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Hydromechanisches Verbundgetriebe Die Erfindung betrifft ein hydromechanisches
Verbundgetriebe mit einer An- und Abtriebswelle, bestehend aus einem hydrostatischen
Getriebe, dessen Primärteil mit dem Sekundärteil über ein Umlaufrädergetriebe in
Verbindung steht, wobei sowohl die Zvlindertrommel des Primärteils als auch das
Sonnenr#d des Umlaufrädergetriebes drehfest auf der Antriebswelle angeordnet sind.
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Bei einem bekannten Getriebe dieser Bauart (deutsche Patentschrift
862 538) ist der Planetenradträger mit dem Sekundärteil des hydrostatischen
Getriebes drehfest verbunden. Das Hohlrad des Planetenrädergetriebes ist am feststehenden
Gehäuse angeschraubt, und die Antriebselemente von Primär-und Sekundärteil des hydrostatischen
Getriebes sind fest mit der Abtriebswelle verbunden. Dies hat zur Folge, daß die
Planetenräder ständig, d. h. auch bei direktem Gang, wenn die Drehzahl der
Antriebswelle und der Abtriebswelle gleich groß ist, in Drehung sind. Eine solche
Drehung muß stattfinden, da das Hohlrad auf jeden Fall feststeht und die Planetenräder
daher bei sich drehender Antriebswelle mit aufgekeiltem Sonnenrad am Hohlrad abrollen
müssen. Das Planetenrädergetriebe ist daher ständig, d. h. auch bei direktem
Gang, eine Geräuschquelle und nutzt sich außerdem verhältnismäßig stark ab. Durch
die ständige Zahnradreibung beeinträchtigt es den Wirkungsgrad des Getriebes auch
bei direktem Antrieb. Ferner muß das hydrostatische Getriebe verhältnismäßig groß
dimensioniert sein, da es in den beiden Grenzstellungen der möglichen übersetzungen
jeweils das gesamte Drehmoment übertragen muß. Bei direktem Gang wird der Primärteil
des hydrostatischen Getriebes drehfest mit der Abtriebswelle verbunden und überträgt
dabei das gesamte Motordrehmoment auf die Abtriebswelle. Entsprechend wird bei größter
Untersetzung das gesamte Motordrehmoment über den Sekundärteil und das Planetenrädergetriebe
auf die Abtriebswelle übertragen.
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Es ist weiterhin ein hydromechanisches Verbundgetriebe bekannt (deutsche
Patentschrift 820 695),
das zwei Planetenrädergetriebe g mit jeweils doppelten
Planetenrädern enthält. Durch diese zwei Planetenrädergetriebe besitzt dieses bekannte
Verbundgetriebe verhältnismäßig viele Einzelteile und ist deshalb teuer in der Herstellung.
Außerdem erfordert das zweite Planetenrädergetriebe einen zusätzlichen Platzbedarf,
so daß das bekannte Verbundgetriebe eine größere Baugröße aufweist. Im übrigen wird
durch das zweite Planetenrädergetriebe auch der Wirkungsgrad des gesamten Getriebes
verringert.
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Bei einem weiterhin bekannten Verbundgetriebe (französische Patentschrift
915 271) ist dem hydrostatischen Getriebe ein Umlaufrädergetriebe vorgeschaltet,
das zwei Planetenradsätze und zwei Sonnenräder enthält, wobei die Räder zweier Planetenradsätze
zu Zwillingsrädern zusammengefaßt sind. Das Hohlrad des Umlaufrädergetriebes ist
drehfest mit der Getriebeantriebswelle verbunden. Die beiden Sonnenräder stehen
in drehfester Verbindung mit je
einem Element des Primär- bzw. Sekundärteils
des hydrostatischen Getriebes, während die anderen Elemente des Primär- bzw. Sekundärteils
im Getriebegehäuse gelagert sind. Der Planetenradträger des Umlaufrädergetriebes
ist auf der Abtriebswelle aufgekeilt. Dieses bekannte Getriebe unterscheidet sich
grundsätzlich von der erfindungsgemäßen Bauart. Lediglich die drehfeste Verbindung
des Planetenradträuers ist durch dieses bekannte Getriebe offenbart worden. Die
verschiedenen Ausführungsformen dieses bekannten Getriebes haben folgende Nachteile:
Bei einer ersten Ausführungsform kann das übersetzungsverhältnis zwischen zwei Extremwerten
variiert werden, bei denen entweder der Primär- oder der Sekundärteil des hydrostatischen
Getriebes immobilisiert ist. Zwischen diesen Extremwerten gibt es eine Zwischenstellung,
bei denen das übersetzungsverhältnis 1 : 1 ist. Dabei handelt es sich jedoch
nicht um einen eigentlichen Direktgang, denn unter einem Direktgang versteht man,
daß die Getriebeteile selbst an der Kraftübertragung nicht beteiligt sind, sondern
daß das Drehmoment direkt von der An- auf die Abtriebswelle übertragen wird. Bei
einer ersten Ausführungsform dieses Getriebes dreht sich zwar das Umlaufrädergetriebe
als Block, wobei jedoch das hydrostatische Getriebe mit maximaler Flüssigkeitszirkulation
arbeitet
und das gesamte Drehmoment überträgt. Hieraus resultiert der Nachteil, daß bei dem
übersetzungsverhältnis 1 : 1 ein durch die übertragung im Flüssigkeitsgetriebe
bedingter Verlust auftritt, C der C etwa 201/o der gesamten übertragenen Leistung
beträgt. Bei einem regulären Direktgang sollte hingegen außer durch die Lagerreibung
kein Verlust im Getriebe auftreten.
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Bei einer zweiten Ausführungsform des bekannten Getriebes schwankt
das übersetzungsverhältnis zwischen zwei Extremwerten, bei denen zwar keine Kraftübertragung
über das hydrostatische Getriebe erfol 'gt, die jedoch beide untersetzt sind. Das
Einschalten eines Direktganges ist nicht möglich. Ferner gibt es keinen Gang, bei
dem das Umlaufrädergetriebe als Block rotiert. Das Getriebe verursacht daher bei
jedem übersetzungsverhältnis ein erhebliches Geräusch, da bei jedem übersetzungsverhältnis
das Umlaufrädergetriebe ständig in Bewegung ist. Außerdem tritt auch ein entsprechend
hoher Verschleiß ein.
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Auch die weiteren Ausführungsformen dieses bekannten Getriebes haben
wesentliche Nachteile. So ist z. B. bei dem Direktgang das Umlaufrädergetriebe in
ständiger Bewe gung und somit eine erhebliche Geräuschquelle. Das hydrostatische
Getriebe ist erlieblichen Belastungen unterworfen und muß deshalb entsprechend groß
ausgebildet werden. Bei einem weiterhin bekannten hydromechanischen Verbundgetriebe
(britische Patentschrift 787 082) wird bei einem Direktgang die Antriebs-
mit der Abtriebswelle durch eine Reibungskupplung verbunden. Ab-
gesehen davon,
daß eine solche Reibungskupplung einen zusätzlichen baulichen Aufwand und einen
größeren Platzbedarf bedingt, ist eine vollkontinuierliche Veränderun- des übersetzungsverhältnisses
auf diese Weise nicht möglich. Zwischen der am wenisten untersetzten Stufe des hydromechanischen
Verbundgetriebes und der Direktübertragung über die Reibungskupplung tritt nämlich
ein Sprung im Überseuungsverhältnis auf.
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Bei einem anderen bekannten hydromechanischen Verbundgetriebe (USA.-Patentschrift
2 173 855) besteht eine drehfeste Verbindung des Planetenradträgers mit der
Abtriebswelle. Dieses hydromechanische Verbundgetriebe hat jedoch den Nachteil,
daß kein Direktgang erzielbar ist. Ferner ist eine rein mechanische Übertragung
nur für einen Übersetzungswert möglich, während die verlustreiche hy-
draulische
Übertragung bei den oben beschriebenen Getrieben genauso wie beim Erfindungsgegenstand
für die beiden extremen übersetzungswerte ausgeschaltet ist.
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Schließlich ist noch ein Flüssigkeits-Wechselgetriebe bekannt (deutsche
Patentschrift 222 301), bei dem jedoch kein Umlaufrädergetriebe zur Leistungsverzweigung
vorgesehen ist. Aus diesem Grund ist dieses bekannte Wechselgetriebe für größere
Ausführungen und Leistungen nicht mehr geeignet. Die erforderlichen Schwenklager
der Taumelscheiben würden nämlich für größere Leistungen eine erhebliche Bauaröße
erfordern, so daß das Getriebe zu klobi- wird.
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Dieses bekannte Flüssigkeits-Wechselgetriebe bildet wohl den Ausgangspunkt
für sämtliche weiteren oben i beschriebenen hydromechanischen Verbundgetriebe, bei
denen Planetenradgetriebe zwecks Leistungsver-zweigung vorgesehen sind. Die
Vielzahl der bekannten hydrostatischen Verbundgetriebe mit Leistungsverzweigung
zeigt das jahrelange Bemühen der Fachwelt, auch diese Getriebe in bezug auf ihren
Wirkungsgrad, ihre Baugröße, ihre Weiterentwicklung und übertragbare Leistung zu
verbessern. Wurde jedoch ein Getriebe in einem oder mehreren der oben aufgezeigten
Punkte verbessert, so wies es wieder in anderen Punkten erhebliche Nachteile auf,
die oben ausführlich beschrieben worden sind. Trotz der vielfältigen Bemühungen
der Fachwelt war es bisher nicht gelungen, ein hydromechanisches Verbund-,-etriebe
zu schaffen, welches sämtliche Vorteile des Erfindungsgegenstandes in sich vereinigt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hydromechanisches Verbundgetriebe
zu schaffen, das sich durch eine besondere Geräuscharmut, eine Verschleißverringerung,
einer Verbesserung des hydraulischen Wirkungsgrades, einen besonders einfachen Aufbau
und eine gedrängte Bauart auszeichnet.
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Dies wird bei einem hydromechanischen Verbund-Cretriebe nach der eingangs
erwähnten Bauart erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß in an sich bekannter Weise
der Planetenradträger des Umlaufrädergetriebes drehfest mit der Antriebswelle, das
Hohlrad des Umlaufrädergetriebes sowohl mit der Taumelscheibe des Primärteils als
auch mit der Taumelscheibe des Sekundärteils und die Zylindertrommel des Sekundärteils
in an sich bekannter Weise feststehend angeordnet und deshalb mit dem Getriebegehäuse
drehfest verbunden ist. Durch diese besondere Verbindung des mechanischen Getriebes
mit dem hydrostatischen Teil wird erreicht, daß bei Direktgang das Planetenrädergetriebe
stillsteht. Es dreht sich dann die Antriebswelle mit den beiden Teilen des hydrostatischen
Getriebes und dem Hohlrad als ein Block-, der über den Planetenradträger die Abtriebswelle
mitnimmt. Da hierbei das Planetenrädergetriebe stillsteht, kann es kein Geräusch
verursachen, und außerdem tritt bei direktem Gang auch kein Verschleiß ein. Wegen
der verhältnismäßig geringen Häufigkeit der Planetenräderdrehungen bei einem übersetzungsverhältnis,
das von dem direkten Gang abweicht, wird der Verschleiß des gesamten Getriebes wesentlich
verrin-ert. Auch ist der Wirkungsgrad besser, da bei direktem Gang kein Verlust
in dem Zahnradgetriebe auftritt. Diese Gesichtspunkte fallen besonders ins Gewicht,
wenn man bedenkt, daß die Getriebe von Kraftfahrzeugen bei Autobahnfahrten oder
Fahrten auf anderen Fernverkehrsstraßen häufig lange Zeit auf direkte Kraftübertragung
geschaltet sind. Die beiden Teile des hydrostatischen Getriebes können beim Erfindungsgegenstand
wesentlich kleiner gehalten werden als bei C, den vorbekannten Verbundgetrieben.
Betrachtet man die beiden Extreinstellungen der möglichen Übersetzungen. so überträgt
der Primärteil des hydrostatischen Getriebes sein maximales Drehmoment, nach dem
seine Größe bemessen werden muß, bei direktem Gang. Dieses Moment ist das gleiche,
das bei direktem Gang eine Relativdrehung des Sonnenrades und des Hohlrades verhindert.
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Auf Grund des bekannten Kräftegleichgewichts im Planetenrädergetriebe
beträgt dieses Moment nur einen Teil des Motordrehmoments. Die maximale Belastung
des Sekundärteils des hydrostatischen Getriebes tritt bei dem erfindungsgemäßen
Getriebe dann auf, wenn es auf größte Untersetzung geschaltet ist. Das hierbei zu
übertra-ende Moment ist gleich C
dem Unterschied zwischen
dem- Eintritts- und dem Austrittsmoment, d. h. also gleich dem im Getriebe
aufzunehmenden Reaktionsmoment. Auch dieses ist erheblich kleiner als das Motordrehmoment.
Nimmt man beispielsweise an, daß das Getriebe eine Untersetzung von 1 : 3
bewirken soll, dann überträgt der Sekundärteil ein Drehmoment, das nur zwei Drittel
so groß ist wie das Drehmoment des entsprechenden Sekundärteils bei dem eingangs
erwähnten bekannten Getriebe. Infolge dieser geringeren Belastung kann insbesondere
das hydrostatische Getriebe kleiner ausgebildet werden, wodurch die Baugröße des
gesamten Getriebes verringert wird. Außerdem tritt hierdurch auch eine Gewichtsverminderung
und eine Verringerung des Platzbedarfes bei Herabsetzung der Herstellungskosten
ein. Der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Getriebes ist auch deshalb besonders
hoch, weil nur ein geringer Bruchteil der Gesamtleitung hydraulisch übertragen wird.
Dieser Bruchteil schwankt bei einem Getriebe mit einem maximalen übersetzuna,sverhältnis
von 1 : 3 zwischen 0 1/o und 33"/o. Schließlich ist die Änderung des
übersetzungsverhältnisses bei dem Getriebe nach der Erfindung über den gesamten
Bereich kontinuierlich. Ein Sprung beim Einschalten des Direktganges tritt nicht
auf.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese nachfolgend an Hand
eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, und
zwar zeigt F i g. 1 in schematischer Darstellung die Anordnung der Teile
eines erfindungsgemäßen Getriebes, F i g. 2 eine beispielsweise Ausführungsform
im Schnitt unterVerwendung eines Axialkolbengetriebes. In F i g. 1 ist mit
1 die Antriebswelle des Getriebes bezeichnet, die einerseits das Sonnenrad
2 eines einfachen Planetenrädersatzes trägt und andererseits das Antriebselement
3 des Primärteils 4 eines hydrostatischen Getriebes 4, 8. Das Abtriebselement
5 des Primärteils 4 ist mit dem Hohlrad 6 des Planetenrädersatzes
und mit dem Antriebselement 7 des Sekundärteils 8 fest verbunden,
das ein feststehendes Abtriebselement 9 aufweist.
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Die Planetenräder 10, welche in beliebiger Zahl vorgesehen
sein können, stehen gleichzeitig mit dem Sonnenrad 2 und mit dem Hohlrad
6 im Eingriff und sind durch einen Planetenradträger 11 gelagert,
der mit der Abtriebswelle 12 fest verbunden ist. Der Primärteil 4 und der Sekundärteil
8 stehen über nicht dargestellte Leitungen in einem geschlossenen
hy-
draulischen Kreislauf miteinander in Verbindung.
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In F i g. 2 ist als Ausführungsbeispiel für ein hydrostatisches
Getriebe ein Axialkolbengetriebe gezeigt. Die mit dem in F i g. 1 dargestellten
schematischen Getriebe übereinstimmenden Teile sind mit denselben Bezugszeichen
bezeichnet worden. Die auf der Antriebsachse 1 aufgekeilte Zylindertrommel
3
hütet das Antriebselement des Primärteils des hydraulischen Getriebes. Die
Taumelscheibe 5, welche sich an dem Kolben 15 abstützt, ist das Abtriebselement
des Primärteils. Die Taumelscheibe 5 ist in der glockenförmigen Verlängerung
6' des Hohlrades 6
schwenkbar um die Achse 5' gelagert.
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Der Sekundärteil des hydrostatischen Getriebes wird durch eine entsprechende
Taumelscheibe 7 gebildet, die ebenfalls um eine Achse 7' in einer
Glocke 19 verschwenkbar gelagert ist. Die Glocke 19 ist über die Verteilerplatte
13 mit der Glocke 6' verbunden. Der Abtriebsteil des Sekundärteils
8 wird durch eine gleichartige Zylindertrommel 9 gebildet, in welcher
die Kolben 14 verschiebbar angeordnet sind, die sich seinerseits an der Taumelscheibe
7 abstützen. über die Leitungen 16 und die Kanäle 17 stehen
die beiden Zylindertrommeln 3 und 9 miteinander in Verbindung. Die
Zylindertrommel 9 ist mit dem Getriebegehäuse fest verbunden und somit feststehend
angeordnet.
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Eine Veränderung des übersetzungsverhältnisses geschieht durch Einwirkung
auf die Neigung der Taumelscheiben 5 und 7. Diese Taumelscheiben,
die in dem gleichen durch die Glocken 6' und 19 gebildeten Gehäuse
gelagert sind, sind mechanisch so verbunden, daß die eine Taumelscheibe eine maximale
Neigung hat, während die andere die Neigung Null hat, und umgekehrt. Die Steuerung
der beiden Taumelscheiben kann durch ein beliebiges geeignetes mechanisches oder
hydraulisches System erfolgen, wobei jedoch ein von der Glocke 19 getragener
und aus dem feststehenden Gehäuse 18 gespeister Hydraulikkolben bevorzugt
wird, der von einem gesonderten hvdrauliscben Kreislauf gespeist wird. Dieser hydraulische
Kreislauf kann auch dazu verwendet werden, die Leckverluste des hydrostatischen
Getriebes zu ergänzen.
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Die Arbeitsweise des neuen Verbundgetriebes ist wie folgt: Der am
stärksten untersetzte der beiden rein mechanischen Gänge wird dadurch erzielt, daß
die Förderung des Primärteils 4 auf Null eingestellt wird. Dies erfolgt dadurch,
daß man die Taumelscheibe 5 parallel zur Zylindertrommel 3 einstellt.
Der Sekundärteil muß dann so eingestellt werden, daß er auf eine Förderung ansprechen
würde; er wird zweckmäßig auf die maximale Förderleistung eingestellt. Dies erfolgt
dadurch, daß die Taumelscheibe 7 gegenüber der Zylindertrommel
9 auf größtmögliche Neigung eingestellt wird. Wie bereits oben erwähnt wurde,
können die beiden Taumelscheiben 5 und 7 so miteinander gekuppelt
sein, daß die Taumelscheibe 5 ihre größtmögliche Neigung einnimmt, dann,
wenn die Taumelscheibe 5 parallel zu ihrer Zvlindertrommel 3 steht,
und umgekehrt.
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Unter äiesen Bedingungen bleiben, da keine Flüssigkeitsförderung von
dem Primärteil in den Sekundärteil erfolgt, die Taumelscheibe 7 und damit
das Hohlrad 6 im Stillstand. Durch den Primärteil 4 wird kein Drehmoment
übertragen, so daß die Leistungsübertragung auf rein mechanischem Wege von der Welle
1 auf die Welle 12 über das Planetenrädera .,etriebe in dem übersetzungsverhältnis
übertragen wird. das sich aus den jeweiligen Abmessungen der Zahnräder ergibt.
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Der Sekundärteil 7,9 nimmt nur einen Bruchteil des Abtriebsdrehmoments
auf, der gleich dem Unterschied zwischen dem Antriebs- und dem Abtriebsdrehmoment
ist, d. h. maximal etwa drei Viertel des Abtriebsanfahrdrehmoments bei einem
für Kraftfahrzeuge gebauten Getriebe.
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Der rein mechanische, direkte Gang, wird dadurch erhalten, daß die
Förderung des Sekundärteils 8 auf Null eingestellt wird und gleichzeitig
die Förderung des Primärteils auf ein Maximum. Unter diesen Bedingungen ist ebenfalls
keine Flüssigkeitsförderung möglich, so daß die Teile 3 und 5 drehfest
miteinander verbunden sind. Auf den Sekundärteil wird jedoch kein Drehmoment übertragen.
Da durch die Taumelscheibe 5 das Hohlrad 6 gegenüber dem Sonnenrad
2 arretiert ist, dreht sich das ganze Planetenradgetriebe
als ein
Block ohne relative Drehung seiner Zahnräder. Das Zahnrädergetriebe verursacht also
bei direktem Gang keinerlei Zahngeräusch und ist außerdem keiner Abnutzung unterworfen.
Gleichzeitig entsteht auch kein Wirkungsgradverlust.
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Der Primärteil nimmt hierbei auch nur einen Teil des Motor- oder Antriebsdrehmoments
auf, der bei einem für Kraftfahrzeuge ausgebildeten Getriebe maximal drei Viertel
des Motordrehmoments ist.
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Bei allen anderen zwischen der geringsten übersetzung und dem Direktgang
liegenden übersetzungsverhältnissen dreht sich aus dem Hohlrad 6 und den
Taumelselieiben 5 und 7 des hydrostatischen Getriebes bestehende Aggregat
im gleichen Sinne wie die Antriebswelle 1, jedoch mit geringerer Drehzahl.
Der Primärteil wirkt unter der relativen Drehung seiner Zylindertrommel
3 gegenüber der Taumelscheibe 5 als Pumpe und fördert über die Kanäle
16,
17 Flüssigkeit in die Zylindertrommel 9 des Sekundärteils.
Dieses wirkt als hydraulischer Motor und erteilt damit über seine Taumelscheibe
7 dem Hohlrad 6 ein positives Drehmoment. Die dem Hohlrad über die
Taumelscheiben 5 und 7 übermittelten Drehmomente setzen dieses im
Antriebssinn in Drehung. Die auf der Abtriebswelle erhaltene übersetzung liegt hinsichtlich
Drehzahl und Drehmoment zwischen dem direkten Gang und der maximalen Untersetzung
des Planetenrädergetriebes.
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Die Regelung der beiden Teile des hydrostatischen Getriebes, welche
über die Taumelscheiben 5, 7 erfolgt, kann auch derart geschehen, daß das
Gesamtübersetzungsverhältnis die Grenzwerte überschreitet, welche durch die beiden
rein mechanischen Gänge gebildet werden. Beispielsweise kann eine größere übersetzung
als diejenige des Planetenrädergetriebes dadurch erreicht werden, daß das Hohlrad
gegenüber dem Drehsinn der Antriebswelle nach rückwärts in Drehung versetzt wird.
Unter diesen Bedingungen arbeitet der Sekundärteil 7, 9 des hydrostatischen
Getriebes als Pumpe und der Primärteil als hydraulischer Motor. Abschließend sei
angeführt, daß es auch möglich wäre, an Stelle des beschriebenen Axialkolbengetriebes
ein anderes hydrostatisches Getriebe zu verwenden.