DE3926716A1

DE3926716A1 - Einrichtung und verfahren zum betrieb einer verstellbaren antriebseinheit

Info

Publication number: DE3926716A1
Application number: DE3926716A
Authority: DE
Inventors: Abdul Arain; Robert Paton; Heinrich Prof Dr Nikolaus
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1988-08-17
Filing date: 1989-08-12
Publication date: 1990-02-22

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer verstellbaren Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für Land- und Baumaschinen mit einer regelbaren Brennkraftmaschine und einem hydrostatisch-mechanischen Leistungsverzweigungsgetriebe mit stufenlos veränderlichem Übersetzungsverhältnis nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der Patentschrift (DE 35 12 523) ist ein stufenlos einstellbares leistungsverzweigendes Verbundlastschaltgetriebe mit Gruppenschaltungen bekannt. Das Getriebe besteht aus zwei Teilgetrieben. Das eine ist ein stufenlos einstellbares leistungsverzweigendes Koppelgetriebe mit mehreren Wellen. Das andere Teilgetriebe ist ein Schaltgetriebe mit einer Ganggruppe und mehreren Gruppengängen, die auf die Hauptabtriebswelle wirken. Die beiden Koppelwellen treiben alternativ das Schaltgetriebe an. Die Gangschaltungen erfolgen bei Synchrondrehzahlen lastfrei und ohne Zugkraftunterbrechung. Das Getriebe wirkt wie ein stufenloses Getriebe mit großem Stellbereich und erlaubt in einem Fahrzeug das Betreiben der Brennkraftmaschine entlang der Kurve für minimalen Kraftstoffverbrauch und ermöglicht so Kraftstoffeinsparung.

Antriebseinheiten mit hydrostatisch-mechanischen Leistungsverzweigungsgetrieben für Kraftfahrzeuge sind in bestimmten Betriebszuständen des Kraftfahrzeugs, z. B. Anfahren und Fahren mit besonders niedriger Geschwindigkeit bei hoher Last, mit besonders hohen Verlusten behaftet. Bei stehendem Fahrzeug und eingeschaltetem ersten Fahrbereich erreicht die als Verstellpumpe ausgebildete Primäreinheit bereits im Leerlauf bei Nenndrehzahl der Brennkraftmaschine ihr maximales Fördervolumen, wodurch sich hohe hydrostatische Leerlaufverluste ergeben. Mit zunehmender Lastaufnahme beim Anfahren reduziert sich zwar das Fördervolumen der Verstellpumpe, durch die lastabhängige Druckzunahme bleiben die hydraulischen Verluste jedoch beträchtlich, so daß in diesem Betriebsbereich der Gesamtwirkungsgrad schlecht ist. Ferner führen das große Fördervolumen der Verstellpumpe bei hohen Drücken in Zusammenhang mit den von einer Brennkraftmaschine bei Nenndrehzahl auf den Hydrostaten übertragenen hohen Drehzahlen zu frühzeitigem Verschleiß und zu hoher Geräuschemission des Getriebes.

Für Kraftfahrzeuge, die häufig aus dem Stillstand anfahren und/oder Dauerbetriebszustände bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten und hoher Last haben, wie z. B. Land- und Baumaschinen, ist der Betrieb hydrostatisch- mechanischer Leistungsverzweigungsgetriebe daher besonders problematisch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer verstellbaren Antriebseinheit mit einer regelbaren Brennkraftmaschine und einem hydrostatisch-mechanischen Leistungsverzweigungsgetriebe so zu verbessern, daß Kraftfahrzeuge, die häufig anfahren und/oder bei sehr niedriger Geschwindigkeit unter hoher Last fahren, mit einem erhöhten Wirkungsgrad des Getriebes betrieben werden können bei verringertem Verschleiß, verminderter Geräuschemission und niedrigerer Brennkraftmaschinendrehzahl.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine gemeinsame Regeleinrichtung für die Brennkraftmaschine und das Leistungsverzweigungsgetriebe vorgesehen ist, die in einer ersten Phase eines Anfahrvorganges unter Vollast die Drehzahl n _Mot der Brennkraftmaschine auf einen Wert unterhalb der Nenndrehzahl einstellt, die Verstellpumpe auf maximales Fördervolumen verschwenkt und die Schaltkupplung für den ersten Fahrbereich des Leistungsverzweigungsgetriebes einrückt, daß während einer zweiten Phase des Anfahrvorganges das Fördervolumen der Verstellpumpe durch die Regeleinrichtung bei reduzierter Drehzahl n _Mot verringert wird bis zum Stillstand des Hydromotors, daß in einer dritten Phase des Anfahrvorganges die Geschwindigkeit des Fahrzeugs bei stillstehendem Hydromotor durch Anhebung der Drehzahl n _Mot auf Nenndrehzahl erhöht wird und daß anschließend die Geschwindigkeit allein durch Veränderung des Fördervolumens der Verstellpumpe bzw. Bereichsumschaltung der Schaltkupplungen bis zur Sollgeschwindigkeit ansteigt.

Diese Einrichtung und dieses Verfahren zum Betrieb einer stufenlos verstellbaren Antriebseinheit mit einer regelbaren Brennkraftmaschine und einem hydrostatisch- mechanischen Leistungsverzweigungsgetriebe für ein Kraftfahrzeug hat die Vorteile, daß die Leistung der Brennkraftmaschine auf das Übersetzungsverhältnis des Leistungsverzweigungsgetriebes am Anfahrpunkt und bei sehr niedriger Geschwindigkeit unter hoher Last besser abgestimmt ist, so daß die Traktion des Kraftfahrzeuges optimal genutzt ist, der Leistungsfluß im hydrostatischen Getriebezweig verringert und der Gesamtwirkungsgrad des Leistungsverzweigungsgetriebes verbessert wird. Der Aufbau des Leistungsverzweigungsgetriebes wird durch diese Verbesserung nicht verändert.

Hydrostatisch-mechanische Leistungsverzweigungsgetriebe haben theoretisch ein unendliches Übersetzungsverhältnis und bieten entsprechend hohes Drehmoment beim Anfahren und bei niedriger Geschwindigkeit an den Antriebsachsen. Die Traktion eines Kraftfahrzeuges kann jedoch beim Anfahren und bei niedrigen Geschwindigkeiten nur ein begrenztes Drehmoment übertragen.

Das verfügbare Drehmoment der Brennkraftmaschine am Eingang des hydrostatisch-mechanischen Leistungsverzweigungsgetriebes kann daher reduziert werden, ohne daß hierdurch Nachteile beim Anfahren und bei niedriger Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges entstehen. Zusätzlich können durch die Erfindung die Belastung und der Verbrauch der Brennkraftmaschine reduziert werden.

In vorteilhafter Weise kann gemäß Anspruch 2 die Regeleinrichtung die Drehzahl der Brennkraftmaschine auf höchstens die Hälfte ihrer Nenndrehzahl beschränken. Dabei wird allerdings vermieden, daß die Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine unterschritten wird.

Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann sind im Rahmen der Erfindung weitere Kombinationen ohne weiteres möglich.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Einrichtung.

Fig. 2 zeigt in einem Diagramm die Drehzahlverhältnisse und den Druckverlauf einer stufenlos verstellbaren Antriebseinheit, bestehend aus regelbarer Brennkraftmaschine und hydrostatisch- mechanischem Leistungsverzweigungsgetriebe nach dem Stand der Technik.

Fig. 3 zeigt in einem Diagramm die Drehzahlverhältnisse und den Druckverlauf einer stufenlos verstellbaren Antriebseinheit, bestehend aus regelbarer Brennkraftmaschine und hydrostatisch- mechanischem Leistungsverzweigungsgetriebe gemäß dem erfinderischen Vorschlag.

Fig. 1: An einem Fahrschalter 1 wird eine frei wählbare Geschwindigkeit eingestellt. Am Fahrschalter 1 kann ein Economy-Programm zum Betrieb einer Brennkraftmaschine 2 bei niedrigen Verbrauchswerten und ein Vollast-Programm zum Betrieb der Brennkraftmaschine 2 bei Nenndrehzahl gewählt werden. Eine Regeleinrichtung 3 tauscht über Leitungen 4, 5 elektrische Signale, z. B. Vorgabe und Rückmeldung, mit dem Fahrschalter 1 aus. Eine verstellbare Antriebseinheit besteht aus einer regelbaren Brennkraftmaschine 2 herkömmlicher Bauart, die ein hydrostatisch-mechanisches Leistungsverzweigungsgetriebe 6 antreibt. Zwischen der Brennkraftmaschine 2 und dem Leistungsverzweigungsgetriebe 6 befindet sich keine schaltbare Kupplung. Die Regeleinrichtung 3 bekannter Bauart, z. B. eine elektronische Regeleinrichtung, kontrolliert automatisch die Drehzahl der Brennkraftmaschine 2 und das Übersetzungsverhältnis des stufenlos verstellbaren hydrostatisch-mechanischen Leistungsverzweigungsgetriebes 6, so daß die vorgewählte Geschwindigkeit angesteuert wird. Hierzu befinden sich nicht dargestellte Meßwertaufnehmer an einer motordrehzahlabhängig angetriebenen Eingangswelle 7 und an einer Getriebeausgangswelle 8, die die Wellendrehzahlen über Leitungen 9, 10 an die Regeleinrichtung 3 weitergeben. Die Regeleinrichtung 3 vergleicht die Drehzahlmeßwerte mit den Vorgaben vom Fahrschalter 1. In Abhängigkeit von in der Regeleinrichtung 3 gespeicherten Fahrprogrammen gehen von der Regeleinrichtung 3 Stellsignale über die Leitungen 11, 12 an die Brennkraftmaschine 2 und an das Leistungsverzweigungsgetriebe 6.

Die Regelung der Brennkraftmaschine erfolgt in üblicher Weise durch Drosselung des Luftansaugquerschnittes oder durch Regelung der Brennstoffeinspritzmenge.

Das Übersetzungsverhältnis des hydrostatisch- mechanischen Leistungsverzweigungsgetriebes 6 kann stufenlos verändert werden, indem das Fördervolumen der Primäreinheit 13 und damit die Drehzahl einer als Hydromotor ausgebildeten Sekundäreinheit 14 des hydrostatischen Zweiges 15 des Getriebes 6 kontinuierlich verstellt wird. Die als Verstellpumpe ausgebildete Primäreinheit 13 im hydrostatischen Getriebezweig 15 ist über die Antriebswelle 7 von der regelbaren Brennkraftmaschine 2 direkt angetrieben und dreht sich mit einer Drehzahl proportional zur Drehzahl der Brennkraftmaschine 2. Der kontinuierliche Übersetzungsbereich des hydrostatischen Getriebezweiges 15 im Leistungsverzweigungsgetriebe 6 wird durch Getriebeelemente, z. B. Planetengetriebe im mechanischen Getriebezweig 16 des Leistungsverzweigungsgetriebes 6, vervielfacht.

Die Brennkraftmaschine 2 treibt über ein Vorgelege 19 und eine Welle 20 den mechanischen Getriebezweig 16 an, der mindestens ein Koppelgetriebe (nicht dargestellt) enthält. Koppelwellen 21, 22 der Koppelgetriebe sind angetrieben mit stufenlos variablen Drehzahlen, die sich aus der Summierung der stufenlos variablen Drehzahlen des Hydromotors 14 und der konstanten Drehzahl der Welle 20 ergeben.

Kupplungen 23 verbinden wahlweise eine der Koppelwellen 21 oder 22 mit der Getriebeausgangswelle 8, die eine Hinterachse 24 antreibt.

Funktionsbeschreibung

Fig. 2: Nach dem Stand der Technik erfolgt das Anfahren mit einer stufenlos verstellbaren Antriebseinheit unter Vollast aus dem Stand bei Nenndrehzahl der Brennkraftmaschine 2 (Linie L 1). Die Drehzahl der Brennkraftmaschine 2 bleibt über den gesamten Geschwindigkeitsbereich konstant. Die Verstellpumpe 13 ist von der Brennkraftmaschine 2 direkt angetrieben und dreht mit einer zur Nenndrehzahl der Brennkraftmaschine 2 proportionalen Geschwindigkeit. Linie L 2 zeigt den Drehzahlverlauf des Hydromotors 14 und Linie L 3 den Druckverlauf im Hydrostaten 15 über der Geschwindigkeit mit dessen absolutem Maximum im Anfahrbereich.

Fig. 3, Punkt P 1: Zum Anfahren des Kraftfahrzeuges unter Vollast nimmt die Regeleinrichtung 3 gemäß der Erfindung zunächst die Nenndrehzahl der Brennkraftmaschine 2 zurück, so daß die Brennkraftmaschine 2 mit niederer Drehzahl oder höchstens mit halber Nenndrehzahl läuft. Die Verstellpumpe 13 im Hydrostaten 15 dreht dann ebenfalls mit der Hälfte der Nenndrehzahl und treibt mit zunehmendem Fördervolumen den Hydromotor 14 an. Hat der Hydromotor 14 im Hydrostaten 15 eine Drehzahl erreicht, deren Summierung mit einer konstanten Drehzahl in einem Koppelgetriebe (nicht dargestellt) an der den 1. Fahrbereich betreffenden Koppelwelle 21 oder 22 die Drehzahl Null erzeugt, betätigt die Regeleinrichtung 3 die Kupplung 23 für den ersten Schaltbereich des mechanischen Getriebezweiges 16. An der Ausgangswelle 8 des Leistungsverzweigungsgetriebes ist dann die Drehzahl noch gleich Null.

P 1-P 2: Die Regeleinrichtung 3 wirkt auf die Verstellvorrichtung 25 und reduziert das Fördervolumen der Verstellpumpe 13. Die Drehzahl des Hydromotors 14 (Linie L 2) nimmt ab. Die Drehzahl der Welle 20 des mechanischen Getriebezweiges 16 bleibt proportional zur konstanten Drehzahl der Brennkraftmaschine 2. Die Summierung der abnehmenden und der konstanten Drehzahl im Koppelgetriebe ergibt eine Differenzdrehzahl, die Getriebeausgangswelle 8 beginnt sich zu drehen, und das Kraftfahrzeug setzt sich in Bewegung.

Punkt P 2: Die Verstellpumpe 13 fördert nur noch die Menge, die nötig ist, um den Hydromotor 14 bei Drehzahl Null zu halten und Leckageverlust auszugleichen.

P 2-P 3: Die weitere Anhebung der Kraftfahrzeuggeschwindigkeit erfolgt über Anhebung der Drehzahl der Brennkraftmaschine 2 (Linie L 1) bis zur Nenndrehzahl. Die Drehzahl der Verstellpumpe 13 und des mechanischen Zweigs 16 des Leistungsverzweigungsgetriebes 6 erhöht sich proportional zur Drehzahl der Brennkraftmaschine 2. Das Fördervolumen der Verstellpumpe 13 bleibt konstant gering (Linie L 2). Die Drehzahl des Hydromotors 14 ist weiterhin Null. Der Leistungsfluß durch den Hydrostaten 15 ist gering, und das Getriebe 6 läuft bei einem günstigen Wirkungsgrad.

Ab Punkt P 3: Die Geschwindigkeit wird weiter angehoben, indem die Verstellpumpe 13 weiter auf ein größeres Fördervolumen geregelt wird, so daß der Hydromotor 14 wieder beschleunigt wird (Linie L 2). Die Brennkraftmaschine 2 bleibt konstant bei Nenndrehzahl (Linie L 1). Die vorgewählte Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges wird durch Umschaltung im mechanischen Getriebezweig 16 und Änderung des Fördervolumens im hydrostatischen Getriebezweig 15 des Leistungsverzweigungsgetriebes 6 erreicht.

Vorzugsweise wird zum Anfahren unter Last die Drehzahl der Brennkraftmaschine 2 beim Stillstand des Kraftfahrzeuges auf die Hälfte der Nenndrehzahl geregelt und behält dann diese Drehzahl bei, während die Verstellpumpe 13 das Fördervolumen reduziert. Bei Stillstand des Hydromotors 14 im Hydrostaten 15 soll dann die weitere Geschwindigkeitserhöhung des Kraftfahrzeuges durch Anheben der Drehzahl der Brennkraftmaschine 2 bis Nenndrehzahl erreicht werden, und daran anschließend soll die weitere Geschwindigkeitserhöhung des Kraftfahrzeuges wieder durch die Verstellung des Leistungsverzweigungsgetriebes 6 erfolgen, bis die vorgewählte Geschwindigkeit erreicht ist.

Im Rahmen der Erfindung ist aber auch eine andere Aufteilung der Anteile, die die Drehzahländerung der Brennkraftmaschine 2 an der Erhöhung der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges beim Anfahren unter Vollast hat, möglich.

Bezugszeichen:

1 Fahrschalter
2 Brennkraftmaschine
3 Regeleinrichtung
4 Leitung
5 Leitung
6 Leistungsverzweigungsgetriebe
7 Welle
8 Getriebeausgangswelle
9 Leitung
10 Leitung
11 Leitung
12 Leitung
13 Verstellpumpe
14 Hydromotor
15 Hydrostatischer Getriebezweig
16 Mechanischer Getriebezweig
17 Vorgelege
18 Hohlwelle
19 Vorgelege
20 Welle
21 Koppelwelle
22 Koppelwelle
23 Kupplung
24 Hinterachse
n _Mot Drehzahl der Brennkraftmaschine
Linie L 1 Brennkraftmaschinendrehzahlverlauf über der Kfz-Geschwindigkeit
Linie L 2 Hydromotordrehzahlverlauf über der Kfz-Geschwindigkeit
Linie L 3 Hydrostatdruckverlauf über der Kfz-Geschwindigkeit
Punkt P 1 Anfahrpunkt
P 1-P 2 Fördervolumenreduktion bei konstanter Drehzahl der Brennkraftmaschine
P 2-P 3 Brennkraftmaschinendrehzahlanhebung bei konstantem Fördervolumen

Claims

1. Einrichtung und Verfahren zum Betrieb einer Antriebseinheit für Kraftfahrzeuge, insbesondere für Land- und Baumaschinen, die aus einer in ihrer Drehzahl n _Mot regelbaren Brennkraftmaschine und einem stufenlos verstellbaren hydrostatisch-mechanischen Leistungsverzweigungsgetriebe besteht, dessen mehrwelliges Koppelgetriebe und dessen eine Verstellpumpe aufweisendes Stellgetriebe von der Brennkraftmaschine angetrieben werden, wobei eine Drehzahl eines Hydromotors des Stellgetriebes dem Koppelgetriebe überlagert wird und wobei Koppelwellen des Koppelgetriebes, die an Stellbereichsgrenzen des Stellgetriebes synchrone Drehzahlen aufweisen, über Schaltkupplungen wechselweise mit einer Ausgangswelle verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemeinsame Regeleinrichtung (3) für die Brennkraftmaschine (2) und das Leistungsverzweigungsgetriebe (6) vorgesehen ist, die in einer ersten Phase eines Anfahrvorganges unter Vollast die Drehzahl n _Mot auf einen Wert unterhalb der Nenndrehzahl einstellt, die Verstellpumpe (13) auf maximales Fördervolumen verschwenkt und die Schaltkupplung (23) für den ersten Fahrbereich des Leistungsverzweigungsgetriebes (6) einrückt, daß während einer zweiten Phase (P 1-P 2) des Anfahrvorganges das Fördervolumen der Verstellpumpe (13) durch die Regeleinrichtung (3) bei reduzierter Drehzahl n _Mot verringert wird bis zum Stillstand des Hydromotors (14),
daß in einer dritten Phase des Anfahrvorganges (P 2- P 3) die Geschwindigkeit des Fahrzeuges bei stillstehendem Hydromotor (14) durch Anhebung der Drehzahl n _Mot auf Nenndrehzahl erhöht wird und
daß anschließend die Geschwindigkeit allein durch Veränderung des Fördervolumens der Verstellpumpe (13) bzw. Bereichsumschaltung der Schaltkupplungen (23) bis zur Sollgeschwindigkeit ansteigt.

2. Einrichtung und Verfahren zum Betrieb einer Antriebseinheit für Kraftfahrzeuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (3) beim Anfahren des Kraftfahrzeuges unter Vollast zunächst die Brennkraftmaschinendrehzahl n _Mot auf höchstens die Hälfte der Nenndrehzahl beschränkt unter der Voraussetzung, daß dabei die Leerlaufdrehzahl nicht unterschritten wird.