DE19631670A1 - Reaktionsgetriebe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Reaktionsgetriebe oder Momentenwandler für vielfältige Anwendungsmöglichkeiten sowohl mobiler als auch stationärer Art.

Im Bereich der Technik tritt häufig die Aufgabe auf, von einem Antriebsmotor her eine Maschine anzutreiben, die gewisse Anforderungen hinsichtlich der Antriebsdrehzahl oder des Antriebsdrehmomentes stellt. Das Reaktionsgetriebe gemäß der Erfindung soll der angetriebenen Maschine die gewünschte Drehzahl bzw. das gewünschte Drehmoment zur Verfügung stellen können.

Die gestellte Aufgabe wird aufgrund der Merkmale des Hauptanspruchs gelöst und durch die weiteren Merkmale der Unteransprüche ausgestaltet und weiterentwickelt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben, die eine schematische Darstellung des Getriebes zeigt.

Die hauptsächlichsten Teile des Reaktionsgetriebes sind eine zentrale Antriebswelle 1, ein inneres Differentialteilgetriebe 2, ein äußeres Differentialteilgetriebe 3, eine elektrische Kraftmaschine 4, die vorzugsweise als Wechselstromgenerator mit Gleichrichter ausgebildet ist, eine Kupplung 5, vorzugsweise als steuerbare, regelbare Kolbenpumpe, und eine Steuereinheit 6.

Das innere Differentialteilgetriebe 2 weist einen mit der Welle 1 starr verbundenen Steg 21, am Steg gelagerte Planetenräder 22 und 23 sowie auf der Welle 1 gelagerte Sonnenräder 24 und 25 auf. Eine erste, innenliegende Hohlwelle 26 bildet einen ersten innenliegenden Antrieb zur elektrischen Kraftmaschine 4, und eine zweite, innenliegende Hohlwelle 27 bildet eine Abtriebswelle, auf die das Nutzdrehmoment des Reaktionsgetriebes übertragen wird. An dem Steg 21 ist ein Fortsatz 28 angebracht, an dem ein Antriebsrad 29 befestigt ist, das wegen seiner Anordnung das äußere Differentialteilgetriebe 3 unsymmetrisch antreibt, und zwar über Antriebszahnkränze 30.

Das äußere Differentialteilgetriebe 3 weist ebenfalls einen Steg 31, Planetenräder 32 und 33 sowie Sonnenräder 34 und 35 auf. Die Antriebszahnkränze 30 sind Teil der Planetenräder 32 und 33 und treiben diese an. An dem Sonnenrad 34 ist eine dritte, außenliegende Hohlwelle 36 befestigt, die konzentrisch zur Hohlwelle 26 angeordnet ist, und am Sonnenrad 35 ist eine vierte, außenliegende Hohlwelle 37 befestigt, die zur Kupplung 5 führt und konzentrisch zur Hohlwelle 27 verläuft. Der Steg 31 ist über einen Fortsatz 38 auf den Hohlwellen 36, 37 gelagert. Inneres und äußeres Differential sind weitgehend symmetrisch zueinander aufgebaut und werden durch ein äußeres Gehäuse 39 umschlossen, durch welche die Hohlwellen 26, 36 und 27, 37 herausgeführt sind.

Die elektrische Kraftmaschine 4 weist ein inneres Grundelement 41 und ein äußeres Grundelement 42 auf, die induktiv, im Sinne eines Generators oder Motors, zusammenarbeiten. Der Generatorbetrieb wird bevorzugt. Das innere Grundelement 41 entspricht dem Rotor und das äußere Grundelement 42 dem Stator eines Generators oder Motors, wobei hier der Stator als ein zweiter außenliegender Rotor angesprochen werden könnte. Das innere Grundelement 41 kann kräftige Dauermagnete oder Elektromagnete 43 enthalten, während das Grundelement 42 Wicklungen 44 besitzt, die über Schleifleitungen 45, 46 zu der Steuereinheit 6 geführt sind.

Die Kupplungseinrichtung 5 stellt eine Lastmaschine dar, wird vorzugsweise als hydrostatische Kupplung (Kolbenpumpe mit gesteuerter Strömung) ausgebildet und weist eine erste innere Kupplungshälfte 51 und eine zweite äußere Kupplungshälfte 52 auf. Die erste Kupplungshälfte 51 ist mit der Hohlwelle 27 verbunden und die zweite Kupplungshälfte 52 mit der Hohlwelle 37. Eine hydraulische Steuerleitung 53 führt ins Innere der Kupplung, um diese im Sinne des Einrückens, des Ausrückens oder in Zwischenstufen zu betätigen. Die Steuerleitung 53 kommt von einem Steuerventil 61, das von der Steuereinheit 6 gesteuert wird, die elektrisch-elektronischer Art ist.

Der Betrieb des Reaktionsgetriebes geht wie folgt vor sich: Die Welle 1 wird in geeigneter Weise angetrieben und treibt den Steg 21 des inneren Differentials 2 an. Über das Antriebsrad 29 werden die Planetenräder 32, 33 des äußeren Differentials 3 im Umlauf um die Achse 1 oder in Drehung um die Stegachse 31 versetzt, so daß wegen der vorhandenen Freiheitsgrade die Sonnenräder 34 und 35 noch unbestimmt mitläufig oder gegenläufig umlaufen und die äußeren Elemente 42 und 52 der elektrischen Kraftmaschine 4 bzw. der Kupplungseinrichtung 5 mitnehmen. So lange die elektrische Kraftmaschine 4 und die Kupplungseinrichtung 5 nicht eingeschaltet sind, befindet sich das Reaktionsgetriebe im Leerlauf.

Durch Einschalten der Kupplung 5 werden die Hohlwellen 27, 37 und damit die Sonnenräder 25 und 35 miteinander verbunden. Beim Anfahren ist zunächst Schlupf vorhanden, damit zunächst die Kraftmaschine nicht mit zu großer Relativgeschwindigkeit zwischen den Elementen 41, 42 angetrieben wird. Das Sonnenrad 35 dreht sich in gleicher Richtung wie die Welle 1, jedoch mit etwas geringerer Geschwindigkeit. Die Planetenräder 32, 33 rollen gemäß der Relativgeschwindigkeit zwischen Antriebsrad 29 und Sonnenrad 35 an diesem ab und versetzen die Planetenräder 32, 33 in gegenläufige Umdrehung, so daß auch das Sonnenrad 34 in Richtung des Antriebsrades 29 umläuft und sich die Wellen 26, 36 in gleicher Richtung, aber unterschiedlicher Geschwindigkeit drehen. Das Übersetzungsverhältnis wird durch den Abstand des Antriebsrades 29 vom Sonnenrad 34 geteilt durch den Abstand des Antriebsrades 29 vom Sonnenrad 35 bestimmt. Bei dem gezeichneten Beispiel beträgt die Übersetzung 7 : 1.

Durch Einschalten der elektrischen Kraftmaschine 4 werden elektromagnetische Kräfte und Drehmomente zwischen dem äußeren Grundelement 42 und dem inneren Grundelement 41 übertragen. Die Größe dieser Kräfte und Drehmomente richtet sich nach der Relativgeschwindigkeit der Grundelemente 41, 42 zueinander sowie auch nach der Größe und Richtung des über die Leitungen 45 und 46 fließenden Steuerstroms. Somit läßt sich auf das innere Grundelement 41 ein gewünschtes Drehmoment in gewünschter Richtung bei bestimmter Relativdrehzahl aufbringen und damit auch auf die Hohlwelle 26 und das Sonnenrad 24. Bei dem bevorzugten Generatorbetrieb sind die Drehmomente einander entgegengerichtet, während die Drehrichtungen der Grundelemente 41, 42 gleich sind. Durch das Sonnenrad 24 werden die Planetenräder 22 und 23 und damit das Sonnenrad 25 angetrieben, welches die Hohlwelle 27 antreibt.

Auf die Hohlwelle 27 werden somit über zwei Wege Drehmomente eingeleitet, nämlich über den kurzen Weg über die Elemente 29, 35, 52, 51 und den langen Weg über die Elemente 30, 34, 36, 44, 43, 26, 24, 22, 25, wobei sich die Antriebsdrehmomente im Ausführungsbeispiel im Verhältnis 7 : 1 überlagern. Mit den Erregerfeld der Kraftmaschine 4 läßt sich somit das Abtriebsdrehmoment an der Welle 27 einstellen und regeln.

Das Abtriebsmoment M_d an der Welle 27 errechnet sich aus dem Drehmoment M_a und M_i an den äußeren und inneren Sonnenrädern 35 und 25. Bei Generatorbetrieb gilt:

M_d = M_a-M_i.

Man kann dies aus den Reaktionen oder Abstützmomenten an den Elementen 21, 29 ableiten.

Durch konstruktives Verändern des Abstandes des Antriebsrades 29 vom Sonnenrad 34 bzw. 35 läßt sich das Übersetzungsverhältnis verändern, wobei ein Rahmen von 1 : 2 bis 1 : 20 ins Auge gefaßt wird.

Die Kupplungseinrichtung 5 kann so betätigt werden, daß die Hohlwellen 37 und 27 mehr oder weniger starr (mit Schlupf) miteinander verbunden sind, und das Abtriebsmoment bzw. die Abtriebsdrehzahl der Welle 27 hängt von dem Kopplungsgrad ab. Dies stellt eine weitere Steuerungsmöglichkeit dar, was beim Anlauf wichtig ist.

Die Steuereinheit 6, welche schematisch angedeutet ist, kann einen Energiespeicher enthalten, dem Energie zugeführt wird bzw. aus dem Energie entnommen werden kann. In Fahrzeugen kann die elektrische Kraftmaschine als sogenannte Lichtmaschine betrieben werden, und der Energiespeicher kann die Batterie darstellen, und in stationären Anwendungen kann es das elektrische Netz sein. Durch die Relativdrehung des inneren und äußeren Grundelements 41, 42 zueinander läßt sich nämlich bei Generatorbetrieb Strom gewinnen, wobei gleichzeitig Drehmomente zwischen dem äußeren und dem inneren Grundelement übertragen werden. Bei Motorbetrieb werden ebenfalls Drehmomente übertragen, wenn auch mit anderem Drehsinn. Damit lassen sich die erwünschten Verhältnisse hinsichtlich Drehmoment am Abtrieb 27 einstellen.

Claims (6)

1. Reaktionsgetriebe mit folgenden Merkmalen:
eine zentrale Antriebswelle (1);
ein inneres Differential-Teilgetriebe (2) mit einer inneren Hohlwelle (26) und einer Abtriebswelle (27);
ein äußeres Differential-Teilgetriebe (3) mit einer äußeren Hohlwelle (36) und einer Kupplungsverbindungswelle (37);
ein Antriebsrad (29), das inneres und äußeres Differentialteilgetriebe so miteinander verbindet, daß zwischen Kupplungsverbindungswelle (37) und äußerer Hohlwelle (36) ein Drehzahl-Übersetzungsverhältnis bzw. ein Drehmoment-Untersetzungsverhältnis existiert;
eine elektrische Kraftmaschine (4), die ein inneres Grundelement (41) und ein äußeres Grundelement (42) aufweist, die sich relativ gegeneinander drehen können und dabei wechselseitig elektrische Ströme und Drehmomente aufnehmen bzw. abgeben, wobei die innere Hohlwelle (26) des inneren Differential-Teilgetriebes (2) mit dem inneren Grundelement (41) und die äußere Hohlwelle (36) des äußeren Differential-Teilgetriebes (3) mit dem äußeren Grundelement (42) der elektrischen Kraftmaschine verbunden sind;
eine Kupplungseinrichtung (5), die eine erste Kupplungshälfte (51) und eine zweite Kupplungshälfte (52) aufweist, wobei die erste Kupplungshälfte (51) mit der Abtriebswelle (27) des inneren Differen­ tial-Teilgetriebes (2) verbunden ist und die zweite Kupplungshälfte mit der Kupplungsverbindungswelle (37) des äußeren Differential-Teilgetriebe (3) verbunden ist.

2. Reaktionsgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsrad (29) das äußere Differential-Teilgetriebe (3) so antreibt, daß die äußere Hohlwelle (36) mit einem Übersetzungsverhältnis relativ zur Kupplungsverbindungswelle (37) in der Größenordnung 1 : 2 bis 1 : 20 angetrieben wird.

3. Reaktionsgetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Differen­ tial-Teilgetriebe (2) ein erstes und zweites Sonnenrad (24, 25), Planetenräder (22, 23) und einen ersten Steg (21) aufweist, der mit der zentralen Antriebswelle (1) und über einen Fortsatz (28) mit dem Antriebsrad (29) starr verbunden ist, das das äußere Differential-Teilgetriebe (3) unsymmetrisch antreibt.

4. Reaktionsgetriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Differen­ tial-Teilgetriebe (3) an einem zweiten Steg (31) gelagerte Planetenräder (32, 33), die mit dem Antriebsrad (29) über einen Zahnkranz (30) in Antriebsverbindung stehen, und ein drittes (34) und viertes Sonnenrad (35) aufweist, die mit den Planetenrädern (32, 33) kämmen und mit der äußeren Hohlwelle (36) bzw. der Kupplungsverbindungswelle (37) des äußeren Differen­ tial-Teilgetriebs (3) verbunden sind, und daß die relative Größe des Zahnkranzes (30) zu den Planetenrädern (22, 23) das Drehzahlübersetzungsverhältnis bestimmt.

5. Reaktionsgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (6) zur Steuerung des Betriebs der elektrischen Kraftmaschine (4) vorgesehen ist, um den Strom durch die Erregerwicklungen (44) zu bestimmen und dabei das Drehmoment zwischen dem dritten Abtrieb (36) des äußeren Differential-Teilgetriebes (3) und dem ersten Abtrieb (26) des inneren Differential-Teilgetriebes (2) einzustellen.

6. Reaktionsgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungseinrichtung (5) hydraulischer Art ist und das Drehmoment auf die Kupplungsverbindungswelle (37) in einstellbarer Weise aufbringt.