DE4223846C2 - Getriebeeinheit zur Anordnung zwischen einem Antriebsmotor und einem Verbraucher - Google Patents
Getriebeeinheit zur Anordnung zwischen einem Antriebsmotor und einem VerbraucherInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Getriebeeinheit nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei Antrieben kann es aus verschiedenen Gründen erforderlich
sein, zwischen dem Antriebsmotor und dem Verbraucher ein
Schaltgetriebe anzuordnen. Ein Grund hierfür kann darin
bestehen, daß gewünschte Drehzahlen für den Verbraucher sich
von der Abtriebdrehzahl eines gegebenen Antriebsmotors so
wesentlich unterscheiden, daß ein Schaltgetriebe vorzusehen
ist. Ein anderer Grund kann darin bestehen, daß bei
bestimmten Verbrauchern, wie zum Beispiel Fahrzeugen und
insbesondere Baufahrzeugen, bestimmte Rad- und
Kettenantriebe vorgegeben sind, wovon bei der Bestimmung des
Antriebsmotors auszugehen ist. Ein weiterer grundsätzlicher
Grund für die Verwendung eines Schaltgetriebes besteht auch
darin, daß ein Schaltgetriebe die Funktion des vorhandenen
Antriebs in günstigen Drehzahlbereichen des Antriebsmotors
ermöglicht, was insbesondere bei der Verwendung von
Verbrennungsmotoren und vorzugsweise Dieselmotoren als
Antriebsmotor der Fall ist. Hierbei ist hervorzuheben, daß
insbesondere Baumaschinen wie Radlader, Erdschieber, Bagger
und dgl. wie auch Kommunaltraktoren und Geräteträger
vorzugsweise mit Verbrennungsmotoren insbesondere Dieselmotoren angetrieben
werden, wodurch ein von einer ortsfesten Energiequelle unabhängiger Antrieb vorgegeben
ist, der kräftig ist und kostengünstig betrieben werden kann.
Insbesondere ebenfalls bei vorgenannten Baumaschinen und Geräten ist es erwünscht, im
wesentlichen ohne Last- bzw. Antriebsunterbrechung schalten zu können, was sich durch
sogenannte Lastschaltgetriebe weitgehend verwirklichen läßt.
Getriebeeinheiten zur Anordnung zwischen einem Antriebsmotor und einem Verbraucher
mit jeweils einer Kombination aus einem verstellbaren hydrostatischen Getriebe und einem
Schaltgetriebe sowie einer Steuereinrichtung für das hydrostatische Getriebe sind in der
DE 34 33 495 C2 für teilautomatisches Schalten und in der DE 34 33 494 C2 für
automatisches Schalten beschrieben. Diese beiden Getriebeeinheiten umfassen jeweils ein
verstellbares hydrostatisches Getriebe und ein Lastschaltgetriebe, wobei in allen Fällen die
Verstellbarkeit des hydrostatischen Getriebes dazu ausgenutzt wird, zum einen mit einem
Leistungsregler die übertragene Leistung zu regeln und zum anderen für einen
Schaltvorgang eine durch die zu schaltende Gangstufe vorgegebene Drehzahlanpassung
herbeizuführen. Die Drehzahlanpassung erfolgt im Bereich einer Kupplung am Ausgang
des hydrostatischen Getriebes (DE 34 33 495 C2) oder im Bereich der Kupplung der
jeweiligen Lastschaltgangstufe (DE 34 33 494 C2), wobei die Ausgangsdrehzahl des
hydrostatischen Getriebes so verstellt wird, daß Drehzahlgleichheit an der jeweiligen
Kupplung besteht, wonach ruckfrei geschaltet wird. Dabei bedarf es nicht unbedingt einer
Drehzahlveränderung des Antriebsmotors, der bei diesen bekannten Ausgestaltungen durch
einen Verbrennungsmotor gebildet ist.
Bei diesen bekannten Getriebeeinheiten ist sowohl ausgestaltungsmäßig als auch
schaltungstechnisch ein großer Aufwand vorgegeben. Letzteres ist dadurch bedingt, daß
für einen Schaltvorgang die Ausgangsdrehzahl des hydrostatischen Getriebes gezielt an die
für die Gangstufe des Schaltgetriebes erforderliche Drehzahl anzupassen ist. Durch diese
gezielte Anpassung ist außerdem ein beträchtlicher Zeitaufwand zum Schalten erforderlich.
Ein weiterer Nachteil ist bei den bekannten Getriebeeinheiten dadurch vorgegeben, daß
Lastschaltgetriebe in der Regel Lamellenkupplungen aufweisen, die nicht nur
verhältnismäßig teuer in der Herstellung sind, sondern auch eine aufwendige Steuerungs- und
Regelungstechnik erfordern und außerdem verhältnismäßig viel Wärme erzeugen und
dadurch zu einer ungünstigen Wärmebilanz führen. Bei den bekannten Getriebeeinheiten
sind deshalb der Wirkungsgrad und die Leistungsübertragung unbefriedigend.
Bei einem aus der DE-AS 12 94 233 hydrostatisch-mechanischen Fahrzeugantrieb mit den
Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1 ist die Druckleitung des hydrostatischen
Getriebes mit der Niederdruckleitung durch eine absperrbare Kurzschlußleitung
verbunden. Diese Absperrung wirkt derart, daß einerseits in den beiden Endstellungen
eines Schalthebels für das Schaltgetriebe, in denen jeweils ein Gang eingelegt ist, die
Kurzschlußleitung abgesperrt ist. Folglich findet bei eingelegten Gängen eine
Kraftübertragung über das hydrostatische Getriebe statt. Andererseits wird bei Betätigung
des Schalthebels zum Einlegen eines anderen Ganges stets zuerst der Kreislauf des
hydrostatischen Getriebes kurzgeschlossen, so daß bei jedem Schaltvorgang die
Triebverbindung zwischen dem Antriebsmotor und der treibenden Welle unterbrochen ist.
Hierdurch wird das Abtriebsdrehmoment des hydrostatischen Getriebes bei einem
Schaltvorgang stets auf einen Wert abgesenkt, der wesentlich kleiner ist als das
Arbeitsmoment der zugehörigen Synchronisiereinrichtung. Für eine verlustarme
Betriebsweise der Getriebeeinheit sollte aber das Abtriebsdrehmoment des hydrostatischen
Getriebes beim Schalten möglichst gleich dem Arbeitsmoment der zugehörigen
Synchronisiereinrichtung sein oder nur so weit abgesenkt werden, daß es von der
Synchronisiereinrichtung ohne Schwierigkeiten verarbeitet werden kann.
Hierzu wären entsprechende Meß- bzw. Überwachungseinrichtungen erforderlich, die aber
der bekannte Fahrzeugantrieb nicht aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Getriebeeinheit der eingangs angegebenen
Art so weiterzubilden, daß bei Gewährleistung einer einfachen und kostengünstigen
Bauweise der Aufwand zum Schalten verringert ist, wobei die Schaltvorgänge verlustarm
ablaufen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Die Lösung der Aufgabe mittels eines hydrostatischen Getriebes mit wenigstens zwei
Hydromotoren ist Gegenstand des Anspruches 9.
Bei der erfindungsgemäßen Getriebeeinheit kommt anstelle eines aufwendigen und teuren
Lastschaltgetriebes eine insbesondere mechanische zwangssynchronisierte
Synchronisiereinrichtung mit einem insbesondere mechanischen Schaltgetriebe zum
Einsatz, die bzw. das als Standardausführung auf dem Markt in einer Vielzahl von
Variationen bezüglich Baugröße und Anwendungsfällen angeboten wird und dabei
kostengünstig erhältlich ist und außerdem sich in einfacher Weise schalten läßt. Bei der
erfindungsgemäßen Getriebeeinheit kommt für den Schaltvorgang eine gezielte
Drehzahlanpassung in Fortfall.
Es erfolgt lediglich eine Steuerung oder Regelung des Abtriebsdrehmomentes des
hydrostatischen Getriebes dahingehend, daß es gleich oder kleiner ist als das zulässig
übertragbare Leistungs- bzw. Arbeitsmoment der Synchroneinrichtung der zugehörigen
Gangstufe. Bei der erfindungsgemäßen Getriebeeinheit bedarf es keiner gezielten
Anpassung. Vielmehr genügt es, wenn das Abtriebmoment gleich
oder kleiner ist als das zulässig übertragbare
Arbeitsmoment. Hierzu steht ein verhältnismäßig großer
Bereich zur Verfügung, so daß es einer gezielten Anpassung
nicht bedarf. Ein vorhandener Drehzahlunterschied in der
vorhandenen Synchroneinrichtung ist unerheblich, da die
Drehzahlanpassung von der Synchroneinrichtung selbsttätig
bzw. zwangsläufig ausgeführt wird, ohne daß sie gezielt
herbeigeführt werden muß. Deshalb läßt sich die
erfindungsgemäße Getriebeeinheit nicht nur einfach sondern
auch schnell und verlustarm schalten. Dabei hat es sich gezeigt, daß die
Synchroneinrichtungen eines Schaltgetriebes im Betrieb
weniger Wärme erzeugen, als es bei sogenannten
Lastschaltgetrieben üblich ist. Es ist im Rahmen der
Erfindung zwar möglich, das Abtriebmoment des
hydrostatischen Getriebes so zu regeln, daß seine Größe
immer auf oder nahe einer die Leistungsgrenze der
Synchroneinrichtung darstellenden Kennlinie liegt, jedoch
ist dies kein Erfordernis, da der gesamte
Abtriebdrehmomentbereich unterhalb einer solchen Kennlinie
angesteuert werden kann.
Die Erfindung eignet sich vorzüglich für Antriebe von
selbstfahrenden Fahrzeugen mit hohem Wandlungsbereich. Dabei
kann ein hydrostatisches Getriebe geschlossenen oder offenen
Kreislaufs eingesetzt werden. Eine besondere Kupplung,
insbesondere zwischen dem hydrostatischen Getriebe und dem
Schaltgetriebe ist bei der Erfindung nicht erforderlich.
Bei der Erfindung wird somit erreicht, daß das
hydrostatische Getriebe in seinem Lastzustand entsprechend
den spezifischen Daten der verwendeten Synchroneinrichtungen
gesteuert oder geregelt wird, wodurch bei einfacher und
kostengünstiger Ausgestaltung ein störungsfreies und
schnelles Schalten erreicht wird, ohne daß das
synchronisierte Getriebe überlastet wird und deshalb
eine störungsfreie Funktion und lange Lebensdauer
gewährleistet ist.
Die erfindungsgemäße Getriebeeinheit läßt sich sowohl für
manuelles, halbautomatisches oder auch vollautomatisches
Schalten verwenden und zwar sowohl für ein Rauf- oder
Runterschalten. In den beiden zuletzt genannten Fällen kann
eine halb- oder vollautomatische Schalteinrichtung
vorgesehen sein, mit einer Verstellvorrichtung für das
hydrostatische Getriebe und einer Schaltvorrichtung für die
Gänge des Schaltgetriebes. Eine solche Schalteinrichtung
kann einen Computer bzw. einen Prozessor enthalten, der die
Schaltkriterien überwacht und das Schalten einleitet, wenn
die Schaltkriterien erfüllt sind. Diese Schaltkriterien sind
das zulässig übertragbare Arbeitsmoment der
Synchroneinrichtungen des Schaltgetriebes und das
Abtriebsmoment des hydrostatischen Getriebes, das durch eine
Überwachung des Lastzustandes des hydrostatischen Getriebes
ermittelt werden kann. Hierzu eignet sich vorzugsweise eine
Überwachung des Arbeitsdrucks des hydrostatischen Getriebes durch
einen Druckmesser oder Druckumformer. Aus dem jeweiligen
Druckwert kann unter Berücksichtigung der vorliegenden
Getriebeeinstellung und Parameter das wirksame
Abtriebsmoment ermittelt bzw. errechnet werden.
Das jeweilig zulässig übertragbare Arbeitsmoment bzw. die
Leistungsgrenzen der Synchroneinrichtungen des
Schaltgetriebes sind bekannt oder zu bestimmen. Es ist
vorteilhaft, diese Daten in der Steuer- oder
Regeleinrichtung der Schalteinrichtung, zum Beispiel durch
Einspeichern, vorzugeben, da diese Daten bezüglich des
jeweils vorhandenen synchronisierten Schaltgetriebes feste
Werte sind.
In den Unteransprüchen sind Merkmale enthalten, die zur
Problemlösung beitragen und sowohl eine befriedigende
Ermittlung des jeweiligen Abtriebsmoments des
hydrostatischen Getriebes als auch dessen Verstellung
ermöglichen.
Dabei ist zu bemerken, daß es mehrere Möglichkeiten zur
Einstellung des Lastzustandes des hydrostatischen Getriebes
gibt. Es ist zum einen möglich, den Arbeitsdruck des
hydrostatischen Getriebes mittels eines geeigneten Ventils
so zu steuern oder zu regeln, daß das Abtriebsmoment in den
erwünschten Bereich fällt. Letzteres läßt sich jedoch auch
durch eine gezielte Veränderung des
Übersetzungsverhältnisses des hydrostatischen Getriebes
erreichen. Es ist im weiteren auch möglich, beim
Vorhandensein von einem hydrostatischen Getriebe mit
mehreren Abtrieben wenigstens einen Abtrieb teilweise oder
ganz abzuschalten, wodurch sich das Abtriebsmoment ebenfalls
gezielt verringern läßt.
Nachfolgend werden die Erfindung und weitere durch sie
erzielbare Vorteile anhand von bevorzugten
Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 einen elektrohydraulischen Steuerplan für eine
erfindungsgemäße Getriebeeinheit mit einem verstellbaren
hydrostatischen Getriebe und einem diesem nachgeordneten
synchronisierten Schaltgetriebe;
Fig. 2 eine Synchronisiereinrichtung für eine Gangstufe des
Schaltgetriebes;
Fig. 3 und 4 jeweils ein die Leistungsgrenze eines
Synchronringes der Synchroneinrichtung darstellendes
Schaubild;
Fig. 5 einen elektrohydraulischen Steuerplan für eine
erfindungsgemäße Getriebeeinheit in abgewandelter
Ausgestaltung als Summierungsgetriebe;
Fig. 6 ein prinzipielles Zugkraftdiagramm der
Getriebeeinheit synchronisierter Stufe und mit einem mit
Hilfe einer weiteren Synchronisiereinrichtung zu- und
abschaltbaren Antriebsstrang 56 im Summierungsgetriebe.
Die Getriebeeinheit 1 umfaßt ein verstellbares
hydrostatisches Getriebe 2 und ein letzterem in
Kraftübertragungsrichtung (Pfeil 3) nachgeordnetes
mechanisch synchronisiertes und somit zwangsläufig
funktionierendes Schaltgetriebe 4 mit zwei Gangstufen,
nämlich einem ersten Gang 5 und einem zweiten Gang 6, wobei
ein Rückwärtsgang vorhanden sein kann, was aus
Vereinfachungsgründen nicht dargestellt ist. Den Gängen 5, 6
ist eine Synchronisiereinrichtung 7 mit jeweils einem
Synchronring 7a, 7b zugeordnet. Zum Schalten der Gänge 5, 6
ist dem Schaltgetriebe 4 eine z. B. mechanisch und/oder
elektrisch funktionierende Schaltvorrichtung 9 zugeordnet,
die über die Synchronisiereinrichtung 7 auf die Gänge 5, 6
wirkt.
Das hydrostatische Getriebe 2 weist bei der vorliegenden
Ausgestaltung einen geschlossenen Kreislauf 10 mit einer
Druckleitung 11 und einer Niederdruckleitung 12 auf,
zwischen denen in üblicher Weise eingangsseitig eine
Hydropumpe 13 und ausgangsseitig ein Hydromotor 14
eingeschaltet sind. Wenigstens eines dieser beiden
hydraulischen Teile (Pumpe 13 oder Motor 14) ist bezüglich
seines Arbeits- bzw. Durchgangsvolumens einstellbar. Bei der
vorliegenden Ausgestaltung sind die Hydropumpe 13 und der
Hydromotor 14 jeweils mittels einer Verstellvorrichtung 15a
und 15b verstellbar. Zur Regelung oder Steuerung der
Getriebeeinheit 1 dient eine Regel- oder Steuereinrichtung
16, die gemäß bestimmten Funktionskriterien halb- oder
vollautomatisch die erforderlichen Gangschaltungen ausführt.
Die Steuereinrichtung 16 umfaßt ein insbesondere
elektronisches Steuergerät 17, vorzugsweise mit einem
Mikroprozessor, das durch Steuerleitungen 18, 19, 20 mit den
Verstellvorrichtungen 15a, 15b und mit der Schaltvor
richtung 9 sowie Signalleitungen 21, 22, 23 mit
funktionsspezifischen Gebern der Getriebeeinheit 1 verbunden
ist. Die Signalleitung 21 verbindet das Steuergerät 17 mit
einem Druckwandler 24, der den Arbeitsdruck des
hydrostatischen Getriebes 2 in an sich bekannter Weise
ermittelt (Druck p) und in ein elektrisches Signal (Spannung
U oder Strom I) umwandelt, das somit eine Bemessungsgröße
für den Arbeitsdruck darstellt. Die Signalleitung 22
verbindet das Steuergerät 17 mit einer der beiden
Verstellvorrichtungen, hier der Verstellvorrichtung 15b,
wobei letzterer ein Verstellweg- oder Schwenkwinkelmesser 25
zugeordnet ist, der ein dem Verstellweg oder den vorhandenen
Schwenkwinkel oder dem vorhandenen Durchsatzvolumen im
Hydromotor 14 proportionales Signal V2 erzeugt, das zusammen
mit dem Signal U oder I Bestimmungsgrößen für das
Abtriebsmoment M des hydrostatischen Getriebes 2 oder für
die von ihm übertragene Leistung (Leistung N = Druck p mal
Durchsatzvolumen V2) vorgibt. Die Signalleitung 23 verbindet
das Steuergerät 17 mit einem Drehzahlmesser 26, der auf der
das hydrostatische Getriebe 2 mit dem Schaltgetriebe 4
verbindenden Welle 27 sitzt und ein Signal n erzeugt, das
der Abtriebsdrehzahl des hydrostatischen Getriebes 2
entspricht und mittels der Signalleitung 23 dem Steuergerät
17 zuführbar ist. Die Steuerleitung 19 und die Signalleitung
22 sind gestrichelt und somit andeutungsweise dargestellt,
weil sie nicht unbedingt vorhanden sein müssen, z. B. dann,
wenn lediglich die Hydropumpe 13 verstellbar ist. In einem
solchen Fall kann der Druckwandler 24 der Hydropumpe 13 oder
der Druckleitung 11 bzw. Niederdruckleitung 12 zugeordnet
sein, um den jeweilig vorhandenen Druck erfassen zu können.
Bei der vorliegenden Ausgestaltung sind die
Verstellvorrichtungen 15a, 15b über ihre Nullstellung hinaus
verstellbar, wodurch die Drehrichtung des hydrostatischen
Getriebes 2 umkehrbar ist und auch die Druckseite wechselt.
Das Schaltgetriebe 4 umfaßt zwei jeweils einen Gang 5, 6
bildende Zahnradpaare 28a, 28b und 29a, 29b, die auf zwei
parallel zueinander im Getriebegehäuse 31 drehbar gelagerten
Wellen 32, 33 gelagert sind, von denen die Welle 32 als
Eingangswelle mit dem Hydromotor 14 verbunden ist, während
die Welle 33 eine Ausgangswelle ist.
Die Zahnräder 28a, 29a lagern mittels Hohlwellen 34, 35 auf
der Eingangswelle 32. Die jedem Gang 5, 6 oder beiden Gängen
zugeordnete Synchronisiereinrichtung 7 kann von üblicher
Bauart sein. Bei der vorliegenden Ausgestaltung ist jeweils
ein Synchronring 36 vorgesehen, dessen Konusfläche 37 mit
der Konusfläche 38 eines mittelbar mit dem zugehörigen
Zahnrad 28a, 29a verbundenen Mitnehmerringes 39
zusammenwirkt. Beiden vorhandenen Synchronringen 36 ist etwa
mittig ein gemeinsamer Funktionsring 41 zugeordnet, der
durch die Schaltvorrichtung 9 mittels eines z. B. in eine
Ringnut eingreifenden Gestänges relativ zum zugehörigen
Synchronring 36 und Mitnehmerring 39 verschiebbar ist, wobei
der Funktionsring 41 den zugehörigen Synchronring 36 axial
beaufschlagt und mit besonders geformten Kupplungselementen
42a, 42b mit dem zugehörigen Mitnehmerring 39 zusammenwirkt.
Der Funktionsring 41 umgibt koaxial einen mittigen Keilring
43, der mittels einer Keilnutverbindung 44 drehfest mit der
Eingangswelle 32 verbunden ist. In der nach links
verschobenen (angedeuteten) Verschiebeposition des
Funktionsringes 41 ist der erste Gang 5 geschaltet, während
in der nach rechts verschobenen Verschiebestellung des
Funktionsringes 41 der zweite Gang 6 geschaltet ist. In der
Mittelstellung des Funktionsringes 41 ist ein Freilauf
vorhanden. Der Steuereinrichtung 16 ist ein Wählschalter 45
zugeordnet und durch eine Wirkverbindung, z. B. Signalleitung
46 mit dem Steuergerät 17 verbunden. Am Wählschalter 45 kann
manuell die erwünschte Gangschaltung vorgewählt oder
eingeleitet werden.
Die Getriebeeinheit 1 ist für die Anordnung zwischen einem
Antriebsmotor 47, bei dem es sich vorzugsweise um einen
Verbrennungsmotor und insbesondere um einen Dieselmotor
handelt, und der mit der Hydropumpe 13 verbunden ist, und
einem Verbraucher 48 bestimmt, der mit der Ausgangswelle 33
des Schaltgetriebes 4 verbunden ist. Die erfindungsgemäße
Getriebeeinheit 1 eignet sich insbesondere mit einem
Antriebsmotor in Form eines Verbrennungsmotors, vorzugsweise
Dieselmotors als Fahrantrieb für Fahrzeuge, insbesondere
Baufahrzeuge. Dabei wird eine funktionstüchtige, robuste und
leistungsfähige Getriebeanordnung erreicht, die ein
störungsfreies Schalten weitgehend auch unter
Lastbedingungen ermöglicht. Zwischen dem angedeuteten
Antriebsmotor 47 und dem hydrostatischen Getriebe 2 kann
eine Hilfspumpe 49 angeordnet sein, die einen Steuerdruck
liefert, der zur hydraulischen Steuerung von Verstell- oder
Schaltfunktionen dienen kann, z. B. Steuerung der
Verstellvorrichtungen 15a, 15b mittels geeigneten
hydraulischen Steuerelementen.
Im folgenden wird die Funktion der Getriebeeinheit 1
einschließlich der Steuereinrichtung 16 anhand eines
Schaltvorganges beschrieben. Bei halbautomatischen Betrieb
wird ein Gangwechseln durch Betätigung des Wählschalters 45
eingeleitet, wobei die Gangschaltung unverzüglich
stattfinden kann oder - sofern ein Drehzahlmesser 26
vorhanden ist - die Gangschaltung erst dann ausgeführt wird,
wenn eine Drehzahl vorhanden ist, bei der die Schaltung
sinnvoll ist und ein günstiger Drehzahlbereich für den
Antriebsmotor 47 vorgegeben ist.
Unmittelbar vor der Ausführung der Schaltung ermittelt das eine
Überwachungsfunktion ausübende Steuergerät 17, mittels der
Signale U oder I und V2, ob das Ausgangsdrehmoment M des
hydrostatischen Getriebes 2 größer ist, als das zulässig
übertragbare Arbeitsmoment der zugehörigen
Synchroneinrichtung 7. Wenn dieses Abtriebsdrehmoment M
gleich oder kleiner ist als das Arbeitsmoment, dann kann die
Schaltung eines höheren oder tieferen Gangs unverzüglich
ausgeführt werden. Wenn dagegen das Abtriebsdrehmoment M
größer ist als das Arbeitsmoment, dann wird die
Verstellvorrichtung 15b des Hydromotors 14 in Richtung
kleineres Durchsatzvolumen verstellt, das heißt
zurückgeschwenkt und zwar solange bis das Abtriebsdrehmoment
V2 gleich oder kleiner ist als das Arbeitsmoment. Zur
Ausführung einer solchen Abtriebsdrehmoment-Verringerung
kann ein Steuervorgang oder ein Regelungsvorgang dienen.
Dabei kann das Abtriebsdrehmoment M so gesteuert werden, daß
es sich immer an der Leistungsgrenze der zugehörigen
Synchroneinrichtung 7 befindet, oder es kann auch eine
gedachte Kennlinie unterhalb der Leistungsgrenze angesteuert
oder eingeregelt werden. Eine solche Kennlinie, z. B. die
Leistungsgrenze, kann in einem Speicher des elektronischen
Steuergerätes 17 gespeichert sein. Die Definition einer
solchen Kennlinie ist nach Maßgabe der vorhandenen bekannten
Leistungsdaten der Synchroneinrichtung unproblematisch zu
bestimmen. In jedem Fall wird dann die Gangschaltung
eingeleitet oder ausgeführt, wenn das Abtriebsmoment sich
auf oder unterhalb der Leistungsgrenze N, d. h. im Bereich S
befindet.
Bei vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel wurde zur
Herabsetzung des Abtriebsdrehmomentes M das
Übersetzungsverhältnis des hydrostatischen Getriebes 2 durch
Verstellung des Hydromotors 14 verändert bzw. vergrößert.
Dies ist günstig, weil eine solche Verstellung unmittelbar
Einfluß auf das Abtriebsdrehmoment M ermöglicht. Dabei nimmt
die Ausgangsdrehzahl des hydrostatischen Getriebes 2 zwar
zu, jedoch ist dies unerheblich, da - wie eingangs bereits
erklärt - auf eine zugehörige Drehzahlübereinstimmung nicht
geachtet zu werden braucht,
so weit eine Drehzahlübereinstimmung zweier miteinander zu
verbindender Drehteile, - hier der zugehörigen
Synchroneinrichtung - betroffen ist. Bei der
erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird diese Drehzahlanpassung
von der Synchroneinrichtung 7 selbsttätig zwangsläufig
ausgeführt. Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, das
Abtriebsdrehmoment M durch eine Entlastung des
hydrostatischen Getriebes 2 soweit zu verringern, daß es
gleich oder kleiner ist als das Arbeitsmoment der
Synchroneinrichtung 7. Eine solche Entlastung läßt sich
durch ein Verstellen der Hydropumpe 13 mittels ihrer
zugehörigen Verstellvorrichtung 15a in Richtung kleineres
Durchsatzvolumen erreichen.
In den Fig. 3 und 4 ist die Leistungsgrenze der
Synchroneinrichtung 7 als Kurve N jeweils in einem
Koordinatensystem dargestellt, wobei die Abtriebsdrehzahl n
des Hydromotors 14 auf der Ordinate und das
Abtriebsdrehmoment M auf der Abszisse aufgetragen sind. Im
Unterschied zu Fig. 3, bei der die Kurve der
Leistungsgrenze des zugehörigen Synchronrings 36 bei
Vergleich mit einem minimalen Arbeitsdruck p1 und einem
maximalen Arbeitsdruck p2 verdeutlicht ist, ist in Fig. 4
die Kurve der Leistungsgrenze des Synchronrings 36 anhand
des minimalen Drehmomentes M1 und des maximalen Drehmomentes
M2 verdeutlicht. Außerdem ist in Fig. 3 der Systemdruck des
Hydraulikkreislaufes mit px bezeichnet, während in Fig. 4
das Schleppmoment des verstellbaren Hydromotors 14 mit Mx
verdeutlicht ist. In beiden Figuren ist die Auslegungsgrenze
des Hydromotors 14 mit g bezeichnet. Es ist vorteilhaft, dem
Hydraulikkreislauf einen Druckregler zuzuordnen, der
wenigstens in einem Teilbereich einen konstanten oder
variablen Arbeitsdruck einstellt. Bei einer solchen
Ausgestaltung ist gewährleistet, daß zum einen der
Arbeitsdruck nicht unter einen vorbestimmten Wert abfällt
und deshalb bei einer nachfolgenden Beschleunigung der
Arbeitsdruck nicht erst wieder aufgebaut werden muß. Zum
anderen werden durch eine Druckregelung aus verschiedenen
Gründen resultierende Druckerhöhungen kompensiert, die das
Schalten und auch das Fahrverhalten beeinträchtigen können.
Im folgenden werden weitere Funktionseinzelheiten und
Vorteile beschrieben. Bei der erfindungsgemäßen
Ausgestaltung ist ein Schalten zu jedem beliebigen Zeitpunkt
möglich. Druck- oder Drehzahlwerte des hydrostatischen
Getriebes sind nicht als Schaltpunkte zwingend notwendig.
Um innerhalb der Leistungsdaten der Synchroneinrichtung 7
einen Schaltvorgang vorzunehmen, sind verschiedene
Strategien möglich.
Durch Verwendung eines Hydromotors 14, der auf einen
Schwenkwinkel = etwa 0° und Hubvolumen etwa 0 cm³/U
geschwenkt werden kann, ist eine Reduzierung auf ein
Abtriebsmoment möglich, das dem Schleppmoment des
Triebwerkes des Hydraulikmotors entspricht. Als
Abtriebsdrehzahl werden sich im reduzierten
Lastzustand die durch die Räder in dem mechanischen
Getriebe vorgegebenen Werte ergeben. Das Druckniveau
des hydrostatischen Getriebes wird im wesentlichen
erhalten bleiben.
In diesem Fahrzustand wird der eine Synchronring
entlastet und der andere geschaltet. Die durch den
mech. Stufensprung erforderliche Drehzahlanpassung wird
im lastreduzierten Zustand durch den anderen
mechanischen Synchronring vorgenommen.
Nach Kraftschluß des anderen Synchronringes kann durch
Ausschwenken des Hydromotors 14 in Richtung größeren
Schwenkwinkels eine beliebige Momentenerhöhung
vorgenommen werden. Diese Schaltungsfunktion kann auch
vom zweiten in den ersten Gang vorgenommen werden.
Bei dieser Schaltungsstrategie ist die Verwendung einer
Verstellpumpe 13 nicht zwingend erforderlich. Die
Schaltungsfunktion ist auch mit einer Konstantpumpe und
Nullstellungs-Verstellmotor erreichbar.
Die Synchroneinrichtungen 7 weisen Leistungsgrenzen auf,
die einem analogen Systemdruck des hydrostatischen
Getriebes entsprechen. Auf dieses erforderliche
Druckniveau wird bei einem gewünschten
Schaltungsvorgang das hydrostatische Getriebe 2
geregelt.
In dieser Schaltungsstrategie ist ein verstellbarer
Hydromotor 14 nicht erforderlich. Unterhalb der
Leistungsgrenzen N der Synchroneinrichtung 7 ist eine
Korrektur der vorgegebenen Pumpeneinstellung nicht
erforderlich. Ist das notwendige Systemdruckniveau über
die Druckregelung der Verstellpumpe 13 erreicht, was
z. B. über einen Druckumformer als Istwertgeber
überwacht werden kann, so läuft der Schaltungsvorgang
wie unter 1 beschrieben ab. Der Momentenaufbau an der
Motorabtriebswelle 27 wird über die Erhöhung des
Systemdruckes durch die Druckregelung erreicht.
Mit denen in Abschnitt 1. und 2. beschriebenen
Schaltungsstrategien lassen sich mehrstufige mit
Synchronisierungseinrichtungen ausgestattete
mechanische Schaltgetriebe mit hydrostatischen
Getrieben unter Fahrt schalten. Hierbei ist während der
Schaltphase eine kurzfristiger Momenten- bzw.
Zugkraftunterbrechung vorhanden.
Die Verwendung dieser Schaltungstechnologie bei
Summierungsgetrieben ermöglicht es wie in Fig. 5 und 6
dargestellt, jeder Schaltstufe eine Laststufe
vorzuschalten.
Bei Summierungsgetrieben ist es zweckmäßig in
Verbindung mit einem Nullstellungsmotor entsprechend
Abschnitt 2 vorzugehen.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5, bei dem gleiche oder
vergleichbare Teile mit gleichen oder entsprechenden
Bezugszeichen versehen sind, ist die Getriebeeinheit 1 im
Sinne eines sogenannten Summierungsgetriebes ausgebildet.
Der Hydrokreislauf 10 weist einen parallelen
Leitungsabschnitt 10a auf, in dem ein weiterer Hydromotor
14a angeordnet ist, bei dem es sich um einen Konstantmotor
oder um einen Verstellmotor handeln kann, der in
vorbeschriebenen Sinne durch eine Steuerleitung 19a und eine
Signalleitung 22a mit dem Steuergerät 17 verbunden ist. Dem
Schaltgetriebe 4 ist ein Getriebeabschnitt 4a mit zwei
parallelen Wellen 32a, 32b und der vorverlängerten Welle 32
zugeordnet, die durch Zahnräder 50, 51, 52 miteinander
verbunden sind.
Hierdurch ist ein Getriebezweig geschaffen,
der wahlweise zuschaltbar ist. Auf der Eingangswelle 32a ist
eine weitere Synchronisiereinrichtung 7c entsprechend dem
vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel angeordnet, die zur
Zuschaltung und Synchronisation des Getriebezweiges dient
und nach einer Seite hin wirksam ist. Der Getriebezweig
bildet eine Synchronlaststufe für das Synchrongetriebe 4.
Diese Variante ermöglicht es, das Abtriebsdrehmoment M
dadurch zu verringern, daß ein Teil des Abtriebsdrehmomentes
M, hier der Hydromotor 14 außer Funktion gesetzt wird durch
Unterbrechung der Antriebsverbindung zwischen dem
Hydromotor 14 und dem Schaltgetriebe 4, was durch die
Synchronisiereinrichtung 7c wahlweise ausführbar ist. Bei
dieser Ausgestaltung wird auch das Arbeitsmoment der
Synchronisiereinrichtung 7c beim Zuschalten des Hydromotors
14 berücksichtigt, nämlich dadurch, daß das
Abtriebsmoment durch Einstellung des Hydromotors 14 in
Richtung auf kleineres Durchsatzvolumen so eingestellt wird,
daß das Abtriebsmoment unterhalb der Leistungsgrenze der
zugehörigen Synchroneinrichtung 7c liegt.
Sofern der Hydromotor 14a ein Konstantmotor ist, kann er so
ausgelegt sein, daß das von ihm übertragene
Abtriebsdrehmoment immer kleiner ist als das Arbeitsmoment
der Synchroneinrichtung 7, das heißt, nach Abschaltung des
Hydromotors 14 kann der gewünschte Gang unverzüglich
geschaltet werden.
Fig. 6 zeigt das Beispiel einer Getriebeauslegung bei
konstanter Leistung N mit den Synchronstufen 54, 55 der
Synchroniereinrichtungen 7, 7c in einem Koordinatensystem,
auf dessen Ordinate die Geschwindigkeit und auf dessen
Abszisse die Antriebskraft aufgetragen ist. Der
Lastschaltanteil des Summierungsgetriebes ist mit 56
bezeichnet.
Weitere Vorteile:
Die Fahrbereiche bzw. Gänge sind während der Fahrt schaltbar über das synchronisierte Getriebe 4.
Die Fahrbereiche bzw. Gänge sind während der Fahrt schaltbar über das synchronisierte Getriebe 4.
Jede synchronisierte Fahrstufe 5, 6 hat eine Lastschaltstufe.
Günstige Wärmebilanz durch Synchronringe.
Einfache Drehzahlanpassung über Synchronringe.
Verwendung von Standardgetrieben möglich, dadurch
kostengünstig.
Hoher Wandlungsbereich, mit günstigen Hydromotorgrößen
- a) Wandlungsbereich hydrostatisch bis ca. 12 : 1 bei günstigem Wirkungsgrad
- b) mit 2-stufigen synchronisierten Getriebe bis ca. 40 : 1 bei üblichem maximalen Stufensprung.
Mögliche Reduzierung der Schaltgetriebe auf 2 Stufen über
Lastschaltfunktion des Summierungsgetriebes.
Verwendung von vorgesteuerten Hydraulikeinheiten, dadurch
folgende Vorteile:
- a) kontrolliertes Fahrverhalten, da hochdruckunabhängig
- b) über Mikroprozessor sind beliebige Programme möglich.
Bei Standardauslegung ist über Lastschaltfunktion eine
erhebliche, gegebenenfalls sogar doppelte Zugkrafterhöhung
möglich.
Einfaches Abschleppen ist möglich.
Getriebe-Baukastensystem möglich
- a) Grundausstattung, 2stufiges synchronisiertes Schaltgetriebe,
- b) einfache Erweiterung durch Lastschaltstufe in jeder Getriebestufe mit Variation
- - 2 × Verstellmotor
- - 1 × Verstellmotor und 1 × Konstantmotor.
Bei Nullstellungsmotor keine Planverluste, da über die
Synchronisiereinrichtung 7, 7c abgeschaltet werden kann
(Wirkungsgrad).
Relativ einfache Steuerungsstrategie.
Claims (10)
1. Getriebeeinheit (1) zur Anordnung zwischen einem Antriebsmotor (47) und
einem Verbraucher (48), bestehend aus einem mittels einer Verstellvor
richtung (15a, 15b) verstellbaren hydrostatischen Getriebe (2) und einem
letzterem nachgeordneten, insbesondere mechanischen Schaltgetriebe (4)
mit mehreren Gangstufen (5, 6), wobei das Schaltgetriebe (4) ein
Synchrongetriebe mit Synchronisiereinrichtungen (7, 7c) für die Gangstu
fen (5, 6) ist und wobei die Verstellvorrichtung (15a, 15b) bei einem
Schaltvorgang ein Abtriebsdrehmoment (M) am hydrostatischen Getriebe (2)
einstellt, das kleiner ist als das Arbeitsmoment der der zugehörigen
Gangstufe (6, 7) zugeordneten Synchronisiereinrichtung,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Verstellvorrichtung (15a, 15b) eine Steuereinrichtung (16)
zugeordnet ist, daß die Steuereinrichtung (16) eine Einrichtung (U/I, V2)
zum Messen oder Überwachen des Abtriebsdrehmomentes (M) des hydrostati
schen Getriebes (2) aufweist, und daß dann, wenn vor einem Schaltvorgang
das Abtriebsdrehmoment (M) größer ist als das Arbeitsmoment der
zugehörigen Synchronisiereinrichtung (7, 7a), die Steuereinrichtung (16)
mittels der Verstellvorrichtung (15a, 15b) ein Abtriebsmoment (M) am
hydrostatischen Getriebe (2) einstellt, das höchstens gleich ist dem
Arbeitsmoment der der zugehörigen Gangstufe (6, 7) zugeordneten Synchro
nisiereinrichtung.
2. Getriebeeinheit nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Einrichtung zum Messen oder Überwachen des
Abtriebdrehmoments (M) einen den Arbeitsdruck des
hydrostatischen Getriebes ermittelnden Druckmesser
aufweist, der ein entsprechendes Steuersignal für die
Steuereinrichtung (16) erzeugt.
3. Getriebeeinheit nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Einrichtung zum Messen oder Überwachen des
Antriebsdrehmomentes (M) eine Meßvorrichtung zur
Ermittlung des Kreislaufvolumens oder des
Durchsatzvolumens (V2) insbesondere im Hydromotor (14)
aufweist, die ein entsprechendes Steuersignal für die
Steureinrichtung (16) erzeugt.
4. Getriebeeinheit nach wenigstens einem der
vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Hydropumpe (13) und/oder der Hydromotor (14)
jeweils mittels der Verstellvorrichtung (15a, 15b)
verstellbar ist.
5. Getriebeeinheit nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Meßvorrichtung ein den Verstellweg oder
Verstellwinkel ermittelnder Weg- oder Winkelmesser (25)
ist.
6. Getriebeeinheit nach wenigstens einem der
vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein die Abtriebsdrehzahl des hydrostatischen Getriebes
(2) oder eine entsprechende Drehzahl ermittelnder
Drehzahlmesser (26) vorgesehen ist, der ein
Steuersignal für die Steuereinrichtung (16) erzeugt.
7. Getriebeeinheit nach wenigstens einem der vorangehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine halb- oder vollautomatische, vorzugsweise
elektronische Steuereinrichtung (16, 17) vorgesehen
ist, die durch Steuer- bzw. Signalverbindungen mit der
oder den Verstellvorrichtungen (15a, 15b), dem
Druckmesser, der Meßvorrichtung für das
Durchsatzvolumen, dem Drehzahlmesser und/oder einer
Schaltvorrichtung (9) für das Schaltgetriebe (4)
verbunden ist.
8. Getriebeeinheit nach wenigstens einem der vorangehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Verstellvorrichtung (15a, 15b) für die Hydropumpe
(13) und/oder dem Hydromotor (14) jeweils ein
Druckregler zugeordnet ist, der einen solchen
Arbeitsdruck im hydrostatischen Getriebe (2) einstellt,
daß sein Abtriebsmoment (11) gleich oder kleiner ist,
als das Arbeitsmoment der zugehörigen
Synchronisiereinrichtung (7, 7a).
9. Getriebeeinheit (1) zur Anordnung zwischen einem Antriebsmotor (47) und
einem Verbraucher (48), bestehend aus einem mittels einer Verstellvor
richtung (15a, 15b) verstellbaren hydrostatischen Getriebe (2), einem
letzteren nachgeordneten, insbesondere mechanischen Schaltgetriebe (4)
mit mehreren Gangstufen (5, 6) und einer Steuereinrichtung zum Verstellen
des hydrostatischen Getriebes (2) mittels der Verstellvorrichtung (15a,
15b) für einen Schaltvorgang, oder Getriebeeinheit nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Schaltgetriebe (4) ein Synchrongetriebe mit Synchronisiereinrich
tungen (7) für die Gangstufen (5, 6) ist, daß der Steuereinrichtung (16)
eine Einrichtung (V/I, V2) zum Messen oder Überwachen des Abtriebsdrehmo
mentes (M) des hydrostatischen Getriebes (2) zugeordnet ist, daß das
hydrostatische Getriebe (2) wenigstens einen zweiten Hydromotor (14) in
Form eines Konstantmotors und/oder Verstellmotors aufweist, der durch
einen Getriebezweig mit einer Zu- und Abschaltvorrichtung (7c) mit dem
Schaltgetriebe (4) verbunden ist, daß das Abtriebsdrehmoment des ersten
Hydromotors (14a) gleich oder kleiner ist als das Arbeitsmoment der der
zugehörigen Gangstufe (5, 6) zugeordneten Synchronisiereinrichtung (7),
und daß dann, wenn vor einem Schaltvorgang das Abtriebsdrehmoment (M)
größer ist als das Arbeitsmoment der zugehörigen Synchronisiereinrichtung
(7), die Steuereinrichtung (16) den Getriebezweig abschaltet.
10. Getriebeeinheit nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zu- und Abschaltvorrichtung durch eine Synchronisiereinrichtung
(7c) eines Ganges gebildet ist.
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