-
Wechselgetriebe, insbesondere für Schienenfahrzeuge, die durch Brennkraftmaschinen
angetrieben werden Die Erfindung bezieht sich auf Wechselgetriebe, insbesondere
für Schienenfahrzeuge, die durch Brennkraftmaschinen angetrieben werden.
-
Bei Diesellokomotiven ist der Brennstoffverbrauch ein außerordentlich
wichtiger Faktor. Die Erfahrung lehrt, daß 80-90 % des Gesamtkraftstoffverbrauchs
im Geschwindigkeitsbereich von 70-90"/o. der Höchstgeschwindigkeit der Lokomotive
verbraucht wird. Es ist daher wichtig, daß in diesem Geschwindigkeitsbereich der
Brennstoffverbrauch verringert wird, um den Gesamtwirkungsgrad der Lokomotive zu
verbessern.
-
Es ist bekannt, daß der Wirkungsgrad einer rein mechanischen Kraftübertragung,
verglichen mit einer elektrischen oder hydraulischen Kraftübertragung. wesentlich
höher ist. Der Wirkungsgrad einer elektrischen Kraftübertragung liegt etwa bei
85 1/o. Bei einer Kraftübertragung mithydrodynamischernWandlerbeträgt der
Wirkungsgrad etwa 80-821/o und mit hydrodynamischer Kupplung etwa 9011/o. Der Wirkungsgrad
einer rein mechanischen Kraftübertragung beträgt dagegen etwa 9511/o. Für den Geschwindigkeitsbereich
von etwa 70-90 1/o der Höchstgeschwindigkeit ist in dem Wechselgetriebe der
Lokomotive also ein rein mechanischer Kraftübertragungsweg erwünscht, da dann 5-10%
an Kraftstoffverbrauch gespart werden könnte, wodurch die Wirtschaftlichkeit der
Diesellokomotive wesentlich gesteigert würde.
-
Um die erwünschte Beschleunigung bei voller Ausnutzung der Maschinenleistung
zu erhalten, ist bei dem Wechselgetriebe einer Diesellokomotive aber mindestens
ein Kraftübertragungsweg mit hydrodynamischem Wandler erwünscht. Dieser dient für
den Geschwindigkeitsbereich von 0 bis etwa 60-70 II/o der höchsten
Zuggeschwindigkeit. Beim Umschalten von einem Kraftübertragungsweg mit hydrodynamischem
Drehmomentwandler auf einen Kraftübertragungsweg mit mechanischer Kupplung treten
jedoch erhebliche Schwierigkeiten auf, insbesondere dann, wenn eine hohe Antriebsleistung
von etwa 600 bis 2000 PS und mehr zu übertragen ist. Diese Schwierigkeiten
haben dazu geführt, daß von einem solchen Getriebe bisher in der Praxis noch kein
Gebrauch gemacht worden ist.
-
Obgleich die Vorteile großer Wirkungsgrade von mechanischen Kraftübertragungen
längst bekannt sind, war ihre Anwendung in Wechselgetrieben von Schienenfahrzeugen
auf solche mit einer maximalen Antriebsleistung von 400-500 PS begrenzt.
Der Anwendung rein mechanischer Kraftübertragungswege auf größere Antriebseinheiten
standen bisher folgende als unüberbrückbar angesehene Schwierigkeiten ge, genüber:
Angenommen, die Zuggeschwindigkeit nimmt zu. In dem Moment, in welchem von dem einen
Kraftübertragungsweg auf den anderen umgeschaltet werden soll, bewegen sich die
Krafteinleitungswelle und die Kraftabgabewelle, die durch die mechanische Schaltkupplung,
z. B. eine Scheibenkupplung, miteinander gekuppelt werden sollen, mit unterschiedlichen
Drehzahlen. Wenn die beiden Wellen, um einen normalen Kupplungseingriff zu erhalten,
schnell miteinander gekuppelt werden, muß das der Eingangswelle zusammen mit den
Eingangszahnrädern des Getriebes und der Antriebsmaschine innewohnende Trägheitsmoment
vernichtet werden, da die Drehzahl der Eingangswelle während des Kupplungsvorganges
auf die Drehzahl der Kraftabgabewelle reduziert werden muß, die durch die Zuggeschwindigkeit
gegeben ist, wellche, im Hinblick auf die bewegten Massen als nicht veränderbar
anzusehen ist. Die durch die kurzzeitige Änderung des Momentes hervorgerufene Stoßbelastung
ist umgekehrt proportional der Geschwindigkeit, bei welcher die Änderung ausgeführt
wird. Wenn daher die Kupplung schnell geschlossen wird, um das Kuppeln nur während
einer kurzen Zeitdauer auszuführen, führt
die Stoßbelastung, insbesondere
bei Antriebsmaschinen mit hoher Antriebsleistung, zwangläufig zu einer Zerstörung
der Getriebeteile und möglicherweise auch der Brennkraftmaschine. Wenn man nun das
Einkuppeln langsam ausführt und den Schlupf in der Kupplung verringert, bis die
Synchronisation von Krafteinleitungswelle und Kraftabgabewelle erreicht ist, werden
die Kupplungsseheiben einer sehr großen Abnutzung unterworfen, welche ein häufiges.
Auswechseln erforderlich macht. Diese Umstände wurden von den Haltern von Schienenfahrzeugen
als unannehmbar angesehen. Für hohe Antriebsleistungen hat man deshalb, auch für
den oberen Geschwindigkeitsbereich, elektrische und hydraulische Kraftübertragungseinrichtungen
vorgezogen, bei denen keine häufigen überholungen notwendig sind und keine Teile
der Abnutzung unterliegen oder in kürzeren Abständen ausgewechselt werden müssen,
sondern ein Auswechseln trotz stärkster Beanspruchung nur alle paar Jahre notwendig
ist.
-
Ein anderes Mittel, die vorgenannten Schwierigkeiten zu vermeiden,
besteht darin, den Leistungsfluß zu unterbrechen, wenn von einem Kraftübertragungsweg
auf den anderen umgeschaltet wird. Dieser Weg wird bei Kraftfahrzeugen und leichten
Schienenfahrzeugen, wie Schienenomnibussen, angewendet. Insbesondere bei Schienenfahrzeugen,
bei welchen das zu ziehende Gewicht, verglichen mit der Antriebsleistung, hoch ist,
wird diese Unterbrechung des Leistungsflusses als ungünstig angesehen. Wenn ein
Zug beschleunigt wird und die Geschwindigkeit erreicht ist, bei welcher geschaltet
werden soll, würde bei einer Unterbrechung des Leistungsflusses die Zuggeschwindigkeit
wieder abnehmen, insbesondere in einer Steigung. Dabei kann unter Umständen die
Zuggeschwindigkeit sogar unter die für die Umschaltung günstigste Geschwindigkeit
wieder absinken, so daß nach der Umschaltung die Leistungeventuell nicht mehr ausreicht.
Außerdem müßte beim Umschalten dafür gesorgt werden, daß weniger Kraftstoff eingespritzt
wird, weil sonst während der Unterbrechung des Leistungsflusses die Drehzahl der
Antriebsmaschine und der Eingangszahnräder des Getriebes ansteigen würde. Hierdurch
würden aber die Schwierigkeiten, die mechanische Kupplung in Eingriff zu bringen,
nur erhöht werden. Es ist deshalb notwendig, die Kontinuität der Zugkraft von
0-100 (l/o Zuggeschwindigkeit aufrechtzuerhalten.
-
Es ist bereits eine Flüssigkeitskupplung bekannt, bei der zur Beseitigung
des Restschlupfes, also zur unmittelbaren Verbindung zwischen Eingangs- und Ausgangswelle,
eine Reibungskupplung vorgesehen ist, mit der die beiden Glieder der Flüssigkeitskupplung
miteinander mechanisch verbunden werden. Im all-gemeinen besitzen Flüssigkeitskupplungen
bei voller Leistungsübertragung nur sehr geringen Schlupf von makünal etwa 4%. Würde
man neben mindestens einem hydraulischen Kraftübertragungsweg mit einem hydrodynamischen
Drehmomentwandler für die Beschleunigung bis etwa 60-70% der Höchstdrehzahl in einem
Kraftübertragungsweg für den hohen Geschwindigkeitsbereich eine solche bekannte
Kombination von Flüssigkeitskupplung und Reibungskupplung verwenden, so müssen komplizierte
Steuervorrichtungen vorgesehen sein, die gewährleisten, daß die Flüssigkeitsfüllung
des Drehmomentwandlers im selb,en Maß abnimmt wie diejenige der Flüssigkeitskupplung
zunimmt, um damit sicherzustellen, daß die beiden Kraftübertragungswege, die ja
verschiedene übersetzungsstufen haben, nicht gegeneinander arbeiten. Aber selbst
dann, wenn diese Forderung erfüllt ist, entsteht beim Füllen der Flüssigkeitskupplung
eine stärke Stoßbelastung des Getriebes, da ja, wie bereits oben dargelegt,- im
Augenblick des Umschaltens die Ausgangsdrehzahl des Getriebes wegen des großen Trägheitsmomentes
des Zugs als unveränderlich angesehen werden -muß und somit während der kurzen Umschaltzeit
die ebenfalls ein großes Trägheitsmoment aufweisende Dieselmaschine auf die der
kleineren Übersetzungsstufe entsprechende um etwa 30 % geringere Drehzahl
abgebremst wird. Beim Einschalten einer solchen Flüssigkeitskupplung würde also
ebenfalls eine unzulässige Stoßbelastung des Getriebes und der Dieselmaschine auftreten.
-
Um die sämtlichen erwähnten Schwierigkeiten zu beheben, ist bei dem
eingangs genannten Wechselgetriebe nach der Erlmdung die Kombination folgender an
sich bekannter Merkmale vorgesehen: a) Zwischen der KrafteinleitungsweHe und der
Kraftabgabewelle des Getriebes sind mindestens zwei Kraftübertragungswege vorgesehen,
von denen mindestens einer einen hydrodynamischen Drehmomentwandler und mindestens
ein weiterer eine mechanische Schaltkupplung enthält; b) die durch die mechanische
Schaltkupplung zu verbindenden Getriebeteile sind mit Hilfe einer großen Schlupf
aufweisenden Flüssigkeitskupplung verbindbar.
-
Vorzugsweise ist die mechanische Schaltkupplung eine Reibungskapplung.
Zur Raumersparnis kann die einen großen Schlupf aufweisende Flüssigkeitskupplung
innerhalb des einen Kupplungsteiles der mechanischen Schaltkupplung angeordnet sein.
Für diese beiden letztgenanten Merkmale wird jedoch kein selbständiger Schutz begehrt.
-
Die Erfindung und der durch sie erreichte Vorteil wird im folgenden
an Hand einer schematischen Zeichnung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert:
Mit K ist die Krafteinleitungswelle des Getriebes bezeichnet, auf der ein Zahnrad
1 sitzt, das mit einem Zahnrad 2 auf der Eingangswelle L eines hydrodynamischen
Drehmomentwandlers 18 kämmt. Auf der Ausgangswelle M des Drehmomentwandlers
18 sitzt ein Zahnrad 3, das seinerseits ein Zahnrad 5 auf der
Kraftabgabewelle N des Getriebes antreibt. Die Wellen L und M mit dazwischenliegendem
hydrodynamischem Drehmomentwandler 18 bilden einen hydraulischen Kraftübertragungsweg.
-
In dem zweiten, hydraulischen parallelen Kraftübertragungsweg ist
auf der KrafteinleitungswelleK des Getriebes ein Gehäuse 12 einer insgesamt mit
19
bezeichneten, mit bei Lastübertragung großem Schlupf von etwa 10-20 % ausgebildeten
Flüssigkeitskupplung starr befestigt. Dieses Gehäuse 12 trägt einen ersten Satz
von Schaufeln 15, die das Pumprad bilden, während ein zweiter, das Turbinenrad
bildender Satz von Schaufeln 16 mit dem in das Gehäuse 12 hineinragenden
Ende der Kraftabgabewelle N des Getriebes fest verbunden ist. Die Flüssigkeeitsein-
und -auslässe des Gehäuses 12 sind nicht dargestellt.
-
Auf der Kraftabgabewelle N und mit dieser durch eine Keilverzahnung
14 A verbunden sitzt ein Kupp-
lungsglied 14 einer Klauenkupplung, das mit
Hilfe eines Schalthebels 17 axial verschiebbar ist, bis es mit einem an dem
Gehäuse 12 der Flüssigkeitskupplung
vorgesehenen Kupplungsglied
13 in Eingriff kommt, um die Krafteinleitungswelle K direkt mit der Kraftabgabewelle
N des Getriebes zu kuppeln.
-
Wenn sich der Zug in Bewegung setzt, ist der Drehmomentwandler
18 gefüllt, während der mechanische Kraftübertragungsweg bis zu dem Augenblick,
in dem der Zug 70 % seiner Höchstgeschwindigkeit erreicht hat, vollständig
unterbrochen ist. Wenn diese Geschwindigkeit erreicht ist, laufen die beiden in
Eingriff zu bringenden Teile der mechanischen Kupplung 13,
14 mit verschiedener
Geschwindigkeit. Der mit der Antriebsmaschine verbundene Eingangsteil der Flüssigkeitskupplung
19 läuft mit 100 1/o Drehzahl, während ihr Ausgangsteil nur mit
70 1/a Drehzahl läuft. Um von dem hydrodynamischen Drehmornentwandler
18 auf die mechanische Kupplung 13, 14 zu schalten, wird der Zustrom
der Flüssigkeit zu dem Drehmomentwandler 18 unterbrochen und der Zutritt
der Flüssigkeit zum Gehäuse 12 der mit der mechanischen Kupplung 13, 14 verbundenen
Flüssigkeitskupplung 19 geöffnet. Diese Flüssigkeitskupplungr 19 hat
einen hohen Schlupf, beispieAsweise 15%. Wie bekannt, ist eine Flüssigkeitskupplung
mit 15 % Schlupf wesentlich kleiner und wesentlich leichter als eine übliche
Flüssigkeitskupplung mit nur etwa 41/o Schlupf. Eine 15%ige Schlupfkupplung ist
in ihrer Wirkung sehr weich. Wenn Flüssigkeit in sie eingelassen wird, tritt sie
also sehr weich, ohne jede Stoßbeanspruchung ihrer Teile, in Wirkung. Durch die
Anwendung dieser kleinen Kupplung mit hohem Schlupf werden beim Schienenfahrzeug
somit folgende Vorteile erreicht: 1. Die Größe der Flüssigkeitskupplung
19 und ihr Gewicht und damit das Gewicht des Getriebes wird verringert. Die
Konstruktion ist einfach und platzsparend, was für Lokomotivgetriebe wichtig ist.
-
2. Die Umschaltung vom Drehmomentwandler 18
auf die Flüssigkeitskupplung
19 ergibt selbst dann, wenn sie in der geringstmöglichen Zeit ausgeführt
wird, keine Stoßbeanspruchung von irgendwelchen Getriebeteilen, da die sehr hohen
Schlupf aufweisende Flüssigkeitskupplung 19
immer nur sehr weich eingreift.
Es tritt 'keine Unterbrechung der Zugkraft ein, und die Umschaltung wird ausgeführt,
während die Dieselmaschine mit voller Leistung und Drehzahl läuft.
-
3. Da die Flüssigkeitskupplung 19 hohen Schlupf
besitzt
ist es nicht weiter wichtig, daß, wie bei bekannten Getrieben, der Drehmomentwandler
18 schnell geleert und die Flüssigkeitskupplung 19 langsam gefüllt
wird, um sicherzustellen, daß nicht zwei Kraftübertragungswege mitverschiedeneu
übersetzungsverhältnissen gegeneinanderarbeiten. Damit wird eine genaue Zeitregelung
für das Füllen und Leeren der beiden Flüssigkeitskreisläufe und das damit verbundene
komplizierte Steuergestänge erspart, weil die, Gefahr der Zerstörung irgendwelcher
Teile, die davon herrühren könnte, daß beide Flüssigkeitskreisläufe gleichzeitig
gefüllt werden und gegeneinanderarbeiten, durch die Verwendung der ungewöhnlich
weich arbeitenden Flüssigkeitskupplung 19 mit hohem Schlupf praktisch ausg geschlossen
ist. Andererseits tritt keine Unterbrechung des Leistungsflusses ein, so daß die
Brennkraftmaschine nicht plötzlich entlastet wird und dadurch beim Umschalten beschleunigt,
welche Gefahr bei den meisten bekannten Getrieben vorhanden ist. Die Antriebsmaschine
wird niemals entlastet, da, bevor der Drehmomentwandler 18 vollständig geleert
ist, die Flüssigkeitskupplung 19 bereits in Wirkung getreten ist und ihrerseits
die Antriebsmaschine belastet.
-
Es ist daher ersichtlich, daß bei Anwendung des Getriebes nach der
Erfindung das Umschalten von einem Kraftübertragungsweg auf den anderen weich, ohne
Unterbrechung der Zugkraft ausgeführt werden kann, ohne daß es notwendig ist, genau
abgestimmte und empfindliche Regeleinrichtungen für das Füllen und Entleeren der
verschiedenen Flüssigkeitskreisläufe vorzusehen und die Brennkraftmaschine mit einer
sehr empfindlichen und genauen Drehzahlregegeinrichtung auszurüsten. Wenn die Flüssigkeitskupplung
19 gefüllt ist, hat die Kraftabgabewelle N nach wie vor etwa die Drehzahl,
die sie über den Drehmomentwandler 18 und die Zahnräder 3 und
5 erhalten hat, nämlich etwa 70 % der maximalen Drehzahl. Da diese
rehzahl infolge der bewegten Massen des Zuges etwa gleich bleibt, wird durch das
Füllen der Flüssigkeitskupplung 19 die Drehzahl der Brennkraftmaschine auf
etwa 85 % der Maximaldrehzahl weich heruntergebremst. Damit ist zwischen
den beiden miteinander in Eingriff zu bringenden Teilen der mechanischen Kupplung
eine teilweise Synchronisation erreicht. Der noch vorhandene Drehzahlunterschied
gibt beim Einrücken der mechanischen Kupplung 13, 14 keine unzulässig hohe
Stoßb--lastung des Getriebes mehr.
-
Wenn die mechanische Kupplung 13, 14, was vorzuziehen ist,
als Scheibenkupplung ausgebildet wird, ist es nicht mehr notwendig, sie sehr schnell
zum Eingriff zu bringen, um eine übermäßige Abnutzung der Kupplungsscheiben zu vermeiden,
oder sehr langsam zu schalten, um eine Stoßbelastung zu vermeiden. Die Gründe hierfür
sind folgende: 1. Durch die teilweise Synchronisation ist der Unterschied
zwischen den Drehzahlen von Krafteinleitungswelle K und Kraftabgabewelle
N bereits auf 15 ()/o verringert. Der Schlupf zwischen den Teilen
der Flüssigkeitskupplung 19 ist daher wesentlich geringer.
-
2. Da durch die teilweise Synchronisation das Schleifen der Kupplungsscheiben
bei wesentlich geringeren Drehzahldifferenzen auftritt, ist die Abnutzung der Kupplungsscheiben
wesentlich geringer. Dadurch wird ihre Lebensdauer auf einen Zeitraum vergrößert,
welcher von den Eisenbahnverwaltungen noch als kürzesterüberholungsintervall für
zulässig angesehen wird.
-
3. Wenn die Kupplungsseheiben in Eingriff gebracht werden,
wird über die Flüssigkeitskupplung 19
bereits ein Drehmoment übertragen. Die
Kupplungsscheiben haben also nur ein zusätzliches Drehmoment zu übertragen. In dem
Maß, wie das Drehmoment von den Kupplungsscheiben übernommen wird, wird das durch
die Flüssigkeitskupplung 19 zu übertragende Drehmoment entsprechend verringert.
Wenn aber das auf die Flüssigkeitskupplung 19 zu über-tragende Drehmoment
verringert wird, nimmt auch der Schlupf der Flüssigkeitskupplung 19 ab, so
daß die Flüssigkeitskupplung 19 zur schnellen Synchronisation von Krafteinleitungswelle
K und Kraftabgabewelle N beiträgt, und zwar in dem Maße, wie das durch die
Scheibenkupplung übertragende C,
Drehmoment wächst. Damit wirkt
die einen hohen Schlupf aufweisende Flüssigkeitskupplung 19 anfangs als Mittel
zur teilweisen Synchronisation und später, bis zum Augenblick des vollständigen
Eingriffs der Scheibenkupplung, in Kombination mit dieser als Mittel zur vollen
Synchronisation.
-
Es ist daher ersichtlich, daß der Einbau einer Flüssigkeitskupplung
von geringem Wirkungsgrad und hohem Schlupf, deren Verwendung für sich allein als
völlig ungeeignet angesehen werden muß, in Verbindung mit einer einfachen Scheibenkupplung,
die ebenfalls eine ungeeignete Kupplung für Getriebe von Lokomotiven hoher Leistung
darstellt, in ein Wechselgetriebe erhebliche Vorteile gegenüber bekannten Lokomotivwechselgetrieben
aufweist. Ein solches Getriebe besitzt einen ungewönlich hohen Wirkungsgrad der
Kraftübertragung in dem Kraftübertragungsweg, der für den Betrieb im Geschwindigkeitsbereich
von 70-90 % der Maximalgeschwindigkeit dient und in welchem der meiste Kraftstoff
verbraucht wird.
-
Auch wenn als mechanische Kupplung eine Klauenkupplung statt der Scheibenkupplung
vorgesehen wird, wird ein merklicher technischer Fortschritt erzielt. Ihre Verwendung
bereitet keine Schwierigkeiten, da konstruktive Ausbildungen von Klauenkupplungen
bekannt sind, mit welchen zwei Wellen mit einem Drehzahlunterschied von maximal
etwa 15 % miteinander gekuppelt werden können.
-
Es ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße. Getriebe für Lokomotiven
alle Vorteile einer anfänglichen hohen Drehmomentübersetzung über einen hydrodynamischen
Drehinomentwandler und bei hoher Geschwindigkeit die Vorteile einer direkten Kraftübertragung
aufweist.