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Stufenlos regelbares, mit einem Stirnräderwechselgetriebe vereinigtes
hydrostatisches Getriebe für Fahrzeuge, insbesondere Schlepper Die Erfindung betrifft
ein stufenlos regelbares, mit einem Stirnräderwechselgetriebe vereinigtes hydrostatisches
Getriebe für Fahrzeuge, insbesondere Schlepper, bei dem auf der Antriebswelle eine
mehrzylindrige Pumpe und auf einer zur Antriebswelle parallelen Welle ein mehrzylindriger
hydraulischer Motor angeordnet ist, der mit der Pumpe in einem geschlossenen hydraulischen
Kreislauf verbunden ist.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Getriebe anzugeben, das die
stufenlose Regelbarken des Übersetzungsverhältnisses zwischen einer Antriebs- und
einer Abtriebswelle ermöglicht, und zwar in einem Bereich niedriger Geschwindigkeiten
sowie in einem Bereich von Geschwindigkeiten, der mit etwa der gleichen kleinsten
Geschwindigkeit beginnt und mit verhältnismäßig hohen Geschwindigkeiten endet, wobei
gleichwohl ein guter Wirkungsgrad für alle Werte des Antriebsverhältnisses ohne
Berücksichtigung der Geschwindigkeit gewährleistet bleibt.
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Die vorstehende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das eingangs näher
gekennzeichnete hydrostatische Getriebe so beschaffen ist, daß die den Motor tragende
Welle koaxial und drehfest mit der Abtriebswelle verbunden ist und eine mit dem
umlaufenden Gehäuse der Pumpe koaxial und drehfest verbundene Getriebewelle Zahnräder
trägt, die wahlweise mit der Getriebewelle kuppelbar sind und in entsprechend fest
auf der Abtriebswelle angeordnete Zahnräder eingreifen. Bei dem Gegenstand des Patents
wird bei dem Getriebe, bei dem die Zylinderkörper der Pumpe mit der Antriebswelle
drehfest verbunden sind und die in den Zylindern der Pumpe beweglichen Kolben sich
gegen ein Lager abstützen, erfindungsgemäß das Lager mit dem mit der Getriebewelle
verbundenen Gehäuse der Pumpe drehfest verbunden sein und der Zylinderkörper sich
an dem dem Lager gegenüberliegenden Ende auf einer mit dem Gehäuse der Pumpe drehfest
verbundenen Verteilerplatte abstützen. Die auf der Getriebewelle des Zahnräderwechselgetriebes
drehbaren Zahnräder sind durch eine auf dieser Welle drehfest, jedoch verschiebbar
angeordnete Buchse mit der Welle kuppelbar, wobei erfindungsgemäß die Buchse durch
ein kegelförmiges, im festen Gehäuse verschiebbares, in die Ringnut der Buchse einschiebbares
Glied zentriert und gegen Drehen festgehalten werden kann. Die Buchse wird in der
neutralen Mittelstellung zwischen den beiden leer laufenden Zahnrädern auf der Welle
dadurch gebracht, daß eine hydraulisch betriebene Arretier- und Zentriervorrichtung
in Tätigkeit tritt, die es gleichzeitig ermöglicht, da.ß das umlaufende Gehäuse
der Pumpe über die Buchse von einer Drehbewegung abgehalten wird.
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Das Zahnradgetriebe dient .dazu, das Reaktionsdrehmoment auf die Abtriebswelle
zu übertragen, das in der Pumpe auftritt. Pumpe und Motor werden, wie bekannt, durch
Schiefscheiben gesteuert. Der Flüssigkeitsmotor wird durch die Pumpe betätigt und
wirkt über eine starre Verbindung direkt auf die Abtriebswelle. Wenigstens eine
Schiefscheibe, entweder die des Motors oder die der Pumpe, kann in ihrer Neigung
verändert werden, um eine stufenlose Veränderung des Umlaufvolumens und damit der
Umlaufgeschwindigkeit innerhalb des Bereiches eines Übersetzungsverhältnisses zu
erzielen.
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Die Erfindung wird an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
- mit Hilfe von Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen stellt Fig. 1 einen
Axialschnitt durch ein erfindungsgemäßes Getriebe, Fig.2 einen Horizontalschnitt
der Vorrichtung längs der Linie II-II in Fig. 1, wobei der Mechanismus zum Wechseln
des Übersetzungsverhältnisses zwischen der Primärwelle und der Abtriebswelle gezeigt
wird, dar.
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Innerhalb des äußeren Gehäuses -1 des Getriebes sind die mehrzylindrige
hydraulische Pumpe 2 und
der zugehörige mehrzylindrige hydraulische
Motor 3 angeordnet. Die Antriebswelle 4 des Getriebes dreht den Zylinderkörper 5
der Pumpe, in dem die Kolben 6 gleiten. Der Zylinderkörper 5 stützt sich auf der
Verteilerplatte 7 ab, die drehfest mit dem umlaufenden Gehäuse 8 der Pumpe verbunden
ist. Das Gehäuse 8 kann sich frei um die Achse der Pumpe 2 drehen und wird durch
die Lager 9 und 10 getragen. Mit dem Gehäuse 8 ist gleichfalls drehfest eine Schiefscheibe
mit einem Kugellager 11 verbunden, die in bezug auf die Achse des Gehäuses 8 geneigt
ist. Auf dem Lager 11 stützen sich die Kolben 6 der Pumpe 2 ab, so daß durch relative
Drehbewegung des Zylinderkörpers 5 im Verhältnis zum Gehäuse 8 der Lagerkranz 11
ein Hin- und Hergehen der Zylinder 6 und dadurch einen Betrieb der Pumpe hervorruft.
Der hydraulische Motor 3, dessen Betrieb ähnlich dem der Pumpe 2 ist, ist auf einer
Welle angeordnet, die der Antriebswelle 4 parallel ist. Im Motor 3 enthält der Zylinderkörper
12 Kolben 13, die über Kolbenstangen 14 ihre Kraft auf das Kugellager 15 ausüben,
das an der kippbaren Scheibe 16 angeordnet ist. Die kippbare Scheibe 16 kann um
eine Achse gelzippt werden, die rechtwinklig zur Zeichenebene liegt. Die Kippachse
ist in bezug auf das Gehäuse 1 stationär, die Neigungen der Platte 16 werden durch
ein beliebiges Mittel von außen durch die Öffnung 17 im Gehäuse 1 gesteuert. Das
Drehmoment, das durch den Druck der Kolbenstangen 14 auf die kippbare Ebene des
Lagerkranzes 15 ausgeübt wird, wird mit Hilfe eines Kreuzgelenkes 19 auf die Welle
18 übertragen. An der Seite des Zylinderkörpers 12, der der Scheibe 16 gegenüberliegt,
stützen sich auf dem Zylinderkörper 12 die Ringe 19 a und 20 ab, die die Aufgabe
haben, die Flüssigkeit, die aus der Pumpe 2 in den Zylinder- ; körper 12 strömt,
zu verteilen.
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Die Welle 18 ist an einem Ende durch das vordere Lager 21 und am anderen
Ende durch das rückwärtige Lager 22 gelagert. Das erstgenannte Lager 21 ist starr
an der Nase 33 angeordnet, während das letztgenannte Lager 22 im Gehäuse 1 angebracht
ist. Die Pumpe 2 und der Motor 3 sind hydraulisch miteinander verbunden; genauer
gesagt ist die Öffnung des Auslasses 23 der Verteilerplatte 7 der Pumpe durch die
Leitungen 24, 25 und 26 mit der Saugkammer 27 des Motors verbunden, während die
Auslaßkammer 28 des Motors über Leitungen 29, 30, 31 mit der Sangöffnung 32 der
Pumpe verbunden ist. Die Leitungen 25 und 30 sind in einer Verschlußnase des Gehäuses
1 angeordnet.
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Die Welle 35 oder die Abtriebswelle des gesamten Getriebes ist in
geradliniger Verlängerung der Welle 18 des hydraulischen Motors 3 angeordnet und
wird durch die Lager 22 und 34 gehalten. Die Welle 35 ist mit der Welle 18 drehfest
verbunden und trägt an ihrem äußeren Ende das Glied 36 für die Entnahme der Abtriebskraft.
Die beiden Zahnräder 37 und 38 sind fest auf der Welle 35 angeordnet.
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Das Gehäuse 8 der Pumpe 2 dreht die als Hohlwelle ausgebildete Getriebewelle
39, die gleichachsig mit dem Gehäuse 8 liegt, wobei die Getriebewelle 39 durch die
Lager 10 und 40 getragen wird. Auf der Getriebewelle 39 können zwei Zahnräder 43
und 44 frei umlaufen, die auf Buchsen 41 und 42 gelagert sind. Die Zahnräder 43
und 44 kämmen mit den Zahnrädern 37 bzw. 38. Auf der Getriebewelle 39 ist zwischen
den Zahnrädern 43 und 44 die Buchse 45 drehfest, aber axial verschieblich angeordnet
und besitzt Stirnverzahnungen 46 und 47, die nach einer Axialbewegung in einer der
Richtungen mit entsprechenden Stirnverzahnungen der Zahnräder 43 oder 44 zusammenarbeiten.
Es wird so durch axiale Verschiebung der Buchse 45 auf der Getriebewelle 39 ermöglicht,
daß entweder das Zahnrad 43 oder das Zahnrad 44 drehfest mit der Getriebewelle 39
verbunden ist und somit ein Umlauf der Zahnräder 37 und 38 und der Welle 35 veranlaßt
wird.
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Die verschiebbare Buchse 45 wird durch einen gabelförmigen Kipphebel
48 gesteuert, der bei 49 am Gehäuse angelenkt ist und durch das Gleitstück 50 in
die Buchse 45 eingreift. Der gabelförmige Kipphebel 48 wird durch den Hebel 51 über
eine Feder 52 betätigt. Ein Ende der Feder 52 ist an dem Arm des Kipphebels 48 befestigt,
das andere Ende an dem Hebel 51, der bei 53 angelenkt ist. Wenn der Hebel 51 herumgelegt
wird, wird die Feder vorgespannt, um den Kipphebel 48 und daher auch die Buchsen
45 in die eine oder andere Richtung zu drücken.
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Ein konisches Glied 54, das in eine Keilnut 58 der Buchse 45 eintritt
und die Kraft der Feder 52 überwindet, löst die Buchse 45 von den Zahnrädern 43
oder 44 und sperrt die Buchse 45, nachdem sie in eine Mittelstellung in bezug auf
die beiden Zahnräder, d. h. in eine neutrale Stellung gebracht worden ist. Das kegelförmige
Glied 54 ist fest mit dem Kolben 55 verbunden, der in einem Zylinder 56 gleitet.
Unter der Wirkung von Flüssigkeitsdruck in der Kammer 57 des Zylinders 56 kann das
kegelförmige Glied 54 gegen die Wirkung einer Feder 59 auf die Buchse 45 zu bewegt
werden. Bei Nachlassen des Flüssigkeitsdruckes in der Kammer 57 drückt die Feder
59 den Kolben 55 zurück, so daß die Buchse 45 wieder frei ,wird, so daß ihrer Verschiebung
unter Wirkung der Feder 42 auf der Welle 39 nichts mehr im Wege steht, wobei die
Feder 52 bereits in der gewünschten Richtung durch die entsprechende Lage des Hebels
51 vorgespannt ist.
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Die Schiefscheibe 11 der Pumpe 2 kann statt unter einer festen Neigung
auch für eine veränderliche Neigung ähnlich der Schiefscheibe 16 eingerichtet sein.
wenn sie beispielsweise im Gehäuse 8 angelenkt ist, so daß das Umlaufvolumen von
Null zu einem Maximalwert veränderlich ist.
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Die Wirkungsweise des beschriebenen Getriebes ist folgende: Wenn die
Antriebswelle 4 des Getriebes und mit ihr der Zylinderkörper 5 gedreht wird, strebt
die Flüssigkeit, die durch die Pumpe 2 verdrängt wird, danach, in den Motor 3 zu
strömen und dessen Inbetriebnahme zu veranlassen.
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Die Flüssigkeitsmenge, die von der Pumpe zum Motor strömt, ist proportional
dem Umlaufvolumen des Motors 3 (d. h. der Neigung der kippbaren Schiefscheibe 16)
sowie proportional dem Verhältnis zwischen den Umlaufgeschwindigkeiten des Gehäuses
8 und der Welle 35, je nachdem, welches der Zahnradpaare 37-43 oder 38-44 je nach
Stellung der Buchse 45 in Betrieb ist. Durch eine Bewegung der Schiefscheibe 16
aus einer Stellung normal zur Welle 35 in eine Stellung maximaler Neigung wird das
Umlaufvolumen des Motors 3 wechseln. Wenn die Platte 16 normal zur Drehachse steht
(Umlaufvolumen des Motors Null), wird keine Flüssigkeit fließen, so daß die Anordnung
eine hydraulische Kupplung darstellt, in der die Pumpe keine Flüssigkeit dem Motor
zuführen kann (da dessen Umlaufvolumen Null ist). Es wird die Bewegung des Gehäuses
8 völlig wie bei getvöhnlichen Flüssigkeitskupplungen übertragen.
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Die Umlaufgeschwindigkeit der Abtriebswelle 35 wird verschieden sein,
je nachdem, welches der Übersetzungsverhältnisse, entweder 37-43 oder 38-44, gewählt
wurde
und, genauer gesagt, wenn das Übersetzungsverhältnis 37-43 größer ist als das Verhältnis
38-44, wird die Umlaufgeschwindigkeit der Welle 35 bei Wahl des Verhältnisses 37-43
geringer sein als bei Wahl des Verhältnisses 38-44.
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Wenn das Verhältnis 37-43 r' genannt wird und das Verhältnis 38-44
r", wird, wenn die Schiefscheibe 16 des Motors 3 normal zur Welle 35 steht, ein
geringerer Geschwindigkeitsbereich durch das Verhältnis r erreicht, während ein
Antrieb mit großer Geschwindigkeit durch das Verhältnis r' erzielt wird.
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Wenn die Schiefscheibe 16 ihre maximale Neigung einnimmt, wird der
Betriebsdruck in dem Kreislauf durch die Pumpe 2 bestimmt, d. h. durch deren Umlaufvolumen,
sowie durch das der Antriebswelle 4 zugeführte Drehmoment. Da das zugeführte Drehmoment
im allgemeinen konstant ist und das Umlaufvolumen der Pumpe gleichfalls konstant
ist, wird ein ebenfalls konstanter Flüssigkeitsdruck in den Zylindern 13 des Motors
3 während ihres Saugtaktes erzielt, und der Motor 3 wird daher ein Drehmoment auf
die Abtriebswelle ausüben, das von der konstanten Neigung der Schiefscheibe 16 abhängig
ist, ohne Rücksicht auf die Wahl des Übersetzungsverhältnisses r' oder r". Auf der
Getriebewelle 35 wird außer dem durch den Flüssigkeitsmotor gelieferten Drehmoment
auch das Reaktionsdrehmoment der Pumpe 2 übertragen, das gegenüber dem umlaufenden
Gehäuse 8 auftritt. Es werden daher, je nachdem, ob das übersetzungsverhältnis r
oder r" wirksam ist, auf der Getriebewelle 35 beide Drehmomente, nämlich das des
Motors 3 und das Reaktionsdrehmoment der Pumpe 2, addiert, wobei das letztgenannte
Moment multipliziert ist mit dem reziproken Wert des Verhältnisses r' oder r'.
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Da die Verhältnisse r und r" Untersetzungsverhältnisse für
die Verbindung der Getriebewelle 39 mit der Getriebewelle 35 sind, wird das Reaktionsdrehmoment
der Pumpe um so mehr erhöht, je größer die Untersetzung ist. Die gesamte Untersetzung
R, die auftritt, kann durch die Formel
ausgedrückt werden, worin R das gesamte Reduktionsverhältnis darstellt, r das Untersetzungsverhältnis
der gewählten Getriebe (entweder 37-43 oder 38-44), Cma das Umlaufvolumen des Motors
und Cp das Umlaufvolumen der Pumpe darstellen.
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Die vorstehende Formel zeigt, daß die Maximalgeschwindigkeit um so
geringer sein wird, je größer die Untersetzung r ist, während die Reduktion der
kleinsten Geschwindigkeit nur geringfügig ist. Es wird daher stets eine ziemlich
begrenzte Minimalgeschwindigkeit erzielt werden (der Motor 3 hat sein maximales
Umlaufvolumen), sogar dann, wenn eine relativ hohe Maximalgeschwindigkeit erwünscht
ist, d. h. wenn der Motor 3 ein Umlaufvolumen gleich Null besitzt (bei einem gleichen
oder vergrößernden Übersetzungsverhältnis) und daher stets ein relativ großer Bereich
der Verhältnisse möglich ist. Umgekehrt wird ein begrenztes Geschwindigkeitsverhältnis
auftreten, wenn ein großes Verhältnis r gewählt wird und das Umlaufvolumen des Motors
3 von Null auf seinen Maximalwert zustrebt, die Maximalgeschwindigkeit ist jedoch
stark reduziert in bezug auf die vorhergehende mit einer lediglich geringfügigen
Verringerung der Minimalgeschwindigkeit. Der Wirkungsgrad der Geschwindigkeitswechselgetriebe,
in denen das Reaktionsdrehmoment auf Grund der Schief scheibe der Pumpe auf eine
Abtriebswelle des Typs der Erfindung übertragen wird, hat eine Verkleinerungstendenz
mit der Vergrößerung des Untersetzungsverhältnisses, d. h. mit der Vergrößerung
des Umlaufvolumens des Motors (Neigung der Schiefscheibe).
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Das Fahrzeug, in dem die erfindungsgemäße Vorrichtung eingebaut ist,
kann mit kleiner Geschwindigkeit fahren, wenn das Übersetzungsverhältnis z" oder
r wirksam ist. Im letztgenannten Falle ist jedoch die Untersetzung zwischen der
Antriebswelle 4 und der Abtriebswelle 35 teilweise durch mechanische Mittel erreicht
und teilweise durch hydraulische Mittel, während im ersten Falle (Annahme r' = 1
: 1) das Untersetzungsverhältnis zwischen der Antriebswelle 4 und der Abtriebswelle
35 durch hydraulische Mittel erzielt wird.
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Je größer das mechanische Übersetzungsverhältnis r ist, um so kleiner
ist die wirksame Betriebsreduktion des hydraulischen Teiles des Getriebes, und infolgedessen
sind die Arbeitsbedingungen der Vorrichtung und der Wirkungsgrad um so besser.
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Die Bedeutung des vorstehenden Ergebnisses betrifft hauptsächlich
die Anwendung des Getriebe gemäß der Erfindung für landwirtschaftliche und industrielle
Schlepper, bei denen oftmals fast die gesamte Arbeit bei sehr geringer Geschwindigkeit
ausgeführt wird, bei denen jedoch hohe Reisegeschwindigkeiten bzw. Arbeitsgeschwindigkeiten
für leichte Arbeit unerläßlich sind, wobei es jedoch stets nötig ist, die Möglichkeit
einer großen Anfahrkraft auf Grund des schweren Bodens zur Verfügung zu haben, auf
dem sich das Fahrzeug möglicherweise bewegen muß.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch die mechanische Übersetzung
(entweder 37-43 oder 38-44) stets das Drehmoment der Antriebswelle 4 des Getriebes
übertragen wird, während das stärkere Drehmoment (d. h. das durch den Flüssigkeitsmotor
übertragene) direkt auf die Abtriebswelle 35 gebracht wird. Es liegt auf der Hand,
daß bei diesen Getriebearten im Vergleich zu den üblichen Getrieben mit zwei parallelen
Wellen, wie sie bei den obengenannten Fahrzeugen Verwendung finden und bei denen
die gesamte Kraft von der einen auf die- andere Welle übertragen wird, ein geringerer
Verlust mechanischer Übertragung eintritt.
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Es ist ein Ritze160 angeordnet, um von der Antriebswelle 4 einen direkten
Antrieb für Hilfsvorrichtungen, wie Triebscheibe, Spill, Winde od. dgl., zur Verfügung
haben.
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Durch die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung wird offenbart, daß entweder
die geringe oder die hohe Geschwindigkeit des Fahrzeuges durch Verschiebung des
Hebels 51 vorgewählt wird, und zwar dadurch, daß die Feder 52 auf Grund der Vorspannung
durch den Hebel 51 die Buchse 45 auf die Zahnräder 43 oder 44 drückt.
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Dieser Vorgang kann nur stattfinden, wenn das keilförmige Glied 54
nicht in die Hohlkehle 58 eingreift.
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Wenn der Kammer 57 des Zylinders 56 Druckflüssigkeit zugeführt wird,
wird auf Grund der Bewegung des Kolbens 55 das kegelförmige Glied 54 in die Hohlkehle
58 der Buchse 45 eingeschoben und bewirkt, daß sich die Zähne 46 bzw. 47 aus dem
Eingriff lösen, so daß die Antriebswelle 4 im Verhältnis zur Abtriebswelle 35 leer
läuft. Darüber hinaus wird,
wenn das kegelförmige Glied 54 stark
gegen die Kehle 58 der Buchse 45 durch den bei 57 herrschenden Druck gepreßt wird,
das umlaufende Gehäuse 8 der Pumpe 2 über die Buchse 45 festgehalten. Bei diesem
Betriebszustand findet keine Übertragung mehr statt, bei der das Reaktionsdrehmoment
auf Grund der Schiefscheibe der Pumpe auf die Abtriebswelle übertragen wird, sondern
lediglich eine hydraulische übertragung über die Kolbenpumpe, wobei die Gesamtkraft
des Fahrzeugmotors durch die Pumpe 2 in hydraulische Kraft verwandelt wird, die
wiederum insgesamt durch den hydraulischen Motor 3 in mechanische Kraft umgewandelt
wird, da die Abtriebswelle 35 ausschließlich mit dem Motor 3 verbunden ist.
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Bei diesem Betriebszustand, in dem die Buchse 45 zwischen den Zahnrädern
43 und 44, wie im vorstehenden geschildert, gehalten wird, wird, wenn die Schiefscheibe
16 des Motors 3 in eine Richtung geneigt ist, die der in Fig. 1 gezeigten entgegengesetzt
ist, die geringstmögliche Rückwärtsgangbedingung eintreten, mit einem Betrieb ohne
Kraftrückgewinnung durch das Reaktionsdrehmoment, wie im vorstehenden geschildert.
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Der Wirkungsgrad des Rückwärtsganges wird daher gleich dem eines normalen
Getriebes mit Kolbenpumpen sein. Der Vorteil dieser Lösung besteht offensichtlich
darin, daß für den Rückwärtsgang einer Übertragung, in der das Reaktionsdrehmoment
der Schiefscheibe der Pumpe auf die Antriebswelle übertragen wird, es notwendig
ist, daß der Motor 3 ein Drehmoment liefert, das dem Reaktionsdrehmoment der Pumpe
2 entgegengesetzt ist und daher das Drehmoment auf der Abtriebswelle aus den Differenzen
zwischen dem Drehmoment des Motors 3 und dem der Pumpe 2 gebildet wird. (Es wird
darauf hingewiesen, daß beim Vorwärtsgang der Vorteil der Addition der Drehmomente
eintritt.) Wenn die Schiefscheibe des Motors ihre maximale Neigung erreicht, ist
das maximale Übersetzungsverhältnis erzielt. Wenn dieses Verhältnis bis zur Grenze
des Leerlaufes (1 : oo) verringert wird, ist es notwendig, ein Ventil anzuordnen,
das die Leitungen 25 und 30 verbindet, so daß der Flüssigkeitskreislauf kurzgeschlossen
werden kann. Wenn auch das Kugellager 11 auf einer kippbaren Schiefscheibe angeordnet
ist, kann das gleiche Resultat durch Verringerung der Neigung dieses Lagers erreicht
werden, wobei dann dieses Lager normal zur Drehachse der Pumpe steht, so daß also
beide Schiefscheiben normal zu ihren Drehachsen stehen.
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Das Getriebe -gemäß der Erfindung ist mit einer Pumpe versehen, die
in den Flüssigkeitskreislauf eingeschaltet ist und deren Aufgabe es ist, die- Druckflüssigkeit
unter leichtem Druck zu halten, um so die S augkolben der Pumpe 2 zu ihrer Rückwärtsbewegung
zu veranlassen.