Computergesteuertes Getriebe mit über 100 Gängen hat die Größe eines DIN-A-4-Blattes

Zwei Zahnradkammern klug gekuppelt

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Getriebe im Automobilbau haben eine natürliche „Grenze“, so wie sie heute konstruiert sind. Bei maximal acht bis zehn Gängen ist baubedingt Schluss. Sie wären ansonsten zu breit und zu schwer, um in Autos verbaut zu werden. Das im folgenden vorgestellte computergesteuerte Getriebe kann theoretisch mehr als 100 Gänge haben und hat etwa die Größe eines DIN-A-4-Blattes. Durch Einreichen einer Patentanmeldung ist die Erfindung bereits rechtlich gesichert.

Der Autor Toma Macavei ist freier Erfinder bei der Maclions UG in Saarbrücken

Das freie-insichkehrende-niedersenkte-Nebenwelle-Getriebe, kurz Finn-Getriebe genannt, wurde als neue Methode entwickelt, um günstig Gänge nach Bedarf zu wählen. Zum Erzielen eines für Kraftfahrzeuge günstigen Gesamtübersetzungsbereiches und eines guten Wirkungsgrades weist das Getriebe mehrere Vorwärts- wie auch Rückwärtsgänge auf. Das Finn-Getriebe bringt auch einen erheblichen Bauraumvorteil durch die in das Ritzel integrierte Synchronisationsmechanik.
Herkömmliche Getriebe: Mehr Gänge bedeuten höheren Platzbedarf und größeres Gewicht
Derzeit werden mehrere Methoden für verschiedene Getriebearten verwendet. Bei den üblichen Getrieben erfolgt die Gangübersetzung durch mehrere Zahnräder mit unterschiedlicher Größe, die miteinander durch verschiedene Umstellungen verschiedene Verhältnisse produzieren (günstig für die Anfahrt bis zur normalen Dauerfahrt). Je mehr Platz zur Verfügung steht, desto mehr Verhältnismöglichkeiten können aufgebaut werden. In der Regel sind es fünf oder sechs bis hin zu neun oder zehn feste Verhältnisse.
Um weitere Verhältnisse zu bauen, wird – je nach deren Anzahl – Platz benötigt, linear nach Verhältnis (für einen zusätzlichen Gang wird die gesamte Konstruktion n cm größer und für zwei zusätzliche Gänge entsprechend 2 x n cm größer usw.). Damit wird versucht, günstige Übersetzungen für den Anfahrtsgang, die Kraftgänge und die Haltgänge zu produzieren. Problematisch an dieser Art der Lösung ist, dass die Verhältnisse entweder für den Fahrkomfort oder den optimalen Verbrauch nicht ausreichend sind, und je mehr Gänge gebaut werden, desto mehr Platz und Gewicht werden benötigt.
Eine andere Methode ist die Anwendung von vier verschiebbaren Kegeln, die durch Bewegung befestigter/gekoppelter Keilriemen viele verschiedene Verhältnisse produzieren können. Bei diesem so genannten stufenlosen Getriebe ist der Gesamtübersetzungsbereich von der Breite des Keilriemens abhängig. Die Konstruktion ist aufwendig und die Haltekräfte der Kegel belasten das komplette Ensemble. Generell werden die Getriebeeinheiten mit Zahnrädern betrieben, die je nach Durchmesser und unabhängig von der Achsenfunktion, Übersetzungsverhältnisse generieren. Die Achsen haben nur eine passive Übertragungsfunktion. Jeder Fahrzeugtyp mit herkömmlichem Getriebe wird aufgrund mehrerer Faktoren mit unterschiedlichen Getriebearten gefertigt.
Je nach Ausstattung, Motorgröße, Ladekapazität, Gewicht und Nutzung wird in der Regel ein Serienauto mit verschiedenen Getrieben ausgerüstet. Grund dafür sind die beschränkten Variationsmöglichkeiten der Getriebe.
Das Finn-Getriebe: zahlreiche feste Gangübersetzungen nach Bedarf
Mit dem Finn-Getriebe lassen sich zahlreiche feste Gangübersetzungen nach Bedarf wählen. Zum Erzielen eines für Kraftfahrzeuge günstigen Gesamtübersetzungsbereiches und eines guten Wirkungsgrades weist das Getriebe mehrere Vorwärtsgänge sowie auch Rückwärtsgänge auf. Dies wird erreicht durch den Aufbau von zwei getrennten Kammern, die mithilfe einer Achse miteinander verbunden sind.
Der Übersetzungsbereich beträgt 4,9 bis 0,5. Der dargestellte Übersetzungsbereich ist ein reines Beispiel. Ohne Aufwand kann man Übersetzungen zwischen 12 und 0,1 bauen (oder mehr). Um weitere Verhältnisse zu bauen, wird je nach deren Anzahl, Platz benötigt, geometrisch nach Verhältnis.
Eine Besonderheit der Konstruktion sind die zahlreichen Übersetzungsverhältnisse die in Größe und Gewicht deutlich kleiner als die herkömmlichen Getriebearten sind (Gangzahl/Baugröße). Die Konstruktion verfügt ebenso über die Möglichkeit einer unkomplizierten und schnellen Erweiterung. Durch die zahlreichen Übersetzungsverhältnisse wird, nach Drehzahl und idealem Drehmoment des Motors, entsprechend der gewünschten Beschleunigungsrate und Geschwindigkeit der ideale Gang durch einen Kontroller angepasst. Das Finn-Getriebe hat folgende Vorteile:
  • minimaler Raumbedarf pro nutzbarer Übersetzung laut aktuellem Stand der Technik
  • Entlastung des Motors durch konstante Drehzahl unabhängig von Geschwindigkeit
  • ideale Drehzahl angepasst an Motorangaben
  • leicht erweiterbare Konstruktion, je nach Anwenderwunsch
  • nachhaltige Leistung durch gezielte Kraftübertragung in eine oder mehrere Richtungen mit einem oder mehreren Motoren
  • einsetzbar für Elektromotoren, Benzinmotoren, Dieselmotoren und weitere Motorarten
  • einfache Herstellung des Getriebes sowie leichter Zusammenbau
  • zahlreiche Gangübersetzungen mit automatischer Schaltung
Wie funktioniert das freie-insichkehrende- niedersenkte-Nebenwelle-Getriebe?
Es handelt sich um ein automatisiertes Vorgelegegetriebe, das sich durch eine geringe Baugröße und gleichzeitig hohe Flexibilität an Spreizung und Gangzahl auszeichnet. Das Getriebe besteht aus einer ansteuerbaren Kupplung, einem Getriebesteuergerät und einem Zentralgetriebe. Das Zentralgetriebe setzt sich aus einer Antriebswelle, einer Abtriebswelle und einer Vorgelegewelle zusammen. Der Kraftfluss wird von der Antriebs- auf die Vorgelegewelle übertragen und von der Vorgelege- auf die Abtriebswelle weitergegeben. Jeweils ein Zahnradpaar überträgt zwischen Antriebs- und Vorgelegewelle und eines zwischen Vorgelege- und Abtriebswelle den Kraftfluss. Die Gesamtübersetzung wird somit immer über das Produkt von zwei Einzelübersetzungen eingestellt.
Die Gangwechsel erfolgen über eine in der Vorgelegewelle integrierte Mechanik, die über das Getriebesteuergerät angesteuert werden kann und im Folgenden beschrieben wird. Der Schaltvorgang wird über das Getriebesteuergerät gesteuert, wobei neben einer Schnittstelle zum Motor auch die Kupplung betätigt werden kann und die innere Mechanik der Vorgelegewelle angesteuert wird.
Funktionsweise der Mechanik zum Gangeinlegen und zum Gangauslegen
Die Mechanik zum Gangeinlegen sitzt in der Vorgelegewelle. Dabei ist für jedes Zahnrad der Vorgelegewelle eine separate Synchronisationsmechanik vorhanden. Diese Synchronisationsmechanik setzt sich aus einem Ritzel, einer Synchronmuffe, zwei oder mehr Sperrzylindern und einem Federmechanismus zusammen.
Die im Getriebe verbauten Ritzel besitzen je nach gewünschten Übersetzungen der Gänge verschiedene Zähnezahlen. Das Ritzel ist über eine geeignete formschlüssige Verbindung mit der Synchronmuffe verbunden. Dabei sitzt die Synchronmuffe im Inneren des Ritzels.
Die Synchronmuffe besitzt auf dem äußeren Radius eine formschlüssige Verbindung zum Ritzel. Alle Synchronmuffen des Getriebes können dadurch die gleiche Bauform haben. Dadurch wird der Aufwand für die Fertigung reduziert. Im inneren der Synchronmuffe sitzt die Mechanik zur Synchronisation, also zum Herstellen des Kraftschlusses zwischen gewünschtem Ritzel und der Innenwelle. Dabei wird der Kraftschluss über einen Sperrzylinder hergestellt, der eine formschlüssige Verbindung zwischen Ritzel und Innenwelle herstellt.
Die Sperrzylinder sind bei nicht geschalteter Synchronisation über eine Rastierung im Inneren der Innenwelle fixiert. Wird ein Gangwechsel vollzogen, wird diese Rastierung über das Getriebesteuergerät gelöst und die Sperrzylinder werden über eine Federkraft nach außen gedrückt. Die Sperrzylinder schieben sich dann in die innere Kontur der Synchronmuffe.
Die innere Kontur der Synchronmuffe ist derart, dass die Sperrzylinder in Zugrichtung gegen einen Anschlag eine formschlüssige Verbindung herstellen können. In Schubrichtung existiert dieser Anschlag nicht, die Sperrzylinder werden über eine innere Kontur nach innen gedrückt und kein Kraftschluss wird hergestellt.
Mit einer zentral in der Vorgelegewelle sitzenden Mechanik wird die formschlüssige Verbindung zwischen Zahnrad und Vorgelegewelle aufgehoben. In der Vorgelegewelle befindet sich ein Schieber, der durch eine geeignete Aktuatorik (magnetisch oder hydraulisch) gegen eine Federkraft in axialer Richtung bewegt werden kann. Dieser Schieber besitzt je Zahnrad der Vorgelegewelle eine schräge Flanke, über die die Sperrzylinder gegen eine Federkraft nach innen gezogen werden. Dabei rollen je Schräge zwei Rollen auf der Schräge ab und werden nach außen gezogen. Über eine Verbindung zwischen den Rollen und den radial gegenüberliegenden Sperrzylindern werden diese nach innen gezogen. In dieser Position werde die Sperrzylinder über eine geeignete Rastierung fixiert. Nach der Rastierung der Sperrzylinder in der inneren Position wird der Schieber über die Federkraft wieder in seine Ausgangslage zurückgeschoben.
Die Vorgelegewelle liegt achsparallel zu Antriebs- und Abtriebswelle. Im Innern der Vorgelegewelle sind die Mechanik zum Gangein- und Gangauslegen, sowie eine Innenwelle integriert. Die Synchronpakete mit Ritzel und Synchronmuffe sind mit einer geeigneten Lagerung gegeneinander und das Gehäuse abgestützt. Die Innenwelle ist im Gehäuse gelagert und überträgt den Kraftfluss vom Antrieb zum Abtrieb zwischen den zwei für die Wunschübersetzung nötigen Ritzelpaaren.
Maclions, Tel.: 0176 54594208, E-Mail: andrei@maclions.de
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