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Einrichtung zur Drehzahlsteuerung eines Getriebes insbesondere für Werkzeugmaschinen
Die Erfindung betrifft ein unter Last schaltbares Getriebe, bei dem die Änderung des Drehmomentes bzw. der Drehzahl an der Abtriebswelle beim Gangwechsel stetig und ohne jeden Stoss erfolgt. Derartige
Getriebe werden insbesondere für Werkzeugmaschinen benötigt, um einen stets gleich hohen Schnitt- druck am Werkzeug - auch während eines Gangwechsels - zu erzielen. Für die moderne Bearbeitungs- technik mit hohen Schnittgeschwindigkeiten bis zu mehr als 500 m/min bei Anwendung von Keramik- plättchen, die sehr bruchempfindlich sind, ist dies ein dringendes Erfordernis.
Ohne Schwierigkeiten lassen sich diese Forderungen mit einfachen Reihengetrieben erfüllen, bei de- nen zum Gangwechsel stets nur eine Kupplung zu öffnen und eine andere, gleicher Grösse, zu schliessen ist. Bei grösserer Gangzahl wurden diese Reihengetriebe jedoch zu umfangreich. An ihre Stelle treten die
Gruppengetriebe, bei denen jedoch bei Gangwechsel mehrere verschieden grosse Kupplungen geöffnet bzw. geschlossen werden müssen. Dieses Öffnen der einen und Schliessen der andern Kupplungen führt zum kurzzeitigen Durchschalten eines weit niederen oder höheren Ganges, so dass die Abtriebswelle uner- wünsche Beschleunigungen oder Verzögerungen erfährt oder durch gleichzeitiges Kuppeln zweier Gänge (Blockierung) abgebremst wird. Dies hat wieder zur Folge, dass z. B. bei einer Werkzeugmaschine der
Schnittdruck des Werkzeuges vorübergehend herabgesetzt bzw. erhöht wird.
Diese Schnittdruckveränderungen können zum Bruch des Werkzeuges führen.
Zwar können die Ein- und Ausschaltpunkte der Kupplung durch Zeitrelais so gegeneinander verschoben werden, dass nur der gewünschte Gang tatsächlich wirksam wird, jedoch müsste dann für jedes auftretende Drehmoment eine zugehörige Zeiteinstellung vorgenommen werden. Dies führt einerseits zu recht komplizierten und teueren Steuerungen, anderseits befindet sich die Anlage während der Umschaltung in einem labilen Zustand. Wie bereits erwähnt, kann es während eines Gangwechsels durch gleichzeitiges Kuppeln zweier Gänge zu einer Blockierung und damit zu einem unerwünschten Abbremsen der Abtriebswelle kommen. Bei entsprechender Dimensionierung der Antriebsmaschine kann das erhöhte Drehmoment bei einer Blockierung überwunden werden ; z.
B. bei Antrieb durch einen Elektromotor darf das durch die Blockierung hervorgerufene Drehmoment das Kippmoment des Motors nicht überschreiten. Jedoch wird bei mehr als einer Blockierung die Abtriebswelle stets eine Verzögerung erfahren.
Nach der Erfindung wird gleichzeitig mit dem Kupplungswechsel die Drehzahl deJ Antriebsmaschine herauf-bzw. herabgesetzt, um einer Drehzahlsteigerung bzw. Verringerung über die gewünschte bzw. vorhandene Drehzahl hinaus entgegenzuwirken. Erfolgt der Antrieb durch einen Drehstromkurzschlussläufer- motor, wird in diesem Fall ein polumschaltbarer Motor gewählt, wobei die Wicklung für die Umschaltdrehzahl nur für eine kurze Einschaltdauer ausgelegt zu sein braucht, z. B. 10Ok ED. Daraus ergibt sich eine nur geringe Änderung des Motorumfanges gegenüber einem Motor mit Normaldrehzahl. Bei Antrieb durch einen Gleichstrorrmotor wird dessen Drehzahl durch Regelung der Felderregung oder Ankerspannung mittels eines Stellmotors verändert.
Hiebei wird der Stellmotor in Abhängigkeit von der Getriebeabtriebsdrehzahl, z. B. durch frequenzabhängige Relais gesteuert, oder durch einen Tachometer-Generator, der über einen Verstärker auf eine Drehzahlregeleinrichtung arbeitet.
Ferner werden nach der Erfindung die zu schaltenden Kupplungen zeitlich so versetzt geschaltet, dass beim Wechsel in den nächstfolgenden Gang zunächst um zwei oder mehrere Gangschaltstufen höher geschaltet wird und von dort durch weiteren Kupplungswechsel zurück zu dem gewünschten Gang geschaltet
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wird. Dadurch wird erreicht, dass immer nur eine Kupplung gleichzeitig gewechselt wird und das für eine
Lastumschaltung notwendige zusätzliche Überschneidmoment von der Antrieb3maschine aufgebracht wer- den kann. Um die Drehzahl der Abtriebswelle konstant zu halten, bzw. eine stetige Veränderung der Ab- triebsdrehzahl bei.
Gangwechsel zu erzielen, wird mit Beginn des Gangwechsels beim Aufwärtsschalten die Drehzahl der Antriebsmaschine herabgesetzt und zu Beginn der zweiten Umschaltphase die Antriebsma- schine wieder auf Normaldrehzahl gebracht.
Im Rahmen der Erfindung kann der Gangwechsel auch in mehr als zwei Phasen erfolgen ; ebenso kann der polumschaltbare Motor auch mit mehr als einer Hilfswicklung ausgestattet werden.
In der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung an Hand der Zeichnung noch näher erläutert.
Dabei zeigenFig. l dasSchemabild einesAcht-Gang-Getriebes inbekannterAnordnung Fig. 2 das Schalt- schema der Kupplungen des Getriebes nach Fig. l, Fig. 3 das Schemabild eines Acht-Gang-Getriebes nach der Erfindung. Fig. 4 das Schaltschema der Kupplungen des Getriebes nach Fig. 3, Fig. 5 eine graphische
Darstellung des Gangwechsels beim Getriebe nach Fig. 1 und Fig. 6 eine graphische Darstellung des Gang- wechsels beim Getriebe nach Fig. 3. In Fig. 1 ist ein an sich bekanntes Acht-Gang-Getriebe dargestellt, das sich aus zwei einfachen Planetenradsätzen 9 und 10, sowie einem Umlaufrädergetriebesatz 11 mit zweistufigen Planetenrädern zusammensetzt.
Mit diesem Getriebe werden die acht Gänge in der Weise er- zeugt, dass der erste Planetenradsatz 9 im ersten, dritten, fünften und siebenten Gang mittels der Kupp- lungK überbrückt, d. h. auf Übersetzung 1 : 1 geschalten wird, während im zweiten, vierten, sechsten und achten Gang mittels der Bremse B1 das Sonnenrad 9b festgehalten wird, d. h. dieser Satz bildet eine
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rad 10a des zweiten Planetenradsatzes 10 mittels der Bremse b festgehalten, so dass zwischen dem an- treibendenSonnenradlObunddemabtreibendenStegSt eineübersetzung vorhandenist. Imfunften bisach- ten Gang ist die Kupplung K2 geschlossen, die das Hohlrad 10a mit dem Sonnenrad 10b verbindet.
Dieser Plane- tenradsatz läuft also in diesen Gängen im Block um bzw. mit Übersetzung 1 : 1. Von dem Steg St10 wird das erste Sonnenrad lla des dritten Planetenradsatzes 11 angetrieben Das Sonnenrad lla steht mit dem Pla- netenrad llc im Eingriff, mit dem drehfest auf der gleichen Welle das Planetenrad 11d angeordnet ist.
Letzteres treibt über das Sonnenrad 11b die Abtriebswelle 3 an. Im dritten und vierten, sowie siebenten und achten Gang sind der Steg Stu und die Sonnenradwelle 2 mittels der Kupplung K, drehfest miteinan- der verbunden, d. h. in diesen Gängen weist der Planetenradsatz die Übersetzung 1 : 1 auf.
Im ersten und zweiten sowie im fünften und sechsten Gang wird der Steg Stll mittels der Bremse Bs festgehalten, so dass der Planetenradsatz 11 als Vorgelegegetriebe mit Übersetzung arbeitet.
Welche Kupplungen bzw. Bremsen des Getriebes jeweils in den einzelnen Gängen eingeschaltet sind, ist aus Fig. 2 zu ersehen. Da durch die eingeschalteten Kupplungen K, K , K der zugehörige Planetenradsatz auf 1 : 1-Übertragung geschaltet ist und durch die eingeschalteten Bremsen B , B,, B auf die jeweils vorgesehene Übersetzung, so kann aus Fig. 2 auch das Zusammenwirken der einzelnen Planetenradsätze entnommen werden.
Weiterhin kann der Fig. 2 entnommen werden, wieviel Kupplungen bzw. Bremsen beim Gangwechsel jeweils geschaltet werden müssen. Während beim Wechsel vom ersten auf den zweiten, dritten auf den vierten, fünften auf den sechsten und siebenten auf den achten Gang nur jeweils eine Kupplung bzw.
Bremse gewechselt werden muss und bei Wechsel vom zweiten auf den dritten und sechsten auf den siebenten Gang jeweils zwei Kupplungen bzw. Bremsen gewechselt werden müssen, müssen beim Übergang vom vierten auf den fünften Gang drei Kupplungen bzw. Bremsen gewechselt werden. Wird bei dem letztenannten Gangwechsel zunächst B1 aus-und K, eingeschaltet, so ist der dritte Gang eingeschaltet, damit wird die Abtriebsdrehzahl also herab-statt heraufgesetzt. Wird anschliessend ru aus-und K, eingeschal- tet, so ist der siebente Gang eingeschaltet, damit erhält die Abtriebswelle eine höhere Beschleunigung als erwünscht ist. Erst nach Abschalten von Ks und Einschalten von B, wird der fünfte Gang erreicht. In Fig. 5 ist dieser Wechsel vom vierten zum fünften Gang graphisch dargestellt.
Um diesen ungünstigen Umständen beim Gangwechsel zu begegnen, wurde zunächst nach der Erfindung eine Getriebeanordnung gewählt, die für jeden Gangwechsel nur den Wechsel von einer bzw. zwei Kupplungen bzw. Bremsen erfordert. Diese Forderung wird mit der Getriebeanordnung nach Fig. 3 erzielt.
Das Getriebe nach Fig. 3 besteht aus einem Umlaufräderkoppelgetriebe 26,27, dem ein einfacher.
Planetenrädersatz 29 nachgeschaltet ist. Das Umlaufräderkoppelgetriebe setzt sich zusammen aus einem einfachenPlanetenrädersatz 26 und einem Umlaufrädergetriebesatz 27 mit doppelten Planetenrädern. Gekoppelt sind die beiden Umlaufrädersätze 26 und 27 durch eine gemeinsame Sonnenradwelle 21, die gleichzeitig Antriebswelle ist, und durch Verbindung des Steges 26d mit dem Hohlraum 27a, der in der
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Ebene der ersten Planetenräder 27c und des Sonnenrades 27b angeordnet ist. Mit den Planetenrädern 27c sind drehfest die Planetenräder 28b verbunden, die mit dem Honlrad 28a kämmen.
Jedes der Hohlräder 26a, 27a, 28a des Umlaufräderkoppelgetriebes ist mittels einer Bremse B,B
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Bsstufen : Bei eingeschalteter Bremse Ba mit grösster Übersetzung, bei eingeschalteter Bremse B mit klein- ster Übersetzung und bei eingeschalteter Kupplung I < 1 direkte Übertragung der Antriebsdrehzahl. Durch den nachgeschalteten Planetenrädersatz 29 wird die Gangzahl verdoppelt. Beide Getriebe sind gekoppelt durch eine feste Verbindung des Steges 28c mit dem Hohlrad 29a. Das Sonnenrad 29b ist mittels der Brem- se B abbremsbar bzw. mittels der Kupplung K mit der Abtriebswelle kuppelbar, während der zugehörige
Steg fest mit der Abtriebswelle 24 verbunden ist.
Fig. 4 veranschaulicht die Schaltung der Kupplungen bzw. Bremsen in den einzelnen Gängen. Aus
Fig. 4 ist auch zu ersehen, dass beim Wechsel vom ersten zum zweiten, vom dritten zum vierten, vom fünften zum sechsten und vom siebenten zum achten Gang nur eine Kupplung bzw. Bremse zu wechseln ist. Dagegen müssen bei den übrigen Gangwechseln zwei Kupplungen bzw. Bremsen gewechselt werden, wobei im Übergang jeweils ein Gang übersprungen wird, wie es in Fig. 6 durch die ausgezogene Linie bei- spielsweise für einen Gangwechsel vom vierten zum fünften Gang dargestellt ist. Um die hiedurch hervor- gerufenen Drehzahlschwankungen auszugleichen, soll nach der Erfindung die Motordrehzahl in der ersten
Phase herabgeregelt und in der zweiten Phase wieder auf Normaldrehzahl geregelt werden, wie die ge- strichelte Linie in Fig. 6 zeigt.
Auf diese Weise soll eine stetige Änderung der Abtriebsdrehzahl erreicht werden, wie durch die strichpunktierte Linie angedeutet ist.
Da die Zeit zum Gangwechsel sehr kurz ist (sie beträgt nur Bruchteile von Sekunden), kann bei An- trieb durch einen polumschaltbaren Drehstromkurzschlussläufermotor die Wicklung für die kleinere Um- laufzahl für eine kurze Einschaltdauer ausgelegt werden ; im allgemeinen wird 10% ED ausreichend sein.
Unter diesen Bedingungen ist der Platzbedarf für die zweite Wicklung nicht gross, so dass sich eine nur geringe Vergrösserung des Elektromotors ergibt bzw. bei Einhaltung der normalen Motorgrösse eine nur geringe Leistungsminderung bei Normaldrehzahl.
Für die Drehzahlregelung des antreibenden Elektromotors während des Gangwechsels gibt es verschiedene Möglichkeiten.
Bei Antrieb durch einen Gleichstrommotor wird beispielsweise von der Getriebeabtriebswelle ein Drehzahlgeneratoj angetrieben. Ausserdem ist mit der Feldwicklung des Motors ein Drehzahlregelwiderstand in Reihe geschaltet, der durch einen Stellmotor veränderbar ist. Der von dem Drehzahlgenerator gelieferte Strom wird über einen Spannungsteiler geleitet, dessen Widerstand gemeinsam mit dem Gangschaltet mittels eines Stufenschalter in Abhängigkeit von der Getriebeabtriebsdrehzahl so reguliert wird, dass eine an den Stellmotor gelieferte Spannung stets den gleichen Wert hat. Im Gleichgewichtszustand besteht zwischen den Anschlussklemmen des Stellmotors kein Spannungsgefälle. Wird jedoch durch Gangwechsel die Getriebeabtriebsdrehzahl gesteigert, so entsteht zwischen den Klemmen des Stellmotors ein Spannungsgefälle.
Die Erregung des Antriebsmotors wird mittels der Drehzahlregeleinrichtung gesteigert.
Dies hat einen Drehzahlabfall des Antriebsmotors zur Folge.
Eine andere Möglichkeit der Drehzahlregelung besteht in der Anordnung eines induktiven Impulsebers auf der Getriebeabtriebswelle, wobei die Anzahl der anzuordnenden Induktionsspulen der Anzahl der schaltbaren Gänge des Getriebes entspricht. Auf diese Weise können je nach eingerücktem Gang ein bis acht Impulse pro Umdrehung gegeben werden und das Zu- und Abschalten der Spulen erfolgt über einen mit dem Gangschalthebel mechanisch verbundenen Schalter. Durch den Impulsgeber wird ein Wechselstrom erzeugt, dessen Frequenz von der Drehzahl der Getriebeabtriebsdrehzahl abhängig ist. Dieser Wechselstrom wird zwei frequenzabhängigen Relais zugeführt, von denen das eine auf Frequenzen unter der mittleren möglichen und das andere auf Frequenzen oberhalb der mittleren möglichen Frequenz anspricht.
Durch diese Relais wird der Stromkreis des Stellmotors geschlossen, der in gleicher Weise wie oben die Erreger- oder Ankerspannung des Antriebsmotors regelt. Bei Verminderung der Getriebeabtriebsdrehzahl spricht demnach das auf die kleineren Frequenzen geeichte Relais an und schliesst den Stromkreis für den Stellmotor, der das Feld des Antriebsmotors mittels eines Regelwiderstandes schwächt. Steigt dagegen die Abtriebsdrehzahl des Getriebes, so spricht das auf höhere Frequenzen geeichte Relais an und schliesst In der Weise den Stromkreis des Stellmotors, dass dieser nunmehr in umgekehrter Richtung umläuft und die Erregung verstärkt sich. In beiden Fällen fallen die Relais bei erreichter Frequenzgleichheit von Antriebsmotor und Impulsgeber ab.
Selbstverständlich gibt es noch eine ganze Anzahl von Möglichkeiten zur Drehzahlregelung, insbesondere die elektronischer Art.