DE102022001512A1 - Infinitely variable and constant-torque low-speed superimposed reversing gear with self-locking - Google Patents
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Abstract
mit einem auf einem Vollwellenstummel fixierten Schneckenrad im Innenraum einer Hohlwelle dadurch gekennzeichnet daßwith a worm wheel fixed on a solid shaft stub in the interior of a hollow shaft, characterized in that
Description
Die Erfindung im Bereich Maschinenbau betrifft ein stufenlos regelbares und drehmomentkonstantes niedrigtouriges und selbsthemmendes elektromechanisches Drehzahl-Überlagerungs-Wendegetriebe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention in the field of mechanical engineering relates to a continuously variable and torque-constant, low-speed and self-locking electromechanical speed superposition reversing gear with the features of the preamble of
Bei Drehzahlüberlagerungsgetrieben handelt es sich um Sondergetriebe welche meist im leichten Maschinenbau beim Antrieb von mehreren Maschinen durch einen einzigen Antriebsmotor zur Drehzahlanpassung von einzelnen Abzweigen von der Königswelle zum Einsatz kommen um die Drehzahlen der Abtriebswelle mit positiven oder negativen Zusatzdrehungen erhöhen oder erniedrigen. Ferner werden sie zur in Regelantrieben und beim Synchronisieren zur Veränderung der Antriebs-Phasenlage der Abzweige bzw. der Positionierung und Justierung von Drehwinkeln herangezogen. Im schweren Maschinenbau werden diese auch als klassische Getriebe z. B. im Schiffsbau und in Windkraftanlagen eingesetzt.Superimposed speed gears are special gears which are usually used in light mechanical engineering when driving several machines with a single drive motor to adjust the speed of individual branches from the vertical shaft in order to increase or decrease the speed of the output shaft with positive or negative additional rotations. They are also used in control drives and during synchronization to change the drive phase position of the branches or the positioning and adjustment of rotation angles. In heavy mechanical engineering, these are also used as classic gears, e.g. B. used in shipbuilding and in wind turbines.
Bei diesen Drehzahlüberlagerungsgetrieben handelt es sich um Planetengetriebe deren Außenring oder Steg mittels einer Schneckenwelle in Drehung versetzt werden kann.These superimposed speed gears are planetary gears whose outer ring or web can be rotated using a worm shaft.
Nachdem ein Planetengetriebe jedoch zahlreiche Planetenräder besitzt und jeder Zahneingriff die reibungsbedingte Verlustleistung verdoppelt womit die Lager der Planetenräder extrem hoch belastet sind, eignen sich diese nur sehr begrenzt als Drehzahlüberlagerungsgetriebe mit der Funktion eines stufenlosen (Wende)Getriebes im niedrigen Drehzahlbereich und für große Leistungen und Drehmomente.However, since a planetary gearbox has numerous planetary gears and each meshing doubles the power loss caused by friction, which means that the bearings of the planetary gears are extremely heavily loaded, they are only suitable to a very limited extent as a speed superposition gearbox with the function of a continuously variable (reversing) gearbox in the low speed range and for high power and torque .
Hinzu kommt daß auch die einfachsten herkömmlichen Getriebe bei Dauerbelastung mechanische Verluste erzeugen, die sich insbesondere bei Schiffsgetrieben summieren die während der langen Marschfahrt im Antriebsstrang verbleiben.In addition, even the simplest conventional gears generate mechanical losses under constant load, which add up, especially in ship gears, which remain in the drive train during long cruises.
Dasselbe gilt für hydraulische Getriebe und auch für sog. Hybrid-Antriebe, bei welchem eine Kraftmaschine konstant einen Generator antreibt und dieser über einen Frequenzumrichter einen Elektromotor. Denn diese Lösung ist nur in relativ hohen Drehzahlbereichen aufgrund der in diesem Bereich nur geringen elektrischen Verlustleistungen an den Frequenzumrichtern sinnvoll weil die Verluste mit zunehmender Verschiebung der Spannungs/Frequenz-Kennlinie zu niedrigen Drehzahlen wachsen und die Regelung umso aufwendiger ist je höher das zu entwickelnde Drehmoment wird. Diese regelungstechnisch am schwierigsten zu beherrschenden niedrigen Drehzahlbereiche erfordern spezielle Anpassungen der Umrichter an die Spannungs/Frequenz-Kennlinie im Teillastbereich und ebenso technische Anpassungen der Motoren.The same applies to hydraulic transmissions and also to so-called hybrid drives, in which a prime mover constantly drives a generator and this drives an electric motor via a frequency converter. This solution only makes sense in relatively high speed ranges due to the low electrical power losses on the frequency converters in this range because the losses grow with increasing shift of the voltage/frequency characteristic curve to low speeds and the higher the torque to be developed, the more complex the control becomes becomes. These low speed ranges, which are the most difficult to control in terms of control technology, require special adaptations of the converters to the voltage/frequency characteristic in the partial load range and also technical adaptations of the motors.
Insofern ist es nicht effizient, Elektromotoren hoher Leistung im unteren Drehzahlbereich zu betreiben.In this respect, it is not efficient to operate high-performance electric motors in the lower speed range.
Nach alldem existiert im Stand der Technik keine einfache sowie relativ verlust- und verschleißfreie Vorrichtung für die stufenlose und permanent kraftschlüssige Drehzahlveränderung ohne Umkehrspiel in Form eines Summier- oder Verteilgetriebes für den niedrigen Drehzahlbereich bei hohen Drehmomenten und Leistungen.After all, there is no simple and relatively loss-free and wear-free device in the prior art for the stepless and permanently frictional speed change without backlash in the form of a summation or distribution gear for the low speed range at high torques and powers.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein unkompliziertes Drehzahl-Überlagerungsgetriebe für niedrige Drehzahlen und permanent hohe Drehmomente bereitzustellen, welches außerhalb der Drehzahlveränderung kraftschlüssig und verlustlos die Antriebswelle mit der Abtriebswelle koppelt und bei Bedarf in der Lage ist, die Drehzahl sowohl zu erhöhen als auch bis zur Drehrichtungsumkehr ohne Umkehrspiel zu erniedrigen.The invention is therefore based on the object of providing an uncomplicated speed superposition gear for low speeds and permanently high torques, which, outside of the speed change, couples the drive shaft to the output shaft in a non-positive and lossless manner and, if necessary, is able to both increase and increase the speed until the direction of rotation is reversed without backlash.
Des weiteren sollen damit Antriebsmaschinen aller Art belastungsunabhängig bei höchstem Wirkungsgrad bzw. bei Nenndrehzahl- und Nenndrehmoment konstant im optimalen Arbeitspunkt und somit am wirtschaftlichsten betrieben werden können.Furthermore, drive machines of all types should be able to be operated at the optimal operating point and therefore most economically, regardless of the load, with the highest degree of efficiency or at the nominal speed and nominal torque.
Nachdem verschiedene Anwendungen höhere Drehzahlen erfordern als es den Nenndrehzahlen insbesondere großer Diesel-Antriebsmaschinen entspricht ergibt sich auch die Forderung, die Drehzahl der Abtriebswelle des Drehzahlüberlagerungsgetriebes auf einfache Weise zu erhöhen.Since various applications require higher speeds than correspond to the nominal speeds of large diesel engines in particular, there is also a requirement to easily increase the speed of the output shaft of the speed superimposition gearbox.
Ferner soll die erfindungsgemäße Vorrichtung als Summier- oder Verteilgetriebe sowohl einen drehzahlangepaßten Nebeneintrieb als auch mehrere Nebenabtriebe mit unterschiedlichen Drehzahlen ermöglichen.Furthermore, the device according to the invention, as a summing or distribution gear, should enable both a speed-adapted auxiliary drive and several auxiliary drives with different speeds.
Alle diese Aufgaben werden durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen 2 - 10 gelöst.All of these tasks are solved by a device with the features of
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.
Diesen Zweck erfüllt die erfindungsgemäße Vorrichtung vermittels einer Ausgestaltung als Drehzahlüberlagerungsgetriebe mit zueinander fluchtenden Achsen, gegeneinander seitlich versetzten Achsen und einer Ausgestaltung als Bestandteil eines Regelkreises aus Drehzahlüberlagerungsgetriebe und Antriebsmaschine.The device according to the invention fulfills this purpose by means of a design as a superimposed speed transmission with axes aligned with one another, axes laterally offset from one another and a design as part of a Control circuit consisting of speed superimposition gear and drive machine.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht prinzipiell aus einem auf einem Vollwellenstummel fixiertem Schneckenrad, umschlossen von einer trichterförmig gestalteten Hohlwelle in deren Inneren eine Schnecken/Motoren-Kombination angebracht ist. Diese besteht aus einer Schnecke, welche auf einer Achse befestigt ist deren beide Enden in die Antriebsachsen der beiden Motoren übergehen welche wiederum innerhalb oder außerhalb auf der Hohlwelle fixiert sind.The device according to the invention basically consists of a worm wheel fixed on a solid shaft stub, enclosed by a funnel-shaped hollow shaft, in the interior of which a worm/motor combination is attached. This consists of a worm which is attached to an axle, both ends of which merge into the drive axles of the two motors, which in turn are fixed inside or outside on the hollow shaft.
Damit sind die Vollwelle und die Hohlwelle durch die Schnecke mechanisch drehstarr und kraftschlüssig voll belastbar verbunden, die Hohlwelle kann jedoch durch die Drehung der Schnecke je nach Drehsinn zu schnelleren bzw. langsameren Umdrehungen veranlaßt werden welche sich der Drehzahl der Vollwelle überlagert.This means that the solid shaft and the hollow shaft are mechanically connected in a torsionally rigid and non-positive manner by the worm so that they can be fully loaded. However, the rotation of the worm can cause the hollow shaft to rotate faster or slower depending on the direction of rotation, which is superimposed on the speed of the solid shaft.
Es erfolgt somit kein Eintrieb durch eine gestellfest montierte dritte Welle wie z. B. beim Planeten-Drehzahl-Überlagerungsgetriebe sondern der Eintrieb erfolgt direkt auf der Hohlwelle vermittels der beiden darauf befestigten Motoren unter Mitnahme der Hohlwelle relativ zur stillstehenden oder rotierenden Vollwelle.There is therefore no input through a third shaft mounted fixed to the frame, such as. B. in the planetary speed superimposition gearbox, but the input takes place directly on the hollow shaft by means of the two motors attached to it, driving the hollow shaft relative to the stationary or rotating solid shaft.
Diese Schnecken/Motoren-Kombinationen werden zur optimalen Last- und Gewichtsverteilung bzw. Vermeidung von Unwucht idealerweise in 4-facher Anzahl in gegenüberliegender Position rund um das Schneckenrad angeordnet.These worm/motor combinations are ideally arranged in four numbers in opposite positions around the worm wheel for optimal load and weight distribution and to avoid imbalance.
Als Motoren werden am vorteilhaftesten Elektromotoren verwendet deren Energiezufuhr entweder durch eine Bürsten/Schleifring-Kombination auf der Hohlwelle erfolgt oder innerhalb der Hohlwelle mit Einspeisung am Wellenende.The most advantageous motors used are electric motors whose energy is supplied either through a brush/slip ring combination on the hollow shaft or within the hollow shaft with feed at the shaft end.
Gleichsinnige Eintriebe durch die Schnecken/Motoren-Kombination auf die Hohlwelle wirken sich auf diese drehzahlerhöhend und gegensinnige Eintriebe drehzahlerniedrigend auf die Hohlwelle aus während die Drehzahl der Vollwelle gleich bleibt.Inputs in the same direction through the screw/motor combination on the hollow shaft increase the speed of the hollow shaft and inputs in opposite directions reduce the speed of the hollow shaft, while the speed of the solid shaft remains the same.
Bei Stillstand einer Welle ist die Drehzahl und Drehrichtung der anderen Welle ausschließlich durch die Schnecken/Motoren-Kombination bestimmt welche vorzugsweise als durch Frequenzumrichter steuerbare Elektromotoren auszuführen ist.When one shaft is at a standstill, the speed and direction of rotation of the other shaft is determined exclusively by the screw/motor combination, which is preferably designed as electric motors that can be controlled by a frequency converter.
Im Gegensatz zum herkömmlichen Planeten-Drehzahl-Überlagerungsgetriebe jedoch fungieren bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Stillstand der Schnecken/Motoren-Kombination Antriebs- und Abtriebswelle als durchgehende Vollwelle und übertragen den mechanischen Kraftfluß völlig verlustlos.In contrast to the conventional planetary speed superposition gear, however, in the device according to the invention, when the screw/motor combination is at a standstill, the drive and output shafts function as a continuous solid shaft and transmit the mechanical power flow completely without loss.
Bei gegebener Drehrichtung und Drehzahl der Antriebswelle in Abhängigkeit von Drehrichtung und Drehzahl der Schnecken/Motoren-Kombination ergeben sich verschiedene Betriebsfälle für die Antriebs- und Abtriebswelle, welche am anschaulichsten durch ihre Auswirkung auf einen Schiffsantrieb dargestellt werden können:
- 1. Die Antriebswelle dreht, die Schnecken/Motor-Kombination steht still, damit dreht die Abtriebswelle synchron starr mit der Antriebswelle - normale Marschfahrt.
- 2. Die Antriebswelle dreht, die Schnecken/Motor-Kombination überträgt gleichsinnig die gleiche Drehzahl, damit dreht die Abtriebswelle sich gleichsinnig und doppelt so schnell wie die Antriebswelle - schnelle Marschfahrt.
- 3. Die Antriebswelle dreht, die Schnecken/Motor-Kombination überträgt gegensinnig die halbe Drehzahl der Antriebswelle, damit dreht sich die Abtriebswelle halb so schnell wie die Antriebswelle - Langsamfahrt.
- 4. Die Antriebswelle dreht, die Schnecken/Motor-Kombination überträgt gegensinnig die gleiche Drehzahl der Antriebswelle, damit steht die Abtriebswelle still - Stopp.
- 5. Die Antriebswelle dreht, die Schnecken/Motor-Kombination überträgt gegensinnig die doppelte Drehzahl der Antriebswelle, damit dreht sich die Abtriebswelle gegensinnig und halb so schnell wie die Antriebswelle - Rückwärtsfahrt.
- 6. Die Abtriebswelle ist blockiert, die Schnecken/Motor-Kombination dreht, damit dreht die Antriebswelle synchron starr mit der Schnecken/Motor-Kombination - Anlassen der Schiffsdieselmaschine.
- 1. The drive shaft rotates, the screw/motor combination stands still, so the output shaft rotates synchronously with the drive shaft - normal cruising speed.
- 2. The drive shaft rotates, the screw/motor combination transmits the same speed in the same direction, so the output shaft rotates in the same direction and twice as fast as the drive shaft - fast cruising speed.
- 3. The drive shaft rotates, the screw/motor combination transmits half the speed of the drive shaft in opposite directions, so the output shaft rotates half as fast as the drive shaft - slow travel.
- 4. The drive shaft rotates, the screw/motor combination transmits the same speed of the drive shaft in opposite directions, so the output shaft stands still - stop.
- 5. The drive shaft rotates, the screw/motor combination transmits twice the speed of the drive shaft in opposite directions, so the output shaft rotates in the opposite direction and half as fast as the drive shaft - reverse travel.
- 6. The output shaft is blocked, the screw/motor combination rotates, so the drive shaft rotates rigidly in synchronization with the screw/motor combination - starting the marine diesel engine.
Aufgrund der stufenlosen Drehzahlverstellung der Schnecken/Motor-Kombination ist jede Drehzahlzwischenstufe möglich womit die Drehung der Abtriebsachse bei konstanter Drehzahl der Antriebsachse stufenlos erhöht, vermindert, auf Null gebracht und reversiert werden kann.Due to the continuous speed adjustment of the screw/motor combination, any intermediate speed level is possible, meaning that the rotation of the output axis can be continuously increased, reduced, brought to zero and reversed at a constant speed of the drive axis.
Umgekehrt kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch aus einer veränderlichen Königswellen-Drehzahl eine konstante Drehzahl abgenommen werden wobei es grundsätzlich hierbei keine Rolle spielt ob es sich um Kraftabnahmen also Abtriebe oder Kraftzuführungen also Eintriebe handelt.Conversely, with the device according to the invention, a constant speed can also be obtained from a variable vertical shaft speed, although it basically does not matter whether it is a matter of power reductions, i.e. outputs, or power supplies, i.e. inputs.
Je nach Verwendungszweck gibt es unterschiedliche Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung die jedoch sämtlich unter den vorgenannten zwei verschiedenen Betriebsweisen „Einzelbetrieb“ (Schnecken/Motor-Kombination willkürlich gesteuert) oder „Regelkreisbetrieb“ (Schnecken/Motor-Kombination rückkopplungsgesteuert) gefahren werden können wobei es prinzipiell gleichgültig ist welche der Achsen, Hohlwelle oder Vollwelle, als Antriebs- bzw. Abtriebsachse fungieren.Depending on the intended use, there are different designs of the device according to the invention, all of which are listed below Two different operating modes called “individual operation” (screw/motor combination controlled arbitrarily) or “closed-loop operation” (screw/motor combination controlled by feedback) can be operated, whereby in principle it does not matter which of the axes, hollow shaft or solid shaft, is the drive or output axis act.
1. Drehzahlüberlagerungsgetriebe mit zueinander fluchtenden Achsen1. Speed superposition gearbox with aligned axes
Diese Grundform aus Voll- und Hohlwelle mit Schnecken/Motoren-Kombination zeichnet sich bei Zwischenschaltung in einem Antriebsstrang zur Drehzahlveränderung dadurch aus daß der Hauptantriebs-Kraftfluß der Antriebswelle direkt in gerader Verlängerung der Antriebswelle erfolgt (
2. Drehzahlüberlagerungsgetriebe mit gegeneinander seitlich parallel versetzten Vollwellen2. Speed superimposition gearbox with solid shafts offset laterally parallel to each other
2.1. Hier wird die Hohlwelle von der anschließenden Vollwelle getrennt und diese zu einem schwungscheibenähnlichem Gehäuse geschlossen wobei sie den größeren Durchmesser der Hohlwelle nutzt um über eine Außenverzahnung und dem Ritzel der an- oder eintreibenden Maschine eine einfache Übersetzung und ein verändertes Drehmoment mit Stirnrädern für den Hauptantriebs-Kraftfluß zu erreichen (
3.2. Drehzahlüberlagerungsgetriebe für Nebenab- oder eintriebe3.2. Speed superposition gearbox for power take-off or input drives
3.2.1. Diese Ausgestaltung prinzipiell nach
Dadurch daß Schneckenrad nicht auf der Vollwelle fixiert sondern mit dem Gehäuse auf der Vollwelle in Nuten verschiebbar angebracht ist, ist auch ein Kupplungsbetrieb im Stillstand möglich (
Eine weitere nicht dargestellte Ausgestaltung stellt den Abtrieb durch eine Achse rechtwinklig zur Hauptwelle dar die mit ihrem Kegelrad in die Verzahnung des an der Stirnseite der Hohlwelle befindlichen Kegelradkranzes eingreift. Diese Konstruktion entspricht einem halben Differentialgetriebe wobei die waagrechte Achse als Hohlwelle mit Zahnkranz ausgebildet ist.3.2.1. This design basically follows
Because the worm wheel is not fixed on the solid shaft but is attached to the housing on the solid shaft in grooves so that it can be moved, clutch operation at standstill is also possible (
Another embodiment, not shown, represents the output through an axis at right angles to the main shaft, which engages with its bevel gear in the teeth of the bevel gear ring located on the front side of the hollow shaft. This design corresponds to half a differential gear, with the horizontal axis being designed as a hollow shaft with a ring gear.
3.2.2. Hier wird zusätzlich die verkürzte und gestellfest gelagerte Hohlwelle benutzt um einen beliebigen Durchmesser mit einem Zahnkranz zu besetzen um in Kombination mit einem bestimmten Ritzeldurchmesser ein bestimmtes Untersetzungsverhältnis zu erreichen (
Dies kann dahingehend erweitert werden daß auf dem gesamten trichterförmigen Teil der Hohlwelle durchgehend abgestufte Zahnringe kleineren Durchmessers angebracht werden womit die Übersetzungsverhältnisse beliebig bei Wellenstillstand verändert werden können (nicht dargestellt).This can be expanded to the effect that continuously stepped toothed rings of smaller diameter are attached to the entire funnel-shaped part of the hollow shaft, so that the gear ratios can be changed as desired when the shaft is at a standstill (not shown).
4. Drehzahlüberlagerungsgetriebe als Bestandteil eines Regelkreises aus Drehzahlüberlagerungsgetriebe und Antriebsmaschine.4. Speed superposition gearbox as part of a control loop consisting of speed superposition gearbox and drive machine.
Die Drehzahlveränderung erfolgt im beliebigen Betriebszustand somit durch Aktivierung der Schnecken/Motoren-Kombination wobei der regulierbare Drehzahlbereich zunächst durch die Leistung der insgesamt 4 Motoren der Schnecken/Motoren-Kombination begrenzt ist.The speed change takes place in any operating state by activating the screw/motor combination, whereby the adjustable speed range is initially limited by the power of the total of 4 motors in the screw/motor combination.
Dieser Vorgang der initialen Veränderung der Nenndrehzahl der Antriebsmaschine stellt jedoch nur die Stellgröße eines geschlossenen Regelkreises einer Antriebsanlage dar (
Denn sobald im Fall des Antriebs durch die Vollwelle die Schnecken/Motoren-Kombination die Hohlwelle im Kraftfluß ent- oder belastet, erhöht bzw. verringert sich auch die Drehzahl der Antriebsmaschine dementsprechend wodurch die Antriebsmaschine über eine rückkoppelnde Regelvorrichtung wieder auf die Nenndrehzahl zurückgeführt wird.Because as soon as, in the case of drive by the solid shaft, the screw/motor combination relieves or loads the hollow shaft in the power flow, the speed of the drive machine also increases or decreases accordingly, whereby the drive machine is returned to the nominal speed via a feedback control device.
Damit werden aber die Elektromotoren schrittweise entlastet wonach dieser Regelvorgang beliebig oft in jedem Drehsinn wiederholt werden kann soweit bis die Antriebsmaschine im Leerlauf dreht und die Abtriebswelle entweder mitläuft oder stillsteht oder auch die Antriebsmaschine unter Vollast die Abtriebswelle dreht. In diesem Fall ist der Vorgang völlig verlustlos weil durch die drehstarre Kupplung keine Reibungsverluste entstehen und die Motoren der Schnecken/Motoren-Kombination außer Betrieb sind (
Der beschriebene Regelkreis besteht aus der Drehzahlverstellung der Antriebsmaschine und einem Drehzahlregler auf elektromechanischer Basis mit hydraulisch betätigtem Stellglied (
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
- 1. Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet stufenlos als Über- und Untersetzungsgetriebe und und liefert insbesondere ein konstantes Drehmoment bei niedristen Drehzahlen selbst im Wendebetrieb was von umrichtergespeisten Elektromotoren prinzipiell nicht erreicht werden kann. Damit ermöglicht sie generell einen drehzahlflexiblen und drehmomentkonstanten Antrieb für Walzwerks- und Hüttenmaschinen welche langsame Bewegungen mit großen Kräften und sowohl eine Reversierung als auch eine Selbsthemmung erfordern. Ferner eignet sie sich für Erdbewegungsmaschinen die ein hohes Drehmoment bei relativ niedrigen Drehzahlen erfordern wie beispielsweise bei Radladern und Planierraupen, aber auch bei extrem schweren Sonderfahrzeugen wie sie im Tagebau für den Transport von Schüttgütern zum Einsatz kommen. Auch für den Antrieb schwerer Lokomotiven ist die erfindungsgemäße Vorrichtung geeignet.1. The device according to the invention works continuously as a transmission and reduction gear and in particular delivers a constant torque at low speeds even in reversing mode, which in principle cannot be achieved by converter-fed electric motors. This generally enables a flexible-speed and constant-torque drive for rolling mill and metallurgical machines which require slow movements with large forces and both reversing and self-locking. It is also suitable for earthmoving machines that require high torque at relatively low speeds, such as wheel loaders and bulldozers, but also for extremely heavy special vehicles such as those used in opencast mining to transport bulk materials. The device according to the invention is also suitable for driving heavy locomotives.
- 2. Bei der Änderung der Drehrichtung tritt dank der Schneckentriebe kein verschleißintensives Umkehrspiel der Antriebs- und Abtriebswellen sondern der Richtungswechsel erfolgt stets voll kraftschlüssig wodurch sich die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere für Wechselgetriebe von Erdbewegungsmaschinen eignet.2. When changing the direction of rotation, thanks to the worm drives, there is no wear-intensive backlash of the drive and output shafts, but the change of direction is always fully frictional, which means that the device according to the invention is particularly suitable for change gears in earthmoving machines.
- 3. Das übertragene Drehmoment ist durch den Durchmesser der Hohlwelle bestimmt und bleibt bei allen Drehzahlen konstant wobei die Schneckentriebe für eine weitestgehende Selbsthemmung des Getriebes sorgen was einen verlustlosen Dauerantrieb und eine Sicherung im Fall von Zugbelastungen bei Ausfall des Antriebs darstellt.3. The transmitted torque is determined by the diameter of the hollow shaft and remains constant at all speeds, with the worm drives ensuring that the gear is self-locking to the greatest possible extent, which represents a lossless continuous drive and a backup in the event of tensile loads in the event of the drive failing.
- 4. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich auch als Kupplung welche vollkommen verschleißfrei bei beliebig niedrigen Drehzahlen eine Kraftübertragung mit maximalem Drehmoment unter Vollast erlaubt.4. The device according to the invention is also suitable as a clutch which allows power transmission with maximum torque under full load at any low speed without any wear.
- 5. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht das Anlassen der Antriebsmaschine mithilfe elektrischer Energie und macht somit sowohl die üblichen Kompressoren und Windkessel als auch eine separate Anlaßmaschine überflüssig.5. The device according to the invention enables the drive machine to be started using electrical energy and thus makes both the usual compressors and wind tanks and a separate starting machine unnecessary.
- 6. Der Platzbedarf ist relativ gering und fluchtet mit der Antriebs- und der Abtriebswelle was einen großen Vorteil für die Verwendung in Fahrzeugen und Schiffen darstellt.6. The space requirement is relatively small and is aligned with the input and output shafts, which is a great advantage for use in vehicles and ships.
- 7. Eine besondere Eignung besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung für Schiffsantriebe insofern als es den ständigen Betrieb des Motors beim technisch und wirtschaftlich günstigsten Arbeitspunkt und direkter Kraftübertragung durch die drehstarre Kupplung ermöglicht.7. The device according to the invention is particularly suitable for ship drives in that it enables the engine to operate continuously at the technically and economically most advantageous operating point and direct power transmission through the torsionally rigid coupling.
- 8. Außerhalb der Drehzahlveränderung hat die drehstarre Kupplung von Antriebs- und Abtriebswelle durch die erfindungsgemäße Vorrichtung den großen Vorteil daß die bei ständig mitlaufenden üblichen Schiffsgetrieben unvermeidlichen mechanischen Verluste komplett vermieden werden. Dies ist angesichts dessen daß die Marschfahrt den weitaus größten Anteil an der Bewegung eines Schiffes hat von enormer wirtschaftlicher Bedeutung da der gesamte Antriebsstrang auf den direkten Antrieb durch die im wirtschaftlichsten Bereich laufende Dieselmaschine ausgelegt werden kann.8. Outside of the change in speed, the torsionally rigid coupling of the input and output shafts through the device according to the invention has the great advantage that the mechanical losses that are inevitable when conventional ship gears are constantly running are completely avoided. In view of the fact that the cruise has by far the largest share in the movement of a ship, this is of enormous economic importance since the entire drive train can be designed for direct drive by the diesel engine, which runs in the most economical range.
- 9. Die Hohlwelle bzw. das Gehäuse mit ihren großen Durchmessern erlauben mit ihren Au-ßenverzahnungen die Verwendung als einfache und somit relativ verlustlose Reduziergetriebe, damit können auch Antriebsmaschinen mit höherer Nenndrehzahl verwendet werden. Bei optimaler Anpassung von Antriebsmotor-Nenndrehzahl und angetrfebener Maschine ermöglicht der Verzicht auf ein Zwischengetriebe eine verlustlose Kraftübertragung.9. The hollow shaft or the housing with its large diameters and its external teeth allow it to be used as a simple and therefore relatively loss-free reduction gear, which means that drive machines with higher nominal speeds can also be used. With optimal adaptation of the nominal drive motor speed and the machine being driven, the absence of an intermediate gear enables lossless power transmission.
- 10. Das erfindungsgemäße Getriebe ersetzt sowohl das zum Reversieren notwendige Umsteuern eines Verbrennungmotors als auch den Rückwärtsgang eines Zwischengetriebes, überdies unterliegt es nur geringem Verschleiß weil es bei voller Kraftübertragung inaktiv ist und nur bei Drehzahlveränderung und Reversierung zum Einsatz kommt.10. The transmission according to the invention replaces both the reversing of an internal combustion engine necessary for reversing and the reverse gear of an intermediate transmission; moreover, it is subject to only little wear because it is inactive when the power is transmitted at full speed and is only used when the speed changes and reversing.
- 11. Bei geeigneter Auslegung der Antriebsmaschine in Abstimmung mit dem erfindungsgemäßen Überlagerungsgetriebe sinken innerhalb eines engen Betriebsbereiches der Energieverbrauch und der Verschleiß eines Verbrennungsmotors auf einen Minimalpunkt was umgekehrt der höchsten Wirtschaftlichkeit des Betriebs entspricht. Insofern kann ein Antriebsstrang durch entsprechende Festlegung der Motordaten und der Eigenschaften des erfindungsgemäßen Drehzahlüberlagerungsgetriebes auf maximal wirtschaftlichen Betrieb ausgelegt werden.11. With a suitable design of the drive machine in coordination with the superposition gearbox according to the invention, the energy consumption and wear of an internal combustion engine fall to a minimum point within a narrow operating range, which in turn corresponds to the highest economic efficiency of operation. In this respect, a drive train can be designed for maximum economical operation by appropriately defining the engine data and the properties of the speed superimposition gearbox according to the invention.
- 12. Die erfindungsgemäße Vorrichtung übernimmt die Aufgabe des Anlassens von Verbrennungsmotoren wenn die Abtriebswelle blockiert wird und ersetzt somit die hierzu üblicherweise erforderliche Druckluftanlage.12. The device according to the invention takes over the task of starting internal combustion engines when the output shaft is blocked and thus replaces the compressed air system usually required for this purpose.
- 13. Bei Ausfall des Antriebs ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Notantrieb in beliebiger Geschwindigkeit solange elektrische Energie zur Verfügung steht.13. If the drive fails, the device according to the invention enables an emergency drive at any speed as long as electrical energy is available.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to the drawings.
Diese einfache Konstruktion stellt die Grundform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar bei welcher es gleichgültig ist welche Welle die Antriebs- und welche Welle die Abtriebswelle ist.This simple construction represents the basic form of the device according to the invention in which it does not matter which shaft is the drive shaft and which shaft is the output shaft.
Die Energiezuführung zu den Motoren (5) erfolgt entweder durch an der Hohlwelle (6) au-ßen angebrachte Überleitungen oder durch einen Kanal innerhalb der Vollachse (1). Nachdem sich auch die Durchmesser von Schneckenrad (2) und Hohlwelle (6) nicht ändern bleibt auch das übertragene Drehmoment konstant.The energy is supplied to the motors (5) either through transfer lines attached to the outside of the hollow shaft (6) or through a channel within the solid axle (1). Since the diameters of the worm wheel (2) and hollow shaft (6) do not change, the transmitted torque also remains constant.
Aufgrund des Schneckenantriebs ist allerdings die technisch sinnvolle Höchstdrehzahl im Vergleich zu Stirnradgetrieben begrenzt und eignet sich deshalb besonders für niedrigtourige Kraftübertragungen mit hohem und konstantem Drehmoment.However, due to the worm drive, the technically sensible maximum speed is limited compared to spur gears and is therefore particularly suitable for low-speed power transmissions with high and constant torque.
Zur Kraftübertragung befindet sich eine Außenverzahnung (10) auf dem Gehäuse (8) in welche ein Stirnrad (11) mit der versetzten Abtriebswelle (12) eingreift.To transmit power, there is an external toothing (10) on the housing (8) into which a spur gear (11) engages with the offset output shaft (12).
Zum Zweck der Auskupplung während des Stillstands kann das erfindungsgemäße Überlagerungsgetriebe in den Nuten (13) der Vollwelle (1) verschoben werden.For the purpose of disengaging during standstill, the superposition gear according to the invention can be displaced in the grooves (13) of the solid shaft (1).
Ferner auf der gestellfest im Drehlager (15) fixierten Hohlwelle (6) eine weitere Außenverzahnung (16) frei wählbaren Durchmessers über welche ein weiterer Krafteintrag oder Abtrieb erfolgen kann (nicht dargestellt).Furthermore, on the hollow shaft (6), which is fixed to the frame in the pivot bearing (15), there is a further external toothing (16) of freely selectable diameter, via which a further force input or output can take place (not shown).
Die Rotation der Gewindespindel (17) und die gegensinnige Rotation der Spindelmutter (19) überlagern sich dergestalt daß bei gleichen Umdrehungsgeschwindigkeiten die Spindelmutter (19) stillsteht. Dreht nun die Dieselmaschine (21) infolge Be- oder Entlastung die Spindelmutter (19) höher oder niedriger als der Elektromotor (18) so wandert diese auf der Gewindespindel (17) zum Zylinder (25) hin bzw. von diesem weg und schiebt hiermit den Kolben (24) in den Zylinder (25) hinein bzw. zieht ihn heraus womit das Hydrauliköl über einen - hier nicht dargestellten - zweiten Hydraulikzylinder synchron an der Einspritzpumpe (26) die Drehzahl der Dieselmaschine herab- oder hinaufregelt.The rotation of the threaded spindle (17) and the opposite rotation of the spindle nut (19) are superimposed in such a way that the spindle nut (19) stands still at the same rotational speeds. If the diesel engine (21) now rotates the spindle nut (19) higher or lower than the electric motor (18) as a result of loading or unloading, it moves on the threaded spindle (17) towards or away from the cylinder (25) and thereby pushes it Piston (24) into the cylinder (25) or pulls it out, with which the hydraulic oil synchronously regulates the speed of the diesel engine down or up via a second hydraulic cylinder (not shown here) on the injection pump (26).
Die
Das erfindungsgemäße Drehzahlüberlagerungsgetriebe (27) mit Außenverzahnung (10) dreht über das Stirnrad (11) die Propellerwelle (28) mit dem Propeller (29) und ist auf der Antriebsseite über eine Schaltkupplung (30) mit der Dieselmaschine (21) verbunden, die wiederum über die Schaltkupplung (30) und das Getriebe (31) an den Generator (32) ankoppelt.The speed superposition gear (27) according to the invention with external teeth (10) rotates the propeller shaft (28) with the propeller (29) via the spur gear (11) and is connected on the drive side via a clutch (30) to the diesel engine (21), which in turn coupled to the generator (32) via the clutch (30) and the gearbox (31).
Die Nenndrehzahl der Dieselmaschine ist idealerweise so eingestellt daß sie nach Untersetzung über das inaktive erfindungsgemäße Drehzahlüberlagerungsgetriebe (27) der Marschfahrt-Drehzahl der Propellerwelle entspricht, damit entfällt das meist mehrstufige Zwischengetriebe und bei Langsamfahrt reduziert die erfindungsgemäße Vorrichtung die Drehzahl der Propellerwelle (28) bis auf Null und ggfs. bis zur Reversierung.The nominal speed of the diesel engine is ideally set so that, after reduction via the inactive speed superposition gear (27) according to the invention, it corresponds to the cruise speed of the propeller shaft, so that the usually multi-stage intermediate gear is eliminated and when driving slowly, the device according to the invention reduces the speed of the propeller shaft (28) to Zero and if necessary until reversal.
Die hierzu nötige elektrische Energie liefert ein geeigneter elektrischer Energiespeicher (33) welcher bei Bedarf über den Generator (32) aufgeladen wird.The electrical energy required for this is supplied by a suitable electrical energy storage device (33), which is charged via the generator (32) if necessary.
Damit kann bei teilweisen oder völligem Ausfall der Dieselmaschine die Propellerwelle auch von der erfindungsgemäßen Vorrichtung (mit)angetrieben werden, bei Blockierung der Propellerwelle dient die erfindungsgemäße Vorrichtung als Anlasser.This means that in the event of partial or complete failure of the diesel engine, the propeller shaft can also be driven by the device according to the invention; if the propeller shaft is blocked, the device according to the invention serves as a starter.
Im Gegensatz zur üblichen Fahrtsteuerung durch den Maschinentelegrafen, welcher normalerweise die Drehzahl der Dieselmaschine für alle Geschwindigkeiten steuert, läuft bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Dieselmaschine konstant auf Nenndrehzahl und die Fahrtsteuerung erfolgt ausschließlich über ein Stellglied (34) im Maschinentelegrafen welches über einen Frequenzumrichter (35) die Drehzahl des erfindungsgemäßen Drehzahlüberlagerungsgetriebes (27) steuert.In contrast to the usual travel control by the machine telegraph, which normally controls the speed of the diesel engine for all speeds, in the device according to the invention the diesel engine runs constantly at the nominal speed and the travel control is carried out exclusively via an actuator (34) in the machine telegraph which via a frequency converter (35) controls the speed of the speed superimposition gear (27) according to the invention.
Die Nenndrehzahl der Dieselmaschine wird durch die elektromechanische Drehzahlregelung (36) mit hydraulisch betätigtem Stellglied sichergestellt, in welche über den Abtrieb (37) die Dieselmaschinendrehzahl eingespeist wird und die Regelimpulse hydraulisch auf die Einspritzpumpe (38) überträgt.The nominal speed of the diesel engine is ensured by the electromechanical speed control (36) with a hydraulically operated actuator, into which the diesel engine speed is fed via the output (37) and the control pulses are transmitted hydraulically to the injection pump (38).
Soll von Marschfahrt auf Langsamfahrt gegangen werden so treibt die erfindungsgemäße Vorrichtung die Propellerwelle gegensinnig an - dadurch wird die Dieselmaschine entlastet und dreht daher mit höherer Drehzahl welche jedoch durch eine geeignete Regeleinrichtung zurückgefahren wird, ggfs. soweit bis die Maschine im Leerlauf ohne Last dreht und die Propellerwelle still steht oder durch weiter erhöhte Drehzahl der erfindungsgemäßen Vorrichtung rückwärts dreht.If you want to go from cruise to slow speed, the device according to the invention drives the propeller shaft in opposite directions - this relieves the load on the diesel engine and therefore rotates at a higher speed, which, however, is reduced by a suitable control device, if necessary until the engine is idling without load and the Propeller shaft stands still or rotates backwards due to further increased speed of the device according to the invention.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- VollwelleFull wave
- 22
- Schneckenradworm wheel
- 33
- Schnecken/Motor-KombinationScrew/motor combination
- 44
- SchneckeSnail
- 55
- Motorengine
- 66
- Hohlwellehollow shaft
- 77
- Konsoleconsole
- 88th
- GehäuseHousing
- 99
- LauflagerRunning bearing
- 1010
- AußenverzahnungExternal gearing
- 1111
- Zahnradgear
- 1212
- Abtriebswelleoutput shaft
- 1313
- Nutengrooves
- 1414
- InnenverzahnungInternal gearing
- 1515
- AchslagerAxle bearing
- 1616
- Außenverzahnung auf HohlwelleExternal teeth on hollow shaft
- 1717
- Gewindespindelthreaded spindle
- 1818
- ElektromotorElectric motor
- 1919
- Spindelmutterspindle nut
- 2020
- ZahnräderGears
- 2121
- DieselmaschineDiesel engine
- 2222
- DrucklagerThrust bearing
- 2323
- Hülsesleeve
- 2424
- KolbenPistons
- 2525
- Zylindercylinder
- 2626
- EinspritzpumpeInjection pump
- 2727
- Erfindungsgemäßes DrehzahlüberlagerungsgetriebeSpeed superimposition gearbox according to the invention
- 2828
- Propellerwellepropeller shaft
- 2929
- Propellerpropeller
- 3030
- Schaltkupplungclutch
- 3131
- Getriebetransmission
- 3232
- Generatorgenerator
- 3333
- Elektrischer EnergiespeicherElectrical energy storage
- 3434
- Stellglied im MaschinentelegrafenActuator in the machine telegraph
- 3535
- Frequenzumrichterfrequency converter
- 3636
- Elektromechanische Drehzahlregelung mit hydraulisch betätigtem StellgliedElectromechanical speed control with hydraulically operated actuator
- 3737
- Abtriebdownforce
- 3838
- EinspritzpumpeInjection pump
Claims (10)
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---|---|---|---|
DE102022001512.9A DE102022001512A1 (en) | 2022-05-01 | 2022-05-01 | Infinitely variable and constant-torque low-speed superimposed reversing gear with self-locking |
Applications Claiming Priority (1)
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DE102022001512.9A DE102022001512A1 (en) | 2022-05-01 | 2022-05-01 | Infinitely variable and constant-torque low-speed superimposed reversing gear with self-locking |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102022001512A1 true DE102022001512A1 (en) | 2023-11-02 |
Family
ID=88306821
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102022001512.9A Pending DE102022001512A1 (en) | 2022-05-01 | 2022-05-01 | Infinitely variable and constant-torque low-speed superimposed reversing gear with self-locking |
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---|---|
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Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE596490C (en) | 1930-04-07 | 1934-05-05 | Gottlieb Weissenstein | Self-adjusting planetary gear, especially for motor vehicles |
FR1155191A (en) | 1955-07-14 | 1958-04-23 | High efficiency mechanism for converting a continuous rotary motion into a substantially sinusoidal alternating rotary motion | |
FR1328515A (en) | 1962-04-20 | 1963-05-31 | Speed variator | |
DE1155656B (en) | 1958-12-06 | 1963-10-10 | Siemens Ag | Device for automatically setting or regulating the position of machine parts in machine tools |
-
2022
- 2022-05-01 DE DE102022001512.9A patent/DE102022001512A1/en active Pending
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