DE102006025348A1

DE102006025348A1 - Hydrostatisch-mechanisches Getriebe

Info

Publication number: DE102006025348A1
Application number: DE102006025348A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Göllner
Original assignee: Sauer Danfoss GmbH and Co OHG
Current assignee: Danfoss Power Solutions GmbH and Co OHG
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2007-12-06
Also published as: US20070281815A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein hydrostatisch-mechanisches Traktorengetriebe mit einem stufenlosen hydrostatischen Antrieb, wobei der hydrostatische Antrieb eine von einem Verbrennungsmotor angetriebene hydrostatische Pumpe und einen von der Pumpe angetriebenen Hydromotor aufweist und die Pumpe und der Hydromotor über ein einziges, gemeinsames Schwenkteil zwangsgekoppelt so verstellbar sind, dass die Pumpe zwischen einem minimalen Winkel und einem maximalen Winkel verschwenkbar ist, während zugleich der Motor synchron von einem maximalen Schwenkwinkel zu einem minimalen Winkel verschwenkt. Die Pumpe ist für eine einzige Förderrichtung des Volumenstroms ausgelegt. Ein mechanisches Bereichsgetriebe ist nachgeschaltet, das mehrere Schaltstufen besitzt, die über eine Kupplung schaltbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein hydrostatisch-mechanisches Getriebe mit einem stufenlosen hydrostatischen Antrieb und einem nachgeschalteten mechanischen Bereichsgetriebe gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.
Hydrostatische Getriebe werden vornehmlich bei Nutzfahrzeugen im landwirtschaftlichen oder bauwirtschaftlichen Bereich eingesetzt. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie innerhalb eines gewissen Geschwindigkeitsbereichs einen in seiner Übersetzung stufenlosen Antrieb gewährleisten, der in jedem Fahrzustand ein Fahren mit optimaler Motordrehzahl und ohne Unterbrechung der Zugkraft erlaubt.
Derartige stufenlos verstellbare Hydrostatgetriebe bestehen aus einer Pumpe und einem oder mehreren Hydromotoren, die in Schrägachsenbauweise oder als Schrägscheibeneinheiten ausgeführt sind. Sie können bspw. Teil eines Leistungsverzweigungs-Getriebes sein, bei dem die über die Antriebswelle von einem Verbrennungsmotor eingeleitete Leistung sich auf das Hydrostatgetriebe und die Eingangswelle eines Summiergetriebes verzweigt, wobei durch das Summiergetriebe die Drehzahlen und Drehmomente des Hydrostatgetriebes und der Antriebsmaschine wieder zusammengeführt werden.
Ein Leistungsverzweigungs-Getriebe für Schlepper mit einer Pumpe und zwei Hydromotoren ist bspw. in der DE 42 09 950 A1 beschrieben.
In einem Hydrostatgetriebe der genannten Art ist in Neutralstellung der Schwenkwinkel der Pumpe Null, so dass praktisch kein Volumenstrom fließt. Der Hydromotor ist in Neutralstellung dagegen auf maximalen Schwenkwinkel eingestellt. Im Betrieb verschwenkt die Pumpe von Null auf maximalen Schwenkwinkel, bei Schrägachsentreibwerken bspw. 45°. Der Hydromotor verschwenkt anschließend ausgehend von 45° auf Null. Die Verstellung der Hydropumpe erfolgt in Abhängigkeit von den Leistungsanforderungen, die der Fahrer durch Betätigung des Gaspedals vorgibt. Die Verstellung des Hydromotors umfasst üblicherweise eine Regeleinrichtung, die jeweils eine optimale Zugkraftübertragung an die Achse sicherstellt.
Mit der vorliegenden Erfindung soll ein stufenloses Getriebe mit vereinfachter Hydrostatik geschaffen werden.
Erfindungsgemäß wird dies bei einem hydrostatisch-mechanischen Getriebe mit einem stufenlosen hydrostatischen Antrieb mit einer von einem Verbrennungsmotor angetriebenen hydrostatischen Pumpe und einem von der Pumpe angetriebenen Hydromotor dadurch erreicht, dass die Pumpe und der Hydromotor zwangsgekoppelt synchron so verstellbar sind, dass die Pumpe zwischen einem Minimalwinkel und einem maximalen Winkel verschwenkbar ist, während zugleich der Motor von einem maximalen Schwenkwinkel zu einem minimalen Winkel verschwenkt. Die Zwangskopplung ist durch ein einziges, gemeinsames Schwenkteil mechanisch vorgegeben. Die Pumpe ist dabei für eine einzige Förderrichtung des Volumenstroms ausgelegt. Dem Hydromotor ist ein mechanisches Bereichsgetriebe nachgeschaltet, das mehrere Schaltstufen besitzt, die über eine Kupplung schaltbar sind.
Der minimale Schwenkwinkel liegt im wesentlichen bei Null. Um evtl. Volumenstromverluste auszugleichen, kann der Wert auch wenige Winkelgrade davon abweichen
Vorzugsweise ist das hydrostatisch-mechanische Getriebe so ausgelegt, dass der Volumenstrom insgesamt, also auch im Hydromotor nur in einer einzigen Richtung fließt, wobei dann im Bereichsgetriebe ein Rückwärtsgang vorgesehen ist. Alternativ kann ein Umschaltventil vorgesehen sein, das zum Wechsel der Fahrtrichtung die Pumpenleitung wahlweise parallel oder überkreuz auf die Fluidleitungen des Hydromotors schaltet. Eine besonders einfache Lösung hierfür ist ein 4/2-Wege-Ventil. Vorteile bietet auch ein 4/3-Wege-Ventil, das beim Umschalten zunächst eine Mittelstellung einnimmt, bei welcher der Hydromotor von den Pumpenleitungen getrennt ist.
Vorzugsweise ist das Getriebe als Leistungsverzeigungsgetriebe ausgebildet. In vorteilhafter Weiterbildung weist das Bereichsgetriebe mehrere Vorwärtsgänge auf. Dabei können einzelne oder alle Schaltstufen des Bereichsgetriebes synchronisiert sein.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens weist das Getriebe Lastschaltkupplungen zum Schalten der Schaltstufen auf. Insbesondere ist von Vorteil, wenn eine Lastschaltkupplung zwischen dem Hydromotor und dem mechanischen Getriebe vorgesehen wird.
Die Pumpe und/oder der Hydromotor des hydrostatischen Getriebes sind Schrägachsentriebwerke. Sie können vorteilhaft in einem gemeinsamen Gehäuse mit zwei parallelen Achsen zusammengefasst und darin durch das Schwenkteil mechanisch miteinander zwangsgekoppelt werden. In alternativer Ausführung sind die Triebwerke in Schrägscheibenbauweise ausgebildet. Auch in diesem Fall werden sie bevorzugt in einem gemeinsamen Gehäuse zusammengefasst. In jedem Falle ergeben sich besonders kurze hydraulische Verbindungen, so dass komplizierte Durchführungen und die daraus resultierenden Dichtungsprobleme vermieden werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1 Ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Kompaktgetriebe;
2 Ein Leistungsverzweigungsgetriebe mit drei nachgeschalteten Vorwärtsschaltstufen und einem Rückwärtsgang;
3 Ein Leistungsverzweigungsgetriebe mit einer Lastschaltkupplung zwischen Hydromotor und mechanischem Getriebe;
4 Ein Leistungsverzweigungsgetriebe mit lastschaltbaren Schaltstufen 1 und R;
5 Ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Leistungsverzweigungsgetriebe, bei dem alle Gänge lastschaltbar sind;
6 Ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Leistungsverzweigungsgetriebe in kompakter Bauweise;
7 Ein Leistungsverzweigungsgetriebe mit 4/2-Wege-Ventil zwischen Pumpe und Motor zum Wechsel zwischen Vorwärts- und Rückwärtsfahrt;
8 Das Leistungsverzweigungsgetriebe von 7 mit einem 4/3-Wege-Ventil.
In 1 ist ein hydrostatisch-mechanisches Kompaktgetriebe 1 nach der Erfindung dargestellt, bei dem ein Verbrennungsmotor 2 über die Zahnräder 9 und 10 ein Pumpe 3 antreibt. Die Pumpe 3 versorgt über die Hydraulikleitungen 21 einen Hydromotor 4, dem ein mechanisches Getriebe 5 nachgeschaltet ist. Die Welle des Verbrennungsmotors 2 ist durch das Getriebe 1 hindurchgeführt und dient als PTO-Anschluss bzw. Zapfwelle.
Die Pumpe 3 und der Hydromotor 4 sind jeweils in Schrägachsenbauweise ausgeführt und befinden sich in der Darstellung der 1 in der Neutralstellung. Dies bedeutet für die Pumpe den förderlosen Zustand, also einen Schwenkwinkel von Null Grad, wobei aus Kompensationsgründen gegebenenfalls ein etwas von Null Grad abweichender minimaler Schwenkwinkel gewählt werden kann. In analoger Weise können für Pumpe und Motor auch Schrägscheiben-Triebwerke eingesetzt werden.
Der Hydromotor 4 steht in der Neutralstellung auf maximalem Schwenkwinkel also bspw. 45°. Er ist mit der Pumpe über ein einstückiges Schwenkteil mechanisch zwangsgekoppelt und verschwenkt deshalb synchron mit dieser. Wenn die Pumpe 2 im Fahrbetrieb von der Neutralstellung in Richtung maximaler Schwenkwinkel verstellt wird, verschwenkt gleichzeitig der Hydromotor im Gegensinn, also in Richtung minimaler Schwenkwinkel. Der Hydromotor ist damit nicht mehr unabhängig steuerbar. Eine gesonderte Regelung für die Motorverstellung entfällt. Außerdem fließt der Volumenstrom nur mehr in einer Richtung, d.h. er kehrt in diesem Ausführungsbeispiel, bspw. um rückwärts fahren zu können, seine Richtung nicht um.
Zwischen dem Hydromotor 4 und dem Differential 8 zwischen den an der Hinterradachse 7 befindlichen Hinterrädern 6 ist ein Bereichsgetriebe 5 vorgesehen. Es umfasst einen über die Zahnradstufe 11 mit dem Hydromotor 4 verbindbaren Rückwärtsgang R, sowie zwei Vorwärtsgänge V1, V2, denen die Zahnradstufen 12 und 13 zugeordnet sind, wobei diese Schaltstufen jeweils über eine Synchronkupplung 15 zugeschaltet werden. Damit läßt sich beispielsweise für den Rückwärts- und den ersten Vorwärtsgang jeweils der Bereich von 0 km/h bis 20 km/h und für V2 der Bereich von 0 km/h bis 40 km/h abdecken.
Die 2 bis 5 zeigen verschiedene Ausführungsformen eines Leistungsverzweigungsgetriebes 1 nach der Erfindung, das mit dem zuvor beschriebenen stufenlosen hydrostatischen Antrieb ausgestattet ist. In diesen Beispielen ist die Welle des Verbrennungsmotors 2, die wie zuvor beschreiben auch zum PTO-Anschluss führt, mit einem leistungsverzweigenden Planetengetriebe 16 verbunden. Eine Welle des Planetengetriebes 16 treibt über das Zahnrad 9 eine verstellbare Pumpe 3 an, eine weitere Welle verbindet das Planetengetriebe 16 über die Zahnradstufe 14 mit der Welle des Hydromotors 4 und über eine der Getriebestufen 11, 12, 13, 14 mit der Ausgangswelle des Bereichsgetriebes 5, die wiederum unmittelbar das Differential 8 an den Rädern 6 der Hinterachse 7 antreibt.
Der Hydromotor 4 wird von der Pumpe 3 über Hydraulikleitungen 21 versorgt und, wie zuvor beschrieben, zwangsweise zusammen mit der Pumpe 2 verstellt, wobei die Pumpe aus der Neutralstellung im Bereich des Schwenkwinkels Null Grad auf maximalen Schwenkwinkel verstellbar ist, während der Hydromotor 4 gleichzeitig vom maximalen auf den minimalen Winkel schwenkt. Eine Richtungsumkehr des Zwischen Pumpe 3 und Motor 4 fließenden Volumenstroms ist nicht vorgesehen.
Mit der Welle des Hydromotors 4 ist ein mechanisches Getriebe 5 zur Spreizung des Übersetzungsverhältnisses verbunden, das einen Rückwärtsgang R und drei Vorwärtsgänge V1, V2, V3 umfasst. Damit ergeben sich beispielsweise folgende Geschwindigkeitsbereiche:
Im Rückwärts- und ersten Vorwärtsgang: 0 km/h bis 20 km/h:
Im zweiten Gang V2: 0 km/h bis 35 km/h.
In der dritten Schaltstufe V3: 0 km/h bis 60km/h.
Gemäß dem Beispiel der 2 werden die Getriebestufen jeweils über eine Synchronkupplung 15 und wahlweise einen der Zahnradsätze 11, 12, 13, 14 zugeschaltet.
Gemäß 3 ist am Hydromotor 4 zusätzlich eine Lamellenkupplung 17 vorgesehen, die unter Last und bei unsynchronen Drehzahlen schalten kann.
Das Beispiel der 4 unterscheidet sich vom Getriebe nach 2 dadurch, dass die Gänge 1 und R mit einer Lamellenkupplung 18 lastschaltbar ausgebildet sind, während die Gänge V2 und V3 über eine Synchronkupplung betätigt werden.
In der Ausführungsform nach 5 sind alle Gänge R, V1, V2, V3 mit jeweils einer Lamellenkupplung 18 lastschaltbar ausgebildet.
Eine weitere Ausführungsform eines Leistungsverzweigungsgetriebes in kompakter Bauweise, die Platzvorteile bietet, ist in 6 dargestellt. Wie in den vorherigen Beispielen wird eine Verstellpumpe 3 von einer Brennkraftmaschine 2 über ein Planetensystem 16 und eine Zahnradstufe 9 angetrieben. Eine weitere Welle des Planetengetriebes 16 ist über die Zahnradstufe 20 unmittelbar mit der Welle des Hydromotors 4 verbunden. An dieser Welle ist außerdem eine lastschaltbare Lamellenkupplung 17 vorgesehen mit deren Hilfe die Antriebskraft über die Zahnradstufe 19 auf eine Antriebswelle übertragen werden kann, die koaxial zur Welle der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Diese koaxiale Antriebswelle ist wiederum über Getriebestufen für einen Rückwärtsgang 11 und drei Vorwärtsgänge 12, 13, 14 sowie die Synchronkupplungen 15 mit der Welle verbindbar, welche das Differential 8 an den Antriebsrädern 6 der Hinterachse 7 antreibt.
In 7 ist ein weiteres Leistungsverzweigungsgetriebe dargestellt, bei dem statt eines Rückwärtsgangs ein Umschaltventil 23 in Form eines 4/2-Wege-Ventils zwischen Pumpe 3 und Motor 4 vorgesehen ist. Das Umschaltventil 23 verbindet die von der Pumpe 3 kommenden Fluidleitungen 21 mit den Leitungen 23 zum Hydromotor 4 wahlweise parallel oder überkreuz und schafft so die Möglichkeit einer Umschaltung zwischen Vorwärts- und Rückwärtsfahrt. Ein eigener Rückwärtsgang im mechanischen Bereichsgetriebe kann hierdurch entfallen. Die übrigen Getriebeteile entsprechen den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen. Ihre Bezugszeichen wurden beibehalten. Das gleiche gilt für die 8, die dasselbe Leistungsverzweigungsgetriebe, jedoch mit einem 4/3-Wege-Ventil 24 zur Umschaltung des Volumenstroms zwischen Pumpe 3 und Motor 4 zeigt. Das 4/3-Wege-Ventil bietet den Vorteil, dass es eine Mittelstellung 25 aufweist, bei welcher der Hydromotor vom Druck getrennt wird, wodurch der Hydromotor in 0°-Stellung abschaltet und Kompressionsverluste eliminiert werden.
Mit der mechanischen Zwangskopplung von Pumpe und Motor lassen sich somit vorteilhafte Getriebe mit einer vereinfachten und robusten Hydrostatik kostengünstig realisieren.

R: Rückwärtsgang
V1: 1. Vorwärtsgang
V2: 2. Vorwärtsgang
V3: 3. Vorwärtsgang
PTO: power-take-off, Zapfwelle
1: hydrostatisch-mechanisches Getriebe,
2: Verbrennungsmotor
3: Pumpe
4: Hydromotor
5: mechanisches Getriebe
6: Hinterrad
7: Hinterradachse
8: Ausgleichsgetriebe
9: Zahnrad (Pumpe)
10: Zahnrad
11: Zahnradstufe Rückwärtsgang
12: Zahnradstufe 1. Gang
13: Zahnradstufe 2. Gang
14: Zahnradstufe 3. Gang
15: Synchronkupplung
16: Planetengetriebe
17, 18: Lamellenkupplungen
19: Zahnradstufe für Kupplung auf koaxiale Welle
20: Zahnradstufe des Hydromotors
21: Fluidleitungen von der Pumpe
22: Fluidleitungen zum Hydromotor
23: Umschaltventil, 4/2-Wege-Ventil
24: Umschaltventil, 4/3-Wege-Ventil
25: Mittelstellung des 4/3-Wege-Ventils

Claims

Hydrostatisch-mechanisches Getriebe mit einem stufenlosen hydrostatischen Antrieb, wobei der hydrostatische Antrieb eine von einem Verbrennungsmotor (2) angetriebene hydrostatische Pumpe (3) und einen von der Pumpe (3) angetriebenen Hydromotor (4) aufweist, die Pumpe (3) und der Hydromotor (4) über ein einziges, gemeinsames Schwenkteil mechanisch zwangsgekoppelt so verstellbar sind, dass die Pumpe (3) zwischen einem minimalen Winkel und einem maximalen Winkel verschwenkbar ist, während zugleich der Motor (4) synchron von einem maximalen Schwenkwinkel zu einem minimalen Winkel verschwenkt, die Pumpe (3) für eine einzige Förderrichtung des Volumenstroms ausgelegt ist und ein mechanisches Bereichsgetriebe (5) nachgeschaltet ist, das mehrere Schaltstufen besitzt, die über eine Kupplung (15, 17, 18) schaltbar sind.
Getriebe nach Anspruch 1, wobei der minimale Winkel im Bereich von 0° liegt.
Getriebe nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Volumenstrom im Hydromotor (4) in einer einzigen Richtung fließt und die Schaltstufen des Bereichsgetriebes (5) einen Rückwärtsgang (R) aufweisen.
Getriebe nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein Umschaltventil (23, 24) vorgesehen ist, das zum Rückwärtsfahren die von der Pumpe (3) zum Hydromotor (4) führenden Fluideitungen (21) überkreuz auf die Fluidleitungen (22) des Hydromotors (4) schaltet.
Getriebe nach Anspruch 4, bei dem das Umschaltventil ein 4/2-Wege-Ventil (23) ist.
Getriebe nach Anspruch 4, bei dem das Umschaltventil (24) eine Mittelstellung (25) aufweist, bei welcher der Hydromotor (4) von den Pumpenleitungen (21) getrennt ist.
Getriebe nach Anspruch 6 bei dem das Umschaltventil ein 4/3-Wege-Ventil (24) ist.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, das als Leistungsverzeigungsgetriebe ausgebildet ist.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das ein Bereichsgetriebe (5) mit mehreren Vorwärtsgänge (V1, V2, V3) aufweist.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem Schaltstufen des Bereichsgetriebes (5) synchronisiert sind.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, das Lastschaltkupplungen (17, 18) zum Schalten der Schaltstufen aufweist.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, das eine Lastschaltkupplung (17) zwischen dem Hydromotor und dem nachgeschalteten Bereichsgetriebe (5) aufweist.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Kopplung der Schwenkwinkel zwischen Pumpe (3) und Hydromotor (4) mechanisch durch ein gemeinsames Schwenkteil erfolgt.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Pumpe (3) und der Hydromotor (4) als Schrägachsenentriebwerke ausgebildet sind.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Pumpe (3) und der Hydromotor (4) als Schrägscheibentriebwerke ausgebildet sind.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem Pumpe (3) und Hydromotor (4) als Baugruppe in einem gemeinsamen Gehäuse zusammengefasst sind.