DE4307222A1 - Hydrodynamisches Fahrzeuggetriebe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein hydrodynamisches Fahrzeuggetriebe gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Getriebe dieser Art werden häufig für Schienentriebwagen eingesetzt. Sie umfassen einen hydraulischen Teil mit dem Wandler als erstem Gang und den beiden Kupplungen als weiteren Gängen, ferner mit einem mechanischen Teil mit Wendegetriebe. Die hydrodynamischen Kreisläufe werden über einen Zahnradsatz auf der Eingangsseite, dem sogenannten Hochgang, angetrieben.

Hydrodynamische Fahrzeuggetriebe dieser Art sind zum Beispiel bekanntgeworden aus

• (1) DE-PS 8 14 705
• (2) DE-GM 14 08 725.

An hydrodynamische Fahrzeuggetriebe der eingangs genannten Art werden die folgenden allgemeinen Anforderungen gestellt: hohe Zugkraftwandlung, dynamisches Bremsen, guter Übertragungswirkungsgrad bei hohen Fahrgeschwindigkeiten, und zwar auch bei Teillast, einfache Wartung und geringe Unterhaltungskosten, einfacher, kostengünstiger Aufbau, geringer Platzbedarf. Dabei besteht die Schwierigkeit darin, alle diese Anforderungen auf optimale, wirtschaftliche Weise zu vereinigen.

Der Erfinder ging bei der Auswahl der zahlreichen Möglichkeiten aus vom System "Wandler-Kupplung-Kupplung", das sich weithin sehr bewährt hat, insbesondere bezüglich des Verlaufes der Zugkraft sowie des Getriebewirkungsgrades in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit. Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, ein solches Getriebe derart zu gestalten, daß der vorhandene Bauraum optimal ausgenutzt wird.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Durch die dort genannte Anordnung der drei hydrodynamischen Kreisläufe und im Zusammenhang mit Anspruch 2 der vier hydrodynamischen Kreisläufe in den vier Ecken eines Rechteckes wird einerseits nicht mehr Baulänge benötigt, als bei einem Wandler-Kupplungs-Getriebe. Statt dessen wird in geschickter Weise der in der Breite vorhandene Raum ausgenutzt durch die zweite Kupplung.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich beispielsweise beim Umstellen von einem Zweiganggetriebe auf ein Dreiganggetriebe. Hier braucht der Antriebsstrang in Längsrichtung nicht geändert zu werden.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei der Umschaltung von einem der hydrodynamischen Kreisläufe auf einen anderen nicht in die Motorsteuerung eingegriffen zu werden braucht.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes hydrodynamisches Getriebe in einem Längsschnitt in schematischer Darstellung.

Fig. 2 zeigt das Getriebe gemäß Fig. 1 in Ansicht auf die Antriebsseite.

Fig. 3 veranschaulicht den Verlauf der Zugkraft und des Wirkungsgrades eines erfindungsgemäßen Fahrzeuggetriebes.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes hydrodynamisches Getriebe in einem Längsschnitt in schematischer Darstellung. Es umfaßt vier hydrodynamische Kreisläufe, die in den vier Ecken eines Rechteckes angeordnet sind. Dazu gehören ein Wandler I, eine Kupplung II, eine Kupplung III und ein Retarder IV. Der Wandler I umfaßt ein Pumpenrad 1, ein Turbinenrad 2 und ein Leitrad 3. Die Kupplungen II und III sind baugleich und weisen jeweils ein als Primärrad bezeichnetes Pumpenrad 4 bzw. 6 und ein als Sekundärrad bezeichnetes Turbinenrad 5 bzw. 7 auf. Der Retarder IV umfaßt ein als Rotor bezeichnetes Pumpenrad 8 und ein als Stator bezeichnetes feststehendes Schaufelrad 9. Außerdem umfaßt das Getriebe ein Hochgangstrio 10 auf der Antriebsseite, des weiteren zur mechanischen Stufung eine Zahnradanordnung 11 und ein Wendegetriebe 12.

Ein hier nicht dargestellter Antrieb, beispielsweise ein Dieselmotor, ist über eine hier nicht dargestellte Kupplung an seiner Ausgangswelle mit der Eingangswelle 13, verbunden und treibt diese an. Auf der Eingangswelle 13 ist das Hochgangsrad 14 des Hochgangstrios 10 angeordnet. Das Hochgangsrad 14 kämmt mit den Zahnrädern 15 bzw. 16 des Hochgangstrios 10. Die Zahnräder 15 bzw. 16 bilden mit den als Hohlwellen ausgebildeten Pumpenrad- bzw. Primärradwellen, die hier als Primärwellen 17 bzw. 18 bezeichnet werden sollen, eine Einheit.

Die als Hohlwellen ausgebildeten Primärwellen 17 und 18 umschließen die zugehörigen Turbinenradwellen, die hier als Sekundärwellen 19 und 20 bezeichnet werden sollen. Die Sekundärwelle 20 ist gleichzeitig die Antriebswelle des Rotors 8 des Retarders IV. Die Sekundärwelle 19 ist über eine Schiebewelle 21, die zwischen der Zahnradanordnung 22 und dem Wendegetriebe 12 hin und her bewegt werden kann, mit dem Zahnrad 23 auf der Abtriebswelle 24 verbunden.

Der Wandler 1 und die Kupplung II bilden gemeinsam eine Getriebehälfte 25, die hier als Läufer A bezeichnet werden soll, und die Kupplung III bildet mit dem Retarder IV eine Getriebehälfte 26, die hier mit Läufer B bezeichnet werden soll. Der Läufer A ist mit dem Läufer B mittels einer Zahnradanordnung - Zahnradtrio 11, umfassend die Zahnräder 27, 28 und 29 - verbunden. Diese mechanische Stufung weist ein Übersetzungsverhältnis beispielsweise von ca. 1,3 auf.

Durch diese Maßnahme wurde eine mechanische Abstufung der vorzugsweise baugleichen Kupplungen vorgenommen. Die Zahnräder 27 und 29 sind dabei auf den Sekundärwellen 19 bzw. 20 angeordnet. Das dazwischen angeordnete Zahnrad 28 ist über der Antriebswelle 13 versetzt angeordnet. Vorteilhaft ist eine derartige Anordnung vor allem dort, wo ein 2-Gang-Getriebe auf ein 3-Gang-Getriebe umgerüstet werden soll.

Mittels des erfindungsgemäßen Getriebes lassen sich drei Fahrbereiche realisieren. Der Wandler I dient aufgrund seiner vorteilhaften Eigenschaften vor allem als Anfahrwandler und arbeitet nur im unteren Fahrgeschwindigkeitsbereich, der zugleich den Dauernutzungsbereich des Wandlers umfaßt. Der Wandler arbeitet mit gutem Wirkungsgrad und ist nur im unteren Fahrgeschwindigkeitsbereich gefüllt. Die dem Pumpenrad zugeführte Antriebsleistung, charakterisiert durch Primärwellendrehzahl und Pumpenmoment, wird mit geringen Verlusten aufgrund der Strömungsumlenkung und Reibung auf das Turbinenrad übertragen. Das Pumpenmoment wird jedoch in Abhängigkeit des Leitradmomentes gewandelt. Die Sekundärwelle 19 dreht sich dann mit einer Drehzahl entsprechend zum Turbinenmoment und der übertragenen Leistung. Über die Schiebewelle 21, die eine Außenverzahnung aufweist und die in die Innenverzahnung des Zahnrades 22 eingreift, dreht sich das Zahnrad 22 mit dieser Drehzahl. Das Zahnrad 22 kämmt mit dem Zahnrad 23. Hier erfolgt zur Anpassung an die Abtriebsdrehzahl an die Drehzahl der Räder eine Übersetzung ins Langsame.

Im unterem Fahrgeschwindigkeitsbereich dreht der Antriebsmotor z. B. bei Vollast mit annähernd gleich bleibender Antriebsdrehzahl. Das Pumpenrad 1 des Wandlers I arbeitet somit nur in einem begrenzten Drehzahlbereich. Der Drehzahlbereich des Turbinenrades 2 der proportional zum unteren Fahrgeschwindigkeitsbereich ist, kann jedoch stark variieren. Je nach Ausbildung der Beschaufelung und der Turbinendrehzahl wird die von der Pumpe ankommende Strömung mehr oder weniger stark umgelenkt.

Der untere Fahrgeschwindigkeitsbereich entspricht in etwa dem Wandlerhauptnutzungsbereich. Um in den nächsten, dem Wandlergang folgenden Fahrgeschwindigkeitsbereich umzuschalten, wird der Wandler I geleert und die Kupplung II gefüllt. Die an der Motorausgangswelle anliegende Leistung wird über das Hochgangszahnrad 14 des Hochgangstrios auf die Primärwellen 17, 18 übertragen. Das Hochgangszahnrad 14 treibt die Zahnräder 16 und 15 und damit die Primärwellen 18 und 19 an. Das mit der Primärwelle 18 eine Einheit bildende Primärrad 6 der Kupplung III dreht sich aufgrund seiner Nichtfüllung leer mit (Luftventilationsleistung) und das mit der Primärwelle 17 eine Einheit bildende. Primärrad 4 der Kupplung II wird angetrieben.

Der Leistungsfluß erfolgt vom Primärrad 4 zum Sekundärrad 5. Aufgrund des zur Momentenübertragung erforderlichen Schlupfes besteht ein geringer Drehzahlunterschied zwischen Primärwelle 17 und dem Sekundärrad 5, d. h. der Sekundärwelle 19. Um eine größere Abtriebsdrehzahl an der Abtriebswelle 24 zu erreichen, muß die Drehzahl des Antriebsmotors erhöht werden. Die Kupplung II ist so ausgelegt, daß sie im, dem Wandlergang folgenden Fahrgeschwindigkeitsbereich mit maximalem Wirkungsgrad, d. h. geringem Schlupf, vorzugsweise etwa 3%, hauptsächlich im Bereich ihres Nennbetriebspunktes arbeitet.

Nach Ausschöpfung des günstigen Arbeitsbereiches der Kupplung II wird zur problemlosen Realisierung eines weiteren Fahrgeschwindigkeitsbereiches auf eine Kupplung III umgeschaltet. Das erfolgt durch Entleeren der Kupplung II und Füllen der Kupplung III. Die Füllung wird mittels einer in allen Betriebszuständen arbeitenden Füllpumpe 30 realisiert. Diese ist mittels eines Zahnradduos 31, wobei das Übertragungsrad 32 über ein Zahnrad 33 mit der Getriebeeingangswelle 13 entsprechend den Erfordernissen verbunden werden kann, mit dem Antrieb verbunden.

Das Primärrad der Kupplung III überträgt die Momente auf das Sekundärrad der Kupplung III und damit auf die mit diesem verbundene Sekundärwelle 20. Die Sekundärwelle 20 dreht sich aufgrund des zur Momentenübertragung erforderlichen Schlupfes mit geringerer Drehzahl als die der Primärwelle 18. Die Kupplung III besitzt aufgrund der Gleichheit zu Kupplung II den gleichen Betriebsbereich. Dieser wird durch die Zahnradstufen des Zahnradtrios 11 erweitert. Die Drehzahl der Sekundärwelle 20 wird beispielsweise im Verhältnis 1:1.3 gewandelt. Es erfolgt eine Übersetzung ins Schnelle. Entsprechend des Kupplungsbetriebsbereiches und der ansteigenden Motordrehzahl wird somit ein weiterer Fahrgeschwindigkeitsbereich beschrieben.

In allen Fahrbereichen besteht die Möglichkeit des hydrodynamischen Abbremsens. Das Fahrzeug kann aus hohen Geschwindigkeiten verschleißfrei abgebremst und bei Fahrt im Gefälle auf Beharrungsgeschwindigkeit gehalten werden. Dazu wird bei Bedarf der Retarder IV gefüllt. Die Bremsenergie wird in Wärme umgewandelt und beispielsweise über hier nicht dargestellte Wärmeaustauscher abgeführt.

Der Rotor 8 des Retarders ist zum Abbremsen aus dem Wandlergang und dem ersten Kupplungsgang über die Sekundärwelle 20, das Zahnradtrio 11, der Sekundärwelle 19 mit der Schiebewelle 21 und entsprechend deren Stellung entweder über das Wendegetriebe 12 oder über die Zahnradanordnung 22 mit der Abtriebswelle 24 verbunden.

Die Traktionskreisläufe sind hier während des Retarderbremsens in der Regel entleert. Entsprechend den Erfordernissen kann jedoch auch die andere Möglichkeit, während des Retarderbremsens eine Kupplung zu füllen, um den Motor anzutreiben (Wasserumlauf, Kühlkapazität, Retarderfüllzeit), in Betracht gezogen werden.

Eine Freilaufwirkung - Trennung Antrieb/Abtrieb - zur Einsparung von Kraftstoff während der Fahrt erfolgt durch Entleeren des jeweils gefüllten Kreislaufes. Ein Wiederfüllen der Kreisläufe und das Aufschalten des Motors ist bei allen Fahrgeschwindigkeiten problemlos und verschleißfrei möglich.

Der Fahrtrichtungswechsel kann nur im Stillstand des Fahrzeuges erfolgen. Dazu wird die Verschiebewelle 21 mit ihrer Außenverzahnung mit der Innenverzahnung des Zahnrades 34 der Zahnradanordnung 12 in Eingriff gebracht. Über das Wendegetriebe 12, im Einzelnen das Zahnradpaar 34/35 und das Zahnradpaar 36/23 erfolgt eine Drehrichtungsumkehr.

In der Fig. 2 ist das erfindungsgemäße hydrodynamische Getriebe in der Ansicht von vorne wiedergegeben. Hier soll vor allem die Anordnung des Zahnradtrios 11 über dem Antrieb, speziell der Getriebeeingangswelle 13 verdeutlicht werden.

Die Achsen 37, 38 der Läufer A und B, die gleichzeitig die Achsen der Primärwellen 17 bzw. 18 und der Sekundärwellen 19 bzw. 20 sind, liegen in einer Ebene. Auf diesen Achsen sind auch die hier nicht dargestellten Zahnräder 27 und 29 angeordnet. Die Achse des zwischen diesen Zahnrädern angeordneten, zur Beibehaltung der Drehrichtung erforderlichen Zahnrades 28 ist gegenüber der durch den Antrieb gelegten Achse 39 in horizontaler und vertikaler Richtung versetzt. Der Vorteil dieser Anordnung besteht wie bereits genannt darin, daß bei Erweiterung von einem 2- Gang- auf ein 3-Ganggetriebe um die Kupplung III, das Getriebe nur in seiner Breite baulich verändert werden muß.

In Längsrichtung kann der bisherige Antriebsstrang beibehalten werden.

Die Fig. 3 verdeutlicht das Zugkraft- Geschwindigkeitsdiagramm des erfindungsgemäßen hydrodynamischen Getriebes. Im Diagramm ist der Zugkraft- Fahrgeschwindigkeitsverlauf in den einzelnen Fahrgeschwindigkeitsbereichen dargestellt. Des weiteren ist der Wirkungsgradverlauf und der Drehzahlverlauf n des Antriebsmotors entsprechend der Fahrgeschwindigkeit in den einzelnen Fahrgeschwindigkeitsbereichen wiedergegeben. Im Einzelnen stellen dar:

Bereich alpha:
Wandlergang - erster Fahrgeschwindigkeitsbereich

Bereich beta:
erster Kupplungsgang - zweiter Fahrgeschwindigkeitsbereich

Bereich gamma:
zweiter Kupplungsgang - dritter Fahrgeschwindigkeitsbereich

Im Wandlergang alpha arbeitet der Wandler etwa bei gleichbleibender Antriebsdrehzahl des Motors in seinem Anfahr- und Dauernutzungsbereich. Bei Erreichen des Betriebspunktes mit höchst zulässigem Drehzahlverhältnis bei Vollast erfolgt ein Umschalten in den Fahrgeschwindigkeitsbereich beta, d. h. in den ersten Kupplungsgang. Die Kupplung II kann dabei nur dann einen größeren Betriebsbereich überdecken, wenn sie bei verhältnismäßig wenig veränderlichem geringem Schlupf durch Motorrückwirkung eine Änderung der Motordrehzahl bewirkt. Die Drehzahl des Antriebsmotors wird beim hydraulischen Umschalten gedrückt, steigt jedoch im ersten Kupplungsgang wieder stetig an. Die Drehmomentcharakteristik des Dieselmotors für den ersten Kupplungsgang wurde so gewählt, daß die Zugkraft im unteren Betriebspunkt gut an den oberen Betriebspunkt des Wandlers anschließt. Im Bereich gamma wird ersichtlich, daß durch die Erweiterung um eine Getriebestufe ein weiterer Betriebsbereich für die Kupplung III, die baugleich zur Kupplung II für den zweiten Fahrbereich ist, realisiert werden kann.

Das Gesamtgetriebe ist so ausgelegt, daß eine bestimmte Drehzahl des Antriebsmotors nicht überschritten wird. Der Zugkraftverlauf stellt sich annähernd hyperbelförmig dar, verringert sich jedoch gegenüber dem Wandlergang in den Kupplungsgängen in Stufen.

Claims (5)

1. Hydrodynamisches Fahrzeuggetriebe, insbesondere für Schienentriebfahrzeuge

• 1.1 mit drei Traktions-Arbeitskreisläufen für drei verschiedene Geschwindigkeitsbereiche, umfassend einen Wandler (I), eine erste Kupplung (II) sowie eine zweite Kupplung (III);
  gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
• 1.2 ein erster Läufer A (25) ist aus dem Wandler (I) und der ersten Kupplung (II) gebildet;
• 1.3 ein zweiter Läufer B (26) ist aus der zweiten Kupplung (III) gebildet;
• 1.4 beide Läufer sind parallel zueinander angeordnet und bilden zwei zueinander parallele Seiten eines Viereckes;
• 1.5 der Wandler (I) und die erste Kupplung (II) sind - in einem Schnitt durch die Läuferachsen gesehen - im Bereich der Ecken des Viereckes angeordnet, das durch die zwei parallelen Läuferachsen und von jeweils einer durch Wandler und Kupplung auf der Achse (37) des Läufers A gelegten Geraden, die die Achse (38) des Läufers B schneiden, gebildet wird;
• 1.6 die zweite Kupplung (III) ist auf der Seite des Viereckes angeordnet, die vom Läufer B (26) gebildet wird.

2. Fahrzeuggetriebe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• 2.1 das Fahrzeuggetriebe umfaßt eine hydrodynamische Bremse (IV);
• 2.2 der zweite Läufer B ist aus der zweiten Kupplung (III) und der Bremse (IV) gebildet;
• 2.3 Wandler (I), erste Kupplung (II), zweite Kupplung (III) und Bremse (IV) sind - in einem Schnitt durch die Läuferachsen (37, 38) gesehen - jeweils im Bereich einer Ecke eines Viereckes angeordnet.

3. Fahrzeuggetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kupplungen (II, III) baugleich sind.

4. Fahrzeuggetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Läufer (25, 26) über ein Zahnradtrio (10) auf der Antriebsseite des Getriebes miteinander in Triebverbindung stehen.

5. Fahrzeuggetriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnradtrio (10) oberhalb des Antriebsflansches angeordnet ist.