DE19621201A1

DE19621201A1 - Stufenloses Getriebe

Info

Publication number: DE19621201A1
Application number: DE1996121201
Authority: DE
Inventors: Abdul Qayyum Arain; Robert Paton
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1996-05-25
Filing date: 1996-05-25
Publication date: 1997-11-27

Description

Die Erfindung betrifft ein stufenloses Getriebe mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Bei stufenlosen Getrieben mit einem hydrostatischen und einem mechanischen Leistungszweig summiert ein Summierungsgetriebe die Leistung der beiden Leistungszweige und leitet sie gegebenenfalls über ein mechanisches Schaltgetriebe zu einem Fahrzeugantrieb. Ist der mechanische Leistungszweig durch eine Kupplung unterbrochen, überträgt der hydraulische Leistungszweig die gesamte Leistung. Ist der Hydrostat auf Null gestellt, überträgt der mechanische Leistungszweig die gesamte Leistung. Zwischen diesen beiden Betriebspunkten wird die Leistungsaufteilung von der Ansteuerung des Hydrostaten bestimmt und die Abtriebsdrehzahl stufenlos geregelt. Derartige Getriebe werden unter anderem für Traktoren und Arbeitsmaschinen verwendet.

Der Hydrostat besteht aus einer Pumpe und einem hydrostatischen Motor, von denen mindestens eine Einheit, häufig die Pumpe, regelbar ist. Druck und Fördervolumen bzw. Schluckvolumen in der Zeiteinheit bestimmen die Leistung des hydrostatischen Leistungszweigs. Das Verhältnis des Fördervolumens der Pumpe zum Schluckvolumen des hydrostatischen Motors ergibt die Übersetzung oder Wandlung des Hydrostaten.

Je höher die Leistung und je größer der Wandlungsbereich ist, desto größer muß der Hydrostat sein. Hydrostate, insbesondere große Hydrostate, sind zwar gut stufenlos zu regeln, haben aber gegenüber mechanischen Getrieben einen schlechteren Wirkungsgrad und erfordern einen höheren Bauaufwand. Um den Hydrostaten klein zu halten, wird der Gesamtübersetzungsbereich des Getriebes durch ein mehrstufiges Schaltgetriebe in mehrere Vorwärts- und Rückwärtsfahrbereiche unterteilt. In jedem Fahrbereich durchfährt der Hydrostat seinen gesamten Verstellbereich vom Maximum zum Minimum oder umgekehrt. In den Endstellungen erreichen die zu schaltenden Schaltelemente des Schaltgetriebes Synchrondrehzahl, so daß ruckfrei geschaltet werden kann.

Der Schaltungsaufwand wächst mit der Anzahl der Schaltstufen, da hiermit auch die Anzahl der Schaltelemente zunimmt. In der Regel verwendet man kraftschlüssige Schaltelemente in Form von nassen Lamellenkupplungen oder -bremsen, die von hydraulischen Betätigungseinrichtungen mit Kolben und zahlreichen Dichtelementen geschaltet werden. Ihre Leerlaufverluste sind relativ groß, weil das Öl zwischen den Lamellen Schleppmomente verursacht. Verwendet man dagegen formschlüssige Kupplungen in Form von Klauenkupplungen, leidet trotz der Synchrondrehzahlen im Schaltzeitpunkt die Schaltqualität, insbesondere bei Arbeitsmaschinen.

Ferner erreicht oder durchläuft der Hydrostat einmal in jedem Bereich die Nullstellung, in der die gesamte Leistung mechanisch mit dem bestem Wirkungsgrad übertragen wird. Daher werden die Getriebe so ausgelegt, daß Betriebspunkte, in denen das Getriebe sehr lange betrieben wird, in Drehzahlbereichen des Getriebes mit einem hohen mechanischen Übertragungsanteil der Leistung liegen. Durch diese Maßnahme und durch zahlreiche Fahrbereiche erhält man Getriebe mit günstigen Wirkungsgraden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Systemwirkungsgrad des Getriebes und die Schaltqualität zu verbessern sowie die Anzahl der verschleißbehafteten, bewegten Dichtelemente, insbesondere der Kolbenringe, zu verringern.

Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die Erfindung wird ein hydrostatisch-mechanisches, leistungsverzweigtes Getriebe mit mehreren, vorzugsweise mit vier Vorwärtsfahrbereichen geschaffen. Dadurch kann der Hydrostat klein gehalten werden. Die hydraulischen Verluste sind gering. Die Anzahl der lastschaltbaren Schaltelement ist trotzdem gering, da für Schaltungen im Schaltgetriebe formschlüssige Kupplungen in Form von synchronisierten Klauenkupplungen verwendet werden. Zum einen reduziert sich dadurch der Bauaufwand, zum anderen vermeidet man Schleppverluste und verringert die Anzahl verschleißbehafteter Dichtungen.

Die Schaltqualität ist nicht beeinträchtigt, da im Schaltgetriebe vor allem zwischen den Vorwärts- und Rückwärtsfahrbereichen geschaltet wird, wenn das Fahrzeug fast steht, und in Vorwärtsfahrbereichen, wenn das Schaltgetriebe lastfrei läuft.

In der Beschreibung und in den Ansprüchen sind zahl reiche Merkmale im Zusammenhang dargestellt und beschrieben. Der Fachmann wird die kombinierten Merkmale zweckmäßiger weise im Sinne der zu lösenden Aufgaben auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und weitere Vorteile werden im Zusammenhang mit den Figuren erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 schematisch ein stufenloses Getriebe mit einem Schaltgetriebe in Vorgelegebauweise,

Fig. 2 schematisch ein stufenloses Getriebe mit einem Schaltgetriebe in Planetenbauweise und

Fig. 3 tabellarisch eine Schaltlogik.

Eine nicht dargestellte Antriebsmaschine treibt das stufenlose Getriebe über eine Antriebswelle 2 an, die in einem Gehäuse 1 des Getriebes gelagert ist und auf der zwei Zahnräder 15 und 19 fest und ein weiteres 17 drehbar montiert sind.

Das Zahnrad 15 treibt über ein weiteres Zahnrad 14 eine hydraulische Pumpe 12, eine Verstellpumpe, an. Diese gehört zu einem Hydrostaten 3, der neben der Verstellpumpe 12 einen Hydromotor 13, vorzugsweise mit einem konstanten Fördervolumen, hat und Hauptbestandteil des hydraulischen Leistungszweiges ist.

Das Zahnrad 19 treibt ein Zahnrad 20 am Eingang eines mechanischen Leistungszweiges an, zu dem ein hydraulisch geschaltetes Summierungsgetriebe 4 und ein mechanisches Schaltgetriebe 5 in Planetenbauweise oder Vorgelegebauweise gehören. Hydraulisch betätigte Schaltkupplungen mit Lamellen für das Summierungsgetriebe 4 sind mit K1, K2, und K3 bezeichnet. Sie verbinden das Getriebe in der jeweiligen Fahrstufe gegebenenfalls über das Schaltgetriebe 5 mit einer Abtriebswelle 6, die mit einem Achsdifferential 7 einer Fahrzeugachse verbunden ist.

Zum Summierungsgetriebe 4 gehören drei Planetensätze. Sie besitzen jeweils ein Sonnenrad S, mehrere Planeten P, einen Planetenträger T und ein Hohlrad H. Je nach dem, ob eines der genannten Bauteile zum ersten, zweiten oder dritten Planetensatz gehört, erhält es zu dem Kennbuchstaben eine entsprechende zusätzliche Kennziffer.

Die Antriebswelle 2 ist über die Zahnräder 19 und 20 mit einem Hohlrad H1 des ersten Planetensatzes und einem Planetenträger T2 eines zweiten Planetensatzes gekoppelt, auf dem Planeten P2 drehbar gelagert sind und mit einem Hohlrad H2 und einem Sonnenrad S2 des zweiten Planetensatzes kämmen.

Der Hydrostat 3 treibt über die Zahnräder 16, 17 und 18 ein Sonnenrad S1 des ersten Planetensatzes an, das mit Planeten P1 kämmt, deren Planetenträger T1 mit einem Hohlrad H2 des zweiten Planetensatzes und einer Zwischenwelle 27 gekoppelt ist. Eine Koppelwelle 28 verbindet ein Sonnenrad S2 des zweiten Planetensatzes mit einem Sonnenrad S3 eines dritten Planetensatzes, dessen Planetenträger T3 Planeten P3 trägt und mit der Zwischenwelle 27 gekoppelt ist.

Ein Hohlrad H3 des dritten Planetensatzes, das mit den Planeten P3 kämmt, ist über eine lastschaltbare Kupplung K1 mit einer Hohlwelle 29 kuppelbar, mit der ebenfalls die Koppelwelle 28 über eine weitere lastschaltbare Kupplung K2 verbunden werden kann. Die Hohlwelle 29 dient als Eingangswelle des Schaltgetriebes 5.

Das Schaltgetriebe 5 in der Ausführung nach Fig. 1 hat eine koaxial zur Antriebswelle 2 angeordnete Vorgelegewelle 30, auf der Zahnräder 22 und 23 drehbar gelagert sind und über Kupplungen Z1 und ZR mit der Vorgelegewelle 30 kuppelbar sind. Die Vorgelegewelle 30 ist ihrerseits über Zahnräder 25 und 26 mit einer Abtriebswelle 6 verbunden. Die Zahnräder 22 und 23 sind triebmäßig mit drehfest auf der Hohlwelle 29 angeordneten Zahnrädern 21, 24 verbunden, wobei die Zahnräder 23 und 24 zusammen mit einem Zwischenrad 31 Rückwärtsfahrbereiche bilden. Die Hohlwelle 29 kann über eine formschlüssige Kupplung Z2 mit der Abtriebswelle 6 verbunden werden.

Das Schaltgetriebe 5 nach Fig. 2 wird von einem vierten und fünften Planetensatz gebildet. Ein Planetenträger T4, auf dem Planeten P4 gelagert sind, die mit einem Hohlrad H4 und einem Sonnenrad S4 kämmen, kann entweder über die Kupplung Z2 mit der Hohlwelle 29 oder über eine Bremse BR mit dem Gehäuse 1 verbunden werden. Ist die Hohlwelle 29 mit dem Planetenträger T4 verbunden, läuft der vierte Planetensatz als Standgetriebe und sein Hohlrad H4 ist über den Planetenträger T5 des fünften Planetensatzes mit der Abtriebswelle 6 verbunden.

Das Sonnenrad S4 ist mit einem Sonnenrad S5 und das Hohlrad H4 mit einem Planetenträger T5 des fünften Planetensatzes gekoppelt. Der Planetenträger T5 ist mit der Abtriebswelle 6 verbunden, während ein Hohlrad H5 des fünften Planetensatzes über eine Bremse B1 mit dem Gehäuse 1 verbunden werden kann. Die Bremse BR schaltet die Rückwärtsfahrstufen.

Obwohl die zu schaltenden Bauteile bei der Schaltung Synchrondrehzahl erreicht haben, werden die kraftschlüssigen Kupplungen K1-K3 überschneidend geschaltet, d. h., daß die zuschaltende Kupplung eingerückt wird, bevor die abschaltende Kupplung vollständig ausgerückt wird. Die formschlüssigen Kupplungen Z1, Z2 und ZR und die Bremsen 31 und BR werden nicht überschneidend geschaltet. Die Schaltlogik nach Fig. 3 zeigt, daß die formschlüssigen Schaltelemente geschaltet werden, wenn von einem Rückwärtsfahrbereich in einen Vorwärtsfahrbereich oder umgekehrt gewechselt wird, das Fahrzeug also fast steht, oder vorbereitend im dritten Vorwärtsfahrbereich geschaltet werden, in dem sie keine Leistung übertragen. Sie übernehmen erst Leistung im vierten bzw. zweiten Vorwärtsfahrbereich, wenn die Kupplung K2 geschlossen wird.

Die Schaltungen werden vorzugsweise elektronische und vollautomatisch von einer Mikroprozessorsteuerung durchgeführt, und zwar abhängig von vorgegebenen Sollwerten, Kennfeldern, Fuzzyregeln, Anriebs- Fahrzeug- oder Betriebsparametern.

Mit einer Kupplung 9 kann über eine Untersetzungsstufe mit Zahnrädern 10, 11 ein motordrehzahlabhängiger Nebenabtrieb mit einer Zapfwelle 8 zugeschaltet werden.

Bezugszeichenliste

1 Gehäuse
2 Antriebswelle
3 Hydrostat
4 Summierungsgetriebe
5 Schaltgetriebe
6 Abtriebswelle
7 Achsdifferential
8 Zapfwelle
9 Kupplung
10 Zahnrad
11 Zahnrad
12 Pumpe
13 Hydromotor
14-26 Zahnrad
27 Zwischenwelle
28 Koppelwelle
29 Hohlwelle
30 Vorgelegewelle
31 Zwischenrad
B1 Bremse
BR Bremse
H1-H5 Hohlrad
P1-P5 Planet
S1-S5 Sonnenrad
T1-T5 Planetenträger
K1-K3 Kupplung
Z1 Kupplung
Z2 Kupplung
ZR Kupplung

Claims

1. Stufenloses Getriebe mit einem hydrostatischen und einem mechanischen Leistungszweig, einem Summierungsgetriebe (4) mit hydraulisch betätigten, kraftschlüssigen Schaltelementen (K1, K2), und einem mehrstufigen Schaltgetriebe (5) dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (Z1, Z2, ZR) des Schaltgetriebes (5) formschlüssig sind.

2. Stufenloses Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (Z1, Z2, ZR) synchronisierte Klauenkupplungen bzw. Klauenbremsen sind.

3. Stufenloses Getriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Summierungsgetriebe aus drei Planetensätzen besteht mit folgenden Merkmalen:

- Eine Antriebswelle (2) ist mit einem Hohlrad (H1) des ersten Planetensatzes und einem Planetenträger (T2) eines zweiten Planetensatzes gekoppelt, auf dem Planeten (P2) drehbar gelagert sind und mit einem Hohlrad (H2) und einem Sonnenrad (S2) des zweiten Planetensatzes kämmen,
- ein Hydrostat (3) treibt ein Sonnenrad (S1) des ersten Planetensatzes an, das mit Planeten (P1) kämmt, deren Planetenträger (T1) mit einem Hohlrad (H2) des zweiten Planetensatzes und einer Zwischenwelle (27) gekoppelt ist,
- eine Koppelwelle (28) verbindet ein Sonnenrad (S2) des zweiten Planetensatzes mit einem Sonnenrad (S3) eines dritten Planetensatzes, dessen Planetenträger (T3) Planeten (P3) trägt und mit der Zwischenwelle (27) gekoppelt ist,
- ein Hohlrad (H3) des dritten Planetensatzes, das mit den Planeten (P3) kämmt, ist über eine Kupplung (K1) mit einer Hohlwelle (29) kuppelbar, mit der ebenfalls die Koppelwelle 28) über eine Kupplung (K2) verbunden werden kann, und
- die Koppelwelle (28) dient als Eingangswelle des Schaltgetriebes (5)
4. Stufenloses Getriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltgetriebe (5) eine koaxial zur Antriebswelle (2) angeordnete Vorgelegewelle (30) hat, auf der Zahnräder (22, 23) drehbar gelagert sind und über Kupplungen (Z1, ZR) mit der Vorgelegewelle (30) kuppelbar sind, die ihrerseits über Zahnräder (25, 26) mit einer Abtriebswelle (6) verbunden ist, und daß die Zahnräder (22, 23) triebmäßig mit drehfest auf der Hohlwelle (29) angeordneten Zahnrädern (21, 24) verbunden sind, wobei die Zahnräder (23, 24) zusammen mit einem Zwischenrad (31) Rückwärtsfahrbereiche bilden und die Hohlwelle (29) über eine formschlüssige Kupplung (Z2) mit der Abtriebswelle (6) verbunden werden kann.

5. Stufenloses Getriebe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein vierter und fünfter Planetensatz das Schaltgetriebe (5) bilden, wobei ein Planetenträger (T4), auf dem Planeten (P4) gelagert sind, die mit einem Hohlrad (H4) und einem Sonnenrad (S4) kämmen, entweder über die Kupplung (Z2) mit der Hohlwelle (29) oder über eine Bremse (BR) mit dem Gehäuse (1) verbunden werden kann, daß sowohl das Sonnenrad (S4) mit einem Sonnenrad (S5) als auch das Hohlrad (H4) mit einem Planetenträger (T5) des fünften Planetensatzes gekoppelt sind und der Planetenträger (T5) mit der Abtriebswelle (6) verbunden ist, während ein Hohlrad (H5) des fünften Planetensatzes über eine Bremse (B1) mit dem Gehäuse (1) verbunden werden kann.

6 Stufenloses Getriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwelle (27) über eine kraftschlüssige Kupplung (K3) mit der Abtriebswelle (6) verbunden werden kann.

7. Stufenloses Getriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (2) über eine Kupplung (9) und eine Untersetzungsstufe, die aus Zahnrädern (10, 11) besteht, eine Zapfwelle (8) antreiben kann.