DE3743382A1

DE3743382A1 - Getriebliche anordnung zur kopplung von zwei kraftmaschinen mit einer arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE3743382A1
Application number: DE19873743382
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Ing Schmidt
Original assignee: Carl Hurth Maschinen und Zahnradfabrik GmbH and Co
Current assignee: Gleason Hurth Tooling GmbH
Priority date: 1987-12-21
Filing date: 1987-12-21
Publication date: 1989-07-06

Description

Die Erfindung betrifft eine getriebliche Anordnung zur Kopplung von zwei Kraftmaschinen mit einer Arbeitsmaschine, bei der eine Abhängigkeit zwischen Drehmoment und Drehzahl herrscht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche getriebliche Anordnung zu schaffen, die es ermöglicht, die Arbeitsmaschine wahlweise mit beiden oder auch nur mit einer Kraftmaschine anzutreiben, wobei in beiden Fällen gewährleistet sein soll, daß die beiden Kraftmaschinen oder die eine in Betrieb befindliche Kraftmaschine unter optimalen Arbeitsbedingungen (Auslegungspunkt) arbeiten bzw. arbeitet.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben.

Das Überlagerungsgetriebe gewährleistet ein bestimmtes Verhältnis zwischen den an seinen Eingangswellen angreifenden Drehmomenten, es ermöglicht aber unterschiedliche Drehzahlen, wodurch Drehzahlunterschiede oder -schwankungen der beiden Kraftmaschinen ausgeglichen werden können.

Wenn die beiden Kraftmaschinen unter optimalen Arbeitsbedingungen (Auslegungspunkt) arbeiten, dann rotiert die Ausgangswelle des Überlagerungsgetriebes mit einer bestimmten Drehzahl und mit einem bestimmten Drehmoment. Da bei der Arbeitsmaschine eine Abhängigkeit zwischen Drehmoment und Drehzahl herrscht, ist für jede Drehzahl der Arbeitsmaschine ein bestimmtes Antriebsdrehmoment erforderlich (Arbeitspunkt). Die eine Schaltstufe des Kennungswandlungsgetriebes ist so gewählt, daß die Drehzahl und das Drehmoment der Antriebswelle der Arbeitsmaschine einem Punkt der Kennlinie der Arbeitsmaschine entsprechen, wenn beide Kraftmaschinen unter optimalen Arbeitsbedingungen (Auslegungspunkt) arbeiten.

Wenn nur eine geringere Leistung der Arbeitsmaschine erforderlich ist (beispielsweise geringere Förderhöhe oder geringerer Durchsatz bei einer Pumpe), dann kann eine der beiden Kraftmaschinen stillgesetzt und ihre Abtriebswelle gegen Drehung infolge des von der anderen Kraftmaschine aufgebrachten Drehmomentes festgelegt werden. Dies hat bei unveränderter Drehzahl der weiterarbeitenden Kraftmaschine eine erhebliche Verringerung der Drehzahl und damit der Leistung an der Ausgangswelle des Überlagerungsgetriebes zur Folge. Die an der Antriebswelle der Arbeitsmaschine auftretende Drehzahl und das Drehmoment liegen daher nicht mehr auf der Kennlinie der Arbeitsmaschine. Falls das bei dieser Drehzahl erforderliche Drehmoment der Arbeitsmaschine über dem an ihrer Antriebswelle angreifenden Drehmoment liegen sollte, dann wird die noch in Betrieb befindliche Kraftmaschine abgewürgt. Im anderen Fall würde die Drehzahl der noch in Betrieb befindlichen Kraftmaschine zunehmen, so daß sie nicht mehr unter optimalen Betriebsbedingungen arbeitet und möglicherweise sogar beschädigt wird. Durch entsprechendes Umschalten des Kennungswandlungsgetriebes kann jedoch erreicht werden, daß die Drehzahl und das Drehmoment der Antriebswelle einem Punkt der Kennlinie der Arbeitsmaschine entsprechen, wenn eine der beiden Kraftmaschinen unter optimalen Arbeitsbedingungen im Auslegungspunkt arbeitet.

Falls das Verhältnis der Drehmomente der beiden Kraftmaschinen zueinander im Arbeitspunkt nicht mit dem durch die Ausgestaltung des Überlagerungsgetriebes vorbestimmten Drehmomentverhältnis seiner Eingangswellen übereinstimmen sollte, dann ist vorteilhafterweise eine seiner Eingangswellen über ein einstufiges Anpaßgetriebe mit der zugeordneten Kraftmaschine verbunden.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer getrieblichen Anordnung zur Kopplung von zwei Kraftmaschinen mit einer Arbeitsmaschine,

Fig. 2 eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 2,

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der getrieblichen Anordnung zur Kopplung von zwei identischen Kraftmaschinen mit einer Arbeitsmaschine, und

Fig. 5 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der getrieblichen Anordnung zur Kopplung von zwei unterschiedlichen Kraftmaschinen mit einer Arbeitsmaschine.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer getrieblichen Anordnung zur Kopplung von zwei Kraftmaschinen mit einer Arbeitsmaschine, bei der eine Abhängigkeit zwischen Drehmoment und Drehzahl besteht. Bei der nachfolgenden Erläuterung wird davon ausgegangen, daß es sich bei den Kraftmaschinen um Dieselmotoren 10 und 12 und bei der Arbeitsmaschine um eine Pumpe 14 handelt. Die Leistung der beiden Dieselmotoren 10 und 12 wird durch ein Überlagerungsgetriebe auf die Pumpe übertragen. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Überlagerungsgetriebe als Planetengetriebe 16 ausgebildet. Dieses Planetengetriebe 16 besteht aus einem innenverzahnten Zentralrad 18, einem Zentralritzel 20 und aus einem Steg 22, auf dem ein außenverzahntes Stirnrad 24 drehbar gelagert ist, das mit dem Zentralrad 18 und mit dem Zentralritzel 20 kämmt. Die Abtriebswelle 26 des Dieselmotors 10 ist mit dem Zentralrad 18 verbunden, und die Abtriebswelle 28 des Dieselmotors 12 ist mit dem Zentralritzel 20 verbunden. Ein solches Planetengetriebe hat die vorteilhafte Eigenschaft, daß die am Zentralrad 18 und am Zentralritzel 20 angreifenden Drehmomente stets in einem konstanten Verhältnis zueinander stehen, daß die Drehzahlen des Zentralrades 18 und des Zentralritzels 20 jedoch schwanken können. Durch das Planetengetriebe 16 können daher Drehzahlunterschiede oder -schwankungen der beiden Dieselmotoren 10, 12 ausgeglichen werden. Das Verhältnis der am Zentralrad 18 und am Zentralritzel 20 angreifenden Drehmomente ist durch die sogenannte Standübersetzung i _o des Planetengetriebes 16 bestimmt. Unter der Standübersetzung i _o versteht man das Drehzahlverhältnis zwischen dem Zentralritzel 20 und dem Zentralrad 18 bei stillstehendem Steg 22.

Der Steg 22 des Planetengetriebes 16 ist über ein zwei wahlweise schaltbare Übersetzungen i _p aufweisendes Kennungswandlungsgetriebe mit der Antriebswelle 30 der Pumpe 14 verbunden. Dieses Kennungswandlungsgetriebe besteht aus zwei Stirnrädern 32, 34 die mit dem Steg 22 des Planetengetriebes 16 drehfest verbunden sind, und aus zwei Stirnrädern 36, 38, die auf der Antriebswelle 30 der Pumpe 14 drehfest, aber axial verschiebbar gelagert sind. Die beiden Stirnräder 36 und 38 sind miteinander starr verbunden, wobei ihr Abstand vom Abstand der Stirnräder 32 und 34 abweicht. Die beiden Stirnräder 36 und 38 können daher gemeinsam auf der Antriebswelle 30 der Pumpe 14 verschoben werden, so daß entweder die beiden Stirnräder 32 und 36 oder die beiden Stirnräder 34 und 38 miteinander in Eingriff stehen.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform haben die Abtriebswellen 26 und 28 der Dieselmotoren 10 und 12 eine entgegengesetzte Drehrichtung. Falls man Dieselmotoren mit gleicher Drehrichtung zum Antrieb der Pumpe verwenden will, dann ist ein Wendegetriebe erforderlich, das zwischen einer der Abtriebswellen 26, 28 der beiden Motoren 10 und 12 und dem Planetengetriebe 16 angeordnet ist. Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist das Wendegetriebe zwischen dem Dieselmotor 10 und dem Zentralrad 18 angeordnet. Das Wendegetriebe besteht aus einem auf der Abtriebswelle 26 des Dieselmotors 10 befestigten Stirnrad 40 und aus einem mit diesem kämmenden Stirnrad 42, das am Zentralrad 18 befestigt ist. Dieses Wendegetriebe kann man auch als Anpassungsgetriebe bezeichnen, weil es dazu dient, das Drehmomentverhältnis der beiden Motoren 10 und 12 an die vorstehend erwähnte Standübersetzung i _o des Planetengetriebes 16 anzupassen. Das Anpassungsgetriebe hat die Übersetzung i₁.

Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 2 durch ein anders ausgebildetes Planetengetriebe 44. Bei diesem Planetengetriebe 44 ist das Zentralrad 46 mit einer Außenverzahnung versehen. An dem Steg 22 sind zwei zusätzliche koaxiale Stirnräder 48, 50 drehbar gelagert, die miteinander drehfest verbunden sind. Das eine Stirnrad 48 kämmt mit dem Zentralrad 46 und das andere Stirnrad 50 kämmt mit dem am Steg 22 drehbar gelagerten Stirnrad 24.

Da bei einer Pumpe bekanntlich eine Abhängigkeit zwischen Drehmoment und Drehzahl herrscht, ist für jede Drehzahl der Pumpe 14 ein ganz bestimmtes Antriebsdrehmoment (Arbeitspunkt) erforderlich. Mit dem aus den Stirnrädern 32 bis 38 bestehenden Kennungswandlungsgetriebe wird erreicht, daß in beiden Schaltstellungen die Drehzahl und das Drehmoment der Antriebswelle 30 der Pumpe 14 näherungsweise einem Punkt der Kennlinie der Pumpe entsprechen, wenn entweder beide Dieselmotoren 10, 12 oder nur einer von ihnen arbeitet. Falls die beiden Dieselmotoren 10, 12 ein unterschiedliches Drehmoment haben, dann könnte auch ein Kennungswandlungsgetriebe mit drei wahlweise schaltbaren Übersetzungen vorgesehen werden, wobei jede Übersetzung an die Summe der Drehmomente der beiden Motoren 10 und 12 bzw. an das Drehmoment jedes einzelnen Motors angepaßt wäre.

Die vorstehend beschriebene getriebliche Anordnung, die man auch als Summiergetriebe bezeichnen könnte, hat folgende Vorteile:
Ein Motorbetrieb ist noch bei größeren Teilleistungen möglich.

Besserer Wirkungsgrad im Teillastbereich (ein Motor arbeitet bei Vollast statt zwei Motoren bei Teillast).

Geringere mittlere Motorenbetriebsdauer bei gleicher Anlagenbetriebsdauer, folglich längere Motorenlebensdauer.

Nachfolgend wird die Berechnung bzw. die Auslegung des Summiergetriebes näher erläutert, wobei die Drehmomente der beiden Kraftmaschinen 10, 12 mit T₁ und T₂, das Drehmoment der Arbeitsmaschine 14 mit T _p und die Drehmomente am Hohlrad, am Zentralritzel und am Steg mit T _H, T _Z bzw. T _S bezeichnet sind.

Drehmomente T und Drehzahlen n am Summiergetriebe

Die Drehmomente und Drehzahlen genügen den nachfolgenden Gleichungen. Bezeichnungen siehe Fig. 2 oder 3.

1 Drehmomente

T _p=T _s/i _p⟨=⟩T _s=T _p · ip (1)

T₁=T _H/i₁ (2)

T₂=-T _z (3)

T _H=-i _o · T _s/(i _o-1) (4)

T _z=T _s/(i _o-1) (5)
=<T₁=-T _p · i _p · i _o/[(i _o-1) · i₁] (6)

=<T₂=-T _p · i _p/(i _o-1) (7)

mit J _p : =|-i _p/(i _o-1)| (8)

und t : =|T₁/T₂|=|-i _o/i₁| (9)

folgt:

T₁=t · J _p · T _p (10)

und

T₂=J _p · T _p (11)

2 Drehzahlen

n _p=n _s · i _p (12)

n _H=n₁/i₁ (13)

n _z=n₂ (14)
n _s=n _H · i _o/(i _o-1)-n _z/(i _o-1) (15)

n _p=n′ _{p 1}+n′ _{p 2} mit (16)

n′ _{p 1} : =n₁ · i _p · i _o/[(i _o-1) · i₁] (17)

n′ _{p 2} : =-n₂ · i _p/(i _o-1) (18)

mit (8) und (9) folgt

n′ _{p 1}=t · Jp · n₁ und (19)

n′ _{p 2}=J _p · n₂ (20)

3 Zusammenhang zwischen Drehzahlen und Drehmomenten

Der Zusammenhang zwischen den Drehzahlen und den Drehmomenten ist antriebs- wie abtriebsseitig durch die bekannten KennlinienT =T (n) gegeben.

Die Wirkungsweise des Summiergetriebes ist für zwei Beispiele in den Diagrammen nach Fig. 4 und 5 dargestellt.

Als bekannt können die Kennlinien T =T (n) der beiden Motoren 10, 12 und der Arbeitsmaschine 14 vorausgesetzt werden. Die Kennlinien T _{1, 2} (n _{1, 2}) der Motoren 10, 12 sind im linken unteren Teil des Diagramms wiedergegeben, die Kennlinie T _p (n _p) der Arbeitsmaschine 14 im rechten oberen.

Der linke obere Teil des Diagramms stellt die Zusammenhänge nach den Gleichungen (10) und (11) und der rechte untere die Zusammenhänge nach den Gleichungen (19) und (20) dar.

Nunmehr ist es möglich, ausgehend von diskreten Werten für T _p die Kennlinie der möglichen Drehmomentenabgabe bezogen auf die Drehzahl n _p der Antriebswelle 30 der Arbeitsmaschine 14 Punkt für Punkt im rechten oberen Teil des Diagramms zu konstruieren.

Beispiel 1 Zwei gleiche Motoren

Fig. 4 zeigt am Beispiel einer Anlage, bestehend aus Arbeitsmaschine, Summiergetriebe und zwei gleichen Motoren die Wirkungsweise.

Zahlenwerte für dieses Beispiel:

Momentenverhältnis t =T₁/T₂=1,0
Standübersetzung des Überlagerungsgetriebes: i _o=-2,675
Übersetzung des Kennungswandlungsgetriebes: i _p=1,84 bzw. i _p=3,0, schaltbar.

Wie Fig. 4 zu entnehmen ist, sind bei Zwei-Motorenbetrieb und i _p=1,84 Kraftmaschinen und Arbeitsmaschine optimal angepaßt. Bei Ein-Motorenbetrieb und i _p=1,84 hingegen könnte die Arbeitsmaschine nur etwa ein Viertel der verfügbaren Leistung abnehmen. Für i _p=3,0 jedoch kann die verfügbare Leistung voll abgenommen werden.

Beispiel 2 Zwei unterschiedliche Motoren

Fig. 5 zeigt ein Beispiel mit zwei unterschiedlichen Motoren.

Zahlenwerte:

Momentenverhältnis t =T₁/T₂=1,5
Standübersetzung des Überlagerungsgetriebes: i _o=-2,675
Übersetzung des Kennungswandlungsgetriebes: i _p=1,47 bzw. i _p=2,9, schaltbar.

Auch hier sind die Vorteile der schaltbaren Kennungswandlung im Teillastbereich klar erkennbar.

Bezugszeichenliste:

10, 12 Dieselmotoren
14 Pumpe
16 Planetengetriebe
18 Zentralrad
20 Zentralritzel
22 Steg
24 Stirnrad an 22
26 Abtriebswelle von 10
28 Abtriebswelle von 12
30 Antriebswelle von 14
32 Stirnrad auf 22
34 Stirnrad auf 22
36 Stirnrad auf 30
38 Stirnrad auf 30
40 Stirnrad auf 26
42 Stirnrad an 18 bzw. 46
44 Planetengetriebe
46 Zentralrad
48 Stirnrad an 22
50 Stirnrad an 22

Claims

1. Getriebliche Anordnung zur Kopplung von zwei Kraftmaschinen mit einer Arbeitsmaschine, bei der eine Abhängigkeit zwischen Drehmoment und Drehzahl herrscht, gekennzeichnet durch ein Überlagerungsgetriebe (16; 44), das die Überlagerung der Leistung der beiden Kraftmaschinen (10, 12) bei freiem Drehzahlverhältnis, aber vorbestimmtem Drehmomentverhältnis ermöglicht und dessen Eingangswellen (18; 46, 20) mit den Abtriebswellen (26, 28) der beiden Kraftmaschinen (10, 12) verbunden sind und dessen Ausgangswelle (22) mit der Antriebswelle (30) der Arbeitsmaschine (14) verbunden ist, daß die Abtriebswelle (26, 28) mindestens einer Kraftmaschine (10, 12) gegen Verdrehung in mindestens einer Richtung festlegbar ist und daß die Ausgangswelle (22) des Überlagerungsgetriebes (16; 44) über ein mindestens zwei wahlweise schaltbare Übersetzungen aufweisendes Kennungswandlungsgetriebe (32-38) mit der Antriebswelle (30) der Arbeitsmaschine (14) verbunden ist.

2. Getriebliche Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kennungswandlungsgetriebe ein Stirnradgetriebe (30-38) ist.

3. Getriebliche Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kennungswandlungsgetriebe aus zwei auf der Ausgangswelle (22) des Überlagerungsgetriebes (16; 44) drehfest angeordneten Stirnräder (32, 34) und aus zwei mit diesen alternativ in Eingriff bringbaren Stirnrädern (36, 38) besteht, die auf der Antriebswelle (30) der Pumpe (14) drehfest, aber axial verschiebbar gelagert sind.

4. Getriebliche Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Überlagerungsgetriebe ein Umlaufgetriebe (16; 44) ist.

5. Getriebliche Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlaufgetriebe ein Planetengetriebe (16; 44) ist, dessen Zentralrad (18; 46) und dessen Zentralritzel (20) mit den Eingangswellen verbunden sind und dessen Steg (22) mit der Ausgangswelle verbunden ist.

6. Getriebliche Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Steg (22) zwei miteinander in Eingriff stehende Stirnräder (24, 48, 50) drehbar gelagert sind, von denen das eine (48, 50) mit dem mit einer Außenverzahnung versehenen Zentralrad (46) und das andere (24) mit dem Zentralritzel (20) kämmt.

7. Getriebliche Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Eingangswellen des Überlagerungsgetriebes (16, 44) über ein einstufiges Anpaßgetriebe (40, 42) mit der zugeordneten Kraftmaschine (10) verbunden ist.

8. Getriebliche Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpaßgetriebe ein Stirnradgetriebe (40, 42) ist.

9. Getriebliche Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpaßgetriebe ein Kegelradgetriebe mit oder ohne Achsversatz ist.