DE102011108946A1 - Verfahren zum Betrieb eines stufenlosen Getriebes mit hydrostatisch-mechanischer Leistungsverzweigung sowie Getriebe zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum Betrieb eines stufenlosen Getriebes mit hydrostatisch-mechanischer Leistungsverzweigung sowie Getriebe zur Durchführung des Verfahrens Download PDF

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Erich Eckhardt
Patrick Wohlhauser
Peter Dziuba
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines stufenlosen Getriebes (10) mit hydrostatisch-mechanischer Leistungsverzweigung, welches Getriebe (10) über eine Antriebswelle (12) mit einem Verbrennungsmotor (11) verbunden ist und einen ersten, als Pumpe arbeitenden Hydrostaten (H1) sowie wenigstens einen zweiten, als Motor arbeitenden Hydrostaten (H2) aufweist, die hydraulisch über Druckleitungen (29, 30) miteinander in einem Kreislauf verbunden sind und einen hydrostatischen Zweig des Getriebes (10) bilden, und welches Getriebe (10) weiterhin einen Planetentrieb (13) zur Aufteilung der an der Antriebswelle (12) anstehende Leistung auf den hydrostatischen und mechanischen Zweig des Getriebes (10) umfasst. Ein Zugkraftsteuerung mit einer vorgebbaren Zugkraft-Charakteristik wird dadurch ermöglicht, dass das Schluckvolumen des ersten Hydrostaten (H1) und das Schluckvolumen des wenigstens einen zweiten Hydrostaten (H2) unabhängig voneinander verstellbar sind, und dass die Verstellung der Schluckvolumina nach Massgabe des im hydraulischen Kreislauf der Hydrostaten (H1, H2) herrschenden Hochdrucks erfolgt.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der stufenlosen Getriebe. Sie betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines stufenlosen Getriebes gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Getriebe zur Durchführung des Verfahrens.
  • STAND DER TECHNIK
  • In Fahrzeugen mit direktem Antrieb wird je nach Leistungsbereich und Gerätemasse immer ein Konzept Pumpe (Hydrostat H1)/Motor (Hydrostat H2) verwendet, wobei bei grösser werdenden Geräten der Sekundärbereich (H2) zu Mehr-Motoren-Systemen führt, um den erforderlichen Wandlungsbereich zu erfüllen. Die Primärseite (H1) ist immer durch die Pumpe H1 ausgeführt, die entsprechend der Antriebsleistung ausgelegt sein muss. Die erforderliche Zugkraftsteuerung wird im Wesentlichen durch eine entsprechende Steuerung der Pumpe H1 bewirkt (siehe z. B. die Druckschriften DE 44 25 130 A1 oder DE 195 23 963 ).
  • Es ist jedoch wünschenswert, über die Zugkraftsteuerung hinaus ein verbessertes Verfahren zur Steuerung eines Getriebes und ein Getriebe zu realisieren, welches sich durch eine hochwertige Steuerbarkeit, Reversierbarkeit und verschleiss- und verlustfreie Funktion bei gleichzeitig erhöhtem Wirkungsgrad, insbesondere bei höheren Fahrgeschwindigkeiten, auszeichnet.
  • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Verfahren anzugeben sowie ein solches Getriebe zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 4 gelöst.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren zum Betrieb eines stufenlosen Getriebes mit hydrostatisch-mechanischer Leistungsverzweigung, welches Getriebe über eine Antriebswelle mit einem Verbrennungsmotor verbunden ist und einen ersten, als Pumpe arbeitenden Hydrostaten sowie wenigstens einen zweiten, als Motor arbeitenden Hydrostaten aufweist, die hydraulisch über Druckleitungen miteinander in einem Kreislauf verbunden sind und einen hydrostatischen Zweig des Getriebes bilden, und welches Getriebe weiterhin einen Planetentrieb zur Aufteilung der an der Antriebswelle anstehende Leistung auf den hydrostatischen und mechanischen Zweig des Getriebes umfasst, zeichnet sich dadurch aus, dass das Schluckvolumen des ersten Hydrostaten und das Schluckvolumen des wenigstens einen zweiten Hydrostaten unabhängig voneinander verstellbar sind, und dass die Verstellung der Schluckvolumina nach Massgabe des im hydraulischen Kreislauf der Hydrostaten herrschenden Hochdrucks erfolgt.
  • Eine Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem Anfahrbereich der wenigstens eine zweite Hydrostat im Bereich seines maximalen Schluckvolumens betrieben wird, und dass zur Zugkraftsteuerung das Schluckvolumen des ersten Hydrostaten gesteuert wird.
  • Eine Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Schluckvolumen des ersten Hydrostaten über ein mit einem drehzahlproportionalen Stelldruck beaufschlagtes federzentriertes Stellsystem eingestellt wird, und dass die Ansteuerung des ersten Hydrostaten so erfolgt, dass die Hochdruck-proportionalen Stellkräfte in Verbindung mit dem federzentrierten Stellsystem und dem drehzahlproportionalen Stelldruck die gewünschte Zugkraft- beziehungsweise Drehmoment-Charakteristik ergeben.
  • Das erfindungsgemässe Getriebe zur Durchführung des Verfahrens nach der ist über eine Antriebswelle mit einem Verbrennungsmotor verbunden und weist einen ersten, als Pumpe arbeitenden Hydrostaten sowie wenigstens einen zweiten, als Motor arbeitenden Hydrostaten auf, die hydraulisch über Druckleitungen miteinander in einem Kreislauf verbunden sind und einen hydrostatischen Zweig des Getriebes bilden, wobei die Hydrostaten in ihrem Schluckvolumen über entsprechende Stellsysteme unabhängig voneinander verstellbar sind, und wobei weiterhin ein Planetentrieb zur Aufteilung der an der Antriebswelle anstehende Leistung auf den hydrostatischen und mechanischen Zweig des Getriebes vorgesehen ist. Das Getriebe zeichnet sich dadurch aus, dass eine Steuerung vorgesehen ist, welche mit dem Ausgang eines an die Druckleitungen angeschlossenen Druckwandlers verbunden ist, und welche über entsprechende Steuerventile an eine Stelldruckleitung angeschlossene Stellkolben für die Verstellung des Schluckvolumens der Hydrostaten steuert.
  • Eine Ausgestaltung des erfindungsgemässen Getriebes ist dadurch gekennzeichnet, dass der Stellkolben für den ersten Hydrostaten als federzentrierter Stellkolben ausgeführt ist.
  • Eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Getriebes ist dadurch gekennzeichnet, dass an der Antriebswelle ein mit der Steuerung verbundener Drehzahlaufnehmer angeordnet ist.
  • Eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Getriebes ist dadurch gekennzeichnet, dass an die Steuerung mehrere Eingabevorrichtungen, insbesondere für Gas und Bremse, angeschlossen sind.
  • Eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Getriebes ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Hydrostat zu Drehrichtungsumkehr aus der Nullstellung zu entgegengesetzten Seiten verschwenkbar ist, und dass an die Steuerung ein Wahlschalter zur Umschaltung zwischen Vorwärtsfahrt und Rückwärtsfahrt angeschlossen ist.
  • Eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Getriebes ist dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle mit dem Planetenträger des Planetentriebs verbunden ist, dass der erste Hydrostat mit dem Hohlrad des Planetentriebs in Eingriff ist, und dass der wenigstens eine zweite Hydrostat mit dem Sonnenrad des Planetentriebs und mit einer Abtriebswelle in Eingriff ist.
  • Eine noch andere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Getriebes ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hydrostaten als Schrägachsen-Hydrostaten ausgebildet sind.
  • Eine wieder andere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Getriebes ist dadurch gekennzeichnet, dass mehrere gleichartige zweite Hydrostaten vorgesehen sind.
  • KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
  • 1 den Getriebeplan eines Getriebes gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein stufenloses Getriebe mit hydrostatisch-mechanischer Leistungsverzweigung. Der Getriebeplan eines solchen Getriebes ist in 1 wiedergegeben. Das Getriebe 10 der 1 ist über eine Antriebswelle 12 an einen Verbrennungsmotor 11 angekoppelt, der durch eine Kurbelwelle symbolisiert wird. Die Antriebswelle ist mit dem Planetenträger 14 und dem Planetenrädern 15 eines Planetentriebs 13 verbunden, der für die Aufteilung der vom Verbrennungsmotor 11 abgegebenen Leistung auf einen hydrostatischen Zweig des Getriebes und einen mechanischen Zweig des Getriebes zuständig ist. Der hydrostatische Zweig wird durch zwei Hydrostaten H1 und H2 gebildet, die vorzugsweise als Schrägachsen-Hydrostaten mit weitem Verschwenkungswinkel ausgebildet sind. Beide Hydrostaten H1, H2 sind unabhängig voneinander in ihrem Schluckvolumen verstellbar. Der erste Hydrostat H1 arbeitet als Pumpe, während der zweite Hydrostat H2 als Motor betrieben wird.
  • Der erste Hydrostat H1 ist mit seiner Hydrostatenwelle 25 über ein Zahnradgetriebe mit dem Zahnrädern 18, 19 und eine Hohlwelle 20 am mit dem Hohlrad 16 des Planetentriebs 13 in Eingriff. Der zweite Hydrostat H2 ist mit seiner Hydrostatenwelle 24 einerseits über ein Zahnradgetriebe mit dem Zahnrädern 22 und 23 und eine Zentralwelle 20 mit dem Sonnenrad des Planetentriebs 13 verbunden; andererseits ist er über die Zahnräder 27 und 28 mit einer Abtriebswelle 26 verbunden. Die Hydrostatenwelle 24 dient gleichzeitig als Summierungswelle für die Summierung der über die einzelnen Zweige übertragenen Leistung.
  • Die Verstellung des Schluckvolumens des ersten Hydrostaten H1 erfolgt mittels eines federzentrierten Stellkolbens 33, der über einen Verstellmechanismus 32 das Joch des ersten Hydrostaten H1 verschwenkt. Der Stellkolben 33 wird wahlweise über zwei Steuerventile 37 und 38 mit einer Stelldruckleitung 39 verbunden, über die ein entsprechender, von der Drehzahl des Verbrennungsmotors 11 abhängiger Stelldruck auf die eine oder andere Seite des Stellkolbens einwirkt. Die Steuerventile 37 und 38 werden von einer zentralen Steuerung 40 angesteuert.
  • Die Verstellung des Schluckvolumens des zweiten Hydrostaten H2 erfolgt mittels eines weiteren Stellkolbens 34, der über ein weiteres Steuerventil 36 mit der Stelldruckleitung 39 verbunden ist. Auch das Steuerventil 36 ist an die zentrale Steuerung 40 angeschlossen.
  • Beide Hydrostaten H1 und H2 sind hydraulisch durch zwei Druckleitungen 29 und 30 miteinander zu einem Kreislauf verbunden und bilden den hydrostatischen Zweig des Getriebes 10. Der mechanische Zweig wird durch Teile des Planetentriebs 13, die Zentralwelle 20 und die Zahnräder 22 und 23 gebildet.
  • Die Steuerung 40 erhält von einem an der Antriebswelle 12 angeordneten Drehzahlaufnehmer 35 Informationen über die Drehzahl auf der Eingangsseite des Getriebes 10. Weiterhin erhält die Steuerung 40 über einen an den hydraulischen Kreislauf der Hydrostaten H1, H2 angeschlossenen Druckwandler 21 Informationen über den im Kreislauf herrschenden Hochdruck. In die Steuerung 40 kann von aussen über mehrere Eingabevorrichtungen 41, 42, 43 für Gas, Bremse und Inch-Betrieb und einen Wahlschalter 44 für die Umschaltung zwischen Neutralstellung, Vorwärtsfahrt V und Rückwärtsfahrt R eingegriffen werden.
  • Die Besonderheit des Getriebes 10 liegt darin, dass der Aufbau und die Steuerung so ausgeführt sind, dass die Drehmoment-Abgabe an der Abtriebswelle 26 beliebig steuerbar ist. Das gezeigte Getriebe 10 ist so konzipiert, dass beim Anfahrvorgang die Leistungsübertragung zu 100% hydrostatisch erfolgt und bei zunehmender Fahrgeschwindigkeit ständig verringert wird (zunehmender mechanischer Leistungsanteil). Somit können die Vorteile der hydrostatischen Leistungsübertragung im Anfahr- u. Reversierbetrieb voll genutzt werden. Dies sind insbesondere ein verschleissfreies Verhalten, eine bestmögliche Feinsteuerung und in der Anwendung des Getriebes 10 in einem Radlader eine variable Zugkraft-Steuerung, die über eine variable Drucksteuerung des als Pumpe arbeitenden ersten Hydrostaten H1 erfolgt.
  • Die Vorteile der Zugkraft-Steuerung, nämlich ein Vermeiden von Radschlupf und ein gut dosierbares und ruckfreies Fahren, werden vor allem im niedrigen oder Anfangs-Fahrbereich (0 bis 6 km/h) benötigt.
  • Bedingt durch die Charakteristik des Getriebes 10 ist die hydrostatische Leistungsübertragung mit dem ersten Hydrostaten H1 als Pumpe und dem zweiten Hydrostaten H2 als Motor so ausgelegt, dass im Bereich 0 bis 8 km/h der zweite Hydrostat beziehungsweise Motor H2 auf grosses Schluckvolumen und damit hohes Abtriebsmoment gesteuert ist. Somit kann die Zugkraftregelung auf den ersten Hydrostaten H1 beschränkt bleiben, was die Regelbarkeit erheblich vereinfacht und den Aufwand erheblich verringert.
  • Die Zugkraftsteuerung bzw. Momenten-Steuerung beruht im vorliegenden Fall darauf, dass der Kreislaufdruck der Hydrostaten proportional mit dem Abtriebsmoment an der Abtriebswelle 26 steigt, so dass alle Ausführungsarten den Kreislaufdruck der Hydrostaten als Mess-Signal für die Steuerung 40 verwenden. Voraussetzung ist dabei, dass der Regelbereich hydrostatisch so ausgeführt ist, dass keine mechanischen Schaltpunkte den Regelbereich nachteilig beeinflussen, was bei beim vorliegenden Getriebe 10 möglich ist.
  • Voraussetzung für diese Art der Steuerung ist, dass der erste und zweite Hydrostat beziehungsweise die Primär- und Sekundäreinheit H1 und H2 separat ansteuerbar sind. Der zweite Hydrostat beziehungsweise die Sekundäreinheit H2 wird im Ausführungsbeispiel der 1 entsprechend dem Verlauf der Abtriebsdrehzahl EL-proportional angesteuert.
  • Die Ansteuerung des ersten Hydrostaten H1 ist so ausgeführt, dass die Kreislaufdruckproportionalen Stellkräfte in Verbindung mit dem federzentrierten Stellsystem mit dem Stellkolben 33 und dem drehzahlproportionalen Stelldruck aus der Stelldruckleitung 39 die erforderliche Zugkraft-(beziehungsweise Drehmoment-)Charakteristik ergeben.
  • Alternativ kann über Drucksensor das erforderliche Signal auf direkt wirkende Stellkolben, eine vorgesteuerte Proportionalverstellung (hydraulisch, oder elektro-hydraulisch) die erforderliche Zugkraft-Charakteristik erzeugt werden. Dabei ist von Vorteil, dass bei niedriger Fahrgeschwindigkeit eine am Fahrzeug an geordnete Arbeitspumpe für Hubbewegungen mit grosser Fördermenge betrieben werden kann.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Getriebe (stufenlos, mit hydrostatisch-mechanischer Leistungsverzweigung)
    11
    Verbrennungsmotor
    12
    Antriebswelle
    13
    Planetenbetrieb
    14
    Planetenträger
    15
    Planetenrad
    16
    Hohlrad
    17
    Sonnenrad
    18, 19
    Zahnrad
    20
    Zentralwelle
    20a
    Hohlwelle
    21
    Druckwandler
    22, 23
    Zahnrad
    24, 25
    Hydrostatenwelle
    26
    Abtriebswelle
    27, 28
    Zahnrad
    29, 30
    Druckleitung
    31, 32
    Verstellmechanismus
    33, 34
    Stellkolben
    35
    Drehzahlaufnehmer
    36, 37, 38
    Steuerventil
    39
    Stelldruckleitung
    40
    Steuerung
    41, 42, 43
    Eingabevorrichtung
    44
    Wahlschalter
    H1, H2
    Hydrostat (insbesondere vom Schrägachsentyp)
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 4425130 A1 [0002]
    • DE 19523963 [0002]

Claims (11)

  1. Verfahren zum Betrieb eines stufenlosen Getriebes (10) mit hydrostatisch-mechanischer Leistungsverzweigung, welches Getriebe (10) über eine Antriebswelle (12) mit einem Verbrennungsmotor (11) verbunden ist und einen ersten, als Pumpe arbeitenden Hydrostaten (H1) sowie wenigstens einen zweiten, als Motor arbeitenden Hydrostaten (H2) aufweist, die hydraulisch über Druckleitungen (29, 30) miteinander in einem Kreislauf verbunden sind und einen hydrostatischen Zweig des Getriebes (10) bilden, und welches Getriebe (10) weiterhin einen Planetentrieb (13) zur Aufteilung der an der Antriebswelle (12) anstehende Leistung auf den hydrostatischen und mechanischen Zweig des Getriebes (10) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Schluckvolumen des ersten Hydrostaten (H1) und das Schluckvolumen des wenigstens einen zweiten Hydrostaten (H2) unabhängig voneinander verstellbar sind, und dass die Verstellung der Schluckvolumina nach Massgabe des im hydraulischen Kreislauf der Hydrostaten (H1, H2) herrschenden Hochdrucks erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Anfahrbereich der wenigstens eine zweite Hydrostat (H2) im Bereich seines maximalen Schluckvolumens betrieben wird, und dass zur Zugkraftsteuerung das Schluckvolumen des ersten Hydrostaten (H1) gesteuert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schluckvolumen des ersten Hydrostaten (H1) über ein mit einem drehzahlproportionalen Stelldruck beaufschlagtes federzentriertes Stellsystem (32, 33, 37, 38, 39) eingestellt wird, und dass die Ansteuerung des ersten Hydrostaten (H1) so erfolgt, dass die Hochdruck-proportionalen Stellkräfte in Verbindung mit dem federzentrierten Stellsystem (32, 33, 37, 38, 39) und dem drehzahlproportionalen Stelldruck die gewünschte Zugkraft- beziehungsweise Drehmoment-Charakteristik ergeben.
  4. Getriebe (10) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–3, welches Getriebe über eine Antriebswelle (12) mit einem Verbrennungsmotor (11) verbunden ist und einen ersten, als Pumpe arbeitenden Hydrostaten (H1) sowie wenigstens einen zweiten, als Motor arbeitenden Hydrostaten (H2) aufweist, die hydraulisch über Druckleitungen (29, 30) miteinander in einem Kreislauf verbunden sind und einen hydrostatischen Zweig des Getriebes (10) bilden, wobei die Hydrostaten (H1, H2) in ihrem Schluckvolumen über entsprechende Stellsysteme (32, 33, 37, 38, 39 bzw. 34, 36, 39) unabhängig voneinander verstellbar sind, und welches Getriebe (10) weiterhin einen Planetentrieb (13) zur Aufteilung der an der Antriebswelle (12) anstehende Leistung auf den hydrostatischen und mechanischen Zweig des Getriebes (10) umfasst, dadurch gekennzeichnet dass eine Steuerung (40) vorgesehen ist, welche mit dem Ausgang eines an die Druckleitungen (29, 30) angeschlossenen Druckwandlers (21) verbunden ist, und welche über entsprechende Steuerventile (36; 37, 38) an eine Stelldruckleitung (39) angeschlossene Stellkolben (33, 34) für die Verstellung des Schluckvolumens der Hydrostaten (H1, H2) steuert.
  5. Getriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellkolben (33) für den ersten Hydrostaten (H1) als federzentrierter Stellkolben ausgeführt ist.
  6. Getriebe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Antriebswelle (11) ein mit der Steuerung (40) verbundener Drehzahlaufnehmer (35) angeordnet ist.
  7. Getriebe nach einem der Ansprüche 4–6, dadurch gekennzeichnet, dass an die Steuerung (40) mehrere Eingabevorrichtungen (41, 42, 43), insbesondere für Gas und Bremse, angeschlossen sind.
  8. Getriebe nach einem der Ansprüche 4–7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Hydrostat (H1) zu Drehrichtungsumkehr aus der Nullstellung zu entgegengesetzten Seiten verschwenkbar ist, und dass an die Steuerung (40) ein Wahlschalter (44) zur Umschaltung zwischen Vorwärtsfahrt (V) und Rückwärtsfahrt (R) angeschlossen ist.
  9. Getriebe nach einem der Ansprüche 4–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (12) mit dem Planetenträger (14) des Planetentriebs (13) verbunden ist, dass der erste Hydrostat (H1) mit dem Hohlrad (16) des Planetentriebs (13) in Eingriff ist, und dass der wenigstens eine zweite Hydrostat (H2) mit dem Sonnenrad (17) des Planetentriebs (13) und mit einer Abtriebswelle (26) in Eingriff ist.
  10. Getriebe nach einem der Ansprüche 4–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydrostaten (H1, H2) als Schrägachsen-Hydrostaten ausgebildet sind.
  11. Getriebe nach einem der Ansprüche 4–10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere gleichartige zweite Hydrostaten (H2) vorgesehen sind.
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