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Die Erfindung betrifft ein stufenlos steuerbares Plantengetriebe mit
Leistungsverzweigung über mindestens zwei miteinander verbundene, umsteuerbare Wandler
für mindestens drei Drehzahlbereiche, in welchen die Leistungsverzweigung progressiv
über die Wandler erfolgt, wobei jeweils beim Ubergang von einem Drehzahlbereich
auf den benachbarten ein Wandler mittels Kupplungen zum synchronisierten Verbinden
des anderen Wandlers mit dem Planetengetriebe blockiert ist.
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Derartige Getriebeanordnungen werden dort eingesetzt, wo eine Ubertragung
hoher Leistungen mit stufenloser Drehzahländerung erwünscht ist. Dementsprechend
kommen als Anwendungsgebiete sämtliche schweren Fahrzeuge, z. B. Lastwagen, Baumaschinen,
Panzerwagen und vor allen Diesellokomotiven in Betracht. Ferner sind stationäre
Anwendungen, z. B. Kesselspeisepumpen in Dampfkraftwerken, denkbar.
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Bei den bisher bekannten Verzweigungsgetrieben erfolgt die Leistungsverzweigung
über umsteuerbare, hydraulische Wandlerelemente, die, je nachdem, ob sie aus dem
mechanischen Teil des Getriebes Energie aufnehmen oder ihm Energie zuführen, als
Pumpe oder als Motor arbeiten. Diese hydraulischen Elemente ermöglichen die stufenlose
Veränderung des Übersetzungsverhältnisses des Planetengetriebes durch Einwirken
auf die Reaktionsorgane dieses Getriebes.
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Da der Wirkungsgrad der hydraulischen Elemente im Verhältnis zum mechanischen
Teil des Getriebes gering ist, hat man zum Erzielen eines guten Gesamtwirkungsgrads
versucht, einen möglichst geringen Teil der Leistung hydraulisch abzuzweigen. Zu
diesem Zweck wurde eine progressive Leistungsverzweigung in verschiedenen jeweils
beschränkten Drehzahlbereichen vorgeschlagen, um den Betrieb der Wandler mit verhältnismäßig
günstigem Wirkungsgrad zu erlauben. So ist beispielsweise (deutsche Patentschrift
555 298) ein Stufenrädergetriebe in Verbindung mit einem einfachen Differentialgetriebe
bekannt, bei dem ein hydraulischer Wandler zum Überbrücken der Stufensprünge verwendet
wird. Eine solche Anordnung erfüllt jedoch nicht die Forderung der stufenlosen Drehzahlveränderung
zwischen der Eingangs-und Ausgangswelle des Getriebes über seinen gesamten Drehzahlbereich,
da das Schalten von einer Stufe des Getriebes zur anderen nach wie vor unter Zuhilfenahme
einer Kupplung erfolgen muß und somit jeweils eine unerwünschte Unterbrechung der
Drehmomentübertragung bei den Schaltpunkten auftritt.
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Es ist ferner bekannt (britische Patentschrift 734 540), ein Planetengetriebe
mit dreifachen Planeten in Verbindung mit umsteuerbaren hydraulischen Wandlern von
konstantem Durchsatz vorzusehen, wobei der hydraulische Druck in den Wandlern mittels
einer Bypass-Drosselung geregelt wird. Eine solche Regelung ohne eine kraftschlüssige,
hydraulische Verbindung der Wandlerelemente erfüllt jedoch nicht die Forderung der
eindeutig koordinierend wirkenden Drehzahl- und Drehmomentwandlung in jedem Betriebspunkt
des Getriebes. Es ist auch nicht ohne weiteres möglich, dieses bekannte Verzweigungsgetriebe
zum Erzielen von verschiedenen Drehzahlbereichen zu verwenden, in denen die Wandlerelemente
wahlweise mit der Eingangs- bzw. Ausgangswelle und mit den verschiedenen Reaktionsorganen
zu kuppeln sind, um eine stufenlose Drehzahlveränderung mit hohem Gesamtwirkungsgrad
und ohne Unterbrechung der Drehmomentübertragung im ganzen Drehzahlbereich des Getriebes
zu erzielen.
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Bei einem weiteren (USA.-Patentschrift 2 939 342) stufenlos steuerbaren
Planetengetriebe erfolgt die Leistungsverzweigung progressiv in drei Drehzahlbereichen
über zwei miteinander verbundene, umsteuerbare, hydraulische Wandler, wobei jeweils
beim Ubergang von einem Drehzahlbereich auf den benachbarten ein Wandler mittels
Kupplungen zum synchronisierten Verbinden des anderen Wandlers mit dem Planetengetriebe
blockiert ist. Obwohl dieses bekannte Verzweigungsgetriebe die Vermeidung der obengenannten
Mängel anderer bekannter Getriebe erlaubt, wird dies auf Kosten einer äußerst komplizierten
und umfangreichen Bauweise des mechanischen Teils der Vorrichtung erzielt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die vorstehend aufgezeigten Mängel zu
beheben und ein stufenlos steuerbares Planetengetriebe mit Leistungsverzweigung
zu schaffen, das einen guten Wirkungsgrad sowie einen einfachen Aufbau mit geringem
Gewicht aufweist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Planetengetriebe der eingangs genannten
Gattung in der Weise ausgebildet, daß es dreifache Planetenräder und drei Sonnenräder
aufweist, wobei ein Sonnenrad mit der Antriebswelle und ein zweites Sonnenrad mit
der Abtriebswelle drehfest verbunden ist, und daß die Kupplungen den einen Wandler
im ersten und zweiten Drehzahlbereich mit dem dritten Sonnenrad und im dritten Drehzahlbereich
mit der Antriebswelle verbinden und den anderen Wandler im ersten Drehzahlbereich
mit der Abtriebswelle und im zweiten und dritten Drehzahlbereich mit dem Planetenträger
verbinden.
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Im Gegensatz zu den bekannten Aggregaten mit gleicher Aufgabe ist
die Anordnung der Planetenräder bei dem Planetengetriebe nach der Erfindung ziemlich
einfach. Es sind nur drei Sonnenräder mit Außenverzahnung, drei Planetenräder und
ein Planetenträger vorgesehen, wobei noch zwei der drei Sonnenräder drehfest mit
der Eingangs- bzw. Ausgangswelle verbunden sind. Daß eine derart einfache Planetenanordnung
überhaupt zur Lösung der gestellten Aufgabe geeignet ist, wird nur durch die besondere,
oben herausgestellte Anordnung und Reihenfolge der Kupplungen ermöglicht. Dadurch
kann in den drei Arbeitsbereichen die Welle des einen Wandlerteils entweder mit
der Ausgangswelle oder mit dem Planetenträger und die Welle des anderen Wandlerteils
entweder mit dem dritten Sonnenrad oder mit der Eingangswelle gekuppelt werden.
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Das Planetengetriebe ermöglicht die Übertragung hoher Leistungen bei
stufenloser Drehzahlveränderung, und zwar tnit einem hohen Wirkungsgrad. Hierzu
sind jedoch nur einfache Mittel und ein geringer baulicher Aufwand nötig, d. h..
es wird erfindungsgemäß eine technisch und betrieblich optimale Ausführung nicht
durch kostspielige technische und konstruktive Verfeinerung bekannter Vorrichtungen
mit entsprechend größerem Aufwand geschaffen, sondern durch eine Kombination eines
einfachen Planetengetriebes mit wenigstens einem stufenlosen Drehmomentwandler und
vier Kupplungsvorrichtungen.
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Vorzugsweise bestehen die Drehmomentwandler aus zwei Gruppen hydraulisch
parallelgeschalteter hydraulischer Einheiten mit regel- und umsteuerbarem Leistungsfluß,
die in einem Kranz angeordnet
sind. Ferner sind vorzugsweise die
hydraulischen Drehzahlwandler beiderseits der zur geometrischen Achse der Vorrichtung
senkrechten Mittelebene angeordnet.
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Das Aggregat kann weiterhin einen vierten Drehzahlbereich aufweisen,
für den die Energieübertragung von der Eingangswelle auf die Ausgangswelle ausschließlich
durch die Wandler erfolgt.
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In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel des Planetengetriebes
nach der Erfindung dargestellt.
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F i g. 1 ist eine schematische Darstellung des Planetengetriebes nach
der Erfindung; F i g. 2 zeigt einen axialen Schnitt durch eine besondere Ausführungsform
nach der Linie 2-2 in F i g. 3 und 4; F i g. 3 ist ein radialer Schnitt nach der
Linie 3-3 in F i g. 2; F i g. 4 ist eine stirnseitige Ansicht in Richtung des Pfeiles
in F i g. 2 und F i g. 5 ein erläuterndes Diagramm.
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Das als Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellte Planetengetriebe
ist zur Verwendung bei der Zugförderung bestimmt und insbesondere für eine Diesellokomotive
von 4000 PS vorgesehen. Es enthält eine Eingangswelle M und eine Ausgangswelle S,
wobei diese Wellen über ein Planetengetriebe miteinander verbunden sind, das in
einem Planetenradgehäuse C angeordnet ist. Hydraulische Elemente A und B, die einen
stufenlosen Drehmomentwandler bilden, sind an das Plantengetriebe angeschlossen
und werden von einer nicht dargestellten Stellvorrichtung gesteuert, die ein Handrad
oder ein einer von dem jeweiligen Betriebszustand der Lokomotive abhängigen automatischen
Steuerung zugeordnetes sonstiges Organ sein kann.
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Das Planetengetriebe enthält einen Planetenradträger E, der mit Hilfe
einer bei f3 gestrichelt schematisch dargestellten Kupplung mit einem koaxialen
Zahnrad P3 gekuppelt werden kann, das mit einem mit der Welle 5 des hydraulischen
Elements A drehfesten Zahnrad 3 im Eingriff steht. Auf dem Planetenradträger E sind
drei Planetenräder r2, r" z, r, angeordnet, die mit entsprechenden Sonnenrädern
R2, RM bzw. RS im Eingriff stehen. Das Sonnenrad R2 läßt sich mit Hilfe einer der
Kupplung f3 entsprechenden Kupplung f2 mit einem koaxialen Zahnrad P2 kuppeln, das
seinerseits mit einem mit der Welle 6 des hydraulischen Elements B drehfesten Zahnrad
2 im Eingriff steht. Das zweite und das dritte Sonnenrad RM bzw. RS sind mit der
Eingangswelle M bzw. der Ausgangswelle S drehfest verbunden. Die Wellen 5 und 6
der hydraulischen Elemente A und B tragen noch ein Zahnrad 1 bzw. ein Zahnrad 4,
wobei das mit einem koaxialen Ausgangszahnrad P, im Eingriff stehende Zahnrad
1 über eine Kupplung f, an die Ausgangswelle S und das mit einem koaxialen
Eingangszahnrad P4 im Eingriff stehende Zahnrad 4 über eine Kupplung f# (F i g.
1) entsprechend an die Eingangswelle M angeschlossen werden kann. Die hydraulischen
Elemente A und B von bekannter Bauart mit veränderlich schrägstellbarer
Taumelscheibe sind über die Leitung d hydraulisch miteinander gekuppelt und enthalten
je vier hydraulisch parallelgeschaltete Einheiten A', A", A', A"", B',
B", B' und B"", die jeweils an einem Ende des Gehäuses C (F i g. 2 und
4) in einem Kranz angeordnet sind.
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In F i g. 2 sind die verschiedenen in dem Gehäuse C angeordneten mechanischen
Teile, die die gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 1 tragen, ausführlicher dargestellt.
Die Kuuplungen fi, f4 enthalten insbesondere je eine Muffe 7, 7', die beispielsweise
mittels Keilverbindung mit der Ausgangswelle S bzw. der Eingangswelle M drehfest
verbunden sind. Diese Muffen 7, 7' weisen an ihrem Außenumfang Klötzchen 7", 7"'
aus Kupfer auf, die gegenüber entsprechenden Klötzchen 13, 13', ebenfalls aus Kupfer,
umlaufen, welche im Innern eines mit den Zahnrädern P,, P4 fest verbundenen zylindrischen
Flansches angeordnet sind. Diese Anordnung gehört zu einer magnetischen Drehzahl-
und Winkelstellungs-Synchronisiervorrichtung von bekannter Bauart, deren Erregerwicklungen
bei K,, K4 schematisch dargestellt sind.
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Die genutete Innenseite der Muffe 7, 7' kommt mit entsprechenden Nuten
einer durch eine Ringplatte 9,9'
verschlossenen Hülse 8, 8' in Eingriff. Diese
Hülse 8,8'
ist jeweils auf der Welle S, M mit Hilfe einer hydraulischen Steuerung
axial verschiebbar. Zu diesem Zweck ist je ein an jeder Seite durch Druckflüssigkeit
beaufschlagbarer Flansch 10, 10' auf den Wellen S, M angebracht.
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Die Kupplungen f3, f2 enthalten je eine auf ihrer Außenseite genutete
Hülse 11, 11', die durch ein Kugellager 12, 12' mit der Hülse
8, 8' verbunden ist, so daß die Hülsen 8 und 11 bzw. 8' und 11' gegeneinander
drehbar und miteinander axial verschiebbar sind.
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Der Außenumfang der Nabe des Planetenradträgers E des Zahnrades R2
weist Kupferklötzchen entsprechend den Kupferklötzchen der Muffe 7, 7' auf, die
mit entsprechenden, im Innern eines mit dem Zahnrad P3, P2 fest verbundenen Ringflansches
angeordneten ähnlichen Klötzchen zusammenwirken, um gleichfalls eine Drehzahl- und
Winkelstellungs-Synchronisiervorrichtung zu bilden, deren Erregerwicklungen schematisch
veranschaulicht sind.
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Durch Zuführen von Druckflüssigkeit auf der rechten Seite des Flansches
10 werden die Hülsen 8 und 11 nach rechts verschoben, wobei sich die Hülse 8 aus
dem Zahnrad P, löst und die Hülse 11 mit dem Zahnrad P3 in Eingriff kommt. Andererseits
verschiebt sich durch Zuführen von Druckflüssigkeit auf der rechten Seite des Flansches
10' die Hülse 11' mit der Hülse 8' nach rechts, wobei sie sich aus dem Zahnrad P2
löst und die .Hülse 8' mit dem Zahnrad P4 in Eingriff kommt.
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Das Diagramm nach F i g. 5 zeigt den Verlauf der Drehzahl, der Drehmomente
und der in den hydraulischen Elementen A und B abgezweigten Leistungsteile
als Funktion des Quotienten
wobei Ns und Nm jeweils die Drehzahl der Ausgangs-bzw. der Eingangswelle
bedeuten, während @ ein von der Zähnezahl der verschiedenen Zahnräder abhängiger,
als der besondere Wert des Verhältnisses
bei blockiertem Sonnenrad R2 definierter konstruktiver Parameter ist.
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In gleicher Weise bedeuten CA1 und CA3, CB2 und CB4 die durch die
Elemente A bzw. B übertragenen Drehmomente.
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Das Diagramm ist in zwei Arbeitszonen unterteilt. In der als Zone
mit konstanter Leistung bezeichneten Zone wird die auf die Ausgangswelle übertragene
Leistung als konstant angenommen, wobei die Eingangswelle
M mit
ihrer Höchstdrehzahl Nrrb umläuft und das maximale Drehmoment Cno überträgt.
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In der als Zone mit konstantem Drehmoment bezeichneten Zone wird das
auf die Ausgangswelle übertragene Drehmoment als konstant angenommen, wobei die
Drehzahl der Eingangswelle M durch den Quotienten
definiert ist.
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Zur Vereinfachung ist der jeweilige Wirkungsgrad der hydraulischen
Elemente gleich 1 angenommen worden.
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Das Diagramm ist in drei Drehzahlbereiche A 1-B 2, A3-B2, A3-B4 unterteilt.
Für jeden Drehzahlbereich wird für die hydraulischen Elemente A und
B eine einzige Kupplung f, oder f3 bzw. f2 oder f4 verwendet. Die verschiedenen
Drehzahlbereiche ergeben sich aus den verwendeten Kupplungen, wie nachstehend ausgeführt:
A1 B2 fp und f2, A3-B2 f3 und f2, A3--B4 f3 und f4.
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Als Funktion von X wurden in das Diagramm eingetragen 1. Die durch
die Werte
jeweils definierten Drehzahlen der hydraulischen Elemente A und B.
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Hierin sind a und b konstruktive Parameter, die bei blockiertem Zahnrad
R2 bzw. Planetenradträger E gleiche Quotienten
ergeben: ?. die durch die Werte
jeweils definierten, durch die hydraulischen-Elemente A und B übertragenen
Drehmomente; 3. das Verhältnis ;# der hydraulisch verzweigten Leistung zu der auf
die Ausgangswelle übertragenen Leistung.
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Die Arbeitsweise des Planetengetriebes von X = 0 (Anlassen) bis Z
= ?r - 1 (Höchstdrehzahl) ist mit Hilfe des unter Annahme r = 1,8 konstruierten
Diagramms verständlich, wobei r ein ; entsprechender und als Quotient der durch
Blockieren des Planetenradträgers B bzw. des Sonnenrades R2 erhaltenen besonderen
Werte von X definierter konstruktiver Parameter ist.
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Unmittelbar vor dem Anlassen (X = 0, Bereich A 1-B2) ist das
Element A (bei maximaler Schrägstellung seiner Taumelscheibe) auf maximale
Leistungsabgabe pro Umdrehung eingestellt und hydraulisch blockiert, während das
Element B (bei nicht schräggestellter Taumelscheibe) auf Leistungsabgabe Null eingestellt
ist. Die mit dem Element A drehfest verbundene Welle S ist ebenfalls blockiert,
während die Welle M bei einer durch a definierten verringerten Drehzal frei umlaufen
kann.
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Die Drehzahlen der Elemente A und B sind durch
(von b unabhängig) bzw.
(von a = 0,4 abhängig) definiert, was dem Leerlauf des Dieselmotors entspricht.
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Die Drehmomente C.91 und CB2 sind von a nicht abhängig und werden
durch
und
definiert. Bereich A1-B2 Das Element A arbeitet als Motor und das Element
B
als Pumpe. Die hydraulisch verzweigte Leistung y nimmt von I bis auf 0 ab.
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Um die Drehzahlen der Elemente A und B als Funktion von X in der Zone
mit konstantem Drehmoment zu definieren, muß die Beziehung a (X)
festgelegt
werden, beispielsweise derart, daß ein Mindestverbrauch des Dieselmotors erhalten
wird. In der Zone mit konstanter Leistung sind die Drehzahlen der Elemente einwandfrei
definiert. Die Drehzahl des Elements A steigt auf ihren Höchstwert
an, während jene des Elements B bis auf 0 abnimmt. Die durch die Elemente
A und B übertragenen Drehmomente sind im Bereich A 1-B2 definiert,
wobei
bis auf 0 abnimmt und bis auf 0,8 zunimmt.
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An der Stelle X = 1 wird das Element B durch das Element A blockiert,
und der Ubergang auf den zweiten Drehzahlbereich A3-B2 erfolgt durch Umschaltung
von der Kupplung f, auf die Kupplung f3.
Bereich A3-B2 Das Element A arbeitet
nun als Pumpe, deren Drehzahl vom Höchstwert bis auf 0 abnimmt, während das Element
B als Motor arbeitet, dessen Drehzahl, deren Vorzeichen umgekehrt ist, von 0 bis
auf ihren Höchstwert zunimmt. Die hydraulisch verzweigte Leistung y wird in diesem
zweiten Bereich auf einem geringen Wert gehalten. Sie beträgt Null an beiden Enden
des Bereichs und verlängt durch einen Höchstwert von etwa 15"_N.
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An der Stelle X = 1,8 wird das Element A durch das Element
B blockiert, und der Ubergang auf den dritten Drehzahlbereich A3-B4 erfolgt durch
Umschaltung von der Kupplung f2 auf die Kupplung f4. Bereich A3-B4 Das Element A
arbeitet wiederum als Motor, dessen Drehzahl, unter Umkehrung des Vorzeichens, von
0 bis auf ihren Höchstwert zunimmt, während das nun mit der Eingangswelle drehfest
verbundene Element B als Pumpe mit konstanter Drehzahl arbeitet. Die
hydraulisch
verzweigte Leistung bleibt verhältnismäßig gering und nimmt von 0 bis auf einen
Höchstwert von etwa 31 % zu.
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Der Wert r = 1,8 wurde so gewählt, daß man zu einem Kompromiß zwischen
dem Wert von CA 1
zum Zeitpunkt des Anlassens und dem Wert von CB2 in der
Zone
gelangt, wobei die Elemente A und B als miteinander übereinstimmend und aus einer
gleichen Anzahl von Einheiten bestehend angenommen werden.
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Der eindeutig höhere Wert von CA 1 ist gerechtfertigt, und zwar einerseits
dadurch, daß es sich ausschließlich um das Anlassen handelt, und andererseits dadurch,
daß die Drehzal des Elements A in diesem teereich praktisch Null ist.
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Gegebenenfalls kann die Anzahl der Einheiten des Elements A so vermehrt
werden, daß der hydraulische Höchstdruck verringert wird.
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Eine mögliche vierte Kupplungskombination der hydraulischen Elemente
besteht darin, daß man das Element A mit der Ausgangswelle über P1 und das Element
B mit der Eingangswelle über P4, kuppelt. Durch diese Lösung wird das Planetengetriebe
ausgeschaltet. Sie läßt sich für den Rückwärtsgang und für Rangiervorgänge des Fahrzeugs
verwenden.
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Im Diagramm nach F i g. 5 können die besonderen Stellen X = 0,65 und
X = 2,6 beispielsweise einer Geschwindigkeit von 37,5 km: Std. bzw. einer Geschwindigkeit
von 150 km Std. der Lokomotive entsprechen.
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Der Gesamtwirkungsgrad ergibt sich aus den größen- und ausführungsbedingten
Einzelwirkungsgraden des mechanischen und hydraulischen Teils unter Berücksichtigung
von y und ist daher nicht exakt anzugeben. Im mittleren Arbeitsbereich A3-B2 liegt
er aber mit Sicherheit über 90'.". Für das vorliegende Beispiel wurde in diesem
Bereich ein Gesamtwirkungsgrad von 93°%0 ermittelt. Er liegt um etwa 10" t, höher
als der von herkömmlichen Ubertragungsvorrichtungen.
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Da die Umschaltung jedes hydraulischen Elements genau zu dem Zeitpunkt
vorgenommen wird, da das andere Element auf die Leistungsabgabe Null eingestellt
ist, wird die Energieübertragung in keiner Weise gestört, da zu diesem Zeitpunkt
das Getriebe wie ein Wilsongetriebe arbeitet, wobei eine der Wellen hydraulisch
blockiert ist. Die miteinander zu kuppelnden Wellen oder Zahnräder laufen theoretisch
mit gleicher Drehzahl um, jedoch sind die Drehzahlen auf Grund der hydraulischen
Verluste (Lässigkeitsverluste) einander nicht vollkommen gleich, wobei die vorstehend
erörterten Synchronisiervorrichtungen das Erreichen der erstrebten Drehzahl- und
Winkelstellungs-Synchronisation ermöglichen.
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Bei der beschriebenen Vorrichtung wurde angenommen, daß die stufenlosen
Drehzahlwandler hydraulische Elemente sind. Man könnte selbstverständlich auch andere
Arten von Elementen vorsehen, wie beispielsweise Drehmomentwandler mit Treibriemen
oder abwechselnd als Motor oder als Generator arbeitende, umsteuerbare Elektromotoren.
Andererseits könnten die Eingangswelle M und die Ausgangswelle S gegeneinander ausgetauscht
werden, ohne daß sich dadurch die Arbeitsweise der Vorrichtung ändert.