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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein stufenloses Getriebe und insbesondere auf ein stufenloses
Getriebe, bei dem mechanische und hydrostatische Leistung stufenlos
miteinander kombiniert werden kann.
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Aus dem Stand der Technik, z.B. bei
Schleppern mit dem Getriebe Vario der Firma Fendt, mit dem S-matic-Getriebe von Case
IH/Steyr oder mit dem Eccom-Getriebe von ZF (beispielsweise im John Deere
6020 und im Deutz-Fahr
TTV), wie es in der Zeitschrift "Profi" 72 Nr. 5/2002 beschrieben
ist, sind stufenlose Getriebe bekannt, bei denen ein Verbrennungsmotor
gleichzeitig ein Sonnenrad eines Planetengetriebes und über Zahnräder eine Ölpumpe antreibt,
die wiederum über
einen Ölmotor
das Hohlrad vom Planetengetriebe antreibt. Die anzutreibenden Fahrzeugräder des
Schleppers sind mit dem Planetenradträger verbunden. Wenn der Ölmotor das Hohlrad
in die gleiche Richtung wie das Sonnenrad antreibt, wird der Planetenträger beschleunigt,
so daß der
Schlepper schneller fährt.
Wenn der Ölmotor das
Hohlrad langsamer oder in entgegengesetzte Richtung dreht, wird
der Planetenradträger
verlangsamt, so daß der
Schlepper langsamer fährt.
Bei gleicher Rotationsgeschwindigkeit von Sonnenrad und Hohlrad
in entgegengesetzte Richtungen wird ein Stillstand des Planetenradträgers und
damit des Schleppers erzielt.
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Ein Nachteil dieser Art von stufenlosen
Getrieben nach dem Stand der Technik sind die Vielzahl an mit unterschiedlicher
Drehzahl rotierenden Teilen, wenn der Schlepper mit Höchstgeschwindigkeit
fährt, und
damit im Zusammenhang ein niedriger Wirkungsgrad.
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Die vorliegende Erfindung hat die
Aufgabe, die Nachteile beim Stand der Technik zu beseitigen und
ein stufenloses Getriebe vorzusehen, das einen verbesserten Wirkungsgrad
aufweist, bei dem die Anzahl an mit unterschiedlicher Drehzahl rotierenden Teilen
bei Höchstgeschwindigkeit
verringert ist, bei dem ein einfaches Umschalten vom Vorwärtsantrieb zum
Rückwärtsantrieb
möglich
ist, das kompakt ist, das einfach zusammenzusetzen ist und eine
effektive Bremswirkung hat.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand von
Patentanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird ein stufenloses Getriebe
mit einer Getriebeeinrichtung zum Übertragen von Rotationsenergie
von der Antriebs- auf die Antriebswelle vorgesehen. Eine hydraulische
Einrichtung hat ein auf der Antriebswelle befestigtes Rotationselement
und dient zum Antreiben eines Übertragungselements,
das mit der Getriebeeinrichtung derart in Wirkverbindung steht,
so daß durch
eine Veränderung
der zwischen Rotationselement und Übertragungselement übertragenen
Energie das Übersetzungsverhältnis der
Getriebeeinrichtung veränderbar ist.
Somit wird durch eine entsprechende Ansteuerung der hydraulischen
Einrichtung eine stufenlose Wahl des Übersetzungsverhältnisses
ermöglicht.
Da sich ein Rotationselement der hydraulischen Einrichtung auf der
Antriebswelle befindet, tritt ein hoher Wirkungsgrad auf.
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Dadurch, daß das Übertragungselement ein zweiter
Planetenradträger
ist, kann ein Planetengetriebe zum Einsatz gelangen, mit dem bei
einfachen vorrichtungstechnischem Aufwand ein großer Bereich
für das Übersetzungsverhältnis abgedeckt
wird.
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Auch die Getriebeeinrichtung kann
ein Sonnenrad auf der Antriebswelle und ein Planetenrad an der Abtriebswelle
aufweisen. Dadurch wird der vorrichtungstechnische Aufwand bei Abdeckung
eines großen
Bereiches für
das Übersetzungsverhältnis nochmals
verringert.
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Vorzugsweise steht ein Hohlrad sowohl
mit einem dritten Planetenrad, das mit dem ersten Planetenrad der
Getriebeeinrichtung starr verbunden ist, als auch mit einem zweiten
Planetenrad in Eingriff, das auf dem zweiten Planetenradträger gelagert
ist. Das zweite Planetenrad kann dabei auf einem auf der Antriebswelle
befestigten Sonnenrad in Eingriff stehen. Durch eine solche Ausführung wird
ein kompaktes stufenloses Getriebe mit einem hohen Wirkungsgrad
erhalten.
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Die hydraulische Einrichtung weist
vorzugsweise eine Flügelzellenpumpe
und einen Hydromotor auf. Eine Änderung
der Energieübertragung
zwischen Antriebswelle und Übertragungselement
erfolgt bei dieser über
eine Änderung
des Füllvolumens und/oder
des Auslaßvolumens
vom Hydromotor. Auf diese weise können bekannte hydraulische
Vorrichtungen zum Einsatz gelangen, die ein kostengünstiges
stufenloses Getriebe ermöglichen.
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Alternativ dazu kann ein eine Axialkolbenpumpe
oder eine ander Pumpe zum Einsatz gelangen, was Vorteile im Hinblick
auf die Abmaße
der hydraulischen Einrichtung bietet.
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Wenn die hydraulische Einrichtung
eine im wesentlichen einstückige
Rotation von Antriebs- und Abtriebswelle einstellen kann, ist bei
einem Antrieb mit der Maximaldrehzahl ein sehr hoher Wirkungsgrad
erzielbar, da die Anzahl der rotierenden Bauelement reduziert ist.
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Die vorliegende Erfindung ist bei
beliebigen Vorrichtungen, bei denen ein stufenloses Getriebe von
Nutzen ist, einsetzbar, beispielsweise bei Fahrzeugen, Schiffen
und im stationären
Betrieb.
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Weiterbildungen der Erfindung sind
Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung wird nun anhand der
beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 ein
Gesamtschnitt des erfindungsgemäße stufenlosen
Getriebes im Stillstand zeigt,
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2 eine
Explosionsansicht der geschnittenen Hydropumpen-Hydromotor-Einheit
aus 1 zeigt,
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3 eine
Schnittansicht durch die Hydropumpen-Hydromotor-Einheit an der Linie
A-A in Fig. zeigt,
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die 4A und 4B eine Draufsicht und eine geschnittene
Seitenansicht eines Regelgehäuses der
erfindungsgemäßen Hydropumpen-Hydromotor-Einheit
aus 1 zeigen,
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die 5A und 5B eine geschnittene Seitenansicht
und eine Draufsicht eines Motorgehäuses der erfindungsgemäßen Hydropumpen-Hydromotor-Einheit
aus 1 zeigen,
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die 6A und 6B eine geschnittene Seitenansicht
und eine Draufsicht eines Flügelrades
der erfindungsgemäßen Hydropumpen-Hydromotor-Einheit
aus 1 ohne Flügel zeigen,
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die 7A und 7B eine Draufsicht und eine geschnittene
Seitenansicht eines Pumpen- und Motorrings der erfindungsgemäßen Hydropumpen-Hydromotor-Einheit
aus 1 zeigen,
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die 8A und 8B eine Draufsicht und eine geschnittene
Seitenansicht eines Motorreglers der erfindungsgemäßen Hydropumpen-Hydromotor-Einheit
aus 1 zeigen,
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die 9A und 9B eine geschnittene Seitenansicht
und eine Draufsicht einer Abschlußplatte der erfindungsgemäßen Hydropumpen-Hydromotor-Einheit
aus 1 zeigen,
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die 10A und 10B eine geschnittene Seitenansicht
und eine Draufsicht einer Drosselplatte der erfindungsgemäßen Hydropumpen-Hydromotor-Einheit
aus 1 zeigen,
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11 ein
Gesamtschnitt des erfindungsgemäße stufenlosen
Getriebes bei der maximalen Drehzahl beim Vorwärtsantrieb zeigt,
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12 ein
Gesamtschnitt des erfindungsgemäße stufenlosen
Getriebes bei der maximalen Drehzahl beim Rückwärtsantrieb zeigt,
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13 ein
Gesamtschnitt des erfindungsgemäße stufenlosen
Getriebes bei mittlerer Drehzahl beim Vorwärtsantrieb und mit Bremswirkung
zeigt,
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die 14A und 14B eine Draufsicht und eine
geschnittene Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels für den Motorregler
der erfindungsgemäßen Hydropumpen-Hydromotor-Einheit
aus 1 zeigen.
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Nachfolgend wird das bevorzugte Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben.
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1,
die einen Gesamtschnitt des erfindungsgemäßen stufenlosen Getriebes im
Stillstand zeigt, stellt eine Antriebswelle 1, auf der
ein Ritzel 2 verdrehsicher befestigt ist. Das Ritzel 2 steht
mit einem Zahnrad 3 in Eingriff, das auf einem mit einer nicht
dargestellten Abtriebswelle verdrehsicher verbundenen Träger 4 über Lager 3a gelagert
ist. Der Träger 4 ist über Lager 4a, 4b auf
der Antriebswelle 1 angeordnet. Die Zähnezahl des Ritzels 2 ist
geringer als die des Zahnrads 3, so daß bei einem Antrieb des Ritzels 2 durch
die Antriebswelle 1 eine Untersetzung erfolgt.
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Das Zahnrad 3 ist verdrehsicher
mit einem ersten Planetenrad 5 verbunden, das auf dem Träger 4 ebenfalls über ein
Lager 5a gelagert ist. Das Planetenrad 5 steht
mit einem Hohlrad 6 in Eingriff, an dessen Innenverzahnung
ein zweites Planetenrad 7 abrollt, das über Lager 7a und 7b auf
einem Planetenradträger 9 gelagert
ist und das mit einem verdrehsicher mit der Antriebswelle 1 verbundenen
Sonnenrad 8 in Eingriff steht.
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Der Planetenradträger 9 ist über ein
Lager 9a auf der Antriebswelle 1 angeordnet und
ist an einer Hydropumpen-Hydromotor-Einheit 10 vorgesehen, über die
der Planetenradträger 9 antreibbar
ist. Ein Explosionsdarstellung der Hydropumpen-Hydromotor-Einheit 10 ist
in 2 wiedergegeben.
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Die Hydropumpen-Hydromotor-Einheit 10 weist
ein Regelgehäuse 11 und
ein Motorgehäuse 12 auf,
die ortsfest angeordnet sind und in denen benachbart zum Planetenradträger 9 ein
starr mit der Antriebswelle 1 verbundenes Flügelrad 13 der
Flügelzellenpumpe
vorgesehen ist. Auf den Außenumfang
des Flügelrads 13 ist
ein Pumpen- und Motorring 14 aufgebracht, auf dem sich
ein Motorregler 16 und eine Anschlußplatte 15 befinden.
Wie es in 1 gezeigt
ist, ist auf den Motorregler 16 eine Drosselplatte 17 aufgesetzt.
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Der Motorregler 16 ist über eine
Halterung 21 an einem Gehäuse 20 abgestützt und
bezüglich
diesem in Axialrichtung der Antriebswelle 1 beweglich. Eine
Bewegung des Motorregler 16 auf den Pumpen- und Motorring 14 zu
bewirkt durch das Flügelrad 13 einen
Antrieb des Pumpen- und
Motorrings 14 und damit des Planetenradträgers 9.
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Die Drosselplatte 17 ist
bezüglich
dem Gehäuse 20 in
Axialrichtung der Antriebswelle 1 beweglich und dient bei
Annäherung
an den Motorregler 16 einem Abbremsen des Pumpen- und Motorrings 14 und
somit des Planetenradträgers 9.
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Sowohl der Motorregler 16 als
auch die Drosselplatte 17 sind entweder manuell oder durch
eine beliebige aus dem Stand der Technik bekannte Steuereinrichtung
in ihrer Position verstellbar. Die gewählte Position von Motorregler 16 und
Drosselplatte 17 gibt die Betriebsart des stufenloses Getriebes
vor.
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3 zeigt
einen Schnitt durch die Hydropumpen-Hydromotor-Einheit 10 an
der Linie A-A in 1.
In diesem Schnitt weist das Flügelrad 13 fünf Flügel auf,
die in im Flügelrad 13 ausgebildeten Schlitzen
gleiten können.
Alternativ dazu kann eine beliebige Anzahl an Flügeln vorgesehen sein. Die 6A und 6B zeigen Einzelheiten des Flügelrads 13 ohne
die Flügel.
Das Flügelrad 13 befindet
sich, wie es 3 entnehmbar
ist, im Pumpen- und
Motorring 14. Der Pumpen- und Motorring 14 weist,
wie es den 7A und 7B entnehmbar ist, Kanäle 14a und 14b auf,
die vom Innenumfangsabschnitt des Pumpen- und Motorrings 14 in
einer solchen Weise geneigt zum Außenumfangs abschnitt des Pumpen-
und Motorrings 14 und in an entgegengesetzten Endabschnitten
des Pumpen- und Motorrings 14 vorgesehenen Vorsprungsabschnitten 14c, 14d endend geführt sind,
daß bei
durch die Kanäle 14a, 14b strömendem Fluid
eine Tangentialkraft auf den Pumpen- und Motorring 14 aufbringbar
ist.
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Die zum Planetenradträger 9 entgegengesetzt
angeordnete Stirnseite des Pumpen- und Motorrings 14 ist
durch die Anschlußplatte 15 verschlossen,
in die, wie es 8 entnehmbar
ist, Fluideintrittsöffnungen 15a, 15b an
in Durchmesserrichtung entgegengesetzt liegenden Seiten des Motorreglers
vorgesehen sind.
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Auf den Pumpen- und Motorring 14 ist
der in 9 dargestellte
Motorregler 16 aufbringbar, wobei sich im aufgebrachten
Zustand radial außerhalb
des Pumpen- und Motorrings 14 Fluidaustrittsöffnungen 16a, 16 an
in Durchmesserrichtung entgegengesetzten Abschnitten des Motorreglers 16 befinden.
Wenn der Motorregler 16 nicht vollständig auf den Pumpen- und Motorring 14 aufgebracht
ist, stehen mit dem Außenumfang
des Pumpen- und Motorrings 14 Flügel 12a in Berührung, die
in entsprechende Ausnehmungen des Regelgehäuses 11 und des Motorgehäuses 12 (siehe 4 und 5) eingebracht sind. Die Abmessung der
Flügel 12a ist
in einer solchen Weise vorbestimmt, daß diese in den zugeordneten
Ausnehmungen im Regelgehäuse 11 vollständig aufnehmbar sind.
Dieser Zustand ist beispielhaft in 11 gezeigt.
Dabei sind die Flügel 12a zu
Beginn, wie es in 1 gezeigt
ist, zumindest größtenteils
in den Ausnehmungen des Motorgehäuses 12 untergebracht sind.
Durch eine Bewegung des Motorreglers 16 zum Planetenradträger 9 hin
treten die Vorsprungsabschnitte 14c, 14d des Pumpen-
und Motorrings 14 in entsprechend ausgebildete Ausnehmungen 16c und 16d im
Motor regler 16 ein (siehe 9)
und werden die Flügel 12a in
die Ausnehmungen im Regelgehäuse 11 verschoben.
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Nachfolgend werden nun die Betriebsarten des
stufenlosen Getriebes entsprechend der vorliegenden Erfindung unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen 1, 11, 12 und 13 beschrieben.
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In 1 ist
das stufenlose Getriebe entsprechend der vorliegenden Erfindung
im Stillstand dargestellt. Dabei steht der Motorregler 16 aus
dem Motorgehäuse 12 hervor
und ist die Drosselplatte 17 in einem Abstand zum Motorregler 16 vorgesehen. Wenn
nun auf die Antriebswelle 1 eine Rotationsbewegung beispielsweise
durch einen nicht dargestellten Verbrennungsmotor aufgebracht wird,
so wird die Rotationsenergie über
das Ritzel 2, das Zahnrad 3 und das erste Planetenrad 5 auf
das Hohlrad 6 übertragen.
Da das Sonnenrad 8, beispielsweise durch eine Nut-Feder-Verbindung, verdrehsicher
auf der Antriebswelle 1 vorgesehen ist, wird eine Rotationsbewegung
auf das zweite Planetenrad 7 aufgebracht, das den Planetenradträger 9 in
Rotation versetzt. Zwar rotiert das Flügelrad 13 wie in 3 gezeigt beispielsweise
entgegen dem Uhrzeigersinn, doch wird aufgrund der Stellung des
Motorreglers 16 keine zusätzliche Rotationskraft auf
den Planetenradträger 9 aufgebracht.
Folglich wird der Planetenradträger 9 lediglich
mitgenommen. Im Ergebnis rotieren der Träger 4 und damit die
nicht dargestellte Abtriebswelle nicht.
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11 zeigt
das Getriebe im Zustand von einer maximalen Drehzahl beim Vorwärtsfahren.
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Um aus dem in 1 dargestellten Stillstands-Zustand einen
Vorwärtsantrieb
der nicht dargestellten Antriebswelle zu erhalten wird der Motorregler 16 auf
den Pumpen- und Motorring 14 zubewegt. Da das Fluid in
zuneh mendem Maße
nur noch über
die Fluidaustrittsöffnungen 16a, 16b,
die, wie es 11 entnehmbar
ist, nicht durch die Drosselplatte 17 verschlossen ist,
austreten kann (siehe 3), bewirkt
eine Rotation des Flügelrads 13 in
zunehmendem Maße
eine Rotation des Pumpen- und Motorrings 14, durch den
auf den Planetenradträger 9 eine
Rotationskraft aufgebracht wird. Die Rotationskraft des Planetenradträgers 9 bringt über das
zweite Planetenrad 7 und unterstützt durch die Rotation des Sonnenrads 8 eine
Rotationskraft auf das Hohlrad 8 auf. Da die durch den
Planetenradträger 9 auf
das Hohlrad 8 übertragene
Drehzahl höher
als die über die
Antriebswelle 1, das Ritzel 2 und die Zahnräder 3 und 5 auf
das Hohlrad 8 übertragene
Drehzahl ist, beginnt eine Rotation des Trägers 4 und damit der nicht
dargestellten Abtriebswelle.
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Ein Übersetzungsverhältnis von
ungefähr 1:1,
das heißt
die einstückige
Rotation von Antriebs- und Abtriebswelle wird, wie es in 11 dargestellt ist, dann
erreicht, wenn sich der Motorregler 16 vollständig auf
dem Pumpen- und Motorring 14 befindet. Durch die einstöckige Rotation
des gesamten Getriebes wird ein hoher Wirkungsgrad erzielt.
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12 stellt
das stufenlose Getriebe in einem Zustand mit maximaler Drehzahl
im Rückwärtsantrieb
dar.
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In dieser Betriebsart wird die Antriebswelle, wie
es in 3 gezeigt ist,
beispielsweise ebenfalls entgegen dem Uhrzeigersinn angetrieben.
Der Motorregler 16 befindet sich in großer Entfernung zum Pumpen-
und Motorring 14 in ähnlicher
Weise, wie es in 1 gezeigt
ist. Der Unterschied zur Betriebsart von 1 besteht darin, daß sich die Drosselplatte 17 auf
den Fluidaustrittsöffnungen 16a, 16b befindet. Auf
diese Weise wird der Pumpen- und Motorring 14 zum Stehen
gebracht. Dieses hat zur Folge, daß der Planetenradträger 9 ebenfalls
steht. Der stehende Planetenradträger 9 hat zur Folge,
daß die
Rotation des Hohlrads 6 zunimmt, so daß die über die Antriebswelle 1 eingespeiste
Energie eine Rotation des Trägers 4 entgegen
der Richtung bei den Betriebsarten der 1 und 11 bewirkt.
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Wie aus dem Stand der Technik bekannt
ist die Fördermenge
der Pumpe bei der Rückwärtsfahrt durch
einen Kurzschluß reduziert.
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13 stellt
das stufenlose Getriebe in der Betriebsart des Vorwärtsantriebs
mit einem mittleren Übersetzungsverhältnis und
mit Bremsfunktion, wie z.B. bei Bergabfahrt, dar.
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Bei der Betriebsart aus 13 ist der Motorregler 16 auf
den Pumpen- und Motorring 14 zubewegt, jedoch befindet
sich die Drosselplatte 17 in geringem Abstand zu den Fluidaustrittsöffnungen 16a, 16b des
Motorreglers 16. Durch den im Vergleich zur Betriebsart
von 1 geringeren Abstand
des Motorreglers 16 bezüglich
des Pumpen- und
Motorrings 14 wird ein Vorwärtsantrieb des Trägers 4 und
damit der nicht dargestellten Abtriebswelle bewirkt. Andrerseits
wird jedoch durch den geringen Abstand der Drosselplatte 17 zum
Motorregler 16 eine Drosselung des Fluidaustritts vorgenommen,
so daß der Pumpen-
und Motorring 14 und somit der Planetenradträger 9 abgebremst
werden.
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Statt eines zweiten Planetenrades 7 können am
Planetenradträger 9 eine
beliebige Anzahl an Planetenrädern
vorgesehen werden, die mit dem Hohlrad 6 und dem Sonnenrad 8 in
Eingriff stehen. Eine bevorzugte Anzahl ist drei, wodurch die Planetenräder in einem
Abstand von 120° auf
dem Planetenradträger 9 vorgesehen
sind.
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In 14 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel
für die
Anschlußplatte 15' dargestellt.
Diese Anschlußplatte 15' unterscheidet
sich von der in 8 dargestellten
Anschlußplatte 15 in
der Anzahl der eingebrachten Fluideintrittsöffnungen. Durch die zwei zusätzlich eingebrachten
Fluideintrittsöffnungen 15'c, 15'd, die bezüglich der
Fluideintrittsöffnungen 15a, 15b entgegen
der Rotationsrichtung des Flügelrades 13 und
mit einem geringeren Durchmesser als diese ausgeführt sind,
sind das Ansaugen eines größeren Volumenstroms
und somit ein höheres
Fördervolumen
möglich.
Auf diese Weise kann das Drehmoment an der nicht dargestellten Antriebswelle
erhöht
werden.
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Ein drittes Ausführungsbeispiel unterscheidet
sich vom ersten Ausführungsbeispiel
darin, daß das
Zahnrad 3 mit dem Hohlrad 6 in Eingriff steht
und das erste Planetenrad 5 fehlt. Dabei sollte die Zähnezahl
von Zahnrad 3, Kitzel 2 und Hohlrad 6 in
einer solchen Weise angepaßt
sein, daß ein
Rückwärtsfahren
möglich
ist. Dieses Rückwärtsfahrer
erfolgt langsamer als beim ersten Ausführungsbeispiel.
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Bei der vorliegenden Erfindung läßt sich
das Übersetzungsverhältnis zwischen
Antriebswelle 1 und Planetenradträger vorzugsweise von ungefähr 0 bis
ungefähr
1:1 einstellen.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht
auf die dargestellte Ausführungsform
beschränkt,
sondern kann auch bei einer anderen Hydropumpen-Hydromotor-Einheit,
beispielsweise vom Axialkolbentyp, umgesetzt werden, sofern diese
Hydropumpen-Hydromotor-Einheit eine Beeinflussung der Drehzahl und/oder
des Drehmoments eines Planetenradträ gers ermöglicht, der das Übersetzungsverhältnis des stufenlosen
Getriebes verändert.
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Durch die direkte Kopplung der hydraulischen
Einrichtung mit der Antriebswelle ist mit dem erfindungsgemäßen stufenlosen
Getriebe ein hoher Wirkungsgrad erzielbar.