DE10122823A1

DE10122823A1 - Leistungsverzweigungsgetriebe

Info

Publication number: DE10122823A1
Application number: DE2001122823
Authority: DE
Inventors: Peter Ulbrich; Josef Leitner
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2001-05-11
Filing date: 2001-05-11
Publication date: 2002-11-14
Anticipated expiration: 2021-05-12
Also published as: DE10122823B4

Abstract

Ein hydrostatisch-mechanisches Leistungsverzweigungsgetriebe mit stufenlos veränderlichem Übersetzungsverhältnis weist einen hydrostatischen Getriebeteil (1) und einen mechanischen Getriebeteil (2) auf, der aus zwei Planetengetrieben (7, 8) als Summierungsgetriebe und einem Bereichsgetriebe mit vier Stirnradstufen (9, 10, 11, 12) besteht. Das Leistungsverzweigungsgetriebe besteht aus einem rein hydrostatischen Übergangsfahrbereich für Geschwindigkeiten zwischen geringer Rückwärts- und geringer Vorwärtsfahrt ohne eine Bereichsübergabe und ohne das Schalten von Kupplungseinrichtungen (23, 24), insbesondere bei Geschwindigkeit Null, und einem an diesen anschließenden stufenlosen hydrostatisch-mechanischen Fahrbereich mit Leistungsverzweigung für höhere Geschwindigkeiten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein hydrostatisch mechanisches Leistungsverzweigungsgetriebe für Kraftfahr zeuge, insbesondere für landwirtschaftliche Nutzfahrzeuge, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Hydrostatisch-mechanische Leistungsverzweigungsgetrie be bestehen aus einem stufenlos verstellbaren Hydrostat getriebe mit einer volumenverstellbaren und einer volumen konstanten Einheit oder zwei volumenverstellbaren Einhei ten, einem Summierungsgetriebe und einem Bereichsgetriebe mit mehreren schaltbaren Gängen. Die über eine Antriebswel le eingeleitete Leistung verzweigt sich zum einen zu dem Hydrostatgetriebe und zum anderen auf eine Eingangswelle des Summierungsgetriebes. Durch das Summierungsgetriebe werden die Drehzahlen und Drehmomente des Hydrostatgetrie bes und der Antriebsmaschine zusammengeführt. Mit Hilfe von Schaltkupplungen sind verschiedene Gänge anwählbar, indem die Ausgangswelle des Summiergetriebes über unterschiedli che Stirnradstufen mit der Abtriebswelle gekoppelt wird. Stufenlose Getriebe haben gegenüber mechanischen Getrieben den Vorteil, dass in jedem Fahrzustand mit optimaler Motor drehzahl gefahren werden kann und keine Zugkraftunterbre chung beim Schalten auftritt.

In der DE 39 03 877 ist ein hydrostatisch-mechanisches Leistungsverzweigungsgetriebe offenbart, das aus einem vierwelligen Zahnräder-Planetengetriebe und einem dazu pa rallel angeordneten stufenlos einstellbaren hydrostatischen Getriebe sowie weiteren Zahnrädern besteht. Durch Schalt- Zahnkupplungen werden mehrere Gänge realisiert, in denen jeweils das hydrostatische Getriebe eine stufenlose Ver stellung der Übersetzungen des Gesamtgetriebes bewirkt. Der Gangwechsel erfolgt bei synchronen Drehzahlen lastfrei und ohne Zugkraftunterbrechung. Durch die Gestaltung der Schalt-Zahnkupplungen und der vorgesehenen Steuerung beim Umschaltvorgang kann das Einlegen eines neuen Ganges und das anschließende Auslegen des alten Ganges ohne jeden Ruck erfolgen. Der Rückwärtsgang wird durch einen eigenen Zahn radsatz und eine entsprechende Kupplungseinstellung reali siert, die zum Einlegen des Rückwärtsganges zu betätigen ist.

Aus WO 97/01049 ist ein Leistungsverzweigungsgetriebe bekannt, das mit in einem im Getriebegehäuse angeordneten mechanischen und hydrostatischen Leistungszweig versehen ist. Beide Zweige werden über eine gemeinsame Antriebswelle angetrieben und in einem Koppelgetriebe summiert. Das Kop pelgetriebe weist mehrere Planetenradsätze und Kupplungen auf und steht mit einer Abtriebswelle in Verbindung. Das Koppelgetriebe ist auf der Antriebswelle angeordnet. Der letzte Planetenradsatz des Koppelgetriebes ist mit Kupplung für Vorwärts- und Rückwärtsfahrt verbindbar, wobei diese Kupplungen mit der Abtriebswelle verbindbar sind. Die Be triebsänderung vom Vorwärts- zum Rückwärtsgang und umge kehrt wird über das Zusammenspiel der Kupplungen erreicht. Bei Stillstand, d. h. der Drehzahl Null, sind beide Kupp lungen geschlossen. Je nach gewünschter Fahrtrichtung muss daher zunächst die entsprechende Kupplung betätigt werden.

In der WO 99/15813 sind verschiedene Ausführungsformen eines hydrostatisch-mechanischen Leistungsverzweigungsge triebes gezeigt, beim dem zumindest das Summierungsgetriebe und die Kupplungen oder auch das Hydrostatgetriebe koaxial zueinander angeordnet sind (In-Line-Bauweise). Zur Anpas sung der nötigen Zugkraft kann ein Gruppen-Getriebe mit z. B. einer Acker- und einer Straßengruppe vorgesehen sein. Das Wechseln zwischen diesen Gruppen sowie zwischen Vor wärts- und Rückwärtsfahrt wird durch Betätigen einer ent sprechenden Kupplung verwirklicht. Die Umschaltung in den jeweils anderen Bereich erfolgt vorzugsweise nach einer definierten Verweildauer am entsprechenden Übersetzungs punkt oder innerhalb eines begrenzten Übersetzungsberei ches, d. h. bei Stillstand oder gleichbleibender Geschwin digkeit.

Derartigen Getrieben ist gemeinsam, daß das hydrosta tische Getriebe mit einem mechanischen Mehrbereichsschalt getriebe verbunden ist.

Innerhalb der Bereiche wird das stufenlose Fahren durch Verstellen der Hydrostateinheit erreicht. Um die gesamte Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs abzudecken, ist ein Wech sel in verschiedene Bereiche durch Schalten von Kupplungen notwendig. Diese werden bei Synchrondrehzahl geschaltet, so daß es zu keiner Zugkraftunterbrechung kommt.

Beim Schalten von Vorwärtsfahrtrichtung auf Rückwärts fahrtrichtung und umgekehrt kommt es aber durch den Kuppel vorgang zu einer Zeitverzögerung. Vor allem bei landwirt schaftlichen Nutzfahrzeugen, die einsatzbedingt häufig und in hoher Frequenz die Fahrtrichtung wechseln müssen, wird dies als unangenehm empfunden.

Außerdem können bei leistungsverzweigten Getrieben im Anfahrbereich und bei langsamen Geschwindigkeiten hohe Blindleistungen entstehen, die sich negativ auf Dimensio nierung, Gewicht und Kühlung der Getriebe auswirken.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein hydro statisch-mechanisches Leistungsverzweigungsgetriebe zu schaffen, bei dem bei Geschwindigkeit Null keine Kupplungen zu schalten sind, ein Fahrtrichtungswechsel zwischen vor wärts nach rückwärts ohne Verzögerungen mögliche ist, das einen guten Wirkungsgrad aufweist und mit wenigen Fahrbe reichen auskommt.

Ausgehend von einem hydrostatisch-mechanischen Leis tungsverzweigungsgetriebe der eingangs näher genannten Art, erfolgt die Lösung dieser Aufgabe mit dem im kennzeichnen den Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmal; vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein rein hydro statischer übergangsfahrbereich für Geschwindigkeiten zwi schen geringer Rückwärts- und geringer Vorwärtsfahrt ohne eine Bereichsübergabe und ohne das Schalten von Kupplungen, insbesondere bei Geschwindigkeit Null, und ein an diesen anschließender stufenlos hydrostatisch-mechanischer Fahrbe reich mit Leistungsverzweigung für höhere Geschwindigkeiten vorgesehen ist.

Durch das erfindungsgemäße Leistungsverzweigungsge triebe ist beim Wechsel von niedrigen Vorwärts- und Rück wärtsgeschwindigkeiten keine Bereichsübergabe erforderlich. In diesem Geschwindigkeitsbereich entfällt das Schalten von Kupplungen und es ist ein völlig stufenloser Antrieb mög lich, so dass keine Leistungsunterbrechung entsteht.

Im Gegensatz zu den Getrieben nach dem Stand der Tech nik, die auch bei Geschwindigkeit v = 0 leistungsverzweigt fahren, wird bei dem erfindungsgemäßen Getriebe, das in dem Übergangsfahrbereich rein hydrostatisch fährt, eine Vermin derung des Wirkungsgrades durch die Leistungsverzeigung und eine Erniedrigung der Zugkräfte auf jener Seite von v = 0, auf der Blindleistung auftritt, vermieden.

Für höhere Geschwindigkeiten sind weitere stufenlos an den Übergangsfahrbereich anschließende leistungsverzweigte Fahrbereiche vorgesehen. Diese werden vorzugsweise durch ein vierwelliges Summierungsgetriebe mit zwei Planetenge trieben und ein Bereichsgetriebe mit vier Stirnradstufen gebildet, die durch Kupplungseinrichtungen schaltbar sind. Insgesamt weist das Getriebe einen Rückwärtsbereich, den Übergangsbereich und zwei Vorwärtsbereiche auf. Das Getrie be ist leicht um zusätzliche Bereiche erweiterbar, indem beispielsweise parallel zu den bereits vorhandenen Stirn radstufen weitere Stufen mit Kupplungseinrichtung und ent sprechend abgestimmter Übersetzung vorgesehen werden.

Das erfindungsgemäße Leistungsverzweigungsgetriebe wird vorzugsweise in Tunnelbauweise gefertigt. Es besteht aus drei Hauptwellen (Eingangswelle, Zwischenwelle, Ab triebswelle) die koaxial zu einander angeordnet sind, wobei auf der Zwischenwelle das hydrostatische Getriebe, das Sum mierungsgetriebe und das Bereichsgetriebe und auf der Ab triebswelle die Kupplungseinrichtungen angeordnet sind. Durch den Einsatz von drei Hauptwellen und vorzugsweise der Verwendung von Kegelritzeln ist eine einfache Anpassung an einen gewünschten Offset zwischen der Eingangswelle und der Abtriebswelle möglich.

Mit dieser Bauweise und der geringen Anzahl an erfor derlichen Fahrbereichen kann erfindungsgemäß ein kurzes und kostengünstiges Getriebe verwirklicht werden, das einen guten Gesamtwirkungsgrad und einen guten Anfahrwirkungsgrad sowie mehrere Wirkungsgradmaxima aufweist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbei spiel dargestellt ist.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Getriebes nach der vorliegenden Erfindung.

Der allgemeine Aufbau und die Funktionsweise hydrosta tisch-mechanischer Leistungsverzweigungsgetriebe sind dem Fachmann bestens bekannt. Hier soll daher nur auf Besonder heiten der vorliegenden Erfindung eingegangen werden.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes hydrostatisch mechanisches Leistungsverzweigungsgetriebe mit einem hydro statischen Getriebeteil 1 und einem mechanischen Getriebe teil 2 gezeigt. Das Leistungsverzweigungsgetriebe weist drei Hauptwellen auf: die Eingangswelle 3, die Zwischenwel le 4 und die Abtriebswelle 5. Die Eingangswelle 3 kann durch das Getriebe hindurch geführt werden und als PTO- Anschluss oder Zapfwellenantrieb dienen.

Der hydrostatische Teil 1 wird durch eine erste Hydrostateinheit A in Form eines Konstantmotors und durch eine zweite Hydrostateinheit B in Form einer Verstellpumpe in "back to back"-Anordnung gebildet. Die Einheit B ist auf der Zwischenwelle 4 angeordnet und wird über ein Stirnradpaar 6 durch die Eingangswelle 3 angetrieben. Die Einheit A ist mit der Welle 29 verbunden. In einer vorteilhaften Aus führungsform besteht der Hydrostat aus einer Verstellpumpe und einem Konstantmotor in der Größe von nahezu 75 ccm, womit ein Leistungsbereich von 115 PS abgedeckt werden kann.

Der mechanische Getriebeteil 2 besteht aus einem Sum mierungsgetriebe mit zwei aufeinander abgestimmten Plane tengetrieben 7 und 8 und einem Bereichsgetriebe, das vier Stirnradstufen 9, 10, 11 und 12 aufweist. Das Summierungs getriebe und das Bereichsgetriebe sind koaxial auf der Wel le 29 vorgesehen und dem hydrostatischen Getriebeteil 1 nachgeordnet. Ein durch Weiterführen der Eingangswelle 3 vorgesehener PTO-Anschluss muss daher nicht durch das Sum mierungs- und Bereichsgetriebe geführt werden.

In dem Summierungsgetriebe wird über ein Stirnrad paar 13 die Drehung der Eingangswelle 3 auf eine erste Kop pelwelle 14 des Planetengetriebes 7 geleitet. Die Koppel welle 14 umfasst das Hohlrad 15 des Planetengetriebes 7 und den Steg 16 des Planetengetriebes 8. Eine zweite Koppelwel le 17 umfasst den Steg 18 des Planetengetriebes 7 und das Hohlrad 19 des Planetengetriebes 8. Eine erste Ausgangswel le 20 des Summierungsgetriebes ist mit der Koppelwelle 17 und eine zweite Ausgangswelle 21 ist mit dem Sonnenrad 22 des Planetengetriebe 8 verbunden. Das Summierungsgetriebe weist daher insgesamt vier Wellen auf.

In dem Bereichsgetriebe sind die ersten Zahnräder der Stirnradstufen 9 und 10 auf der zweiten Ausgangswelle 21 des Summierungsgetriebes, der Stirnradstufe 11 auf der ers ten Ausgangswelle 20 des Summierungsgetriebes und der Stirnradstufe 12 direkt auf der Welle 29 angeordnet. Die zweiten Zahnräder der Stirnradstufen 9, 10, 11 und 12 sind auf der Abtriebswelle 5 vorgesehen. Ferner sind zum Schal ten der einzelnen Fahrbereiche Kupplungseinrichtungen in Form von Klauenkupplungen 23 und 24 auf der Abtriebswelle 5 angeordnet. An dieser Stelle können die Kupplungen leicht hydraulisch angesteuert werden und es entsteht keine Dreh zahlüberhöhung.

Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Leistungsver zweigungsgetriebes ist folgende: Das Anfahren des Fahrzeu ges erfolgt rein hydrostatisch im Übergangsfahrbereich. Dabei wird die Drehzahl des hydrostatischen Getriebeteils 1 direkt über die Stirnradstufe 12 auf die Abtriebswelle 5 geleitet, wobei die Kupplung 24 von Anfang an eingekuppelt ist (in der Zeichnung nach rechts) und über den gesamten Fahrbereich des Übergangsfahrbereichs eingekuppelt bleibt. Durch ein Verstellen der Verstellpumpe B lässt sich die Ausgangsdrehzahl innerhalb des Fahrbereichs zwischen nega tiven und positiven Drehzahlen einstellen. Dadurch kann ein Geschwindigkeitsbereich von -5 km/h bis +5 km/h abgedeckt werden. Beim Übergang von Vorwärts- zu Rückwärtsfahrt und umgekehrt ist kein Schalten erforderlich.

Für höhere Geschwindigkeiten wird der hydrostatische Getriebeteil 1 mit dem mechanischen Getriebeteil 2 zu meh reren leistungsverzweigten Bereichen kombiniert. Dabei wird die Leistung zum einen aus dem hydrostatischen Getriebe teil 1 über die Welle 29, das Sonnenrad 25 und das Plane tenrad 26 des Planetengetriebes 7 und zum anderen über das Zahnradpaar 13 auf die Koppelwelle 14 des Summierungsge triebes geleitet. Auf diese Weise kann die Synchrondrehzahl den einzelnen Bereichen angepasst werden.

Der Abtrieb für den ersten Vorwärtsfahrbereich erfolgt von der ersten Ausgangswelle 20 des Summierungsgetriebes durch Schalten der Kupplung 24 (in der Zeichnung nach links) über die Stirnradstufe 11 auf die Abtriebswelle 5. Im zweiten Vorwärtsfahrbereich wird die Leistung über die zweite Ausgangswelle 21 des Summierungsgetriebes durch Schalten der Kupplung 23 nach rechts über die Stirnradstu fe 10 auf die Abtriebswelle 5 geleitet. Im Rückwärtsfahrbe reich wird die Leistung ebenfalls über die zweite Ausgangs welle 21, aber durch Schalten der Kupplung 23 nach links auf die Stirnradstufe 9 übertragen. Die Drehzahlumkehr im Übergangsfahrbereich und im Rückwärtsfahrbereich erfolgt durch Zwischenräder 27 bzw. 28.

Durch diese Aufteilung des Gesamtfahrbereichs in einen rein hydrostatischen Übergangsfahrbereich für niedrige Vorwärts- und Rückwärtsgeschwindigkeiten und mehrere leistungsver zweigte Fahrbereiche für höhere Geschwindigkeiten entsteht ein shuttle-taugliches Getriebe, das einen Fahrtrichtungs wechsel ohne jede Verzögerung und Leistungsunterbrechung ermöglicht.

Bezugszeichen

1

hydrostatischer Getriebeteil

2

mechanischer Getriebeteil

3

Eingangswelle

4

Zwischenwelle

5

Abtriebswelle

6

Zahnradpaar

7

erstes Planetengetriebe

8

zweites Planetengetriebe

9

Stirnradstufe

10

Stirnradstufe

11

Stirnradstufe

12

Stirnradstufe

13

Zahnradpaar

14

Koppelwelle des ersten Planetengetriebes

15

Hohlrad des ersten Planetengetriebes

16

Steg des zweiten Planetengetriebes

17

Koppelwelle des zweiten Planetengetriebes

18

Steg des ersten Planetengetriebes

19

Hohlrad des zweiten Planetengetriebes

20

erste Ausgangswelle

21

zweite Ausgangswelle

22

Sonnenrad des zweiten Planetengetriebes

23

Kupplung

24

Kupplung

25

Sonnenrad des ersten Planetengetriebes

26

Planetenrad des ersten Planetengetriebes

27

Zwischenrad Übergangsbereich

28

Zwischenrad Rückwärtsbereich

29

Welle

Claims

1. Hydrostatisch-mechanisches Leistungsverzweigungsge triebe mit stufenlos veränderlichem Übersetzungsverhältnis, das einen hydrostatischen Getriebeteil (1) bestehend aus einer ersten Hydrostateinheit (B) mit verstellbarem Volumen und einer zweiten Hydrostateinheit (A) mit konstantem Volu men und einen mechanischen Getriebeteil (2) bestehend aus wenigstens zwei Planetengetrieben (7, 8) als Summierungsge triebe und mehreren durch Kupplungseinrichtungen (23, 24) mit der Abtriebswelle (5) verbindbare Stirnradstufen (9, 10, 11, 12) als Bereichsgetriebe aufweist, dadurch ge kennzeichnet, dass ein rein hydrostatischer Übergangsfahrbereich für Geschwindigkeiten zwischen gerin ger Rückwärts- und geringer Vorwärtsfahrt ohne eine Be reichsübergabe und ohne das Schalten von Kupplungseinrich tungen (23, 24), insbesondere bei Geschwindigkeit Null, und ein an diesen anschließender stufenlos hydrostatisch-mecha nischer Fahrbereich mit Leistungsverzweigung für höhere Geschwindigkeiten vorgesehen ist.

2. Leistungsverzweigungsgetriebe nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, dass es drei Haupt wellen (Eingangswelle (3), Welle (29), Abtriebswelle (5)), ein Summierungsgetriebe aus zwei Planetengetrieben (7, 8) und ein Bereichsgetriebe mit vier Stirnradstufen (9, 10, 11, 12) aufweist, die einen Rückwärtsfahrbereich und zwei Vorwärtsfahrbereiche des hydrostatisch-mechanischen Fahrbe reichs bilden.

3. Leistungsverzweigungsgetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Summierungsgetriebe und das Bereichsgetriebe dem hydrosta tischen Getriebeteil (1) nachgeordnet sind.

4. Leistungsverzweigungsgetriebe nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass der hydrostatische Getriebeteil (1), das Summierungsgetriebe und das Bereichsgetriebe koaxial zuein ander auf der Welle (29) angeordnet sind.

5. Leistungsverzweigungsgetriebe nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass die Kupplungseinrichtungen (23, 24) für die Stirnradstufen auf der Abtriebswelle (5) angeordnet sind.

6. Leistungsverzweigungsgetriebe nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass die erste Hydrostateinheit (A) durch einen Konstantmotor und die zweite Hydrostateinheit (B) durch eine Verstellpumpe gegeben ist.

7. Leistungsverzweigungsgetriebe nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass sich der Übergangsfahrbereich zwischen nahe zu +/-5 km/h erstreckt.

8. Leistungsverzweigungsgetriebe nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass es in Tunnelbauweise ausgebildet ist.

9. Leistungsverzweigungsgetriebe nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass weitere Fahrbereiche durch zusätzliche zu den vorhandenen Stirnradstufen (9, 10, 11, 12) parallel angeordnete Stirnradstufen hinzufügbar sind.