DE3415909C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein unter Last schaltbares Stirnradwech
selgetriebe für Fahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Anspruches
1.
Die Erfindung geht aus von einem aus der DE-PS 11 37 754 und
der DE-AS 12 25 221 bekannten Getriebe. Dieses weist einen hy
drodynamischen Drehmomentwandler auf, der über primär- und se
kundärseitige Zahnradvorgelege mit der An- bzw. Abtriebswelle
verbunden ist, durch Füllen und Entleeren schaltbar ist und
einen ersten Kraftweg bildet zum Anfahren des Fahrzeuges und
für einen ersten Geschwindigkeitsbereich. Ein zweiter paralle
ler Kraftweg wird gebildet durch eine hydrodynamische Kupplung,
die ebenfalls über Zahnradvorgelege mit der An- und Abtriebs
welle verbunden ist, durch Füllen und Entleeren geschaltet wird
und einem zweiten Geschwindigkeitsbereich zugeordnet ist. Es
ist ferner eine Einrichtung zum Überbrücken der beiden Kupp
lungshälften für den Betrieb im zweiten Geschwindigkeitsbereich
vorhanden, so daß ein dritter Geschwindigkeitsbereich zustande
kommt, dem eine mechanische Durchkupplung im Getriebe ent
spricht. Die Umschaltung vom ersten auf den zweiten Kraftweg,
also vom ersten in den zweiten Geschwindigkeitsbereich ist zwar
unter Last möglich, eine Umschaltung vom zweiten in den dritten
Geschwindigkeitsbereich jedoch nur lastfrei bei Verwendung ei
ner Klauenkupplung, wobei die Art der Synchronisierung für die
Klauenkupplung bzw. die Drehzahlanpassung nicht offenbart ist.
Wird gemäß der DE-AS 12 25 221 zur Überbrückung der Strömungs
kupplung eine Lamellen- oder Scheibenkupplung verwendet, so muß
diese mit einem Schlupf von mindestens 15% bei voller Last die
Leistungsübertragung übernehmen. Für ein Hochleistungs-Fahr
zeuggetriebe ist diese Betriebsweise aufgrund der zu erwarten
den Erwärmung und des Verschleißes nicht annehmbar.
Ein Fahrzeuggetriebe mit zwei Kraftwegen ist ferner aus der
GB-PS 7 93 263 bekannt. In dem ersten Kraftweg ist auf einer
Vorgelegewelle ein über Zahnradvorgelege angetriebener hydrody
namischer Drehmomentwandler angeordnet, dem sich zwei über La
mellenkupplungen schaltbare Gangstufen anschließen. Im zweiten
Kraftweg ist auf einer zweiten Vorgelegewelle eine Kupplung
angeordnet, welcher ebenfalls zwei schaltbare Gangstufen nach
geordnet sind. Die Kupplung kann als hydrodynamische Kupplung
ausgebildet sein. Das Umschalten von dem einen auf den anderen
Kraftweg kann durch Füllen und Entleeren der beiden hydrodyna
mischen Elemente Drehmomentwandler und Kupplung stoßfrei unter
Last erfolgen. Die einzelnen Gangstufen werden über Lamellen
kupplungen geschaltet, die jeweils unter Schlupf eine Sychro
nisierung herbeiführen. Ist eine Gangstufe gewählt, so ist das
jeweilige hydrodynamische Element Drehmomentwandler oder Strö
mungskupplung dauernd in Betrieb.
Eine weitere Bauart eines Stirnradgetriebes in Vorgelegebau
weise zeigt die DE-AS 10 76 461. Dort dient als Anfahrglied ein
Drehmomentwandler, dem zwei oder mehrere Gangstufen nachgeord
net sind. Letztere werden über Lamellen- bzw. Reibkegelkupplun
gen geschaltet bzw. synchronisiert.
Den bisher beschriebenen Bauarten der Synchronisiereinrichtun
gen haftet der Nachteil an, daß an den Schaltvorgängen immer
Reibkörper beteiligt sind. Dies können Lamellen, Reibkegel oder
sonstige mit Kraftaufwand einrückbare oder eventuell ratschende
Abweisklauen sein, die der Erwärmung, dem Verschleiß und der
erhöhten Bruchgefahr unterliegen mit den sich ergebenden Folgen
wie Stör- und Reparaturanfälligkeit, geringe Lebensdauer und
kurze Standzeig des Schmieröles, insbesondere dann, wenn auch
die Hauptkupplung als Reibungskupplung ausgebildet ist.
Diesen Nachteilen begegnet zwar teilweise eine aus der DE-PS
12 46 010 bekannte Getriebebauart, bei der ein mechanisches
Stufengetriebe über zwei Drehmomentwandler angetrieben wird,
wobei das Synchronisieren entweder über das Füllen und Entlee
ren der Wandler oder einer ebenfalls integrierten hydrodynami
schen Bremse erfolgt. Die Abweisklauen ratschen jedoch immer,
solange der Synchronisiervorgang noch nicht abgeschlossen ist.
Nachteilig an den zwar bewährten hydromechanischen Getrieben
obiger Bauart oder sonstigen verschleißfreien vollhydraulischen
Getrieben ist, daß in allen Gangstufen der Kraftfluß über einen
hydrodynamischen Kreislauf erfolgt, also einen Drehmomentwand
ler oder eine Strömungskupplung. Der Getriebewirkungsgrad ist
vor allem außerhalb des Anfahrbereichs wesentlich tiefer als
bei rein mechanischen Fahrzeuggetrieben.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines unter Last ohne
Zugkraftunterbrechung schaltbaren Wechselgetriebes, das hohe
Zuverlässigkeit, Verschleißfreiheit der an Schaltvorgängen be
teiligten Elemente, guten Wirkungsgrad und geringen Bauaufwand
in sich vereinigt. Außerdem soll es wahlweise mit verschiedener
Anzahl von Gänge ausgerüstet werden können und automatisch
schaltbar sein.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des An
spruchs 1 gelöst. Gemäß der Erfindung weist ein Getriebe in
Stirnradvorgelege-Bauart zwei Kraftwege auf, die direkt von der
Getriebeeingangswelle und zwei ins Schnelle übersetzenden Vor
gelegen auf zwei Nebenwellen ausgehen. Der erste Kraftweg weist
wie bekannt einen hydrodynamischen Drehmomentwandler auf, dessen
Pumpenrad direkt von der ersten Nebenwelle angetrieben wird,
und dessen Turbinenrad die eigentliche Vorgelegewelle des
Schaltgetriebes antreibt. Von dieser Welle aus wird das Dreh
moment über Schaltklauen auf die einzelnen Zahnradstufen und
zur Getriebeabtriebswelle geleitet. Der zweite Kraftweg umfaßt
eine hydrodynamische Stellkupplung, deren Primärschaufelrad von
der zweiten Nebenwelle angetrieben wird und deren Sekundär
schaufelrad mit der Getriebeabtriebswelle über Zahnradvorgelege
verbunden ist, das auf eine höhere Abtriebsdrehzahl als die
schnellste Gangstufe übersetzt ist. Der erste Kraftweg über
trägt das Drehmoment während des Fahrbetriebs in allen Gängen
einschließlich der Anfahrphase, der zweite Kraftweg ist nur
während des Umschaltvorganges einschließlich des Synchronisie
rens aktiv.
Während dieses Synchronisier-Vorganges jedoch überträgt die
Stellkupplung durch gesteuertes Füllen das Drehmoment vom Mo
tor her direkt auf die Abtriebswelle. Die Stellkupplung ist
dazu so beschaffen, daß sie vom Motor ein höheres Drehmoment
abverlangt als dieser bislang übertragen hat, so daß sich da
durch die Kraftübertragung über den zweiten Kraftweg zur Ge
triebeabtriebswelle vollzieht. Gleichzeitig wird die momentan
im ersten Kraftweg eingerückte Schaltklaue entlastet und kann
nahezu lastlos z. B. durch Federkraft ausgerückt werden, während
die Stellkupplung durch eine außerordentlich rasch reagierende
Schlupfregelung in deren Flüssigkeitskreislauf ein Drehzahlver
hältnis zwischen der Abtriebs- und der Eingangswelle herbei
führt, das dem Übersetzungsverhältnis des neu einzulegenden
Ganges entspricht. Sobald der für den betreffenden Gang typi
sche Schlupf-Sollwert erreicht ist, herrscht praktisch Gleich
lauf zwischen den Klauen der zu verbindenden Getriebeteile. Es
kann somit lastloses Einrücken der Schaltklaue erfolgen und
danach das Entleeren der Synchronisier-Stellkupplung. Das Ent
leeren der Stellkupplung bewirkt dabei das Überleiten der Mo
torleistung auf den erten Kraftweg in der neu eingelegten
Gangstufe.
Während dieses Umschaltvorganges hat der Antriebsmotor keine
Laständerung durch den Fahrzeugführer oder durch eine automa
tische Steuereinrichtung erfahren. Die Stellkupplung hat statt
dessen die Entlastung des ersten Kraftweges herbeigeführt und
dabei den Motor so belastet bzw. dessen Drehzahl so verändert,
daß nach vollzogener Schlupfregelung in der Stellkupplung genau
die dem neu eingelegten Gang entsprechende Motordrehzahl
herrscht. Beim Zurückschalten auf eine niedrigere Gangstufe
wird der Motor ohne äußeren Eingriff durch entsprechende
Schlupfregelung in der Kupplung zunächst so belastet, daß ein
Ausrücken der eingelegten Schaltklaue ohne Last erfolgt. Wenn
diese Schaltklaue ausgerückt ist, entlastet die Kupplung den
Motor wieder soweit, daß er - wiederum durch Schlupfregelung -
eine Drehzahl annimmt, die im Verhältnis zur momentanen Ab
triebsdrehzahl genau dem Sollwert für den nächst niedrigen,
also den neu einzulegenden Gang entspricht. Die betreffende
Schaltklaue kann somit, wiederum lastfrei, eingerückt werden,
und die Stellkupplung kann bei anschließender Entleerung den
Kraftfluß über den ersten Kraftweg freigeben.
Während der Umschaltung bleibt also der Antriebsstrang des
Fahrzeuges immer mit dem Motor in Drehmomentverbindung, es
tritt nie ein lastfreier Zustand ein. Das Synchronisieren er
folgt also nicht nur durch Entlastung der Schaltklauen bei
spielsweise durch Reduktion des Motormoments und erzwungenem
Abbremsen nur der beteiligten Getriebemassen, sondern durch
exaktes Einregeln der Dehzahl aller Getriebeteile auf den er
forderlichen Sollwert, wie es mechanisch mit Reibkörpern kaum
möglich ist, vor allem nicht verschleißfrei. Dadurch besitzt
der Motor nach dem Synchronisieren bereits die genaue Drehzahl
für den nächsten Gang. Das Überleiten der Leitung sowohl vom
ersten Kraftweg auf den zweiten während der Kupplungsfüllung
als auch umgekehrt beim Entleeren der Kupplung erfolgt prak
tisch stoß- und verschleißfrei. Ein geringer Stoß beim Ein
rücken der Klauen bei geringer Drehzahldifferenz wird durch
elastische Ausbildung einer Getriebewelle bedeutungslos.
Weitere Vorteile werden mit der erfindungsgemäßen Getriebean
ordnung erzielt: Durch Verwendung eines füll- und entleerbaren
Drehmomentwandlers als Anfahrglied wird stoßfreies, zügiges
Anfahren gewährleistet, wobei keine von der Dauer oder Häufig
keit des Anfahrvorganges abhängigen Probleme mit Erwärmung oder
Verschleiß auftreten. Die dem Wandlerbetrieb folgende Gangstufe
kann gemäß Anspruch 2 als Wandler-Durchkupplung ausgebildet
werden. Wird nämlich die Anordnung des Pumpen- und Turbinenrades
gemäß Anspruch 3 getroffen, so kann das Pumpenrad und das Tur
binenrad mittels einer Schaltklaue verbunden werden. Das Syn
chronisieren erfolgt dazu in der geschilderten Weise wie für
die anderen Gangstufen. Nach erfolgter Durchkupplung wird der
Wandler entleert. Für das Getriebe ist nur eine einzige Syn
chronisiereinrichtung erforderlich, und die Anordnung eignet
sich für Getriebe mit beliebiger Anzahl Gänge. Wird der
schnellste Gang nicht als Direktgang bei koaxialer Anordnung
der Getriebeeingangs- und -abtriebswellen gemäß Anspruch 9
ausgebildet, sonder sogar als Schnellgang, so ist auch die
Umschaltung in diese Gangstufe mit der erfindungsgemäßen Syn
chronisierung möglich. Dazu muß gewährleistet sein, daß das
Hochgangsvorgelege zur zweiten Nebenwelle hoch genug übersetzt
ist, so daß die Stellkupplung nach Erzielung des Gleichlaufes
der Schaltklauen dieser Gangstufe auch dann noch genügend hohen
Schlupf aufweist, um den Motor in der Drehzahl drücken zu kön
nen. Der Mindestschlupf in der Kupplung liegt in der Größen
ordnung von 10 Prozent. Die hohe spezifische Leistung und
schnelle Reaktionsfähigkeit der Stellkupplung ergibt sich aus
der hohen Drehzahl, aus schräger Beschaufelung der Räder und
sehr großen, Zu- und Ablaufquerschnitten für die Arbeitsflüssig
keit. Mit Hilfe einer im Prinzip bekannten Druckregelung im
Flüssigkeitskreislauf der Stellkupplung (Anspruch 7) vollzieht
sich das Füllen und das Regeln auf den von einer Steuereinrich
tung vorgegebenen Schlupfwert so schnell, daß die ganze Um
schaltung nur eine Zeit von etwa 1 bis 2 Sekunden benötigt. Die
dabei vorübergehend entstehenden Schlupfverluste spielen also
für den Wirkungsgrad des Getriebes keine Rolle. Außerdem wird
bei der fahrdynamisch kritischen Hochschaltung durch die rasche
Reduktion der Motordrehzahl ein Massendrehmoment durch die Mo
tormasse selbst wirksam, wodurch eine Zugkrafterhöhung ein
tritt. Als Drehmomentwandler zum Anfahren kann ein Typ verwen
det werden, der nur sehr kurze Zeit in Aktion ist und schon
nach kurzer Beschleunigung eine Umschaltung in eine rein mecha
nische Gangstufe erlaubt. Das erfindungsgemäße Getriebe hat in
allen übrigen Fahrbereichen den hohen Wirkungsgrad rein mecha
nischer Getriebe, nutzt aber die Verschleißfreiheit und Tempe
ratur-Unempfindlichkeit hydrodynamischer Elemente für kurzzei
tige Lastwechselvorgänge, die für Motor und Fahrzeug schonend
verlaufen.
Das erfindungsgemäße Getriebe kann gemäß den Ansprüchen 11 und
12 auch mit einer hydrodynamischen Strömungsbremse (Retarder)
ausgerüstet werden, wobei deren Rotor beispielsweise auf der
dauernd mit der Getriebeabtriebswelle umlaufenden Welle für das
Sekundärrad der Stellkupplung angeordnet sein kann. Im übrigen
ist mit dem Getriebe gemäß der Erfindung das Bremsen mit dem
Motor möglich, da dieser bis auf den Wandlerbetrieb immer fest
mit den Antriebsachsen in Verbindung steht, auch während des
Synchronisiervorganges.
Die Steuereinrichtung zur Auslösung von Umschaltungen bedient
sich gemäß der Erfindung Signalen, die aus Drehzahlfühlern für
die Getriebeeingangs- und Ausgangsdrehzahl gewonnen werden.
Außerdem kann je nach der Motorcharakteristik und den gegebenen
Betriebserfordernissen (geringster Brennstoffverbrauch, gering
ste Emission, maximale Beschleunigung) die Umschaltung gesteu
ert werden. Bei Vorliegen eines bestimmten Wertes der Eingangs
drehzahl beispielsweise wird der Umschaltvorgang ausgelöst, der
in den eingangs geschilderten Schritten abläuft. Dabei werden
die beiden Drehzahlen verglichen und daraus der Quotient Ab
triebsdrehzahl zu Antriebsdrehzahl gebildet. Dieser Verhältnis
wert bildet die Grundlage für die Stellgröße, die die Regelung
des Schlupfes in der Stellkupplung beeinflußt. Dazu wird ein
auf unterschiedliche Ansprechdrücke einstellbares Überströmven
til beaufschlagt. Die Getriebe-Steuereinrichtung kann hydrau
lisch, pneumatisch oder vorzugsweise elektronisch ausgebildet
sein. Sie kann gemäß Anspruch 6 auch mit weiteren Signalen für
die momentane Motorleistung beaufschlagbar sein, so daß die
Umschaltung, z. B. bei höherer geforderter Motorleistung auch
bei höherer Absolutdrehzahl eintritt. Die Steuereinrichtung ist
automatisierbar, und durch das Vorhandensein mechanischer Ele
mente zum Kuppeln der Schaltklauen ist ein Eingriff für eine
Notschaltung möglich, beispielsweise des Wanldergangs in Ver
bindung mit einer Zahnradstufe bei einer Störung der Steuerein
richtung.
Die weiteren Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestal
tungen der Erfindung. So können gemäß Anspruch 10 die Schalt
klauen an ihrer Stirnseite in beiden Umfangsrichtungen abge
schrägt sein. Es wurde nämlich erkannt, daß selbst bei einer
Abweichung bis etwa 5 Prozent vom absoluten Gleichlauf und ent
sprechender Formgebung der Klauenstirnseite ein gefahrloses und
sicheres Einrücken möglich ist. Die Schlupfregelung für die
Stellkupplung und die Signalverarbeitung der Steuereinrichtung
kann eine entsprechende Toleranz aufweisen. Übersteigt die Dif
ferenzdrehzahl einen bestimmten Wert, so tritt bei einer Fehl
schaltung von der Steuereinrichtung aus kein zwangsweises Ein
greifen der Klauen ein, sondern ein Übergleiten der Klauen
durch den in beiden Richtungen wirkenden Abweiseffekt der Klau
enstirnseiten.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung näher be
schrieben. Darin zeigt
Fig. 1 ein Lastschaltgetriebe in 4-Gang-Ausführung und hydro
dynamischer Bremse in schematischer Darstellung,
Fig. 2 eine Ausführungsform der Stirnflächen von Schaltklauen,
Fig. 3 ein Lastschaltgetriebe in 6-Gang-Ausführung mit Vor
wärts- und Rückwärtswandler in schematischer Darstel
lung.
In Fig. 1 ist ein Getriebe dargestellt mit einer Eingangswelle
1 und einem darauf angebrachten Zahnrad 3, welches ein weiteres
Ritzel 4 antreibt. Das Zahnrad 3 und das Ritzel 4 bilden ein
ins Schnelle übersetzendes Hochgangsvorgelege zum Antrieb einer
ersten Nebenwelle 5. Diese Nebenwelle 5 ist als Hohlwelle aus
gebildet und stellt gleichzeitig die Primärwelle für das Pum
penrad 7 eines als Drehmomentwandler 6 ausgebildeten Anfahr
gliedes dar, dessen Turbinenrad 8 auf einer Sekundärwelle 9
befestigt ist. Die Welle 9 durchdringt zur einen Seite hin die
Nebenwelle 5 und setzt sich zur anderen Seite hin fort als
treibende Welle für ein Schaltungsgetriebe 10. Letzteres enthält
zwei Ritzel 11 und 13, die voneinander unabhängig gelagert sind
und mit entsprechenden Gegenzahnrädern 12 und 14 in Eingriff
stehen. Die Zahnräder 12 und 14 sind fest auf einer Abtriebs
welle 2 befestigt und bilden mit den entsprechenden Ritzeln 11
und 13 zwei schaltbare Gangstufen. Dazu sind die Ritzel 11 und
13 auf den einander zugewandten Stirnseiten mit Schaltklauen
18, 19 versehen. Die Drehmomenteinleitung erfolgt in bekannter
Weise über eine Schiebemuffe 15, die auf der Sekundärwelle 9
verschiebbar angeordnet ist und ebenfalls stirnseitige Schalt
klauen 16, 17 aufweist, die entweder mit denjenigen des Ritzels
11 oder des Ritzels 13 in Eingriff gebracht werden können. Zwi
schen beiden Stellungen befindet sich eine Mittelstellung ohne
Eingriff.
Eine weitere Schiebemuffe 20 ist auf dem die Nebenwelle 5
durchdringenden Teil der Sekundärwelle 9 angeordnet und trägt
stirnseitige Schaltklauen 21, die in entsprechende Schaltklauen
22 auf der Stirnseite der Nebenwelle 5 einstückig werden kön
nen. Die Schiebemuffe 20 stellt somit eine Überbrückungskupp
lung für das Pumpenrad 7 für das Turbinenrad 8 des Drehmoment
wandlers 6 dar.
Eine dritte Schiebemuffe 25 mit Schaltklauen 26 befindet sich
auf der Verlängerung der Eingangswelle 1. Die Abtriebswelle 2
ist koaxial zur Eingangswelle 1 angeordnet und trägt Schalt
klauen 27, in die die Schiebemuffe 25 eingerückt werden kann.
Dieser Schaltzustand bildet dann den Direktgang des Getriebes.
Das auf der Eingangswelle 1 angeordnete Zahnrad 3 steht außer
dem in Eingriff mit einem weiteren Ritzel 34, das auf einer
zweiten Nebenwelle 35 befestigt ist. Auf der Nebenwelle 35 ist
das Primärschaufelrad 37 einer in ihrem Füllungsgrad regelbaren
Strömungskupplung (Stellkupplung) 36 angeordnet. Das Sekundär
schaufelrad 38 ist auf einer Zwischenwelle 39 befestigt, welche
ein Ritzel 40 trägt. Das Ritzel 40 steht in Eingriff mit einem
Zahnrad 41, das mit der Abtriebswelle 2 verbunden ist. Im vor
liegenden Ausführungsbeispiel ist auf der Zwischenwelle 39
außerdem der Rotor 43 einer hydrodynamischen Bremse 42 angeord
net. Diese Bremse 42 steht somit über das Zahnradpaar 40, 41
gangunabhängig dauernd mit der Abtriebswelle 2 in Verbindung.
Die Schaltvorgänge im Getriebe laufen wie folgt ab:
Im Gang I ist die Schiebemuffe 15 mit den Schaltklauen 16, 18
mit dem Ritzel 11 verbunden. Der Anfangsvorgang erfolgt durch
Füllung des Drehmomentwandlers 6 mit Arbeitsflüssigkeit, so daß
der Kraftfluß von der Getriebeeingangswelle 1 über das Hoch
gangsvorgelege 3, 4 zu den Schaufelrädern 7, 8 der Sekundär
welle 9 und über die Räder 11, 12 zur Abtriebswelle 2 verläuft.
Hat der Wandler 6 den ihm zugeordneten Betriebszustand durch
fahren, so gibt ein die Drehzahl der Abtriebswelle 2 Überwa
chender Drehzahlgeber 28 ein Signal zur Umschaltung in Gang II.
Dieser wird gebildet durch Entleerung des Wandlers 6 und Ein
rücken der Wandler-Überbrückungskupplung, nämlich der Schiebe
muffe 20 mit den Schaltklauen 21 in die Schaltklauen 22 der
ersten Nebenwelle 5. Der erforderliche Gleichlauf zwischen der
Nebenwelle 5 und der Sekundärwelle 9 wird wie folgt erzielt:
Das vom Drehzahlgeber 28 ausgehende Signal löst über eine Steu
ereinrichtung 30 die Füllung der Stellkupplung 36 aus. Dieser
Füllvorgang erfolgt sehr schnell, weil die Übersetzung der Rä
der 3, 34 so gewählt ist, daß die Kupplung mit hoher Drehzahl
läuft und dementsprechend klein dimensioniert werden kann. Die
Antriebswelle 2 und mit ihr das Räderpaar 40, 41 rotiern dem
gegenüber relativ langsam, was zu hohem Schlupf in der Stell
kupplung führt. Die Kupplung 36 ist vorzugsweise mit schräger
Beschaufelung ausgeführt, was ihr eine hohe spezifische Lei
stung (k-Wert), das heißt ein bei gegebener Drehzahl
hohes Drehmoment. Dieses Drehmoment kann das Motor-Nutzdrehmo
ment um etwa 50 Prozent übersteigen, was dazu führt, daß der
Kraftfluß von der Getriebeeingangswelle 1 zur Abtriebswelle 2
nunmehr von der Kupplung übernommen wird bei gleichzeitiger
Entlastung der Wellen 5 und 9 samit den beteiligten Zahnrädern.
Da aber die Eingangswelle 1 über die Stellkupplung 36 direkt
mit der Abtriebswelle 2 verbunden ist, kommt zwangsläufig auf
grund der Übersetzungsverhältnisse der Radpaare 3, 34 und 40,
41 eine Drückung der Motordrehzahl zustande. Eine der Motor
drehzahl proportionale Drehzahl wird von einem zweiten Dreh
zahlgeber 29 auf der Eingangsseite des Getriebes gemessen. Die
beiden Drehzahlgeber 28, 29 ermöglichen nunmehr einen Ver
gleich, so daß jeder Gangstufe ein fester Wert für das Verhält
nis Abtriebsdrehzahl n 2 zu Antriebsdrehzahl n 1 zugeordnet
werden kann.
Während im Gang I ein stufenloses Anfahren über den Drehmoment
wandles 6 erfolgt, liegt bei Überbrückung des Wandlers ein von
den Radpaaren 3, 4 und 11, 12 festgelegtes Drehzahlverhältnis
vor. Der Füllungsgrad der Stellkupplung 36 wird über eine an
sich bekannte Druckregeleinrichtung von einem aus der Steuer
einrichtung 30 stammenden Signal so verändert, daß sich mittels
präzise eingestellten Schlupfes in der Kupplung 36 der dem neu
einzulegenden Gang II entsprechende Sollwert für das Verhältnis
n /n 1 ergibt. Dann nämlich herrscht Gleichlauf zwischen den
mittels der Schiebemuffe 20 zu kuppelnden Wellen 5 und 9. So
bald also die beiden Drehzahlgeber 28, 29 den Sollwert
n 2/n 1 für Gang II anzeigen, wird über die Steuereinrichtung
30 das Verschieben der Muffe 20 eingeleitet. Bei Erreichen der
Endlage wird das Entleeren der Stellkupplung 36 ausgelöst, wo
durch sich der Kraftfluß über die zweite Nebenwelle 35 abbaut
und erneut über die erste Nebenwelle 5 aufbaut. Das Drehmoment
wird dann wieder über die Welle 9 übertragen, jedoch in diesem
Gang II und den folgenden über den zwischen der Schiebemuffe 20
und dem Turbinenrad 8 innerhlb der hohlen Nebenwelle 5 liegen
den Wellenabschnitt.
Das Entleeren der Stellkupplung erfolgt wie das Füllen sehr
rasch, dementsprechend rasch auch der Drehmomentanstieg in der
Welle 9. Obgleich die Schaltung stoßfrei abläuft, ist es vor
teilhaft, die Welle 9 als elastische Welle auszubilden, die
durch Verjüngung in bestimmten Schaftbereichen eine Drehelasti
zität zur weichen getriebeschonenden Schaltung bewirkt.
Zur Umschaltung von Gang II auf Gang III ist die Schiebemuffe
15 in die andere Endlage zu verschieben, so daß über die
Schaltklauen 17, 19 das Radpaar 13, 14 in den Kraftfluß einbe
zogen wird. Signalisiert einer der Drehzahlgeber 28, 29 den
Sollwert n 2 oder n 1 für die Umschaltung in den Gang III, so
läuft die Synchronisierung über die Stellkupplung 36 erneut
wieder wie folgt ab: Füllen der Kupplung 36, wobei die Schalt
klauen 16, 18 entlastet werden, und die Schiebemuffe 15 in Mit
telstellung durch Federkraft ausrückt, Einstellen des Schlupfes
in der Stellkupplung auf den neuen Sollwert n 2/n 1 für Gang
III, Einrücken der Schiebemuffe 15 in die Schaltklauen 17, 19,
Entleeren der Stellkupplung 36.
Bei der Umschaltung auf Gang IV wird die Schiebemuffe 15 in
Mittelstellung gerückt und nach der Synchronisierung wie be
schrieben die Schiebemuffe 25 verschoben, so daß die Schalt
klauen 26, 27 in Eingriff kommen und den Direktgang von der
Eingangswelle 1 zur Abtriebswelle 2 herbeiführen.
Um sicherzustellen, daß auch zum Umschalten in den Gang mit der
höchsten Abtriebsdrehzahl noch eine sichere und rasche Synchro
nisierung stattfindet, ist die Übersetzung der Radpaare 3, 34
und 40, 41 so gewählt, daß der Kraftweg über die zweite Neben
welle 35 und die Stellkupplung 36 eine Höchstgeschwindigkeit
bzw. Getriebeabtriebsdrehzahl bewirkt, die zwischen 5 und 15
Prozent über derjenigen der schnellsten Getriebegangstufe
liegt. Das bedeutet, daß bis zum Ende des Synchronisiervorgan
ges bei Schaltung in den schnellsten Gang die Stellkupplung 36
zwischen 5 und 15 Prozent Schlupf aufweist. Dabei muß der
k-Wert der Kupplung so hoch sein, daß ein genügendes Drehmoment
entwickelt wird, um den Antriebsmotor auf die erforderliche
Synchrondrehzahl zu verzögern.
Zum Einstellen des Schlupfes in der Stellkupplung 36 dient die
Druckregeleinrichtung 45. Das Sekundärschaufelrad 38 weist zu
diesem Zweck Bohrungen auf, die tangential von der inneren Pe
ripherie ausgehen und radial nach innen gerichtet sind. Sie
münden in die hohl ausgeführte Nebenwelle 35. Dieser Hohlraum
führt über die Leitung 44 zu einem Überströmventil 46, dessen
beweglicher Ventilkörper von dem aus dem Sekundärschaufelrad 38
austretenden Druck beaufschlagt ist, und zwar in Richtung "Öff
nen", symbolisch dargestellt durch eine Steuerleitung 47. Die
aus dem Überströmventil austretende Arbeitsflüssigkeit gelangt
in den Flüssigkeitsbehälter zurück. Das Füllen der Stellkupp
lung 36 erfolgt über eine von der Getriebeeingangswelle 1 aus
angetriebenen Pumpe 49 und ein von der Steuereinrichtung 30 ge
steuertes Zuströmventil 50 direkt ins Innere der Kupplung zum
Beispiel durch die Beschaufelung des Primärschaufelrades hin
durch.
Das Ansprechen des Überströmventils 46 und damit der den
Schlupf bestimmende Füllungsgrad der Stellkupplung 36 wird be
einflußt von der in Richtung "Schließen" wirkenden Vorspannung
auf den Ventilkörper im Überströmventil 46. Wirkt auf die Ven
tilkörper eine kleine Vorspannkraft, so kann sich die Kupplung
36 schon bei hohen Schlupfwerten und niedrigem Innendruck genü
gend entleeren, während bei großer Vorspannkraft die Kupplung
36 einen größeren Füllungsgrad erreicht, ein höheres Drehmoment
entwickelt und kleinere Schlupfwerte erzielt. Wird die Vorspan
nung von einem in seiner Kraft veränderbaren Elektromagneten 48
aufgebracht, so kann durch entsprechende Erregung ein bestimm
ter Betriebszustand der Stellkupplung 36 eingestellt werden. Da
durch die es möglich, der Stellkupplung 36 zum Synchronisieren
einen festen Schlupf-Sollwert vorzugeben, den die Steuerein
richtung 30 aus den von den Drehzahlgebern 28, 29 stammenden
Werten n 1, n 2 ermittelt und als entsprechendes Signal an
den Elektromagneten 48 am Überströmventil 46 weitergibt.
Die Steuereinrichtung 30 ermöglicht außerdem die Beeinflussung
des Umschaltpunktes von einem Gang zum anderen in der Weise,
daß bei hoher momentan geforderter Leistung die Umschaltung bei
höherer Fahrgeschwindigkeit bzw. Getriebeeingangszahl erfolgt
als bei niedriger Leistung. Im Ausführungsbeispiel wird die
monentane Leistung von der Stellung des Gaspedals 51 abgegrif
fen.
Als Rückwärtsgang kann entweder wie in Fig. 1 dargestellt ein
Umkehrvorgelege 55 vorgesehen sein, das von der Sekundärwelle 9
aus angetrieben wird und das Radpaar 11, 12 in umgekehrtem
Drehsinn antreibt. Das Vorgelege kann als Planetengetriebe aus
geführt sein mit angetriebenem Sonnenrad 56, fest gelagerten
Planentenrädern 57 und Hohlrad 58, bei Stillstand geschaltet
über eine Schiebemuffe 59 und Schaltklauen 60. Der Antrieb er
folgt dann über den Drehmomentwandler 6 bei ausgerückter Schie
bemuffe 20. Anstelle des Umkehrvorgeleges 55 kann das Getriebe
auch mit einem Wendevorgelege ausgerüstet sein, das sich bau
lich an die Abtriebswelle 2 anschließt (nicht dargestellt). Im
Falle der Verwendung des Getriebes beispielsweise in Schienen
fahrzeugen stehen dann in beiden Fahrtrichtungen alle Getriebe
gänge zu Verfügung. Sowohl ein Umkehrvorgelege 55 als auch ein
Wendevorgelege können anflanschbar ausgeführt werden zur wahl
weisen Ausrüstung des Grundgetriebes. Die in Fig. 1 darge
stellte Anordnung der Schiebemuffen 15, 20 auf der hochtourigen
Welle des Schaltgetriebes 10 hat den Vorteil, daß die Schalt
klauen auf kleinere Drehmomente dimensioniert und die Betäti
gungseinrichtungen für die Schiebemuffen günstig am Getriebe
angebracht werden können.
Die hydrodynamischen Kreisläufe des Getriebes, also der Drehmo
mentwandler 6, die Stellkupplung 36 und die Strömungsbremse 42
sind nur für Bruchteile der Betriebszeit in Tätigkeit. Sie wer
den daher wie bekannt mit Einrichtungen versehen, die eine lei
stungsverzehrende Luftzirkulation im entleerten Zustand verhin
dern, z. B. Blendenschieber oder sonstige Strömungshindernisse
(nicht dargestellt).
Es wurde erkannt, daß ein zuverlässiges Ineinandergreifen der
Schaltklauen nicht etwa bei absolutem Gleichlauf der zu kup
pelnden Schiebemuffe mit dem anderen Getriebeelement gewäh
leistet ist, sondern wenn eine geringfügige Differenzdrehzahl
herrscht. Die Steuereinrichtung kann daher auf eine Gleichlauf
toleranz von etwa zwei Prozent ausgelegt werden, wobei die Re
lativdrehzahl der zu kuppelnden Getriebeteile etwa 50 l/min
betragen kann, ohne daß Schäden an den dabei unbelasteten
Schaltklauen zu befürchten sind.
Ein Vorteil ist jedoch, wenn die Stirnseite der Schaltklauen
gemäß Fig. 2 ballig oder in beiden Umfangsrichtungen abge
schrägt ausgebildet sind. Sollte sich durch eine Störung in der
Steuereinrichtung eine zu hohe Differenzdrehzahl einstellen,
bei der die Schaltklauen nicht schadlos und stoßfrei ineinan
dergreifen können, so entsteht bei Berührung der betreffenden
Stirnflächen der Schaltklauen ein Abweiseffekt, der eine
Fehlschaltung verhindert. Selbst eine Drehzahldifferenz von
fünf Prozent kann ohne Schaden zum Eingreifen der Schaltklauen
führen, wenn der entstehende Stoß durch Ausbildung der Sekun
därwelle 9 als elastische Welle abgebaut wird.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Getriebe
mit der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung. Die der Fig. 1
entsprechenden Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
Es handelt sich um ein Getriebe, das 6 Gangstufen aufweist,
nämlich zum Anfahren einen Drehmomentwandler 6, angetrieben
über das Hochgangsvorgelege 3, 4, vier Gangstufen in einem
Schaltgetriebe 110 bei überbrücktem Drehmomentwandler 6 und
einen Direktgang über Schiebemuffe 25. Das Schaltgetriebe 110
weist vier Radpaare auf, die über entstehende Schiebemuffen
zur Wirkung kommen. Die Schiebemuffe 20 dient wiederum zum
Überbrücken des Wandlers und ist nur im Wandlergang außer
Eingriff.
Das Getriebe weist ebenfalls eine vom Rad 34 angetriebene zwei
te Nebenwelle 35 auf, die die Stellkupplung 36 trägt. Die Zwi
schenwelle 39 treibt über die Räder 40, 41 auf die Getriebeab
triebswelle 2.
Anstelle eines Rückwärtsganges oder Wendegetriebes ist für die
Rückwärtsfahrt ein weiterer Drehmomentwandler 106 vorgesehen,
dessen Pumpenrad 107 über das Ritzel 104 von dem Hochgangszahn
rad 3 aus angetrieben wird. Das Turbinenrad 108 treibt über das
Rad 109 und das Zwischenrad 111 auf die Vorgelegewelle 112 des
Schaltgetriebes 110. Es handelt sich bei dieser Getriebebauart
um ein kombiniertes hydrodynamisches Wende- und Schaltgetriebe,
das alle bekannten Vorzüge eines Getriebes mit getrennten Dreh
momentwandlern für jede Fahrtrichtung (schneller Wechsel der
Fahrtrichtung) und wirtschaftlichen Betrieb mit rein mechani
schem, verschleißlos unter Last schaltbaren Stufengetriebe in
sich vereinigt. Da in bekannter Weise mit dem Wandler der Ge
genfahrtrichtung gebremst werden kann, ist bei dieser Getriebe
bauart eine Strömungsbremse entbehrlich. Nicht dargestellt ist
die analog der Ausführung nach Fig. 1 ausgebildete Steuerein
richtung und Regeleinrichtung für die Stellkupplung.
Ein Notbetrieb (nicht dargestellt) mit dem erfindungsgemäßen
Getriebe bei Ausfall der Steuerung ist dadurch möglich, daß
durch äußeren Eingriff die Schiebemuffe 15 für Gang I in Ein
griff gebracht und die Füllung des Drehmomentwandlers 6 einge
leitet wird. Im Falle eines 6-Gang-Getriebes kann eventuell für
den Notbetrieb auch mit einer schnelleren Gangstufe hinter dem
Drehmomentwandler gefahren werden. Auch ein Anschleppen des
Motors ist möglich bei überbrücktem Drehmomentwandler.
Claims (15)
1. Stirnradwechselgetriebe, insbesondere für Fahrzeuge, in
Vorgelegebauart, das folgende Merkmale aufweist:
- a) in einem ersten Kraftweg ist auf einer ersten Neben welle ein füll- und entleerbarer hydrodynamischer Drehmomentwandler angeordnet, der über Zahnradvorgele ge mit der An- und Abtriebswelle verbunden ist,
- b) in einem zweiten Kraftweg ist eine füll- und entleer bare Strömungskupplung angeordnet, deren Primärschau felrad von der Antriebswelle aus angetrieben wird und deren Sekundärschaufelrad auf die Abtriebswelle wirkt,
- c) die Strömungskupplung ist mittels einer mechanischen Kupplung überbrückbar,
gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:
- d) zwischen dem Turbinenrad (8) des Drehmomentwandlers (6) und der Abtriebswelle (2) ist ein Wechselgetriebe (10) angeordnet, dessen Gangstufen über Schiebemuffen und Klauenkupplungen (15, 20, 25) geschaltet werden können,
- e) die Klauenkupplungshälften sind auf Gleichlauf bring bar über eine für alle Gänge wirksame Synchronisier einrichtung,
- f) als Synchronisiereinrichtung dient die Strömungs kupplung, die als Stellkupplung (36) mit regelbarem Schlupf ausgebildet und auf einer zweiten Nebenwelle (35, 39) angeordnet ist, wobei deren Primärschaufelrad (37) über ein ins Schnelle übersetzendes Hochgangvor gelege (3, 34) angetrieben wird und deren Sekundär schaufelrad (38) über ein Zahnradvorgelege (40, 41) mit der Getriebeabtriebswelle (2) in Verbindung steht,
- g) die Übersetzung vom Sekundärschaufelrad (38) der Stellkupplung (36) zur Getriebeabtriebswelle (2) ist so gewählt, daß die Stellkupplung (36) bei Kraftfluß durch die Nabenwellen (35, 39) eine zwischen 5 und 15 Prozent höhere Abtriebsdrehzahl bewirken kann, als der Höchstgeschwindigkeit entspricht,
- h) zur Herstellung des Gleichlaufes der an der Schaltung jeweils beteiligten Klauenkupplungen (15, 20, 25) ist eine Steuereinrichtung (30) vorhanden, mit welcher nach einem aus momentanen Werten der Einflußgrößen Motorleistung, Getriebeeingangdrehzahl und Getriebe ausgangsdrehzahl gebildeten Umschaltsignal selbstätig eine Umschaltung ausgelöst wird, die in folgenden Schritten abläuft: Füllen der Stellkupplung (36), Aus rücken der im bisherigen Gang eingerückten Schalt klaue, Regelung des Schlupfes der Stellkupplung (36) auf einen dem neu einzulegenden Gang zugeordneten Sollwert für das Verhältnis der Abtriebsdrehzahl zur Eingangsdrehzahl des Getriebes, Einrücken der dem neuen Gang zugeordneten Schaltklaue, Entleeren der Stellkupplung (36).
2. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Pumpenrad (7) und das Turbinenrad (8) des Drehmomentwand
lers (6) mit einer Kupplung (20, 21, 22) überbrückbar sind.
3. Getriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnt, daß beide
Nebenwellen (5, 35) als Hohlwellen ausgebildet sind, wobei
auf der einen Nebenwelle das Pumpenrad (7) des Drehmoment
wandlers (6) angeordnet ist und durch die hindurch sich
eine mit dem Turbinenrad (8) verbundene elastische Welle
(9 a) erstreckt, und die andere Nebenwelle (35) als eine
Ölführung ausgebildet ist.
4. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Steuereinrichtung (30) zwei Drehzahlfüh
ler (28, 29) umfaßt, von denen einer eine der Getriebeein
gangsdrehzahl, der andere eine der Getriebeabtriebsdrehzahl
proportionale Drehzahl erfaßt, wobei aus den dadurch erfaß
ten Werten in der Steuereinrichtung für jeden Gang ein be
stimmter Wert für das Verhältnis der Abtriebsdrehzahl zur
Eingangsdrehzahl des Getriebes gebildet wird.
5. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß das von der Steuereinrichtung (30) stammende
Signal für das Einrücken der Schaltklaue für den neuen Gang
freigegeben ist, sobald die Abweichung des durch Schlupfre
gelung der Stellkupplung (36) erzielten Verhältnisses der
Abtriebsdrehzahl zur Antriebsdrehzahl des Getriebes vom
Sollwert für den betreffenden Gang circa zwei Prozent be
trägt.
6. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Steuereinrichtung (30) einen Fühler (51)
für die Meßgröße Motorleistung umfaßt, und daß mittels des
daraus ermittelten Signals der Umschaltbefehl von einem
Gang in den anderen auf umso höhere Absolutwerte für die
Eingangs- bzw. Abtriebsdrehzahl verschoben wird, je höher
die vom Antriebsmotor momentan abverlangte Leistung ist.
7. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Sekundärschaufelrad (38) der Stellkupp
lung (36) mit Bohrungen versehen ist, die tangential am
Schaufelprofil münden und nach innen zur Kupplunsachse hin
gerichtet sind, und daß sich im Flüssigkeitsaustritt aus
der Stellkupplung (36) eine Druckregeleinrichtung (45) be
findet, wobei das den Füllungsgrad der Stellkupplung (36)
bestimmende Ventil als ein auf unterschiedliche Ansprech
drücke einstellbares Überströmventil (46) ausgebildet ist.
8. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Stellkupplung (36) derart ausgebildet
ist, daß das während des Umschaltvorganges an der Getriebe
eingangswelle (1) auftretende Drehmoment bis zum einein
halbfachen des Motor-Nutzdrehmomentes beträgt.
9. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Eingangswelle (1) und Abtriebswelle (2)
des Getriebes koaxial angeordnet und mit einer Kupplung
(25) verbindbar sind.
10. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Schaltklauen (16, 17, 18, 19, 21, 22, 26,
27) an ihren Stirnseiten in beiden Umfangsrichtungen abge
schrägt sind.
11. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein hydrodynamischer Brems-Kreislauf (42)
vorgesehen ist.
12. Getriebe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der
hydrodynamische Bremskreislauf (42) im Getriebe integriert
ist und daß der Bremsrotor (43) auf derjenigen Welle (39)
angeordnet ist, auf der das Sekundärschaufelrad (38) der
Stellkupplung (36) befestigt ist.
13. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Drehmomentwandler (6) und die Stellkupp
lung (36) in einer Ebene angeordnet sind.
14. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Schiebemuffen (15, 20) für die Zahnrad
stufen auf der schnellaufenden Sekundärwelle (9) angeordnet
sind.
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