DE3707382A1 - Hydrostatisch-mechanischer radantrieb - Google Patents

Hydrostatisch-mechanischer radantrieb

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Description

Die Erfindung betrifft einen zwei Vorwärtsfahrgeschwindig­ keitsbereiche und einen Rückwärtsfahrgeschwindigkeitsbe­ reich zur Verfügung stellenden hydrostatisch-mechanischen Radantrieb für land- und/oder bauwirtschaftlich genutzte Fahrzeuge, insbesondere Schlepper, mit einer durch eine Brenn­ kraftmaschine angetriebenen Eingangswelle, deren Leistung in Abhängigkeit von der Stellung eines Geschwindigkeitswählhebels über einen mechanischen Leistungszweig und einen eine Primär­ maschine stufenlos veränderlichen Verdrängervolumens sowie eine Sekundärmaschine enthaltenden hydrostatischen Leistungs­ zweig auf ein Abtriebsglied übertragen wird, das über ein Wendegetriebe mit einer Ausgangswelle in Verbindung steht, und mit einer mittels einer Lamellenkupplung schaltbaren Zahnrad­ stufe für jeden bei einer vorgegebenen Übergangsgeschwindigkeit ruckfrei wechselbaren Vorwärtsfahrgeschwindigkeitsbereich.
Ein Radantrieb der beschriebenen Gattung ist in der DE-OS 36 21 166 A1 offenbart. Zur Erzielung der beiden Vorwärts­ fahrgeschwindigkeitsbereiche ist die Primärmaschine des hydro­ statischen Leistungszweiges über zwei Zahnradstufen mit unter­ schiedlichem Drehzahlniveau von der Eingangswelle antreibbar. Ein die verzweigte Antriebsleistung summierendes Abtriebsglied ist über ein mit zwei Lamellenkupplungen ausgestattetes Wende­ getriebe mit einer Ausgangswelle verbunden, so daß insgesamt zwei Vorwärts- und zwei Rückwärtsfahrgeschwindigkeitsbe­ reiche zur Verfügung stehen. Einer dieser Bereiche ist je­ doch bei landwirtschaftlichen Zugmaschinen überflüssig, da diese im Rückwärtsfahrbetrieb lediglich mit relativ gerin­ gen Fahrgeschwindigkeiten, in der Regel bis zu 15 km/h, ein­ gesetzt werden. Der bekannte Radantrieb ist daher für land­ wirtschaftliche Zugmaschinen unnötig aufwendig und genügt auch nicht den heutigen landwirtschaftlichen Anforderungen bezüglich Fahrkomfort und Wirtschaftlichkeit.
So ist beispielsweise ein ruckfreier Wechsel des Fahrgeschwin­ digkeitsbereiches nur im Stand oder bei sehr geringen Fahrge­ schwindigkeiten möglich, da dem vorgegebenen Verschwenkwinkel des Geschwindigkeitswählhebels zwei verschieden große Geschwin­ digkeitsbereiche zugeordnet sind und beide Fahrgeschwindigkeits­ bereiche von etwa der gleichen langsamsten Fahrgeschwindigkeit ausgehen. Je weiter der Geschwindigkeitswählhebel verschwenkt ist, umso größer ist aber die Differenz zwischen den Fahrge­ schwindigkeiten der beiden Fahrgeschwindigkeitsbereiche und umso stärker ist ein Schaltstoß im Falle des Umschaltens von einem Fahrgeschwindigkeitsbereich in den anderen. Da viele Arbeitseinsätze mit Fahrgeschwindigkeiten zwischen 7,5 km/h und 15 km/h durchgeführt werden, ist das Fahrzeug im Falle einer gewünschten Fahrgeschwindigkeitsbereichänderung zunächst bis auf ca. 6 km/h zu verlangsamen, wenn eine ruckfreie Umschaltung in den schnel­ leren Fahrgeschwindigkeitsbereich erfolgen soll. Das gleiche gilt selbstverständlich auch für den umgekehrten Fall ent­ sprechend.
Die Möglichkeit, in beiden Fahrgeschwindigkeitsbereichen mit Fahrgeschwindigkeiten von 4 bis 15 km/h operieren zu können, bringt ferner den Nachteil, daß das Fahrzeug über längere Zeit mit ungünstigem Wirkungsgrad betrieben werden kann. Dies ist dann der Fall, wenn der schnelle Fahrgeschwindigkeitsbereich für Arbeitseinsätze bis zu 15 km/h verwendet wird. In diesem Fahrbereich ist bei Geschwindigkeiten unterhalb von 10 km/h in der Regel eine starke Abnahme des Wirkungsgrades zu beob­ achten, die sich bei längerem Betrieb in diesem Bereich durch einen hohen Treibstoffverbrauch bemerkbar macht. Auch muß der Antrieb durch verschiedene konstruktive Maßnahmen, wie z. B. eine Vergrößerung des Ölkühlers, den höheren Verlusten ange­ paßt werden.
Ein weiterer nicht vernachlässigbarer Nachteil des bekannten Antriebes resultiert daraus, daß die Summierung der Leistungen des hydrostatischen und des mechanischen Leistungszweiges an einem Umlaufrädergetriebe erfolgt. Dessen dem hydrostatischen Leistungszweig zugeordneter Eingang (Hohlrad) ist nämlich bei zwar noch relativ geringen, aber trotzdem für gewisse schwerste Arbeiten oftmals benötigten Fahrgeschwindigkeiten bis hin zum Stand des Fahrzeuges mit zunehmender Drehzahl in reversierter Drehrichtung anzutreiben. Hierzu muß der Schwenkwinkel der hydrostatischen Primärmaschine über die Nullstellung hinaus in den negativen Bereich eingestellt werden. Abgesehen davon, daß sich hierdurch das Bauvolumen der Primärmaschine und damit auch das des gesamten Antriebes merklich vergrößert, hat dies zur Folge, daß bei diesen geringen Fahrgeschwindigkeiten eine nicht unbedeutende Leistung als sog. Blindleistung anfällt, die nicht nur die zur Verfügung stehende Nutzleistung reduziert, sondern bei länger andauerndem Einsatz auch erhebliche Energie­ verluste verursacht und somit den Wirkungsgrad des Antriebes wei­ ter herabsetzt.
Ausgehend von dem aufgezeigten Stand der Technik liegt der vor­ liegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen hydrostatisch- mechanischen Radantrieb der eingangs näher beschriebenen Gattung so auszugestalten, daß er bei einfachem Aufbau nicht nur den landtechnischen Anforderungen entspricht, sondern außerdem beim Betreiben des Fahrzeuges in Abhängigkeit von der eingestellten Fahrgeschwindigkeit jeweils den höchstmöglichen Wirkungsgrad erzielt.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden die Merkmale a) bis e) im kenn­ zeichnenden Teil des Hauptanspruches vorgeschlagen.
Durch die Erfindung wird der Wirkungsgrad des Radantriebes beim Einsatz eines damit ausgerüsteten Fahrzeuges über einen großen, einsatzzeitmäßig dominierenden Teil des gesamten Fahrgeschwin­ digkeitsbereiches aus zwei Gründen verbessert. Zum einen entfällt bei sehr geringen Fahrgeschwindigkeiten jeglicher Blindleistungs­ aufwand, da nunmehr die hydrostatische Primärmaschine ausgehend von der einer Nullförderung entsprechenden Schwenkstellung nur noch in einer Richtung verstellt werden braucht, um den gesam­ ten Fahrgeschwindigkeitsbereich abdecken zu können. Als nicht unwesentlicher Nebeneffekt ergibt sich daraus für den Radan­ trieb ein wesentlich vermindertes Bauvolumen, was die Unter­ bringung des Radantriebes im Fahrzeug erleichtert. Zum anderen stehen durch den nach der Erfindung zwangsgesteuerten Wechsel des Fahrgeschwindigkeitsbereiches bei Unter- oder Überschrei­ ten einer vorgegebenen Übergangsgeschwindigkeit zwei ohne Überlappung unmittelbar aneinander anschließende Fahrgeschwin­ digkeitsbereiche zur Verfügung, in denen ohne abwägendes ge­ dankliches Zutun des Fahrers der jeweils günstigste Wirkungs­ grad zur Wirkung gelangt.
Obwohl der Wechsel des Fahrgeschwindigkeitsbereiches wegen der notwendigen Verstellung der hydrostatischen Primärmaschine ei­ nige Sekunden in Anspruch nimmt, wird eine Unterbrechung des Leistungsflusses durch eine Überbrückung der für die Verstel­ lung der Primärmaschine geöffneten Lamellenkupplung vermieden. Außerdem entfällt die Ursache für mögliche Schaltstöße, da der Überbrückungszweig erst nach Erreichen des Synchronlaufes des Antriebsgliedes mit dem Abtrieb für den neu eingestellten Fahr­ geschwindigkeitsbereich öffnet.
Weitere Verbesserungen der Erfindung gehen aus den Unteran­ sprüchen hervor, wobei es insbesondere die Ausgestaltung nach Anspruch 3 bezüglich des Umschaltens aus dem langsamen Vor­ wärtsfahrgeschwindigkeitsbereich in den Rückwärtsfahrgeschwin­ digkeitsbereich ermöglicht, anstelle einer zusätzlichen Lamellen­ kupplung eine kostengünstigere Synchronisierung für die Umkehr­ stufe zu verwenden, die den Abtrieb wechselweise mit entweder der Umkehrstufe oder der Zahnradstufe für den schnellen Vorwärts­ fahrgeschwindigkeitsbereich kuppelt. Damit ist die Umkehrstufe bereits im langsamen Fahrgeschwindigkeitsbereich eingeschaltet und es geht beim Übergang in den Rückwärtsfahrgeschwindigkeitsbe­ reich keine Zeit durch das Synchronisieren verloren, was be­ sonders für Einsätze des Fahrzeuges im Frontladerbetrieb an­ zustreben ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Radantriebes,
Fig. 2 eine Ansicht der Schaltkulisse des Geschwindig­ keitswählhebels des Radantriebes und
Fig. 3 ein Diagramm, in dem der Wirkungsgradverlauf in den Fahrgeschwindigkeitsbereichen über die Fahrgeschwindigkeit aufgetragen ist.
Gemäß Fig. 1 ist die Eingangswelle 1 des erfindungsgemäßen Rad­ antriebes für ein Fahrzeug über eine Fahrkupplung 2 von einer Brennkraftmaschine 3 angetrieben und dient seinerseits als An­ trieb für den Planetenradträger 4 eines leistungsteilenden Pla­ netenradgetriebes.
Dessen einen ersten Ausgang bildendes Hohlrad 5 ist über eine Welle 6 mit dem antriebsseitigen Gehäuse 7 einer Lamellenkupp­ lung gekuppelt, die zwei Abtriebe 8, 9 aufweist. Durch entspre­ chend gesteuerte Druckbeaufschlagung der Lamellenkupplung kann der Leistungsfluß entweder über den Abtrieb 8 oder über den Ab­ trieb 9 geleitet oder aber vollständig unterbrochen werden. Der Abtrieb 8 arbeitet über eine Zahnradstufe Z L bestehend aus den Zahnrädern 10, 11 auf eine Ausgangswelle 12, die ein nicht ge­ zeigtes, in einer der Achsen des Fahrzeuges untergebrachtes Differential antreibt. Die Zahnradstufe Z L dient dabei der Erzielung von niedrigeren Fahrgeschwindigkeiten. Demgegen­ über treibt der zweite Abtrieb 9 der Lamellenkupplung eine aus den Zahnrädern 13, 14 bestehende Zahnradstufe Z S , die zur Erzielung höherer Fahrgeschwindigkeiten ausgelegt ist. Neben dem Zahnrad 13 der Zahnradstufe Z S ist auf dem Abtrieb 9 ein weiteres Zahnrad 15 angeordnet, das einer Umkehrstufe Z R mit Zahnrädern 15, 16, 17 angehört, mittels der niedrige Fahrge­ schwindigkeiten in Rückwärtsfahrtrichtung möglich sind. Beide Zahnräder 13, 15 sind drehbar auf dem Abtrieb 9 gelagert und mit Hilfe einer Synchronisierungseinrichtung 18 wechselweise mit diesem kuppelbar. Die Steuerung der Synchronisierungsein­ richtung 18 erfolgt dabei in der Weise, daß mit dem Abtrieb 9 bei eingekuppeltem Abtrieb 8 das Zahnrad 15 und bei eingekup­ peltem Abtrieb 9 das Zahnrad 13 verbunden ist.
Das einen zweiten Ausgang des Planetengetriebes darstellendes Sonnenrad 19 treibt über eine aus Zahnrädern 20, 21 bestehende Zahnradstufe Z H die Primärmaschine 22 eines hydrostatischen Leistungszweiges an, die über Druckmittelleitungen 23, 24 in einem geschlossenen Kreislauf mit der Sekundärmaschine 25 des hydrostatischen Leistungszweiges zusammenwirkt. Ein mit der Ab­ triebswelle der Sekundärmaschine 25 drehfest verbundenes Zahn­ rad 26 kämmt mit einem weiteren, das Abtriebsglied des hydro­ statischen Leistungszweiges darstellenden Zahnrad 27, das dreh­ fest mit dem Gehäuse 7 der Lamellenkupplung verbunden ist.
Die Fahrgeschwindigkeit des mit dem erfindungsgemäßen Radantrieb ausgerüsteten Fahrzeuges wird durch entsprechende Einstellung eines entlang einer in Fig. 2 gezeigten Kulisse 28 geführten Geschwindigkeitswählhebels 29 gewählt. Befindet sich der Ge­ schwindigkeitswählhebel 29 in einer Stellung, die der Fahrt­ geschwindigkeit Null entspricht, so ist die Primärmaschine 22 des hydrostatischen Leistungszweiges bezüglich ihres Verdrän­ gervolumens ebenfalls auf Null eingestellt. Mit zunehmender Verstellung des Geschwindigkeitswählhebels 29 wird das Ver­ drängervolumen der Primärmaschine 22 erhöht, bis schließlich der maximal mögliche Wert erreicht ist. Je nachdem, welche der Zahnradstufen Z L oder Z S für die Leistungsübertragung herange­ zogen wird, können so unterschiedliche Höchstfahrgeschwindig­ keiten erzielt werden. Da aber wie in Fig. 3 deutlich gemacht ist, der Wirkungsgrad des Radantriebes bei niedrigen Fahrge­ schwindigkeiten und benutzter Zahnradstufe Z S verglichen mit dem bei benutzter Zahnradstufe Z L relativ stark abfällt und entsprechendes umgekehrt bei höheren Fahrgeschwindigkeiten für die Zahnradstufe Z L gilt, ist nach der Erfindung bei einer sog. Übergangsgeschwindigkeit G, im vorliegenden Ausführungsbeispiel bei etwa 14 km/h, bei der der Wirkungsgrad h L in der Zahnrad­ stufe Z L annähernd gleich ist dem Wirkungsgrad η S in der Zahnrad­ stufe Z S , durch eine nicht gezeigte, an sich bekannte Zwangs­ steuerung dafür gesorgt, daß bei gewählten Fahrgeschwindigkeiten unterhalb dieser Übergangsgeschwindigkeit G die Zahnradstufe Z L und bei gewählten Fahrgeschwindigkeiten oberhalb der Übergangs­ geschwindigkeit G die Zahnradstufe Z S eingeschaltet ist. Aus dieser Maßnahme ergeben sich zwei Vorwärtsfahrgeschwindigkeits­ bereiche L und S, in denen der Radantrieb mit jeweils bestem Wirkungsgrad arbeitet.
Ist der Geschwindigkeitswählhebel 29 somit auf eine Fahrgeschwin­ digkeit unterhalb der Grenzgeschwindigkeit G eingestellt, so ist die Zahnradstufe Z L in den Leistungsfluß gelegt und gleich­ zeitig mittels der Synchronisierung 18 das Zahnrad 15 der Umkehrstufe Z R mit dem Abtrieb 9 gekuppelt. Soll anschließend auf eine Fahrgeschwindigkeit oberhalb der Grenzgeschwindig­ keit G übergegangen werden, so wird der Geschwindigkeitswähl­ hebel 29 zunächst zum Kulissenstück 28 a zwischen den Teil­ stücken der Kulisse 28 für die Fahrgeschwindigkeitsbereiche L, S gegen einen dort befindlichen, nicht gezeigten Anschlag bewegt. Dabei wird das Fahrzeug bis auf die Übergangsgeschwin­ digkeit G beschleunigt, wobei das Verdrängervolumen der Pri­ märmaschine 22 auf seinen maximalen Wert steigt. Ist diese Fahrgeschwindigkeit erreicht, so wird der Abtrieb 8 und damit die Zahnradstufe Z L aus dem Leistungsfluß herausgenommen. Da der andere Abtrieb 9 ausgekuppelt war und auch weiterhin aus­ gekuppelt bleibt, ist der Leistungsfluß über die beschriebenen Leistungszweige unterbrochen. Anschließend verringert eine ebenfalls nicht gezeigte Sondereinrichtung das Verdrängervo­ lumen der Primärmaschine 22 von seinem maximalen Wert auf ein durch Versuche ermitteltes Verdrängervolumen, das der Übergangs­ geschwindigkeit G mit der Zahnradstufe Z S entspricht. Erst wenn die Verstellung der Primärmaschine 22 abgeschlossen ist, wird die Lamellenkupplung bezüglich des Antriebes 9 geschlossen, so daß der Leistungsfluß nunmehr über die Zahnradstufe Z S zu der Ausgangswelle 12 gelangt. Dann wird auch der Anschlag aus der Bewegungsbahn des Geschwindigkeitswählhebels 29 genommen, so daß dieser in die gewünschte Lage gebracht werden kann.
Damit während des ausgerückten Zustandes der beiden Abtriebe 8, 9 keine Unterbrechung der Zugkraft des Fahrzeuges stattfin­ det, ist eine weitere Zahnradstufe Z U vorgesehen, deren Zahn­ rad 30 drehfest auf der Eingangswelle 1 und deren Zahnrad 31 drehfest auf einer weiteren, in Verlängerung der Ausgangs­ welle 12 angeordneten Welle 32 sitzt. Zwischen der Welle 32 und der Ausgangswelle 12 ist eine normalerweise geöffnete Lamellenkupplung 33 angeordnet. Diese wird dann eingerückt wenn beide Abtriebe 8, 9 der Lamellenkupplung ausgerückt sind. Auf diese Weise kann nicht nur der Leistungsfluß während der Verstellung der Primärmaschine 22 an den hydrostatischen und mechanischen Leistungszweigen vorbei direkt von der Eingangs­ welle 1 zur Ausgangswelle 12 geführt werden, sondern umgekehrt auch von der Ausgangswelle 12 zur Eingangswelle 1. Damit ist die Möglichkeit gegeben, das Fahrzeug auch anzuschleppen.
Nachdem der Abtrieb 9 wieder in den Leistungsfluß eingeschal­ tet ist, wird das Verdrängervolumen der Primärmaschine 22 ent­ sprechend der Einstellung des Geschwindigkeitshebels 29 erhöht, bis die eingestellte Fahrgeschwindigkeit erreicht ist.
Nach Wahl einer wieder im langsamen Fahrgeschwindigkeitsbereich L liegenden Fahrgeschwindigkeit erfolgt die Verstellung des Rad­ antriebes sinngemäß entsprechend mit der Ausnahme, daß nunmehr das Verdrängervolumen der Primärmaschine 22 auf den größtmögli­ chen Wert eingestellt wird.
Soll das Fahrzeug rückwärts gefahren werden, so ist lediglich der Abtrieb 8 zu entkuppeln und dafür der Abtrieb 9 einzukuppeln. Dadurch wird bei entsprechendem Schlupf in der Lamellenkupplung das Fahrzeug abgebremst und in Gegenfahrtrichtung wieder be­ schleunigt. Diese hohe Beanspruchung der Lamellenkupplung kann selbstverständlich dadurch stark vermindert werden, daß zunächst der Geschwindigkeitshebel 29 auf Null gestellt wird und erst nach dem Erreichen des Fahrzeugstillstandes die gewünschte Ge­ schwindigkeit im Fahrgeschwindigkeitsbereich R eingestellt wird.

Claims (3)

1. Zwei Vorwärtsfahrgeschwindigkeitsbereiche und einen Rück­ wärtsfahrgeschwindigkeitsbereich zur Verfügung stellender hydrostatisch-mechanischer Radantrieb für land- und/oder bauwirtschaftlich genutzte Fahrzeuge, insbesondere Schlep­ per, mit einer durch eine Brennkraftmaschine angetriebenen Eingangswelle, deren Leistung in Abhängigkeit von der Stel­ lung eines Geschwindigkeitswählhebels über einen mechani­ schen Leistungszweig und einen eine Primärmaschine stufen­ los veränderlichen Verdrängervolumens sowie eine Sekundär­ maschine enthaltenden hydrostatischen Leistungszweig auf ein Abtriebsglied übertragen wird, das über ein Wendege­ triebe mit einer Ausgangswelle in Verbindung steht, und mit einer mittels einer Lamellenkupplung schaltbaren Zahnrad­ stufe für jeden bei einer vorgegebenen Übergangsgeschwindig­ keit ruckfrei wechselbaren Vorwärtsfahrgeschwindigkeitsbe­ reich, gekennzeichnet durch folgende Merkmale,
  • a) das Abtriebsglied ist mit dem Gehäuse (7) einer Lamellenkupplung mit zwei Abtrieben (8, 9) drehfest verbunden,
  • b) die Abtriebe (8, 9) stehen über jeweils eine Zahnrad­ stufe (Z L bzw. Z S ) mit der Ausgangswelle (12) in Ver­ bindung,
  • c) der Wechsel von einem der Fahrgeschwindigkeitsbe­ reiche (L, S) zum gewählten anderen Fahrgeschwin­ digkeitsbereich (S, L) erfolgt zwangsgesteuert bei einer Übergangsgeschwindigkeit (G), bei der die Übertragungswirkungsgrade (η L , η S ) des Antriebs zu­ mindest etwa gleich sind,
  • d) bei der Übergangsgeschwindigkeit (G) ist mit ent­ kuppelten Antrieben (8, 9) die hydrostatische Pri­ märmaschine (22) auf das der Übergangsgeschwindig­ keit (G) in dem Fahrgeschwindigkeitsbereich (S, L) entsprechende Verdrängervolumen einstellbar, der dem verlassenen Fahrgeschwindigkeitsbereich (L, S) benachbart ist, und
  • e) während der Verstellung der hydrostatischen Primär­ maschine (22) steht die Eingangswelle (1) mit der Ausgangswelle (12) über eine kuppelbare Zahnrad­ stufe (Z U ) in Antriebsverbindung, deren Übersetzung derart ausgelegt ist, daß eines der Zahnräder der Zahnradstufe bei der Übergangsgeschwindigkeit (G) zumindest annähernd synchron mit der ihm zugeord­ neten Welle (1, 12) umläuft.
2. Hydrostatisch-mechanischer Radantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtriebszahnrad (31) der Zahnradstufe (Z U ) dreh­ fest mit einer Welle (32) verbunden ist, die über eine Lamellenkupplung (33) mit der Ausgangswelle (12) kuppelbar ist.
3. Hydrostatisch-mechanischer Radantrieb nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtrieb (9) außer mit der dem höheren Fahrgeschwin­ digkeitsbereich (S) zugeordneten Zahnradstufe (Z S ) zusätz­ lich mit einer Umkehrstufe (Z R ) zusammenwirkt und mittels einer Synchronisierung (18) wechselweise mit einer der Zahn­ radstufen (Z S bzw. Z R ) kuppelbar ist.
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