DE3415909A1

DE3415909A1 - Lastschaltgetriebe

Info

Publication number: DE3415909A1
Application number: DE19843415909
Authority: DE
Inventors: Helmut 7920 Heidenheim Müller
Original assignee: JM Voith GmbH
Current assignee: JM Voith GmbH
Priority date: 1984-04-28
Filing date: 1984-04-28
Publication date: 1985-10-31
Also published as: JPS60234166A; US4641549A; DE3415909C2

Description

G 3960 J.M. Voith GmbH

Kennwort: "Lastsynchronisierung" Heidenheim

Lastschaltgetriebe

Die Erfindung betrifft ein unter Last schaltbares Stirnradwechselgetriebe für Fahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

In solchen Fahrzeuggetrieben werden zur Schaltung vorwiegend Synchronisiereinrichtungen verwendet, wie sie beispielsweise aus der DE-OS 32 17 950 bekannt sind und aus einer Schiebemuffe bestehen, die vor dem Eingriff in das Gegegenstück über eine Reibkegelkupplung den Gleichlauf der beiden zu kuppelnden Teile erzwingt. Dazu wird jedoch der Kraftfluß vom Motor her unterbrochen, die Schaltung erfolgt im wesentlichen lastlos, und es sind lediglich die beteiligten rotierenden Getriebemassen mittels der Synchronisiereinrichtung entsprechend zu beschleunigen oder zu verzögern.

Die Erfindung geht von einem aus der DE-PS 958 081 bekannten Getriebe aus, welches als Anfahrglied eine Reibungskupplung aufweist, der sich ein aus der Getriebehauptwelle und einer Vorgelegewelle bestehendes Stirnradgetriebe anschließt. Außerdem ist auf einer zweiten Vorgelegewelle, auch Nebenwelle ge-

nannt, eine Synchronisiereinrichtung angeordnet. Der Kraftfluß während des Betriebs vollzieht sich über die Zahnräder und die Schaltklauen, die auf der Hauptwelle und der einen Vorgelegewelle in den einzelnen Gängen im Eingriff sind. Auf der zweiten Nebenwelle sind weitere Zahnräder und Schaltklauen angeordnet, die lediglich während der Umschaltphase zur Wirkung kommen. Dazu wird ein Umschaltvorgang durch axiales Andrücken der mit Abweisklauen ausgestatteten Schiebemuffen an entsprechende Gegenklauen vorbereitet. Die Umschaltung selbst erfolgt durch Lösen der Reibungskupplung, wodurch über die Synchroniereinrichtung auf der zweiten Nebenwelle eine Drehzahlangleichung der zu schaltenden Klauen für den nächsten Gang eintritt. Das Einrücken der Klauen erfolgt zwar lastlos, aber unter axialem Druck, solange Drehzahl-Ungleichheit besteht und die Klauenstirnseiten aufeinander ratschen.

Ein ähnliches Getriebe ist aus der DE-PS 697 522 bekannt. Dort findet der Kraftfluß ebenfalls über die Zahnräder auf der Hauptwelle, der Vorgelegewelle und über Schiebeschaltmuffen statt. Eine Reibungs-Synchronisierkupplung kann durch Verbinden der Hauptwelle mit der Getriebeabtriebswelle oder durch Abbremsen an einer gehäusefesten Bremsfläche den Gleichlauf zum Einrücken der Schaltmuffen herbeiführen. Das Einrücken selbst erfolgt wiederum lastlos bei gelöster Reibungs-Hauptkupplung. Darüber hinaus ist eine Getriebebauart bekannt (DE-PS 739 638, DE-PS 881 003), bei der die Reibungs-Hauptkupplung überbrückt ist mit einer schaltbaren Kupplung, die direkt über die Vorgelegewelle des Getriebes auf Gleichlauf herstellen soll. Die bisher erwähnten Getriebebauarten stellen keine Lastschaltgetriebe mit unterbrechungsfreier Gangschaltung dar.

Eine weitere Bauart eines Stirnradgetriebes in Vorgelegebauweise zeigt die DE-AS 1 076 461. Dort ist als Anfahrglied ein Drehmomentwandler offenbart, dem zwei oder mehrere Gangstufen nachgeordnet sind. Letztere werden über Lamellen- bzw. Reibkegelkupplungen geschaltet bzw. synchronisiert.

Den bisher beschriebenen Bauarten der Synchronisiereinrichtungen haftet der Nachteil an, daß an den Schaltvorgängen immer Reibkörper, also Lamellen, Reibkegel oder ratschende Abweisklauen beteiligt sind. Diese unterliegen der Erwärmung, dem Verschleiß und der erhöhten Bruchgefahr mit den sich ergebenden Folgen wie Stör- und Reparaturanfälligkeit, geringe Lebensdauer und kurze Standzeit des Schmieröles, insbesondere dann, wenn auch die Hauptkupplung als Reibungskupplung ausgebildet ist.

Diesen Nachteilen begegnet zwar teilweise eine aus der DE-PS 1 246 010 bekannte Getriebebauart, bei der ein mechanisches Stufengetriebe über zwei Drehmomentwandler angetrieben wird, wobei das Synchronisieren entweder über das Füllen und Entleeren der Wandler oder einer ebenfalls integrierten hydrodynamischen Bremse erfolgt. Die Abweisklauen ratschen jedoch immer, solange der Synchronisiervorgang noch nicht abgeschlossen ist. Nachteilig an den zwar bewährten hydromechanischen Getrieben obiger Bauart oder sonstigen verschleißfreien vollhydraulischen Getrieben ist, daß in allen Gangstufen der Kraftfluß üDer einen hydrodynamischen Kreislauf erfolgt, also einen Drehmomentwandler oder eine Strömungskupplung. Der Getriebewirkungsgrad ist vor allem außerhalb des Anfahrbereichs wesentlich tiefer als bei rein mechanischen Fahrzeuggetrieben.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines unter Last ohne Zugkraftunterbrechung schaltbaren Wechselgetriebes, das hohe Zuverlässigkeit, Verschleißfreiheit der an Schaltvorgängen beteiligten Elemente, guten Wirkungsgrad und geringen Bauaufwand in sich vereinigt. Außerdem soll es wahlweise mit verschiedener Anzahl der Gänge ausgerüstet werden können und automatisch schaltbar sein.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Gemäß der Erfindung weist ein Getriebe in Stirnradvorgelege-Bauart zwei Kraftwege auf, die direkt von der Getriebeeingangswelle und zwei ins Schnelle übersetzenden Vorgelegen auf zwei Nebenwellen ausgehen. Der erste Kraftweg weist

ein als hydrodynamischen Strömungskreislauf ausgebildetes Anfahrglied auf, vorzugsweise einen Drehmomentwandler, dessen Pumpenrad direkt von der ersten Nebenwelle angetrieben wird, und dessen Turbinenrad die eigentliche Vorgelegewelle des Schaltgetriebes antreibt. Von dieser Welle aus wird das Drehmoment über Schaltklauen auf die einzelnen Zahnradstufen und zur Getriebeabtriebswelle geleitet. Der zweite Kraftweg umfaßt eine hydrodynamische Stellkupplung, deren Primärschaufelrad von der zweiten Nebenwelle angetrieben wird und deren Sekundärschaufelrad mit der Getriebeabtriebswelle über Zahnradvorgelege verbunden ist, das auf eine höhere Abtriebsdrehzahl als die schnellste Gangstufe übersetzt ist. Der erste Kraftweg überträgt das Drehmoment während des Fahrbetriebs in allen Gängen einschließlich der Anfahrphase, der zweite Kraftweg ist nur während des Umschaltvorganges einschließlich des Synchronisierens aktiv.

Während dieses Synchronisier-Vorganges jedoch überträgt die Stellkkupplung durch gesteuertes Füllen das Drehmoment vom Motor her direkt auf die Abtriebswelle. Die Stellkupplung ist dazu so beschaffen, daß sie vom Motor ein höheres Drehmoment abverlangt als dieser bislang übertragen hat, so daß sich dadurch die Kraftübertragung über den zweiten Kraftweg zur Getriebeabtriebswelle vollzieht. Gleichzeitig wird die momentan im ersten Kraftweg eingerückte Schaltklaue entlastet und kann nahezu lastlos z.B. durch Federkraft ausgerückt werden, während die Stellkupplung durch eine außerordentlich rasch reagierende Schlupfregelung in deren Flüssigkeitskreislauf ein Drehzahlverhältnis zwischen der Abtriebs- und der Eingangswelle herbeiführt, das dem Übersetzungsverhältnis des neu einzulegenden Ganges entspricht. Sobald der für den betreffenden Gang typische Schlupf-Sollwert erreicht ist, herrscht praktisch Gleichlauf zwischen den Klauen der zu verbindenden Getriebeteile. Es kann somit lastloses Einrücken der Schaltklaue erfolgen und danach das Entleeren der Synchronisier-Stellkupplung. Das Entleeren der Stellkupplung bewirkt dabei das Überleiten der Motorleistung auf den ersten Kraftweg in der neu eingelegten Gangstufe.

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Während dieses Umschaltvorganges hat der Antriebsmotor keine Laständerung durch den Fahrzeugführer oder durch eine automatische Steuereinrichtung erfahren. Die Stellkupplung hat stattdessen die Entlastung des ersten Kraftweges herbeigeführt und dabei den Motor so belastet bzw. dessen Drehzahl so verändert, daß nach vollzogener Schlupfregelung in der Stellkupplung genau die dem neu eingelegten Gang entsprechende Motordrehzahl herrscht. Beim Zurückschalten auf eine niedrigere Gangstufe wird der Motor ohne äußeren Eingriff durch entsprechende Schlupfregelung in der Kupplung zunächst so belastet, daß ein Ausrücken der eingelegten Schaltklaue ohne Last erfolgt. Wenn diese Schaltklaue ausgerückt ist, entlastet die Kupplung den Motor wieder soweit, daß er - wiederum durch Schlupfregelung eine Drehzahl annimmt, die im Verhältnis zur momentanen Abtriebsdrehzahl genau dem Sollwert für den nächst niedrigen, also den neu einzulegenden Gang entspricht. Die betreffende Schaltklaue kann somit, wiederum lastfrei, eingerückt werden, und die Stellkupplung kann bei anschließender Entleerung den Kraftfluß über den ersten Kraftweg freigeben.

Während der Umschaltung bleibt also der Antriebsstrang des Fahrzeuges immer mit dem Motor in Drehmomentverbindung, es tritt nie ein lastfreier Zustand ein. Das Synchronisieren erfolgt also nicht nur durch Entlastung der Schaltklauen beispielsweise durch Reduktion des Motormoments und erzwungenem Abbremsen nur der beteiligten Getriebemassen, sondern durch exaktes Einregeln der Drehzahl aller Getriebeteile auf den erforderlichen Sollwert, wie es mechanisch mit Reibkörpern kaum möglich ist, vor allem nicht verschleißfrei. Dadurch besitzt der Motor nach dem Synchronisieren bereits die genaue Drehzahl für den nächsten Gang. Das Überleiten der Leistung, sowohl vom ersten Kraftweg auf den zweiten während der Kupplungsfüllung als auch umgekehrt beim Entleeren der Kupplung erfolgt praktisch stoß- und verschleißfrei. Ein geringer Stoß beim Einrücken der Klauen bei geringer Drehzahldifferenz wird durch elastische Ausbildung einer Getriebewelle bedeutungslos.

Weitere Vorteile werdem mit der erfindungsgemäßen Getriebeanordnung erzielt: Durch Verwendung eines füll- und entleerbaren Drehmomentwandlers als Anfahrglied wird stoßfreies, zügiges Anfahren gewährleistet, wobei keine von der Dauer oder Häufigkeit des Anfahrvorganges abhängigen Probleme mit Erwärmung oder Verschleiß auftreten. Die dem Wandlerbetrieb folgende Gangstufe kann gemäß Anspruch 2 als Wandler-Durchkupplung ausgebildet werden. Wird nämlich die Anordnung des Pumpen und Turbinenrades gemäß Anspruch 3 getroffen, so kann das Pumpenrad und das Turbinenrad mittels einer Schaltklaue verbunden werden. Das Synchronisieren erfolgt dazu in der geschilderten Weise wie für die anderen Gangstufen. Nach erfolgter Durchkupplung wird der Wandler entleert. Für das Getriebe ist nur eine einzige Synchronisiereinrichtung erforderlich, und die Anordnung eignet sich für Getriebe mit beliebiger Anzahl Gänge. Wird der schnellste Gang nicht als Direktgang bei koaxialer Anordnung der Getriebeeingangs- und -abtriebswellen gemäß Anspruch 9 ausgebildet, sondern sogar als Schnellgang, so ist auch die Umschaltung in diese Gangstufe mit der erfindungsgemäßen Synchronisierung möglich. Dazu muß gewährleistet sein, daß das Hochgangsvorgelege zur zweiten Nebenwelle hoch genug übersetzt ist, so daß die Stellkupplung nach Erzielung des Gleichlaufes der Schaltklauen dieser Gangstufe auch dann noch genügend hohen Schlupf aufweist, um den Motor in der Drehzahl drücken zu können. Der Mindestschlupf in der Kupplung liegt in der Größenordnung von 10 Prozent. Die hohe spezifische Leistung und schnelle Reaktionsfähigkeit der Stellkupplung ergibt sich aus der hohen Drehzahl, aus schräger Beschaufelung der Räder und sehr großen zu- und Ablaufquerschnitten für die Arbeitsflüssigkeit. Mit Hilfe einer im Prinzip bekannten Druckregelung im Flüssigkeitskreislauf der Stellkupplung (Anspruch 7) vollzieht sich das Füllen und das Regeln auf den von einer Steuereinrichtung vorgegebenen Schlup.fwert so schnell, daß die ganze Umschaltung nur eine Zeit von etwa 1 bis 2 Sekunden benötigt. Die dabei vorübergehend entstehenden Schlupfverluste spielen also für den Wirkungsgrad des Getriebes keine Rolle, Außerdem wird

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bei der fahrdynamisch kritischen Hochschaltung durch die rasche Reduktion der Motordrehzahl ein Massendrehmoment durch die Motormasse selbst wirksam, wodurch eine Zugkrafterhöhung eintritt. Als Drehmomentwandler zum Anfahren kann ein Typ verwendet werden, der nur sehr kurze Zeit in Aktion ist und schon nach kurzer Beschleunigung eine Umschaltung in eine rein mechanische Gangstufe erlaubt. Das erfindungsgemäße Getriebe hat in allen übrigen Fahrbereichen den hohen Wirkungsgrad rein mechanis.cher Getriebe, nutzt aber die VerschleiSfreiheit und Temperatur-Unempfindlichkeit hydrodynamischer Elemente für kurzzeitige Lastwechselvorgänge, die für Motor und Fahrzeug schonend verlaufen.

Das erfindungsgemäße Getriebe kann gemäß den Ansprüchen 11 und 12 auch mit einer hydrodynamischen Strömungsbremse (Retarder) ausgerüstet werden, wobei deren Rotor beispielsweise auf der dauernd mit der Getriebeabtriebswelle umlaufenden Welle für das Sekundärrad der Stellkupplung angeordnet sein kann. Im übrigen ist mit dem Getriebe gemäß der Erfindung das Bremsen mit dem Motor möglich, da dieser bis auf den Wandlerbetrieb immer fest mit den Antriebsachsen in Verbindung steht, auch während des SynchronisierVorganges.

Die Steuereinrichtung zur Auslösung von Umschaltungen bedient sich gemäß der Erfindung Signalen, die aus Drehzahlfühlern für die Getriebeeingangs- und Ausgangsdrehzahl gewonnen werden. Außerdem kann je nach der Motorcharakteristik und den gegebenen Betriebserfordernissen (geringster Brennstoffverbrauch, geringste Emission, maximale Beschleunigung) die Umschaltung gesteuert werden. Bei Vorliegen eines bestimmten Wertes der Eingangsdrehzahl beispielsweise wird der Umschaltvorgang ausgelöst, der in den eingangs geschilderten Schritten abläuft. Dabei werden die beiden Drehzahlen verglichen und daraus der Quotient Abtriebsdrehzahl zu Antriebsdrehzahl gebildet. Dieser Verhältniswert bildet die Grundlage für die Stellgröße, die die Regelung des Schlupfes in der Stellkupplung beeinflußt. Dazu wird ein

auf unterschiedliche Ansprechdrücke einstellbares Überströmventil beaufschlagt. Die Getriebe-Steuereinrichtung kann hydraulisch, pneumatisch oder vorzugsweise elektronisch ausgebildet sein. Sie kann gemäß Anspruch 6 auch mit weiteren Signalen für die momentane Motorleistung beaufschlagbar sein, so daß die Umschaltung, z.B. bei höherer geforderter Motorleistung auch bei höherer Absolutdrehzahl eintritt. Die Steuereinrichtung ist automatisierbar, und durch das Vorhandensein mechanischer Elemente zum Kuppeln der Schaltklauen ist ein Eingriff für eine Notschaltung möglich, beispielsweise des Wandlergangs in Verbindung mit einer Zahnradstufe bei einer Störung der Steuereinrichtung.

Die weiteren Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. So können gemäß Anspruch 10 die Schaltklauen an ihrer Stirnseite in beiden Umfangsrichtungen abgeschrägt sein. Es wurde nämlich erkannt, daß selbst bei einer Abweichung bis etwa 5 Prozent vom absoluten Gleichlauf und entsprechender Formgebung der Klauenstirnseite ein gefahrloses und sicheres Einrücken möglich ist. Die Schlupfregelung für die Stellkupplung und die Signalverarbeitung der Steuereinrichtung kann eine entsprechende Toleranz aufweisen. Übersteigt die Differenzdrehzahl einen bestimmten Wert, so tritt bei einer Fehlschaltung von der Steuereinrichtung aus kein zwangweises Eingreifen der Klauen ein, sondern ein Übergleiten der Klauen durch den in beiden Richtungen wirkenden Abweiseffekt der Klauenstirnseiten.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigt:

Fig. 1 ein Lastschaltgetriebe in 4-Gang-Ausführung und hydrodynamischer Bremse in schematischer Darstellung Fig. 2 eine Ausführungsform der Stirnflächen von Schaltklauen Fig. 3 ein Lastschaltgetriebe in 6-Gang-Ausführung mit Vorwärts- und Rückwärtswandler in schematischer Darstellung.

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In Figur 1 ist ein Getriebe dargestellt mit einer Eingangswelle

I und einem darauf angebrachten Zahnrad 3, welches ein weiteres Ritzel 4 antreibt. Das Zahnrad 3 und das Ritzel 4 bilden ein ins Schnelle übersetzendes Hochgangsvorgelege zum Antrieb einer ersten Nebenwelle 5. Diese Nebenwelle 5 ist als Hohlwelle ausgebildet und stellt gleichzeitig die Primärwelle für das Pumpenrad 7 eines als Drehmomentwandler 6 ausgebildeten Anfahrgliedes dar, dessen Turbinenrad 8 auf einer Sekundärwelle 9 befestigt ist. Die Welle 9 durchdringt zur einen Seite hin die Nebenwelle 5 und setzt sich zur anderen Seite hin fort als treibende Welle für ein Schaltgetriebe 10. Letzteres enthält zwei Ritzel 11 und 13, die voneinander unabhängig gelagert sind und mit entsprechenden Gegenzahnrädern 12 und 14 in Eingriff stehen. Die Zahnräder 12 und 14 sind fest auf einer Abtriebswelle 2 befestigt und bilden mit den entsprechenden Ritzeln 11 und 13 zwei schaltbare Gangstufen. Dazu sind die Ritzel 11 und 13 auf den einander zugewandten Stirnseiten mit Schaltklauen 18, 19 versehen. Die Drehmomenteinleitung erfolgt in bekannter Weise über eine Schiebemuffe 15, die auf der Sekundärwelle 9 verschiebbar angeordnet ist und ebenfalls stirnseitige Schaltklauen 16, 17 aufweist, die entweder mit denjenigen des Ritzels

II oder des Ritzels 13 in Eingriff gebracht werden können. Zwischen beiden Stellungen befindet sich eine Mittelstellung ohne Eingriff.

Eine weitere Schiebemuffe 20 ist auf dem die Nebenwelle 5 durchdringenden Teil der Sekundärwelle 9 angeordnet und trägt stirnseitige Schaltklauen 21, die in entsprechende Schaltklauen 22 auf der Stirnseite der Nebenwelle 5 eingerückt werden können. Die Schiebemuffe 20 stellt somit eine Überbrückungskupplung für das Pumpenrad 7 und das Turoinenrad 8 des Drehmomentwandlers 6 dar.

Eine dritte Schiebemuffe 25 mit Schaltklauen 26 befindet sich auf der Verlängerung der Eingangswelle 1. Die Abtriebswelle 2 ist koaxial zur Eingangswelle 1 angeordnet und trägt Schaltklauen 27, in die die Schiebemuffe 25 eingerückt werden kann. Dieser Schaltzustand bildet dann den Direktgang des Getriebes.

Das auf der Eingangswelle 1 angeordnete Zahnrad 3 steht außerdem in Eingriff mit einem weiteren Ritzel 34, das auf einer zweiten Nebenwelle 35 befestigt ist. Auf der Nebenwelle 35 ist das Primärschaufelrad 37 einer in ihrem Füllungsgrad regelbaren Strömungskupplung (Stellkupplung) 36 angeordnet. Das Sekundärschaufelrad 38 ist auf einer Zwischenwelle 39 befestigt, welche ein Ritzel 40 trägt. Das Ritzel 40 steht in Eingriff mit einem Zahnrad 41, das mit der Abtrieoswelle 2 verbunden ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist auf der Zwischenwelle 39 außerdem der Rotor 43 einer hydrodynamischen Bremse 42 angeordnet. Diese Bremse 42 steht somit über das Zahnradpaar 40, 41 gangunabhängig dauernd mit der Abtriebswelle 2 in Verbindung.

Die Schaltvorgänge im Getriebe laufen wie folgt ab:

In Gang I ist die Schiebemuffe 15 mit den Schaltklauen 16, 18 mit dem Ritzel 11 verbunden. Der Anfahrvorgang erfolgt durch Füllung des Drehmomentwandlers 6 mit Arbeitsflüssigkeit, so daß der Kraftfluß von der Getriebeingangswelle 1 über das Hochgangsvorgelege 3, 4 zu den Schaufelrädern 7, 8 der Sekundärwelle 9 und über die Räder 11, 12 zur Abtriebswelle 2 verläuft. Hat der Wandler 6 den ihm zugeordneten Betriebsbereich durchfahren, so gibt ein die Drehzahl der Abtriebswelle 2 überwachender Drehzahlgeber 28 ein Signal zur Umschaltung in Gang II. Dieser wird gebildet durch Entleerung des Wandlers 6 und Einrücken der Wandler-Überorückungskupplung, nämlich der Schiebemuffe 20 mit den Schaltklauen 21 in die Schaltklauen 22 der ersten Nebenwelle 5. Der erforderliche Gleichlauf zwischen der Nebenwelle 5 und der Sekundärwelle 9 wird wie folgt erzielt:

Das vom Drehzahlgeber 28 ausgehende Signal löst über eine Steuereinrichtung 30 die Füllung der Stellkupplung 36 aus. Dieser Füllvorgang erfolgt senr schnell, weil die Übersetzung der Räder 3, 34 so gewählt ist, daß die Kupplung mit hoher Drehzahl läuft und dementsprechend klein dimensioniert werden kann. Die

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Abtriebswelle 2 und mit ihr das Räderpaar 40, 41 rotieren demgegenüber relativ langsam, was zu hohem Schlupf in der Stellkupplung führt. Die Kupplung 36 ist vorzugsweise mit schräger Beschaufelung ausgeführt, was ihr eine hohe spezifische Leistung (k-Wert) verleiht, das heißt ein bei gegebener Drehzahl hohes Drehmoment. Dieses Drehmoment kann das Motor-Nutzdrehmoment um etwa 50 Prozent übersteigen, was dazu führt, daß der Kraftfluß von der Getriebeeingangswelle 1 zur Abtriebswelle 2 nunmehr von der Kupplung übernommen wird bei gleichzeitiger Entlastung der Wellen 5 und 9 samt den beteiligten Zahnrädern. Da aber die Eingangswelle 1 über die Stellkupplung 36 direkt mit der Abtriebswelle 2 verbunden ist, kommt zwangsläufig aufgrund der Übersetzungsverhältnisse der Radpaare 3, 34 und 40, 41 eine Drückung der Motordrehzahl zustande. Eine der Motordrehzahl proportionale Drehzahl wird von einem zweiten Drehzahlgeber 29 auf der Eingangsseite des Getriebes gemessen. Die beiden Drehzahlgeber 28, 29 ermöglichen nunmehr einen Vergleich, so daß jeder Gangstufe ein fester Wert für das Verhältnis Abtriebsdrehzahl n₂ zu Antriebsdrehzahl n, zugeordnet werden kann.

Während im Gang I ein stufenloses Anfahren über den Drehmomentwandler 6 erfolgt, liegt bei Überbrückung des Wandlers ein von den Radpaaren 3, 4 und 11, 12 festgelegtes Drehzahlverhältnis vor. Der Füllungsgrad der Stellkupplung 36 wird über eine an sich bekannte Druckregeleinrichtung von einem aus der Steuereinrichtung 30 stammenden Signal so verändert, daß sich mittels präzise eingestellten Schlupfes in der Kupplung 36 der dem neu einzulegenden Gang II entsprechende Sollwert für das Verhältnis n₂/n, ergibt. Dann nämlich herrscht Gleichlauf zwischen den mittels der Schiebemuffe 20 zu kuppelnden Wellen 5 und 9. Sobald also die beiden Drehzahlgeber 28, 29 den Sollwert ^η2^^η1 ^f^^{r Gan}9 -¹¹ anzeigen, wird über die Steuereinrichtung 30 das Verschieben der Muffe 20 eingeleitet. Bei Erreichen der Endlage wird das Entleeren der Stellkupplung 36 ausgelöst, wodurch sich der Kraftfluß über die zweite Nebenwelle 35 abbaut und erneut über die erste Nebenwelle 5 aufbaut. Das Drehmoment

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wird dann wieder über die Welle 9 übertragen, jedoch in diesem Gang II und den folgenden über den zwischen der Schiebemuffe und dem Turbinenrad 8 innerhalb der hohlen Nebenwelle 5 liegenden Wellenabschnitt.

Das Entleeren der Stellkupplung erfolgt wie das Füllen sehr rasch, dementsprechend rasch auch der Drehmomentanstieg in der Welle 9. Obgleich die Schaltung stoßfrei abläuft, ist es vorteilhaft, die Welle 9 als elastische Welle auszubilden, die durch Verjüngung in bestimmten Schaftbereichen eine Drehelastizität zur weichen getriebeschonenden Schaltung bewirkt.

Zur Umschaltung von Gang II auf Gang III ist die Schiebemuffe 15 in die andere Endlage zu verschieben, so daü über die Schaltklauen 17, 19 das Radpaar 13, 14 in den Kraftfluß einbezogen wird. Signalisiert einer der Drehzahlgeber 28, 29 den Sollwert n₂ oder n·, für die Umschaltung in den Gang III, so läuft die Synchronisierung über die Stellkupplung 36 erneut wieder wie folgt ab: Füllen der Kupplung 36, wobei die Schaltklauen 16, 18 entlastet werden, und die Schiebemuffe 15 in Mittelstellung durch Federkraft ausrückt, Einstellen des Schlupfes in der Stellkupplung auf den neuen Sollwert n₂/n·, für Gang III, Einrücken der Schiebemuffe 15 in die Schaltklauen 17, 19, Entleeren der Stellkupplung 36.

Bei der Umschaltung auf Gang IV wird die Schiebemuffe 15 in Mittelstellung gerückt und nach der Synchronisierung wie beschrieben die Schiebemuffe 25 verschoben, so daß die Schaltklauen 26, 27 in Eingriff kommen und den Direktgang von der Eingangswelle 1 zur Abtriebswelle 2 herbeiführen.

Um sicherzustellen, daß auch zum Umschalten in den Gang mit der höchsten Abtriebsdrehzahl noch eine sichere und rasche Synchronisierung stattfindet, ist die Übersetzung der Radpaare 3, und 40, 41 so gewählt, daß der Kraftweg über die zweite Nebenwelle 35 und die Stellkupplung 36 eine Höchstgeschwindigkeit bzw. Getriebeabtriebsdrehzahl bewirkt, die zwischen 5 und 15

Prozent über derjenigen der schnellsten Getriebegangstufe liegt. Das bedeutet, daß bis zum Ende des Synchronisiervorganges bei Schaltung in den schnellsten Gang die Stellkupplung 36 zwischen 5 und 15 Prozent Schlupf aufweist. Dabei muß der k-Wert der Kupplung so hoch sein, daß ein genügendes Drehmoment entwickelt wird, um den Antriebsmotor auf die erforderliche Synchrondrehzahl zu verzögern.

Zum Einstellen des Schlupfes in der Stellkupplung 36 dient die Druckregeleinrichtung 45. Das Sekundärschaufelrad 38 weist zu diesem Zweck Bohrungen auf, die tangential von der inneren Peripherie ausgehen und radial nach innen gerichtet sind. Sie münden in die hohl ausgeführte Nebenwelle 35. Dieser Hohlraum führt über die Leitung 44 zu einem Überströmventil 46, dessen beweglicher Ventilkörper von dem aus dem Sekundärschaufelrad 38 austretenden Druck beaufschlagt ist, und zwar in Richtung "Öffnen", symbolisch dargestellt durch eine Steuerleitung 47. Die aus oem Überströmventil austretende Arbeitsflüssigkeit gelangt in den Flüssigkeitsbehälter zurück. Das Füllen der Stellkupplung 36 erfolgt über eine von der Getriebeeingangswelle 1 aus angetriebenen Pumpe 49 und ein von der Steuereinrichtung 30 gesteuertes Zuströmventil 50 direkt ins Innere der Kupplung zum Beispiel durch die Beschaufelung des Primärschaufelrades hindurch.

Das Ansprechen des Überströmventils 46 und damit der den Schlupf bestimmende Füllungsgrad der Stellkupplung 36 wird beeinflußt von der in Richtung "Schließen" wirkenden Vorspannung auf den Ventilkörper im Überströmventil 46. Wirkt auf den Ventilkörper eine kleine Vorspannkraft, so kann sich die Kupplung 36 schon bei hohen Schlupfwerten und niedrigem Innendruck genügend entleeren, während bei großer Vorspannkraft die Kupplung 36 einen größeren Füllungsgrad erreicht, ein höheres Drehmoment entwickelt und kleinere Schupfwerte erzielt. Wird die Vorspannung von einem in seiner Kraft veränderbaren Elektromagneten 48 aufgebracht, so kann durch entsprechende Erregung ein bestimmter Betriebszustand der Stellkupplung 36 eingestellt werden. Da

durch ist es möglich, der Stellkupplung 36 zum Synchronisieren einen festen Schlupf-Sollwert vorzugeben, den die Steuereinrichtung 30 aus den von den Drehzahlgebern 28, 29 stammenden Werten n-,, n₂ ermittelt und als entsprechendes Signal an den Elektromagneten 48 am Überströmventil 46 weitergibt.

Die Steuereinrichtung 30 ermöglicht außerdem die Beeinflussung des Umschaltpunktes von einem Gang zum anderen in der Weise, daß bei hoher momentan geforderter Leistung die Umschaltung bei höherer Fahrgeschwindigkeit bzw. Getriebeeingangszahl erfolgt als bei niedriger Leistung. Im Ausfuhrungsbeispiel wird die momentane Leistung von der Stellung des Gaspedals 51 abgegriffen.

Als Rückwärtsgang kann entweder wie in Figur 1 dargestellt ein Umkehrvorgelege 55 vorgesehen sein, das von der Sekundärwelle 9 aus angetrieben wird und das Radpaar 11, 12 in umgekehrtem Drehsinn antreibt. Das Vorgelege kann als Planetengetriebe ausgeführt sein mit angetriebenem Sonnenrad 56, fest gelagerten Planetenrädern 57 und Hohlrad '58, bei Stillstand geschaltet über eine Schiebemuffe 59 und Schaltklauen 60. Der Antrieb erfolgt dann über den Drehmomentwandler 6 bei ausgerückter Schiebemuffe 20. Anstelle des Umkehrvorgeleges 55 kann das Getriebe auch mit einem Wendevorgelege ausgerüstet sein, das sich baulich an die Abtriebswelle 2 anschließt (nicht dargestellt). Im Falle der Verwendung des Getriebes beispielsweise in Schienenfahrzeugen stehen dann in beiden Fahrtrichtungen alle Getriebegänge zur Verfügung. Sowohl ein Umkehrvorgelege 55 als auch ein Wendevorgelege können anflanschbar ausgeführt werden zur wahlweisen Ausrüstung des Grundgetriebes. Die in Figur 1 dargestellte Anordnung der Schiebemuffen 15, 20 auf der hochtourigen Welle des Schaltgetriebes 10 hat den Vorteil, daß die Schaltklauen auf kleinere Drehmomente dimensioniert und die Betätigungseinrichtungen für die Schiebemuffen günstig am Getriebe angebracht werden können.

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Die hydrodynamischen Kreisläufe des Getriebes, also der Drehmomentwandler 6, die Stellkupplung 36 und die Strömungsbremse 42 sind nur für Bruchteile der Betriebszeit in Tätigkeit. Sie werden daher wie bekannt mit Einrichtungen versehen, die eine leistungsverzehrende Luftzirkulation im entleerten Zustand verhindern, z.B. Blendenschieber oder sonstige Strömungshindernisse (nicht dargestellt).

Es wurde erkannt, daß ein zuverlässiges Ineinandergreifen der Schaltklauen nicht etwa bei absolutem Gleichlauf der zu kuppelnden Schiebemuffe mit dem anderen Getriebeelement gewährleistet ist, sondern wenn eine geringfügige Differenzdrehzahl herrscht. Die Steuereinrichtung kann daher auf eine Gleichlauftoleranz von etwa zwei Prozent ausgelegt werden, wobei die Relativdrehzahl der zu kuppelnden Getriebeteile etwa 50 l/min betragen kann, ohne daß Schaden an den dabei unbelasteten Schaltklauen zu befürchten sind.

Ein Vorteil ist jedoch, wenn die Stirnseite der Schaltklauen gemäß Figur 2 ballig oder in beiden Umfangsrichtungen abgeschrägt ausgebildet sind. Sollte sich durch eine Störung in der Steuereinrichtung eine zu hohe Differenzdrehzahl einstellen, bei der die Schaltklauen nicht schadlos und stoßfrei ineinandergreifen können, so entsteht bei Berührung der betreffenden Stirnflächen der Schaltklauen ein Abweiseffekt, der eine Fehlschaltung verhindert. Selbst eine Drehzahldifferenz von fünf Prozent kann ohne Schaden zum Eingreifen der Schaltklauen führen, wenn der entstehende Stoß durch Ausbildung der Sekundärwelle 9 als elastische Welle abgebaut wird.

Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Getriebe mit der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung. Die der Figur 1 entsprechenden Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Es handelt sich um ein Getriebe, das 6 Gangstufen aufweist, nämlich zum Anfahren einen Drehmomentwandler 6, angetrieben über das Hochgangsvorgelege 3, 4, vier Gangstufen in einem Schaltgetriebe 110 bei überbrückten! Drehmomentwandler 6 und

einen Direktgang über Schiebemuffe 25. Das Schaltgetriebe 110 weist vier Radpaare auf, die über entsprechende Schiebemuffen zur Wirkung kommen. Die Schiebemuffe 20 dient wiederum zum Überbrücken des Wandlers und ist nur im Wandlergang außer Eingriff.

Das Getrieoe weist ebenfalls eine vom Rad 34 angetriebene zweite Nebenwelle 35 auf, die die Stellkupplung 36 trägt. Die Zwischenwelle 39 treibt über die Räder 40, 41 auf die Getriebeabtriebswelle 2.

Anstelle eines Rückwärtsganges oder Wendegetriebes ist für die Rückwärtsfahrt ein weiterer Drehmomentwandler 106.vorgesehen, dessen Pumpenrad 107 über das Ritzel 104 von dem Hochgangzahnrad 3 aus angetrieben wird. Das Turbinenrad 108 treibt über das Rad 109 und das Zwischenrad 111 auf die Vorgelegewelle 112 des Schaltgetriebes 110. Es handelt sich bei dieser Getriebebauart um ein kombiniertes hydrodynamisches Wende- und Schaltgetriebe, das alle bekannten Vorzüge eines Getriebes mit getrennten Drehmomentwandlern für jede Fahrtrichtung (schneller Wechsel der Fahrtrichtung) und wirtschaftlichen Betrieb mit rein mechanischem, verschleißlos unter Last schaltbarem Stufengetriebe in sich vereinigt. Da in bekannter Weise mit dem Wandler der Gegenfahrtrichtung gebremst werden kann, ist bei dieser Getriebebauart eine Strömungsbremse entbehrlich. Nicht dargestellt ist die analog der Ausführung nach Figur 1 ausgebildete Steuereinrichtung und Regeleinrichtung für die Stellkupplung.

Ein Notbetrieb (nicht dargestellt) mit dem erfindungsgemaßen Getriebe bei Ausfall der Steuerung ist dadurch möglich, daß durch äußeren Eingriff die Schiebemuffe 15 für Gang I in Eingriff gebracht und die Füllung des Drehmomentwandlers 6 eingeleitet wird. Im Falle eines 6-Gang-Getriebes kann eventuell für den Notbetrieb auch mit einer schnelleren Gangstufe hinter dem Drehmomentwandler gefahren werden. Auch ein Anschleppen des Motors ist möglich bei überbrückten! Drehmomentwandler.

19.03.84 DK/ÜKü
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Claims

Patentansprüche

Vorgelegebauart mit einem Anfahrglied, einem Hauptwellenzug und zwei Nebenwellen sowie den folgenden weiteren Merkmalen:

a) beide Nebenwellen sind über je ein ins Schnelle übersetzendes Zahnradvorgelege dauernd mit der Getriebeeingangswelle verbunden,

b) die einzelnen Gangstufen werden mittels Klauenkupplungen mit Schiebenmuffen und Abweisklauen geschaltet,

c) zum Schalten sind die Klauenkupplungshälften auf Gleichlauf bringbar über eine für alle Gänge wirksame Synchronisiereinrichtung, die auf einer der Nebenwellen angeordnet ist

gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

d) als Anfahrglied ist ein füll- und entleerbarer hydrodynamischer Kreislauf (6) vorhanden, dessen Primärrad (7) mit der einen Nebenwelle (5) und dessen Sekundärrad (8) mit der Vorgelegewelle (9) des Wechselgetriebes verbunden ist,

e) die Synchronisiereinrichtung ist als hydrodynamische Stellkupplung (36) mit veränderbarer Füllung ausgebildet, deren Primärschaufelrad (37) auf der anderen Nebenwelle (35) angeordnet und deren Sekundärschaufelrad (38) über ein Zahnradvorgelege (40, 41) mit der Getriebeabtriebswelle (2) in Verbindung steht.

f) die Übersetzung vom Sekundärschaufelrad (38) der Stellkupplung (36) zur Getriebeabtriebswelle (2) eine zwischen 5 und 15 Prozent höhere Abtriebsdrehzahl bewirken kann, als der Höchstgeschwindigkeit entspricht

g) zur Herstellung des Gleichlaufes der an der Schaltung jeweils beteiligten Klauenkupplungen (15, 20, 25) ist eine Steuereinrichtung (30) vorhanden, mit welcher nach einem aus momentanen Werten der EinflußgröSen Motorleistung, Getriebeeingangsdrehzahl und Getriebeausgangsdrehzahl gebildeten Umschaltsignal selbstätig eine Umschaltung ausgelöst wird, die in folgenden Schritten abläuft: Füllen der hydrodynamischen Kupplung (36), Ausrücken der im bisherigen Gang eingerückten Schaltklaue, Regelung des Schlupfes der hydrodynamischen Kupplung (36) auf einen dem neu einzulegenden Gang zugeordneten Sollwert für das Verhältnis der Abtriebsdrehzahl zur Eingangsdrehzahl des Getriebes, Einrücken der dem neuen Gang zugeordneten Schaltklaue, Entleeren der hydrodynamischen Kupplung (36).

2. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärrad (7) und Sekundärrad (8) des hydrodynamischen Kreislaufes (6) mit einer Kupplung (20, 21, 22) überbrückbar sind.

3. Getriebe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Nebenwellen (5, 35) als Hohlwellen ausgebildet sind, wobei auf der einen Nebenwelle das Primärrad (7) des hydrodynamischen Kreislaufes (6) angeordnet ist und durch die hindurch sich eine mit dem Sekundärrad (8) verbundene elastische Welle erstreckt, und die andere Nebenwelle (35) als eine Ölführung aufgebildet ist.

4. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (30) zwei Drehzahlfühler (28, 29) umfaßt, von denen einer eine der Getriebeeingangsdrehzahl, der andere eine der Getriebeabtriebsdrehzahl

proportionale Drehzahl erfaßt, wobei aus den dadurch erfaßten Werten in der Steuereinrichtung für jeden Gang ein bestimmter Sollwert für das Verhältnis der Abtriebsdrehzahl zur Eingangsdrehzahl des Getriebes gebildet wird.

5. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Steuereinrichtung (30) stammende Signal für das Einrücken der Schaltklaue für den neuen Gang freigegeben ist, sobald die Abweichung des durch Schlupfregelung der Synchronisierkupplung (36) erzielten Verhältnisses der Abtriebsdrehzahl zur Antriebsdrehzahl des Getriebes vom Sollwert für den betreffenden Gang circa zwei Prozent beträgt.

6. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung einen Fühler für die Meßgröße Motorleistung umfaßt, und daß mittels des daraus ermittelten Signals der Umschaltbefehl von einem Gang in den anderen auf umso höhere Absolutwerte für die Eingangs- bzw. Abtriebsdrehzahl verschoben wird, je höher die vom Antriebsmotor momentan abverlangte Leistung ist.

7. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Sekundärschaufelrad (38) der Synchronisierkupplung (36) mit Bohrungen versehen ist, die tangential am Schaufelprofil münden und nach innen zur Kupplungsachse hin gerichtet sind, und daß sich im Flüssigkeitsaustritt aus der Synchronisierkupplung (36) eine Druckregeleinrichtung (45) befindet, wobei das den Füllungsgrad der Synchronisierkupplung (36) bestimmende Ventil als ein auf unterschiedliche Ansprechdrücke einstellbares Überströmventil (46) ausgebildet ist.

8. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisierkupplung (36) derart ausgebildet ist, daß das während des Umschaltvorganges an der Getriebeeingangswelle (1) auftretende Drehmoment bis zum eineinhalbfachen des Motor-Nutzdrehmomentes beträgt.

9. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangswelle (1) und Abtriebswelle (2) des Getriebes koaxial angeordnet und mit einer Kupplung (25) verbindbar sind.

10. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltklauen (16, 17, 18, 19, 21, 22, 26, 27) an ihren Stirnseiten in beiden Umfangsrichtungen abgeschrägt sind.

11. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein hydrodynamischer Brems-Kreislauf (42) vorgesehen ist.

12. Getriebe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnt, daß der hydrodynamische Bremskreislauf (42) im Getriebe integriert ist und daß der Bremsrotor (43) auf derjenigen Welle (39) angeordnet ist, auf der das Sekundärschaufelrad (38) der Synchronisierkupplung (36·) befestigt ist.

13. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der hydrodynamische Kreislauf (6) und die Stellkupplung (36) in einer Ebene angeordnet sind.

14. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 13 , dadurch gekennzeichnet, daß die Schiebemuffen (15, 20) für die Zahnradstufen auf der schnellaufenden Sekundärwelle (9) angeordnet sind.

19.03.84 DK/GKü
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