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Umlaufrädergetriebe mit hydrostatischem Leistungszweig Es ist bekannt,
drehzahlveränderliche Antriebe durch Zweisteg-Umlaufrädergetriebe zu verwirklichen,
deren Reaktionsteile durch ein hydrostatisches Getriebe miteinander verbunden werden.
Für die beiden Extremlagen dieses hydrostatischen Getriebes, die Übersetzungswerten
von Null bzw. unendlich entsprechen, ist dann das eine bzw. das andere Reaktionsteil
des Planetengetriebesatzes gestenfest. In diesen Extremlagen der hydrostatischen
Einheit wird die Leistung von der Antriebs- auf die Abtriebswelle des gesamten Getriebesystems
rein mechanisch übertragen, d. h., die anteilige hydrostatische Leistung ist Null.
Das Maximum der hydrostatischen Teilleistung liegt für den Fall, daß im Verstellbereich
konstante Leistung übertragen werden soll, bei dem geometrischen Mittelwert der
beiden Planetengetriebeübersetzungen; soll konstantes Moment übertragen werden,
so tritt sie bei einer Übersetzung auf, deren Reziprokwert das arithmetische Mittel
der Reziprokwerte der Planetengetriebe-Übersetzungen ist.
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Überwiegend bei Antriebsproblemen des Maschinenbaus, bei denen hohe
Leistungen zu übertragen sind, ergibt ein Antrieb, wie er oben skizziert ist, nur
dann wirtschaftlich tragbare Lösungen, wenn das Verstellverhältnis an der Abtriebswelle
Werte aufweist, die im allgemeinen gegenüber den gewünschten Werten zu klein ausfallen.
Es stellt sich daher die Aufgabe, den gewünschten gesamten Verstellbereich dadurch
zu unterteilen, daß an Stelle des Zweisteg-Planetengetriebes ein Mehrsteg-Planetengetriebe
bzw. ein erweitertes Einsteg-Planetengetriebe Verwendung findet. Hierzu sind grundsätzlich
auch alle die Bauformen geeignet, wie sie für die verschiedenartigen Antriebsfälle,
insbesondere im Fahrzeugantrieb, als Planetenschaltgetriebe entwickelt worden sind.
An Stelle der bei den Fahrzeugschaltgetrieben üblichen Bremsen, die zum Festhalten
der dem jeweils gewünschten Gang zugeordneten Reaktionsteile Verwendung finden,
soll durch ein Anpaßvorgelege mit der Übersetzung i" mit jedem Reaktionsteil eine
hydrostatische Einheit etwa in Form einer Verstellpumpe verbunden werden. Bei einem
Vierganggetriebe wären so beispielsweise vier hydrostatische Einheiten erforderlich,
deren Saug- und Drucksysteme alle miteinander verbunden sind und deren Verstellung
im richtigen Arbeitsrhythmus beispielsweise durch eine Steuerwelle mit Steuernocken
erfolgen kann. Die bei einem solchen Vorgehen vermehrte Anzahl von hydrostatischen
Einheiten gegenüber dem beschriebenen Ausgangssystem fällt in vielen Fällen wirtschaftlich
nicht ins Gewicht, weil die verkleinerte Teilleistung wesentlich preisgünstiger
herzustellen ist, als die sonst erforderlichen zwei Einheiten mit höherer Leistung.
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Die Erfindung ist ihrer Gattung nach ein Umlaufrädergetriebe mit hydrostatischem
Leistungszweig, bei dem mehrere Umlaufrädersätze durch einen gemeinsamen Umlaufräderträger
und weitere Koppelglieder gekoppelt sind. Ein derartiges Umlaufrädergetriebe ist
erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß ein Zentralrad mit der einen hydrostatischen
Einheit im Eingriff steht und daß die zweite hydrostatische Einheit über eine Mehrfachkupplung
wahlweise entweder über eine Zwischenstufe mit dem Umlaufräderträger oder mit einem
anderen Zentralrad gekuppelt werden kann.
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Es ist ein Umlaufrädergetriebe der eingangs erwähnten Gattung bekannt,
bei dem die Hauptleistung über die Vorgelegewelle geht. Als Reaktionsteile werden
Innenverzahnungen verwendet. Innenverzahnungen sind schmiertechnisch schwer zu behandeln
und teuer in der Ausführung. Auch bestehen besondere Schwierigkeiten in der Lagerung.
Bei dem bekannten Umlaufrädergetriebe besteht die Notwendigkeit von drei hydrostatischen
Einheiten mit umlaufenden Gehäusen.
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Diesem Getriebe gegenüber weist der Erfindungsgegenstand den Vorteil
auf, daß die Hauptleistung in jedem Zweig über Zentralräder geht, daß nur Außenverzahnungen
verwendet werden und daß nur zwei hydrostatische Einheiten mit feststehendem Gehäuse
notwendig sind. Auch besteht bei einem Getriebe nach der Erfindung nicht die Notwendigkeit,
hydraulische Schleifringe für die umlaufenden Gehäuse vorzusehen.
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Bei einem weiteren vorgeschlagenen Umlaufrädergetriebe ist der Umlaufräderträger
mit mehreren Innenverzahnungen versehen. Er wird dadurch zu einem verschachtelten
Gebilde, das in der Herstellung
und Montage zu Schwierigkeiten führt.
Im Gegensatz dazu ist die Konstruktion und die Montage eines Getriebes nach der
Erfindung relativ einfach und nicht mit solchen Umständen verbunden.
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Des weiteren ist ein Getriebe bekannt, bei dem der Bereich des Drehmomentenwandlers
mit stufenlos veränderbarem Übersetzungsverhältnis mehrfach und sogar in abwechselnd
verschiedenen Richtungen durchlaufen wird. Gegenüber diesem Getriebe weist der Gegenstand
der Erfindung den Vorteil auf, daß die Leistung auf zwei mechanische und einen hydraulischen
Getriebezweig verzweigt wird. Dadurch werden die Teile besser ausgenutzt, und das
Getriebe kann kleiner ausgelegt werden. Dies gilt im besonderen Maße gegenüber dem
hydraulischen Teil, der besonders klein ausgelegt werden kann. Außerdem wird bei
dem bekannten Getriebe ein mechanischer Variator verwendet, dessen An- und Abtriebsdrehzahlen
immer endlich sind. Bei einem Getriebe nach der Erfindung dagegen wird ein hydrostatischer
Variator verwendet, bei dem sowohl die An- als auch die Abtriebsdrebzahlen Null
werden können.
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Das hydraulische Getriebe nach der Erfindung ist an raumfeste Teile
angebaut und kann daher seine Ölzuführung ohne Schleifringe erhalten. Durch die
Vermeidung von Innenverzahnungen wird die Herstellung vereinfacht und die Schmierung
erleichtert. Die Ölschmierung kann von innen her durch Hohlwellen zugeführt werden.
Der hydraulische Getriebeteil kann in mehreren Bereichen durchlaufen werden.
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Die Lösung nach dem Gegenstand der Erfindung stellt ein besonders
wirtschaftlich herstellbares Getriebe mit großem Übersetzungsbereich dar. Diese
Lösung war nicht ohne besondere Fachkenntnisse und ohne besondere Überlegung erfinderischer
Qualität zu finden, zumal es sich um sehr verwickelte Zusammenhänge handelt.
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Bei einem Getriebe nach der Erfindung kann beispielsweise eine hydrostatische
Einheit über Anpassungsvorgelege mit den Reaktionsteilen vom Getriebe I und 1I1,
die andere entsprechend mit den Reaktionsteilen vom Getriebe 1I und IV verbunden
werden, wobei die auf der Welle der hydrostatischen Einheit geführten Zahnräder
dieser Vorgelege wahlweise mit der Welle dieser hydrostatischen Einheit durch Klauenkupplungen
od. dgl. gekuppelt werden sollen. Damit diese Klauenkupplungen z. B. zum Wechsel
der hydrostatischen Einheit vom Reaktionsteil des Getriebes 1 auf den Reaktionsteil
des Getriebes 111 synchron geschaltet werden können, wenn das Getriebe 11
einziger Leistungsüberträger ist, d. h. sein Reaktionsteil stillsteht, sind die
Anpaßvorgelege so auszulegen, daß bei der dem Getriebe 1I entsprechenden Übersetzung
des Gesamtgetriebes die auf der Welle der hydrostatischen Einheit geführten Vorgelegezahnräder
gleiche Drehzahl aufweisen. Selbst wenn infolge unvermeidbaren Schlupfes in der
hydrostatischen Einheit an dem Getriebe Il bedingt durch die Leckölverluste dieser
Synchronismus nicht vollständig sein sollte, ist der Schaltvorgang über Klauenkupplungen
dadurch nicht erschwert, da diese Schaltung momentenfrei erfolgt und überdies die
etwa zu beschleunigenden trägen Massen der hydrostatischen Einheit relativ klein
sind.
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Man hat bei einem Getriebe nach der Erfindung nur zwei hydrostatische
Einheiten nötig, die man bloß für den Stufensprung von einem Zweig des Getriebes
zum nächsten auszulegen braucht. Die Zahl der Getriebezweige kann man dabei beliebig
erhöhen. Je größer die Zahl der Getriebezweige ist, desto geringer wird die Leistung
der hydrostatischen Einheiten, so daß man das Getriebe in wirtschaftlicher Weise
bauen kann.
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Soll bei speziellen Antriebsproblemen überwiegend in mechanischen
Getriebezweigen gefahren werden, so kann nach einem weiteren erfindungsgemäßen Vorschlag
das dem Reaktionsteil dieser Übersetzung zugeordnete, auf der Welle der hydrostatischen
Einheit geführte Zahnrad durch eine zusätzliche Klauenkupplung gestenfest geschaltet
werden. An Stelle der Klauenkupplung findet vorteilhaft eine Stirnzahnkupplung Verwendung,
die in handelsüblichen Ausführungen mechanisch, hydraulisch und elektrisch schaltbar
zu haben ist.
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Mit einem Getriebesystem der geschilderten Art ist Anlauf aus dem
Stillstand bei entsprechender Auslegung der Steuernocken für die hydrostatische
Einheit ohne weiteres möglich, wobei unter Umständen Zugeständnisse bezüglich der
übertragbaren Momente gemacht werden müssen. Ist bei einem speziellen Antriebsproblem
die Überschreitung einer maximalen Übersetzung unerwünscht, so kann eine solche
nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung dadurch verhindert werden, daß zwischen
dem Gehäuse des Getriebes und dem auf der Welle der hydrostatischen Einheit geführten
Zahnrad des Vorgeleges, das dem Reaktionsteil des Getriebes mit maximaler Übersetzung
zugeordnet ist, eine gerichtete selbstschaltende Kupplung in Form eines Freilaufs
angeordnet wird.
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Die Sicherung einer Getriebeeinheit nach dem Vorschlag der Erfindung
gegen Überlastung ist ohne weiteres dann über die hydrostatische Einheit möglich,
wenn die Stufensprünge je nach Art des vorliegenden Antriebsproblems, wie bereits
oben angedeutet, gewählt werden. Es ergeben sich dann für die Hydraulikleistung
und die Drehmomente kongruente Kurven zwischen den einzelnen mechanischen Fahrbereichen.
Die Absicherung hat also überein Höchstdruckventil so zu erfolgen, daß dessen Ansprechwert
von der Verstellwelle, die auch die Schwenkwinkel der hydrostatischen Einheit beeinflußt,
nach dem jeweils vorliegenden Gesetz verändert wird.
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Wird ein Getriebe, wie im vorhergehenden beschrieben, durch Schwenken
der verstellbaren Hydraulikeinheiten vermittels einer gemeinsamen Nockenwelle von
beispielsweise der maximalen bis zur minimalen Übersetzung verstellt, so ist bei
konstanter Antriebsdrehzahl ein stetiger Verlauf der Abtriebsdrehzahl nur theoretisch
zu erwarten. In Wirklichkeit fallen aus der Drehzahlreihe des Abtriebs bestimmte
Bereiche aus. Dies ist dadurch bedingt, daß sich das hydrostatische Getriebe zwar
ohne weiteres auf die Übersetzung unendlich einstellen läßt, nicht aber auf die
Übersetzung Null. Vielmehr wird je nach Ausführungsform der hydrostatischen Einheiten
eine Verstellung nur bis etwa 0,1 bis 0,4 möglich sein; unterhalb dieses Wertebereiches
wird die hydrostatische Einheit selbsthemmend. Der fehlende Verstellabschnitt fehlt
selbstverständlich auch in der Abtriebsdrehzahlreihe. Man kann dieser Schwierigkeit
dadurch begegnen, daß man beispielsweise bei einem Dreizweiggetriebe das dem zweiten
Zweig zugeordnete Getriebe mit einer Stegerweiterung in dem Sinne ausführt, daß
der Übersetzungssprung zwischen dem Grundgetriebe und seiner Erweiterung dem aus
der Selbsthemmungsgrenze des hydrostatischen Getriebes
sich ergebenden
Übersetzungssprung entspricht. Die einzelnen Getriebebereiche schließen dann nicht
lückenlos aneinander an, sondern überlappen sich etwas; durch geeignete schalttechnische
Maßnahmen ist so ein stetiger Verlauf der Abtriebsdrehzahl, wie im einzelnen früher
beschrieben, dann möglich. Diese Maßnahme erfordert einen verhältnismäßig großen
Aufwand, sowohl getriebetechnisch als auch schalttechnisch.
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Es wird deshalb erfindungsgemäß weiter vorgeschlagen, die jeweils
in Frage kommende hydrostatische Einheit nur bis zu einem Schwenkwinkel zurückzuschwenken,
der zuverlässig vor der Selbsthemmungsgrenze liegt. Da die jetzt fehlende weitere
Zurückschwenkung dieser hydrostatischen Einheit bis zum Schwenkwinkel Null einer
Zunahme der Drehzahl am zugehörigen Reaktionsteil des Getriebes entspricht, kann
diese Drehzahlzunahme auch dadurch bewirkt werden, daß von einer zusätzlich anzuordnenden
hydrostatischen Servoeinheit, die von einer geeigneten Welle, beispielsweise der
Antriebswelle, getrieben wird, dem geschlossenen Kreislauf der beiden hydrostatischen
Haupteinheiten zusätzlich Hydraulikflüssigkeit eingespeist wird. Dies kann stetig
erfolgen durch langsames Vergrößern des Schwenkwinkels dieser Servoeinheit bis zu
dem Wert, der der Schluckmenge der vor der Selbsthemmungsgrenze stehengebliebenen,
als Motor arbeitenden hydrostatischen Einheit entspricht. In diesem Betriebszustand
steht der Reaktionsteil des zur Leistungsübertragung herangezogenen mechanischen
Getriebes; die ihm zugeordnete hydrostatische Einheit liefert also kein ()1 mehr
in den Kreislauf, dieser findet vielmehr ausschließlich zwischen der Servoeinheit
und der vor der Selbsthemmungsgrenze stehenden, als Motor arbeitenden hydrostatischen
Einheit statt. Man kann jetzt die stehende hydrostatische Einheit durch ein an ihrer
Druckleitung liegendes Steuerventil von dem übrigen Kreislauf trennen und die Schwenkwinkel
der beiden anderen Einheiten auf Null zurücknehmen, ohne daß an der Abtriebswellendrehzahl
eine Änderung stattfindet.
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Bei geeigneter Steuerwellenausbildung kann die Rücknahme der Schwenkwinkel
dieser beiden letztgenannten hydrostatischen Einheiten auf Null auch kurvengesteuert
so erfolgen, daß das obenerwähute Druckventil entbehrt werden kann.
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Die Erfindung sei beispielshalber an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
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A b b. 1 stellt schematisch ein erfindungsgemäßes Planetengetriebe
dar; A b b. 2 zeigt das Kennliniendiagramm dieses Getriebes.
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Mit 1 ist das Getriebegehäuse bezeichnet, in welches die Antriebswelle
A hineinführt und die Abtriebswelle B herausführt. Die Antriebswelle
A treibt über das Zentralrad 3 ein Umlaufrad, dessen eine Verzahnung 4 mit
dem Zentralrad 3 im Eingriff steht, während die andere Verzahnung 5 die Umdrehung
auf das Zentralrad 6 der Abtriebswelle B überträgt.
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Das Umlaufrad 4, 5 ist drehbar auf dem Umlaufräderträger 7 gelagert.
Die vorgenannten Teile bilden zusammen den Zweig des Getriebes mit der übersetzung
i = 4, wobei der Umlaufräderträger 7 das Reaktionsteil darstellt.
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Der Umlaufräderträger 7 steht mit seiner Verzahnung 8 über das Anpaßvorgelege
9 und das Zahnrad 10 mit der Kupplung 11 in Verbindung, die auf der Welle 12 der
hydrostatischen Einheit H1 sitzt. Durch Einlegen der Kupplung 11 wird die Verbindung
zwischen H1 und dem Umlaufräderträger 7 als Reaktionsteil des Getriebezweiges i
= 4 hergestellt.
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Die hydrostatische Einheit H1 bildet mit der hydrostatischen Einheit
H2, mit der sie über Leitungen in Verbindung steht, ein hydrostatisches Getriebe.
Die hydrostatischen Einheiten H1 und H2 sind stufenlos verstellbar. Wird H1 auf
maximale Leistung gestellt, Hz dagegen auf Null, und dabei die Kupplung 11 eingelegt,
so wird der Umlaufräderträger 7 über die Zahnräder 8, 9, 10 festgehalten, und die
Übersetzung des Getriebes beträgt i = 4. Durch Verstellen von H1 und H2 wird der
Umlaufräderträger 7 mehr oder weniger in Umdrehung versetzt, so daß man die übersetzung
i = 4 stufenlos reduzieren kann.
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Auf dem Umlaufräderträger 7 ist auch das Umlaufrad 20 gelagert, welches
mit seinem Zahnrad 20 a auf dem Zahnrad 4 des anderen Umlaufrades kämmt. Das Umlaufrad
20 hat seinerseits zwei Zahnräder 21, 25, welche Teile der beiden anderen Zweigei
= 2 und i = 1,33 sind. Dem Zahnrad 21 ist das Reaktionsteil 22 der Übersetzung i
= 2 zugeordnet, wobei Teil 22 über das Zahnrad 23 mit der Welle 24 und ihrer hydrostatischen
Einheit H2 verbunden ist. Die Übersetzung i = 2 stellt sich ein, wenn man den Reaktionsteil
22 durch entsprechendes Verstellen von H2 festhält. Durch entsprechendes Verstellen
der Drehzahl der Welle 24 über die hydrostatischen Einheiten kann i = 2 stufenlos
variiert werden.
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Das Zahnrad 25, welches die Übersetzung i = 1,33 bestimmt, wird durch
das Reaktionsrad 26, 27 beeinfiußt, wobei dieses seinerseits mit dem Vorgelegezahnrad
28 im Eingriff steht und das Vorgelegezahnrad 28 einen Teil der Kupplung 29 darstellt.
Durch Einkuppeln von 29 wird die Drehung der hydrostatischen Einheit H1 auf das
Reaktionsteil des Zweiges i = 1,33 übertragen und dieser in Tätigkeit gesetzt bzw.
variiert.
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A b b. 2 zeigt das Kennliniendiagramm eines Getriebes nach A b b.
1. Dabei ist das Moment der Abtriebswelle konstant angenommen. Die voll ausgezogenen
Linien sind die Kennlinien für die Drehzahlen der Reaktionsteile der jeweiligen
Zweige, bezogen auf die Antriebswelle. Die gestrichelten Linien sind die Kennlinien
der Drehzahlen der den Reaktionsteilen zugeordneten Anpaßvorgelege, jeweils für
i = 4 und i = 1,33. Die strichpunktierten Linien sind die Momentenkennlinien der
jeweiligen Reaktionsteile, bezogen auf das konstante Antriebsmoment. Schließlich
stellen die Kurven, deren Flächen schraffiert sind, die Kennlinien für die Leistungen
der hydrostatischen Einheiten dar.