DE10319252A1

DE10319252A1 - Stufenlos leistungsverzweigtes Getriebe

Info

Publication number: DE10319252A1
Application number: DE2003119252
Authority: DE
Inventors: Nils Fredriksen
Original assignee: Claas Industrietechnik GmbH
Current assignee: Claas Industrietechnik GmbH
Priority date: 2003-04-28
Filing date: 2003-04-28
Publication date: 2004-11-18

Abstract

Ein stufenlos leistungsverzweigtes Getriebe (10) umfasst ein dreiwelliges Ausgleichsgetriebe (1), von dem eine erste Welle (3) eine Antriebswelle (6) des Getriebes bildet, einen stufenlos verstellbaren zweiwelligen Drehmomentwandler (2), von dessen zwei Wellen (17, 18) eine mit der zweiten Welle des Ausgleichsgetriebes (1) und die andere mit der dritten Welle des Ausgleichsgetriebes (1) in Wirkverbindung steht, wenigstens eine erste schaltbare Fahrbereichskupplung (K1, K2) und eine Abtriebswelle (16). Durch die wenigstens eine erste Fahrbereichskupplung (K1, K2) ist die Abtriebswelle (16) wahlweise mit der zweiten oder der dritten Welle des Ausgleichsgetriebes (1) verbindbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein leistungsverzweigtes Getriebe mit stufenlos verstellbarem Übersetzungsverhältnis für die Anwendung in Fahrzeugen, insbesondere für landwirtschaftliche Traktoren und andere Nutzfahrzeuge.
Um den hohen Anforderungen an Drehzahl- und Drehmomentwandlung dieser Getriebe gerecht zu werden, sind eine Reihe von Getriebelösungen bekannt geworden, wie z.B. ZF-ECCOM, STEYR-s-matic und CLAAS HM-8, bei denen dem stufenlosen Teil des Getriebes mehrere schaltbare Fahrbereichsstufen nachgeschaltet sind, wobei jede Fahrbereichsstufe in sich einen stufenlosen Einzelverstellbereich bildet und der Gesamtverstellbereich sich durch das nahtlose Aneinanderreihen der Einzelverstellbereiche ergibt. So weisen die oben genannten Getriebelösungen vier bis sieben Einzelverstellbereiche für eine Fahrtrichtung auf.
Mit diesen Getriebelösungen können zwar die Forderungen an Drehzahl- und Drehmomentwandlung erfüllt werden, sie werden jedoch neben hohem Aufwand für Mechanik, Steuerung und Entwicklung durch eine Reihe von Nachteilen bei Funktion und Zuverlässigkeit erkauft, wie z.B.:

– mangelhaftes Beschleunigungsvermögen und unstetiger Beschleunigungsverlauf im untersten Geschwindigkeitsbereich wegen vieler Schaltvorgänge,
– unkomfortables Fahrverhalten,
– Schaltpendeln (ständiges Schalten zwischen zwei Fahrbereichen),
– schaltungsbedingter Verschleiß,
– schaltungsbedingtes Fehlfunktionspotential.

Andererseits ist durch das „Fendt-Vario"-Getriebe, wie z.B. in „Profi Magazin für Agrartechnik", Nr. 11/95, Seiten 22 bis 25 beschrieben, ein stufenlos verstellbares Getriebe bekannt geworden, dessen Übersetzungsverhältnis in einem einzigen kontinuierlichen Verstellbereich zwischen einem Minimum und einem Maximum verstellbar ist. Ein mit diesem Getriebe ausgestattetes Fahrzeug wie etwa ein Traktor kann in diesem ersten Verstellbereich aus dem Stand bis zu seiner Höchstgeschwindigkeit beschleunigt werden. Die Eigenschaften des Getriebes bei großen Übersetzungsverhältnissen und hohen Drehmomenten, die auftreten, wenn z.B. der Schlepper zur Bodenbearbeitung eingesetzt wird, sind offenbar nicht vollauf befriedigend, weswegen mit Hilfe eines dem stufenlosen Getriebe nachgeordneten Schaltgetriebes ein zweiter Verstellbereich realisiert wird, der sich von dem Minimum bis zu einem mittleren Übersetzungsverhältnis erstreckt.
11 zeigt eine schematische Darstellung dieses Getriebes. Eine Antriebswelle 6 ist drehfest an den Planetenträger 3 eines Planetengetriebes 1 gekoppelt, dessen Hohlrad 5 über eine Zahnradstufe eine Axialkolbenpumpe 2a antreibt. Von der Axialkolbenpumpe 2a umgewälztes Hydrauliköl treibt zwei Hydromotoren 2b, 2c, die, zusammen mit dem Sonnenrad 4 des Planetengetriebes 1 über Zahnräder 44, 45, eine Summationswelle 46 antreiben. Die Summationswelle 46 trägt Zahnräder 45, 47, die mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen Zahnräder 48, 49 auf einer Abtriebswelle 16 antreiben. Die zwei Zahnräder 48, 49 sind wahlweise an die Abtriebswelle 16 koppelbar. Sie entsprechen unterschiedlichen Fahrgeschwindigkeitsbereichen, die jeweils von Null bis zu einer Höchstgeschwindigkeit bzw. bis zu einer mittleren Geschwindigkeit reichen.
Es gibt somit einen „langsamen" Fahrbereich, in dem mit hoher Zugkraft aus dem Stand angefahren werden kann, doch sind in diesem Fahrbereich allenfalls mittlere Geschwindigkeiten zu erreichen, wohingegen in dem anderen „schnellen" Fahrbereich zwar die Höchstgeschwindigkeit zu erreichen ist, dafür aber weniger Zugkraft zur Verfügung steht.
Durch diese Lösung werden zwar die Nachteile der eingangs beschriebenen Mehrbereichsgetriebe zum größten Teil vermieden, jedoch entstehen andere schwerwiegende Nachteile.
Für einen Wechsel zwischen diesen beiden Fahrbereichen ist es erforderlich, dass die Drehzahlen der Zahnräder 48, 49 gleich oder doch wenigstens weitgehend gleich sind. Diese Anforderung ist bei dem Getriebe der 11 nur erfüllbar, wenn die Drehzahl der Abtriebswelle 16 Null oder nahezu Null ist. Ein Wechsel zwischen den Fahrbereichen bei laufendem Fahrzeug ist folglich nicht möglich; das Fahrzeug muss zur Durchführung eines Fahrbereichswechsels angehalten werden. Dies stellt bei der praktischen Nutzung eines mit einem solchen Getriebe ausgestatteten Fahrzeugs einen erheblichen Nachteil dar.
Zum anderen ergibt sich aus der konzeptionell bedingten Fahrbereichsschaltung auslegungsmäßig ein deutlicher Nachteil, der sich in Aufwand und Kosten niederschlägt. Durch die große Geschwindigkeitsüberlappung der beiden Fahrbereiche vom Stillstand bis ca. mittleren Geschwindigkeiten, muss für die Übertragung einer bestimmten Leistung die stufenlose Verstelleinrichtung des Getriebes deutlich größer ausgelegt werden, als wenn die Einzelfahrbereiche wie bei den eingangs beschriebenen Mehrbereichsgetrieben nahtlos aneinander gereiht wären. Diese größere stufenlose Verstelleinrichtung verursacht höhere Kosten und beansprucht ein größeres Bauvolumen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein stufenloses Getriebe mit Leistungsverzweigung zu schaffen, das ohne störende Schaltvorgänge in der Lage ist, einen großen Fahrgeschwindigkeitsbereich abzudecken und dabei einen kontinuierlichen Übergang ohne die Notwendigkeit des Anhaltens zwischen dem Betrieb bei niedriger Fahrgeschwindigkeit und mit hoher Zugkraft einerseits und mit hoher Fahrgeschwindigkeit und reduzierter Zugkraft andererseits ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Getriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Während bei dem herkömmlichen Getriebe der 11 es in dessen beiden Fahrbereichen immer nur eine Welle des Planetengetriebes ist, die – mit je nach Fahrbereich unterschiedlichem Übersetzungsverhältnis – an die Abtriebswelle gekoppelt ist, so sind bei dem erfindungsgemäßen Getriebe zwei Fahrbereiche dadurch definiert, dass in ihnen jeweils unterschiedliche Wellen des Ausgleichsgetriebes an die Abtriebswelle gekoppelt sind. Ein kontinuierlicher Übergang zwischen den zwei Fahrbereichen ist bei dem erfindungsgemäßen Getriebe möglich, wenn die Drehzahlen der zweiten und der dritten Welle des Ausgleichsgetriebes so sind, dass sie – unter Berücksichtigung eventueller zwischengeschalteter Zahnradstufen bzw. ihrer Übersetzungsverhältnisse – die Abtriebswelle mit gleicher Drehzahl antreiben. Diese Bedingung ist bei nicht verschwindenden Drehzahlen erfüllbar, d.h. sie ermöglicht einen Wechsel zwischen den Fahrbereichen, ohne dass das Fahrzeug angehalten werden muss. Das erfindungsgemäße Getriebe erlaubt es somit, mit nur einem Schaltvorgang den gesamten Fahrgeschwindigkeits bereich in einem Zuge zu durchfahren, ohne dass zum Wechseln des Fahrbereiches das Fahrzeug angehalten werden muss.
Die Übersetzungsverhältnisse in dem Getriebe sind vorzugsweise so gewählt, dass eine Drehzahl der Abtriebswelle, bei der der kontinuierliche Übergang vom ersten zum zweiten Fahrbereich möglich ist, zwischen 25 und 50 % der maximalen Drehzahl der Abtriebswelle, vorzugsweise ca. ein Drittel dieser Drehzahl, bei gegebener Antriebsdrehzahl beträgt. D.h., ein mit dem erfindungsgemäßen Getriebe ausgestattetes Fahrzeug kann aus dem Stand bis auf 25 bis 50 % der mit einer gegebenen Antriebsdrehzahl erreichbaren Maximalgeschwindigkeit beschleunigen, ohne dass die Kupplung geschaltet wird, und die Spitzengeschwindigkeit ist nach nur einmaligem Schalten zu erreichen. Schaltpendeln wird so weitgehend vermieden.
Da die den verschiedenen Kupplungszuständen entsprechenden Wandlungsbereiche nicht wie bei der Schaltung der 11 überlappen, sondern nahtlos ineinander übergehen, ist in den einzelnen Fahrbereichen das Verhältnis von maximalem zu minimalem praktisch genutztem Übersetzungsverhältnis kleiner als bei der Schaltung der 11. Dadurch ist es möglich, bei der konkreten Getriebeauslegung für eine definierte Leistung das erfindungsgemäße Getriebe kleiner und kompakter und damit auch leichter und preiswerter zu bauen als bei der herkömmlichen Lösung. Insbesondere kann das stufenlose Verstellgetriebe kleiner ausgelegt werden.
Einer ersten Ausgestaltung zufolge sind es die zwei abtriebsseitigen Wellen des Ausgleichsgetriebes, die jeweils mit einer Welle des Drehmomentwandlers wirkverbunden sind, mit anderen Worten, zwischen die der Drehmomentwandler „geschaltet" ist. Alternativ kann aber auch eine Welle des Drehmomentwandlers mit der antriebsseitigen ersten Welle des Ausgleichsgetriebes und die andere mit dessen zweiter oder dritter Welle wirkverbunden sein.
Des weiteren gibt es eine Konstruktionsvariante des Getriebes, bei der wenigstens eine der Wellen des Drehmomentwandlers über die zweite oder dritte Welle des Ausgleichsgetriebes, im Allgemeinen mit Hilfe von auf diesen Wellen montierten Zahnrädern, mit einem Kupplungsteil einer der zwei ersten Fahrbereichskupplungen wirkverbunden ist, d.h. in gewissem Sinne das Ausgleichsgetriebe „zwischen" Drehmomentwandler nach Abtriebswelle angeordnet ist, sowie eine dazu komplementäre Konstruktionsvariante, bei der die zweite und/oder die dritte Welle des Ausgleichsgetriebes mit einem der besagten Kupplungsteile über eine der Wellen des Drehmomentwandlers wirkverbunden ist, d.h. der Drehmomentwandler sich zwischen Ausgleichsgetriebe und Abtriebswelle befindet.
Einer bevorzugten Ausgestaltung zufolge ist als Ausgleichsgetriebe ein Planetengetriebe vorgesehen. Grundsätzlich wäre auch ein „Harmonic-Drive"-Getriebe als Ausgleichsgetriebe denkbar, doch ist die hohe Übersetzung derartiger Getriebe bei dem erfindungsgemäßen Getriebe nicht zweckmäßig.
Bei einem Planetengetriebe als Ausgleichsgetriebe ist vorzugsweise die erste Welle dieses Planetengetriebes, d.h. die Antriebswelle des leistungsverzweigten Getriebes, mit einem Planetenträger drehfest verbunden. D.h., die abtriebsseitigen Wellen des Planetengetriebes sind mit dessen Hohlrad oder dessen Sonnenrad drehfest verbunden.
Als Drehmomentwandler kommen hydrostatische, hydrodynamische oder elektrische Maschinen in Betracht, von denen jeweils wenigstens eine als Motor und eine andere als Pumpe oder Generator arbeitet.
Bevorzugt aufgrund guten Wirkungsgrades und großer Wandlungsbereiche sind hydrostatische und elektrische Maschinen.
Bei Verwendung von hydrostatischen Maschinen ist wenigstens eine dieser Maschinen, vorzugsweise beide, volumenverstellbar.
Wenn beide hydrostatischen Maschinen volumenverstellbar sind, wird im Allgemeinen zum kontinuierlichen Variieren der Übersetzung des von diesen Maschinen gebildeten Drehmomentwandlers eine festgelegte Folge von Volumeneinstellungen der zwei Maschinen durchlaufen. Beim erfindungsgemäßen Getriebe wird eine solche festgelegte Folge in einer ersten Richtung durchlaufen, während die Abtriebswelle an eine unter der zweiten und der dritten Welle des Ausgleichsgetriebes ausgewählte Welle gekuppelt ist, und nach dem Kuppeln der Abtriebswelle an die jeweils andere Welle des Ausgleichsgetriebes wird die Folge von Volumeneinstellungen in entgegengesetzter Richtung durchlaufen.
Wenn die zweite Welle des Ausgleichsgetriebes diejenige ist, die in dem langsameren der zwei Fahrbereiche des Getriebes an die Abtriebswelle gekuppelt ist, und die dritte Welle in dem schnelleren Fahrbereich an die Abtriebswelle gekuppelt ist, so wird von den zwei Wellen des Drehmomentwandlers im Allgemeinen die mit der zweiten Welle des Ausgleichsgetriebes wirkverbundene den höheren Drehmomenten ausgesetzt sein. Es kann daher sinnvoll sein, an dieser Welle zwei Maschinen des Drehmomentwandlers parallel anzuordnen.
Die zwei ersten, separat schaltenden Fahrbereichskupplungen des erfindungsgemäßen Getriebes sind vorzugsweise zu einer Doppelkupplung zusammengefasst, von denen eine zum Kuppeln der zweiten Welle des Ausgleichsgetriebes und die andere zum Kuppeln der dritten Welle des Ausgleichsgetriebes an die Abtriebswelle dient.
Einer weiterentwickelten Ausgestaltung zufolge ist ferner eine Rückwärts-Fahrbereichskupplung vorgesehen, die es erlaubt, die Abtriebswelle mit einem anderen Drehsinn an die zweite Welle des Ausgleichsgetriebes zu kuppeln, als die erste Fahrbereichskupplung dies tut.
Bei einer Ausgestaltung mit wenigstens zwei Fahrbereichskupplungen ist es außerdem sinnvoll, wenn diese unabhängig voneinander schließbar sind. Wenn es die zwei ersten Fahrbereichskupplungen sind, die unabhängig voneinander schließbar sind, so wird beim Umschalten zwischen zwei Fahrbereichen durch das Schließen einer der zwei ersten Fahrbereichskupplungen vor dem Öffnen der jeweils anderen jede Unterbrechung der Drehmomentübertragung im Getriebe vermieden. Die gleichzeitige Schließung der Rückwärts-Fahrbereichskupplung und einer der ersten Fahrbereichskupplungen gewährleistet durch mechanische Selbstblockade des Getriebes einen exakten Stillstand des Fahrzeugs, auch in Hanglagen. Ohne eine solche Maßnahme könnte sich, insbesondere bei Verwendung eines hydrostatischen Drehmomentwandlers in Hanglagen eine Kriechbewegung des Fahrzeugs aufgrund von Leckage des Drehmomentwandlers einstellen.
Als Fahrbereichskupplungen kommen zum einen durch Kraftschluss wirkende Kupplungen wie etwa Lamellenkupplungen in Betracht, die in großen Stückzahlen gefertigt und daher preiswert verfügbar sind. Da der Fahrbereichswechsel bei synchroner Drehzahl stattfindet, kommen aber auch durch Formschluss wirkende Kupplungen wie etwa Zahnkupplungen in Betracht, die sich durch einen im Vergleich zu Lamellenkupplungen höheren Wirkungsgrad auszeichnen und außerdem kompakter bauen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Grundform des erfindungsgemäßen Getriebes;
2 eine erste Abwandlung des Getriebes aus 1;
3 eine bevorzugte Ausführungsform des Getriebes aus 1;
4 Einstellungen der hydrostatischen Maschinen, Drehzahlen des Planetengetriebes und Stellungen von Fahrbereichskupplungen des Getriebes aus 3 in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit;
5 eine weitere Abwandlung des Getriebes aus 1;
6 eine erste Weiterentwicklung des Getriebes aus 3;
7 eine zweite Weiterentwicklung des Getriebes aus 3;
8 eine dritte Weiterentwicklung des Getriebes aus 3;
9 und 10 jeweils eine Abwandlung der Grundform des Getriebes; und
11, bereits diskutiert, ein herkömmliches stufenlos leistungsverzweigtes Getriebe.
Eine Grundform eines erfindungsgemäßen leistungsverzweigten Getriebes 10 wird mit Bezug auf 1 erläutert.
In dieser Figur ist ein dreiwelliges Ausgleichsgetriebe mit 1 und ein zweiwelliger Drehmomentwandler mit 2 gekennzeichnet. Die drei Wellen des Ausgleichsgetriebes sind mit 3, 4, und 5 bezeichnet. Eine erste Welle 3 des Ausgleichsgetriebes bildet eine feste Verbindung mit der Antriebswelle 6 des leistungsverzweigten Getriebes 10, während die Welle 4 des Ausgleichsgetriebes über Zahnräder 7 und 8 mit einer ersten Welle 17 des Drehmomentwandlers 2 bzw. einer an dieser Welle 17 angreifenden ersten Maschine H2 des Drehmomentwandlers 2 und außerdem noch, ebenfalls über das Zahnrad 7, mit einem um eine Abtriebswelle 16 des Getriebes drehbaren Zahnrad 9 in Verbindung steht. Die dritte Welle 5 des Ausgleichsgetriebes 1 ist fest mit einem Zahnrad 11 verbunden, das zum einen mit einem Zahnrad 12 auf der zweiten Welle 18 des Drehmomentwandlers 2, an der eine zweite Maschine H1 des Drehmomentwandlers angreift, und zum anderen mit einem zweiten um die Abtriebswelle 16 drehbaren Zahnrad 13 kämmt. Die Zahnräder 9 und 13 sind jeweils drehfest mit antriebsseitigen Lamellen von zwei ersten Fahrbereichskupplungen K1 und K2 verbunden. Die abtriebsseitigen Lamellen 14, 15 dieser Fahrbereichskupplungen K1 und K2 sind fest mit der Abtriebswelle 16 verbunden. Durch Schließen der Fahrbereichskupplung K1 wird die zweite Welle 4 des Ausgleichsgetriebes 1 und die Maschine H2 des Drehmomentwandlers mit der Abtriebswelle 16 verbunden. In diesem Fall wirkt die Maschine H1 als Last auf die Antriebswelle 6 und versorgt die Maschine H2 mit Antriebsenergie. Wenn die Fahrbereichskupplung K2 geschlossen ist, ist die dritte Welle 5 des Ausgleichsgetriebes und die Maschine H1 mit der Abtriebswelle 16 verbunden, und die Maschine H2 wirkt als Last auf die Eingangswelle, die die als Motor arbeitende Maschine H1 mit Energie versorgt.
Wenn ein Planetengetriebe als Ausgleichsgetriebe 1 verwendet wird, gibt es theoretisch sechs verschiedene Möglichkeiten, die oben erwähnte erste, zweite und dritte Welle mit Sonnenrad-, Planetenträger- und Hohlradwelle des Planetengetriebes gleichzusetzen. Je nachdem, wie diese Gleichsetzung getroffen wird, können zur Erzielung eines gewünschten Verstellbereichs der Geschwindigkeit an der Abtriebswelle 16 unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse zwischen den diversen Zahnrädern 7–9, 11–13 oder auch unterschiedliche Anordnungen von Antriebswelle 6 und Planetengetriebe 1, Drehmomentwandler 2 und Abtriebswelle 16 zueinander erforderlich sein.
Während bei der Ausgestaltung der 1 die mit der zweiten bzw. dritten Welle 4, 5 des Ausgleichsgetriebes 1 fest verbundenen Zahnräder 7, 11 als Zwischenräder fungieren, die gleichzeitig mit den Zahnrädern 8, 12 an den Wellen 17, 18 des Drehmomentwandlers 2 und mit den um die Abtriebswelle 16 drehbaren Zahnrädern 9, 13 kämmen, zeigt 2 eine Konfiguration, wo die Zahnräder 8, 12 des Drehmomentwandlers 2 als Zwischenräder angeordnet sind.
Zwischenlösungen zwischen den in 1 und 2 gezeigten Varianten, bei denen jeweils die Zahnräder 8 und 11 oder 7 und 12 als Zwischenräder angeordnet sind, oder eine Anordnung mit den Zahnrädern 9 und 13 als Zwischenräder können ebenfalls vorteilhaft sein.
3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Getriebes. Das Ausgleichsgetriebe 1 ist hier als Planetengetriebe dargestellt, und die mit der Antriebswelle 6 verbundene erste Welle 3 des Planetengetriebes 1 ist mit dessen Planetenträger fest verbunden, während die zweite Welle 4 mit dem Sonnenrad und die dritte Welle 5 mit dem Hohlrad zusammenhängt. Der Einfachheit halber wird in der folgenden Beschreibung zwischen dem Planetenträger, Sonnenrad, Hohlrad und den jeweils mit ihnen zusammenhängenden Wellen nicht unterschieden und die Bezugszeichen 3, 4, 5 jeweils für beides verwendet. Die Anordnung des Drehmomentwandlers 2, mit jeweils nur mit den Zahnrädern 7, 11 kämmenden Zahnrädern 8, 12, ist die gleiche wie im Falle der 1. Der Drehmomentwandler 2 ist hier vorzugsweise durch zwei in einem Hydraulikkreis verbundene hydrostatische Maschinen H1 und H2 gebildet, wobei mindestens eine, vorzugsweise beide Maschinen H1 und H2 volumenverstellbar sein können, d.h. einen einstellbaren Durchsatz an Hydraulikfluid pro Umdrehung aufweisen.
Die hydrostatischen Maschinen H1, H2 können insbesondere in Schrägachsen- oder in Schrägscheibenbauweise ausgeführt sein.
Die Fahrbereichskupplungen K1 und K2 sind hier in vorteilhafter Weise als formschlüssige Zahnkupplungen in Doppelkupplungsbauweise ausgebildet. Jede Kupplung K1, K2 umfasst ein auf der Abtriebswelle 16 festes Kupplungsteil 19, das beiden Kupplungen K1, K2 gemeinsam ist, ein über eine zur Abtriebswelle 16 koaxiale Hohlwelle 20 bzw. 21 mit dem Zahnrad 9 bzw. 13 fest verbundenes Kupplungsteil 22 bzw. 23 sowie Schaltmuffen 24 bzw. 25, die unabhängig voneinander mit den Kupplungsteilen 22 und 19 bzw. den Kupplungsteilen 23 und 19 in Eingriff bringbar sind, um diese starr aneinander zu koppeln.
Bezogen auf das Getriebe der 3 zeigt 4 erstens die Verstellung der hydrostatischen Maschinen H1, H2 des Drehmomentwandlers 2, zweitens die Drehzahlen der Hohlwellen 20, 21 die, jeweils um die Übersetzungsverhältnisse i1, i2 der Zahnradpaare 7, 9 und 11, 13 korrigiert, den Drehzahlen von Sonnenrad 4 bzw. Hohlrad 5 des Planetengetriebes entsprechen, und drittens die Stellungen der Fahrbereichskupplungen K1 und K2. Im Fahrzeugstillstand ist die Maschine H1 in der Neutralstellung mit Durchsatz 0, während die Maschine H2 voll ausgeschwenkt ist. Somit dreht das Zahnrad 12 leer, während das Zahnrad 8 blockiert ist. Da die Fahrbereichskupplung K1 geschlossen ist, steht auch das Sonnenrad 4 still, während das Hohlrad 5 und somit auch die Maschine H1 proportional zur Drehzahl der Antriebswelle 6 rotieren.
Für Vorwärtsfahrt wird in einer ersten Phase die Verstelleinheit H1 aus- und bis zu ihrer Maximalstellung weitergeschwenkt, während die Maschine H2 voll ausgeschwenkt bleibt, und in einer zweiten Phase, wenn die Maschine H1 ihre maximale Ausschwenkung erreicht hat, wird die Maschine H2 allmählich eingeschwenkt. In diesen beiden Verstellphasen nimmt die Sonnenraddrehzahl zu und die Hohlraddrehzahl ab. Das Sonnenrad 4 ist über die geschlossene Kupplung K1 mit der Abtriebswelle 16 verbunden, so dass mit der Sonnenraddrehzahl auch die Fahrgeschwindigkeit steigt. Je nach Übersetzungswahl in den Zahnradstufen 7, 8, 7, 9, 11, 12 und 11, 13 wird nach einer gewissen Zurückschwenkung der Maschine H2 an der Fahrbereichskupplung K2 Synchrondrehzahl zwischen der Abtriebswelle 16 und der Hohlwelle 21 erreicht. Bei der Synchrondrehzahl erfolgt ohne Zugkraftunterbrechung eine Umschaltung des Fahrbereichs, indem zuerst die Kupplung K2 geschlossen und anschließend die Kupplung K1 geöffnet wird.
Bei geschlossener Kupplung K2 werden die Verstellungen der Maschinen H2, H1 „rückgängig" gemacht, d.h. die vom Anfahren bis zum Zeitpunkt der Kupplungsumschaltung durchlaufenen Einstellungen werden in umgekehrter Reihenfolge durchlaufen. D.h. zunächst wird die Maschine H2 ausgeschwenkt, bis beide Maschinen ihre Maximalstellung annehmen, danach wird die Maschine H1 zurückgeschwenkt, über die Neutralstellung hinweg bis zur entgegengesetzten Maximalstellung, und anschließend wird die Maschine H2 in die Neutralstellung zurückgeschwenkt. Während dieser drei Verstellphasen nimmt die Drehzahl des Sonnenrades 4 wieder ab, bleibt stehen und beginnt danach, in die entgegengesetzte Richtung wieder schneller zu drehen. Das Hohlrad 5, das jetzt über die geschlossene Fahrbereichskupplung K2 mit der Abtriebswelle 16 verbunden ist, wird ab dem Fahrbereichswechsel ständig schneller, wodurch die Fahrgeschwindigkeit laufend steigt.
Die Richtung der Leistungsübertragung im Drehmomentwandler 2 kehrt sich bei Umschaltung zwischen den Fahrbereichen um: Während im langsamen Fahrbereich, in dem die Kupplung K1 geschlossen ist, die Maschine H1 als Pumpe und H2 als Motor arbeitet, sind die Verhältnisse im zweiten, schnellen Fahrbereich umgekehrt.
Für die Rückwärtsfahrt wird aus dem Fahrzeugstillstand heraus bei geschlossener Fahrbereichskupplung K1 die Maschine H1 in die entgegengesetzte Richtung aus und bis zu ihrer Maximalstellung weitergeschwenkt, wonach die Maschine H2 eingeschwenkt wird. Genau wie bei der Vorwärtsfahrt wird auch bei diesen beiden Verstellvorgängen das Sonnenrad 4 und damit auch die Abtriebswelle 16 schneller, jedoch in entgegengesetzter Drehrichtung. Die Fahrgeschwindigkeit nimmt in Rückwärtsfahrtrichtung zu.
Bei geringen Geschwindigkeiten, im ersten Fahrbereich vorwärts wie rückwärts, können an der zweiten Maschine H2 hohe Drehmornente auftreten. Diese machen eine entsprechend kräftige Auslegung der zweiten Maschine H2 erforderlich; alternativ ist es möglich, an Stelle der in der Fig. gezeigten einzelnen zweiten Maschine H2, zwei von der ersten Maschine H1 angetriebene zweite Maschinen parallel an der Welle 17 anzuordnen.
5 zeigt eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Getriebes. Diese Ausgestaltung unterscheidet sich von der der 3 dadurch, dass die hydrostatischen Maschinen H1, H2 durch elektrische Maschinen E1, E2 und eine Umrichterschaltung ersetzt ist. Je nachdem, welche der zwei Kupplungen K1, K2 geschlossen ist, arbeitet entweder die Maschine E1 als Generator und die Maschine E2 als Motor oder umgekehrt. Ein von der als Generator betriebenen Maschine gelieferter mehrphasiger Wechselstrom wird in der Umrichterschaltung 26 gleichgerichtet und anschließend in einen mehrphasigen Wechselstrom zum Antreiben der als Motor betriebenen Maschine umgewandelt, wobei die Frequenz dieses Antriebsstroms, die die Drehzahl des Motors festlegt, proportional zur Frequenz des vom Generator gelieferten Stroms mit einem durch ein externes Steuersignal vorgegebenen Proportionalitätsfaktor ist.
Die 6 und 7 zeigen zwei speziell für landwirtschaftliche Fahrzeuge bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. In 6 ist das Getriebe speziell an einen Standardtraktor angepasst, indem die Abtriebswelle 16 des Getriebes, das ansonsten dem Getriebe aus 3 entspricht, mit einem Kegelritzel 23 ausgestattet ist, das in an sich bekannter Weise die Hinterachse HA des Traktors antreibt. Ferner ist die Abtriebswelle 16 mit einem Zahnrad 27 ausgestattet, das über ein Zahnrad 28, eine schaltbare Kupplung 29 und eine weitere Abtriebswelle 30 treibt, die es erlaubt, ein Antriebsmoment auch auf die Vorderachse VA des Traktors zu schalten.
7 zeigt eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Getriebes, die speziell für Fahrzeuge mit einem koaxialen Antrieb der Fahrzeugachsen wie etwa landwirtschaftliche Träger- oder Knicklenkerfahrzeuge angepasst ist. Über eine zusätzliche Zahnradstufe 31, 32 wird hier eine koaxial verlaufende Abtriebswelle 33 angetrieben, die entweder ohne weitere Komponenten den Abtrieb zu den Fahrzeugachsen HA, VA gewährleistet oder, wie in 7 dargestellt, mit einem sperrbaren Längsdifferential 34 ausgestattet ist.
Eine andere Weiterentwicklung des Ausführungsbeispiels der 3 ist in 8 gezeigt. Es unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 3 dadurch, dass das an der Antriebswelle 16 feste Kupplungsteil 19 hier in zwei voneinander beabstandete Zahnräder 19a, 19b unterteilt ist, und das zwischen ihnen ein weiteres Kupplungsteil 35 über eine Hohlwelle drehbar an der Abtriebswelle 16 angebracht ist, und dass diese Hohlwelle ein weiteres Zahnrad 36 trägt. Das Zahnrad 36 kämmt mit einem Zwischenzahnrad 37, und dieses wiederum kämmt mit einem mit dem Sonnenrad 4 des Planetengetriebes 1 drehfest verbundenen Zahnrad 38. Das Zahnrad 36 rotiert somit um die Abtriebswelle 16 immer gegensinnig zu dem Zahnrad 9. Das Zahnrad 35 bildet zusammen mit einer Schaltmuffe 39 und dem an der Abtriebswelle 16 festen Kupplungsteil 19a eine dritte Fahrbereichskupplung KR für die Rückwärtsfahrt.
Das Getriebe der 8 ist besonders geeignet für Fahrzeuge, die höhere Rückwärtsfahrgeschwindigkeiten bei effizienter Leistungsübertragung erfordern, wie z.B. Traktoren mit Wendesitz und Rückwärtsfahreinrichtung oder Trac-Fahrzeuge mit einer Wendekabine.
Da bei dieser Ausgestaltung keine Blindleistungen bei der Rückwärtsfahrt auftreten, ist es nicht erforderlich, für ein gegebenes Antriebsmoment die einzelnen Komponenten des Getriebes so stark zu dimensionieren wie bei der Ausgestaltung der 3, so dass Gewicht gespart und damit Leistungsverluste im Getriebe reduziert werden können. Außerdem liegt auf der Hand, dass mit der Ausgestaltung der 8 höhere Drehzahlen der Abtriebswelle 16 im Rückwärtslauf und somit höhere Rückwärts-Fahrgeschwindigkeiten erreichbar sind, weil Drehzahlgrenzen der hydrostatischen Maschine H1 hier nicht so zum Tragen kommen wie bei der Ausgestaltung nach 3.
Ein weiterer vorteilhafter Nebeneffekt dieser Ausgestaltung ergibt sich aus der Möglichkeit, die Kupplungen K1 und KR unabhängig zu schließen. Wenn bei Fahrzeugsstillstand beide Kupplungen geschlossen sind, ist das Getriebe vollständig blockiert, so dass das Fahrzeug auch in Hanglage sicher im exakten Stillstand gehalten werden kann. Bei den Ausgestaltungen der 1 bis 3, 6 und 7 besteht das Problem, dass nicht völlig vermeidbare Leckagen der hydrostatischen Maschinen H1, H2 langsame Drehungen der Wellen 17, 18 des Drehmomentwandlers 2 gegeneinander zulassen, die zu einer Kriechbewegung des Fahrzeugs in Hanglagen führen können. Diese Gefahr ist bei der Ausgestaltung der 8 nicht gegeben, da die Blockade hier ausschließlich durch Formschluss zwischen den Kupplungsteilen 19a, 22 und 35, sowie den Zahnrädern 36, 37, 38, 7, 9 zustande kommt.
9 und 10 zeigen zwei Abwandlungen des Getriebes, die sich von den bisher betrachteten durch die Art der Verschaltung von Ausgleichsgetriebe und Drehmomentwandler unterscheiden. Während bei den Ausgestaltungen der 1 bis 4, 6 bis 8 die Wellen 17, 18 des Drehmomentwandlers 2 jeweils mit der zweiten bzw. dritten Welle 4, 5 des Ausgleichsgetriebes 1 über Zahnradpaare 7, 8 bzw. 11, 12 wirkverbunden sind, kämmt in 9 das Zahnrad 8 der Welle 17 mit einem auf der ersten Welle 3 festen Zahnrad 40, während die Wirkverbindung zwischen den Wellen 18, 5 die gleiche wie bei den zuvor betrachteten Ausgestaltungen ist, und bei der Ausgestaltung der 10 ist die Welle 18 über Zahnräder 12, 41 mit der ersten Welle 3 und die Welle 17 über Zahnräder 7, 8 mit der zweiten Welle 4 wirkverbunden. Die Arbeitsweise dieser Ausgestaltungen ist analog zu den zuvor betrachteten.

Claims

Stufenlos leistungsverzweigtes Getriebe mit einem dreiwelligen Ausgleichsgetriebe (1), von dem eine erste Welle (3) eine Antriebswelle (6) des Getriebes bildet, einem stufenlos verstellbaren zweiwelligen Drehmomentwandler (2), dessen zwei Wellen (17, 18) mit jeweils unterschiedlichen Wellen (4, 5) des Ausgleichsgetriebes (1) in Wirkverbindung stehen, zwei schaltbaren Fahrbereichskupplungen (K1, K2) und einer Abtriebswelle (16), dadurch gekennzeichnet, dass durch jeweils eine der zwei Fahrbereichskupplungen (K1, K2) die Abtriebswelle (16) wahlweise mit der zweiten oder der dritten Welle des Ausgleichsgetriebes (1) verbindbar ist.
Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung des Leistungsflusses durch den Drehmomentwandler (2) umkehrbar ist.
Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Wellen (17, 18) des Drehmomentwandlers (2) mit der zweiten bzw. der dritten Welle (4, 5) des Ausgleichsgetriebes in Wirkverbindung stehen.
Getriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass von den zwei Wellen (17, 18) des Drehmomentwandlers (2) eine mit der ersten (3) und die andere mit der zweiten oder dritten Welle (4, 5) des Ausgleichsgetriebes (1) in Wirkverbindung steht.
Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Wellen (17, 18) des Drehmomentwandlers (2) mit einem Kupplungsteil (22, 23) einer der zwei ersten Fahrbereichskupplungen (K1, K2) über die zweite oder dritte Welle (4, 5) des Ausgleichsgetriebes wirksam verbunden ist.
Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite und/oder die dritte Welle (4, 5) des Ausgleichsgetriebes (1) mit einem Kupplungsteil (22, 23) einer der zwei ersten Fahrbereichskupplungen (K1, K2) über eine der Wellen (17, 18) des Drehmomentwandlers wirkverbunden ist.
Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein an die zweite Welle (4) des Ausgleichsgetriebes (1) gekuppelter Zustand der Abtriebswelle (16) einem langsamen Fahrbereich und ein an die dritte Welle (5) des Ausgleichsgetriebes gekuppelter Zustand einem schnellen Fahrbereich entspricht, und dass eine Grenze zwischen den zwei Fahrbereichen bei einer Drehzahl der Abtriebswelle (16) von zwischen 25 und 50% ihrer maximalen Drehzahl bei gegebener Antriebsdrehzahl liegt.
Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsgetriebe (1) ein Planetengetriebe ist.
Getriebe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Welle (3) des Planetengetriebes (1) mit einem Planetenträger drehfest verbunden ist.
Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentwandler (2) wenigstens zwei hydrostatische, hydrodynamische oder elektrische Maschinen (H1, H2; E1, E2) umfasst, und dass jede der zwei Wellen (17, 18) des Drehmomentwandlers mit wenigstens einer der Maschinen (H1, H2; E1, E2) drehfest verbunden ist.
Getriebe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinen hydrostatische Maschinen (H1, H2) sind, und dass wenigstens eine der Maschinen (H1, H2) volumenverstellbar ist.
Getriebe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass beide Maschinen (H1, H2) volumenverstellbar sind, und dass zum Variieren der Übersetzung des Getriebes über dessen gesamten Übersetzungsbereich eine festgelegte Folge von Volumeneinstellungen der zwei Maschinen (H1, H2) in einer ersten Richtung durchlaufen wird, während die Abtriebswelle (16) an eine unter zweiter und dritter Welle (4, 5) des Ausgleichsgetriebes (4) ausgewählte Welle gekuppelt ist, und dann nach Kuppeln der Abtriebswelle (16) an die jeweils andere Welle (5) des Ausgleichsgetriebes die Folge der Volumeneinstellungen in entgegengesetzter Richtung durchlaufen wird.
Getriebe nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein an die zweite Welle (4) des Ausgleichsgetriebes (1) gekuppelter Zustand der Abtriebswelle (16) einem langsamen Fahrbereich und ein an die dritte Welle (5) des Ausgleichsgetriebes gekuppelter Zustand einem schnellen Fahrbereich entspricht, und dass an der mit der zweiten Welle (4) des Ausgleichsgetriebes (1) wirkverbundenen Welle (17) des Drehmomentwandlers (2) wenigstens zwei Maschinen drehfest angeschlossen sind.
Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner eine Rückwärts-Fahrbereichskupplung (KR) aufweist, die es erlaubt, die Abtriebswelle (16) mit einem anderen Drehsinn an die zweite Welle (4) des Ausgleichsgetriebes (1) zu kuppeln als die ersten Fahrbereichskupplungen (K1, K2).
Getriebe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine der ersten Fahrbereichskupplungen (K1) und die Rückwärtsfahrbereichskupplung (KR) jeweils mit der gleichen Welle (4) des Ausgleichsgetriebes wirkverbundene Kupplungsteile (22, 35) aufweisen, und dass eine Getriebesteuerung in der Lage ist, bei Stillstand der Abtriebswelle (16) diese zwei Fahrbereichskupplungen (K1, KR) zu schließen.
Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Fahrbereichskupplungen (K1, K2; K1, KR) unabhängig voneinander schließbar sind.
Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Fahrbereichskupplungen (K1, K2) eine durch Kraftschluss wirkende Kupplung ist.
Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine der Fahrbereichskupplungen (K1, K2, KR) eine durch Formschluss wirkende Kupplung ist.
Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine über eine Kupplung (29) zuschaltbare zusätzliche Abtriebswelle (30) aufweist.
Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebswelle (16) über ein sperrbares Längsdifferential (34) mit koaxial verlaufenden zusätzlichen Abtriebswellen (33) wirkverbunden ist.