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Die Erfindung betrifft einen Drehzahlwandler, mit dem eine konstante Drehzahl und/oder eine ansteigende und/oder fallende Drehzahlveränderung realisierbar ist.
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Drehzahlwandler unter Verwendung von Differentialgetrieben sind bekannt.
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In der
DE 26 35 946 A wird ein Drehmomentwandler beschrieben, bei dem zwei differenziell rückgekoppelte Differentialgetriebe genutzt werden, um unabhängig von der Eingangsdrehzahl die Ausgangsdrehzahl zu verändern.
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Bei der
GB 473 677 werden zwei Differentialgetriebe eingesetzt, um die Drehzahl stufenweise und kontinuierlich zu reduzieren.
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Die
FR 2 631 899 verwendet drei Differentialgetriebe, wobei ein Differentialgetriebe eine Blockadefunktion hat und ein weiteres eine Abbremsfunktion. Dabei kommen zwei Planetenräder zum Einsatz, die gegenläufig drehen.
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Aus der
DE 20 2013 008 129 U1 ist ein Drehzahlwandler bekann, bei dem eine Eingangsdrehzahl in eine konstante oder stetig steigende oder stetig fallende Ausgangsdrehzahl gewandelt wird, wobei der Drehzahlwandler aufweist
mindestens drei in Reihe angeordneten Differentialgetrieben, von denen die beiden äußeren Differentialgetriebe (Master, Slave) gleich sind und jedes der Differentialgetriebe jeweils einen Korb (k), zwei Antriebsräder (a, e) sowie mindestens ein Ausgleichsrad (c) besitzen,
zwei Übersetzungsgetriebe und
ein Steuergetriebe,
wobei die Körbe von zwei äußeren Differentialgetriebe (Master, Slave) mit jeweils einem Antriebsrad (a, e) des zwischen diesen angeordneten Differentialgetriebes (Kern) gekoppelt sind.
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Jeweils ein Antriebsrad (a) der äußeren Differentialgetriebe (Master, Slave) sind miteinander über ein Übersetzungsgetriebe gekoppelt, so dass diese Antriebsräder gegenläufig (+n, –n) und mit gleicher Drehzahl (n1) drehen.
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Die Drehzahl des Korbes (k) des mittleren Differentialgetriebes (Kern) ist durch ein Übersetzungsgetriebe im Verhältnis 2:1 übersetzbar und mit dieser Drehzahl sind die beiden anderen Antriebsräder (e) der äußeren Differentialgetriebe (Master, Slave) gleichläufig antreibbar.
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Das Steuergetriebe ist in eine Kopplung zwischen einem Übersetzungsgetriebe und einem äußeren Differentialgetriebe (Master, Slave) oder in eine Kopplung zwischen den äußeren Differentialgetrieben (Master, Slave) und dem mittleren Differentialgetriebe (Kern) angeordnet oder kann zugeschaltet werden und wandelt die Eingangsdrehzahl in das Steuergetriebe in eine der drei Steuerstufen
- – Übersetzungsverhältnis 1:1, um eine konstante Ausgangsdrehzahl des Drehzahlwandlers zu erreichen, oder
- – Übersetzungsverhältnis mit einem Wert größer 1, um einen stetigen Drehzahlanstieg der Ausgangsdrehzahl des Drehzahlwandlers zu erreichen, oder
- – Übersetzungsverhältnis mit einem Wert kleiner 1, um einen stetigen Drehzahlabfall der Ausgangsdrehzahl des Drehzahlwandlers zu erreichen.
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Ein derartiger Drehzahlwandler befindet sich im Leistungsgleichgewicht, solange durch das Steuergetriebe eine Übersetzung von 1:1 realisiert wird, d. h. eine vorhandene Ausgangsdrehzahl wird konstant beibehalten.
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Durch das Umschalten des Steuergetriebes auf ein Übersetzungsverhältnis > 1 oder < 1 wird dieses Gleichgewicht gestört und ein stetiger Drehzahlanstieg oder ein stetiger Drehzahlabstieg realisiert.
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Wird wieder ein Gleichgewicht hergestellt durch das Umschalten des Steuergetriebes auf ein Übersetzungsverhältnis 1:1 wird die erreichte Drehzahl weiter kontinuierlich abgegeben, unabhängig von Schwankungen der Eingangsdrehzahl. Diese darf nur nicht den Wert Null annehmen.
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Nachteilig bei diesem Drehzahlwandler ist, dass der Drehzahlwandler ein Steuergetriebe benötigt, um zwischen den Übersetzungsverhältnissen kleiner 1, größer 1 bzw. 1:1 zu wechseln.
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Aufgabe der Erfindung ist es, mit einem Drehzahlwandler, unabhängig von einer Eingangsdrehzahl eine konstante, ansteigende oder fallende Ausgangsdrehzahl zu generieren, und dabei den Drehzahlanstieg regelbar zu machen.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit den Ansprüchen 1 und 2. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird ein erster stufenloser Drehzahlwandler mit einer Eingangsdrehzahl (N) und einer Ausgangsdrehzahl (N1) vorgeschlagen, mindestens bestehend aus
- – drei in Reihe angeordneten Differentialgetrieben, von denen jedes der Differentialgetriebe jeweils einen Korb (k), zwei Antriebsräder (a, e) sowie mindestens ein Ausgleichsrad (c) aufweisen, und
- – einem Übersetzungsgetriebe,
wobei
- – die Körbe (k) der äußeren Differentialgetriebe mit jeweils einem Antriebsrad des inneren Differentialgetriebes gekoppelt sind,
- – die Drehzahl des Korbes (k) des inneren Differentialgetriebes durch das Übersetzungsgetriebe im Verhältnis 2:1 übersetzbar ist und mit dieser Drehzahl die Antriebsräder (e) der äußeren Differentialgetriebe gleichläufig antreibbar sind
und
- – ein weiteres Übersetzungsgetriebe die Eingangsdrehzahl (N) im Verhältnis 1:1 übersetzt, aber gegenläufig auf die Antriebsräder der äußeren Differentialgetriebe verteilt, und in der Verbindung dieses Übersetzungsgetriebes mit den Antriebsrädern (a) der äußeren Differentialgetriebe oder in zwei andere Verbindungen zwischen den Differentialgetrieben jeweils eine schaltbare Kupplung und jeweils eine regelbare Bremse angeordnet sind,
- – so dass die Eingangsdrehzahl (N) entweder zu einem der äußeren Differentialgetriebe oder zu beiden äußeren Differentialgetrieben übertragbar ist.
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Erfindungsgemäß wird ein zweiter stufenloser Drehzahlwandler mit einer Eingangsdrehzahl (N) und einer Ausgangsdrehzahl (N1) vorgeschlagen, mindestens bestehend aus
- – drei in Reihe angeordneten Differentialgetrieben, von denen jedes der Differentialgetriebe jeweils einen Korb (k), zwei Antriebsräder (a, e) sowie mindestens ein Ausgleichsrad (c) aufweisen, und
- – einem Übersetzungsgetriebe,
wobei
- – die Körbe (k) der äußeren Differentialgetriebe mit jeweils einem Antriebsrad des inneren Differentialgetriebes gekoppelt sind,
- – die Drehzahl des Korbes (k) des inneren Differentialgetriebes durch das Übersetzungsgetriebe im Verhältnis 2:1 übersetzbar ist und mit dieser Drehzahl die Antriebsräder (e) der äußeren Differentialgetriebe gleichläufig antreibbar sind und
- – die Eingangsdrehzahl (N) auf das Antriebsrad (a) eines der äußeren Differentialgetriebe übertragbar ist, während das Antriebsrad (a) des jeweils anderen äußeren Differentialgetriebes über eine regelbare Bremse verfügt und in einer der Kopplungen zwischen den Körben (k) der äußeren Differentialgetriebe mit jeweils einem Antriebsrad des inneren Differentialgetriebes eine weitere regelbare Bremse angeordnet ist.
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Die Kombination Kupplung/Bremse wird jeweils paarweise geschaltet. Dies erfolgt in einer bevorzugten Ausführung mittels eines angeordneten Wechselschalters, der über einen Signaleingang für die Eingangsdrehzahl (N) und einen Signaleingang für die Ausgangsdrehzahl (N1) verfügt und der als Ausgangssignal Schaltsignale generiert zum paarweisen Umschalten der Kupplungs-Bremsen-Paarung
aus einem Zustand
- – die Kupplungen sind geschlossen und die Bremsen bremsen nicht,
in einen Zustand - – bei einer Kupplungs-Bremsen-Paarung ist die Kupplung geöffnet und die Bremse bremst
oder - – bei der anderen Kupplungs-Bremsen-Paarung ist die Kupplung geöffnet und die Bremse bremst
und umgekehrt.
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Auf diese Weise ist ein Drehzahlanstieg oder ein Drehzahlabfall bei der Ausgangsdrehzahl (N1) einstellbar.
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Um auch das Maß des Drehzahlanstieges bzw. des Drehzahlabfalles, das eine Funktion der Bremswirkung ist, zu regeln, sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung einen Bremskraftregler vor, der über einen Signaleingang für die Eingangsdrehzahl (N) und einen Signaleingang für die Ausgangsdrehzahl (N1) sowie über einen Signaleingang über den Betriebszustand der Bremsen verfügt, und der als Ausgangssignal Schaltsignale zur Bremsverstärkung oder Bremsverminderung generiert.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mindestens einem der Signaleingänge für die Eingangsdrehzahl (N) und die Ausgangsdrehzahl (N1) in den Wechselschalter oder den Bremskraftregler ein Manipulator vorgeschaltet ist, durch den der absolute Wert des Eingangssignal signaltechnisch vergrößerbar oder verkleinerbar ist.
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Die Erfindung soll anhand der Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:
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1 Drehzahlwandler mit steigendem und fallendem Drehzahlanstieg,
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1.1 verschachtelte Form von 1,
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2 Drehzahlwandler mit steigendem Drehzahlanstieg,
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2.1 verschachtelte Form von 2,
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3 Steuerung,
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4 Drehzahlverläufe
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1 zeigt einen Drehzahlwandler 1, mit dem ein steigender und fallender Drehzahlanstieg realisierbar ist.
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Der stufenlose Drehzahlwandler 1 mit einer Eingangsdrehzahl N und einer Ausgangsdrehzahl N1 besteht aus
- – drei in Reihe angeordneten Differentialgetrieben 2, 3, 4, von denen jedes der Differentialgetriebe 2, 3, 4 jeweils einen Korb k, zwei Antriebsräder a, e sowie ein Ausgleichsrad c aufweisen, und
- – einem Übersetzungsgetriebe 7,
wobei
- – die Körbe k der äußeren Differentialgetriebe 2, 3 mit jeweils einem Antriebsrad a4, e4 des inneren Differentialgetriebes 4 gekoppelt sind,
- – die Drehzahl des Korbes k des Differentialgetriebes 4 durch das Übersetzungsgetriebe 7 im Verhältnis 2:1 übersetzbar ist und mit dieser Drehzahl N2 die Antriebsräder e2 und e3 der Differentialgetriebe 2, 3 gleichläufig antreibbar sind
und
- – ein weiteres Übersetzungsgetriebe 6 die Eingangsdrehzahl N im Verhältnis 1:1 übersetzt, aber gegenläufig auf die Antriebsräder a2 und a3 der Differentialgetriebe 2, 3 verteilt, und in der Verbindung des Übersetzungsgetriebes 6 mit den Antriebsrädern a2 und a3 der Differentialgetriebe 2, 3 jeweils eine schaltbare Kupplung k1 oder k2 und jeweils eine regelbare Bremse Z oder Y angeordnet sind, so dass die Eingangsdrehzahl N entweder zum Differentialgetriebe 2 oder 3 oder zu beiden Differentialgetrieben 2 und 3 übertragbar ist.
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2 zeigt einen Drehzahlwandler 1, mit dem ein steigender oder ein fallender Drehzahlanstieg realisierbar ist.
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Der stufenlose Drehzahlwandler 1 mit einer Eingangsdrehzahl N und einer Ausgangsdrehzahl N1 besteht aus
- – drei in Reihe angeordneten Differentialgetrieben 2, 3, 4, von denen jedes der Differentialgetriebe 2, 3, 4 jeweils einen Korb k, zwei Antriebsräder a, e sowie ein Ausgleichsrad c aufweisen, und
- – einem Übersetzungsgetriebe 7,
wobei
- – die Körbe k der äußeren Differentialgetriebe 2, 3 mit jeweils einem Antriebsrad a4, e4 des inneren Differentialgetriebes 4 gekoppelt sind,
- – die Drehzahl des Korbes k des Differentialgetriebes 4 durch das Übersetzungsgetriebe 7 im Verhältnis 2:1 übersetzbar ist und mit dieser Drehzahl die Antriebsräder e2 und e3 der Differentialgetriebe 2, 3 gleichläufig antreibbar sind und
- – die Eingangsdrehzahl N auf das Antriebsrad a2 des Differentialgetriebes 2 übertragbar ist, während das Antriebsrad a3 des anderen Differentialgetriebes 3 über eine Bremse Z verfügt und in der Kopplung zwischen dem Korb k des äußeren Differentialgetriebes 2 und dem Antriebsrad a4 des inneren Differentialgetriebes 4 eine weitere Bremse X angeordnet ist.
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Der Drehzahlverlauf ansteigend des Drehzahlwandlers gemäß 2 soll anhand der 4 erläutert werden.
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Die Eingangsdrehzahl +N von z. B. einem Motor beträgt +200 U/min.
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Da das Antriebsrad e2 mit der Last verbunden ist (N1 = 0) erfolgt eine Drehzahlübertragung durch den Korb k in der Größe N3 = +100 U/min auf das Antriebsrad a4 und weiter auf das Antriebsrad e4 mit N4 = –100 U/min.
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N4 wird auf den Korb k des Differentialgetriebes 3 übertragen und unverbraucht gelassen a3 = –200 U/min.
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Die Bremse Z wird nunmehr aktiviert und bremst a3 auf die Drehzahl –N = 0. Infolge der Last ist auch die Drehzahl von e3 mit N2 = 0. Damit kann auch der Korb k des Differentialgetriebes 3 nicht drehen, d. h. N4 = 0.
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Die Drehzahl N3 mit +100 U/min ist nicht auf das Antriebsrad e4 übertragbar, so dass die Drehzahl N3 auf den Korb k des Differentialgetriebes 4 übertragen wird (N1 = 50 U/min).
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Mittels des Übersetzungsgetriebes 7 erfolgt eine Drehzahlerhöhung der Korbdrehzahl im Verhältnis 2:1, d. h. N2 = 100 U/min. N2 wird auf das Antriebsrad e2 des Differentialgetriebes 2 übertragen.
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Damit liegen beim Differentialgetriebes 2 folgende Drehzahlen an: a2 mit N = 200 U/min und e2 mit N2 = 100 U/min. Das führt zu einer Ausgangsdrehzahl von N3 = 150 U/min.
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Beim Differentialgetriebe 3 liegen folgende Drehzahlen an: a3 mit –N = 0 und e3 mit N2 = 100 U/min. Das führt zu einer Ausgangsdrehzahl von N4 = 50 U/min. Damit beträgt N1 = 100 U/min und N2 = 200 U/min.
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Das bedeutet, dass sich die Ausgangsdrehzahl N1 von 0 auf 50 und weiter auf 100 U/min erhöht hat.
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Dies ist kein sprunghafter Prozess, sondern ein stetig steigender Prozess.
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Im Beispiel wurde davon ausgegangen, dass durch die Bremse Z das Antriebsrad a3 vollständig stillgelegt war. Lässt die Bremse Z eine Drehzahl für das Antriebsrad a3 zu, verändert sich der Winkel für den Drehzahlanstieg. Je mehr gebremst wird, je steiler ist der Drehzahlanstieg.
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Die Bremse X dient bei deaktivierter Bremse Z, d. h. die Bremse Z bremst nicht, dazu eine positive Drehzahl +N in eine negative Drehzahl –N1 umzuwandeln, wobei die Drehzahl –N1 wertmäßig betrachtet maximal die Hälfte der Eingangsdrehzahl N einnehmen kann.
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3 zeigt eine Steuerung 5 für den Drehzahlwandler gemäß der 1. Diese kann hydraulisch oder elektrisch arbeiten. Bei der Darstellung wurde eine hydraulische Variante gewählt, in dem mit den Drehzahlen N und N1 jeweils eine Pumpe 10 betrieben wird.
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Kernstück der Steuerung sind der Wechselschalter 8 und der Bremskraftregler 9, wobei der Bremskraftregler 9 auch für den Drehzahlwandler gemäß 2 einsetzbar ist.
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Durch den Wechselschalter 8 werden paarweise die Kupplung k1 und die Bremse Z bzw. k2 und Y ein- oder ausgeschaltet.
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Dies erfolgt bei dem Drehzahlwandler gemäß 1 nach folgendem Schaltschema:
N > N1 Z bremst und k1 ist offen
N < N1 Y bremst und k2 ist offen
N = N1 Z, Y, bremsen nicht, k1, k2 sind geschlossen.
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Mittels des Bremskraftreglers 9 wird die Bremsstärke geregelt, d. h. der Anstiegswinkel der Ausgangsdrehzahl N1.
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Das Schaltschema lautet
N – N1 > 0 wird Z geregelt
N – N1 < 0 wird Y geregelt
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Ferner sind nach den Pumpen 10 vor dem Eingang in den Wechselschalter 8 Manipulatoren 11 angeordnet, mit deren Hilfe die Drehzahlen N1 bzw. N auf einen höheren oder niedrigeren absoluten Wert signaltechnisch einstellbar sind. So lassen sich Arbeitsbereiche einstellen. Ohne die Manipulatoren 11 würden eine Eingangsdrehzahl N zu einer gleichgroßen Ausgangsdrehzahl N1 führen und erst dann würden die Kupplungen k1, k2 geschlossen und die Bremsen Y, Z nicht mehr bremsen.
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Durch die Manipulation z. B. der Eingangsdrehzahl N von 1000 U/min auf 500 U/min stellt sich das Gleichgewicht N = N1 bereits bei N1 = 500 U/min ein. Dies ist vergleichbar mit einer Gangschaltung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stufenloser Drehzahlwandler
- 2
- Differentialgetriebe
- 3
- Differentialgetriebe
- 4
- Differentialgetriebe
- 5
- Steuerung
- 6
- Übersetzungsgetriebe 1:1 gegenläufig
- 7
- Übersetzungsgetriebe 2:1 gleichläufig
- 8
- Wechselschalter
- 9
- Bremskraftregler
- 10
- Pumpe
- 11
- Manipulator
- Z, Y, X, Q
- Bremsen
- k1, k2
- Kupplungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2635946 A [0003]
- GB 473677 [0004]
- FR 2631899 [0005]
- DE 202013008129 U1 [0006]
