebes kaum mehr Kraft aufzuwenden ist, als für die Bedienung
des Gaspedals ohnehin gebraucht wird.- Dadurch ist nicht nur eine erhebliche Bedienungserleichterung,
sondern auch die überaus feinfühlige Betätigung der Einrichtung gewährleistet. Darüber
hinaus ist es ohne weiteres möglich, das Ausmaß der Entlastung des Kraftwagenführers
nach Wunsch dadurch zu ändern, daß man das Verhältnis der Kolbenflächen je nach
gewünschter Entlastung festlegt. Schließlich genügt es, nur ein einziges Ventil
für die Zufuhr der Druckflüssigkeit zum Servomotor und für die Abfuhr aus ihm vorzusehen.
Dies verbilligt nicht nur die Steuereinrichtung und macht sie weniger störanfällig,
sondern bringt den für den Betrieb der Einrichtung wesentlichen Vorteil, daß die
Zeitkonstante für den Kraftrichtungswechsel im Servomotor praktisch verschwindet.