DE19860571A1 - Stufenlos kraft- und formschlüssiger Drehzahl-/Drehmomentwandler - Google Patents
Stufenlos kraft- und formschlüssiger Drehzahl-/DrehmomentwandlerInfo
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Abstract
In einem stufenlos kraft- und formschlüssigen Drehzahl-/Drehmomentwandler wird der Leistungsfluß nach einem konstruktiv vorgegebenen Verhältnis von der Antriebseite (W¶A¶) her mittels Differentialgetriebe (D¶1¶, D¶2¶) in mehrere Pfade aufgeteilt, die abtriebseitig (W¶B¶) wieder zusammengefaßt werden, wobei in einem Pfad variabel steuerbare stufenlose Getriebekomponenten integriert sind, die mit der Getriebeeingangswelle (W¶A¶) in Verbindung stehen, beim Leistungsfluß von der Antriebseite her auf diese zurückwirken und bei einsetzendem Schub Schraubräder (S¶1¶, S¶2¶) je nach Regelung des Übersetzungsverhältnisses einen Null-Durchgang verhindern.
Description
Die Erfindung betrifft ein Getriebe, das kraft- und formschlüssig stufenlos Drehzahlen und
Drehmomente insbesonders für Arbeitsmaschinen und Fahrzeuge von einer Antriebswelle auf
eine Abtriebswelle überträgt.
Nach dem Stand der Technik haben sich für Arbeitsmaschinen und Fahrzeuge zur stufenlosen
Drehzahl- und Drehmomentregelung hauptsächlich Umschlingungsgetriebe nach dem Prinzip
der verstellbaren Kegelscheiben als einigermaßen brauchbar herausgestellt, wobei die
Leistung über Riemen reibschlüssig oder über Ketten mit Reibschluß bzw. geringem
Formschluß übertragen wird. Die Übertragungsverhältnisse, besonders beim Reibschluß,
setzen den Wirkungsgrad entscheidend herab, wodurch das angestrebte Ziel, durch die
Stufenlosigkeit, insbesonders beim Antrieb von Brennkraftmaschinen, den
Kraftstoffverbrauch zu mindern, wieder zunichte gemacht wird. Die Spreizung des
Übersetzungsverhältnisses ist durch die baulichen Abmessungen der Kegelscheiben begrenzt,
so daß es nicht sinnvoll erscheint über ein Übersetzungsverhältnis von 1 : 6 hinauszugehen.
Die einigermaßen beherrschbaren Übertragungsmomente liegen zur Zeit bei 300 Nm.
Eine der fortschrittlichsten Entwicklungen auf dem Gebiet der stufenlosen Getriebe mit den
hier genannten Eigenschaften sind zur Zeit Umschlingungsgetriebe mit der Bezeichnung
"CVT-Getriebe", beschrieben in "Fahrzeug-Getriebe, Springer-Verlag unter 6.6.4".
Weiter sind stufenlose Getriebe mit hydraulischen Komponenten bekannt, die die
Antriebsleistung hydrostatisch oder hydrodynamisch übertragen, denen aber ebenfalls ein
niedriger Wirkungsgrad zugrunde liegt, der auch noch drehzahlabhängig variiert. Ein solches
Getriebe, neuester Bauart, ist für einen Schlepper in der Zeitschrift "top agrar" 1/96 S. 71
beschrieben. Ein weiterer Vorschlag findet sich in der Offenlegungsschrift DE 195 03 923 A1.
Aus der DE 42 05 260 C1 ist ein stufenloses Getriebe mit zwei Differentialgetrieben
bekannt, das das Eingangsdrehmoment in zwei Teile im bestimmten Verhältnis aufteilt, wobei
konstruktionsbedingt eine Drehrichtungsumkehr in einem Zweig vorgesehen ist und dadurch
das Übersetzungsverhältnis zwischen i = 1 : 1 und i = -1 : 1 stark eingeschränkt wird. Die
Regelung erfolgt hier durch zwei Hydropumpen und über nachgeschaltete Drosseln.
Besonders nachteilig ist hier, daß beim Auftreten wechselnder Fahrwiderstände, wie sie beim
Beschleunigen oder Verzögern entstehen, die hydraulischen Drucke an den Hydropumpen
und Drossels schlagartig verändert werden und sich ungewollt indifferente
Übersetzugsverhältnisse einstellen.
In der DE 42 20 975 A1 ist ein stufenloses Getriebe bestehend aus zwei Planetengetrieben
beschrieben, bei denen mehrere Bremsglieder die entsprechenden Stufen abbremsen müssen.
Durch die in den Stufen auftretenden Übersetzungsverhältnisse treten zum Teil an den
Bremsgliedern extrem hohe und in ihrer Größe oft schlagartig wechselnde Bremsmomente
auf, die ständig nachgeregelt werden müssen, um ein einigermaßen gleichbleibendes
Übersetzungsverhältnis zu erhalten.
In "Fahrzeuggetriebe, Springer-Verlag, Seite 161", ist ein stufenloses hydrostatisches
Getriebe mit variabel steuerbaren Hydrokomponenten in Kombination mit Zahnradgetrieben
bekannt, das Planetenraddifferentiale enthält. Die variable Spreizung der Hydrokomponenten
ist aber stark eingeengt, so daß die Gesamtübersetzung zusätzlich in drei schaltbare Stufen
unterteilt werden muß. Über die Hydrokomponenten fließt je nach Betriebszustand ein hoher
Teil der Antriebsleistung, wodurch der Gesamtwirkungsgrad erheblich verschlechtert wird.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Getriebe mit folgenden Eigenschaften zu
entwickeln:
- - stufenloser Regelbereich mit extremer Spreizung
- - verzögerungsfreie, hohe Regelgeschwindigkeit
- - im Stand schaltbar
- - definiert einstellbares Übersetzungsverhältnis, auch bei Schub
- - Beibehaltung des Übersetzungsverhältnisses auch bei Lastwechselschwankungen
- - kraft und formschlüssige Übertragung der Antriebsleistung
- - hoher Gesamtwirkungsgrad
- - leichte und kompakte Bauweise des Getriebes
- - Verwendung von bekannten und erprobten Maschinenbauelementen
- - einfache Konstruktion und kostengünstige Herstellung
- - leichtes Recycling
Um die vorgenannten Eigenschaften zu erfüllen, liegt der Erfindung der Gedanke zugrunde,
nach dem Stand der Technik bekannte Getriebekomponenten verschiedenster Bauart wie
Kegelrad-, Schneckenrad- und Planetenraddifferentiale mit variablen und steuerbaren
Getriebekomponenten so zu paaren, daß über letztere im direkten Fluß keine Antriebsleistung
geleitet wird, sondern in die Momentenabstützung integriert werden und definiert steuerbare
Widerstände aufgebaut werden, die das Übersetzungsverhältnis des Gesamtgetriebes
beeinflussen. Der Vorteil dieser Auslegung liegt darin, daß es unerheblich ist, mit welchen
Komponenten der Gesamtwiderstand dieser gewollten Widerstände zusammengesetzt wird
und welcher Art er ist. Ein schlechter Wirkungsgrad einer variabel steuerbaren Komponente
geht so in diesen Gesamtwiderstand ein. Diese Auslegung sieht die Aufteilung des
Leistungsflusses in drei Pfade vor, die abtriebseitig dann wieder vereinigt werden.
Maßgeblich dabei ist, daß sich antriebsseitig der Leistungsfluß erstmals in zwei Pfade aufteilt,
wobei vorzugsweise zwei Differentialgetriebe mit jeweils drei Wellen so geschaltet werden,
daß das eingangsseitge Differentialgetriebe mit einer Welle von der Antriebsleistung
beaufschlagt wird, die beiden restlichen Wellen mit zwei von drei Wellen des zweiten
Differentialgetriebes verbunden sind und die dritte Welle des zweiten Differentialgetriebes
den Abtrieb übernimmt. Die Verbindung jeweils der beiden Wellen zwischen dem ersten und
dem zweiten Differentialgetriebe weisen erfindungsgemäß im Leistungsfluß unterschiedliche
und konstruktiv frei wählbare Übersetzungsverhältnisse auf, wodurch sich in dem einem Pfad
eine Übersetzung ins Langsame, in dem anderen Pfad eine Übersetzung ins Schnelle ergibt.
Aus dem Pfad ins Langsame wird ein dritter Pfad abgeleitet, der sich an der Eingangswelle
des ersten Differentialgetriebes abstützt und den Leistungsfluß im Pfad ins Langsame,
ausgehend vom ersten Differentialgetriebe, durch variabel steuerbare stufenlose
Getriebekomponenten und deren innere Widerstände so beeinflußt, daß entweder die volle
Leistung, keine oder nur ein Teil darüber fließt. Die unterschiedlichen Anteile des
Leistungsflusses ins Langsame und ins Schnelle werden im zweiten Differentialgetriebe
gebündelt und an der Abtriebswelle abgeführt.
Tritt abtriebsseitig beim Anliegen einer Antriebsleistung ein Widerstand auf, etwa
hervorgerufen durch das Auftreten von Beschleunigungs- oder Fahrwiderständen, so wählt
der Leistungsfluß den Weg des geringsten Widerstandes über den Pfad ins Langsame.
Beeinflußt das Abstützmoment des dritten Pfades nicht den Leistungsdurchfluß ins
Langsame, entsteht also freier Durchgang, so fließt die Leistung beim Anstehen eines
abtriebsseitigen Widerstands über den Pfad ins Schnelle wieder zurück, es entsteht ein
Nulldurchgang. Dies kann erfindungsgemäß dadurch verhindert werden, indem in den Pfad
ins Schnelle von der Abtriebsseite her eine Rücklaufsperre oder ein Freilauf integriert wird, der
vorteilhafterweise mit einer Kupplung gegen das Gehäuse geschaltet wird, wodurch je nach
Bedingung auf Leerlauf geschaltet werden kann.
Tritt bei Arbeitsmaschinen oder Fahrzeugen Schub von der Abtriebsseite ein, so wird ein
indifferenter Schubleistungsfluß dadurch verhindert, daß in den Pfad ins Schnelle paralell zum
Zahnradgetriebe ein zusätzliches Schraubradgetriebe integriert wird, das in diesem Pfad den
Schubleistungsfluß von der Abtriebsseite her sperrt. Vorteilhafterweise greift dieses
Schraubradgetriebe nur dann ein, wenn Schub ansteht, um die Wirkungsgradverschlechterung
des Schraubradgetriebes nur auf diesen Funktionszustand zu beschränken.
Die Regelung der Übersetzung erfolgt im dritten Pfad durch steuerbare stufenlose
Getriebekomponenten bekannter mechanischer oder hydraulischer Bauart, deren Antrieb
durch eine Verzweigung aus dem Pfad ins Langsame abgeleitet wird und der Abtrieb auf die
Eingangswelle des Getriebes wirkt. Die Abtriebsleistung dieses Pfades kann durch Regelung
der Getriebekomponenten so begrenzt werden, daß eine Rückkoppelung auf das
Antriebsorgan entsteht und der Leistungsfluß im Pfad ins Langsame beeinflußt wird, wodurch
eine Umleitung, b. z. w. eine Aufteilung des Gesamtleistungsflusses in die beiden Pfade, den
Pfad ins Schnelle und den Pfad ins Langsame, hervorgerufen wird.
Vorteilhafterweise werden hydrostatische Komponenten eingesetzt, am ersten
Differentialgetriebe in den Pfad ins Langsame eingreifend eine Hydropumpe, die mit einem
regelbaren Hydromotor gekoppelt ist, der auf der Eingangswelle des ersten Differentials sitzt
und über den das Abflußvolumen gesteuert werden kann. Die Regelbarkeit des Hydromotors
berücksichtigt vollen, teilweisen und Null-Durchgang des Volumenstroms. Der
Gesamtleistungsfluß kann dadurch so gesteuert werden, daß Leistung ausgehend von der
Antriebsseite nur über den ersten Pfad, den Pfad ins Langsame, nur über den zweiten Pfad,
den Pfad ins Schnelle, oder über alle drei Pfade mit unterschiedlichen Anteilen geleitet wird.
Die Regelbarkeit des Hydromotors berücksichtigt vollen, teilweisen und Null-Durchgang des
Volumenstroms.
Alternativ können im dritten Pfad hydrodynamische Getriebekomponenten wie Wandler und
Retarder gleicher Funktion verwendet werden.
Einer der wesentlichen Vorteile dieses erfindungsgemäßen stufenlosen Getriebes ist der große
Übersetzungsbereich und die große Spreizung, die sich bei kleinsten Baumaßen ergibt.
Anhand zweier Beispiele wird dies hier aufgezeigt.
nach Fig. 1 werden für das Getriebe folgende Werte angenommen:
Die Planetenradsätze der ausgewählten Differentiale D1 und D2 haben die Standübersetzung
bei festgesetzten Hohlrädern und Antrieb von den Sonnenrädern her
D1: iSt1 = 4
D2: iSt2 = 5
D2: iSt2 = 5
wobei sich für D1 beim Antrieb von ZA her und festgesetztem Z3 ein Übersetzungsverhältnis
von
iZA/Z1 = 0,75
und von ZA her bei festgesetztem Z1
iZA/Z3 = 0,25 ergibt.
Für D2 ergeben sich folgende Übersetzungsverhältnisse:
Antrieb von Z2 her bei festgesetztem Z4
Antrieb von Z2 her bei festgesetztem Z4
iZ2/ZB = 5
Antrieb von Z4 her bei festgesetztem Z2
iZ4/ZB = 1,25
Für die Zahnräder wurden folgende Werte gewählt:
Z1 = 30 Zähne, Z2 = 60 Zähne, Z3 = 45 Zähne, Z4 = 45 Zähne
Unter Berücksichtigung obiger Werte ergibt sich nun über Pfad 1 eine Gesamtübersetzung ins
Langsame von:
iPf1 = 7, 5
über Pfad 2 eine Gesamtübersetzung ins Schnelle von:
iPf2 = 0,39
die Spreizung des Getriebes für den gesamten Übersetzungsbereich beträgt somit:
iSp = 19,23
nach Fig. 2 werden für das Getriebe folgende Werte angenommen:
für das Getriebe wurde für die beiden Differentiale D1 und D2 die Standübersetzung beim Antrieb vom Sonnenrad aus folgende Übersetzungen gewählt:
für das Getriebe wurde für die beiden Differentiale D1 und D2 die Standübersetzung beim Antrieb vom Sonnenrad aus folgende Übersetzungen gewählt:
D1: iSt1 = 4
D2: iSt2 = 4
D2: iSt2 = 4
Es ergibt sich für Pfad 1 eine Übersetzung ins Langsame über die Differentiale von D1 nach
D2, ausgehend vom Zahnrad ZA über die Planetenräder D1 und Hohlrad D1 zum Sonnenrad D2
über die Planetenräder D2 auf das Hohlrad D2, Ausgang an der Welle bei ZB von:
iPf1 = 3
Für den Pfad 2 ergibt sich eine Übersetzung ins Schnelle über die Differentiale von D1 nach
D2, ausgehend vom Zahnrad ZA über die Planetenräder D1 auf das Sonnenrad D1 hin zum
Hohlrad D2 mit Eingang auf den Planetenradsteg D2 über die Planetenräder D2 und Ausgang
auf die Welle bei ZB von:
iPf2 = 0,33
Die Spreizung des Getriebes über den gesamten Übersetzungsbereich beträgt somit:
iSp = 9
Genauere Einzelheiten dieser Ausführungsbeispiele sind nachstehend anhand von
Zeichnungen näher erläutert:
Fig. 1 Die Antriebsleistung wird über die Welle WA eingeleitet und erreicht über das Zahnrad ZA das
Differentialgetriebe D1. Pfad 1 mit der Übersetzung ins Langsame beginnt bei D1 am Hohlrad,
führt über die Zahnräder Z1 und Z2 zum Differentialgetriebe D2 und über dessen Planetenräder
zum Zahnrad ZB, an dem der Abtrieb abgenommen wird. Pfad 2 mit der Übersetzung ins
Schnelle beginnt am Sonnenrad D1, führt über die Zahnräder Z3 und Z4 zum Hohlrad D2,
danach über die Planetenräder D2 zum Abtriebszahnrad ZB. Pfad 3 beginnt am Hohlrad des
Differentials D1 führt über die Welle des Zahnrades Z1 zur Hydropumpe P, die mit dem
regelbaren Hydromotor M verbunden ist. Der Freilauf F ist gegen das Gehäuse geschaltet
und verhindert bei geöffnetem Pfad 1 Rückwärtslauf. Bei Schub wird ausgehend von Zahnrad
ZB und des Hohlrades des Differentials D2 über das begrenzte Verdrehspiel SP, das auch
durch einen Freilauf ersetzt werden kann, das Schraubrad S2 mit dem Schraubrad S1 in
Eingriff gebracht.
Fig. 2 Die Antriebsleistung wird über die Welle WA eingeleitet und erreicht über das Zahnrad ZA das
Differentialgetriebe D1 Pfad 1, der Pfad ins Langsame, führt von den Planetenräder D1 über
das Hohlrad D1 durch das Schraubrad S2 und über das Sonnenrad D2 auf die Planetenräder
D2 und den Planetenradträger D2 zu WB, der Abtriebswelle. Pfad 2, der Pfad ins Schnelle,
führt über die Planetenräder D1 über die Welle des Sonnenrades D1 zum Hohlrad D2, von
dort über die Planetenräder D2 auf den Steg D2 und somit auf Welle WB. Pfad 3, der die
Regelung übernimmt, führt vom Hohlrad D1 zur Hydropumpe P und dem damit verbundenen
Hydromotor M wieder zurück auf die Welle WA.
Bei Schub wird der Schubleistungsfluß von WB über die Planetenräder D2 und das Hohlrad D2
auf die gemeinsame Welle des Sonnenrades D1 mit dem Freilauf SP und des Schraubrades S2
übertragen, wodurch das Schraubrad S2 mit den Schraubrädern S1 in Eingriff kommt. Der
Freilauf F ist gegen das Gehäuse geschaltet und verhindert Rückwärtslauf.
Um bei anstehender Schubleistung je nach Größe des einsetzenden Schubes das
Übersetzungsverhältnis separat von der antriebsseitig her wirkenden Übersetzung zu regeln,
wodurch beispielsweise die Bremswirkung der Antriebsmaschine maximal ausgenützt werden
kann, besteht die Möglichkeit, die Schraubräder S1 und S2 gegen variable steuerbare
hydraulische stufenlose und untereinander verbundene Getriebekomponenten entsprechend
denen des dritten Pfades auszutauschen, wobei P anstelle von S2 angetrieben wird und M auf
die Eingangswelle wirkt.
In den Pfad 1 und/oder Pfad 2 kann eine weitere Übersetzungsstufe integriert werden, daß
zusätzlich zu den Zahnrädern Z1, Z2, Z3 und Z4 bezogen auf Fig. 1 das Übersetzungsverhältnis
in den einzelnen Pfaden und den Gesamtspreizungsbereich erweitert.
Erfindungsgemäß wird die Übersetzung für den Pfad, in dem sich die steuerbaren
Getriebekomponenten befinden, so gewählt, daß nur ein Teil der Gesamtleistung
darüberfließt, um so diese Getriebekomponenten leicht und klein zu halten.
Claims (5)
1. Stufenlos kraft- und formschlüssiger Drehzahl-/Drehmomentwandler, dessen Leistungsfluß
von der Antriebsseite her nach einem konstruktiv vorgegeben Verhältnis in mehrere
Leistungspfade aufgeteilt wird und anschließend unter ebenfalls konstruktiv vorgegebenen
Bedingungen auf der Abtriebsseite wieder zusammengefaßt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß sich der Leistungsfluß in drei Pfade mit unterschiedlichen in ihren Größenordnungen frei
wählbare Übersetzungsverhältnisse aufteilt, wobei mindestens in einem Pfad variabel
steuerbare hydraulische stufenlose Getriebekomponenten (M, P), die das
Gesamtübersetzungsverhältnis ändern, vorgesehen sind, in den beiden restlichen Pfaden in
mindestens einem Pfad die Übersetzung ins Langsame gewählt ist und von diesem Pfad je
nach Regelungszustand der variabel steuerbaren Getriebekomponenten (M, P) ein Teil des
Leistungsflusses über diese Getriebekomponenten auf den Eingang des Antriebes (WA)
zurückgeführt wird und die drei Pfade so angeordnet sind, daß beim Anstehen eines
abtriebseitigen Widerstandes oder einer Schubleistung durch eine die Drehrichtung sperrende
Getriebekomponente (F) oder durch ein Schraubradpaar (S1, S2) kein Null-Durchgang des
Leistungsflusses entsteht.
2. Stufenlos kraft- und formschlüssiger Drehzahl-/Drehmomentwandler nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, daß für die Aufteilung und Zusammenfassung des Leistungsflusses
Stirnraddifferentiale und/oder Planetenraddifferentiale (D1, D2) vorgesehen sind.
3. Stufenlos kraft- und formschlüssiger Drehzahl-/Drehmomentwandler nach Anspruch 1 und
2 dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubräder (S1, S2) durch variabel steuerbare
hydraulische stufenlose und untereinander verbundene Getriebekomponenten (M) und (P)
ersetzt werden, wobei P anstelle von (S2) angetrieben wird und (M) auf die Eingangswelle
(WA) wirkt.
4. Stufenlos kraft- und formschlüssiger Drehzahl-/Drehmomentwandler nach Anspruch 1, 2
und 3 dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulischen Getriebekomponenten durch
stufenlos steuerbare mechanische Getriebekomponenten ausgetauscht werden.
5. Stufenlos kraft- und formschlüssiger Drehzahl-/Drehmomentwandler nach Anspruch 1, 2, 3
und 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Übersetzungen in den drei Pfaden so gewählt
werden, daß in dem Pfad mit den variabel steuerbaren Getriebekomponenten nur ein Teil der
Gesamtleistung fließt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998160571 DE19860571A1 (de) | 1998-12-29 | 1998-12-29 | Stufenlos kraft- und formschlüssiger Drehzahl-/Drehmomentwandler |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998160571 DE19860571A1 (de) | 1998-12-29 | 1998-12-29 | Stufenlos kraft- und formschlüssiger Drehzahl-/Drehmomentwandler |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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Family
ID=7893021
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1998160571 Withdrawn DE19860571A1 (de) | 1998-12-29 | 1998-12-29 | Stufenlos kraft- und formschlüssiger Drehzahl-/Drehmomentwandler |
Country Status (1)
Country | Link |
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Date | Code | Title | Description |
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OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
8122 | Nonbinding interest in granting licenses declared | ||
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |