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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Getriebe, insbesondere zur Verwendung in Schienenfahrzeugen. Weiter betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Getriebes der eingangs genannten Art.
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Bei Fahrzeugen ohne eine bevorzugte Fahrtrichtung ist es erforderlich, im vor- und rückwärtigen Fahrbetrieb die gleichen Fahrleistungen bereit zu stellen. Insbesondere bei Schienenfahrzeugen und Arbeitsmaschinen ist dies gegeben. Um gerade Schienenfahrzeuge und Arbeitsmaschinen mit einem Verbrennungsmotor, beispielsweise mit Diesel-, Benzin- oder Gasantrieb, möglichst vielfältig einsetzen zu können, werden häufig Getriebe verwendet, welche entsprechend des jeweiligen Einsatzes unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse zum Vortrieb des Schienenfahrzeugs beziehungsweise der Arbeitsmaschine aufweisen.
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Unter Arbeitsmaschinen sind dabei insbesondere Maschinen zu verstehen, die nach ihrer Bauart und ihren besonderen, mit dem Fahrzeug fest verbundenen Einrichtungen zur Verrichtung von Arbeiten, jedoch nicht zur Beförderung von Personen oder Gütern bestimmt und geeignet sind. Beispielsweise sind hierunter land- oder forstwirtschaftliche Maschinen oder auch Baumaschinen zu verstehen. Exemplarisch sind hier Radlader, Ackerschlepper oder auch Traktoren zu nennen.
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Die
DE2608695A1 offenbart ein Planetenlastschaltgetriebe mit zwei Planetenradsätzen, drei stationären Kupplungen und zwei rotierenden Kupplungen. Durch die Anordnung eines zusätzlichen Planetenrads, welches mit nur einem der Planetenträger verbunden ist, wurde ein Getriebe geschaffen, welches drei Vorwärts- und drei Rückwärtsgänge aufweist. Durch ein spiegelbildlich dahinter geschaltetes Planetenlastschaltgetriebe lässt sich die Anzahl der Vorwärts- und Rückwärtsgänge weiter erhöhen. Das offenbarte Planetenlastschaltgetriebe zeigt somit eine Anordnung mit gleich vielen Vorwärtsgängen und Rückwärtsgängen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Getriebe, insbesondere für Schienenfahrzeuge, vorzuschlagen, welches im vor- und rückwärtigen Fahrbetrieb die gleichen Fahrleistungen bereitstellt, wobei das Getriebe möglichst einen geringen Bauraum beanspruchen soll.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Getriebe gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Das Getriebe umfasst dabei wenigstens eine Antriebswelle mit einem Getriebeeingang, eine Abtriebswelle mit einem Getriebeausgang, einen ersten Planetenradsatz, einen zweiten Planetenradsatz, einen dritten Planetenradsatz und vier Schaltelemente.
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Ein Getriebe zeichnet sich dabei bevorzugt dadurch aus, dass eine Übersetzung einer Drehzahl beziehungsweise eines Drehmoments von einem Getriebeeingang zu einem Getriebeausgang stattfindet. Dabei ist der Getriebeeingang bevorzugt an einer Seite des Getriebes angeordnet, welche bevorzugt einem Antriebselement, beispielsweise einem Motor, zugewandt ist. Der Getriebeausgang befindet sich bevorzugt auf einer dem Getriebeeingang gegenüberliegenden Seite des Getriebes, beispielsweise in koaxialer Anordnung zu dem Getriebeeingang oder aber auch in parallel verschobener Anordnung. Es sind jedoch auch Ausführungen denkbar, bei denen der Getriebeeingang und der Getriebeausgang an derselben Seite des Getriebes angeordnet sind. Ein Getriebe kann als Stufenautomatgetriebe, als stufenloses Getriebe (CVT), als Handschaltgetriebe oder auch als Doppelkupplungsgetriebe ausgeführt sein.
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Ein Getriebeeingang beschreibt dabei einen Ort an einem Getriebe, an welchem eine Drehbewegung, beispielsweise von einem Antriebselement, in das Getriebe eingeleitet wird. Ein Getriebeausgang bezeichnet im Gegensatz dazu einen Ort des Getriebes, an welchem die am Getriebeeingang eingeleitete Drehbewegung unter Berücksichtigung des jeweiligen Übersetzungsverhältnisses aus dem Getriebe ausgeleitet wird.
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Die vier Schaltelemente umfassen bevorzugt eine erste Bremse, eine zweite Bremse, eine erste Kupplung und eine zweite Kupplung. Weiter bevorzugt sind die Schaltelemente, selektiv betätigbar, wodurch drei Vorwärtsgänge und drei Rückwärtsgänge durch unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle realisierbar sind.
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Unter einer Welle ist nachfolgend nicht ausschließlich ein beispielsweise zylindrisches, drehbar gelagertes Maschinenelement zur Übertragung von Drehmomenten zu verstehen, sondern vielmehr sind hierunter auch allgemeine Verbindungselemente zu verstehen, die einzelne Bauteile oder Elemente miteinander verbinden, insbesondere Verbindungselemente, die mehrere Elemente drehfest miteinander verbinden. Eine Welle bezeichnet weiter ein mechanisches, mit einer definierten Steifigkeit versehenes Bauteil, durch welches bevorzugt Drehmomente oder Drehbewegungen zwischen zwei mit der Welle verbundenen Bauteilen übertragbar sind. Je nach Ausführung können jedoch auch translatorische Bewegungen, das heißt, durch Zug- oder Druckkräfte hervorgerufene Bewegungen, beispielsweise entlang einer Rotationsachse einer Welle, übertragen werden.
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Zwei Elemente werden insbesondere als miteinander verbunden bezeichnet, wenn zwischen den Elementen eine feste, insbesondere drehfeste Verbindung besteht. Insbesondere drehen solche verbundenen Elemente mit derselben Drehzahl in dieselbe Drehrichtung.
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Darüber hinaus können zwei Elemente anstatt mit einer Welle oder einem sonstigen Verbindungselement auch direkt, beispielsweise durch eine Schweiß-, Schraub-, Klebe-, Klemm- oder Steckverbindung, miteinander verbunden sein. Alternativ dazu ist auch eine einstückige Ausführung von zu verbindenden Elementen denkbar
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Zwei Elemente werden im Weiteren als verbindbar bezeichnet, wenn zwischen diesen Elementen eine lösbare drehfeste Verbindung besteht. Insbesondere drehen solche Elemente, wenn die Verbindung besteht, mit derselben Drehzahl in dieselbe Richtung.
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Unter einer Bremse ist ein Schaltelement zu verstehen, welches auf einer Seite mit einem feststehenden Element, beispielsweise einem Gehäuse, und auf einer anderen Seite mit einem rotierbaren Element, beispielsweise einer Welle, verbunden ist. Im Folgenden ist unter einer nicht betätigten Bremse eine geöffnete Bremse zu verstehen. Dies bedeutet, dass sich das rotierbare Element im Freilauf befindet, das heißt, dass die Bremse bevorzugt keinen Einfluss auf eine Drehzahl des rotierbaren Elements nimmt. Bei betätigter beziehungsweise geschlossener Bremse erfolgt eine Reduzierung der Rotationsbewegung des rotierbaren Elements bis hin zum Stillstand, das heißt, dass eine drehfeste Verbindung zwischen rotierbarem Element und feststehendem Element herstellbar ist.
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Durch eine Bremse kann dabei bevorzugt formschlüssig oder reibschlüssig eine Verbindung herstellbar beziehungsweise trennbar sein. Bei einer reibschlüssigen Verbindung zweier Elemente wird in der Regel über einen Aktuator eine Kraft in die Verbindungsstelle eingeleitet, wodurch eine Reibkraft entsteht, durch welche eine Kraft beziehungsweise ein Drehmoment zwischen dem rotierbaren Element und dem feststehenden Element übertragbar, also eine feste Verbindung herstellbar ist. Der Aktuator kann dabei elektromotorisch, pneumatisch, elektrohydraulisch, elektromagnetisch oder in sonstiger Weise betätigbar sein. Bei formschlüssigen Verbindungen findet eine Verbindung aufgrund eines Eingriffs der Konturen der zwei Elemente statt. Formschlüssige Verbindungen haben insbesondere den Vorteil, dass sie bei vergleichsweise geringen Abmessungen und Gewicht hohe Kräfte und Momente übertragen können. Darüber hinaus ist die aufzubringende Energie für die Verbindungsherstellung wesentlich geringer, als bei reibschlüssigen Verbindungen, wodurch beispielsweise der Aktuator kleiner ausgelegt werden kann.
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In diesem Zusammenhang ist unter bremsbar zu verstehen, dass durch Betätigen der Bremse eine Differenzdrehzahl zwischen den zwei Elementen reduzierbar ist und bis hin zum Stillstand des rotierbaren Elements geführt werden kann. Durch das Betätigen einer reibschlüssigen Bremse ist somit ein Übergang von einer Rotationsbewegung des rotierbaren Elements über eine Reduzierung dieser Rotationsbewegung bis hin zu Stillstand realisierbar. Umgekehrt ist ein schrittweises Erhöhen einer Rotationsbewegung beispielsweise aus einem Stillstand des rotierbaren Elements heraus realisierbar. Bei einer formschlüssigen Bremse sind lediglich die Zustände Stillstand oder ungehemmte Rotation des rotierbaren Elements realisierbar.
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Kupplungen beschreiben dabei Schaltelemente, welche, je nach Betätigungszustand, eine Relativbewegung zwischen zwei Elementen zulassen oder eine Verbindung zur Übertragung eines Drehmoments oder einer Kraft darstellen. Unter einer Relativbewegung ist beispielsweise eine Rotation zweier Elemente zu verstehen, wobei die Drehzahl des ersten Elements und die Drehzahl des zweiten Elements voneinander abweichen. Darüber hinaus ist auch die Rotation nur eines der beiden Elemente denkbar, während das andere Element stillsteht oder in entgegengesetzter Richtung rotiert.
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Im Folgenden ist unter einer nicht betätigten Kupplung eine geöffnete Kupplung zu verstehen. Dies bedeutet, dass eine Relativbewegung zwischen den beiden Elementen möglich ist. Bei betätigter beziehungsweise geschlossener Kupplung rotieren die beiden Elemente dementsprechend mit derselben Drehzahl in dieselbe Drehrichtung. Kupplungen können dabei, analog zu der oben beschriebenen Ausführung von Bremsen, als reibschlüssige oder formschlüssige Schaltelemente ausgeführt sein.
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Ein Planetengetriebe beziehungsweise ein Planetenradsatz umfasst dabei in der Regel wenigstens ein Sonnenrad, einen Planetenträger und ein Hohlrad. An dem Planetenträger drehbar gelagert sind Planetenräder, welche mit der Verzahnung des Sonnenrads und/oder mit der Verzahnung des Hohlrads kämmen.
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Dabei beschreibt ein Minus-Planetenradsatz bevorzugt einen Einzelplanetenradsatz mit einem Planetenträger, an dem die Planetenräder drehbar gelagert sind, mit einem Sonnenrad und mit einem Hohlrad, wobei die Verzahnung zumindest eines der Planetenräder sowohl mit der Verzahnung des Sonnenrads, als auch mit der Verzahnung des Hohlrads kämmt, wodurch das Hohlrad und das Sonnenrad in entgegengesetzte Drehrichtungen rotieren, wenn das Sonnenrad bei feststehendem Planetenträger rotiert.
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Ein Plus-Planetenradsatz unterscheidet sich bevorzugt zu dem gerade beschriebenem Minus-Planetenradsatz dahingehend, dass der Plus-Planetenradsatz innere und äußere Planetenräder aufweist, welche drehbar an dem Planetenträger gelagert sind. Die Verzahnung der inneren Planetenräder kämmt dabei einerseits mit der Verzahnung des Sonnenrads und andererseits mit der Verzahnung der äußeren Planetenräder. Die Verzahnung der äußeren Planetenräder kämmt darüber hinaus mit der Verzahnung des Hohlrads. Dies hat zur Folge, dass bei feststehendem Planetenträger das Hohlrad und das Sonnenrad in dieselbe Drehrichtung rotieren.
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Durch die Verwendung von Planetenradsätzen können besonders kompakte Getriebe realisiert werden, wodurch eine große Freiheit bei der Anordnung des Getriebes in dem Fahrzeug erreicht wird. Unter den Elementen eines Planetenradsatzes werden insbesondere das Sonnenrad, das Hohlrad, der Planetenträger und die Planetenräder des Planetenradsatzes verstanden.
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Unter einer drehfesten Verbindung ist zu verstehen, dass beispielsweise eine Rotationsbewegung von einem ersten rotierbaren Element auf ein zweites rotierbares Element übertragbar ist und diese bei Vorliegen einer drehfesten Verbindung mit derselben Drehzahl in dieselbe Drehrichtung rotieren. Durch ein Schaltelement kann somit selektiv und wiederholbar eine Verbindung hergestellt oder getrennt werden. Die Begriffe Drehrichtung und Rotationsrichtung beziehungsweise Drehbewegung und Rotationsbewegung sind dabei jeweils synonym zu verwenden.
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Unter dem Sperren beziehungsweise Festsetzen eines Elements, beispielsweise einer Welle, ist zu verstehen, dass dieses rotatorisch festgesetzt wird, das heißt, dass dieses keine Rotationsbewegung ausüben kann. In dem hier vorliegendem Fall ist unter dem Schließen einer Bremse beziehungsweise einer geschlossenen Bremse zu verstehen, dass durch die Bremse eine Verbindung zu dem zu sperrenden Element in der Art hergestellt wird, dass eine Rotation des zu sperrenden Elements verhindert wird.
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Bei einem Stirntrieb handelt es sich nachfolgend um ein ein- oder mehrstufiges Stirnradgetriebe mit mindestens zwei Stirnrädern, welche miteinander in Eingriff stehen.
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Dabei sind die jeweiligen Wellen der Stirnräder beziehungsweise die Rotationsachsen der Wellen und Stirnräder parallel zueinander angeordnet. Ein Stirntrieb weist dabei üblicherweise ein konstantes Übersetzungsverhältnis auf.
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Weiter ist die Antriebswelle, mit dem Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes verbunden und der Planetenträger ist über eine dritte Welle mit der zweiten Bremse verbunden.
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Weiter weisen die drei Vorwärtsgänge jeweils annähernd das gleiche Übersetzungsverhältnis wie die drei Rückwärtsgänge auf. Hierunter ist zu verstehen, dass der erste Vorwärtsgang annähernd das gleiche Übersetzungsverhältnis aufweist wie der erste Rückwärtsgang, der zweite Vorwärtsgang annähernd das gleiche Übersetzungsverhältnis aufweist wie der zweite Rückwärtsgang und der dritte Vorwärtsgang annähernd das gleiche Übersetzungsverhältnis aufweist wie der dritte Rückwärtsgang. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Rückwärtsgänge ein negatives Übersetzungsverhältnis aufweisen, das heißt, dass hier eine Richtungsumkehr im Vergleich zu den Vorwärtsgängen stattfindet. Unter einem annähernd gleichen Übersetzungsverhältnis ist zu verstehen, dass das Übersetzungsverhältnis der jeweiligen Vorwärtsgänge und Rückwärtsgänge zueinander möglichst gleich ist oder zumindest eine möglichst geringe Abweichung aufweist. Dadurch wird gewährleistet, dass sowohl im vorwärtigen Fahrbetrieb, als auch im rückwärtigen Fahrbetrieb ähnliche oder gleiche Fahrleistungen realisierbar sind.
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Weiter sind der erste Planetenradsatz, der zweite Planetenradsatz und der dritte Planetenradsatz bevorzugt als Minus-Planetenradsätze ausgeführt. Soweit es die Bindbarkeit zulässt, kann als alternative Ausführungsform wenigstens ein Minus-Planetenradsatz in einen Plus-Planetenradsatz umgewandelt werden. Dies erfordert jedoch gleichzeitig, dass die Planetenträger- und die Hohlradanbindung getauscht und der Betrag der Standübersetzung um den Wert 1 erhöht wird. Die Standübersetzung gibt dabei das Übersetzungsverhältnis zwischen Sonnenrad und Hohlrad an, wenn der Planetenträger feststeht. Unter der Bindbarkeit ist zu verstehen, dass bei unterschiedlicher geometrischer Lage, also einer von einer zuerst beschriebenen Anordnung abweichenden Anordnung der Bauteile, die gleiche Anbindung beziehungsweise Verbindung der Schnittstellen gewährleistet ist, ohne dass sich einzelne Verbindungelemente oder Wellen kreuzen.
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Weiter sind zum Bereitstellen eines Übersetzungsverhältnisses des Getriebes zwei Schaltelemente geschlossen und die übrigen Schaltelemente geöffnet. Dies hat vorteilhaft zur Folge, dass einerseits wenig Energie zum Bereitstellen eines Übersetzungsverhältnisses des Getriebes aufgebracht werden muss, da lediglich zwei Schaltelemente geschlossen werden beziehungsweise geschlossen sind. Darüber hinaus sind auch Schaltzeiten für einen Gangwechsel zwischen zwei Gängen beziehungsweise Übersetzungsverhältnissen besonders gering, da ebenfalls nur zwei Schaltelemente in einem geschlossenen Zustand gehalten werden müssen.
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Weiter sind die Antriebswelle und die Abtriebswelle bevorzugt koaxial zueinander angeordnet. Unter einer koaxialen Anordnung der Antriebswelle und der Abtriebswelle ist zu verstehen, dass diese entlang einer gemeinsamen Rotationsachse angeordnet sind. In einer alternativen Ausführungsform können die Antriebswelle und die Abtriebswelle jedoch auch parallel zueinander versetzt angeordnet sein.
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Weiter sind die Antriebswelle und die Abtriebswelle in einem Winkel α zueinander angeordnet, wobei bevorzugt α ≠ 180 Grad ist. Dies bedeutet, dass sich die Antriebswelle und die Abtriebswelle weder in einer koaxialen noch in einer parallelen Anordnung befinden. Je nach Einbaulage beziehungsweise Applikation kann es vorteilhaft sein, einen Winkel α ≠ 180 Grad für die Anordnung von Antriebswelle zu Abtriebswelle vorzusehen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes über die dritte Welle mit dem Planetenträger des erstes Planetenradsatzes und der ersten Bremse verbunden. Weiter ist das Hohlrad des ersten Planetenradsatzes bevorzugt über eine vierte Welle mit dem Planetenträger des zweiten Planetenradsatzes und dem Hohlrad des dritten Planetenradsatzes verbunden. Weiter bevorzugt ist das Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes über eine fünfte Welle mit der ersten Kupplung und der zweiten Kupplung verbunden. Die fünfte Welle ist bevorzugt durch die erste Kupplung mit der Abtriebswelle verbindbar. Die erste Kupplung ist über die Abtriebswelle mit dem Planetenträger des dritten Planetenradsatzes und weiter mit dem Getriebeausgang verbunden. Die fünfte Welle ist durch die zweite Kupplung mit einer sechsten Welle verbindbar. Die zweite Kupplung ist bevorzugt über die sechste Welle mit der zweiten Bremse und dem Sonnenrad des dritten Planetenradsatzes verbunden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Hohlrad des dritten Planetenradsatzes über die dritte Welle mit dem Planetenträger des ersten Planetenradsatzes und der erste Bremse verbunden. Weiter bevorzugt ist das Hohlrad des ersten Planetenradsatzes über eine vierte Welle mit dem Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes und dem Planetenträger des dritten Planetenradsatzes verbunden. Die zweite Bremse ist bevorzugt über eine sechste Welle mit der zweiten Kupplung und dem Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes verbunden. Die sechste Welle ist durch die zweite Kupplung mit einer fünften Welle verbindbar. Die zweite Kupplung ist weiter über die fünfte Welle mit dem Sonnenrad des dritten Planetenradsatzes und der ersten Kupplung verbunden. Bevorzugt ist die fünfte Welle durch die erste Kupplung mit der Abtriebswelle verbindbar. Weiter ist die erste Kupplung über die Abtriebswelle mit dem Planetenträger des zweiten Planetenradsatzes und weiter über die Abtriebswelle mit dem Getriebeausgang verbunden.
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Weiter ist der erste Vorwärtsgang durch die geschlossene zweite Bremse und die geschlossene zweite Kupplung darstellbar. Bevorzugt ist der zweite Vorwärtsgang durch die geschlossene zweite Bremse und die geschlossene erste Kupplung darstellbar. Der dritte Vorwärtsgang ist bevorzugt durch die geschlossene erste Kupplung und die geschlossenen zweite Kupplung darstellbar. Durch die geschlossene erste Bremse und die geschlossene zweite Bremse ist bevorzugt der erste Rückwärtsgang darstellbar. Der zweite Rückwärtsgang ist bevorzugt durch die geschlossene erste Bremse und die geschlossene zweite Kupplung darstellbar. Durch die geschlossene erste Bremse und die geschlossene erste Kupplung ist bevorzugt der dritte Rückwärtsgang darstellbar.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Getriebes vorgeschlagen, wobei in jedem Vorwärtsgang beziehungsweise Rückwärtsgang jeweils zwei Schaltelemente geschlossen sind und ein Wechsel aus einem Vorwärtsgang in einen anderen Vorwärtsgang beziehungsweise ein Wechsel aus einem Rückwärtsgang in einen anderen Rückwärtsgang durch Öffnen eines zuvor geschlossenen Schaltelements und durch Schließen eines zuvor geöffneten Schaltelements realisierbar ist. Unabhängig davon, ob das Schaltelement hydraulisch, elektromechanisch oder in sonstiger Weise betätigbar ist, führt dies zu einem geringen Energiebedarf der Schaltelemente, was sich letztendlich vorteilhaft auf den Verbrauch, beispielsweise von Kraftstoff bei einem Verbrennungsmotor als Antriebselement, des Fahrzeugs auswirkt. Ein Gangwechsel in einen benachbarten höheren Gang oder in einen benachbarten niedrigeren Gang erfolgt dementsprechend durch Veränderung des Schaltzustands von lediglich einem Schaltelement. Dies trägt besonders vorteilhaft zu einer Reduzierung der Schaltzeiten bei. Dies erhöht einerseits den Fahrkomfort, andererseits kann das Fahrzeug schneller in einem optimalen Betriebszustand betrieben werden.
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Grundsätzlich sind alle Bremsen und Kupplungen sowohl als reibschlüssiges Schaltelement, als auch als formschlüssiges Schaltelement ausführbar. Für die Verwendung von formschlüssigen Schaltelementen, beispielsweise Klauenschaltelementen, eignen sich insbesondere diejenigen Schaltelemente, welche in einem vorwärtigen beziehungsweise rückwärtigen Fahrbetrieb während eines Hochschaltvorgangs lediglich geöffnet werden, oder Schaltelemente, bei denen eine Änderung des Schaltzustands ausschließlich für einen Fahrtrichtungswechsel, insbesondere im Stillstand des Fahrzeugs, erfolgt.
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Die erste Bremse ist in dem erfindungsgemäßen Getriebe in allen Vorwärtsgängen geöffnet und in allen Rückwärtsgängen geschlossen. Somit erfolgt im Fahrbetrieb keine Änderung des Schaltzustands der ersten Bremse. Lediglich bei dem Wechsel zwischen einem vorwärtigen Fahrbetrieb und einem rückwärtigen Fahrbetrieb wird die erste Bremse von einem geöffneten Schaltzustand in einen geschlossenen Schaltzustand überführt. Gleiches gilt in umgekehrter Weise für einen Wechsel zwischen einem rückwärtigen Fahrbetrieb und einem vorwärtigen Fahrbetrieb. Üblicherweise erfolgt ein solcher Fahrtrichtungswechsel im Stillstand des Fahrzeugs, weshalb sich hierfür ein Klauenschaltelement in besonderer Weise für die Verwendung eignet.
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Eine Unterbrechung der Zugkraft während eines Schaltvorgangs wird somit ebenfalls vermieden. Vielmehr kommen besonders vorteilhaft die Vorzüge eines solchen Schaltelements in Form eines hohen Wirkungsgrads aufgrund geringer Schleppverluste und eines geringen beziehungsweise eines fehlenden Verschleißes zur Geltung. Darüber hinaus bedarf es bei formschlüssigen Schaltelementen weniger Energie zum Beibehalten eines Schaltzustands im Vergleich zu reibschlüssigen Schaltelementen, beispielsweise für die Betätigung des Aktuators. Dies wirkt sich ebenfalls positiv auf den Wirkungsgrad aus.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fahrzeug vorgeschlagen, welches bevorzugt wenigstens ein Getriebe der eingangs genannten Art umfasst. Dabei handelt es sich bei dem Fahrzeug bevorzugt um ein Schienenfahrzeug, beispielsweise um einen Triebwagen, insbesondere mit einem dieselmechanischen Antrieb. Unter einem diesel-mechanischem Antrieb ist dabei zu verstehen, dass durch einen Dieselmotor eine Rotationsbewegung erzeugt wird, welche direkt oder auch über ein Getriebe geführt zum Antrieb eines Fahrzeugs verwendet wird. Im Gegensatz dazu wird beispielsweise bei diesel-elektrischen Antrieben die von dem Dieselmotor erzeugte Rotationsbewegung in einen Generator eingeleitet, welcher die Rotationsbewegung in elektrische Energie wandelt und über eine Leistungselektronik eine oder mehrere elektrische Maschinen zum Antrieb des Fahrzeugs angesteuert werden.
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Zur Erhöhung beziehungsweise Vervielfachung der Vorwärtsgänge und Rückwärtsgänge, das heißt auch zur Erhöhung der Spreizung des Getriebes, können dem Getriebe ein oder mehrere Splitter-Getriebe und/oder Gruppen-Getriebe vor und/oder nachgeschaltet werden. Dabei können die Splitter- und/oder Gruppen-Getriebe direkt oder durch eine, beispielsweise elastische, Welle mit dem Getriebe verbunden sein. Weiter können die Splitter- und/oder Gruppen-Getriebe jeweils in einem separaten Gehäuse oder in einem gemeinsamen Gehäuse mit dem Getriebe angeordnet sein.
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Bei einem Splitter-Getriebe beziehungsweise Vorschaltgetriebe handelt es sich um ein zweistufiges Getriebe, welches an dem Getriebeeingang beziehungsweise an der Antriebswelle des Getriebes angeordnet ist. Hierdurch wird jede der vorhandenen Gangstufen der Vorwärtsgänge und Rückwärtsgänge in jeweils zwei Stufen aufgeteilt. Dies führt dazu, dass die Gangsprünge zwischen den einzelnen Vorwärtsgängen und Rückwärtsgängen verringert werden und somit eine feinere Abstufung zwischen den Vorwärtsgängen und Rückwärtsgängen möglich ist. Dadurch ist das Fahrzeug besser in einem optimalen Drehzahlbereich betreibbar. Die Spreizung des Getriebes ändert sich hingegen nur geringfügig. Dies liegt daran, dass lediglich in dem ersten Vorwärtsgang beziehungsweise Rückwärtsgang durch das Splitter-Getriebe eine weitere Übersetzung hinzukommt, die durch das bisherige Übersetzungsverhältnis des Getriebes nicht abgedeckt wurde.
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Bei einem Gruppen-Getriebe beziehungsweise Nachschaltgetriebe handelt es sich um ein zweistufiges Getriebe, häufig ein Planetengetriebe, welches an dem Getriebeausgang beziehungsweise an der Abtriebswelle des Getriebes angeordnet ist. Hierdurch erfährt das gesamte Getriebe, das heißt auch die gesamte Übersetzung, eine weitere Übersetzung. Dies bedeutet, dass sich die Spreizung des Getriebes deutlich verändert. Durch ein Gruppe-Getriebe wird die Spreizung des Getriebes, als Quotient aus der größten Übersetzung zu der kleinsten Übersetzung, erhöht. Häufig werden Gruppen-Getriebe verwendet, um eine Übersetzung ins Schnelle, das heißt i < 1, zu erhalten.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1: Eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Getriebes;
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2: Eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Getriebes;
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3: Ein beispielhaftes Schaltschema für ein Getriebe gemäß der 1 bis 2.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Getriebes 7. Das Getriebe 7 umfasst einen ersten Planetenradsatz PR1, einen zweiten Planetenradsatz PR2, einen dritten Planetenradsatz PR3 und vier Schaltelemente. Die genannten Bauteile sind allesamt in einem Gehäuse G angeordnet. Bei den vier Schaltelementen handelt es sich um eine erste Bremse B1, eine zweite Bremse B2, eine erste Kupplung K1 und eine zweite Kupplung K2. Die erste Bremse B1 und die zweite Bremse B2 sind auf einer Seite jeweils mit dem Gehäuse G fest verbunden. Die drei Planetenradsätze PR1, PR2, PR3 sind in der vorliegenden Ausführungsform jeweils als Minus-Planetenradsatz ausgeführt. Dies bedeutet, dass sie jeweils ein Sonnenrad S1, S2, S3, einen Planetenträger PT1, PT2, PT3 mit Planetenrädern aufweisen, wobei die Verzahnung der Sonnenräder S1, S2, S3 jeweils mit der Verzahnung der Planetenräder der Planetenträger PT1, PT2, PT3 kämmt. Weiter verfügt jeder der Planetenradsätze PR1, PR2, PR3 über ein Hohlrad H1, H2, H3, wobei die Verzahnung der Hohlräder H1, H2, H3 jeweils mit der Verzahnung der Planetenräder der jeweiligen Planetenträger PT1, PT2, PT3 kämmt.
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Über eine Antriebswelle 1 wird eine Rotationsbewegung beziehungsweise ein Drehmoment in das Getriebe 7 eingeleitet und unter Berücksichtigung des jeweils eingestellten Übersetzungsverhältnisses über eine Abtriebswelle 2 aus dem Getriebe 7 ausgeleitet. Auf einer Seite des Getriebes 7, auf der die Drehbewegung beziehungsweise das Drehmoment über die Antriebswelle 1 in das Getriebe 7 eingeleitet wird befindet sich ein Getriebeeingang AN, und auf einer Seite des Getriebes 7, auf der die Drehbewegung beziehungsweise das Drehmoment aus dem Getriebe 7 über Abtriebswelle 2 ausgeleitet wird befindet sich ein Getriebeausgang AB. Der Getriebeeingang AN und der Getriebeausgang AB sind in Bezug auf das Getriebe 7 diametral zueinander angeordnet. Die Antriebswelle 1 und die Abtriebswelle 2 sind weiter koaxial zueinander angeordnet, das heißt, dass sie um eine gemeinsame Rotationsache rotierbar angeordnet sind. Die in 1 gewählte Darstellungsform des Getriebes 7 zeigt lediglich eine obere Hälfte des Getriebes 7. Der gezeigte Aufbau ist zu einer durch den Getriebeeingang AN, die Antriebswelle 1, die Abtriebswelle 2 und den Getriebeausgang AB verlaufenden Ebene spiegelsymmetrisch aufgebaut. Aus Gründen der vereinfachten Darstellung wurde daher der spiegelsymmetrische untere Teil des Getriebes 7 nicht dargestellt.
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Der Getriebeeingang AN ist über die Antriebswelle 1 mit dem Sonnenrad S1 des ersten Planetenradsatzes PR1 verbunden. Der Planetenträger PT1 des ersten Planetenradsatzes PR1 ist über eine dritte Welle 3 mit der ersten Bremse B1 verbunden. Weiter sind der erste Planetenträger PT1 des ersten Planetenradsatzes PR1 und die erste Bremse B1 über die dritte Welle 3 mit dem Hohlrad H2 des zweiten Planetenradsatzes PR2 verbunden. Die dritte Welle 3 ist über die erste Bremse B1 an dem Gehäuse G bremsbar beziehungsweise sperrbar. Dies bedeutet, dass beispielsweise bei geschlossener Bremse B1 die dritte Welle 3 derart gebremst beziehungsweise gesperrt wird, dass keine Rotationsbewegung der dritten Welle 3 und der damit verbundenen Elemente möglich ist. Durch eine nicht vollständig geschlossene erste Bremse B1 ist beispielsweise auch eine Hemmung beziehungsweise eine Verlangsamung einer Drehbewegung der dritten Welle 3 möglich. Das Hohlrad H1 des ersten Planetenradsatzes PR1 ist über eine vierte Welle 4 mit dem Planetenträger PT2 des zweiten Planetenradsatzes PR2 verbunden. Weiter sind das Hohlrad H1 des ersten Planetenradsatzes PR2 und der Planetenträger PT2 des zweiten Planetenradsatzes PR2 über die vierte Welle 4 mit dem Hohlrad H3 des dritten Planetenradsatzes PR3 verbunden. Das Sonnenrad S2 des zweiten Planetenradsatzes PR2 ist über eine fünfte Welle 5 mit der ersten Kupplung K1 verbunden. Weiter sind die erste Kupplung K1 und das Sonnenrad S2 des zweiten Planetenradsatzes PR2 über die fünfte Welle 5 mit der zweiten Kupplung K2 verbunden. Durch die erste Kupplung K1 ist die fünfte Welle 5 mit der Abtriebswelle 2 selektiv verbindbar beziehungsweise trennbar. Über die Abtriebswelle 2 ist die erste Kupplung K1 weiter mit dem Planetenträger PT3 des dritten Planetenradsatzes PR3 verbunden. Die Abtriebswelle 2 verbindet den Planetenträger PT3 des dritten Planetenradsatzes PR3 weiter mit dem Getriebeausgang AB. Durch die zweite Kupplung K2 ist die fünfte Welle 5 weiter mit einer sechsten Welle 6 selektiv verbindbar beziehungsweise trennbar. Über die sechste Welle 6 ist die zweite Kupplung K2 weiter mit der zweiten Bremse B2 verbunden, wobei die zweite Bremse B2 und die zweite Kupplung K2 über die sechste Welle 6 ebenfalls mit dem Sonnenrad S3 des dritten Planetenradsatzes PR3 verbunden sind.
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In der in 1 gezeigten Darstellungsform sind die Planetenradsätze PR1, PR2, PR3 beginnend an dem Getriebeeingang AN in der Reihenfolge erster Planetenradsatz PR1, zweiter Planetenradsatz PR2, dritter Planetenradsatz PR3 angeordnet. Die erste Kupplung K1 und die zweite Kupplung K2 sind zwischen dem dritten Planetenradsatz PR3 und der zweiten Bremse B2 beginnend an dem dritten Planetenradsatz PR3 in der Reihenfolge erste Kupplung K1, zweite Kupplung K2 angeordnet.
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2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Getriebes 7. Dabei weist das Getriebe 7 die gleichen Bauteile und Elemente auf wie das in 1 beschriebene Getriebe 7. Lediglich bezüglich der Schnittstellen beziehungsweise der Anordnung der Elemente und Bauteile unterscheiden sich die in 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen des Getriebes 7.
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Der Getriebeeingang AN ist ebenfalls über die Antriebswelle 1 mit dem Sonnenrad S1 des ersten Planetenradsatzes PR1 verbunden. Auch der Planetenträger PT1 des ersten Planetenradsatzes PR1 ist über die dritte Welle 3 mit der ersten Bremse B1 verbunden. Im Gegensatz zu der in 1 gezeigten Ausführungsform sind der Planetenträger PT1 des ersten Planetenradsatzes PR1 und die erste Bremse B1 über die dritte Welle 3 jedoch nun mit dem Hohlrad H3 des dritten Planetenradsatzes PR3 verbunden. Das Hohlrad H1 des ersten Planetenradsatzes PR1 ist über die vierte Welle 4 mit dem Hohlrad H2 des zweiten Planetenradsatzes PR2 verbunden. Darüber hinaus sind das Hohlrad H1 des ersten Planetenradsatzes PR1 und das Hohlrad H2 des zweiten Planetenradsatzes PR2 über die vierte Welle 4 mit dem Planetenträger PT3 des dritten Planetenradsatzes PR3 verbunden. Die zweite Bremse B2 ist über die sechste Welle 6 mit der zweiten Kupplung K2 verbunden. Darüber hinaus sind zweite Kupplung K2 und die zweite Bremse B2 über die sechste Welle 6 mit den Sonnenrad S2 des zweiten Planetenradsatzes PR2 verbunden. Durch die zweite Kupplung K2 ist die sechste Welle 6 mit der fünften Welle 5 selektiv verbindbar beziehungsweise trennbar. Über die fünfte Welle 5 ist die zweite Kupplung K2 mit dem Sonnenrad S3 des dritten Planetenradsatzes PR3 verbunden. Darüber hinaus sind die zweite Kupplung K2 und das Sonnenrad S3 des dritten Planetenradsatzes PR3 über die fünfte Welle 5 mit der ersten Kupplung K1. Durch die erste Kupplung K1 ist die fünfte Welle 5 mit der Abtriebswelle 2 selektiv verbindbar beziehungsweise trennbar. Durch die Abtriebswelle 2 ist die erste Kupplung K1 weiter mit dem Planetenträger PT2 des zweiten Planetenradsatzes PR2 verbunden, wobei die Abtriebswelle 2 den Planetenträger PT2 des zweiten Planetenradsatzes PR2 weiter mit dem Getriebeausgang AB verbindet.
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Die Planetenradsätze PR1, PR2, PR3 sind zwischen dem Getriebeeingang AN und dem Getriebeausgang AB beginnend an dem Getriebeeingang AN in der Reihenfolge erster Planetenradsatz PR1, zweiter Planetenradsatz PR2, dritter Planetenradsatz PR3 angeordnet. Die erste Kupplung K1 befindet sich zwischen dem zweiten Planetenradsatz PR2 und dem dritten Planetenradsatz PR3. Die zweite Kupplung K2 ist zwischen dem dritten Planetenradsatz PR3 und der zweiten Bremse B2 angeordnet.
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3 zeigt in einer Tabelle eine Schaltmatrix des in 1 und 2 beschriebenen Getriebes 7. Über ein X in dem jeweiligem Feld wird kenntlich gemacht, welches der Schaltelemente für die Realisierung von einem der drei Vorwärtsgänge V1, V2, V3 beziehungsweise Rückwärtsgänge R1, R2, R3 geschlossen ist.
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Weiter ist die Übersetzung des jeweiligen Gangs angegeben wobei der erste Vorwärtsgang V1 ein Übersetzungsverhältnis von i = 3,891 aufweist, der zweite Vorwärtsgang V2 ein Übersetzungsverhältnis von i = 1,973 aufweist, der dritte Vorwärtsgang V3 ein Übersetzungsverhältnis von i = 1,0 aufweist, der erste Rückwärtsgang R1 ein Übersetzungsverhältnis von i = –4,0 aufweist, der zweite Rückwärtsgang R2 ein Übersetzungsverhältnis von i = –1,972 aufweist und der dritte Rückwärtsgang R3 ein Übersetzungsverhältnis von i = –0,972 aufweist. Das negative Vorzeichen vor den Übersetzungsverhältnissen der Rückwärtsgänge R1, R2, R3 zeigt an, dass im Vergleich zu den Vorwärtsgängen V1, V2, V3 eine Richtungsumkehr der Drehrichtung am Getriebeausgang AB vorliegt. Übersetzung und Übersetzungsverhältnis sind hierbei gleichbedeutend.
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Weiter sind der Tabelle die entsprechenden Gangsprünge zu entnehmen. Unter einem Gangsprung ist der Quotient der Übersetzung des niedrigeren Vorwärtsganges V1, V2, V3 und des nächst höheren Vorwärtsganges V1, V2, V3 zu verstehen.
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Gleiches gilt in analoger Anwendung für die Rückwärtsgänge R1, R2, R3. Dabei weist der Gangsprung von dem ersten Vorwärtsgang V1 zu dem zweiten Vorwärtsgang V2 einen Wert von φ = 1,97 auf, der Gangsprung von dem zweiten Vorwärtsgang V2 zu dem dritten Vorwärtsgang V3 einen Wert von φ = 1,97 auf, der Gangsprung von dem ersten Rückwärtsgang R1 zu dem zweiten Rückwärtsgang R2 einen Wert von φ = 2,03 auf und der Gangsprung von dem zweiten Rückwärtsgang R2 zu dem dritten Rückwärtsgang R3 einen Wert von φ = 2,03 auf.
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Entsprechend der in 3 gezeigten Tabelle ist der erste Vorwärtsgang V1 durch die geschlossene zweite Bremse B2 und die geschlossene zweite Kupplung K2 darstellbar, der zweite Vorwärtsgang V2 durch die geschlossene zweite Bremse B2 und die geschlossene erste Kupplung K1 darstellbar, der dritte Vorwärtsgang V3 durch die geschlossene erste Kupplung K1 und die geschlossene zweite Kupplung K2 darstellbar, der erste Rückwärtsgang R1 durch die geschlossene erste Bremse B1 und die geschlossene zweite Bremse B2 darstellbar, der zweite Rückwärtsgang R2 durch die geschlossene erst Bremse B1 und die geschlossene zweite Kupplung K2 darstellbar und der dritte Rückwärtsgang R3 ist durch die geschlossene erste Bremse B1 und die geschlossene erste Kupplung K1 darstellbar. Der Tabelle in 3 ist weiter zu entnehmen, dass für einen Wechsel in einen nächsthöheren Vorwärtsgang V1, V2, V3 beziehungsweise bei einem Wechsel in einen nächstniedrigeren Vorwärtsgang V1, V2, V3 jeweils ein geschlossenes Schaltelement geöffnet und ein zuvor geöffnetes Schaltelement geschlossen wird. Gleiches gilt in analoger Anwendung für einen Wechsel bezüglich der Rückwärtsgänge R1, R2, R3.
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Als Anfahrelement, welches in 1 und 2 nicht gezeigt ist, können ein hydrodynamischer Drehmomentwandler, eine hydrodynamische Kupplung, eine zusätzliche Anfahrkupplung, eine integrierte Anfahrkupplung beziehungsweise Anfahrbremse oder eine zusätzliche elektrische Maschine dienen. Darüber hinaus kann auf jeder Welle eine elektrische Maschine oder eine sonstige Kraft/Leistungsquelle angeordnet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebswelle
- 2
- Abtriebswelle
- 3
- Dritte Welle
- 4
- Vierte Welle
- 5
- Fünfte Welle
- 6
- Sechste Welle
- 7
- Getriebe
- AB
- Getriebeausgang
- AN
- Getriebeeingang
- B1
- Erste Bremse
- B2
- Zweite Bremse
- G
- Gehäuse
- H1
- Hohlrad PR1
- H2
- Hohlrad PR2
- H3
- Hohlrad PR3
- K1
- Erste Kupplung
- K2
- Zweite Kupplung
- PR1
- Erster Planetenradsatz
- PR2
- Zweiter Planetenradsatz
- PR3
- Dritter Planetenradsatz
- PT1
- Planetenträger PR1
- PT2
- Planetenträger PR2
- PT3
- Planetenträger PR3
- R1
- Erster Rückwärtsgang
- R2
- Zweiter Rückwärtsgang
- R3
- Dritter Rückwärtsgang
- S1
- Sonnenrad PR1
- S2
- Sonnenrad PR2
- S3
- Sonnenrad PR3
- V1
- Erster Vorwärtsgang
- V2
- Zweiter Vorwärtsgang
- V3
- Dritter Vorwärtsgang
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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