DE4323358C1 - Lastschaltgetriebe mit stufenlosen hydrostatischen Gangübersetzungen - Google Patents

Description

Lastschaltgetriebe mit stufenlosen hydrostatischen Gangüber­ setzungen, d. h. stufenlos wirkende hydrostatisch-mechanische Lastschaltgetriebe der im Oberbegriff des Patentanspruches angegebenen Art eignen sich vorteilhaft für Kraftfahrzeuge, da sie sich in weiten Bereichen stufenlos verstellen lassen und außerdem gute Wirkungsgrade haben. Der relativ große Stellbereich erlaubt den Betrieb der Brennkraftmaschine auf Vorzugskennlinien. Solche Kennlinien können z. B. die Kurve für minimalen Kraftstoffverbrauch oder eine Linie für ein gutes Beschleunigungsverhalten sein.

Das hydrostatisch-mechanische Lastschaltgetriebe nach der Of­ fenlegungsschrift DE 38 21 290 A1 hat ein vierwelliges Umlauf­ getriebe 4, von dem die Welle des größeren inneren Zentralra­ des 12 die Eingangswelle 9, die Welle des Steges 14 die Aus­ gangswelle 10, die Welle des Hohlrades 18 und die Welle des kleineren inneren Zentralrades 13 Anschlußwellen für ein stu­ fenlos einstellbares hydrostatisches Getriebe mit den Verdrän­ germaschinen 5 und 6 bilden. Die beiden inneren Zentralräder 12; 13 stehen mit Stufenplanetenrädern im Eingriff, die aus den Teilplanetenrädern 15 und 16 bestehen. Das Hohlrad 18 kämmt mit den größeren Teilplanetenrädern 16. Nach Fig. 1 las­ sen sich die Verdrängermaschine 5 über Vorgelege und Schalt­ kupplungen entweder mit dem Hohlrad 18 oder der Eingangswelle 9 und die Verdrängermaschine 6 entweder mit der Ausgangswelle 10 oder dem inneren Zentralrad 13 verbinden. Die Schaltkupp­ lungen ermöglichen drei aufeinander folgende Übersetzungsbe­ reiche. Ein anschließender vierter Übersetzungsbereich ent­ steht durch eine hydraulische Umsteuerung der Verdrängerma­ schine 5 und 6. Das Anfahren geschieht leistungsverzweigt, d. h. hydrostatisch-mechanisch. In den einzelnen Übersetzungs­ bereichen wird das Volumen der zu verstellenden Verdrängerma­ schinen nur zur Hälfte ausgenutzt. Dadurch ergeben sich rela­ tiv große Verdrängermaschinen. Außerdem erhöht sich der Auf­ wand dadurch, daß beide Verdrängermaschinen 5 und 6 volumen­ verstellbar sein müssen und daß eine Einrichtung zur hydrauli­ schen Umsteuerung vorzusehen ist.

Die Auslegungsschrift DE 15 00 322 offenbart ein hydrosta­ tisch-mechanisches Lastschaltgetriebe mit einem vierwelligen Umlaufgetriebe, bei dem die Welle des inneren Zentralrades R_M die Eingangswelle M und die Welle des inneren Zentralrades R_S die Ausgangswelle S bilden und bei dem ferner die Welle des inneren Zentralrades R₂ mittels einer Schaltkupplung f₂ entwe­ der frei läuft oder über ein Vorgelege mit einer hydrostati­ schen Verdrängermaschine B in Verbindung steht und bei dem schließlich die Stegwelle E mittels einer Schaltkupplung f₁ frei dreht oder über ein Vorgelege an die hydrostatische Ver­ drängermaschine A angeschlossen ist. Die Zentralräder R_M, R₂ und R_S kämmen mit Stufenplanetenrädern, die jeweils aus den drei Teilplanetenrädern r_m, r₂ und r₅ bestehen. Ferner lassen sich die Verdrängermaschine A über ein Vorgelege mit einer Schaltkupplung f₁ an die Ausgangswelle S und die Verdrängerma­ schine B über ein Vorgelege mit einer Schaltkupplung f₄ an die Eingangswelle M anschließen. Das Getriebekonzept realisiert drei Übersetzungsbereiche. Das Anfahren geschieht leistungs­ verzweigt. Nach Fig. 5 beläuft sich das Verhältnis der auf die maximale Antriebsleistung bezogenen hydrostatischen Ecklei­ stung auf (aC_A1/C_mo)·(N_A1/a_Nmo) = 1,54. Die hohe Eckleistung bedingt den Einsatz relativ großer Verdrängermaschinen, die außerdem alle volumenverstellbar sein müssen.

Fig. 8 der EP 0 302 188 A1 zeigt ein hydrostatisch-mechani­ sches Lastschaltgetriebe mit einem fünfwelligen Umlaufgetrie­ be, das aus drei Planetenstufen jeweils mit den Gliedern Sonnenrad 1′, Planetenradträger s′, Hohlrad 2′ und Sonnenrad 1′′, Planetenradträger s′′, Hohlrad 2′′ sowie Sonnenrad 1′′′, Pla­ netenradträger s′′′ und Hohlrad′′′ besteht. Es fungieren die ge­ koppelten Glieder 2′, 2′′ und s′′′ als Antriebswelle 1, s′ und s′′ als langsamlaufende, das Hohlrad 2′′′ als schnellaufende Koppelwelle, das Sonnenrad 1′ als Anschlußwelle für die volu­ menkonstante Verdrängermaschine b sowie die miteinander ver­ bundenen Sonnenräder 1′′ und 1′′′ als Koppelwelle für das hydro­ statisch-mechanische Anfahren.

Die Schrift WO 89/09899 beschreibt ein hydrosta­ tisch-mechanisches Lastschaltgetriebe mit einem fünfwelligen Umlaufgetriebe, zu dem ebenfalls 3 gekoppelte Planetenstufen gehören, und zwar die Stufe mit dem Sonnenrad 17, Planetenrad­ träger 12, Hohlrad 20, ferner die Stufe mit dem Sonnenrad 16, Planetenradträger 19, Hohlrad 14 und schließlich die Stufe mit dem Sonnenrad 22, Planetenradträger 24 und Hohlrad 25. Zur An­ triebswelle gehören die miteinander verbundenen Glieder Plane­ tenradträger 12 und Hohlrad 14, zur langsamlaufenden Koppel­ welle die gekoppelten Glieder Hohlrad 20 und Planetenradträger 24, zur schnellaufenden Koppelwelle die miteinander verbunde­ nen Sonnenräder 17 und 22, zum Anschluß der volumenkonstanten Verdrängermaschine 7 das Sonnenrad 16 und schließlich zur Kop­ pelwelle für das hydrostatisch-mechanische Anfahren das Hohl­ rad 25.

Die vorstehend geschilderten fünfwelligen Umlaufgetriebe der hydrostatisch-mechanischen Lastschaltgetriebe bauen relativ aufwendig und lang.

Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, für Lastschaltge­ triebe mit stufenlosen hydrostatischen Gangübersetzungen fünf­ wellige Umlaufgetriebe, die aus drei gekoppelten Planetenstu­ fen bestehen, mit einem vereinfachten Aufbau vorzuschlagen.

Das kennzeichnende Merkmal des Patentanspruches löst diese Aufgabenstellung.

Bei dem Ausführungsbeispiel für einen vollreversierbaren Traktor nach Fig. 1 besteht das fünfwellige Umlaufgetriebe aus drei gekoppelten Planetenstufen I, II, III mit einem gemeinsamen Steg s. Es gehören zur Planetenstufe I das Sonnenrad 1′′, die Teilplanetenräder p′′ und das Hohlrad 2′′, zur Planetenstufe II das Sonnenrad 1′ die Teilplanetenräder p′; p′′ und das Sonnenrad 1′′ und schließlich zur Planetenstufe III das Sonnenrad 1′, die Teilplanetenräder p′; p′′′ und das Sonnenrad 1′′′.

Die Eingangswelle 1 steht mit dem Steg s in Verbindung. Das Sonnenrad 1′′ fungiert als Koppelwelle C für das Anfahren mit den Rädern 2 und 3 für den 1. Gang. Das Hohlrad 2′ realisiert die schnellaufende Koppelwelle A für den 2. Gang mit den Rädern 4 und 5 sowie für den 4. Gang mit den Rädern 6 und 7. Das Sonnenrad 1′′′ bildet die langsamlaufende Koppelwelle E für den 3. Gang mit den Rädern 8 und 9 sowie für den 5. Gang mit den Rädern 10 und 11. Die einzelnen Gänge wirken auf die Ab­ triebswelle "ab". Die volumenkonstante Verdrängermaschine b steht über die Räder 12 und 13 mit dem Sonnenrad 1′ in Verbin­ dung. Die Räder 14 und 15 schließen die volumenverstellbare Verdrängermaschine a des hydrostatischen Getriebes an die Kur­ belwelle k der Brennkraftmaschine an. Die Räder 15 und 16 sowie 17, 18 und 19 bilden das antriebsseitige Wendegetriebe. Die Schaltungen besorgen die Doppelkupplungen K1 für das Wendegetriebe, K2 für den 2. und 4. Gang, K3 für den 3. und 5. Gang sowie die Kupplung K4 für den 1. Gang. Die Zapfwelle z steht über die Räder 20; 14 und 15 mit der Kurbelwelle k in Verbindung.

Bei der Anordnung von drei gleichmäßig am Stegumfang verteil­ ten Stufenplaneten erfüllen zum Beispiel die Zähnezahlen z_1′ = 45, z_1′′ = 60, z_1′′′ = 75, z_p′ = 45, z_p′′ = 30, z_p′′′ = 15 und z_2′ = -135 die Einbaubedingungen. Diese Zähnezahlen ermögli­ chen auch den notwendigen konstanten Achsabstand.

Die gewählten Zähnezahlen bestimmen die Standübersetzungen i_o, d. h. die Übersetzungen bei stehendem Planetenradträger, d. h. Steg der einzelnen Planetenstufen. So betragen für die Stufe I i_oI - z_2′/z_1′ = -3, für die Stufe II i_oII = z_p′z_1′′/z_1′z_p′′= 2 und für die Stufe III i_oIII= z_p′z_1′′′/z_1′z_p′′′ = 5.

Fig. 2 zeigt für das gewählte Beispiel das Drehzahlleiterdia­ gramm des fünfwelligen Umlaufgetriebes. Die Standübersetzungen bestimmen Lage und Abstand der Drehzahlleitern für die Glieder 2′; s; 1′′′; 1′′; 1′ bzw. für die Wellen A; s; E; C und B. Da sich die Drehzahlen n der einzelnen Wellen linear verhalten, gibt eine beliebige Gerade im Drehzahlleiterdiagramm den zuge­ hörigen Drehzahlzustand an. In Fig. 2 kennzeichnen die Gerade V den Anfahrzustand bei Vorwärtsfahrt und die Gerade R den An­ fahrzustand bei Rückwärtsfahrt. Die waagerechten Geraden KV bei Vorwärtsfahrt und KR bei Rückwärtsfahrt gelten jeweils für den Kupplungszustand der Planetenstufen I, II und III. Fig. 2 markiert die Drehzahlbereiche der jeweils leistungsführenden Gänge.

Nähere Erläuterungen zum Drehzahlleiterdiagramm lassen sich aus Müller, Herbert W. "Die Umlaufgetriebe" Springer Verlag, 1971, entnehmen.

Für das Stellverhältnis der Koppelwelle A gilt die Beziehung ϕ_A = (i_oI - 2)/i_oI und für das der Koppelwelle E die Glei­ chung (ϕ_E = i_oIII/(i_oIII - 2). Für gleiche Stellverhältnisse, also (ϕ_A = ϕ_E, muß die Bedingung i_oI + i_oIII = 2 erfüllt sein.

Fig. 3 stellt die Fahrgeschwindigkeiten v des Traktors abhän­ gig von der Übersetzung des hydrostatischen Getriebes i_ba = n_b/n_a dar. Das Diagramm gibt die leistungsführenden Koppelwel­ len sowie die jeweils zugehörigen Gänge an.

Zur weiteren Erläuterung bringen jeweils abhängig von der Fahrgeschwindigkeit v Fig. 4 das Abtriebsdrehmoment T_ab, Fig. 5, die zugehörige Leistung an der Kurbelwelle P_k, Fig. 6 die zugehörige hydrostatische Leistung P_B und Fig. 7 die zugehöri­ ge Gleitwälzleistung P_GW des fünfwelligen Umlaufgetriebes. Diese Darstellungen vernachlässigen die Verlustleistungen. Der Traktor erreicht bei einem Abtriebsdrehmoment Tab = 2000 Nm die Rutschgrenze. Die Fig. 4 bis 7 geben die jeweils lei­ stungsführenden Gänge an.

Konstruktive Untersuchungen haben ergeben, daß der Herstel­ lungsaufwand für das erfindungsgemäße Getriebe im Vergleich zu den Getrieben nach den eingangs erwähnten Patentschriften ge­ ringer ist. Darüber hinaus verkürzen sich die Baulängen. Setzt man für den als Beispiel gewählten 122,5 kW Traktor nach der erfindungsgemäßen Lösung die Baulänge für das fünfwellige Umlaufgetriebe mit 100% an, so beläuft sich diese bei etwa gleichem Bauquerschnitt bei den Vorschlägen nach Fig. 8 der EP 03 02 188 A1 auf 180% und nach der WO 89/09899 auf 240%.

Claims (1)

1. Lastschaltgetriebe mit stufenlosen hydrostatischen Gangüber­ setzungen, bestehend aus einem fünfwelligen Zahnräder-Umlaufge­ triebe, von dem eine Welle die Antriebswelle bildet, eine zweite Welle für den Anschluß einer hydrostatischen Verdrän­ germaschine dient, die mit einer an die Antriebswelle ange­ schlossenen Verdrängermaschine ein stufenlos einstellbares hy­ drostatisches Getriebe darstellt, und wobei ferner von dem genannten Umlaufgetriebe eine Welle als langsamlaufende, eine Welle als schnellaufende Koppelwelle und die noch ver­ bleibende fünfte Welle als Anfahrkoppelwelle fungieren, wobei die Koppelwellen abwechselnd über Zahnrad-Nachschaltstufen die durchzusetzende Leistung zur Abtriebswelle des Lastschaltgetriebes führen, wobei der Wechsel der einzelnen Gänge ohne Zugkraftunterbrechung und bei synchronen Drehzahlen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die in einem Planetenradträger, d. h. Steg (s) gelagerten Stufenplanetenräder aus drei Teilpla­ netenrädern (p′; p′′; p′′′) bestehen, von denen (p′) mit einem Sonnenrad (1′) und einem Hohlrad (2′), (p′′) mit einem Sonnenrad (1′′) und (p′′′) mit einem Sonnenrad (1′′′) kämmen, wobei die Glieder s die Antriebswelle, (1′) die Anschlußwelle (B) für die volumen­ konstante Verdrängermaschine (b), (1′′) die Anfahrkoppelwelle (C), (2′) die schnellaufende Koppelwelle (A) und (1′′′) die lang­ samlaufende Koppelwelle (E) bilden.