DE3415909C2 - - Google Patents

Description

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

Die Erfindung geht aus von einem aus der DE-PS 11 37 754 und der DE-AS 12 25 221 bekannten Getriebe. Dieses weist einen hy­ drodynamischen Drehmomentwandler auf, der über primär- und se­ kundärseitige Zahnradvorgelege mit der An- bzw. Abtriebswelle verbunden ist, durch Füllen und Entleeren schaltbar ist und einen ersten Kraftweg bildet zum Anfahren des Fahrzeuges und für einen ersten Geschwindigkeitsbereich. Ein zweiter paralle­ ler Kraftweg wird gebildet durch eine hydrodynamische Kupplung, die ebenfalls über Zahnradvorgelege mit der An- und Abtriebs­ welle verbunden ist, durch Füllen und Entleeren geschaltet wird und einem zweiten Geschwindigkeitsbereich zugeordnet ist. Es ist ferner eine Einrichtung zum Überbrücken der beiden Kupp­ lungshälften für den Betrieb im zweiten Geschwindigkeitsbereich vorhanden, so daß ein dritter Geschwindigkeitsbereich zustande kommt, dem eine mechanische Durchkupplung im Getriebe ent­ spricht. Die Umschaltung vom ersten auf den zweiten Kraftweg, also vom ersten in den zweiten Geschwindigkeitsbereich ist zwar unter Last möglich, eine Umschaltung vom zweiten in den dritten Geschwindigkeitsbereich jedoch nur lastfrei bei Verwendung ei­ ner Klauenkupplung, wobei die Art der Synchronisierung für die Klauenkupplung bzw. die Drehzahlanpassung nicht offenbart ist. Wird gemäß der DE-AS 12 25 221 zur Überbrückung der Strömungs­ kupplung eine Lamellen- oder Scheibenkupplung verwendet, so muß diese mit einem Schlupf von mindestens 15% bei voller Last die Leistungsübertragung übernehmen. Für ein Hochleistungs-Fahr­ zeuggetriebe ist diese Betriebsweise aufgrund der zu erwarten­ den Erwärmung und des Verschleißes nicht annehmbar.

Ein Fahrzeuggetriebe mit zwei Kraftwegen ist ferner aus der GB-PS 7 93 263 bekannt. In dem ersten Kraftweg ist auf einer Vorgelegewelle ein über Zahnradvorgelege angetriebener hydrody­ namischer Drehmomentwandler angeordnet, dem sich zwei über La­ mellenkupplungen schaltbare Gangstufen anschließen. Im zweiten Kraftweg ist auf einer zweiten Vorgelegewelle eine Kupplung angeordnet, welcher ebenfalls zwei schaltbare Gangstufen nach­ geordnet sind. Die Kupplung kann als hydrodynamische Kupplung ausgebildet sein. Das Umschalten von dem einen auf den anderen Kraftweg kann durch Füllen und Entleeren der beiden hydrodyna­ mischen Elemente Drehmomentwandler und Kupplung stoßfrei unter Last erfolgen. Die einzelnen Gangstufen werden über Lamellen­ kupplungen geschaltet, die jeweils unter Schlupf eine Sychro­ nisierung herbeiführen. Ist eine Gangstufe gewählt, so ist das jeweilige hydrodynamische Element Drehmomentwandler oder Strö­ mungskupplung dauernd in Betrieb.

Eine weitere Bauart eines Stirnradgetriebes in Vorgelegebau­ weise zeigt die DE-AS 10 76 461. Dort dient als Anfahrglied ein Drehmomentwandler, dem zwei oder mehrere Gangstufen nachgeord­ net sind. Letztere werden über Lamellen- bzw. Reibkegelkupplun­ gen geschaltet bzw. synchronisiert.

Den bisher beschriebenen Bauarten der Synchronisiereinrichtun­ gen haftet der Nachteil an, daß an den Schaltvorgängen immer Reibkörper beteiligt sind. Dies können Lamellen, Reibkegel oder sonstige mit Kraftaufwand einrückbare oder eventuell ratschende Abweisklauen sein, die der Erwärmung, dem Verschleiß und der erhöhten Bruchgefahr unterliegen mit den sich ergebenden Folgen wie Stör- und Reparaturanfälligkeit, geringe Lebensdauer und kurze Standzeig des Schmieröles, insbesondere dann, wenn auch die Hauptkupplung als Reibungskupplung ausgebildet ist.

Diesen Nachteilen begegnet zwar teilweise eine aus der DE-PS 12 46 010 bekannte Getriebebauart, bei der ein mechanisches Stufengetriebe über zwei Drehmomentwandler angetrieben wird, wobei das Synchronisieren entweder über das Füllen und Entlee­ ren der Wandler oder einer ebenfalls integrierten hydrodynami­ schen 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 über einen hydrodynamischen Kreislauf erfolgt, also einen Drehmomentwand­ ler 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 be­ teiligten Elemente, guten Wirkungsgrad und geringen Bauaufwand in sich vereinigt. Außerdem soll es wahlweise mit verschiedener Anzahl von Gänge ausgerüstet werden können und automatisch schaltbar sein.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst. Gemäß der Erfindung weist ein Getriebe in Stirnradvorgelege-Bauart zwei Kraftwege auf, die direkt von der Getriebeeingangswelle und zwei ins Schnelle übersetzenden Vor­ gelegen auf zwei Nebenwellen ausgehen. Der erste Kraftweg weist wie bekannt einen hydrodynamischen Drehmomentwandler auf, dessen Pumpenrad direkt von der ersten Nebenwelle angetrieben wird, und dessen Turbinenrad die eigentliche Vorgelegewelle des Schaltgetriebes antreibt. Von dieser Welle aus wird das Dreh­ moment 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 Sekundär­ schaufelrad mit der Getriebeabtriebswelle über Zahnradvorgelege verbunden ist, das auf eine höhere Abtriebsdrehzahl als die schnellste Gangstufe übersetzt ist. Der erste Kraftweg über­ trägt das Drehmoment während des Fahrbetriebs in allen Gängen einschließlich der Anfahrphase, der zweite Kraftweg ist nur während des Umschaltvorganges einschließlich des Synchronisie­ rens aktiv.

Während dieses Synchronisier-Vorganges jedoch überträgt die Stellkupplung durch gesteuertes Füllen das Drehmoment vom Mo­ tor 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 da­ durch die Kraftübertragung über den zweiten Kraftweg zur Ge­ triebeabtriebswelle 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 Drehzahlver­ hältnis zwischen der Abtriebs- und der Eingangswelle herbei­ führt, das dem Übersetzungsverhältnis des neu einzulegenden Ganges entspricht. Sobald der für den betreffenden Gang typi­ sche Schlupf-Sollwert erreicht ist, herrscht praktisch Gleich­ lauf zwischen den Klauen der zu verbindenden Getriebeteile. Es kann somit lastloses Einrücken der Schaltklaue erfolgen und danach das Entleeren der Synchronisier-Stellkupplung. Das Ent­ leeren der Stellkupplung bewirkt dabei das Überleiten der Mo­ torleistung auf den erten Kraftweg in der neu eingelegten Gangstufe.

Während dieses Umschaltvorganges hat der Antriebsmotor keine Laständerung durch den Fahrzeugführer oder durch eine automa­ tische Steuereinrichtung erfahren. Die Stellkupplung hat statt­ dessen 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 Ab­ triebsdrehzahl 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 er­ folgt also nicht nur durch Entlastung der Schaltklauen bei­ spielsweise durch Reduktion des Motormoments und erzwungenem Abbremsen nur der beteiligten Getriebemassen, sondern durch exaktes Einregeln der Dehzahl aller Getriebeteile auf den er­ forderlichen 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 Leitung sowohl vom ersten Kraftweg auf den zweiten während der Kupplungsfüllung als auch umgekehrt beim Entleeren der Kupplung erfolgt prak­ tisch stoß- und verschleißfrei. Ein geringer Stoß beim Ein­ rücken der Klauen bei geringer Drehzahldifferenz wird durch elastische Ausbildung einer Getriebewelle bedeutungslos.

Weitere Vorteile werden mit der erfindungsgemäßen Getriebean­ ordnung erzielt: Durch Verwendung eines füll- und entleerbaren Drehmomentwandlers als Anfahrglied wird stoßfreies, zügiges Anfahren gewährleistet, wobei keine von der Dauer oder Häufig­ keit 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 Tur­ binenrad mittels einer Schaltklaue verbunden werden. Das Syn­ chronisieren 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 Syn­ chronisiereinrichtung 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, sonder sogar als Schnellgang, so ist auch die Umschaltung in diese Gangstufe mit der erfindungsgemäßen Syn­ chronisierung 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 kön­ nen. Der Mindestschlupf in der Kupplung liegt in der Größen­ ordnung 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 Arbeitsflüssig­ keit. Mit Hilfe einer im Prinzip bekannten Druckregelung im Flüssigkeitskreislauf der Stellkupplung (Anspruch 7) vollzieht sich das Füllen und das Regeln auf den von einer Steuereinrich­ tung vorgegebenen Schlupfwert so schnell, daß die ganze Um­ schaltung 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 bei der fahrdynamisch kritischen Hochschaltung durch die rasche Reduktion der Motordrehzahl ein Massendrehmoment durch die Mo­ tormasse selbst wirksam, wodurch eine Zugkrafterhöhung ein­ tritt. Als Drehmomentwandler zum Anfahren kann ein Typ verwen­ det werden, der nur sehr kurze Zeit in Aktion ist und schon nach kurzer Beschleunigung eine Umschaltung in eine rein mecha­ nische Gangstufe erlaubt. Das erfindungsgemäße Getriebe hat in allen übrigen Fahrbereichen den hohen Wirkungsgrad rein mecha­ nischer Getriebe, nutzt aber die Verschleißfreiheit und Tempe­ ratur-Unempfindlichkeit hydrodynamischer Elemente für kurzzei­ tige 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, gering­ ste Emission, maximale Beschleunigung) die Umschaltung gesteu­ ert werden. Bei Vorliegen eines bestimmten Wertes der Eingangs­ drehzahl beispielsweise wird der Umschaltvorgang ausgelöst, der in den eingangs geschilderten Schritten abläuft. Dabei werden die beiden Drehzahlen verglichen und daraus der Quotient Ab­ triebsdrehzahl zu Antriebsdrehzahl gebildet. Dieser Verhältnis­ wert bildet die Grundlage für die Stellgröße, die die Regelung des Schlupfes in der Stellkupplung beeinflußt. Dazu wird ein auf unterschiedliche Ansprechdrücke einstellbares Überströmven­ til beaufschlagt. Die Getriebe-Steuereinrichtung kann hydrau­ lisch, 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 Ele­ mente zum Kuppeln der Schaltklauen ist ein Eingriff für eine Notschaltung möglich, beispielsweise des Wanldergangs in Ver­ bindung mit einer Zahnradstufe bei einer Störung der Steuerein­ richtung.

Die weiteren Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestal­ tungen der Erfindung. So können gemäß Anspruch 10 die Schalt­ klauen an ihrer Stirnseite in beiden Umfangsrichtungen abge­ schrägt sein. Es wurde nämlich erkannt, daß selbst bei einer Abweichung bis etwa 5 Prozent vom absoluten Gleichlauf und ent­ sprechender 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 Dif­ ferenzdrehzahl einen bestimmten Wert, so tritt bei einer Fehl­ schaltung von der Steuereinrichtung aus kein zwangsweises Ein­ greifen der Klauen ein, sondern ein Übergleiten der Klauen durch den in beiden Richtungen wirkenden Abweiseffekt der Klau­ enstirnseiten.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung näher be­ schrieben. Darin zeigt

Fig. 1 ein Lastschaltgetriebe in 4-Gang-Ausführung und hydro­ dynamischer Bremse in schematischer Darstellung,

Fig. 2 eine Ausführungsform der Stirnflächen von Schaltklauen,

Fig. 3 ein Lastschaltgetriebe in 6-Gang-Ausführung mit Vor­ wärts- und Rückwärtswandler in schematischer Darstel­ lung.

In Fig. 1 ist ein Getriebe dargestellt mit einer Eingangswelle 1 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 aus­ gebildet und stellt gleichzeitig die Primärwelle für das Pum­ penrad 7 eines als Drehmomentwandler 6 ausgebildeten Anfahr­ gliedes 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 Schaltungsgetriebe 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 Abtriebs­ welle 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 Schalt­ klauen 16, 17 aufweist, die entweder mit denjenigen des Ritzels 11 oder des Ritzels 13 in Eingriff gebracht werden können. Zwi­ schen 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 einstückig werden kön­ nen. Die Schiebemuffe 20 stellt somit eine Überbrückungskupp­ lung für das Pumpenrad 7 für das Turbinenrad 8 des Drehmoment­ wandlers 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 Schalt­ klauen 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 außer­ dem 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 Sekundär­ schaufelrad 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 Abtriebswelle 2 verbunden ist. Im vor­ liegenden Ausführungsbeispiel ist auf der Zwischenwelle 39 außerdem der Rotor 43 einer hydrodynamischen Bremse 42 angeord­ net. 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:

Im Gang I ist die Schiebemuffe 15 mit den Schaltklauen 16, 18 mit dem Ritzel 11 verbunden. Der Anfangsvorgang erfolgt durch Füllung des Drehmomentwandlers 6 mit Arbeitsflüssigkeit, so daß der Kraftfluß von der Getriebeeingangswelle 1 über das Hoch­ gangsvorgelege 3, 4 zu den Schaufelrädern 7, 8 der Sekundär­ welle 9 und über die Räder 11, 12 zur Abtriebswelle 2 verläuft. Hat der Wandler 6 den ihm zugeordneten Betriebszustand durch­ fahren, so gibt ein die Drehzahl der Abtriebswelle 2 Überwa­ chender Drehzahlgeber 28 ein Signal zur Umschaltung in Gang II. Dieser wird gebildet durch Entleerung des Wandlers 6 und Ein­ rücken der Wandler-Überbrückungskupplung, nämlich der Schiebe­ muffe 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 Steu­ ereinrichtung 30 die Füllung der Stellkupplung 36 aus. Dieser Füllvorgang erfolgt sehr schnell, weil die Übersetzung der Rä­ der 3, 34 so gewählt ist, daß die Kupplung mit hoher Drehzahl läuft und dementsprechend klein dimensioniert werden kann. Die Antriebswelle 2 und mit ihr das Räderpaar 40, 41 rotiern dem­ gegenüber relativ langsam, was zu hohem Schlupf in der Stell­ kupplung führt. Die Kupplung 36 ist vorzugsweise mit schräger Beschaufelung ausgeführt, was ihr eine hohe spezifische Lei­ stung (k-Wert), das heißt ein bei gegebener Drehzahl hohes Drehmoment. Dieses Drehmoment kann das Motor-Nutzdrehmo­ ment 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 samit den beteiligten Zahnrädern. Da aber die Eingangswelle 1 über die Stellkupplung 36 direkt mit der Abtriebswelle 2 verbunden ist, kommt zwangsläufig auf­ grund der Übersetzungsverhältnisse der Radpaare 3, 34 und 40, 41 eine Drückung der Motordrehzahl zustande. Eine der Motor­ drehzahl proportionale Drehzahl wird von einem zweiten Dreh­ zahlgeber 29 auf der Eingangsseite des Getriebes gemessen. Die beiden Drehzahlgeber 28, 29 ermöglichen nunmehr einen Ver­ gleich, so daß jeder Gangstufe ein fester Wert für das Verhält­ nis Abtriebsdrehzahl n ₂ zu Antriebsdrehzahl n ₁ zugeordnet werden kann.

Während im Gang I ein stufenloses Anfahren über den Drehmoment­ wandles 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 Steuer­ einrichtung 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 n /n ₁ ergibt. Dann nämlich herrscht Gleichlauf zwischen den mittels der Schiebemuffe 20 zu kuppelnden Wellen 5 und 9. So­ bald also die beiden Drehzahlgeber 28, 29 den Sollwert n ₂/n ₁ für Gang II anzeigen, wird über die Steuereinrichtung 30 das Verschieben der Muffe 20 eingeleitet. Bei Erreichen der Endlage wird das Entleeren der Stellkupplung 36 ausgelöst, wo­ durch sich der Kraftfluß über die zweite Nebenwelle 35 abbaut und erneut über die erste Nebenwelle 5 aufbaut. Das Drehmoment wird dann wieder über die Welle 9 übertragen, jedoch in diesem Gang II und den folgenden über den zwischen der Schiebemuffe 20 und dem Turbinenrad 8 innerhlb der hohlen Nebenwelle 5 liegen­ den 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 vor­ teilhaft, die Welle 9 als elastische Welle auszubilden, die durch Verjüngung in bestimmten Schaftbereichen eine Drehelasti­ zität zur weichen getriebeschonenden Schaltung bewirkt.

Zur Umschaltung von Gang II auf Gang III ist die Schiebemuffe 15 in die andere Endlage zu verschieben, so daß über die Schaltklauen 17, 19 das Radpaar 13, 14 in den Kraftfluß einbe­ zogen wird. Signalisiert einer der Drehzahlgeber 28, 29 den Sollwert n ₂ oder n ₁ 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 Schalt­ klauen 16, 18 entlastet werden, und die Schiebemuffe 15 in Mit­ telstellung durch Federkraft ausrückt, Einstellen des Schlupfes in der Stellkupplung auf den neuen Sollwert n ₂/n ₁ 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 be­ schrieben die Schiebemuffe 25 verschoben, so daß die Schalt­ klauen 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 Synchro­ nisierung stattfindet, ist die Übersetzung der Radpaare 3, 34 und 40, 41 so gewählt, daß der Kraftweg über die zweite Neben­ welle 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 Synchronisiervorgan­ ges 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 Pe­ ripherie 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 "Öff­ nen", symbolisch dargestellt durch eine Steuerleitung 47. Die aus dem Überströmventil austretende Arbeitsflüssigkeit gelangt in den Flüssigkeitsbehälter zurück. Das Füllen der Stellkupp­ lung 36 erfolgt über eine von der Getriebeeingangswelle 1 aus angetriebenen Pumpe 49 und ein von der Steuereinrichtung 30 ge­ steuertes Zuströmventil 50 direkt ins Innere der Kupplung zum Beispiel durch die Beschaufelung des Primärschaufelrades hin­ durch.

Das Ansprechen des Überströmventils 46 und damit der den Schlupf bestimmende Füllungsgrad der Stellkupplung 36 wird be­ einflußt von der in Richtung "Schließen" wirkenden Vorspannung auf den Ventilkörper im Überströmventil 46. Wirkt auf die Ven­ tilkörper eine kleine Vorspannkraft, so kann sich die Kupplung 36 schon bei hohen Schlupfwerten und niedrigem Innendruck genü­ gend entleeren, während bei großer Vorspannkraft die Kupplung 36 einen größeren Füllungsgrad erreicht, ein höheres Drehmoment entwickelt und kleinere Schlupfwerte erzielt. Wird die Vorspan­ nung von einem in seiner Kraft veränderbaren Elektromagneten 48 aufgebracht, so kann durch entsprechende Erregung ein bestimm­ ter Betriebszustand der Stellkupplung 36 eingestellt werden. Da durch die es möglich, der Stellkupplung 36 zum Synchronisieren einen festen Schlupf-Sollwert vorzugeben, den die Steuerein­ richtung 30 aus den von den Drehzahlgebern 28, 29 stammenden Werten n ₁, n ₂ 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 Ausführungsbeispiel wird die monentane Leistung von der Stellung des Gaspedals 51 abgegrif­ fen.

Als Rückwärtsgang kann entweder wie in Fig. 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 aus­ geführt sein mit angetriebenem Sonnenrad 56, fest gelagerten Planentenrädern 57 und Hohlrad 58, bei Stillstand geschaltet über eine Schiebemuffe 59 und Schaltklauen 60. Der Antrieb er­ folgt dann über den Drehmomentwandler 6 bei ausgerückter Schie­ bemuffe 20. Anstelle des Umkehrvorgeleges 55 kann das Getriebe auch mit einem Wendevorgelege ausgerüstet sein, das sich bau­ lich an die Abtriebswelle 2 anschließt (nicht dargestellt). Im Falle der Verwendung des Getriebes beispielsweise in Schienen­ fahrzeugen stehen dann in beiden Fahrtrichtungen alle Getriebe­ gänge zu Verfügung. Sowohl ein Umkehrvorgelege 55 als auch ein Wendevorgelege können anflanschbar ausgeführt werden zur wahl­ weisen Ausrüstung des Grundgetriebes. Die in Fig. 1 darge­ stellte Anordnung der Schiebemuffen 15, 20 auf der hochtourigen Welle des Schaltgetriebes 10 hat den Vorteil, daß die Schalt­ klauen auf kleinere Drehmomente dimensioniert und die Betäti­ gungseinrichtungen für die Schiebemuffen günstig am Getriebe angebracht werden können.

Die hydrodynamischen Kreisläufe des Getriebes, also der Drehmo­ mentwandler 6, die Stellkupplung 36 und die Strömungsbremse 42 sind nur für Bruchteile der Betriebszeit in Tätigkeit. Sie wer­ den daher wie bekannt mit Einrichtungen versehen, die eine lei­ stungsverzehrende Luftzirkulation im entleerten Zustand verhin­ dern, z. B. Blendenschieber oder sonstige Strömungshindernisse (nicht dargestellt).

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

Ein Vorteil ist jedoch, wenn die Stirnseite der Schaltklauen gemäß Fig. 2 ballig oder in beiden Umfangsrichtungen abge­ schrägt ausgebildet sind. Sollte sich durch eine Störung in der Steuereinrichtung eine zu hohe Differenzdrehzahl einstellen, bei der die Schaltklauen nicht schadlos und stoßfrei ineinan­ dergreifen 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 Sekun­ därwelle 9 als elastische Welle abgebaut wird.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Getriebe mit der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung. Die der Fig. 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 überbrücktem Drehmomentwandler 6 und einen Direktgang über Schiebemuffe 25. Das Schaltgetriebe 110 weist vier Radpaare auf, die über entstehende Schiebemuffen zur Wirkung kommen. Die Schiebemuffe 20 dient wiederum zum Überbrücken des Wandlers und ist nur im Wandlergang außer Eingriff.

Das Getriebe weist ebenfalls eine vom Rad 34 angetriebene zwei­ te Nebenwelle 35 auf, die die Stellkupplung 36 trägt. Die Zwi­ schenwelle 39 treibt über die Räder 40, 41 auf die Getriebeab­ triebswelle 2.

Anstelle eines Rückwärtsganges oder Wendegetriebes ist für die Rückwärtsfahrt ein weiterer Drehmomentwandler 106 vorgesehen, dessen Pumpenrad 107 über das Ritzel 104 von dem Hochgangszahn­ rad 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 Dreh­ momentwandlern für jede Fahrtrichtung (schneller Wechsel der Fahrtrichtung) und wirtschaftlichen Betrieb mit rein mechani­ schem, verschleißlos unter Last schaltbaren Stufengetriebe in sich vereinigt. Da in bekannter Weise mit dem Wandler der Ge­ genfahrtrichtung gebremst werden kann, ist bei dieser Getriebe­ bauart eine Strömungsbremse entbehrlich. Nicht dargestellt ist die analog der Ausführung nach Fig. 1 ausgebildete Steuerein­ richtung und Regeleinrichtung für die Stellkupplung.

Ein Notbetrieb (nicht dargestellt) mit dem erfindungsgemäßen Getriebe bei Ausfall der Steuerung ist dadurch möglich, daß durch äußeren Eingriff die Schiebemuffe 15 für Gang I in Ein­ griff gebracht und die Füllung des Drehmomentwandlers 6 einge­ leitet 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 überbrücktem Drehmomentwandler.

Claims (15)

1. Stirnradwechselgetriebe, insbesondere für Fahrzeuge, in Vorgelegebauart, das folgende Merkmale aufweist:

• a) in einem ersten Kraftweg ist auf einer ersten Neben­ welle ein füll- und entleerbarer hydrodynamischer Drehmomentwandler angeordnet, der über Zahnradvorgele­ ge mit der An- und Abtriebswelle verbunden ist,
• b) in einem zweiten Kraftweg ist eine füll- und entleer­ bare Strömungskupplung angeordnet, deren Primärschau­ felrad von der Antriebswelle aus angetrieben wird und deren Sekundärschaufelrad auf die Abtriebswelle wirkt,
• c) die Strömungskupplung ist mittels einer mechanischen Kupplung überbrückbar,

gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

• d) zwischen dem Turbinenrad (8) des Drehmomentwandlers (6) und der Abtriebswelle (2) ist ein Wechselgetriebe (10) angeordnet, dessen Gangstufen über Schiebemuffen und Klauenkupplungen (15, 20, 25) geschaltet werden können,
• e) die Klauenkupplungshälften sind auf Gleichlauf bring­ bar über eine für alle Gänge wirksame Synchronisier­ einrichtung,
• f) als Synchronisiereinrichtung dient die Strömungs­ kupplung, die als Stellkupplung (36) mit regelbarem Schlupf ausgebildet und auf einer zweiten Nebenwelle (35, 39) angeordnet ist, wobei deren Primärschaufelrad (37) über ein ins Schnelle übersetzendes Hochgangvor­ gelege (3, 34) angetrieben wird und deren Sekundär­ schaufelrad (38) über ein Zahnradvorgelege (40, 41) mit der Getriebeabtriebswelle (2) in Verbindung steht,
• g) die Übersetzung vom Sekundärschaufelrad (38) der Stellkupplung (36) zur Getriebeabtriebswelle (2) ist so gewählt, daß die Stellkupplung (36) bei Kraftfluß durch die Nabenwellen (35, 39) eine zwischen 5 und 15 Prozent höhere Abtriebsdrehzahl bewirken kann, als der Höchstgeschwindigkeit entspricht,
• h) 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 Einflußgrößen Motorleistung, Getriebeeingangdrehzahl und Getriebe­ ausgangsdrehzahl gebildeten Umschaltsignal selbstätig eine Umschaltung ausgelöst wird, die in folgenden Schritten abläuft: Füllen der Stellkupplung (36), Aus­ rücken der im bisherigen Gang eingerückten Schalt­ klaue, Regelung des Schlupfes der Stellkupplung (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 Stellkupplung (36).

2. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpenrad (7) und das Turbinenrad (8) des Drehmomentwand­ lers (6) mit einer Kupplung (20, 21, 22) überbrückbar sind.

3. Getriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnt, daß beide Nebenwellen (5, 35) als Hohlwellen ausgebildet sind, wobei auf der einen Nebenwelle das Pumpenrad (7) des Drehmoment­ wandlers (6) angeordnet ist und durch die hindurch sich eine mit dem Turbinenrad (8) verbundene elastische Welle (9 a) erstreckt, und die andere Nebenwelle (35) als eine Ölführung ausgebildet ist.

4. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuereinrichtung (30) zwei Drehzahlfüh­ ler (28, 29) umfaßt, von denen einer eine der Getriebeein­ gangsdrehzahl, der andere eine der Getriebeabtriebsdrehzahl proportionale Drehzahl erfaßt, wobei aus den dadurch erfaß­ ten Werten in der Steuereinrichtung für jeden Gang ein be­ stimmter Wert für das Verhältnis der Abtriebsdrehzahl zur Eingangsdrehzahl des Getriebes gebildet wird.

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

6. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuereinrichtung (30) einen Fühler (51) 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 gekenn­ zeichnet, daß das Sekundärschaufelrad (38) der Stellkupp­ lung (36) mit Bohrungen versehen ist, die tangential am Schaufelprofil münden und nach innen zur Kupplunsachse hin gerichtet sind, und daß sich im Flüssigkeitsaustritt aus der Stellkupplung (36) eine Druckregeleinrichtung (45) be­ findet, wobei das den Füllungsgrad der Stellkupplung (36) bestimmende Ventil als ein auf unterschiedliche Ansprech­ drücke einstellbares Überströmventil (46) ausgebildet ist.

8. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stellkupplung (36) derart ausgebildet ist, daß das während des Umschaltvorganges an der Getriebe­ eingangswelle (1) auftretende Drehmoment bis zum einein­ halbfachen des Motor-Nutzdrehmomentes beträgt.

9. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, 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 gekenn­ zeichnet, daß die Schaltklauen (16, 17, 18, 19, 21, 22, 26, 27) an ihren Stirnseiten in beiden Umfangsrichtungen abge­ schrägt sind.

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

12. Getriebe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, 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 Stellkupplung (36) befestigt ist.

13. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Drehmomentwandler (6) und die Stellkupp­ lung (36) in einer Ebene angeordnet sind.

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