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Stufenrädergetriebe.
Gegenstand der Erfindung ist ein Stufenrädergetriebe, bei welchem das Umschalten von einer Stuie auf die andere vollkommen stosslos und ohne Energieverlust (reibungslos), erfolgt und während des'Umschaltens keine Drehmoments- und Leistungsunterbrechung eintritt. Die Änderung von Drehmoment und Drehzahl erfolgt dabei nicht sprunghaft sondern. stetig, was durch Zwischenschalten. eines stufenlosen Getriebes z. B. eines. Planetengetriebes mit Rückgewinnung der zur Regelung aufgewendeten Bremsarbeit ermöglicht wird.
Das Wesen des Erfindungsgedankens wird im folgenden an vier der Ausführungsbeispielen (Fig. 1 bis 4) und an zwei Diagrammen (Fig. 5 und 6) erklärt.
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dem fest mitWellew3 und damit mit Zahnrad z3 verbunden ist. In den Zahnkranz z11 greifen die Planeten- Eäder Zu) ein, welche in dem Gehäuse H2 gelagert sind, das wieder mit Welle w2 und damit mit Zahnrädern z5 und z7 fest verbunden ist.
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Zi und Z2 sind Kegelräder, von welchen Zi fest mit Welle W1, Z2 fest mit Hohlwelle W3 verbunden ist.
Fig. 6 ist das zu Fig. 1 gehörige Diagramm der Drehmomente und Drehzahlen, u. zw. sind als Abszissen die Drehzahlen, der Welle W5, als Ordinaten die Drehmomente aufgetragen. Die JkM.'Kurve. Beigt die Änderung der Drehmomente wenn die Leistung bekannt ist. Mdl ist das Drehmement bei niedrigster, Md5 bei höchster Drehzahl.
Die Wirkungsweise des in Fig. 1 gezeichneten Getriebes ist nun folgende :
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n2 dargestellt ist.
Dreht sich nun der, Rotor von Dynamo I und damit Zahnrad Z3 in entgegengesetztem Sinne wie Z11, so dreht sich Welle W2 und damit auch Welle Wiz langsamer und letztere erhält ihre niedrigste Drehzahl
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entsprechend ni in Fig. 6, wenn Dynamo I die Höchstdrehzahl im entgegengesetzten Sinne von Zn hat.
Dreht sich der Rotor von Dynamo I in gleichem Sinne wie Z11 und W3, so wird die Drehzahl der Welle Ws grösser als n2 und man erhält bei maximaler Drehzahl von Dynamo I in dieser Richtung die Höchstdrehzahl von Welle Wg bei der niedrigsten Geschwindigkeitsstufe, entsprechend Drehzahl n3 in Fig. 6. Um also von der Drehzahl n1 unter steiger Änderung über n2 auf n3 zu gelangen, muss Dynamo I aus der maximalen Drehzahl in der einen Richtung über die Drehzahl Null auf die maximale Drehzahl in entgegengesetzter Richtung gebracht werden, ausserdem muss das Drehmoment von Dynamo I stets gleiche Richtung haben, da es stets proportional dem Drehmomente von Welle W2 sein muss.
Hat nun der Rotor von Dynamo I gleiche Drehrichtung mit seinem Drehmomente, so läuft Dynamo I als Motor, gibt also mechanische Leistung an das Differentialgetriebe G ab, steht der Rotor still, so ist die elektrische Leistung gleich Null, ist seine Drehrichtung entgegengesetzt seinem Drehmomente, so läuft Dynamo I als Generator, empfängt also Leistung aus dem Differentialgetriebe G. Der Dynamo I wird also einmal elektrische Energie durch Leitung 1 von Dynamo 77, die in diesem Falle als Generator laufen muss, zugeführt, das andere Mal, wenn Dynamo I als Generator läuft, wird die erzeugte elektrische Energie von ihr durch Leitungen 1 an Dynamo 11 abgegeben, letztere muss in diesem Falle als Motor laufen.
Dynamo II empfängt oder überträgt mechanische Energie durch Zahnräder ZI3 ZI2 an das Getriebe G. Die Drehzahl von Dynamo 11 ist stets proportional der von Welle Wu, dans Drehmoment derselben wechselt aber die Richtung und unterstützt die Rotation der Welle W3, wenn Dynamo ¯II als Motor läuft, und ist entgegengesetzt gerichtet, wenn Dynamo II Generator ist. Die oben geforderte. Variation der Drehzahl von Dynamo I und des Drehmomentes von Dynamo 77 kann durch entsprechende Veränderung der Felder PI undP2 erreicht werden, welch letztere von dem gezeichneten Reguliergleichstromnetze erregt werden und durch die Regulierwiderstände R, und Ra entsprechend eingestellt werden können.
Der Reguliervorgang kann dabei beispielsweise am besten so erfolgen, dass man Feld F1 auf eine bestimmte Grösse einstellt und konstant lässt, während man das Feld Fa durch Regulierwiderstand R2 je nach der geforderten Drehzahl von Dynamo 7, von plus maximum über Null auf minus maximum oder umgekehrt verändert. Die Stromstärke in der Leitung 1 und in den Ankern der Dynamos wird sich von selbst proportional dem Drehmoment von Welle W4 bzw. W2 einstellen. Hat man die maximale Drehzahl der 1. Stufe entsprechend Punkt Mg in Fig. 6 erreicht, so muss man zwecks weiterer Vergrösserung der Drehzahl von Welle tfg auf die nächste Geschwindigkeitsstufe stoss-und verlustlos umschalten können, ohne dass die Leistungs-und Drehmoments- übertragung eine Unterbrechung erleidet.
Dies wird in folgender Weise erreicht :
Bei Höchstdrehzahl der untersten Geschwindigkeitsstufe entsprechend n3 in Fig. 6 läuft die
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und Z4 sind nun so bestimmt, dass in diesem Falle die Drehzahl von Z4 mit der von Welle Ws übereinstimmt, also ebenfalls gleich n3 ist, so dass man K bereits einschalten kann, während ! loch K2 eingeschaltet ist. Das Drehmoment erleidet also beim Umschalten keine Unterbrechung. Nun wird K2 ausgeschaltet. Die
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Die elektrisch übertragene Leistung ist Null. Eine Veränderung der Drehzahl und des Drehmomentes ist jetzt nur möglich, wenn diese Grössen an der Antriebskraftmaschine geändert werden. Da dies nach der Voraussetzung nur in geringem Masse möglich ist, wird man gleich auf die nächste, also dritte, Geschwindigkeitsstufe umschalten. Die Zahnräder Z7 und Z, dieser Stufe sind nun wieder so bestimmt, dass die Drehzahl von Zig mit der von Welle W5 übereinstimmt, wenn Welle W2 gegen Welle W3 am meisten in der Drehzahl zurückbleibt, wenn also Dynamo I wieder die maximale Drehzahl, aber in entgegengesetzter Richtung, von der der Welle W3 hat.
Der Vorgang beim Umschalten erfolgt also so, dass man erst Dynamo I auf die entgegengesetzte Drehzahl bringt als sie am Ende der ersten Stufe hatte, u. zw. durch Änderung des Feldes F2 auf das entgegengesetzte Maximum, dass man hernach erst die Kupplung Zg einschaltet, hernach K2 ausschaltet. Durch allmähliche Änderung des Feldes F2 in entgegengesetztem Sinne bringt man die Drehzahl der Welle W5 von n3 in Fig. 6, also der niedrigsten in der dritten Geschwindigkeitsstufe, über n4 (bei Nullerregung von Feld II) auf n5, das die maximale Drehzahl von Welle W5 darstellt. Das Einschalten der Kupplungen erfolgt also, da die Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden Kupplungshälften Null ist, stoss-und verlustlos.
Die Dynamo II könnte man statt auf Gehäuse H1 und damit auf Welle W3 auch auf Welle W2 wirken lassen, wie in Fig. 1 strichliert angedeutet ist.
Durch die in Fig. 2 dargestellte Anordnung kann die Zahl der Zahnräder verkleinert und der Umkupplungsvorgang vereinfacht werden. In Fig. 2 bedeutet beispielsweise D einen Dieselmotor, auf dessen Welle'WI mit Feder und Nut verschiebbar eine Muffe M angeordnet ist, deren Klauen K, bei Rechtsverschiebung in die Klauen Ki eingreifen, wodurch Welle t'Fi mit dem Gehäuse H1 des Differentialgetriebes G ; oder bei Linksverschiebung in die Klauen K, eingreifen, wodurch Welle W1 mit dem Lagergehäuse H2 des Differentialgetriebes G verbunden ist.
Das Differentialgetriebe besteht wieder aus einem Zahnkranz Z5, der innen am Umfang des Gehäuses H1 angebracht ist, sowie aus den Planetenrädern Z4, die im Lagergehäuse H2 gelagert sind und in das Zahnrad Z3 eingreifen, das auf Welle W3 sitzt und mit Hilfe der Zahnräder g Zg Dynamo I antreibt. Das Zahnrad Z, sitzt auf der Hohlwelle W2, welche an
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und damit die Verbindung mit H2 herstellen, oder wenn W2 nach links verschoben wird, greifen Klauen Es in Klauen Es ein, so dass W2 jetzt mit dem äusseren Gehäuse H, fest verbunden ist.
Zahnrad Zi überträgt die Drehbewegung über Z2 auf Welle W4, von welcher wieder die Nutzleistung mit variablem Drehmoment und variabler Drehzahl abgenommen werden soll. Dynamo II wirkt mittels Zahnkranz Z, auf das Gehäuse Bu, odeur man könnte sie mittels eines Zahnräderpaares auch auf Welle W1 wirken lassen.
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Welle W1 dreht. Hat Zg wieder die entgegengesetzte Drehrichtung von W1, so hat Welle W4 die Höchstdrehzahl. Die Drehrichtung von Dynamo 1 ist also bei höchster und niedrigster Drehzahl der Welle W4 dieselbe. Die Drehzahländerung von W4 erfolgt also wieder vollkommen kontinuierlich und das Umschalten stoss-und verlustlos ohne Abnahme des Drehmomentes.
Auch hier können statt eines Räderpaares Zi, Z, mehrere Stufenräderpaare verwendet werden.
Die Ausführung nach Fig. 1 leidet an dem Übelstande, dass die zweite Geschwindigkeitsstufe nicht für eine Geschwindigkeitsänderung mit Hilfe der elektrischen Maschinen ausgenutzt werden kann, so dass man bei einer Geschwindigkeitserhöhung sofort von der ersten Stufe über die zweite auf die dritte Stufe umschalten muss. Dieser Übelstand wird z. B. durch Ausführung nach Fig. 3 vermieden. Bei dieser Anordnung kann mit zwei Geschwindigkeitsstufen und der gleichen Grösse der elektrischen Maschinen dieselbe Drehzahlvariation erreicht werden wie in Fig. 1. Man wird sie bei grösseren Leistungen verwenden, wo eine weitere Verkleinerung der elektrischen Maschinen durch eine weitergehendere Unterteilung des Geschwindigkeitsbereiches erforderlich ist, so dass man eine geringere Zahl von Stufenrädern erhält als in Fig. 1 erforderlich wäre.
In der Fig. 3 sind vier Stufenräderpaare gezeichnet, sie können natürlich auf eine beliebige Zahl erhöht werden. Die Anordnung ist ähnlich wie in Fig. 1, geblieben ist das Differentialgetriebe G, Dynamo I und II, wobei Dynamo Il direkt auf die Welle der Kraftmaschine wirkt, neu hinzukommen ein Kegelraddifferential mit den Zahnrädern Z14, Z15, Z16, die Anzahl der Stufenräder ist um eines vermehrt worden. Die Kraftmaschine greift an Gehäuse H2 des Differentiales G an.
Das Arbeitsverfahren und der Schaltvorgang ergeben sich wie folgt : Es sei die niedrigste Geschwindigkeitsstufe eingeschaltet, also Kupplung K4 in Eingriff, während die Zahnräder Z2 Z4 Zs lose auf Welle W2laufen. Der leichteren Verständlichkeit halber sei noch angenommen, dass das Gehäuse der Dynamo 1 auf Gehäuse Ha des Differentialgetriebes G sitzt (in Fig. 3 strichliert angedeutet) und daher dieselbe Drehzahl wie Ha besitzt. Ist die elektrische Leistung gleich Null, so ist der Rotor der Dynamo 1 relativ zum Gehäuse in Ruhe, Z7 hat dieselbe Drehzahl wie Welle W1.
Die kleinste Drehzahl wird aber erst erreicht, wenn der Rotor der Dynamo I in entgegengesetzter Richtung der Welle W1 die grösste Rotationsgeschwindigkeit besitzt, denn dann läuft H, um einen gewissen Betrag rascher als Ha und W1, Z7 aber durch die Wirkung der Differentialräder Z, Z Z um denselben Betrag langsamer als W1. Hat jedoch Dynamo 1 seine grösste Drehzahl in derselben Richtung wie W1, so eilt Z7 um einen gewissen Betrag der Welle W1 vor und es herrscht in der niedrigsten Geschwindigkeitsstufe die grösste zulässige Drehzahl.
Zu gleicher Zeit bleibt Gehäuse H1 und Zahnrad Z3 um denselben Betrag in der Drehzahl zurück. Nun sind die Räder Zg und Z4 so bestimmt, dass in diesem Falle Z4 gleiche Drehzahl wie die Welle W2 hat, so dass Kupplung K2 ohne Stoss und Reibung eingekuppelt werden kann. K4kann man nun auskuppeln und durch Änderung der Drehzahl von Dynamo 1 auf das entgegengesetzte Maximum die Drehzahl in der zweiten Geschwindigkeitsstufe Z3 Z4 bis zum zulässigen Maximum erhöhen. Zugleich erreicht damit wieder die
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Kupplung K3 eingeschaltet, K2 ausgeschaltet und die Drehzahl in der beschriebenen Weise erhöht werden kann.
Das Umschalten erfolgt also immer abwechselnd von einer Seite des Kegelraddifferentials (Zu ZlS Z16) auf die andere, die nächstfolgende Geschwindigkeitsstufe muss also immer auf der entgegengesetzten Seite des Kegelraddifferentiales liegen. Z7 liegt z. B. rechts von letzterem, das in der Geschwindigkeit nächstfolgende Zg links, das nächste Zs wieder rechts usw. Der Stator der Dynamo 1 kann auch stille stehen, oder mit H2 verbunden sein, wodurch sich das gesamte Übersetzungsverhältnis etwas ändert, das Verfahren und der Schaltvorgang aber gleichbleiben. Beim Übergang von grösserer auf kleinere Geschwindigkeit erfolgt der Schaltvorgang sinngemäss in entgegengesetzter Richtung.
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Fig. 5 zeigt das zugehörige Diagramm der Drehmomente ut zw. bedeutet die'PC-Kurve wieder die Änderung der Drehmomente bei konstanter Leistung. n1 n2 n3 n, bedeuten die Drehzahlen der Welle W2, wenn die elektrische'Leistung Null ist, n1. n2 n3 n, n5 die Drehzahlen bei maximaler elektrischer Leistung.
In Fig. 4ist eine Anordnung gezeichnet, welche den'Schaltvorgang noch in anderer Weise ermöglicht.
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eingeschaltet werden kann.
Die Wirkungsweise und der. Schalvorgang ergeben sieh nun wie folgt :
1. Ohne Dynamo III. Es sei Kupplung K1 und damit die dritte Geschwindigkeitsstife eingeschaltet.
Dynamo II sei durch den Widerstand. W kurzgeschlossen, Schalter S in der gestrichelten Lage. Dyntimo II hat dann eine sehr geringe Drehzahl.. Soll nun W3 rascher laufen, so wird Dynamo I durch entsprechende Erregung. so gesteuert,.. dass r7 seine kleinste Geschwindigkeit erreicht und die Drehzahl von fi mitez übereinstimmt. Der Strom. und. die Leistung der Dynamo I werden sehr gering sein, bloss so gross um die Schaltwiderstände zu überwinden. Damit aber Dynamo II das Drehmoment nicht verliert wird der entsprechend abgestimmte Widerstand W. eingeschaltet. Jetzt kann man Kupplung K4 einschalten, den Widerstand W aussehalten.
Durch entsprechende Einstellung der Erregung von Dynamo I und 11 werden r5 und r7 immer rascher laufen bis Dynamo I die Geschwindigkeit Null hat, während. Dynamo 11
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dass r1 das volle Drehmoment hat aber gegen W2 am. meisten zurückbleibt, Dynamo Hläuft als Generator, 'Dynamo II. als Motor, Dynamo I läuft leer Welle W3 hat dann die kleinste Geschwindigkeit. Durch Änderung der Erregung von Dynamo 111 auf das entgegengesetzte Maximum wird. die Geschwindigkeit von W, erhöht, soweit. als noch mit der ersten Geschwindigkeitsstufe r1 r2 erreicht werden kann.
Zur weiteren Erhöhung der Geschwindigkeit muss die zweite Geschwindigkeitsstufe eingeschaltet werden.
Es wird daher Dynamo Iso erregt, dass Zahnrad r3 gegen die Welle W2 am weitesten zurückbleibt, wodurch wieder die Relativgeschwindigkeit von fund. Null wird, so dass Kupplung K3 eingeschaltet werden kann.
Durch weitere Erregungsänderung wird Dynamo I zum Generator und Kupplung K2 kann ausgeschaltet
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die höchste Drehzahl in der zweiten. Stufe. Es ist also auch bei dieser. Anordnung möglich, die Drehzahl der Welle von einem Minimum stetig auf ein Maximum zu ändern, ohne dass beim Umschalten ein Verlust des Drehmomentes eintritt. Durch entsprechende Vorsorgen im Schaltungsmechanismus kann erreicht
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system möglich.
Das beschriebene Stufenrädergetriebe ist überall dort verwendbar, wo eine kontinuierliche oder auch sprungweise Änderung von Drehmoment und Drehzahl erforderlich ist und wo sich diese leicht und stabil, einstellen lassen sollen, also in allen Fällen, wo sonst. der bekannte Leonardumformer verwendet wird, also z. B. für Lokomotiven, Fördermaschinen, Walzenzugsmaschinen, Gebläsemaschinen, Schiffsmaschinen, Triebwagen, Autos, Flugzeuge, Luftschiffe usw. Das beschriebene Stufenrädergetriebe besitzt dieselbe Regulierfähigkeit wie der Leonardumformer, ist jedoch leichter und billiger, da insbesondere die eleictrischen Maschinen,-welche den weitaus teuersten Teil bilden, nur-einen. geringen Bruchteil der Gesamtleistung zu übertragen haben und dadurch viel kleiner ausfallen.
Auch der Wirkungsgrad ist grösser, da der grösste Teil der ; Energie mechanisch umgeformt wird, wobei ja wie ja bekannt, der höchste
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