DE4422444C2 - Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe zum Antrieb von drehzahlvariablen Arbeitsmaschinen und Verfahren zum Betreiben - Google Patents
Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe zum Antrieb von drehzahlvariablen Arbeitsmaschinen und Verfahren zum BetreibenInfo
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- F16H47/00—Combinations of mechanical gearing with fluid clutches or fluid gearing
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Description
Die Erfindung betrifft ein Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe
zum Antrieb von drehzahlvariablen Arbeitsmaschinen, im Einzelnen mit den
Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruches 1; ferner ein Verfahren zum
Betreiben eines derartigen Kraftübertragungsaggregates.
Hydrodynamisch-mechanische Verbundgetriebe zum Antrieb einer
drehzahlvariablen Arbeitsmaschine sind in verschiedenen Ausführungen und
Anordnungen bekannt, beispielsweise wie in der US 4,726,255, die eine
gattungsgemäße Ausführungsform eines hydrodynamisch-mechanischen
Verbundgetriebes offenbart, deren Aggregat-Elemente koaxial zueinander
angeordnet sind, beschrieben. Bei diesen Ausführungen wird der
Anfahrvorgang in der Regel mittels einer hydrodynamischen Regelkupplung
realisiert, die im Regelbetrieb überbrückt wird. Im Regelbetrieb erfolgt die
mechanische Durchkopplung zwischen An- und Abtrieb. Die
Drehzahländerung auf der Abtriebsseite erfolgt durch Änderung der
Leitschaufelverstellung am Drehmomentenwandler.
In der DE-AS 12 14 967 ist ein hydrodynamisches Schaltgetriebe für
Kraftfahrzeuge offenbart. Dieses arbeitet nach dem Prinzip der
Leistungsteilung. Das Getriebe umfaßt einen hydrodynamischen Wandler und
einen mechanischen Getriebeteil, welcher von einem Planetenrad-Diffe
rentialgetriebe gebildet wird, wobei die einzelnen Elemente des Planetenrad-
Differentialgetriebes mittels mechanischer Einrichtungen abbremsbar sind.
Eine Änderung der Abtriebsdrehzahl wird durch die Änderung der
Antriebsdrehzahl realisiert.
Probleme derartiger Ausführungen bestehen vor allem in einem aufgrund der
Vielzahl der Funktionen bedingten erhöhten Bauteilaufwand, da für die
Realisierung bestimmter Funktionen separate Elemente eingesetzt werden.
Des weiteren ist ein Anfahren bei großem abtriebsseitigen
Massenträgheitsmoment nicht immer ohne Probleme möglich.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein
Kraftübertragungsaggregat in Form eines hydrodynamisch-mechanischen
Verbundgetriebes zum Antrieb drehzahlvariabler Arbeitsmaschinen derart
weiterzuentwickeln, daß die genannten Nachteile unter Beibehaltung der
Vorteile vermieden werden. Das Kraftübertragungsaggregat soll sich dabei
durch einen möglichst geringen Bauaufwand, die Realisierung eines
optimalen Anfahrverhaltens, auch beim Antrieb von Arbeitsmaschinen mit
hohen Massenträgheitsmomenten, um ein Abwürgen des Antriebes zu
vermeiden, sowie einen möglichst großen Regelbereich auszeichnen.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruches 1 charakterisiert.
Erfindungsgemäß umfaßt das Kraftübertragungselement eine Ein- und eine
Ausgangswelle, einen hydrodynamischen Drehmomentenwandler sowie ein
Differentialgetriebe, wobei ein erstes Getriebeteil des Differentialgetriebes mit
der Ausgangswelle dauernd, das Turbinenrad des hydrodynamischen
Drehmomentenwandlers jedoch wahlweise mit einer Zwischenwelle, welche
mit einem zweiten Getriebeteil des Differentialgetriebes verbunden ist, oder
mit einer Überlagerungswelle, welche mit einem dritten Getriebeteil des
Differentialgetriebes in Verbindung steht, koppelbar ist.
Der hydrodynamische Drehmomentenwandler und das Differential sind koaxial
zueinander angeordnet. Die allgemein koaxiale Anordnung der einzelnen
Aggregat-Elemente ermöglicht eine sehr kompakte Bauweise des
hydrodynamisch-mechanischen Verbundgetriebes. Des weiteren wird
gegenüber den konventionell ausgeführten Mehrkreisregelantrieben, wie
beispielsweise in der US 4,726,255 beschrieben, auf den Einsatz einer
hydrodynamischen Regelkupplung, welche speziell für den Anfahrvorgang
Verwendung findet, verzichtet. Diese Funktion und weitere zusätzliche
Funktionen, wie beispielsweise die Drehzahl-Drehmomentenänderung im
Regelbetrieb oder die Synchronisation werden mit weniger Aufwand, d. h.
weniger Bauteilen durch den hydrodynamischen Wandler, welcher im
Regelbetrieb beispielsweise durch Änderung der Leitschaufelverstellung auf
die Abtriebsdrehzahl über das Differential einwirken kann, realisiert. Mit dem
hydrodynamischen Drehmomentenwandler können somit aufgrund der
Koppelmöglichkeiten mit anderen Bauelementen verschiedene Aufgaben von
einem Aggregat-Element erfüllt werden, wo ansonsten eine Vielzahl
erforderlich wäre. Beim Anmeldungsgegenstand dient der Wandler zum
Anfahren und im Regelbetrieb zum Antrieb der Überlagerungswelle. Aufgrund
dessen, daß immer noch der Hauptteil der Leistung über den direkten
Durchtrieb zwischen Einganswelle und Zwischenwelle übertragen wird, muß
der Wandler nur füreinen geringen Teil der zu übertragenden Gesamtleistung
bemessen werden, wodurch nur ein verhältnismäßig kleiner Wandler benötigt
wird, dessen relativ schlechter Gesamtwirkungsgrad sich somit nur sehr
geringfügig auf den Gesamtwirkungsgrad des hydrodynamisch-mechanischen
Verbundgetriebes auswirkt.
Die Verwendung des Wandlers als Anfahrwandler bietet den Vorteil der
Ausnutzung der vorteilhaften Eigenschaften speziell für den Anfahrvorgang.
Die Möglichkeit der wahlweisen Kopplung zwischen Eingangswelle und
Zwischenwelle auf direktem Wege oder aber indirekt über den
Drehmomentenwandler bietet den Vorteil, bewußt die Vorteile des
hydrodynamischen Wandlers für den Anfahrvorgang auszunutzen und des
weiteren diesen als einfachen Drehzahl-Drehmomentenwandler zur aktiven
Regelung der Abtriebsdrehzahl im Regelbetrieb zu nutzen. Zusätzlich kann
der hydrodynamische Wandler als Synchronisierwandler genutzt werden. Des
weiteren bietet das erfindungsgemäß ausgeführte hydrodynamisch-
mechanische Verbundgetriebe zu jedem Zeitpunkt die Möglichkeit der
Herbeiführung einer Entkopplung zwischen Antrieb- und Arbeitsmaschine.
Zusätzlich ist zwischen Überlagerungswelle und Differentialgetriebe eine
weitere Getriebeeinheit in Form eines Übersetzungsgetriebes
zwischengeordnet. Diese ist vorzugsweise als Standgetriebe in Form eines
Planetenradgetriebes mit feststehendem Steg ausgeführt. Entsprechend der
Gestaltung und Dimensionierung von Differentialgetriebe und Standgetriebe
sowie in Abhängigkeit der Turbinenraddrehzahl können verschiedene
Übersetzungsaufgaben gelöst werden.
Mit der erfindungsgemäßen Ausführung eines hydrodynamisch-mechanischen
Verbundgetriebes gemäß Anspruch 1 und dem Verfahren zum Betreiben eines
derartigen Aggregates gemäß Anspruch 16 ist es somit möglich, ein
kompaktes Kraftübertragungselement, insbesondere einen Drehzahl-
Drehmomentwandler, zu realisieren, bei dem eine Vielzahl von Funktionen mit
möglichst wenigen Elementen realisiert wird.
Das hydrodynamisch-mechanische Verbundgetriebe kann dabei
beispielsweise folgendermaßen aufgebaut sein:
Das hydrodynamisch-mechanische Verbundgetriebe umfaßt einen hydrodynamischen Drehmomentenwandler, ein Differentialgetriebe in Form eines Umlaufgetriebes und ein Standgetriebe. Diese Komponenten sind koaxial zu einer Achse im Getriebegehäuse angeordnet.
Das hydrodynamisch-mechanische Verbundgetriebe umfaßt einen hydrodynamischen Drehmomentenwandler, ein Differentialgetriebe in Form eines Umlaufgetriebes und ein Standgetriebe. Diese Komponenten sind koaxial zu einer Achse im Getriebegehäuse angeordnet.
Der hydrodynamische Drehmomentenwandler umfaßt ein Pumpenrad, ein
Leitrad und ein Turbinenrad.
Das Umlaufgetriebe ist vorzugsweise als Planetenradgetriebe ausgeführt; es
umfaßt im einfachsten Fall ein Sonnenrad, Planetenräder sowie ein Hohlrad.
Das Sonnenrad des Umlaufgetriebes ist drehfest auf einer Abtriebswelle,
welche mit dem Abtrieb gekoppelt ist, und beispielsweise der Ausgangswelle
entspricht, angeordnet.
Das Standgetriebe weist eine Planetengetriebeanordnung mit feststehendem
Steg auf. Das Standgetriebe umfaßt ein Hohlrad, Planetenräder und ein
Sonnenrad. Der Planetenträger, d. h. der Steg des Standgetriebes, ist fest mit
dem Gehäuse des Getriebes verbunden.
Die Planetenräder des Umlaufgetriebes sind über einen Planetenträger
miteinander verbunden. Dieser Planetenträger ist jedoch nicht feststehend,
sondern steht beispielsweise mit dem Hohlrad des Standgetriebes in
unmittelbarer Verbindung.
Das Pumpenrad des Drehmomentenwandlers ist drehfest mit einer
Antriebswelle, welche mit dem Antrieb in Verbindung steht und beispielsweise
der Eingangswelle entspricht, verbunden. Die Antriebswelle ist beispielsweise
über ein Kupplungselement mit einer Zwischenwelle verbindbar, welche
unmittelbar mit dem Umlaufgetriebe gekoppelt ist. Beispielsweise ist das
Hohlrad des Umlaufgetriebes drehfest auf der Zwischenwelle angeordnet.
Das Turbinenrad des hydrodynamischen Drehmomentenwandlers ist über ein
weiteres zweites Kupplungselement wahlweise mit der Zwischenwelle oder
aber mit einer Nebenantriebswelle, die auch als Überlagerungswelle
bezeichnet wird, koppelbar. Auf der Nebenantriebswelle sind dabei
beispielsweise das Sonnenrad des Standgetriebes und bei Einsatz einer
hydrodynamischen Bremse zum Abbremsen der Nebenantriebswelle dessen
Rotorschaufelrad drehfest gelagert.
Zur Realisierung der Schaltfunktionen sind entsprechende Kupplungselemente
einsetzbar, die verschiedenartig ausgeführt sein können, beispielsweise als
Klauen- oder Zahnkupplungen. Des weiteren besteht die Möglichkeit, die
Verbindung beispielsweise zwischen der Antriebswelle und der Zwischenwelle
durch eine Schiebewellenanordnung zu realisieren.
Eine weitere Möglichkeit wäre allgemein die wahlweise Realisierung eines
Form- und/oder Kraftschlusses zwischen dem Turbinenrad und der
Zwischenwelle oder der Überlagerungswelle oder aber eines Form- oder
Kraftschlusses zwischen der Eingangs- und der Zwischenwelle.
Die hier beschriebene realisierte Verbindung von Zwischenwelle und
Differential kann auch anders ausgeführt sein, beispielsweise kann die
Verbindung zwischen Antriebswelle, Zwischenwelle und Differential über die
Kopplung von Zwischenwelle mit dem Steg oder dem Sonnenrad erfolgen.
Die entsprechenden Elemente Überlagerungswelle bzw. Standgetriebe und
Abtrieb stehen dann mit anderen Getriebeteilen des Differentialgetriebes in
Verbindung. Die entsprechende Ausführung und Dimensionierung der
Einzelelemente erfolgt jedoch immer entsprechend den Erfordernissen des
Einsatzfalles.
Allgemein ist das erfindungsgemäß aufgebaute hydrodynamisch-mechanische
Verbundgetriebe gemäß Anspruch 16 derart zu betreiben, daß im
Anfahrbereich die Eingangswelle über den hydrodynamischen
Drehmomentenwandler mit der Zwischenwelle, welche mit einem Getriebeteil
des Differentialgetriebes verbunden ist, gekoppelt wird und der
hydrodynamische Drehmomentenwandler dabei mit Betriebsflüssigkeit befüllt
wird. Bei Befüllung des hydrodynamischen Wandlers entsteht nun am
Turbinenrad ein Moment, welches die Zwischenwelle beschleunigt. Dieses
Moment wird an der Überlagerungswelle bei Einsatz einer, der
Überlagerungswelle zugeordneten Bremse durch diese abgestützt. Ansonsten
wird entsprechend den Übersetzungsverhältnissen zwischen
Differentialgetriebe und Standgetriebe die Überlagerungswelle
entgegengesetzt angetrieben. Dieser Bewegung wirkt nur die Trägheit der
Überlagerungswelle entgegen.
Beim Einsatz einer hydrodynamischen Bremse, welche der
Überlagerungswelle zugeordnet ist wird bei Befüllung dieser die Drehzahl der
Überlagerungswelle und damit aufgrund der Kopplung mit dem
Differentialgetriebe die Drehzahl des mit der Überlagerungswelle gekoppelten
Getriebeteiles verringert. Vorzugsweise sind Mittel zur Steuerung des mit der
hydrodynamischen Bremse erzeugten Bremsmomentes vorhanden
beispielsweise können zusätzlich Stellschaufeln vorgesehen werden, durch
deren Verstellung bei gleichbleibenden Füllungsgrad der hydrodynamischen
Bremse aktiv Einfluß auf das erzeugbare Bremsmoment genommen werden
kann. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Füllungsgrad der
hydrodynamischen Bremse zu verändern. Ist der hydrodynamische Wandler
ganz gefüllt, kann beispielsweise durch Schaufelradverstellung am Leitrad die
Zwischenwelle noch weiter beschleunigt werden. Dadurch steigt auch die
Abtriebsdrehzahl. Erreicht die Zwischenwelle die gleiche Drehzahl wie die
Eingangswelle, wird die Eingangswelle direkt mit der Zwischenwelle
gekoppelt. Der Wandler hat zum Zeitpunkt der Kopplung zwischen
Eingangswelle und Zwischenwelle keine Funktion mehr und wird entleert. Das
zur Realisierung der Kopplung von Turbinenrad mit den anderen Bauteilen
verwendete Kupplungselement wird in die neutrale Mittelstellung gebracht.
Der weitere Regelbetrieb funktioniert analog wie bei den konventionellen
Mehrkreisregelantrieben, d. h. beispielsweise durch Öffnen der Stellschaufeln
der Bremse wird der Nebenantrieb, d. h. die Überlagerungswelle abgebremst.
Dadurch dreht sich die Ausgangswelle aufgrund der geringer werdenden
Rückwirkung der Überlagerungswelle auf das Differentialgetriebe, d. h. der
geringer werdenden Drehzahl der Überlagerungswelle und des mit diesen in
Verbindung stehenden Getriebegliedes des Differentialgetriebes, schneller.
Zum Zeitpunkt der fast vollständigen Öffnung der Stellschaufeln der
hydrodynamischen Bremse besitzt die Nebenantriebs- bzw.
Überlagerungswelle nur noch eine geringe Rückwärtsdrehzahl. In diesem
Punkt wird das Turbinenrad des hydrodynamischen Wandlers mit der
Überlagerungswelle verbunden. Dazu müssen jedoch das Turbinenrad des
hydrodynamischen Wandlers und die Überlagerungswelle synchronisiert
werden. Dies bedeutet, daß das Turbinenrad des hydrodynamischen
Wandlers auf die gleiche Rückwärtsdrehzahl gebracht werden muß wie die
Überlagerungswelle. Nach erfolgter Synchronisierung werden die
hydrodynamische Bremse entleert und der hydrodynamische Wandler gefüllt.
Im Regelbetrieb besteht somit ein direkter Durchtrieb von der Eingangswelle
zur Ausgangswelle und des weiteren ein Durchtrieb vom Turbinenrad des
hydrodynamischen Drehmomentenwandlers über die Überlagerungswelle und
das Standgetriebe auf das Umlaufgetriebe. Durch Änderung der
Leitradschaufelverstellung am hydrodynamischen Drehmomentenwandler
kann dabei die Wirkung des Nebenantriebes variiert werden. Die eigentliche
Abtriebsdrehzahl an der Ausgangswelle ergibt sich dabei aus der
Überlagerung der am Umlaufgetriebe anliegenden Drehzahlen.
Es besteht auch die Möglichkeit, die beschriebene Konfiguration mit nicht
regelbarer Bremse, d. h. beispielsweise mit einer Bremse ohne Stellschaufeln,
oder aber ganz ohne Bremse auszuführen. Der Anfahrvorgang funktioniert
dann analog. Jedoch sind zusätzliche Vorkehrungen zur Synchronisierung
zwischen Turbinenrad und Überlagerungswelle vorzusehen. Der Regelbetrieb
erfolgt auch hier wie bei den konventionellen Mehrkreisregelantrieben. Durch
die Änderung der Leitschaufelstellung des hydrodynamischen Wandlers kann
die Drehzahl des Nebenantriebes, insbesondere der Nebenantriebswelle
verändert werden. Im Zusammenhang mit der Konfiguration von
Standgetriebe und Umlaufgetriebe läßt sich dadurch die Abtriebsdrehzahl am
Abtrieb verändern.
Die hier beschriebenen Ausführungen sind Beispiele, die auf dem
Grundkonzept, welches in Anspruch 1 wiedergegeben ist, aufbauen. Für den
Fachmann ergibt sich daraus eine Vielzahl von Möglichkeiten zur
konstruktiven Gestaltung eines entsprechenden hydrodynamisch-
mechanischen Verbundgetriebes.
Die konkrete Ausführungsform ist jedoch entsprechend den Erfordernissen
des Einsatzfalles auszulegen.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist nachfolgend anhand von
Figuren erläutert. Darin ist im übrigen folgendes dargestellt:
Fig. 1a bis 1c zeigen eine erfindungsgemäße Ausführung eines
hydrodynamisch-mechanischen Verbundgetriebes zum
Antrieb einer drehzahlvariablen Arbeitsmaschine in den
Betriebsbereichen Anfahren, Synchronisierung und im
Regelbetrieb.
Die Fig. 2 verdeutlicht eine erfindungsgemäße Ausführung eines
hydrodynamisch-mechanischen Verbundgetriebes zum Antrieb
einer drehzahlvariablen Arbeitsmaschine ohne integrierte
Bremse.
In den Fig. 1a bis 1c ist eine Ausführung eines erfindungsgemäßen
Kraftübertragungsaggregates in Form eines hydrodynamisch-mechanischen
Verbundgetriebes zum Antrieb einer drehzahlvariablen Arbeitsmaschine mit
dargestellter Kopplung zwischen An- und Abtrieb in den einzelnen
Betriebsbereichen dargestellt. Anhand der Fig. 1a zur Darstellung des
Zusammenwirkens der einzelnen Elemente im Anfahrbereich wird gleichzeitig
der Aufbau des erfindungsgemäßen hydrodynamisch-mechanischen
Verbundgetriebes erläutert. Mit dem hydrodynamisch-mechanischen
Verbundgetriebe 1 können die Drehzahl und das Drehmoment zwischen
einem Antrieb 2 und einem Abtrieb 3 gewandelt werden. Das
Kraftübertragungselement 1 umfaßt dazu einen hydrodynamischen
Drehmomentenwandler 4, eine hydrodynamische Bremse 5, ein
Umlaufgetriebe 6 und ein Standgetriebe 7. Diese Komponenten sind koaxial
zu einer Achse A im Getriebegehäuse 8 angeordnet.
Der hydrodynamische Drehmomentenwandler 4 umfaßt ein Pumpenrad 9, ein
Leitrad 10 und ein Turbinenrad 11. Die hydrodynamische Bremse 5 umfaßt
ein Statorschaufelrad 12 und ein Rotorschaufelrad 13.
Das Umlaufgetriebe 6 ist vorzugsweise als Planetenradgetriebe ausgeführt; es
umfaßt beispielsweise wie in der Fig. 1a dargestellt, ein Sonnenrad 14,
stellvertretend die Planetenräder 15 und 16 sowie ein Hohlrad 17. Das
Sonnenrad 14 des Umlaufgetriebes 6 ist drehfest auf einer Abtriebswelle 18
die der Getriebeausgangswelle entspricht und mit dem Abtrieb 3 gekoppelt
ist, angeordnet.
Das Standgetriebe 7 weist beispielsweise eine Planetengetriebeanordnung mit
feststehendem Steg auf. Das Standgetriebe umfaßt ein Hohlrad des
Standgetriebes 20, Planetenräder des Standgetriebes - hier stellvertretend 21
und 22 - und ein Sonnenrad des Standgetriebes 23 auf. Der Planetenträger,
d. h. der Steg 24 des Standgetriebes, ist fest mit dem Gehäuse 8 des
Getriebes verbunden.
Die Planetenräder - stellvertretend 15 und 16 - des Umlaufgetriebes 6 sind
über einen Planetenträger 25 miteinander verbunden. Dieser Planetenträger ist
jedoch nicht feststehend, sondern steht mit dem Hohlrad 20 des
Standgetriebes 7 in unmittelbarer Verbindung.
Das Pumpenrad 9 des Drehmomentenwandlers 4 ist drehfest mit einer
Antriebswelle 26, welche der Getriebeeingangswelle entspricht und mit dem
Antrieb in Verbindung steht, verbunden. Die Antriebswelle 26 ist über ein
Kupplungselement I mit einer Zwischenwelle 27 verbindbar, welche
unmittelbar mit dem Umlaufgetriebe gekoppelt ist. Das Hohlrad 17 des
Umlaufgetriebes 6 ist dabei drehfest auf der Zwischenwelle 27 angeordnet.
Das Turbinenrad 11 des hydrodynamischen Drehmomentenwandlers 4 ist
über ein weiteres zweites Kupplungselement II wahlweise mit der
Zwischenwelle 27 oder aber mit einer Nebenantriebswelle 28 koppelbar.
Die Kupplungselemente I und II können dabei als Klauen- oder
Zahnkupplungen ausgeführt sein. Des weiteren besteht die Möglichkeit, die
Verbindung zwischen der Antriebswelle 26 und der Zwischenwelle 27 mit dem
Kupplungselement I durch eine Schiebewellenanordnung auszuführen. Eine
weitere Möglichkeit besteht allgemein in der Realisierung eines Form-
und/oder Kraftschlusses bei der Verbindung von Antriebswelle und
Zwischenwelle sowie bei der wahlweisen Verbindung von Turbinenrad und
der Zwischenwelle 27 oder der Nebenantriebswelle 28.
In der Fig. 1a ist die Konfiguration, d. h. die Kopplung bzw. Verbindung der
einzelnen Bauelemente für den Anfahrvorgang dargestellt. Zu Beginn des
Anfahrvorganges dreht sich die Antriebswelle 26 mit konstanter Drehzahl und
der hydrodynamische Wandler 4 und die hydrodynamische Bremse 5 sind
noch entleert. Das Kupplungselement I ist geöffnet, und das
Kupplungselement II verbindet das Turbinenrad 11 des hydrodynamischen
Drehmomentenwandlers 4 mit der Zwischenwelle 27. Die Abtriebswelle 16
dreht sich noch nicht. Bei Befüllung des hydrodynamischen Wandlers 4 und
der hydrodynamischen Bremse 5 entsteht nun am Turbinenrad ein Moment
welches über die Kopplung mittels dem Kupplungselement II die
Zwischenwelle 27 beschleunigt. Dieses Moment wird an der
Nebenantriebswelle durch die Bremse 5 abgestützt. Der Kraftfluß bzw.
Drehmomentenfluß erfolgt hier über das Turbinenrad 11 auf die Zwischenwelle
27, von da über das Hohlrad 17, die Planetenräder 16 und 15 auf das
Sonnenrad 14 und damit auf die Abtriebswelle 18. Des weiteren wird die
Nebenantriebswelle 28 über den Steg 25 des Umlaufgetriebes 6 und das
Standgetriebe 7 angetrieben. Die Nebenantriebswelle 28 dreht sich jedoch
entgegengesetzt zur Zwischenwelle 27. Aufgrund der Befüllung der
hydrodynamischen Bremse 5 wird die Bewegung des Steges 25 des
Umlaufgetriebes 6 abgebremst und damit die Leistungsübertragung auf den
Abtrieb ermöglicht. Während dieses Vorganges beschleunigt jedoch die
Abtriebswelle 18. Ist der hydrodynamische Wandler ganz gefüllt, kann durch
Öffnen der Leitschaufeln, d. h. beispielsweise durch Schaufelradverstellung am
Leitrad 10, die Zwischenwelle 27 noch weiter beschleunigt werden. Dadurch
steigt auch die Abtriebsdrehzahl. Erreicht die Zwischenwelle 27 die gleiche
Drehzahl wie die Antriebswelle 26, wird das Kupplungselement I
geschlossen. Die Antriebswelle 26 und die Zwischenwelle 27 sind jetzt starr
miteinander verbunden. Die hydrodynamische Bremse 5 wird dabei
vorzugsweise so ausgelegt daß die Abtriebswelle 18 in diesem Punkt d. h.
bei Erreichen der Synchrondrehzahl zwischen Zwischenwelle 27 und
Antriebswelle 26, ungefähr 50% der Nenndrehzahl erreicht hat. Bei einer
Ausführung einer hydrodynamischen Bremse mit Stellschaufeln 30 sind in
diesem Punkt die Stellschaufeln der Bremse in Nullstellung. Der Wandler hat
zum Zeitpunkt der Kopplung zwischen Antriebswelle 26 und Zwischenwelle 27
keine Funktion mehr und wird entleert. Das Kupplungselement II wird in die
neutrale Mittelstellung gebracht. Die Konfiguration zum Zeitpunkt der
Synchronisierung ist in der Fig. 1b im einzelnen nochmals dargestellt.
Der weitere Regelbetrieb funktioniert analog zu dem oben bereits genannten
konventionellen Mehrkreisregelantrieb, d. h. durch Öffnen der Stellschaufeln
der Bremse wird der Nebenantrieb, d. h. die Zwischenwelle 27, abgebremst.
Dadurch dreht sich die Abtriebswelle 18 aufgrund der geringer werdenden
Rückwirkung der Nebenantriebswelle 28 auf den Steg 25 des Umlaufgetriebes
6 schneller. Zum Zeitpunkt der fast vollständigen Öffnung der Stellschaufeln
der hydrodynamischen Bremse 5 besitzt die Nebenantriebswelle 28 nur noch
eine geringe Rückwärtsdrehzahl. In diesem Punkt wird das Turbinenrad 11
des hydrodynamischen Wandlers 4 über das Kupplungselement II mit der
Nebenantriebswelle 28 verbunden. Dazu muß jedoch Turbinenrad 11 des
hydrodynamischen Wandlers 4 und Nebenantriebswelle 28 synchronisiert
werden. Dies bedeutet, daß das Turbinenrad des hydrodynamischen
Wandlers 4 auf die gleiche Rückwärtsdrehzahl gebracht werden muß, wie die
Nebenantriebswelle 28. Nach erfolgter Synchronisierung bei geschlossenem
Kupplungselement II wird die hydrodynamische Bremse 5 entleert und der
hydrodynamische Wandler 4 gefüllt. Im Regelbetrieb besteht somit ein
direkter Durchtrieb vom Antrieb 2 zum Abtrieb 3 über die Antriebswellen 26
und 27 sowie das Umlaufgetriebe 6 und des weiteren ein direkter Durchtrieb
vom Turbinenrad 11 des hydrodynamischen Drehmomentenwandlers 4 über
die Nebenantriebswelle 28 und das Standgetriebe 7 auf das Umlaufgetriebe 6.
Durch Änderung der Leitradschaufelverstellung am hydrodynamischen
Drehmomentenwandler 4 kann dabei die Wirkung des Nebenantriebes variiert
werden. Die eigentliche Abtriebsdrehzahl an der Abtriebswelle 18 ergibt sich
dabei aus den Drehzahlen vom Hohlrad 17 des Umlaufgetriebes 6 sowie den
über den Nebenantrieb, d. h. die Nebenantriebswelle 28 und das
Standgetriebe 7, angetriebenen Steg 25 des Umlaufgetriebes 6 bzw. den
damit gekoppelten Planetenrädern 15 und 16. Die Konfiguration für den
Regelbetrieb ist in Fig. 1c dargestellt.
Es besteht auch die Möglichkeit, welche hier jedoch im einzelnen nicht
dargestellt ist, die in der Fig. 1 beschriebene Konfiguration auch mit nicht
regelbarer Bremse, d. h. beispielsweise mit einer Bremse ohne Stellschaufeln,
auszuführen. Der Anfahrvorgang funktioniert dann analog wie bei der
Ausführung mit regelbarer Bremse in der Fig. 1 beschrieben. Zu Beginn des
Anfahrvorganges werden dann auch hier die Bremse und der
hydrodynamische Drehmomentenwandler gefüllt. Durch das Befüllen des
Wandlers und das anschließende Öffnen der Leitschaufeln wird die
Zwischenwelle bis auf Synchrondrehzahl beschleunigt. Wenn diese erreicht
ist, wird das Kupplungselement I geschlossen. Die Bremse ist dabei so
dimensioniert, daß die Abtriebswelle jetzt zwischen 50 und 60% der
Nenndrehzahl erreicht hat. Der Wandler hat jetzt keine Funktion mehr und
wird deshalb entleert. Das Kupplungselement II wird in eine neutrale
Mittelstellung gebracht. Bei vollständiger Leerung des hydrodynamischen
Drehmomentenwandlers kann das Turbinenrad mit der Nebenantriebswelle 28
verbunden werden. Dazu muß das Turbinenrad des hydrodynamischen
Wandlers durch eine geeignete Synchronisiereinrichtung auf die gleiche
Drehzahl der Nebenwelle gebracht werden, wozu jedoch das Ventilations- und
das Beschleunigungsmoment des hydrodynamischen Wandlers zu
überwinden ist. Wenn das Kupplungselement II geschlossen ist, wird die
hydrodynamische Bremse entleert, und der hydrodynamische Wandler wird
gefüllt.
Der Regelbetrieb erfolgt auch hier wie bei den oben genannten konventionellen
Mehrkreisregelantrieben. Durch die Änderung der Leitschaufelstellung des
hydrodynamischen Wandlers kann die Drehzahl des Nebenantriebes,
insbesondere der Nebenantriebswelle verändert werden. Im Zusammenhang
mit der Konfiguration von Standgetriebe und Umlaufgetriebe läßt sich dadurch
die Abtriebsdrehzahl am Abtrieb verändern.
Die Fig. 2 verdeutlicht eine Ausführung eines erfindungsgemäßen
hydrodynamisch-mechanischen Verbundgetriebes, welches sich von denen in
den Fig. 1 beschriebenen lediglich durch das Fehlen der
hydrodynamischen Bremse unterscheidet im Anfahrbereich. Für gleiche
Elemente wurden deshalb die gleichen Bezugszahlen verwendet.
Im Anfahrbereich, hier dargestellt, ist das Kupplungselement I geöffnet, und
das Kupplungselement II verbindet das Turbinenrad des hydrodynamischen
Wandlers mit der Zwischenwelle 27. Die Abtriebswelle 18 dreht sich nicht. Bei
Befüllung des hydrodynamischen Wandlers 4 mit Betriebsflüssigkeit wird am
Turbinenrad ein Moment erzeugt, welches die Zwischenwelle 27 beschleunigt.
Da in dieser Konfiguration die Nebenantriebswelle 28 kein Moment abstützen
kann, dreht diese sich rückwärts. Die Abtriebswelle bleibt weiterhin stehen.
Bei vollständiger Füllung des hydrodynamischen Wandlers 4 kann durch
Öffnen der Leitschaufeln die Zwischenwelle 27 noch weiter beschleunigt
werden, wobei auch die Rückwärtsdrehzahl der Nebenantriebswelle steigt.
Bei synchronen Drehzahlen zwischen Zwischenwelle 27 und Antriebswelle 26
wird, hier jedoch nicht dargestellt, die Kupplung 1 geschlossen. Die
Antriebswelle 26 und die Zwischenwelle sind jetzt starr miteinander
verbunden. Der Wandler hat jetzt keine Funktion mehr und wird von
Betriebsflüssigkeit entleert. Das Kupplungselement II wird in die neutrale
Mittelstellung verbracht.
Zum Zwecke des Durchschaltens und der Drehzahlregelung muß das
Turbinenrad des hydrodynamischen Drehmomentenwandlers 4 mit der
Nebenantriebswelle 28 verbunden werden. Dazu ist es erforderlich, daß das
Turbinenrad 11 des hydrodynamischen Drehmomentenwandlers 4 synchron
zur Nebenantriebswelle 28 dreht. Die Synchronisierung kann beispielsweise
mittels einer entsprechenden Synchronisiereinrichtung erfolgen. Der
Beschleunigung des Turbinenrades 11 des hydrodynamischen
Drehmomentenwandlers 4 wirken lediglich die Massenträgheit des
Turbinenrades 11 und das im hydrodynamischen Wandler erzeugte
Ventilationsmoment entgegen. Auf die Realisierung bzw. konstruktive
Ausführung der Synchronisiereinrichtungen wird hier nicht eingegangen, da
diese zum Allgemeinwissen eines jeden Fachmannes gehören und es bei
Kenntnis der Sachlage jedem Fachmann möglich ist, eine derartige
Synchronisiereinrichtung entsprechend dieses Einsatzfalles zu gestalten.
Nach Synchronisierung von Turbinenrad 11 des hydrodynamischen
Drehmomentenwandlers und Nebenantriebswelle 28 wird das
Kupplungselement II geschlossen, so daß nun das Turbinenrad 11 des
hydrodynamischen Drehmomentenwandlers 4 und der Nebenantrieb starr
miteinander verbunden sind. Der weitere Regelbetrieb funktioniert in Analogie
zu dem bei konventionellen Mehrkreisregelantrieben.
Claims (16)
1. Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe zum Antrieb einer
drehzahlvariablen Arbeitsmaschine, mit folgenden Merkmalen:
- 1.1 mit einer Ein- und einer Ausgangswelle;
- 1.2 mit einem hydrodynamischen Drehmomentwandler, umfassend ein Pumpenrad, ein Turbinenrad und ein Leitrad und einem Differentialgetriebe;
- 1.3 der hydrodynamische Wandler und das Differentialgetriebe sind koaxial zueinander angeordnet;
- 1.4 ein erstes Getriebeglied des Differentialgetriebes ist dauernd mit
der Ausgangswelle gekoppelt;
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: - 1.5 die Eingangswelle (26) ist entweder unmittelbar oder über das Turbinenrad (11) des hydrodynamischen Wandlers (4) und mittels einer Zwischenwelle (27) an ein zweites Getriebeglied des Differentialgetriebes (6) koppelbar;
- 1.6 das Turbinenrad (11) ist wahlweise über eine Nebenantriebswelle (28) mit einem dritten Getriebeglied des Differentialgetriebes (6) oder über die Zwischenwelle (27) mit dem zweiten Getriebeglied des Differentialgetriebes (6) koppelbar, wobei eine Kopplung von Turbinenrad (11) mit drittem Getriebeglied des Differentialgetriebes (6) nur bei unmittelbarer Kopplung von Eingangswelle (26) mit zweitem Getriebeglied möglich ist;
- 1.7 zwischen der Nebenantriebswelle (28) und dem dritten Getriebeglied des Differentialgetriebes (6) ist ein Getriebe mit konstanter Übersetzung (7) angeordnet;
- 1.8 das Getriebe mit konstanter Übersetzung (7) ist als Planeten- Standgetriebe ausgeführt;
- 1.9 es sind Mittel zur Beeinflussung des Übertragungsverhaltens des hydrodynamischen Wandlers vorgesehen.
2. Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel verstellbare Schaufeln des
Leitrades des hydrodynamischen Wandlers sind.
3. Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe nach Anspruch 1
oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe (7) koaxial zu den
übrigen Aggregat-Elementen (4, 6) angeordnet ist.
4. Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe nach einem der
Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abbremsen der
Nebenantriebswelle (28) eine Bremse vorgesehen ist.
5. Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe nach Anspruch 4,
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
- 5.1 die Bremse ist als hydrodynamische Bremse (5), welche mit Betriebsflüssigkeit füllbar ist, ausgeführt;
- 5.2. die Bremse ist koaxial zur Nebenantriebswelle (28) angeordnet.
6. Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die hydrodynamische Bremse (5) eine
Steuereinrichtung zur veränderlichen Einstellung des erzeugbaren
Bremsmomentes zugeordnet ist.
7. Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe nach einem der
Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Standgetriebe (7)
zwischen der Bremse (5) und dem Differentialgetriebe (6) angeordnet
ist.
8. Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe nach einem der
Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die unmittelbare
Kopplung zwischen der Eingangswelle (26) über die Zwischenwelle
(27) mit dem zweiten Getriebeglied kraft- und/oder formschlüssig
erfolgt.
9. Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangswelle (26) und
Zwischenwelle (27) mittels eines ersten Kupplungselementes (I),
insbesondere einer Zahnkupplung miteinander verkoppelbar sind.
10. Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß Eingangswelle (26) und Zwischenwelle
(27) als Schiebewelle ausgeführt sind.
11. Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe nach einem der
Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die wahlweise
Kopplung zwischen Turbinenrad (11) und Zwischenwelle (27) oder
Turbinenrad (11) und Nebenantriebswelle (28) kraft- und/oder
formschlüssig erfolgt.
12. Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die wahlweise Kopplung mittels einem
zweiten Kupplungselement (II) erfolgt.
13. Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe nach einem der
Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die
Nebenantriebswelle (28) als Hohlwelle ausgeführt ist und die
Zwischenwelle (27) umhüllt.
14. Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe nach einem der
Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Aggregat-
Elemente in folgender Reihenfolge hintereinander angeordnet sind:
- a) Eingangswelle (26)
- b) hydrodynamischer Drehmomentenwandler (4)
- c) Bremse (5)
- d) Standgetriebe (7)
- e) Differentialgetriebe (6)
- f) Ausgangswelle (18).
15. Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe nach einem der
Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das erste
Getriebeglied des Differentialgetriebes (6) ein Sonnenrad (14) eines
Planetengetriebes, das zweite Getriebeglied des Differentialgetriebes
das Hohlrad (17) eines Planetengetriebes und das dritte Getriebeglied
der Steg (25) eines Planetengetriebes ist.
16. Verfahren zum Betreiben eines hydrodynamisch-mechanischen
Verbundgetriebes nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
- 16.1 im Anfahrbetrieb
- 16.1.1 ist der hydrodynamische Wandler mit Betriebsflüssigkeit befüllbar;
- 16.1.2 die Eingangswelle ist über das Turbinenrad des hydrodynamischen Wandlers mit der Zwischenwelle gekoppelt;
- 16.2 bei Erreichen gleicher Drehzahlen zwischen Eingangswelle und
Zwischenwelle
- 16.2.1 wird die Eingangswelle direkt mit der Zwischenwelle verbunden;
- 16.2.2 wird das Turbinenrad von der Zwischenwelle entkoppelt;
- 16.2.3 der Drehmomentenwandler wird entleert;
- 16.2.4 bei nahezu synchroner Drehzahl zwischen Nebenantriebswelle und Turbinenrad werden beide miteinander gekoppelt;
- 16.3 im anschließenden Regelbetrieb werden Mittel zur Drehzahländerung am Turbinenrad genutzt.
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1994
- 1994-06-29 DE DE19944422444 patent/DE4422444C2/de not_active Expired - Fee Related
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