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Die Erfindung betrifft einem Drehzahlwandler, der, abhängig oder unabhängig von einer Eingangsdrehzahl uneingeschränkte Ausgangsdrehzahlen zu realisieren ermöglicht.
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Drehzahlwandler unter Verwendung von Differentialgetrieben sind bekannt.
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In der
DE 26 35 946 A wird ein Drehmomentwandler beschrieben, bei dem zwei differenziell rückgekoppelte Differentialgetriebe genutzt werden, um unabhängig von der Eingangsdrehzahl die Ausgangsdrehzahl zu verändern.
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Bei der
GB 473 677 werden zwei Differentialgetriebe eingesetzt, um die Drehzahl stufenweise und kontinuierlich zu reduzieren.
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Die
FR 2 631 899 verwendet drei Differentialgetriebe, wobei ein Differentialgetriebe eine Blockadefunktion hat und ein weiteres eine Abbremsfunktion. Dabei kommen zwei Planetenräder zum Einsatz, die gegenläufig drehen.
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Aus der
DE 20 2013 008 129 U1 ist ein Drehzahlwandler bekannt, bei dem eine Eingangsdrehzahl in eine konstante oder stetig steigende oder stetig fallende Ausgangsdrehzahl gewandelt wird.
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Nachteilig bei diesem Drehzahlwandler ist, dass der Drehzahlwandler ein Steuergetriebe benötigt, um zwischen den Übersetzungsverhältnissen kleiner 1, größer 1 bzw. 1:1 zu wechseln.
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Aufgabe der Erfindung ist es, mit einem Drehzahlwandler, abhängig oder unabhängig von einer Eingangsdrehzahl, uneingeschränkt stetig ansteigende Drehzahländerungen bzw. eine Beibehaltung der aktuellen Ausgangsdrehzahl zu generieren, und dabei den Prozesszeit bzw. den Anstiegswinkel der Ausgangsdrehzahländerung zu regeln.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit den Ansprüchen 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der erfindungsgemäße Drehzahlwandler, der mit einer Eingangsdrehzahl (N1) und einer Ausgangsdrehzahl (N5) und einer regelbare Kopplungsdrehzahl (N) arbeitet, besteht mindestens aus:
drei in Reihe angeordneten Differentialgetrieben, und einem weiteren Differentialgetriebe, von denen jedes der Differentialgetriebe jeweils einen Korb, zwei Antriebsräder, sowie mindestens ein Ausgleichsrad aufweisen, sowie aus einem Umschaltgetriebe, wobei
die Körbe der äußeren Differentialgetriebe jeweils mit einem Antriebsrad des inneren Differentialgetriebes gleichläufig gekoppelt sind und
der Korb des inneren Differentialgetriebes über ein Umschaltgetriebe mit den Antriebsrädern der äußeren Differentialgetriebe gleichläufig gekoppelt ist,
und das Umschaltgetriebe auf zwei Drehzahlen (n1) und (n2) umschaltbar ist,
eine Drehzahl (n2), die der zweifachen Korbdrehzahl des mittleren Differentialgetriebes entspricht und zum stetigen Ansteigen der Ausgangdrehzahl (N5) führt und
eine Drehzahl (n1), die kleiner ist als (n2) und zum Stillstand des Drehzahländerung bzw. zur Beibehaltung der vorhandenen Ausgangdrehzahl (N5) führt.
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Die Eingangsdrehzahl (N1) auf das Antriebsrad eines der äußeren Differentialgetriebe ist übertragbar. Das Antriebsrad des jeweils anderen äußeren Differentialgetriebes verfügt über eine regelbare Bremse und in einer der Kopplungen zwischen den Körben der äußeren Differentialgetriebe mit jeweils einem Antriebsrad des inneren Differentialgetriebes ist eine weitere regelbare Bremse angeordnet, wobei der Ausgangdrehzahl (N5) aus dem Korb des mittleren Differentialgetriebe entnommen wird. Das Umschaltgetriebe kann bei einer weiteren Ausführung auch entfallen, wenn das mittlere Differentialgetriebe durch eine drehzahlvariable Komponente ersetzt wird.
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In einer Vorteilhaften Ausführung sind am Drehzahleingang N1 ein Anschlussgetriebe und am Drehzahlausgang N5 ein weiteres Abschlussgetriebe angeordnet, wobei deren Übersetzungsverhältnis kleiner als 1:1 ausgeführt ist. Das ermöglicht es, mit kleineren Drehzahlen in der Startphase zu arbeiten.
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Die Erfindung soll anhand der Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:
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1 das Prinzip des Drehzahlwandlers,
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2 der Umschaltgetriebe,
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3 die signaltechnische Steuerung und
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4 der Aufbau eines Drehzahlwandlers.
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1 zeigt einen Drehzahlwandler 1, mit dem eine stetig ansteigende oder ein Stillstand der Drehzahländerung bzw. die Beibehaltung einer vorhandenen Ausgangdrehzahl realisierbar ist.
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Der stufenlose Drehzahlwandler 1 mit einer Eingangsdrehzahl N1 und einer Ausgangsdrehzahl N5 und einer regelbare Kopplungsdrehzahl N, besteht aus drei in Reihe angeordneten Differentialgetrieben 2, 3, 4, von denen jedes der Differentialgetriebe 2, 3, 4 jeweils einen Korb k, zwei Antriebsräder a, e sowie ein Ausgleichsrad c aufweisen, und einem Umschaltgetriebes 7.
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Die Körbe k2, k3 der äußeren Differentialgetriebe 2, 3 sind mit jeweils einem Antriebsrad a4, e4 des inneren Differentialgetriebes 4 gleichläufig gekoppelt, wobei der Korb k4 des Differentialgetriebes 4 über das Umschaltgetriebe 7 mit den Antriebsräder e2, e3 der Differentialgetriebe 2, 3 gleichläufig gekoppelt ist.
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Durch das Umschaltgetriebe 7 sind zwei Drehzahlen n1 und n2 übertragbar, wobei das Umschalten mittels einer Kupplung 13 vornehmbar ist.
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Die Drehzahl n2 (n2 = N1·2) beträgt dem zweifachen der Korbdrehzahl k4 des Differentialgetriebes 4 und führt zum stetigen Ansteigen der Ausgangdrehzahl N5.
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Die Drehzahl n1 (n1 = n2 – N:2) ist kleiner als n2 und führt zum Stillstand des Drehzahländerung bzw. Beibehaltung das vorhandene Ausgangdrehzahl N5.
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Die Eingangsdrehzahl (N1) ist auf das Antriebsrad a eines der äußeren Differentialgetriebe 2, 3 übertragbar, während das Antriebsrad a des jeweils anderen äußeren Differentialgetriebes 2, 3 über eine regelbare Bremse 6 verfügt. In eine der Kopplungen zwischen den Körben k der äußeren Differentialgetriebe 2, 3 mit jeweils einem Antriebsrad a des inneren Differentialgetriebes ist eine weitere regelbare Bremse 8 angeordnet. Dadurch lässt sich der Drehzahlfluss aus dem Differentialgetriebe 2 steuern: entweder als N2 oder als N3 oder als Teildrehzahl N2 und Teildrehzahl N3.
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Die Ausgangdrehzahl N5 wird aus dem Korb k des mittleren Differentialgetriebes 4 entnommen.
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Die Funktionsweise des Drehzahlwandlers nach 1 soll erläutert werden:
Die Eingangsdrehzahl N1 von z. B. einem Motor beträgt +200 U/t, und die Last wird an der Ausgangsdrehzahl N5 angelegt. Die Kopplung N kann über die Feststelleinrichtung v der Bremse 6 entriegelt werden.
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Beispiel
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a) Stillstand der Ausgangsdrehzahl N5, Leerlauf
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Es erfolgt eine Drehzahlübertragung von der Eingangsdrehzahl N1 über der Antriebsrad a2 und Korb k2 des Differentialgetriebes 2 halbiert auf die Kopplung N3 (N3 = 100 U/t) und weiter über der Antriebsrad a4 und das Antriebsrad e4 des Differentialgetriebes 4 gegenläufig auf die Kopplung N4 (N4 = –100 U/t). Die Drehzahl N4 wird über den Korb k3 und des Antriebsrad a3 des Differentialgetriebes 3 verdoppelt auf die Kopplung N übertragen N = –200 U/t.
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b) Stetig ansteigende Ausgangsdrehzahl N4
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Die Bremse 6 wird aktiviert und bremst die Kopplung N auf eine Drehzahl zwischen –200 U/t bis 0 U/t und bleibt während des Prozesses unverändert.
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Über das Umschaltgetriebe 7, wird die Drehzahl n2 zur Kopplung N2 durchgeschaltet n2 = N5·2 und n2 bleibt während das Prozess eingeschaltet.
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Die anliegende Eingangsdrehzahl N1, wird über das Antriebsrad a2 und Korb k2 des Differentialgetriebes 2 halbiert auf die Kopplung N3 übertragen (N3 = 100 U/t) und weiter über das Antriebsrad a4 und Korb k4 des Differentialgetriebe 4 halbiert auf die Kopplung N5 (N5 = 50 U/t).
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Über das Umschaltgetriebe 7 erfolgt eine Drehzahlübersetzung der Ausgangsdrehzahl N5 mit einem Übersetzungsverhältnis N5·2, d. h. N2 = 100 U/t. Diese Kopplungsdrehzahl N2 wird auf die Antriebsräder e2, e3 der Differentialgetriebe 2, 3 gleichläufig übertragen.
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Es liegen somit beim Differentialgetriebe 2 folgende Drehzahlen an: N1 = 200 U/t und N2 = 100 U/t, was zu einer Kopplungsdrehzahl von N3 = 150 U/t führt.
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Am Differentialgetriebe 3 liegen jetzt folgende Drehzahlen an: N = 0 U/t und N2 = 100 U/t, was zu einer Korbdrehzahl von N4 = 50 U/t führt.
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Beim Differentialgetriebes 4 liegen folgende Drehzahlen an: N3 = 150 U/t, N4 = 50 U/t, womit die Ausgangsdrehzahl N5 100 U/t beträgt.
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Nach dem zweiten Zyklus beträgt der Ausgangsdrehzahl N5 = 100 U/t, das bedeutet, dass sich die Ausgangsdrehzahl N5 von 0 auf 50 und weiter auf 100 U/t erhöht hat.
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Der ganze Prozess wiederholt sich zyklisch so lange, bis das Umschaltgetriebe 7 der Drehzahl von n2 auf n1 umschaltet. Das ist kein sprunghafter Prozess, sondern ein stetig steigender Prozess.
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Im Beispiel wurde davon ausgegangen, dass durch die Bremse Z das Antriebsrad a3 vollständig stillgelegt war. Lässt die Bremse Z eine Drehzahl für das Antriebsrad a3 zu, verändert sich der Anstiegswinkel für die Drehzahländerung. Je weniger gebremst wird, desto flacher ist der Drehzahlanstieg.
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Durch die Anschluss- bzw. Abschlussgetriebe 9, mit den Übersetzungsverhältnissen kleiner als 1:1 sind, werden am Ausgang N5 des Drehzahlwandlers 1 neben der Bremskraftstärke Z eine zusätzliche Feinheit der Drehzahländerung und tiefere Drehzahlgrenzen in unteren Bereich erreicht.
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c) Stillstand der Drehzahländerung bzw. Beibehaltung der vorhandene Ausgangsdrehzahl N5
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An der Kopplung N2 liegt noch die Drehzahl n2 von dem Umschaltgetriebe 7 an.
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Nach dem Zyklus 4 liegen an den Kopplungen folgende Drehzahlen an: N5 = 250 U/t, N = 200 U/t, N2 = 500 U/t, N3 = 350 U/t, N4 = 250 U/t und nach Zyklus 5 N5 = 300 U/t. Der Prozess läuft als ansteigende Drehzahländerung.
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Über das Umschaltgetriebe 7 wird die Drehzahl von n2 auf n1 umgeschaltet, n1 = n2 – N1:2 = 500 U/t, wobei die Kopplungsdrehzahl N über der Feststelleinrichtung v der Bremse 6 festgestellt wird, so dass die Kopplung N nicht mehr regelbar ist.
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Nach dem Umschalten des Umschaltgetriebes 7, von n2 auf n1 erfolgt die Beibehaltung des aktuellen Drehzahlzustandes der Ausgangsdrehzahl N5.
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Nachdem die Drehzahl n1 geschaltet ist, werden bei den Kopplungen folgende Drehzahlen an liegen, Zyklus 6, N5 = 300 U/t, N1 = 200 U/t und N2 = (300·2 – 200:2) 500 U/t N3 = 350 U/t, N4 = 250 U/t und nach Zyklus 6 ist immer noch N5 = 300 U/t. Der Prozess kommt zum Stillstand der Ausgangsdrehzahländerung N5.
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Während der Beibehaltung der aktuellen Ausgangdrehzahl N5, wird die Kopplungsdrehzahl N über die Feststelleinrichtung v der Bremse 6 festgestellt, so dass die Kopplung N nicht mehr regelbar ist.
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d) gegenläufige Ausgangdrehzahl gegenüber der Eingangsdrehzahl N1
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Die Bremse 8 dient dazu, eine positive Eingangsdrehzahl +N1 in eine negative Ausgangsdrehzahl –N5 umzuwandeln, wobei die Drehzahl –N5 wertmäßig betrachtet maximal die Hälfte der Eingangsdrehzahl N1 einnehmen kann. Dies erfolgt bei deaktivierter Feststelleinrichtung v und deaktivierter Bremse 6, dass heißt, die Kopplung N ist frei bei geschlossener Kupplung 13.
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2 zeigt, das Umschaltgetriebe 7, das zwei Drehzahlen n1 und n2 generiert und über die Kupplung 13 umgeschaltet wird.
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Die Drehzahl n2 (N5·2) wird durch die Ausgangsdrehzahl N5 gebildet und führt zum stetigen Drehzahlanstieg der Ausgangsdrehzahl N5.
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Die Drehzahl n1 (n2 – N1:2) wird durch die Eingangsdrehzahl N1 und Ausgangsdrehzahl N5 generiert und führt zum Stillstand der Ausgangsdrehzahländerung bzw. Beibehaltung der aktuellen Ausgangsdrehzahlen N5.
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Der Umschaltgetriebe 7 besteht aus einem Differentialgetriebe 5 und drei Übersetzungsgetriebe 10, 11, 12 und der Kupplung 13.
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Die Ausgangsdrehzahl N5 wird über ein Übersetzungsgetriebe 10 mit der des Antriebsrades a der Differentialgetriebe 5 und weiter über die Kupplung 13 als Drehzahl n2 mit den Kopplung N2 verbunden, wobei das Übersetzungsverhältnis des Übersetzungsgetriebes 10 gleich 2:1 beträgt.
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Die Eingangsdrehzahl N1 wird über das Übersetzungsgetriebe 11 gegenläufig mit dem Antriebsrad e des Differentialgetriebes 5 verbunden, wobei das Übersetzungsverhältnis des Übersetzungsgetriebes –1:2 beträgt. Der Korb k des Differentialgetriebes 5, wird über das Übersetzungsgetriebe 12 und über ein Einwegläufer-Zahnrad R als Drehzahl n1 ebenfalls mit der Kopplung N2 verbunden, wobei das Übersetzungsverhältnis des Übersetzungsgetriebes 12 2:1 beträgt. Einwegläufer-Zahnrad R bedeutet, dass eine Drehzahlübertragung nur in eine Richtung möglich ist. Der Betrieb mit der Drehzahl n2 führt wird zum stetigen Drehzahlanstieg der Ausgangsdrehzahl N5. Der Betrieb mit der Drehzahl n1 führt zum Stillstand der Ausgangsdrehzahländerung bzw. Beibehaltung das Aktuelle Ausgangsdrehzahlen N5.
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3 zeigt bei einer eingangsabhängigen Drehzahl N1, dass durch eine signaltechnische Steuerung die Schaltkomponenten der Bremsstärke Z, X der Feststelleinrichtung V und die der Kupplung 13 gesteuert werden.
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Die signaltechnische Steuerung besteht aus einer Endsteuerung 14, einem Manipulator 15, einem Subtrahierer 17, einen Freigabeschalter 19 und zwei Vergleichern 17 und 18.
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Der Eingangsdrehzahlwert N1 wird über den Manipulator 15 signaltechnisch dahingehend manipuliert, dass durch eine Eingabe der Wert der Weiterleitung der Eingangsdrehzahl N1 bestimmt wird, z. B. N1 = 100 U/t soll weiterverarbeitet werden als Drehzahl N1' = 50 U/t.
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Der manipulierte Eingangsdrehzahlwert N1' wird mit der Ausgangsdrehzahl N5 durch einen Vergleicher 16 signaltechnisch verglichen: N1' > N5 oder N1' = N5 und durch das Ergebnis des Vergleichers 16 werden jeweils die Kupplung 13 und die Kopplung N gesteuert.
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Ist N1' > N3 wird die Kopplungswelle N entriegelt und die Kupplung 13 geschlossen. Ist N1' = N3 wird die Kopplungswelle N festgestellt und die Kupplung 13 geöffnet.
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Die Ausgangdrehzahl N3 wird von der Eingangsdrehzahl N1' über einen Subtrahierer 17 signaltechnisch subtrahiert N1' – N3 und je nach Größe der Differenz N1' – N3 wird über eine Endsteuerung 14 die Bremsstärke Z, X der Bremsen 6 und 8 für die Kopplungsdrehzahl N und N3 geregelt. Die Aktivierung der Steuerung 14 erfolgt in Abhängigkeit von der Leerlaufdrehzahl P. Dazu wird ein vorgegebener Wert für die Leerlaufdrehzahl P mit der Eingangsdrehzahl N1 durch einen Vergleicher 18 verglichen. Erst wenn die Eingangsdrehzahl N1' die vorgegebene Leerlaufdrehzahl P übersteigt, wird die Steuerung 14 aktiviert.
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Durch einen Freigabeschalter 19 werden entsprechend der vorgegebenen Betriebsart die Schaltkomponenten x, y, v und 13 zum Steuern freigegeben (= 1) oder blockiert (= 0).
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4 zeigt eine vorteilhafte Anordnung des Drehzahlwandlers.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stufenlose Drehzahlwandler
- 2
- Differentialgetriebe
- 3
- Differentialgetriebe
- 4
- Differentialgetriebe
- 5
- Differentialgetriebe
- 6
- Bremse/Feldbremse
- 7
- Umschaltgetriebe (n1, n2)
- 8
- Bremse
- 9
- Abschluss bzw. Anschlussgetriebe
- 10
- Übersetzungsgetriebe (2:1)
- 11
- Übersetzungsgetriebe –(1:2)
- 12
- Übersetzungsgetriebe (2:1)
- 13
- Kupplung
- 14
- Endsteuerung
- 15
- Manipulator
- 16
- Vergleicher
- 17
- Subtrahierer
- 18
- Vergleicher
- 19
- Freigabeschalter
- Z/X
- Bremskraftregler
- V
- Feststelleinrichtung
- P
- Leerlaufwert
- R
- Einwegläufer
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2635946 A [0003]
- GB 473677 [0004]
- FR 2631899 [0005]
- DE 202013008129 U1 [0006]
