DE102018218534A1

DE102018218534A1 - Schaltgetriebe für Industrieanwendungen

Info

Publication number: DE102018218534A1
Application number: DE102018218534.4A
Authority: DE
Inventors: Ivan Zajic
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2020-04-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Getriebe mit einer Eingangswelle (109), einer Ausgangswelle (111), einer ersten Planetenstufe (101), einer zweiten Planetenstufe (103), mindestens einer Kupplung (113) und mindestens einer Bremse (115). Die erste Planetenstufe (101) ein drehfestes Hohlrad (101a), einen drehbaren Planetenträger (101b) und ein drehbares Sonnenrad (101c) aufweist; wobei die zweite Planetenstufe (103) ein drehbares Hohlrad (103a), einen drehbaren Planetenträger (103b) und ein drehbares Sonnenrad (103c) aufweist; wobei der Planetenträger (101b) der ersten Planetenstufe (101) und das Hohlrad (103a) der zweiten Planetenstufe (103) drehfest miteinander verbunden sind; wobei die Eingangswelle (109) und das Sonnenrad (103c) der zweiten Planetenstufe (103) mit Getriebefreiheitsgrad 1 verbunden sind; wobei die Ausgangswelle (111) und der Planetenträger (103b) der zweiten Planetenstufe (103) mit Getriebefreiheitsgrad 1 verbunden sind; wobei die Kupplung (113) ausgebildet ist, die Sonnenräder (101c, 103c) der ersten Planetenstufe (101) und der zweiten Planetenstufe (103) drehfest miteinander zu verbinden; und wobei die Bremse (115) auf das Hohlrad (103a) der zweiten Planetenstufe (103) wirkt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Getriebe nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren zur Verwendung eines solchen Getriebes.
Aus dem Stand der Technik sind Schaltgetriebe für Industrieanwendungen, etwa für Tunnelbohrmaschinen bekannt. Diesen ist aber das Problem einer hohen Wärmeentwicklung gemein. Um die im Betrieb entstehende Wärme abzuführen, sind aufwändige Kühleinrichtungen erforderlich. Dadurch erhöhen sich die Fertigungskosten und der Wirkungsgrad des Getriebes sinkt. Ein weiterer Nachteil der bekannten Konzepte ist ein hoher Bauraumbedarf der verwendeten Schaltelemente.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltgetriebe für Industrieanwendungen unter Umgehung der den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen innewohnenden Nachteile verfügbar zu machen. Insbesondere soll die Entstehung von Verlustwärme reduziert und der Bauraumbedarf vermindert werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Getriebe nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 5. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Die Begriffe drehbar, drehfest und miteinander verbunden werden im Rahmen der vorliegenden Anmeldung, sofern keine Schaltelemente genannt sind, im Sinne von permanent drehbar, permanent drehfest bzw. permanent verbunden verwendet.
Das Getriebe weist eine Eingangswelle, eine Ausgangswelle, eine erste Planetenstufe, eine zweite Planetenstufe, mindestens eine Kupplung und mindestens eine Bremse auf.
Die Eingangswelle bezeichnet eine angetriebene Welle. Es handelt es sich um die Welle des Getriebes, die im Drehmomentfluss am weitesten antriebsseitig angeordnet ist. Insbesondere kann die Eingangswelle drehfest mit einem angetriebenen Rotor eines Motors verbunden sein.
Bei der Ausgangswelle handelt es sich entsprechend um eine Welle, die eine nachgeschaltete Vorrichtung antreibt. Es handelt sich um diejenige Welle des Getriebes, die im Drehmomentfluss am weitesten abtriebsseitig angeordnet ist. Die Ausgangswelle ist im Falle einer Tunnelbohrmaschine drehfest mit einem Bohrkopf verbunden.
Eine Planetenstufe ist eine Getriebestufe mit einem Hohlrad, einem Planetenträger und einem Sonnenrad. In dem Planetenträger sind ein oder mehrere Planetenräder drehbar gelagert. Diese kämmen jeweils mit dem Hohlrad und/oder dem Sonnenrad.
Bei der Kupplung und der Bremse handelt es sich um Schaltelemente. Ein Schaltelement ist ausgebildet, zwei relativ zueinander verdrehbare Komponenten drehfest miteinander zu verbinden. Das Schaltelement besitzt einen geschlossenen und einen offenen Zustand. Im offenen Zustand sind die Komponenten relativ zueinander verdrehbar. Befindet sich das Schaltelement im geschlossenen Zustand, verbindet es die Komponenten drehfest miteinander.
Ein Schaltelement ist selektiv betätigbar. Dies bedeutet, dass das Schaltelement zu einem beliebigen Zeitpunkt durch Betätigung von dem offenen Zustand in den geschlossenen Zustand und von dem geschlossenen Zustand in den offenen Zustand überführbar ist.
Eine Bremse zeichnet sich dadurch aus, dass eine der beiden Komponenten, die durch die Bremse drehfest verbunden werden, relativ zu einer ortsfesten Struktur drehfest angeordnet ist. Bei der ortsfesten Struktur kann es sich insbesondere um ein Getriebegehäuse handeln. Sind beide Komponenten relativ zu der ortsfesten Struktur verdrehbar, handelt es sich bei dem Schaltelement um eine Kupplung.
Die Kupplung und die Bremse können jeweils als formschlüssiges Schaltelement, beispielsweise als Klauenkupplung, oder als kraftschlüssiges Schaltelement ausgebildet sein. Bei formschlüssigen Schaltelementen kommt die beschriebene drehfeste Verbindung durch einen Formschluss zwischen den zu verbindenden Komponenten zustande. Entsprechend wird bei einem kraftschlüssigen Schaltelement eine kraftschlüssige drehfeste Verbindung zwischen diesen Komponenten hergestellt.
Erfindungsgemäß ist das Hohlrad der ersten Planetenstufe drehfest angeordnet, etwa durch Fixierung in einem Getriebegehäuse. Die Planetenträger und Sonnenräder der ersten Planetenstufe und der zweiten Planetenstufe sind drehbar gelagert. Ebenso ist das Hohlrad der zweiten Planetenstufe drehbar gelagert.
Der Planetenträger der ersten Planetenstufe und das Hohlrad der zweiten Planetenstufe sind drehfest miteinander verbunden. Die drehfeste Verbindung zwischen dem Planetenträger der ersten Planetenstufe und dem Hohlrad der zweiten Planetenstufe ist permanent. Dies bedeutet, dass die drehfeste Verbindung im Betrieb des Getriebes nicht, etwa durch Schaltelemente, lösbar ist.
Zwischen der Eingangswelle und dem Sonnenrad der zweiten Planetenstufe besteht eine Verbindung mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1. Eine solche Verbindung besteht darüber hinaus zwischen der Ausgangswelle und dem Planetenträger der zweiten Planetenstufe. Eine allgemeine Definition des Begriffs Getriebefreiheitsgrad, auch Getriebelaufgrad genannt, findet sich im „Dubbel“ (Karl-Heinrich Grote, Jörg Feldhusen: „Dubbel“, 22. Aufl., 2007). Der Getriebefreiheitsgrad einer Getriebestufe stimmt hiernach mit der Anzahl relativer Bewegungen überein, die vorgegeben werden müssen, damit die Bewegungen aller Räder der Getriebestufe vollständig festgelegt sind. Dies entspricht der Anzahl relativer Bewegungen, die zu verhindern sind, um alle Glieder der Getriebestufe bewegungsunfähig zu machen. Sind ein erstes Getriebeglied und ein zweites Getriebeglied mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1 gekoppelt, so lassen sich eine Drehzahl des ersten Getriebeglieds und eine Drehzahl des zweiten Getriebeglieds eineindeutig aufeinander abbilden. Insbesondere kann zwischen den beiden Drehzahlen ein linearer Zusammenhang bestehen. Eine Verbindung mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1 wird auch zwangsläufig genannt.
Die zwangsläufigen Verbindungen zwischen der Eingangswelle und dem Sonnenrad der zweiten Planetenstufe sowie zwischen der Ausgangswelle und dem Planetenträger der zweiten Planetenstufe sind permanent. Dies bedeutet, dass der Getriebefreiheitsgrad der Verbindungen im Betrieb des Getriebes nicht, etwa durch Schaltelemente, geändert werden kann.
Die Kupplung ist ausgebildet, die Sonnenräder der ersten Planetenstufe und der zweiten Planetenstufe drehfest miteinander zu verbinden. Ist also die Kupplung geschlossen, besteht zwischen dem Sonnenrad der ersten Planetenstufe und dem Sonnenrad der zweiten Planetenstufe eine drehfeste Verbindung. Bei geöffneter Kupplung können die beiden Sonnenräder relativ zueinander verdreht werden.
Die Bremse wirkt auf das Hohlrad der zweiten Planetenstufe. Bei geschlossener Bremse ist also das Hohlrad drehfest. Insbesondere kann die Bremse eine drehfeste Verbindung zwischen dem Hohlrad und einem Getriebegehäuse herstellen. Ist die Bremse geöffnet, kann das Hohlrad verdreht werden.
Die Kupplung des erfindungsgemäßen Getriebes ist vergleichsweise gering belastet. Daher ist es möglich, diese Kupplung sehr klein zu dimensionieren. Da das Hohlrad der ersten Planetenstufe drehfest ist, entfällt hier ein groß dimensioniertes Lager. Die erfindungsgemäße Anordnung der Kupplung und der Bremse reduziert zudem die Wärmeentwicklung.
In einer bevorzugten Weiterbildung sind die Eingangswelle und das Sonnenrad der zweiten Planetenstufe drehfest miteinander verbunden. In diesem Fall stellt die Kupplung im geschlossenen Zustand eine drehfeste Verbindung auch zwischen dem Sonnenrad der ersten Planetenstufe und der Eingangswelle her.
In einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung ist eine dritte Planetenstufe mit einem drehfesten Hohlrad, einem drehbaren Planetenträger und einem drehbaren Sonnenrad vorhanden. Der Planetenträger der zweiten Planetenstufe und das Sonnenrad der dritten Stufe sind drehfest, insbesondere permanent, miteinander verbunden. Mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1 sind die Ausgangswelle und der Planetenträger der dritten Planetenstufe verbunden, insbesondere permanent.
Bevorzugt ist das Getriebe darüber hinaus mit einer vierten Planetenstufe weitergebildet. Diese weist ein drehfestes Hohlrad, einen drehbaren Planetenträger und ein drehbares Sonnenrad auf.
Der Planetenträger der dritten Planetenstufe und das Sonnenrad der vierten Planetenstufe sind drehfest miteinander verbunden. Ebenso sind die Ausgangswelle und der Planetenträger der vierten Planetenstufe drehfest miteinander verbunden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren bezieht sich auf die Verwendung, das heißt, die Benutzung, den Einsatz bzw. den Betrieb des erfindungsgemäßen Getriebes oder einer bevorzugten Weiterbildung. Das Verfahren sieht vor, eine erste Gangstufe und eine zweite Gangstufe zu schalten. Dabei wird die erste Gangstufe durch Öffnen der Kupplung und Schließen der Bremse realisiert. Die zweite Gangstufe wird realisiert durch Schließen der Kupplung und Öffnen der Bremse.
In einer bevorzugten Weiterbildung sieht das Verfahren eine Feststellfunktion vor. Die Feststellfunktion sieht vor, die Eingangswelle und die Ausgangswelle des Getriebes festzusetzen, das heißt, drehfest zu machen. Dazu werden weiterbildungsgemäß die Kupplung und die Bremse geschlossen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Übereinstimmende Bezugsziffern kennzeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale. Im Einzelnen zeigt:

1 eine erste Gangstufe eines Getriebes; und
2 eine zweite Gangstufe des Getriebes.

Das in den 1 und 2 dargestellte Getriebe weist eine erste Planetenstufe 101, eine zweite Planetenstufe 103, eine dritte Planetenstufe 105 und eine vierte Planetenstufe 107 auf. Die vier Planetenstufen 101, 103, 105, 107 umfassen jeweils ein Hohlrad 101a, 103a, 105a, 107a, einen Planetenträger 101b, 103b, 105b, 107b, ein Sonnenrad 101c, 103c, 105c, 107c und mehrere Planetenräder 101d, 103d, 105d, 107d. Die Planetenräder 101d, 103d, 105d, 107d kämmen mit dem jeweiligen Hohlrad 101a, 103a, 105a, 107a und dem jeweiligen Sonnenrad 101c, 103c, 105c, 107c und sind drehbar in dem jeweiligen Planetenträger 101b, 103b, 105b, 107b gelagert. Drehbar gelagert sind zudem alle Planetenträger 101b, 103b, 105b, 107b und alle Sonnenräder 101c, 103c, 105c, 107c der vier Planetenstufen 101, 103, 105, 107. Die Hohlräder 101a, 105a, 107a der ersten Planetenstufe 101, der dritten Planetenstufe 105 und der vierten Planetenstufe 107 sind drehfest. Das Hohlrad 103a der zweiten Planetenstufe 103 hingegen ist drehbar gelagert.
Eine Eingangswelle 109 ist drehfest mit dem Sonnenrad 103c der zweiten Planetenstufe 103 verbunden. Drehfest mit dem Planetenträger 107b der vierten Planetenstufe 107 ist eine Ausgangswelle 111 verbunden. Weiterhin bestehen drehfeste Verbindungen zwischen dem Planetenträger 101b der ersten Planetenstufe 101 und dem Hohlrad 103a der zweiten Planetenstufe 103, zwischen dem Planetenträger 103b der zweiten Planetenstufe 103 und dem Sonnenrad 105c der dritten Planetenstufe 105 sowie zwischen dem Planetenträger 105b der dritten Planetenstufe 105 und dem Sonnenrad 107c der vierten Planetenstufe 107.
Das Getriebe weist eine Kupplung 113 und eine Bremse 115 auf. Die Kupplung 113 stellt im geschlossenen Zustand eine drehfeste Verbindung zwischen dem Sonnenrad 101c der ersten Planetenstufe 101 und der Eingangswelle 109 her. Da die Eingangswelle 109 drehfest mit dem Sonnenrad 103c der zweiten Planetenstufe 103 verbunden ist, besteht dann auch eine drehfeste Verbindung zwischen dem Sonnenrad 101c der ersten Planetenstufe 101 und dem Sonnenrad 103c der zweiten Planetenstufe 103. Ist die Kupplung 113 geöffnet, sind die Kupplung 101c der ersten Planetenstufe 101 und die Eingangswelle 109 relativ zueinander verdrehbar. Mit der Eingangswelle 109 ist auch das Sonnenrad 103c der zweiten Planetenstufe 103 relativ zu dem Sonnenrad 101c der ersten Planetenstufe verdrehbar.
Die Bremse 115 wirkt auf das Hohlrad 103a der zweiten Planetenstufe 103. Ist die Bremse 115 geschlossen, stellt sie eine drehfeste Verbindung zwischen dem Hohlrad 103a der zweiten Planetenstufe 103 und einem Getriebegehäuse 117 her. Bei geöffneter Bremse 115 ist das Hohlrad 103a der zweiten Planetenstufe 103 relativ zu dem Getriebegehäuse 117 verdrehbar.
In 1 ist eine erste Gangstufe des Getriebes geschaltet. Die Kupplung 113 ist dabei geöffnet, die Bremse 115 geschlossen. Dies bewirkt eine Entkopplung der ersten Planetenstufe 101 aus dem Drehmomentfluss des Getriebes. Ein an der Eingangswelle 109 anliegendes Drehmoment wird vollständig auf das Sonnenrad 103c der zweiten Planetenstufe 103 übertragen.
Eine zweite Gangstufe ist in 2 dargestellt. Hierbei ist die Kupplung 113 geschlossen; die Bremse 115 ist geöffnet. Das an der Antriebswelle 109 anliegende Drehmoment wird nun über die geschlossene Kupplung 113 zu einem ersten Teil auf das Sonnenrad 101c der ersten Planetenstufe 101 und über die drehfeste Verbindung zwischen der Eingangswelle 109 und dem Sonnenrad 103c der zweiten Planetenstufe 103 zu einem zweiten Teil auf das Sonnenrad 103c übertragen. Dadurch findet eine Leistungsverzweigung statt.
Bezugszeichenliste

101: erste Planetenstufe
101a: Hohlrad
101b: Planetenträger
101c: Sonnenrad
101d: Planetenrad
103: zweite Planetenstufe
103a: Hohlrad
103b: Planetenträger
103c: Sonnenrad
103d: Planetenrad
105: dritte Planetenstufe
105a: Hohlrad
105b: Planetenträger
105c: Sonnenrad
105d: Planetenrad
107: vierte Planetenstufe
107a: Hohlrad
107b: Planetenträger
107c: Sonnenrad
107d: Planetenrad
109: Eingangswelle
111: Ausgangswelle
113: Kupplung
115: Bremse

Claims

Getriebe mit einer Eingangswelle (109), einer Ausgangswelle (111), einer ersten Planetenstufe (101), einer zweiten Planetenstufe (103), mindestens einer Kupplung (113) und mindestens einer Bremse (115); dadurch gekennzeichnet, dass die erste Planetenstufe (101) ein drehfestes Hohlrad (101a), einen drehbaren Planetenträger (101b) und ein drehbares Sonnenrad (101c) aufweist; wobei die zweite Planetenstufe (103) ein drehbares Hohlrad (103a), einen drehbaren Planetenträger (103b) und ein drehbares Sonnenrad (103c) aufweist; wobei der Planetenträger (101b) der ersten Planetenstufe (101) und das Hohlrad (103a) der zweiten Planetenstufe (103) drehfest miteinander verbunden sind; wobei die Eingangswelle (109) und das Sonnenrad (103c) der zweiten Planetenstufe (103) mit Getriebefreiheitsgrad 1 verbunden sind; wobei die Ausgangswelle (111) und der Planetenträger (103b) der zweiten Planetenstufe (103) mit Getriebefreiheitsgrad 1 verbunden sind; wobei die Kupplung (113) ausgebildet ist, die Sonnenräder (101c, 103c) der ersten Planetenstufe (101) und der zweiten Planetenstufe (103) drehfest miteinander zu verbinden; und wobei die Bremse (115) auf das Hohlrad (103a) der zweiten Planetenstufe (103) wirkt.
Getriebe nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangswelle (109) und das Sonnenrad (103c) der zweiten Planetenstufe (103) drehfest miteinander verbunden sind.
Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche; gekennzeichnet durch eine dritte Planetenstufe (105) mit einem drehfesten Hohlrad (105a), einem drehbaren Planetenträger (105b) und einem drehbaren Sonnenrad (105c); wobei der Planetenträger (103b) der zweiten Planetenstufe (103) und das Sonnenrad (105c) der dritten Planetenstufe (105) drehfest miteinander verbunden sind; und wobei die Ausgangswelle (111) und der Planetenträger (105b) der dritten Planetenstufe (105) mit Getriebefreiheitsgrad 1 verbunden sind.
Getriebe nach dem vorhergehenden Anspruch; gekennzeichnet durch eine vierte Planetenstufe (107) mit einem drehfesten Hohlrad (107a), einem drehbaren Planetenträger (107b) und einem drehbaren Sonnenrad (107c); wobei der Planetenträger (105b) der dritten Planetenstufe (105) und das Sonnenrad (107c) der vierten Planetenstufe (107) drehfest miteinander verbunden sind; und wobei die Ausgangswelle (111) und der Planetenträger (107b) der vierten Planetenstufe (107) drehfest miteinander verbunden sind.
Verfahren zur Verwendung eines Getriebes nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Gangstufe durch Öffnen der Kupplung (113) und Schließen der Bremse (115) realisiert wird; wobei ein zweite Gangstufe durch Schließen der Kupplung (113) und Öffnen der Bremse (115) realisiert wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch; dadurch gekennzeichnet, dass eine Feststellfunktion durch Schließen der Kupplung (113) und Schließen der Bremse (115) realisiert wird.