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Patent Searching and Data


Title:
TRANSMISSION HAVING A FLYWHEEL AND METHOD FOR OPERATING A TRANSMISSION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/012903
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a transmission (1) transmitting a torque or power from a drive shaft (2) to an output shaft (3), the rotational speeds of which can have an arbitrary and variable ratio, comprising a flywheel (4) mounted axially on a shaft (A) and comprising a first and a second pivoting body (5, 6), which are arranged to be pivotably mounted on the shaft (A), adjacent to the flywheel (4). In addition, the transmission comprises first and second coupling means (7, 8) for producing and cancelling a rotationally fixed planar, force-fitting first and second coupling between respectively one of the pivoting bodies (5, 6) and the flywheel (4). According to the invention, a first and, respectively, a second thrust rod (9, 10) are rotatably attached eccentrically to each pivoting body (5, 6), wherein each thrust rod (9, 10) can in turn be rotatably attached eccentrically to the drive shaft (2) and output shaft (3) respectively, such that the thrust rod (9, 10) in use converts rotational movements of the shafts (2, 3) into pivoting movements of the pivoting bodies (5, 6) and vice versa.

Inventors:
WEILENMANN, Martin (Mettlenstrasse 20d, 8330 Pfäffikon, 8330, CH)
Application Number:
EP2016/066440
Publication Date:
January 26, 2017
Filing Date:
July 11, 2016
Export Citation:
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Assignee:
WEILENMANN, Martin (Mettlenstrasse 20d, 8330 Pfäffikon, 8330, CH)
International Classes:
F16H33/02; F16H21/12; F16H21/40; F16H29/04
Domestic Patent References:
WO2012008245A12012-01-19
WO2013008624A12013-01-17
Foreign References:
GB2400422A2004-10-13
DE3111378A11982-10-28
DE3111378A11982-10-28
Other References:
ANDREW DEAKIN: "System zur Rückgewinnung kinetischer Energie bei Stadtbussen", ATZ, no. September 2016, 1 September 2016 (2016-09-01), pages 26 - 31, XP055307908
Attorney, Agent or Firm:
SCHNEIDER FELDMANN AG (Beethovenstrasse 49, 8022 Zürich, 8022, CH)
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Claims:
Patentansprüche

Getriebe (1) zur Übertragung eines Drehmomentes bzw. einer Leistung von einer Antriebswelle (2) auf eine Abtriebswelle (3) bei stufenlos einstellbarem Übersetzungsverhältnis, umfassend ein auf einer Achse (A) axial gelagertes Schwungrad (4), sowie umfassend einen ersten und einen zweiten Schwenkkörper (5, 6), die angrenzend an das Schwungrad (4) auf der Achse (A) schwenkbar gelagert angeordnet sind, sowie umfassend erste und zweite Kopplungsmittel (7, 8) zum Erzeugen und Aufheben einer drehfesten, flächigen, kraftschlüssigen ersten und zweiten Kopplung zwischen jeweils einem der Schwenkkörper (5, 6) und dem Schwungrad (4), wobei an jedem Schwenkkörper (5, 6) exzentrisch ein erstes resp. zweites Schubelement (9, 10) rotierbar angebracht ist, wobei jedes Schubelement (9, 10) wiederum exzentrisch an der Antriebswelle (2) resp. Abtriebswelle (3) rotierbar anbringbar ist, sodass die Schubelemente (9, 10) im Gebrauch Drehbewegungen der Wellen (2, 3) in Schwenkbewegungen der Schwenkkörper (5, 6) wandeln und umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, dass, das Getriebe mit einer Steuereinheit (13) und mehreren Sensoren (12) verbunden ist, wobei die Sensoren (12) zur Bestimmung von absoluten und/oder relativen Drehgeschwindigkeiten vom Schwungrad (4) und dessen benachbarten Schwenkkörpern (5, 6) dienen, sodass die Steuereinheit (13) aufgrund der ermittelten Drehgeschwindigkeiten zu geeigneten Zeitpunkten das Erzeugen ((a), (c)) und das Aufheben ((b), (d)) der Kopplung mittels der Kopplungsmittel (7, 8) auslösen kann, womit die Kopplungsmittel (7, 8) zu frei wählbaren Zeitpunkten koppelbar bzw. entkoppelbar sind.

Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Schubelement (9, 10) wellenseitig an einer Kurbel (11) rotierbar angebracht ist, die auf einer Welle (2, 3) fest angebracht werden kann oder angebracht ist, wobei die Kurbellänge (LI, L2) den exzentrischen Versatz an der Welle (2, 3) festlegt, und wobei an jedem Schubelement (9, 10) der exzentrische Versatz (LI, L2) an der Welle (2, 3) kleiner ist als der exzentrische Versatz (L3, L4) am Schwenkkörper (5, 6).

Getriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder beide Kopplungsmittel (7, 8) eine magnetische Kupplung zwischen einem der Schwenkkörper (5, 6) und dem Schwungrad (4) erlauben.

Getriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder beide der Kopplungsmittel (7, 8) eine mechanische Kupplung mit einem Anpressmechanismus zwischen jeweils einem der Schwenkkörper (5, 6) und dem Schwungrad (4) erlauben.

Getriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung der Kopplungsmittel (7, 8) mittels einer elektrostatischen oder Theologischen Kraftverbindung hergestellt wird.

Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens ein zweites mechatronisches Getriebe (1), das derart symmetrisch zum ursprünglichen mechatronischen Getriebe (1) zwischen der Antriebswelle (2) und der Abtriebswelle (3) angeordnet werden kann, dass im Betrieb die Gesamtunwucht auf die Antriebswelle, die Abtriebswelle und ein umgebendes Gehäuse minimiert wird.

7. Getriebe nach Anspruchö, dadurch gekennzeichnet, dass alle montierten mechatronischen Getriebe (1, 1) im Betrieb auf dasselbe Schwungrad (4) wirken.

8. Getriebe nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass antriebsseitig und abtriebsseitig unterschiedliche Ausführungen mit jeweils unterschiedlichen festen Übersetzungen ausgeführt sind, womit die Spreizung des Getriebes erhöht wird.

9. Getriebe nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbellängen (LI, L2) kontinuierliche verstellbar ausgestaltet sind, sodass die Maximalgeschwindigkeiten der Schwenkbewegungen der Schwenkkörper (5, 6) aufeinander abstimmbar sind.

10. Verfahren zur Übertragung eines Drehmomentes bzw. einer Leistung von einer Antriebswelle (2) auf eine Abtriebswelle (3) bei stufenlos einstellbarem Übersetzungsverhältnis unter Verwendung eines Getriebes (1), wobei

(a) bei einer tiefen Drehgeschwindigkeit des ersten Schwenkkörpers (5) der erste Schwenkkörper (5) an das Schwungrad (4) gekoppelt wird, sobald beide exakt dieselbe Drehgeschwindigkeit aufweisen, um das Schwungrad (4) zu beschleunigen; (b) bei einer höheren Drehgeschwindigkeit des ersten Schwenkkörpers (5) das Schwungrad (4) vom ersten Schwenkkörper (5) entkoppelt wird, um das Schwungrad (4) mit annähernd konstanter Drehgeschwindigkeit im Freilauf weiterdrehen zu lassen;

(c) gewartet wird, bis die Drehgeschwindigkeit des zweiten Schwenkkörpers (6) in der Sinkphase ist, und das Schwungrad (4) an den zweiten Schwenkkörper (6) gekoppelt wird, sobald die Drehgeschwindigkeit des zweiten Schwenkkörpers (6) exakt so gross ist wie die des Schwungrades (4), um Energie des Schwungrades (4) durch die Abnahme der Drehgeschwindigkeit auf den zweiten Schwenkkörper (6) zu übertragen, wodurch die Abtriebswelle (3) angetrieben wird;

(d) bei einer tiefen Drehgeschwindigkeit des zweiten Schwenkkörpers (6) der zweite Schwenkkörper (6) vom Schwungrad (4) entkoppelt wird, wodurch das Schwungrad (4) mit niedriger Drehgeschwindigkeit im Freilauf weiterdreht, bis wieder mit Schritt a) fortgefahren wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehgeschwindigkeiten in den Schritten (a) und/oder (d) nahezu oder gleich null sind.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein kompletter Zyklus von (a) bis zum nächsten (a) höchstens 100ms, bevorzugt höchstens 50 ms dauert. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeit zum Koppeln und Entkoppeln zu Beginn der Schritte (a) bis (d) jeweils höchstens 1 ms, bevorzugt 0.5 ms dauert und höchstens 1/100 der Schwingungsdauern der Schwenkkörper (5, 6) beträgt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Bremsvorgang auf dieselbe Weise Energie zurückgewonnen wird, indem das Schwungrad (4) von der Abtriebswelle (3) angetrieben wird.

Description:
GETRIEBE MIT EINEM SCHWUNGRAD UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES GETRIEBES

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Getriebe zur Übertragung eines Drehmomentes bzw. einer Leistung von einer Antriebswelle auf eine Abtriebswelle bei stufenlos einstellbarem Übersetzungsverhältnis, umfassend ein auf einer Achse axial gelagertes Schwungrad, sowie umfassend einen ersten und einen zweiten Schwenkkörper, die angrenzend an das Schwungrad auf der Achse schwenkbar gelagert angeordnet sind, sowie umfassend erste und zweite Kopplungsmittel zum Erzeugen und Aufheben einer drehfesten, flächigen, kraftschlüssigen ersten und zweiten Kopplung zwischen jeweils einem der Schwenkkörper und dem Schwungrad, wobei an jedem Schwenkkörper exzentrisch ein erstes resp. zweites Schubelement rotierbar angebracht ist, wobei jedes Schubelement wiederum exzentrisch an der Antriebswelle resp. Abtriebswelle rotierbar anbringbar ist, sodass die Schubelemente im Gebrauch Drehbewegungen der Wellen in Schwenkbewegungen der Schwenkkörper wandeln und umgekehrt. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Getriebes. Stand der Technik

Bei den meisten Anwendungen von Motoren liegen die günstigen Betriebsbereiche derselben bezüglich Drehgeschwindigkeit und Drehmoment nicht im Bereich der Anwendung, was Übersetzungen bzw. Getriebe notwendig macht.

Feste Übersetzungen und Schaltgetriebe basieren meist auf Zahnrad- Konstruktionen verschiedenster Varianten oder auf Zahnrad-Ketten- Transmissionen. Solche Übersetzungen haben nur eine oder eine geringe Anzahl Übersetzungsstufen. Es kann also nicht immer das für den gegebenen Betriebspunkt bezüglich des Verbrauchs oder Wirkungsgrads (oder anderer Kriterien) ideale Übersetzungsverhältnis gewählt werden. Schaltgetriebe weisen zudem begrenzt schnelle Schaltvorgänge auf, welche entweder durch Zugkraftunterbrechung oder durch verlustbehaftete Doppelkopplungsschaltungen gekennzeichnet sind.

Kontinuierlich verstellbare Getriebe weisen diesen Nachteil nicht auf. Solche Getriebe werden in der Praxis "stufenlose Getriebe" genannt, da das Verhältnis von Eingangsdrehgeschwindigkeit und Ausgangsdrehgeschwindigkeit, in einem charakteristischen Betriebsbereich, frei gewählt werden kann. Dabei ist zu erwähnen, dass "stufenlos" (englisch : continuous variable) nicht mit "zeitlich kontinuierlich" (englisch : time continuous) verwechselt werden darf. Die Möglichkeiten bzw. Grenzen der zeitlichen Veränderung des Übersetzungsverhältnisses von stufenlosen Getriebe wird weiter unten diskutiert.

Wird näherungsweise angenommen, dass ein solches stufenloses Getriebe verlustfrei arbeitet, so ist die Eingangsleistung gleich der Ausgangsleistung. Da die Leistung das Produkt von Drehmoment und Drehgeschwindigkeit ist, ist somit das Verhältnis von Eingangs- und Ausgangsdrehmoment gerade umgekehrt dem Verhältnis von Eingangs- und Ausgangsdrehgeschwindigkeit. Als Übersetzungsverhältnis wird in der Regel das Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsdrehgeschwindigkeit verstanden. Dies entspricht also dem Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsdrehmoment.

Um die Funktionsweise solcher stufenloser Getriebe besser zu verstehen, werden nun drei Betriebsfälle betrachtet. Dabei wird als Beispiel ein Strassenfahrzeug gewählt. Bei diesem besteht der Antrieb typischerweise aus einem Verbrennungsmotor, welcher ein Drehmoment auf seine Kurbelwelle erzeugt. Es wird hier angenommen, dass diese Kurbelwelle starr mit der Antriebswelle des Getriebes verbunden ist, weshalb diese Bauteile als eins betrachtet werden. Dieses Drehmoment bzw. die entsprechende Leistung wird vom stufenlosen Getriebe über den Antriebsstrang (Abtriebswelle des stufenlosen Getriebes) auf die Räder übertragen und treibt das Fahrzeug an. Es wird hier angenommen, dass die Räder fest mit der Fahrbahn verbunden sind (kein Gleiten oder Schlupf). Deshalb ist die Drehgeschwindigkeit der Abtriebswelle des stufenlosen Getriebes proportional zur Fahrzeuggeschwindigkeit. Der Proportionalitätsfaktor bildet sich aus dem Radradius und dem Übersetzungsverhältnis allfälliger fester Getriebe, die zwischen dem stufenlosen Getriebe und den Antriebsrädern (z.B. Differentialgetriebe) in den Antriebsstrang eingebaut sind. Um das Fahrzeug zu beschleunigen muss seine Massenträgheit überwunden werden. Diese Massenträgheit kann rechnerisch mit dem genannten Proportionalitätsfaktor an den Getriebeausgang übertragen werden.

Das stufenlose Getriebe befindet sich also zwischen der Kurbelwelle des Motors, welche ein relativ kleines Massenträgheitsmoment aufweist, und dem Antriebsstrang, dessen grosses Massenträgheitsmoment die mit dem Proportionalitätsfaktor umgerechnete Fahrzeugmasse enthält. Die meisten stufenlosen Getriebe beinhalten nur kleine bewegte Massen, welche nicht zwangsläufig mit der Antriebswelle (Kurbelwelle) oder der Abtriebswelle (Antriebsstrang) verbunden sind. Solche freie Massen werden in den folgenden Beispielen vereinfachend vernachlässigt. Wie erwähnt wird zudem angenommen, dass das stufenlose Getriebe verlustfrei arbeitet.

Betriebsfall 1 : Konstantes Fahren

Soll ein Fahrzeug konstant fahren, muss die vom Motor produzierte Leistung vollständig vom stufenlosen Getriebe aufgenommen und übertragen werden. Zudem muss diese Leistung im Gleichgewicht mit der Widerstandsleistung aller Fahrwiderstände sein. Die Widerstandsleistung des Fahrzeugs ist das Produkt der Fahrzeuggeschwindigkeit mit der Summe aller Widerstandskräfte. Diese sind die Luftwiderstandskraft, die Widerstandskraft durch Steigung und die Widerstandskraft durch Reibung nicht angetriebener Räder und Reibung im Antriebsstrang. Ebenso ist die Widerstandsleistung gleich dem Produkt von Abtriebsdrehgeschwindigkeit und Abtriebsdrehmoment. Bei einem stufenlosen Getriebe kann das Drehgeschwindigkeitsverhältnis in diesem stationären Zustand des konstanten Fahrens einen beliebigen Wert (innerhalb eines Betriebsbereichs) aufweisen. Das heisst, durch vorangehende Steuerung der Motorleistung und der Getriebeübersetzung wurde dieser stationäre Zustand auf einem beliebigen aber momentan konstanten Übersetzungsverhältnis eingestellt. Das heisst auch, dass das Verhältnis von Motordrehmoment und Abtriebsdrehmoment gerade diesem Übersetzungsverhältnis entsprechen. Welcher Motorbetriebspunkt für einen solchen stationären Zustand gewählt wird, kann dabei von verschiedenen Kriterien abhängen. Beispiele: Ideale Aufwärmdrehgeschwindigkeit während dem Kaltstart, verbrauchsoptimaler Betrieb oder schadstoffoptimaler Betrieb.

Betriebsfall 2: Fahrzeugbeschleunigung mittels konstanter Motorleistung Es wird hier angenommen, dass der Motor sich in einem konstanten Betriebspunkt befindet (z.B. bei maximaler Leistung oder im verbrauchsoptimalen Betriebspunkt). Das heisst, Motordrehgeschwindigkeit, Motordrehmoment und somit Motorleistung sind konstant. Damit die Kurbelwelle vom Motor nicht beschleunigt oder verzögert wird, muss das stufenlose Getriebe exakt das vom Motor produzierte Drehmoment und somit die entsprechende Leistung aufnehmen. Das Abtriebsdrehmoment und somit die Abtriebsleistung des Getriebes müssen einerseits grösser sein wie das Widerstandsdrehmoment und somit die Widerstandsleistung des Fahrzeugs, damit dieses beschleunigt. Andererseits ist im verlustfreien Fall die Abtriebsleistung des stufenlosen Getriebes exakt gleich der Antriebsleistung. Da die Fahrzeuggeschwindigkeit und damit die Abtriebsdrehgeschwindigkeit des Getriebes laufend ändern, muss das Abtriebsdrehmoment des Getriebes laufend angepasst werden (denn es gilt : Abtriebsdrehmoment = Abtriebsleistung / Abtriebsdrehgeschwindigkeit). Während dieses Beschleunigungsvorgangs kann sich die Widerstandsleistung am Fahrzeug laufend verändern, z.B. durch Zunahme des Luftwiderstands oder durch ändernde Steigung. Somit ist die sich entwickelnde Fahrzeuggeschwindigkeit und damit die Abtriebsdregeschwindigkeit ä priori unbekannt. Die Getriebesteuerung muss deshalb laufend die Abtriebsdrehgeschwindigkeit messen und das Abtriebsdrehmoment steuern. Die Getriebesteuerung steuert also nicht direkt das Verhältnis der Drehgeschwindigkeiten (dieses entwickelt sich auf Grund der äusseren Einflüsse), sondern das Drehmomentverhältnis. Dieses Beispiel gilt sinngemäss auch für Verzögerungen des Fahrzeugs. Dann muss natürlich die Widerstandsleistung grösser sein wie die Antriebsleistung.

Betriebsfall 3 : Konstante Fahrt mit ändernder Antriebsdrehzahl

Das Fahrzeug soll hier eine konstante Geschwindigkeit fahren während der Zustand des Motors von einem ersten in einen zweiten Betriebspunkt verschoben werden soll. Dabei wird angenommen, dass die Widerstandskräfte und somit die Widerstandsleistung am Fahrzeug konstant bleibt. Somit muss die Antriebsleistung (Motorleistung) am Anfang und am Ende dieses Vorgangs gleich sein. Ist die Drehgeschwindigkeit am Ende des Vorgangs z.B. kleiner, muss das Motordrehmoment entsprechend grösser sein (und umgekehrt). Während diesem Vorgang muss der Abtrieb des Getriebes bei konstanter Drehgeschwindigkeit eine konstante Leistung und somit ein konstantes Drehmoment abgeben. Die entsprechende Leistung muss das Getriebe von der Antriebswelle (Kurbelwelle) aufnehmen. Die Steuerung des Getriebes muss also das stufenlose Getriebe so führen, dass, angepasst an die laufend sinkende Drehgeschwindigkeit des Antriebs, ein laufend zunehmendes Drehmoment von der Antriebswelle aufgenommen wird.

Die Steuerung des Motors muss ihrerseits dafür sorgen, dass der Motor z.B. während einer Drehgeschwindigkeitsreduktion eine etwas kleinere Leistung (also momentan ein etwas kleineres Drehmoment) produziert, als was das stufenlose Getriebe aufnimmt. Nur so kann die Kurbelwelle (Massenträgheit) des Motors ihre Drehgeschwindigkeit reduzieren (Drallsatz).

Auch in diesem Betriebsfall muss die Getriebesteuerung physikalisch betrachtet ein Drehmoment (dasjenige an der Antriebswelle) steuern (verändern). Die Motordrehgeschwindigkeit ergibt sich aus der Verzögerung (bzw. Beschleunigung) der Kurbelwelle aufgrund der Differenz zwischen dem vom Motor produzierten und dem vom Getriebe abgegriffenen Drehmoment.

Allgemeine instationäre Betriebsfälle, bei denen sich sowohl die Eingangsdrehgeschwindigkeit (Motordrehzahl, Antriebsdrehgeschwindigkeit) wie auch die Ausgangsdrehgeschwindigkeit (Fahrzeuggeschwindigkeit, Abtriebsdrehgeschwindigkeit) verändern, können als Kombination von den oben beschriebenen Betriebsfällen 2 und 3 aufgefasst werden, wobei für beide Wellen Beschleunigungen mit beiderlei Vorzeichen möglich sind.

Zusammenfassend : Da sowohl die Massenträgheitsmomente vom Antrieb (Motor) und vom Abtrieb (Fahrzeug) nicht vernachlässigbar sind, kann das stufenlose Getriebe bzw. seine Steuerung nicht direkt Drehgeschwindigkeitsverhältnisse einstellen. Beim Ändern des Übersetzungsverhältnisses muss das stufenlose Getriebe zusammen mit dem Motor bzw. der Motorsteuerung für ein Momentenungleichgewicht sorgen, damit die entsprechende trägen Massen beschleunigt bzw. verzögert werden. Trotz dieser physikalischen Tatsache wird in der Umgangssprache fälschlicherweise formuliert, dass das Getriebe sein Übersetzungsverhältnis steuert. Diese gesamte Betrachtung ist unabhängig von der effektiven Auslegung des stufenlosen Getriebes, sie gilt allgemein.

Ferner ist zu beachten, dass diese Betrachtungen bislang davon ausgehen, dass die stufenlosen Getriebe im Betriebsfall 1 zeitlich konstante oder in den Betriebsfällen 2 und 3 kontinuierlich ändernde Drehmomente aufnehmen bzw. abgeben. Im Detail betrachtet erzeugen jedoch gewisse Varianten von Schaltgetrieben und von stufenlosen Getrieben aufgrund ihrer Bauweise zeitlich hochfrequent periodisch ändernde Drehmomente. Diese Unregelmässigkeiten werden z.B. bei Zahnrädern durch die Elastizität der Zähne oder deren Abnützung (Geometriefehler) oder bei Kettengetrieben (Motorrad) durch die Dehnung der Kettenglieder hervorgerufen. Jeder neue Zahneingriff erzeugt im Betrieb eine gewisse Drehmomentschwankung. Auch bei stufenlosen Kettenwandlern kann der Einlauf der Kettenglieder in die Kegelräder zu solchen Drehmomentschwankungen führen.

Da diese Schwankungen hochfrequent sind, also sich zeitlich rasch wiederholen, (typischerweise im Bereich von mehreren Millisekunden oder schneller) können der entsprechende Drehmomentüberschuss oder -mangel die trägen Massen von Kurbelwelle bzw. Fahrzeug nur in verschwindendem Masse beschleunigen oder verzögern, bzw. diese hochfrequenten Schwankungen werden durch die Elastizitäten der An- und Abtriebswellen geglättet. Das heisst, ein periodisches, zeitlich hinreichen rasch änderndes Drehmoment wirkt sich über eine Periode betrachtet gleich wie ein konstantes Drehmoment, welches dem Mittelwert des periodischen Drehmoments entspricht, aus.

Die nachfolgend beschriebene Erfindung nützt diese Tatsache, dass die Drehmomente ohne Nachteil hochfrequent periodisch verändert werden können, direkt aus. Bekannte Ausführungsformen von stufenlosen Getrieben umfassen Reibradgetriebe, z.B. in Plattenanordnung, Kegelringgetriebe oder Toroid- Getriebe. Bei all diesen Getrieben wird die Kraft über Haftreibung von einem rotierenden Bauteil auf ein Nächstes übertragen. Durch eine andere Position des Kontaktpunkts in radialer Richtung ergibt sich ein anderes Übersetzungsverhältnis. Gemäss der obigen Betrachtung muss während der Änderung des Übersetzungsverhältnisses zumindest auf einer Seite des Getriebes (Antrieb oder Abtrieb) ein Momentenungleichgewicht erzeugt werden. Nachteilig ist an all diesen Systemen, dass die Kraft durch Reibschluss in einer punktförmigen Zone übertragen wird, wenn Abplattungen vernachlässigt werden. Um ein Rutschen zu vermeiden, müssen grosse Anpresskräfte herrschen, was zu hohen Belastungen der Bauteile führt. Weiter ist nachteilig, dass das Übersetzungsverhältnis nur langsam und nicht im Stillstand verändert werden kann, da der eine Reibkörper auf dem Andern nicht rein tangential, wie in stationären Zuständen, sondern leicht radial abrollen muss, damit der Kontaktpunkt sich auf einen anderen Radius begibt.

Eine Alternative sind stufenlose Getriebe mit Riemen- oder Ketten-Konzepten. Bei diesen läuft ein Riemen oder eine Kette zwischen zwei Scheibenpaaren, welche auf der An- und Abtriebswelle angebracht sind. Die Scheiben sind auf den sich zugewandten Seiten so geformt, dass sich für den Riemen bzw. die Kette ein V- oder keilförmiger Zwischenraum bildet. Durch axiales Verschieben der einen Scheibe von jedem Scheibenpaar kann der Umlaufradius der Riemen und somit das Übersetzungsverhältnis eingestellt werden. Während dieses Vorgangs entwickeln sich zwischen den z.B. zusammenlaufenden Scheiben und der Kette (bzw. dem Riemen) Zwangsdrehmomente, welche zu dem oben beschriebenen Momentenungleichgewicht beitragen. Gleichzeitig muss die Kette (bzw. der Riemen) dabei ihre radiale Position zwischen den Scheibenpaaren verändern, was nur über mehrere Umdrehungen der Scheiben erfolgen kann, weil dem maximalen Radiusunterschied der Reibpunkte bei Einlauf und Auslauf der Kette (bzw. des Riemens) baulich enge Grenzen gesetzt sind.

Der Bereich der Kraftübertragung von den Scheiben an den Riemen oder die Kette ist theoretisch linienförmig, wird jedoch durch Dehnungs-Phänomene auf einen kleinen Bereich des Umfangs begrenzt. Dadurch weisen diese Getriebe annähernd die gleichen Nachteile wie die Reibradgetriebe auf, nämlich den punktförmigen Reibschluss, welcher grosse Anpresskräfte bedingt und nur begrenzt schnelle Übersetzungsänderungen zulässt. Wie erwähnt können gestufte Getriebe nicht beliebige Übersetzungsverhältnisse darstellen. Alle bekannten mechanischen stufenlosen Getriebe weisen den Nachteil auf, dass die Kraft durch Reibung in einer punkt- oder linienförmigen Zone übertragen wird, was hohe Anpresskräfte und damit hohe Oberflächenbelastung für die Bauteile bedeutet. Zudem kann das Übersetzungsverhältnis nur in Bewegung und nur mit begrenzter Geschwindigkeit geändert werden.

Insbesondere die Antriebsstränge von Strassenfahrzeugen erleben in der Praxis häufige und sehr rasch ändernde Lasten. Nur stufenlos und rasch variierende Getriebe würden es erlauben, die Antriebsmotoren bei diesen Belastungsprofilen immer in einem optimalen Betriebszustand zu betreiben. Diese Optimalität kann dabei z.B. den Verbrauch, Schadstoffe oder aber auch den Verschleiss oder andere Kriterien minimieren.

Die Dokumente WO2012008245 AI und WO2013008624 AI beschreiben stufenlose Getriebe mit Viergeienkbögen. Am Antrieb sind mehrere Viergeienkbögen mit entsprechenden Schwenkkörpern angeordnet. Alle diese Schwenkkörper können sich so über Freiläufe mit der Abtriebswelle verbinden, sodass immer der gerade Schnellste im Eingriff ist und Energie überträgt. Die stufenlose Übersetzung kommt zu Stande, indem die Exzentrizität der Viergeienkbögen variiert wird. Die Bewegung der Abtriebswelle wird so nicht exakt kontinuierlich sondern wellenförmig, da sie sich aus den Maximalbereichen der Schwingbewegungen der Schwingkörper zusammensetzt. Da hier die Bewegung (Drehgeschwindigkeit) der Abtriebswelle zwangsläufig wellenförmig ist, zeigt diese Lösung eine völlig andere Charakteristik als wenn die Drehmomente, wie oben beschrieben, hochfrequent schwanken. Insbesondere sind hier wesentlich stärkere Vibrationen zu erwarten.

In der GB 2400422 A ist ein weiteres stufenloses Getriebe beschrieben, bei dem eine Feder zeitweise Energie von einer Antriebswelle aufnimmt und an eine konzentrisch zur Feder angeordnete Abtriebswelle abgibt und dabei ins Schwingen gerät. Absätze an der Feder, an denen sie zeitweise an Balken ansteht, sorgen für die Kraftübertragung. Das beschriebene Getriebe weist einen komplizierten Aufbau auf, wobei nicht klar wird, wie ein verlässlicher Antrieb der Abtriebswelle gesteuert durchführbar ist. Das Dokument DE 31 11378 AI beschreibt eine Vorrichtung bei welcher mit einer gesteuerten Kupplung die "Trennstation" = Kopfstation einer Schlauchziehmaschine in Notstop-Fällen mit geringen Energieverlusten gebremst und wiederangeworfen werden kann. Der Hauptantrieb dieser Maschine ist ein Ungleichförmigkeitsantrieb. Das heisst, die Last = der Abtrieb der Maschine = der Leistungsverbraucher führt eine ungleichförmige Bewegung aus. Aus der DE3111378 geht kein Getriebe hervor, welches eine Leistungsübertragung bei beliebig einstellbarem Übersetzungsverhältnis erlaubt.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein stufenloses, mechatronisches Getriebe eingangs beschriebener Art anzugeben, das einfach und prozesssicher aufgebaut ist und bei dem keine Reibverluste und kein Verschleiss durch schleifende Kopplungen oder punktförmige Übertragungen durch Ketten oder Riemen auftreten. Diese Erfindung nutzt die oben beschriebene Tatsache, dass ein hochfrequent änderndes Drehmoment auf die trägen Massen des Antriebs (z. B. Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors) und des Abtriebs (Antriebsstrand und Fahrzeug) im Wesentlichen die gleiche Wirkung hat wie ein konstantes Drehmoment, welches dem zeitlichen Durchschnittswert des hochfrequent ändernden Drehmoments entspricht.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu beschreiben, das eine Kraftübertragung mittels eines solchen mechatronischen Getriebes ausführt.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Kennzeichen der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Vorrichtungen und Verfahren sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die nachfolgend beschriebene Idee der Erfindung beschreibt, wie das Getriebe innerhalb einer zeitlich kurzen Periode (Zyklus) arbeitet. Ob dabei das Getriebe mit einem konstanten Übersetzungsverhältnis arbeitet (Betriebsfall 1), sich die Drehgeschwindigkeit des Abtriebs ändert (Betriebsfall 2), sich die Drehgeschwindigkeit des Antriebs ändert (Betriebsfall 3) oder beide Drehgeschwindigkeiten ändern (Kombination der Betriebsfälle 2 & 3) ergibt sich aus den Momentengleichgewichten der Antriebs- und der Abtriebswellen über eine oder mehrere ganze solche Perioden (Zyklen).

Die der Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dass Kopplungen zwischen den Schwenkkörpern und dem Schwungrad nur dann erzeugt werden, wenn diese dieselbe Drehgeschwindigkeit haben. In diesem Fall entstehen beim Koppeln keine Reibung und kein Energieverlust durch inelastischen Stoss. Damit dies erreicht werden kann, wird die in der Regel relativ gleichmässig verlaufende kreisförmige Antriebsbewegung mittels einer Schubstange in eine Schwenkbewegung umgeformt, deren Bewegung sich stark ändert. Mit jeder Umdrehung der Antriebswelle steht der erste Schwenkkörper zweimal still, dazwischen wird er beschleunigt und wieder abgebremst. In den Momenten des Stillstands lässt sich eine Kopplung zu dem dann ebenfalls stillstehenden Schwungrad reibungslos und stossfrei durchführen.

Erfindungsgemäss ist daher an jedem Schwenkkörper exzentrisch eine erste resp. zweite Schubstange gelenkig angebracht, wobei jede Schubstange wiederum exzentrisch an der Antriebswelle resp. Abtriebswelle gelenkig anbringbar oder angebracht ist, sodass die Schubstangen im Gebrauch Drehbewegungen der Wellen in Schwenkbewegungen der Schwenkkörper wandeln und umgekehrt.

Im erfindungsgemässen Verfahren wird, beispielsweise durch eine Steuereinheit, der erste Schwenkkörper bei niedriger Drehgeschwindigkeit an das Schwungrad gekoppelt, sobald beide dieselbe Drehgeschwindigkeit aufweisen. Das Schwungrad wird in der Folge beschleunigt. Wenn dieses die gewünschte Drehgeschwindigkeit erreicht hat, entkoppelt die Steuereinheit das Schwungrad wieder vom ersten Schwenkkörper. Sobald der zweite Schwenkkörper, bei sinkender Drehgeschwindigkeit, dieselbe Drehgeschwindigkeit hat wie das Schwungrad, wird das Schwungrad an den zweiten Schwenkkörper gekoppelt, bis die Drehgeschwindigkeit wieder den gewünschten niedrigen Wert erreicht hat. Dann wird das Schwungrad wieder vom zweiten Schwenkkörper entkoppelt und das Schwungrad dreht im Freilauf oder steht still. Dadurch wurde Energie (Drehmoment) vom Antrieb an den Abtrieb übertragen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen Im Folgenden wird die Erfindung unter Beizug der Zeichnungen näher erklärt. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Getriebes in perspektivischer Ansicht;

Fig. 2 ein Diagramm zur Beschreibung des erfindungsgemässen Verfahrens.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die Fig. 1 zeigt in einer schematischen perspektivischen Darstellung ein erfindungsgemässes mechatronisches Getriebe 1 zur stufenlosen Übertragung eines Drehmoments bzw. einer Leistung von einer Antriebswelle 2 auf eine Abtriebswelle 3. Das Getriebe 1 umfasst ein auf einer Achse A axial gelagertes Schwungrad 4, sowie einen ersten und einen zweiten Schwenkkörper 5, 6, die angrenzend an das Schwungrad 4 auf der Achse A schwenkbar gelagert angeordnet sind. Die Achse A sollte vorzugsweise parallel zur Antriebs- 2 und zur Abtriebswelle 3 sowie auf einer Mittelebene zwischen diesen angeordnet sein. Dadurch werden Reibkräfte und andere Verluste minimiert. Das Schwungrad 4 kann aus einer oder mehreren Schwungscheiben bestehen, die starr auf der gleichen Welle angebracht sind.

Das erfindungsgemässe Getriebe 1 umfasst zudem erste und zweite Kopplungsmittel 7, 8 zum Erzeugen und Aufheben einer drehfesten, flächigen, kraftschlüssigen ersten und zweiten Kopplung zwischen jeweils einem der Schwenkkörper 5, 6 und dem Schwungrad 4. Ist eine der Kopplungen aktiviert, dann bewegen sich das Schwungrad 4 und der entsprechende Schwenkkörper 5, 6 zwingend mit derselben Drehgeschwindigkeit. Sobald diese Kopplung wieder gelöst ist, können sich Schwungrad 4 und Schwenkkörper 5, 6 wieder mit unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten um die Achse A bewegen. Erfindungsgemäss ist an jedem Schwenkkörper 5, 6 exzentrisch ein erstes resp. zweites Schubelement 9, 10, welche hier jeweils als Schubstange 9, 10 ausgestaltet sind, an den Achsen C3 resp. C4 rotierbar angebracht. Dies kann erreicht werden, indem jede Schubstange 9, 10 am äusseren Ende einer Kurbel 11 rotierbar angebracht ist, wobei jede Kurbel 11 mit dem jeweiligen Schwenkkörper 5, 6 drehfest verbunden ist. Jede Schubstange 9, 10 ist wiederum exzentrisch an der Antriebswelle 2 resp. Abtriebswelle 3 an den Achsen Cl resp. C2 rotierbar anbringbar oder angebracht, sodass die Schubstangen 9, 10 im Gebrauch Drehbewegungen der Wellen 2, 3 in Schwenkbewegungen der Schwenkkörper 5, 6 wandeln und umgekehrt. Die Schubstangen 9, 10 bewegen sich im Betrieb vorzugsweise in Ebenen, die senkrecht zur Achse A liegen. Insbesondere kann jede Schubstange 9, 10 wellenseitig wiederum an einer Kurbel 1 rotierbar angebracht sein, die auf jeweils einer der Wellen 2, 3 fest angebracht werden kann oder angebracht ist.

Die Kurbellängen LI, L2 der Kurbeln 1 sind definiert durch die jeweiligen exzentrischen Versätze an den Wellen 2, 3 : Die Kurbellängen LI, L2 entsprechen den Abständen der Wellenachsen Bl, B2 zu den Drehachsen Cl, C2 der Kurbeln 11, an denen die Schubstangen 9, 10 rotierbar befestigt sind.

Entsprechend sind die Kurbellängen L3, L4 definiert als die jeweiligen exzentrischen Versätze der Anbringung der Schubstangen 9, 10 an den Schwenkkörpern 5, 6, wobei die Kurbellängen L3, L4 den Abständen der Achse A zu den Drehachsen C3, C4 der Kurbeln 11 entsprechen, an denen die Schubstangen 9, 10 rotierbar befestigt sind. Insbesondere muss jeder exzentrische Versatz LI, L2 an einer Welle 2, 3 deutlich kleiner sein als der entsprechende exzentrische Versatz L3, L4 am jeweiligen Schwenkkörper 5, 6, der durch eine Schubstange 9, 10 mit dieser Welle 2, 3 verbunden ist: L1 < <L3; L2< <L4. Dies gewährleistet die Transformation einer Rotation einer Welle 2, 3 in eine Schwenkbewegung des Schwenkkörpers 5, 6 und umgekehrt. Vorzugsweise umfasst eines oder beide der Kopplungsmittel 7, 8 eine magnetische mechanische oder andere Kupplung zwischen jeweils einem der Schwenkkörper 5, 6 und dem Schwungrad 4. Die mechanische Kupplung kann insbesondere einen Anpressmechanismus zwischen jeweils einem der Schwenkkörper 5, 6 und dem Schwungrad 4 umfassen. Alternativ kann die Kupplung der Kopplungsmittel 7, 8 auch mittels einer elektrostatischen oder Theologischen Kraftverbindung hergestellt werden.

Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemässe Getriebe 1 Sensoren 12 zur Bestimmung von absoluten und/oder relativen Drehgeschwindigkeiten vom Schwungrad 4 und dessen benachbarten Schwenkkörpern 5, 6. Mit solchen Sensoren 12 soll insbesondere festgestellt werden können, wenn das Schwungrad 4 und jeweils der benachbarte Schwenkkörper 5, 6 dieselbe momentane Drehgeschwindigkeit haben. Trifft dies zu, so kann der entsprechende Schwenkkörper 5, 6 an das Schwungrad 4, beispielsweise durch das Kopplungsmittel 7, 8 angekoppelt werden, ohne dass Reib- oder Stossverluste auftreten. Solche Sensoren 12 können beispielsweise optische Sensoren sein, welche ein feines Raster, welches am Schwungrad 4 und an den Schwenkkörpern 5, 6 angebracht ist, optisch erfassen.

Eine Steuereinheit 13 kann schliesslich auf Grund der ermittelten Drehgeschwindigkeiten zu geeigneten Zeitpunkten eine Kopplung und zu gewünschten Zeitpunkten ein Aufheben der Kopplungen verursachen. Entsprechende Verbindungsleitungen von der Steuereinheit 13 zu den Kopplungsmitteln 7, 8, die sich an oder in den Schwenkkörpern 5, 6 und/oder im Schwungrad 4 befinden und daher nicht als solche dargestellt sind, sind ebenfalls nicht dargestellt. Eine Signalübertragung mittels Telemetrie ist auch möglich. Die Steuereinheit 13 muss auch mit dem Benutzer und typischerweise mit der Antriebssteuerung verbunden sein, welche jeweils die gewünschte Beschleunigung, Leistung oder das gewünschte Drehmoment vorgeben. Auch diese Verbindungen sind nicht dargestellt. Die Steuerung berechnet die jeweils geeigneten Zeitpunkte für die Schritte (a), (b), (c) und (d) auf Grund der vom Benutzer bzw. der Antriebssteuerung vorgegebenen Angaben. Erstere können beispielsweise durch die Betätigung eines Gaspedals eines Fahrzeuges übermittelt werden. Geeignete Zeitpunkte zum Erzeugen einer Kopplung sind insbesondere die Zeitpunkte, in denen die Drehgeschwindigkeit von Schwungrad 4 und einem ersten Schwenkkörper 5 identisch oder nahezu identisch sind. Das Schwungrad 4 sollte nach seiner Beschleunigung durch den ersten Schwenkkörper 5 zudem nicht schneller werden als die Maximalgeschwindigkeit des zweiten Schwenkkörpers 6, da zu diesem wieder angekoppelt wird, sobald sie gleiche Drehgeschwindigkeiten aufweisen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Getriebe 1 mindestens ein zweites erfindungsgemässes mechatronisches Getriebe 1, das idealerweise identisch oder fast identisch zum ersten Getriebe 1 ausgestaltet ist. Dieses zweite Getriebe 1 soll derart symmetrisch zum ursprünglichen Getriebe 1 zwischen der Antriebswelle 2 und der Abtriebswelle 3 angeordnet werden, dass im Betrieb die Gesamtunwucht auf die Antriebswelle 2, die Abtriebswelle 3 und ein umgebendes Gehäuse minimiert wird. Dadurch werden der Verschleiss und Vibrationen nochmals verringert. Vorzugsweise wirken beide mechatronischen Getriebe im Betrieb auf dasselbe Schwungrad 4.

Beim erfindungsgemässen Verfahren zum Übertragen eines Drehmomentes bzw. einer Leistung von einer Antriebswelle 2 auf eine Abtriebswelle 3 unter Verwendung eines erfindungsgemässen mechatronischen Getriebes 1 werden folgende Schritte durchgeführt, die unter Mithilfe der Fig. 2 hier veranschaulicht beschrieben werden.

Bei dieser Beschreibung wird davon ausgegangen, dass das Getriebe bereits in Betrieb ist. Das heisst, es wird angenommen, dass die Antriebswelle 2 und die Abtriebswelle 3 zu Beginn des beschriebenen Abschnitts bereits rotieren. Das Anfahren (Beschleunigen aus dem Stillstand) der Abtriebswelle 3 wird weiter unten diskutiert.

In Fig. 2 sind eine erste und eine zweite etwa sinusförmige Kurve 20, 21 in einem Diagramm dargestellt, wobei die Abszissenachse die Zeit und die Ordinatenachse die Drehgeschwindigkeit darstellt. Die engere Kurve 20 beschreibt die jeweils momentane Drehgeschwindigkeit des ersten Schwenkkörpers 5 auf der Seite der Antriebswelle 2, die gestrecktere sinusförmige Kurve 21 die momentane Drehgeschwindigkeit des zweiten Schwenkkörpers 6 auf der Seite der Abtriebswelle 3, jeweils aufgetragen über die Zeit t. Da jeder Schwenkkörper 5, 6 oszilliert, ändert er dauernd seine Schwenkrichtung, sodass zu den Zeitpunkten der Richtungsänderung jeder Schwenkkörper 5, 6 jeweils für kurze Zeit still steht. Dies entspricht den Zeitpunkten t, an denen die Kurven die Nulllinie durchlaufen. Zu diesen Zeiten ist ihre Drehgeschwindigkeit null, die Auslenkung des jeweiligen Schwenkkörpers 5, 6 ist maximal.

Die Drehgeschwindigkeit des Schwungrades 4 ist in der Fig. 2 mit der Kurve 22 dargestellt. Bei einer tiefen Drehgeschwindigkeit des ersten Schwenkkörpers 5, beispielsweise bei Stillstand, wird nun der erste Schwenkkörper 5 an das Schwungrad 4 gekoppelt, sobald beide exakt dieselbe Drehgeschwindigkeit aufweisen (a). In der Folge wird das Schwungrad 4 durch den ersten Schwenkkörper 5 beschleunigt, die in dieser Phase der Koppelung stets dieselbe Winkelgeschwindigkeit aufweisen.

Beim Erreichen einer gewünschten höheren Drehgeschwindigkeit wird das Schwungrad 4 vom ersten Schwenkkörper 5 entkoppelt (b). Dadurch hat das Schwungrad 4 von der Antriebswelle 2 eine gewisse Menge Energie aufgenommen. Diese Energieübertragung hat zur Folge, dass die Antriebswelle 2 leicht, z.B. um etwa 1% abgebremst wird. In der Folge dreht das Schwungrad 4 mit annähernd konstanter Drehgeschwindigkeit im Freilauf weiter. Anschliessend wird gewartet, bis die Drehgeschwindigkeit des zweiten Schwenkkörpers 6 in der Sinkphase ist. Sobald die Drehgeschwindigkeit des zweiten Schwenkkörpers 6 exakt so gross ist wie die des Schwungrades 4, wird das Schwungrad 4 an den zweiten Schwenkkörper 6 gekoppelt (c), um Energie des Schwungrades 4 auf den zweiten Schwenkkörper 6 zu übertragen. Weil die Drehgeschwindigkeiten des Schwungrades 4 und des zweiten Schwenkkörpers 6 nun gezwungenermassen gleich sind, wird die Drehgeschwindigkeit verzögert und Energie vom Schwungrad 4 auf die Abtriebswelle 3 übertragen. Bei einer tiefen Drehgeschwindigkeit des zweiten Schwenkkörpers 6 wird der zweite Schwenkkörper 6 vom Schwungrad 4 wieder entkoppelt (d), wodurch das Schwungrad 4 mit niedriger Drehgeschwindigkeit (z.B. auch Null) wieder im Freilauf weiterdreht, bis wieder mit Schritt bei (a) fortgefahren wird. Durch diese Energieübertragung zwischen den Zeitpunkten (c) und (d) wird die Abtriebswelle leicht beschleunigt, typischerweise um ca. 1 Promille. Der in Fig. 2 dargestellte Fall entspricht dem Betriebsfall 1. Ein Antrieb (Motor) liefert eine konstante Leistung (Energie pro Zeit) auf die Antriebswelle 2 während Widerstände an der Abtriebswelle 3 exakt die gleiche konstante Leistung aufnehmen. Die Antriebswelle 2 wird zwischen den Zeitpunkten (a) und (b) durch Energieentzug etwas verzögert. Während der Zeit zwischen den Zeitpunkten (b) und dem nächsten (a) wird ihr keine weitere Energie entzogen, jedoch wird ihr durch den Antrieb (Motor) während der ganzen Zeit von (a) bis zum nächsten (a) konstant Energie zugeführt. Das Total der zugeführten Energie ist dabei gleich der zwischen (a) und (b) abgeführten Energie. Es besteht also im Durchschnitt ein Leistungsgleichgewicht, weshalb die Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle 2 zu allen Zeitpunkten (a) exakt die gleiche ist.

Ähnlich gilt für die Abtriebswelle 3 : Nur währen der Zeit zwischen den Zeitpunkten (c) und (d) wird ihr Energie zugeführt. Diese Energiemenge ist gerade gleich jener Energie, welche in der gesamten Zeit zwischen (a) und dem nächsten (a) durch die Widerstände vom Abtrieb weggenommen wird. Somit weist die Abtriebswelle 3 zu allen Zeitpunkten (a) exakt die gleiche Drehgeschwindigkeit auf. Der ganze Ablauf kann sich also über längere Zeit exakt wiederholen, was einem stationären Betrieb entspricht.

Dieser Ablauf kann (innerhalb eines technischen Bereichs) bei beliebigen Übersetzungsverhältnissen stattfinden, weshalb diese Erfindung sich wie ein stufenloses Getriebe verhält.

Müsste bei den gleichen Drehgeschwindigkeiten von Antriebswelle 2 und Abtriebswelle 3 ein anderes durchschnittliches Drehmoment (eine andere Leistung) übertragen werden, würden die Zeitpunkte (b), (c) und (d) entsprechend angepasst. Z. B. wären bei einer kleineren übertragenen Leistung der Zeitpunkt (b) früher und der Zeitpunkt (c) entsprechend später, wodurch das Schwungrad 4 weniger Energie aufnimmt und abgibt. Würde sich dieses Getriebe im Betriebsfall 2 befinden, würde sich für die Antriebswelle das gleiche Bild ergeben wie oben. Die Widerstände (Widerstandsleistung) am Abtrieb wären jedoch kleiner als die vom Getriebe übertragene Leistung. Dadurch wäre die Drehgeschwindigkeit der Abtriebswelle 3 nach jedem ganzen Zyklus (Zeitpunkte (a)) etwas höher als davor, wodurch die Zeitpunkte, bei welchen die Kopplungsmittel 7 und 8 durch die Steuerung geöffnet und geschlossen werden müssen, von Zyklus zu Zyklus laufend leicht angepasst werden müssen.

Im Betriebsfall 3 wäre die vom Antrieb (Motor) auf die Antriebswelle 2 eingebrachte Leistung etwas kleiner als die vom Getriebe aufgenommene mittlere Leistung (Energie pro Zeit), wodurch die Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle 2 nach dem ganzen Zyklus (nachfolgende Zeitpunkte (a)) kleiner wäre als zu Beginn (erster Zeitpunkt (a)), also insgesamt abnehmen würde. An der Abtriebswelle 3 wären die Verhältnisse weiterhin konstant wie in Betriebsfall 1. Auch hier müssten die Zeitpunkte bei welchen die Kopplungsmittel 7 & 8 durch die Steuerung geöffnet und geschlossen werden, von Zyklus zu Zyklus laufend angepasst werden.

Die Veränderung des Übersetzungsverhältnisses wird also nicht über eine mechanische Krafteinwirkung auf ein Bauteil (Hebel) wie bei anderen stufenlosen Getrieben eingeleitet, sondern durch verändern der Schaltzeitpunkte der Kopplungen und dadurch der übertragenen durchschnittlichen Leistungen. Sie werden also durch die Steuerung vorausberechnet und geführt, weshalb das Getriebe als "mechatronisch" bezeichnet wird.

Vorzugsweise sind die Drehgeschwindigkeiten in den Schritten (a) und/oder (d) nahezu oder gleich null. Um zudem keinen ruckartigen Antrieb zu spüren, sollte das erfindungsgemässe Verfahren möglichst so schnell durchgeführt werden, dass ein kompletter Zyklus von einem Schritt (a) bis zum nächsten Schritt (a) typischerweise für Automobile höchstens 50 ms dauert. Für Lastwagen ist dieser Wert höher und liegt bei etwa 100 ms, da Lastwagen mehr träge Masse aufweisen. Ein kompletter Zyklus sollte entsprechend höchstens so lange dauern, dass im Antriebsstrang und dem Fahrzeug keine unerwünscht tiefen Vibrations-Frequenzen angeregt werden.

Die Zeit zum Koppeln und Entkoppeln sollte dabei jeweils höchstens ein Hundertstel der Periodendauer, damit etwa höchstens 0.5 ms bis 1 ms dauern, damit die Voraussetzung, dass beide Kopplungspartner beim Koppeln gleich schnell drehen, erfüllt ist. Die Steuerung muss bei diesem Vorgang den Zeitpunkt (b) so festlegen dass die übertragene Energie gleich der geforderten Leistung multipliziert mit der Zeitdauer vom ersten (a) zum nächsten (a) entspricht.

Erfindungsgemäss kann bei einem Bremsvorgang auf dieselbe Weise Energie zurückgewonnen werden, indem das Schwungrad 4 von der abtriebseitigen Welle 3 angetrieben wird. Entsprechend wird dann die Antriebswelle 2 zur Abtriebswelle 3 und umgekehrt. Mit der erzeugten Energie kann beispielsweise ein Generator betrieben werden, der schliesslich Energie in einer Batterie abspeichert. Alternativ dazu kann ein weiteres Schwungrad (nicht dargestellt) angetrieben werden, von dem bei Bedarf wieder auf dieselbe Art Energie entnommen wird.

Die hier beschriebenen Teilschritte des vollständigen Zyklus können bei beliebigen Verhältnissen der Antriebsdrehgeschwindigkeit zur Abtriebsdrehgeschwindigkeit stattfinden. Somit kann die Leistungsübertragung bei beliebigen Übersetzungsverhältnissen stattfinden. Das Getriebe verhält sich wie ein stufenloses Getriebe.

Im Gegensatz zu anderen Ausführungen von stufenlosen Getrieben, bei welchen das Übersetzungsverhältnis durch Krafteinwirkung auf gewisse Bauteile (Hebel) und dadurch ausgelöste Drehmomentungleichgewichte verändert wird, werden hier durch die Steuerung die Zeitpunkte (b) und (c) zeitlich verschoben, wodurch (durchschnittlich über den ganzen Zyklus) ein verändertes Drehmoment übertragen wird, was schlussendlich zu einer Beschleunigung oder Verzögerung von Antrieb und/oder Abtrieb und somit zu einer Übersetzungsänderung führt.

Befindet sich dieses Getriebe im eingangs beschriebenen Betriebsfall 1, ist durch die Getriebesteuerung die von der Antriebswelle aufgenommene durchschnittliche Leistung (über einen Zyklus) gerade gleich der durchschnittlichen vom Antrieb (Motor) auf die Antriebswelle abgegebenen Leistung zu halten. Dadurch ändert die durchschnittliche Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle von Zyklus zu Zyklus nicht. Ebenso ist die (bei Vernachlässigung von Verlusten, gleiche) über den Zyklus durchschnittliche, an die Abtriebswelle abgegebene Leistung gleich der Widerstandsleistung zu halten, damit die durchschnittliche Drehgeschwindigkeit der Abtriebswelle nicht ändert. Unabhängig davon muss die Antriebssteuerung (Motorsteuerung) dafür sorgen, dass die vom Antrieb (Motor) abgegebene Leistung mit der Widerstandsleistung im Gleichgewicht ist.

Im Betriebsfall 2 ist durch die Getriebesteuerung die durchschnittliche vom Getriebe aufgenommene Leistung gleich der vom Antrieb (Motor) auf die Antriebswelle abgegebene Leistung zu halten. Im verlustfreien Fall wird die gleiche Leistung an den Abtrieb abgegeben. Da diese Leistung grösser ist als die Widerstandsleistung am Fahrzeug, beschleunigt der Abtrieb. Die Getriebesteuerung muss aufgrund der somit von Zyklus zu Zyklus ändernden Abtriebsdrehgeschwindigkeit dafür sorgen, dass das abgegebene durchschnittliche Drehmoment zusammen mit der aktuellen Abtriebsdrehgeschwindigkeit die (konstante) Antriebsleistung ergibt.

Im Betriebsfall 3 ist durch die Getriebesteuerung die durchschnittliche vom Getriebe abgegebene Leistung gleich der Widerstandsleistung zu halten, damit die Abtriebsdrehgeschwindigkeit konstant bleibt. Im verlustfreien Fall muss die gleiche Leistung vom Antrieb aufgenommen werden. Diese durchschnittliche Leistung ist grösser als die vom Antrieb (Motor) erzeugte Leistung wodurch die Antriebswelle verzögert wird. Die Getriebesteuerung muss aufgrund der von Zyklus zu Zyklus ändernden Antriebsdrehgeschwindigkeit dafür sorgen, dass das aufgenommene durchschnittliche Drehmoment zusammen mit dieser

Antriebsdrehgeschwindigkeit die abzugebende Leistung ergibt. Gleichzeitig muss die Antriebssteuerung (Motorsteuerung) dafür sorgen, dass die vom Antrieb erzeugte Leistung kleiner ist als die abzugebende Leistung.

Für die Betrachtung der Vorgänge innerhalb eines Zyklus können die Drehgeschwindigkeiten von Antrieb und Abtrieb auf Grund der grossen Massenträgheiten als annähernd konstant betrachtet werden. Erst über ganze bzw. mehrere Zyklen entwickelt sich bei einem Leistungsungleichgewicht (Momentenungleichgewicht) an einer der Wellen eine namhafte Veränderung der Drehgeschwindigkeit.

Unabhängig davon ist dieses Getriebe in der Lage sehr schnell (innerhalb eines Zyklus) solche Ungleichgewichte zu erzeugen und somit eine der Wellen (typischerweise die Antriebswelle) rasch zu beschleunigen oder zu verzögern, also das Übersetzungsverhältnis rasch zu ändern, da die übertragene Leistung von einem Zyklus auf den andern verändert werden kann. Im Gegensatz zu den stufenlosen Reibrad- und Kettengetrieben entstehen während solchen transienten Vorgängen zudem keine erhöhten Getriebeverluste. Weiter kann dieses stufenlose Getriebe, wie alle Getriebe, bei jedem Übersetzungsverhältnis Drehmomente vom Maximalwert bis zum Wert Null und sogar bis zu einem negativen Maximalwert übertragen. Während bei vielen Getrieben dazu keine Einflussnahme nötig ist, müssen hier die Zeitpunkte (b) und (c) synchron passend verschoben werden. Zum Beispiel kann bei einer Fahrt auf einem welligen Strassenverlauf mit konstanter Geschwindigkeit in der Steigung Leistung übertragen werden und im Gefälle die Leistung auf null oder negative Werte zurück genommen werden. Es ist dabei unerheblich ob der Antrieb (Motor) seine Drehgeschwindigkeit konstant hält oder variiert.

Dieses stufenlose Getriebe kann auch verwendet werden um anzufahren, das heisst um die Abtriebswelle aus dem Stillstand zu beschleunigen. Dazu müssen die beiden Kupplungsmittel 7 & 8 zu einem Zeitpunkt geschlossen werden, wo der Schwenkkörper 5 bei drehender Antriebswelle gerade eine Drehgeschwindigkeit Null aufweist. Es ist auch denkbar, dass die Kupplungsmittel 7 & 8 während dem Anwerfvorgang des Antriebs geschlossen sind, währen eine im Abtrieb nachgeschaltete Gleitkupplung (entsprechend der Kupplung eines manuellen Schaltgetriebes) geöffnet ist und dass beim Anfahren diese Gleitkupplung so geschlossen wird, dass die Last auf eine Minimaldrehgeschwindigkeit beschleunigt wird, während die Abtriebswelle des Getriebes über einer minimalen Drehgeschwindigkeit gehalten wird.

Bezugszeichenliste

1 Mechatronisches Getriebe

2 Antriebswelle

3 Abtriebswelle

4 Schwungrad

5 erster Schwenkkörper

6 zweiter Schwenkkörper

7 erstes Kopplungsmittel

8 zweites Kopplungsmittel

9 erstes Schubelement / erste Schubstange

10 zweites Schubelement / zweite Schubstange

11 Kurbel an erstem bzw. zweitem Schwenkkörper

1 Kurbel an Antriebs- bzw. Abtriebswelle

12 Sensoren

13 Steuereinheit

20 Drehgeschwindigkeit des ersten Schwenkkörpers 5

21 Drehgeschwindigkeit des zweiten Schwenkkörpersö

23 Drehgeschwindigkeit des Schwungrades 4

A Achse des Getriebes

Bl, B2 Wellenachse von Antriebs- resp. Abtriebswelle

Cl, C2, C3, C4 Drehachse einer Kurbel

LI, L2, L3, L4 Kurbellänge einer Kurbel, exzentrischer Versatz

(a) Kopplung des ersten Schwenkkörpers mit dem Schwungrad (b) Entkopplung des Schwungrades, Freilauf

(c) Kopplung des Schwungrad mit dem zweiten Schwenkkörper

(d) Entkopplung des Schwungrades, Freilauf