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Die Erfindung betrifft eine Getriebevorrichtung für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für eine selbstfahrende Arbeitsmaschine. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Getriebevorrichtung sowie ein Verfahren zum Steuern einer zwischen zumindest einer ersten und einer zweiten Schaltstufe schaltbaren Getriebevorrichtung eines Kraftfahrzeugs.
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Der Markt bietet eine Vielzahl von schaltbaren Getriebevorrichtungen, die vor allem in geländegängigen Fahrzeugen, selbstfahrenden Arbeitsmaschinen und dergleichen eingesetzt werden und von einem Gelände- in einen Straßengang schaltbar sind. Normalerweise lassen sich diese Getriebevorrichtungen nur im Stand schalten oder sie verfügen über aufwändige Lamellenkupplungen, die zwar ein Schalten während der Fahrt ermöglichen, jedoch sehr teuer sind.
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Aus der
US 4 323 354 ist eine Getriebevorrichtung mit zwei Schaltstufen für einen Schiffsmotor bekannt.
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Eine Getriebevorrichtung, die auf Lamellenkupplungen verzichtet und ein Schalten zwischen den Fahrstufen auch bei bewegtem Kraftfahrzeug ermöglicht, ist beispielsweise bereits aus der
EP 2 020 532 A1 bekannt. Die Getriebevorrichtung umfasst eine Antriebswelle, die mit einem Hydromotor eines Kraftfahrzeugs koppelbar ist. Weiterhin umfasst die Getriebevorrichtung eine Abtriebswelle, mittels welcher zumindest eine Achse des Kraftfahrzeugs antreibbar ist. Die Antriebswelle und die Abtriebswelle sind in einer ersten Schaltstufe der Getriebevorrichtung über zumindest eine erste Zahnradpaarung und in einer zweiten Schaltstufe über zumindest eine zweite Zahnradpaarung miteinander gekoppelt, so dass sich unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse ergeben. Die erste Zahnradpaarung weist dabei eine gerade Anzahl an Zahnrädern auf, wohingegen die zweite Zahnradpaarung eine ungerade Anzahl von zumindest drei Zahnrädern umfasst. Durch die unterschiedlichen Paritäten der ersten und der zweiten Zahnradpaarung kann das Schalten zwischen der ersten und der zweiten Schaltstufe unter Ausnutzung der vorteilhaften Eigenschaften von Hydromotoren durch einfache Umkehrung der Drehrichtung des Hydromotors bzw. der Antriebswelle erfolgen. Dabei stellt eine Trenneinrichtung sicher, dass die Antriebswelle in Abhängigkeit der jeweiligen Fahrstufe nur über eine der beiden Zahnradpaarungen mit der Abtriebswelle gekoppelt ist, so dass sich die beiden Zahnradpaarungen nicht gegenseitig behindern können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Getriebevorrichtung mit wenigstens zwei unterschiedlichen Schaltstufen zu schaffen, welche kostengünstig herstellbar ist, für unterschiedliche Motoren verwendet werden kann und sich während der Fahrt schalten lässt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Getriebevorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Getriebevorrichtung bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Getriebevorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen der Getriebevorrichtung als vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und umgekehrt anzusehen sind.
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Eine erfindungsgemäße Getriebevorrichtung für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für eine selbstfahrende Arbeitsmaschine, umfasst eine erste Welle und eine zweite Welle, welche mit einem Motor des Kraftfahrzeugs koppelbar und von diesem antreibbar sind, eine dritte Welle, welche zum Antreiben des Kraftfahrzeugs mit einer Achse des Kraftfahrzeugs koppelbar ist, eine Schalteinrichtung, welche in einer ersten Schaltstufe der Getriebevorrichtung eine Wirkverbindung zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle aufhebt und welche in einer zweiten Schaltstufe der Getriebevorrichtung die erste Welle und die zweite Welle miteinander in Wirkverbindung bringt, eine erste Kraftübertragungseinrichtung, mittels welcher zumindest in der ersten Schaltstufe eine Wirkverbindung zwischen der ersten Welle und der dritten Welle herstellbar ist, und eine zweite Kraftübertragungseinrichtung, mittels welcher zumindest in der zweiten Schaltstufe eine Wirkverbindung zwischen der zweiten Welle und der dritten Welle herstellbar ist, wobei die erste Welle und die zweite Welle in der ersten und in der zweiten Schaltstufe jeweils gleichsinnig drehbar sind. Die Schalteinrichtung ist mechanisch und/oder hydraulisch und/oder pneumatisch und/oder elektrisch betätigbar. Dies erlaubt eine konstruktiv variable Ausgestaltung der Getriebevorrichtung und eine einfache Anpassung an unterschiedliche Kraftfahrzeugtypen, Ausstattungslinien und Einsatzzwecke. Die erfindungsgemäße Getriebevorrichtung ermöglicht ein Schalten während der Fahrt des Kraftfahrzeugs und ist sehr kostengünstig herzustellen, da auf teure Lamellenkupplungen verzichtet werden kann. Zudem kann die Getriebevorrichtung für unterschiedliche Motortypen wie beispielsweise Brennkraftmaschinen, Hydromotoren und Elektromotoren verwendet werden, da beim Schalten zwischen den zwei Schaltstufen keine Drehrichtungsumkehr des Motors erforderlich ist. Die erste und/oder die zweite Welle kann dabei grundsätzlich mittelbar und/oder unmittelbar mit dem Motor gekoppelt sein. Die beiden Kraftübertragungseinrichtungen ermöglichen vorzugsweise unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse zwischen der ersten und der dritten bzw. zwischen der zweiten und der dritten Welle, so dass beispielsweise die erste Schaltstufe als Geländegang zur Langsamfahrt mit hohem Drehmoment und die zweite Schaltstufe als Straßengang zur Erhöhung der Maximalgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs verwendet werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass eine Schaltstufe durch Umkehrung der Drehrichtung des Motors sowohl als Vorwärts- als auch als Rückwärtsgang verwendet werden kann, so dass ohne zusätzliche konstruktive Maßnahmen an der Getriebevorrichtung eine weitere Schaltstufe realisierbar ist. Die Getriebevorrichtung ist hier – durch konstruktiv einfach, bauraumsparend und kostengünstig herstellbar und besitzt zudem ein sehr geringes Gewicht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Kraftübertragungseinrichtung eine erste Zahnradpaarung mit wenigstens einem der ersten Welle zugeordneten Zahnrad und wenigstens einem der dritten Welle zugeordneten Zahnrad und die zweite Kraftübertragungseinrichtung eine zweite Zahnradpaarung mit wenigstens einem der zweiten Welle zugeordneten Zahnrad und wenigstens einem der dritten Welle zugeordneten Zahnrad umfasst. Eine Zahnradpaarung stellt eine konstruktiv einfache, robuste und kostengünstige Möglichkeit dar, um die Wirkverbindung zwischen der ersten und/oder der zweiten, antriebsseitigen Welle der Getriebevorrichtung und der abtriebsseitigen dritten Welle zu bewerkstelligen. Zudem kann durch die Verwendung zumindest einer Zahnradpaarung eine besonders einfache Drehmoment- und Drehzahlanpassung der Getriebevorrichtung unter Berücksichtigung des späteren Einsatzzwecks vorgenommen werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich, indem die erste Zahnradpaarung und die zweite Zahnradpaarung gleiche Paritäten besitzen. Hierdurch ist auf konstruktiv einfache Weise sichergestellt, dass beim Schalten zwischen der ersten und der zweiten Schaltstufe keine Drehrichtungsumkehr der ersten Welle und der zweiten Welle erfolgt bzw. erfolgen kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Kraftübertragungseinrichtung eine erste Freilaufeinrichtung umfasst, mittels welcher die Wirkverbindung zwischen der ersten und der dritten Welle aufhebbar ist, wenn eine Drehzahl der ersten Welle kleiner ist als eine Drehzahl des der ersten Welle zugeordneten Zahnrads der ersten Zahnradpaarung und/oder mittels welcher die Wirkverbindung zwischen der ersten und der dritten Welle herstellbar ist, wenn die Drehzahl der ersten Welle gleich oder größer ist als die Drehzahl des der ersten Welle zugeordneten Zahnrads der ersten Zahnradpaarung. Mit Hilfe der ersten Freilaufeinrichtung kann auf eine aufwändige Drehzahlsynchronisierungseinrichtung zum Anpassen der Motordrehzahl beim Schalten zwischen der ersten und der zweiten Schaltstufe verzichtet werden. Beim Herstellen der Wirkverbindung klemmt die erste Freilaufeinrichtung und gleicht somit die Drehzahl des Motors automatisch mit der Drehzahl des der ersten Welle zugeordneten Zahnrads ab. Beim Aufheben der Wirkverbindung gibt die Freilaufeinrichtung dieses Zahnrad frei, so dass die Drehzahl des Motors unabhängig von der Drehzahl der dritten Welle verringert werden kann.
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Weitere Vorteile ergeben sich, indem die zweite Kraftübertragungseinrichtung eine zweite Freilaufeinrichtung umfasst, mittels welcher die Wirkverbindung zwischen der zweiten und der dritten Welle aufhebbar ist, wenn eine Drehzahl der zweiten Welle größer ist als eine Drehzahl des der zweiten Welle zugeordneten Zahnrads der zweiten Zahnradpaarung und/oder mittels welcher die Wirkverbindung zwischen der zweiten und der dritten Welle herstellbar ist, wenn die Drehzahl der zweiten Welle gleich oder kleiner ist als die Drehzahl des der zweiten Welle zugeordneten Zahnrads der zweiten Zahnradpaarung. Mit Hilfe der zweiten Freilaufeinrichtung kann auf eine aufwändige Drehzahlsynchronisierung zwischen der mit dem Motor gekoppelten zweiten Welle und der dritten Welle beim Schalten zwischen den Schaltstufen verzichtet werden. Beim Herstellen der Wirkverbindung klemmt die zweite Freilaufeinrichtung und gleicht somit die Drehzahl des Motors automatisch mit der Drehzahl des der zweiten Welle zugeordneten Zahnrads ab. Beim Aufheben der Wirkverbindung gibt die Freilaufeinrichtung dieses Zahnrad frei, so dass die Drehzahl des Motors unabhängig von der Drehzahl der dritten Welle erhöht werden kann. Indem die zweite Freilaufeinrichtung umgekehrt zur ersten Freilaufeinrichtung konfiguriert ist, ergibt sich zudem der Vorteil, dass sich die Zahnradpaarungen in den beiden Schaltstufen nicht gegenseitig behindern und eine Beschädigung der Getriebevorrichtung besonders zuverlässig ausgeschlossen ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schalteinrichtung in der ersten Schaltstufe die erste Welle mit dem der ersten Welle zugeordneten Zahnrad der ersten Zahnradpaarung drehfest koppelt und/oder in der zweiten Schaltstufe die zweite Welle mit dem der zweiten Welle zugeordneten Zahnrad der zweiten Zahnradpaarung drehfest koppelt und/oder dass die Schalteinrichtung in eine dritte Schaltstufe schaltbar ist, in welcher die erste und die zweite Welle miteinander in Wirkverbindung stehen und das der ersten Welle zugeordnete Zahnrad der ersten Zahnradpaarung von der ersten Welle und das der zweiten Welle zugeordnete Zahnrad der zweiten Zahnradpaarung von der zweiten Welle entkoppelt ist. Indem die Schalteinrichtung in der ersten Schaltstufe die erste Welle mit dem der ersten Welle zugeordneten Zahnrad der ersten Zahnradpaarung und/oder in der zweiten Schaltstufe die zweite Welle mit dem der zweiten Welle zugeordneten Zahnrad der zweiten Zahnradpaarung drehfest koppelt, wird auf konstruktiv einfache Weise eine besonders zuverlässige Kraftübertragung zwischen dem betreffenden Zahnrad und der betreffenden Welle ermöglicht. Indem die Schalteinrichtung in die dritte Schaltstufe schaltbar ist, können die erste und die zweite Welle zur einfachen Drehzahlsynchronisierung miteinander in Wirkverbindung gebracht werden, wobei gleichzeitig die jeweiligen Zahnräder der beiden Zahnradpaarungen von ihrer betreffenden Welle entkoppelt sind und keine Verwindungen oder Beschädigungen im Antriebsstrang durch asynchrone Drehzahlen hervorrufen können.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das der ersten Welle zugeordnete Zahnrad der ersten Zahnradpaarung und/oder das der zweiten Welle zugeordnete Zahnrad der zweiten Zahnradpaarung und/oder die erste Welle und/oder die zweite Welle eine mit einer Verzahnung einer Schaltmuffe der Schalteinrichtung korrespondierende, insbesondere angeschrägte, Verzahnung aufweist, wobei die Schaltmuffe in der ersten Schaltstufe das Zahnrad der ersten Zahnradpaarung drehfest mit der ersten Welle und/oder in der zweiten Schaltstufe das Zahnrad der zweiten Zahnradpaarung drehfest mit der zweiten Welle koppelt. Hierdurch kann die Kopplung zwischen der Schaltmuffe der Schalteinrichtung und dem betreffenden Zahnrad bzw. der betreffenden Welle mittels einer formschlüssigen Verbindung erfolgen. Eine angeschrägte Verzahnung verhindert während des Schaltvorgangs zwischen den beiden Schaltstufen besonders zuverlässig, dass es zu einem Blockieren, Verkanten oder Verziehen im Getriebestrang kommt. Insbesondere in Zusammenhang mit einer vorstehend genannten Freilaufeinrichtung wird mit Hilfe der angeschrägten Verzahnung der Schaltmuffe beim Schaltvorgang die jeweilige Freilaufeinrichtung geöffnet. Dadurch wird ein ansonsten mögliches Blockieren der Schalteinrichtung bzw. der Schaltmuffe beim Schalten gegen einen klemmenden Freilauf verunmöglicht.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schalteinrichtung mit einer Motorsteuerung des Kraftfahrzeugs koppelbar ist und ausgelegt ist, die Schaltstufe in Abhängigkeit einer Drehzahl der ersten und/oder zweiten und/oder dritten Welle und/oder einer Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs und/oder einer Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs und/oder eines Schaltwunsches eines Fahrers des Kraftfahrzeugs und/oder eines Geschwindigkeitswunsches des Fahrers des Kraftfahrzeugs und/oder einer Drehrichtung des Motors einzustellen und/oder ein eine geforderte Drehzahl und/oder ein gefordertes Drehmoment und/oder eine geforderte Drehrichtung des Motors charakterisierendes Steuersignal an die Motorsteuerung zu übermitteln. Durch Einbeziehen eines oder mehrerer der genannten Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs kann die Getriebevorrichtung als Teil- oder Vollautomatikgetriebe ausgebildet sein, wodurch eine weitere Verbesserung der Schaltvorgänge gewährleistet wird. Zusätzlich können in Abhängigkeit der Ausgestaltung des Kraftfahrzeugs auch Steigungsinformationen, Beschleunigungswerte oder dergleichen berücksichtigt werden. Die Kopplung zwischen der Schalteinrichtung und der Motorsteuerung kann dabei beispielsweise direkt, über ein Bussystem und/oder redundant erfolgen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine vierte Welle vorgesehen, welche mit dem Motor des Kraftfahrzeugs verbindbar ist und über eine dritte Zahnradpaarung zum Antreiben der ersten Welle mit dieser in Wirkverbindung steht. Hierdurch können insbesondere die Drehzahlen der ersten und der zweiten Welle gezielt verändert werden. Insbesondere kann die dritte Zahnradpaarung derart ausgebildet sein, dass die Drehzahl der ersten und der zweiten Welle gegenüber einer direkten Verbindung mit dem Motor verringert wird, wodurch die Geräusch- und Wärmeentwicklung sowie der Verschleiß der Getriebevorrichtung verringert werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Welle bereichsweise innerhalb der ersten Welle gelagert ist, wobei eine Reibung zwischen der ersten und der zweiten Welle höher ist als eine innere Reibung einer Lagerung eines auf der zweiten Welle angeordneten Zahnrads der zweiten Zahnradpaarung. Damit wird gewährleistet, dass die zweite Welle bei Vorwärtsfahrt von der ersten Welle mitgeschleppt wird. Somit ist eine Drehzahlsynchronisierung beim Schalten nicht erforderlich, da beide Wellen die gleiche Drehzahl aufweisen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, insbesondere eine selbstfahrende Arbeitsmaschine, welches eine Getriebevorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele umfasst, wobei ein Motor des Kraftfahrzeugs mit der ersten Welle und eine Achse des Kraftfahrzeugs mit der dritten Welle der Getriebevorrichtung gekoppelt ist. Die sich hierdurch ergebenden Vorteile sind den vorhergehenden Beschreibungen zu entnehmen, wobei die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Getriebevorrichtung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und Weiterbildungen sowie deren Vorteile entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug gelten.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Motor als Brennkraftmaschine und/oder als Hydromotor und/oder als Elektromotor ausgebildet ist. Der Antrieb des Kraftfahrzeugs kann vorteilhaft in Abhängigkeit des jeweiligen Einsatzzwecks gewählt werden, da die Getriebevorrichtung mit allen genannten Motorvarianten gekoppelt und betrieben werden kann.
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Indem die dritte Welle der Getriebevorrichtung unmittelbar mit der Achse des Kraftfahrzeugs verbunden ist, wird aufgrund der minimierten Reibungsverluste ein besonders energieeffizienter Antrieb ermöglicht.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer zwischen zumindest einer ersten und einer zweiten Schaltstufe schaltbaren Getriebevorrichtung eines Kraftfahrzeugs, wobei die Getriebevorrichtung eine mit einem Motor des Kraftfahrzeugs gekoppelte und von diesem angetriebene erste Welle, eine zweite Welle sowie eine dritte Welle umfasst, welche zum Antreiben des Kraftfahrzeugs mit einer Achse des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in der ersten Schaltstufe mittels einer Schalteinrichtung der Getriebevorrichtung eine Wirkverbindung zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle aufgehoben und mittels einer ersten Kraftübertragungseinrichtung der Getriebevorrichtung eine Wirkverbindung zwischen der ersten Welle und der dritten Welle hergestellt. In der zweiten Schaltstufe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Wirkverbindung zwischen der ersten Welle und der dritten Welle aufgehoben, die erste Welle und die zweite Welle mittels der Schalteinrichtung miteinander in Wirkverbindung gebracht und mittels einer zweite Kraftübertragungseinrichtung der Getriebevorrichtung eine Wirkverbindung zwischen der zweiten Welle und der dritten Welle hergestellt. Dabei werden die erste Welle und die zweite Welle in der ersten und in der zweiten Schaltstufe jeweils gleichsinnig gedreht. Die Schalteinrichtung wird mechanisch und/oder hydraulisch und/oder pneumatisch und/oder elektrisch betätigt. Das Verfahren erlaubt dabei die Verwendung einer kostengünstig herstellbaren Getriebevorrichtung ohne aufwändige Lamellenkupplungen, insbesondere einer Getriebevorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele. Die konstruktiv variable Ausgestaltung der Getriebevorrichtung erlaubt eine einfache Anpassung an unterschiedliche Kraftfahrzeugtypen, Ausstattungslinien und Einsatzzwecke. Weiterhin eignet sich das Verfahren für Kraftfahrzeuge mit unterschiedlichen Motortypen, beispielsweise Brennkraftmaschinen, Hydromotoren und/oder Elektromotoren, da beim Schalten zwischen der ersten und der zweiten Schaltstufe keine Drehrichtungsumkehr der ersten oder zweiten Welle erfolgt. Darüber hinaus kann während der Fahrt zwischen der ersten und der zweiten Schaltstufe geschaltet werden. Die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Getriebevorrichtung und dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und Weiterbildungen sowie deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mittels der Schalteinrichtung in der ersten Schaltstufe die erste Welle mit einem der ersten Welle zugeordneten Zahnrad einer ersten Zahnradpaarung der ersten Kraftübertragungseinrichtung drehfest gekoppelt wird. Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass mittels der Schalteinrichtung in der zweiten Schaltstufe die zweite Welle mit einem der zweiten Welle zugeordneten Zahnrad der zweiten Zahnradpaarung der zweiten Kraftübertragungseinrichtung drehfest gekoppelt wird. Hierdurch wird eine mechanisch stabile Verbindung zwischen der betreffenden Welle und ihrem zugeordneten Zahnrad erzeugt, so dass eine besonders energieeffiziente und zumindest weitgehend spielfreie Kraftübertragung vom Motor über die Getriebevorrichtung auf die Achse gegeben ist.
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Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Schalteinrichtung beim Schalten zwischen der ersten und der zweiten Schaltstufe zunächst in eine dritte Schaltstufe geschaltet wird, in welcher die erste und die zweite Welle miteinander in Wirkverbindung gebracht werden und das der ersten Welle zugeordnete Zahnrad der ersten Zahnradpaarung von der ersten Welle und das der zweiten Welle zugeordnete Zahnrad der zweiten Zahnradpaarung von der zweiten Welle entkoppelt wird. Dies erlaubt es der ersten und der zweiten Welle, ihre Drehzahl gegenüber derjenigen der dritten Welle gleichzeitig zu verändern, ohne dass es zu Verwindungen, Blockierungen oder Beschädigungen innerhalb der Getriebevorrichtung kommt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Getriebevorrichtung zum Vorwärtsfahren des Kraftfahrzeugs in die erste oder in die zweite Schaltstufe geschaltet wird, wobei eine Drehrichtung des Motors beim Vorwärtsfahren konstant gehalten wird, und/oder zum Rückwärtsfahren des Kraftfahrzeugs in die erste Schaltstufe geschaltet wird, wobei eine Drehrichtung des Motors gegenüber der Vorwärtsfahrt umgekehrt wird. Auf diese Weise kann das Kraftfahrzeug unter Verwendung der Getriebevorrichtung mit zwei Vorwärtsfahrstufen und/oder einer Rückwärtsfahrstufe bewegt werden. Anstelle der Drehrichtungsumkehr des Motors kann dabei grundsätzlich auch eine zusätzliche Getriebestufe vorgesehen sein, so dass eine Rückwärtsfahrstufe auch bei Verwendung einer Brennkraftmaschine darstellbar ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mittels einer ersten Freilaufeinrichtung der ersten Kraftübertragungseinrichtung die Wirkverbindung zwischen der ersten und der dritten Welle aufgehoben wird, wenn eine Drehzahl der ersten Welle kleiner wird als eine Drehzahl des der ersten Welle zugeordneten Zahnrads der ersten Zahnradpaarung. Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass mittels der ersten Freilaufeinrichtung der ersten Kraftübertragungseinrichtung die Wirkverbindung zwischen der ersten und der dritten Welle hergestellt wird, wenn die Drehzahl der ersten Welle gleich oder größer wird als die Drehzahl des der ersten Welle zugeordneten Zahnrads der ersten Zahnradpaarung. Dieser Verfahrensschritt bietet den Vorteil, dass die Drehzahl des Motors insbesondere während eines Schaltvorgangs nicht genau gesteuert werden muss, denn sobald der Motor bzw. die mit diesem gekoppelte erste Welle die Drehzahl des betreffenden Zahnrades erreicht hat, klemmt die ersten Freilaufeinrichtung und hält somit die Drehzahl des Motors bzw. der ersten Welle gleich mit der Drehzahl des Zahnrades. Umgekehrt wird die Wirkverbindung automatisch aufgehoben, wenn die mit dem Motor gekoppelte erste Welle die Drehzahl des betreffenden Zahnrades unterschreitet.
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Weitere Vorteile ergeben sich, wenn mittels einer zweiten Freilaufeinrichtung der zweiten Kraftübertragungseinrichtung die Wirkverbindung zwischen der zweiten und der dritten Welle aufgehoben wird, wenn eine Drehzahl der zweiten Welle größer wird als eine Drehzahl des der zweiten Welle zugeordneten Zahnrads der zweiten Zahnradpaarung. Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass mittels der zweiten Freilaufeinrichtung der zweiten Kraftübertragungseinrichtung die Wirkverbindung zwischen der zweiten und der dritten Welle hergestellt wird, wenn die Drehzahl der zweiten Welle gleich oder kleiner wird als die Drehzahl des der zweiten Welle zugeordneten Zahnrads der zweiten Zahnradpaarung. Auch dieser Verfahrensschritt bietet den Vorteil, dass die Drehzahl des Motors insbesondere während eines Schaltvorgangs nicht genau gesteuert werden muss, denn sobald der Motor bzw. die mit diesem gekoppelte zweite Welle die Drehzahl des betreffenden Zahnrades unterschritten hat, klemmt die zweite Freilaufeinrichtung und hält somit die Drehzahl des Motors bzw. der zweiten Welle gleich mit der Drehzahl des Zahnrades. Umgekehrt wird die Wirkverbindung automatisch aufgehoben, wenn die mit dem Motor gekoppelte zweite Welle die Drehzahl des betreffenden Zahnrades überschreitet.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, dem Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in dem Ausführungsbeispiel genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Getriebevorrichtung;
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2 eine schematische und teilgeschnittene Seitenansicht des in 1 gezeigten Details II; und
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3 eine schematische Schnittansicht eines Zahnrads der Getriebevorrichtung gemäß der in 2 gezeigten Schnittlinie III-III.
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1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Getriebevorrichtung 10 für eine selbstfahrende Arbeitsmaschine. Die Getriebevorrichtung 10 umfasst eine erste Welle 12a und eine zweite Welle 12b, welche mit einem Motor (nicht dargestellt) des Kraftfahrzeugs gekoppelt sind und von diesem angetrieben werden. Weiterhin umfasst die Getriebevorrichtung 10 eine dritte Welle 12c, welche zum Antreiben des Kraftfahrzeugs mit einer Achse (nicht gezeigt) des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist. Eine Schalteinrichtung 14 der Getriebevorrichtung 10 umfasst eine innenverzahnte Schaltmuffe 16, welche in Abhängigkeit einer Schaltstufe P1, P2, P3 der Getriebevorrichtung 10 axial entlang den Wellen 12a, 12b bewegt wird.
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Zur einfacheren Funktionsbeschreibung ist die Schaltmuffe 16 vorliegend gleichzeitig in den unterschiedlichen Schaltstufen P1, P2 und P3 der Getriebevorrichtung 10 dargestellt. In der ersten Schaltstufe P1 hebt die Schaltmuffe 16 der Schalteinrichtung 14 eine drehfeste Kopplung zwischen der ersten Welle 12a und der zweiten Welle 12b auf. Gleichzeitig koppelt die Schaltmuffe 16 in der ersten Schaltstufe P1 die erste Welle 12a drehfest mit einem der ersten Welle 12a zugeordneten Zahnrad 18a einer ersten Zahnradpaarung 20a. Die erste Zahnradpaarung 20a dient dabei als erste Kraftübertragungseinrichtung 22a, mittels welcher in der ersten Schaltstufe P1 eine Wirkverbindung zwischen der ersten Welle 12a und der dritten Welle 12c in Abhängigkeit von deren Drehzahldifferenz herstellbar ist. Alternativ oder zusätzlich zu der Zahnradpaarung 20a können grundsätzlich auch sonstige form- und/oder kraftschlüssigen Kraftübertragungseinrichtungstypen vorgesehen sein.
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In der zweiten Schaltstufe P2 der Getriebevorrichtung 10 bringt die Schaltmuffe 16 der Schalteinrichtung 14 die erste Welle 12a und die zweite Welle 12b in Wirkverbindung und koppelt diese drehfest miteinander. Gleichzeitig koppelt die Schaltmuffe 16 in der zweiten Schaltstufe P2 die zweite Welle 12b drehfest mit einem der zweiten Welle 12b zugeordneten Zahnrad 18b einer zweiten Zahnradpaarung 20b. Die zweite Zahnradpaarung 20b dient dabei als zweite Kraftübertragungseinrichtung 22b, mittels welcher in der zweiten Schaltstufe P2 eine Wirkverbindung zwischen der zweiten Welle 12b und der dritten Welle 12c in Abhängigkeit von deren Drehzahldifferenz herstellbar ist.
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In der dritten Schaltstufe P3, bei welcher es sich um eine Zwischenschaltstufe zwischen den Schaltstufen P1 und P2 handelt, bringt die Schaltmuffe 16 die erste Welle 12a und die zweite Welle 12b miteinander in Wirkverbindung. Gleichzeitig wird das der ersten Welle 12a zugeordnete Zahnrad 18a der ersten Zahnradpaarung 20a von der ersten Welle 12a und das der zweiten Welle 12b zugeordnete Zahnrad 18b der zweiten Zahnradpaarung 20b von der zweiten Welle 12b entkoppelt. Die genaue Funktionsweise sowie das Verfahren zum Betreiben und Schalten der Getriebevorrichtung 10 wird im Folgenden näher erläutert werden.
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Das mit dem Zahnrad 18a kämmende Zahnrad 18a' der ersten Zahnradpaarung 20a sowie das mit dem Zahnrad 18b kämmende Zahnrad 18b' der zweiten Zahnradpaarung 20b sind jeweils drehfest mit der dritten Welle 12c verbunden. Die erste und die zweite Zahnradpaarung 20a, 20b besitzen somit gleiche Paritäten, so dass die erste Welle 12a und die zweite Welle 12b in allen Schaltstufen P1, P2, P3 gleichsinnig gedreht werden.
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Das der ersten Welle 12a zugeordnete Zahnrad 18a der ersten Zahnradpaarung 20a und das der zweiten Welle 12b zugeordnete Zahnrad 18b der zweiten Zahnradpaarung 20b weisen dabei eine mit einer Verzahnung 26 der Schaltmuffe 16 korrespondierende, einseitig angeschrägte Verzahnung 26a, 26b auf (vgl. 2). Analog weisen die erste Welle 12a und die zweite Welle 12b eine mit der Verzahnung 26 der Schaltmuffe 16 korrespondierende Verzahnung 26c bzw. 26d auf.
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Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Wellen 12a–c ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine vierte, grundsätzlich optionale Welle 12d vorgesehen, welche unmittelbar mit dem Motor des Kraftfahrzeugs verbunden ist und über eine dritte Zahnradpaarung 20c zum Antreiben der ersten Welle 12a mit dieser in Wirkverbindung steht. Die erste und die zweite Welle 12a, 12b sind dementsprechend nur mittelbar über die vierte Welle 12d und die dritte Zahnradpaarung 20c mit dem Motor verbunden. Die dritte Zahnradpaarung 20c ist an sich für die Funktionsfähigkeit der Getriebevorrichtung 10 nicht zwingend erforderlich. Sie sorgt jedoch dafür, dass die Drehzahl der Wellen 12a–c und der Zahnradpaarungen 20a, 20b reduziert wird. Somit lassen sich weniger Verschleiß, Geräusch- sowie Wärmeentwicklung erreichen, so dass eine bessere Effizienz und Lebensdauer der Getriebevorrichtung 10 gegeben ist. Die zwei Zahnräder 18c, 18c' der dritten Zahnradpaarung 20c sind jeweils fest mit der vierten Welle 12d bzw. der ersten Welle 12a verbunden.
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Die erste Kraftübertragungseinrichtung 22a weist ihrerseits eine erste Freilaufeinrichtung 24a auf, mittels welcher die Wirkverbindung zwischen der ersten und der dritten Welle 12a, 12c aufgehoben wird, wenn eine Drehzahl der ersten Welle 12a kleiner ist als eine Drehzahl des der ersten Welle 12a zugeordneten Zahnrads 18a der ersten Zahnradpaarung 20a. Umgekehrt stellt die erste Freilaufeinrichtung 24a die Wirkverbindung zwischen der ersten und der dritten Welle 12a, 12c her, wenn die Drehzahl der ersten Welle 12a gleich oder größer ist als die Drehzahl des der ersten Welle 12a zugeordneten Zahnrads 18a der ersten Zahnradpaarung 20a.
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Demgegenüber umfasst die zweite Kraftübertragungseinrichtung 22b eine zweite Freilaufeinrichtung 24b, mittels welcher die Wirkverbindung zwischen der zweiten und der dritten Welle 12b, 12c aufgehoben wird, wenn eine Drehzahl der zweiten Welle 12b größer wird als eine Drehzahl des der zweiten Welle 12b zugeordneten Zahnrads 18b der zweiten Zahnradpaarung 20b. Weiterhin stellt die zweite Freilaufeinrichtung 24b die Wirkverbindung zwischen der zweiten und der dritten Welle 12b, 12c her, wenn die Drehzahl der zweiten Welle 12b gleich oder kleiner wird als die Drehzahl des der zweiten Welle 12b zugeordneten Zahnrads 18b der zweiten Zahnradpaarung 20b. Die erste und die zweite Freilaufeinrichtung 24a, 24b sind somit umgekehrt zueinander konfiguriert. Es ist dabei zu betonen, dass die Freilaufeinrichtungen 24a, 24b für die Funktionsfähigkeit der Getriebevorrichtung 10 grundsätzlich nicht zwingend erforderlich sind. Jedoch erlauben sie auf konstruktiv einfache und kostengünstige Weise den Verzicht auf eine aufwändige Drehzahlsynchronisierung der Motordrehzahl mit den Drehzahlen der Wellen 12a–c. Wichtig für die Funktionsfähigkeit der Getriebevorrichtung 10 ist nicht die Anzahl der Wellen 12a–d und/oder Zahnradpaarungen 20a–c, sondern die Konfiguration und Lagerung der ersten und der zweiten Welle 12a, 12b, gegebenenfalls die Richtung und Position der Freilaufeinrichtungen 24a, 24b sowie die Funktionalität der Schalteinrichtung 14.
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Wie aus 1 weiterhin erkennbar ist, ist die zweite Welle 12b im Bereich I innerhalb der ersten Welle 12a gelagert, wobei eine Reibung zwischen der ersten und der zweiten Welle 12a, 12b höher ist als eine innere Reibung einer Lagerung 28b des auf der zweiten Welle 12b angeordneten Zahnrads 18b der zweiten Zahnradpaarung 20b. Damit wird auf konstruktiv einfache Weise gewährleistet, dass die zweite Welle 12b bei Vorwärtsfahrt von der ersten Welle 12a mitgeschleppt wird. Somit ist beim Schalten keine Drehzahlsynchronisierung erforderlich. Grundsätzlich kann hierbei natürlich auch umgekehrt vorgesehen sein, dass die erste Welle 12a in der zweiten Welle 12b gelagert ist. Es handelt sich somit bei der Getriebevorrichtung 10 um ein sehr einfaches, günstig herzustellendes Getriebe, das während der Fahrt schaltbar ist. Sowohl die Herstellkosten wie auch das Gewicht der Getriebevorrichtung 10 liegen dabei deutlich unter denjenigen üblicher Getriebe.
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Die Funktionsweise und das Verfahren zum Betreiben und Schalten der Getriebevorrichtung 10 soll anhand von 1 näher erläutert werden:
In der ersten Schaltstufe P1 werden die als Hauptwellen fungierenden Wellen 12a, 12b über die Zahnradpaarung 20c und die mit dem Motor verbundene vierte Welle 12d vom Motor angetrieben. Die Schaltmuffe 16 befindet sich in der Schaltstufe P1, so dass das Zahnrad 18a drehfest mit der ersten Welle 12a verbunden ist. Das Drehmoment des Motors wird über die Zahnradpaarung 20c und 20a auf die als Abtriebswelle fungierende dritte Welle 12c übertragen. Die Getriebeübersetzung i1 in der ersten Schaltstufe ergibt sich dabei aus den Zähnezahlverhältnissen 18c'/18c·18a'/18a.
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Beim Hochschalten in die zweite Schaltstufe P2 rückt zunächst die Schaltmuffe 16 in die Schaltstufe P3. Dabei wird die zweite Welle 12b über die Schaltmuffe 16 mit der ersten Welle 12a drehfest gekoppelt. Gleichzeitig wird die Freilaufeinrichtung 24a vom Zahnrad 18a entkoppelt und hierdurch freigegeben. In dieser Position der Schaltmuffe 16 klemmt die Freilaufeinrichtung 24a solange wie die erste Welle 12a antreibt, d. h. solange die Drehzahl der ersten Welle 12a gleich der Drehzahl des Zahnrades 18a ist und damit der aktuellen Fahrgeschwindigkeit entspricht. Die zweite Freilaufeinrichtung 24b ist in dieser Fahrsituation frei, d. h. sie klemmt nicht. Dies liegt daran, dass sich die zweite Welle 12b schneller dreht als das Zahnrad 18b, welches über eine kleinere Übersetzung mit der dritten Welle 12c verbunden ist und somit langsamer dreht, als die Wellen 12a und 12b.
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In dieser Schaltstufe P3 wird nunmehr die Drehzahl des Motors reduziert. Dadurch schaltet die erste Freilaufeinrichtung 24a frei, denn das Zahnrad 18a „überholt” die Wellen 12a, 12b. Die zweite Freilaufeinrichtung 24b beginnt hingegen zu klemmen, sobald die Wellen 12a, 12b die Drehzahl des Zahnrades 18b erreicht haben. In diesem Moment wird die Schaltmuffe 16 in die zweite Schaltstufe P2 gebracht. In dieser Schaltstufe P2 sind die beiden Wellen 12a, 12b sowie das Zahnrad 18b und die dritte Welle 12c miteinander verbunden.
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Bei dem oben beschriebenen Vorgang muss die Drehzahl des Motors nicht genau gesteuert werden, denn sobald der Motor eine mit der Drehzahl des Zahnrades 18b korrespondierende Drehzahl erreicht hat, klemmt die zweite Freilaufeinrichtung 24b und hält somit die Drehzahldifferenz zwischen dem Motor und dem Zahnrade 18b konstant. In der zweiten Schaltstufe P2 wirkt nun die Getriebeübersetzung i2, die sich aus den Zähnezahlverhältnissen 18c'/18c·18b'/18b ergibt. Die erste Freilaufeinrichtung 24a ist freigegeben, daher behindern sich die beiden Schaltstufen P1, P2 nicht, weil die erste Welle 12a jetzt langsamer läuft als das Zahnrad 18a.
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Das Herunterschalten von der zweiten Schaltstufe P2 in die erste Schaltstufe P1 erfolgt in umgekehrter Reihenfolge. Zunächst rückt die Schaltmuffe 16 in die Schaltstufe P3, dann erfolgt die Drehzahlerhöhung des Motors. Sobald die erste Freilaufeinrichtung 24a zu klemmen beginnt, rückt die Schaltmuffe 16 in die Schaltstufe P1.
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In Tabelle 1 ist eine Auflistung von beispielhaften Drehzahlen der beteiligten Bauelemente der Getriebevorrichtung
10 in den beiden Schaltstufen P1 und P2 angegeben. Das Beispiel geht dabei von folgenden Zähnezahlverhältnissen:
Zähnezahlverhältnis
18a'/
18a = 1,5;
Zähnezahlverhältnis
18b'/
18b = 0,5; und
Zähnezahlverhältnis
18c'/
18c = 3,0
aus, so dass sich in der Schaltstufe P1 die Getriebeübersetzung i1 = 3,0·1,5 = 4,5 und in der Schaltstufe P2 die Getriebeübersetzung i2 = 3,0·0,5 = 1,5 ergibt. Tabelle 1
| | i1 | i2 |
| Drehzahl des Motors | 4500 | 4500 |
| Drehzahl des Zahnrads 18c und der vierten Welle 12d | 4500 | 4500 |
| Drehzahl des Zahnrads 18c' und der ersten Welle 12a | 1500 | 1500 |
| Drehzahl des Zahnrads 18a | 1500 | 4500 |
| Drehzahl der zweiten Welle 12b | 1500 | 1500 |
| Drehzahl des Zahnrads 18b | 500 | 1500 |
| Drehzahl der Zahnräder 18a', 18b' und der dritten Welle 12c | 1000 | 3000 |
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Die Rückwärtsfahrt erfolgt in der Schaltstufe P1 durch Umkehr der Drehrichtung des Motors. Dadurch klemmt zwar die zweite Freilaufeinrichtung 24b, aber die beiden Schaltstufen P1, P2 behindern sich nicht, weil die erste und die zweite Welle 12a, 12b nicht miteinander verbunden sind. Die Rückwärtsfahrt ist bei der gezeigten Getriebevorrichtung 10 nur in der ersten Schaltstufe P1 möglich. Alternativ zu einer Drehrichtungsumkehr des Motors, die beispielsweise bei einer Brennkraftmaschine nicht möglich ist, kann grundsätzlich auch eine weitere Getriebestufe vorgesehen sein, welche eine Drehrichtungsumkehr der ersten und der zweiten Welle 12a, 12b ermöglicht.
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Zur Durchführung der oben beschriebenen Schaltvorgänge ist die Schalteinrichtung 14 vorzugsweise mit einer Motorsteuerung (nicht gezeigt) des Kraftfahrzeugs gekoppelt und ausgelegt, die Schaltstufe P1, P2 oder P3 in Abhängigkeit einer Fahrgeschwindigkeit, Fahrtrichtung bzw. Motordrehzahl und einer gewählten Gangstufe eines Fahrers einzustellen sowie die Drehzahl, und Drehrichtung des Motors zu steuern.
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2 zeigt zur weiteren Verdeutlichung eine schematische und teilgeschnittene Seitenansicht des in 1 gezeigten Details II. Die einseitig angeschrägte Verzahnung 26a des Zahnrads 18a ermöglicht es, beim Schaltvorgang in die erste Schaltstufe P1 die Freilaufeinrichtung 24a automatisch durch die Schaltmuffe 16 zu öffnen. Dadurch wird ein Blockieren der Schalteinrichtung 14 bzw. der Schaltmuffe 16 durch ein Schalten gegen einen klemmenden Freilauf vermieden. Entsprechendes gilt für die Verzahnung 26b des Zahnrads 18b. Weiterhin ist in 2 die Lagerung 28a des Zahnrads 18a erkennbar.
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3 zeigt eine schematische Schnittansicht des Zahnrads 18a der Getriebevorrichtung 10 gemäß der in 2 gezeigten Schnittlinie III-III. Hierbei sind insbesondere die Welle 12a sowie die Freilaufeinrichtung 24a erkennbar.
