DE4422444A1 - Kraftübertragungsaggregat zum Antrieb von drehzahlvariablen Arbeitsmaschinen und Verfahren zum Betreiben - Google Patents
Kraftübertragungsaggregat zum Antrieb von drehzahlvariablen Arbeitsmaschinen und Verfahren zum BetreibenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Kraftübertragungsaggregat zum
Antrieb von drehzahlvariablen Arbeitsmaschinen, im
Einzelnen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des
Anspruches 1; ferner ein Verfahren zum Betreiben eines
derartigen Kraftübertragungsaggregates.
Kraftübertragungsaggregate zum Antrieb einer
drehzahlvariablen Arbeitsmaschine sind in verschiedenen
Ausführungen und Anordnungen bekannt, beispielsweise wie
in der US 4,726,255 (G4837), die eine Ausführungsform von
Kraftübertragungsaggregaten offenbart, deren Aggregat-Elemente
koaxial zueinander angeordnet sind, beschrieben.
Bei diesen Ausführungen wird der Anfahrvorgang in der Regel
mittels einer hydrodynamischen Regelkupplung realisiert,
die im Regelbetrieb überbrückt wird. Im Regelbetrieb
erfolgt die mechanische Durchkopplung zwischen An- und
Abtrieb. Die Drehzahländerung auf der Abtriebsseite erfolgt
durch Änderung der Leitschaufelverstellung am
Drehmomentenwandler.
Probleme derartiger Ausführungen bestehen vor allem in
einem aufgrund der Vielzahl der Funktionen bedingten
erhöhten Bauteilaufwand, da für die Realisierung bestimmter
Funktionen separate Elemente eingesetzt werden. Des
weiteren ist ein Anfahren bei großem abtriebsseitigen
Massenträgheitsmoment nicht immer ohne Probleme möglich.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein
Kraftübertragungsaggregat zum Antrieb drehzahlvariabler
Arbeitsmaschinen derart weiterzuentwickeln, daß die
genannten Nachteile unter Beibehaltung der Vorteile
vermieden werden. Das Kraftübertragungsaggregat soll sich
dabei durch einen möglichst geringen Bauaufwand, die
Realisierung eines optimalen Anfahrverhaltens, auch beim
Antrieb von Arbeitsmaschinen mit hohen
Massenträgheitsmomenten, um ein Abwürgen des Antriebes zu
vermeiden, sowie einen möglichst großen Regelbereich
auszeichnen.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist durch die
kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 charakterisiert.
Erfindungsgemäß umfaßt das Kraftübertragungselement eine
Ein- und eine Ausgangswelle, einen hydrodynamischen
Drehmomentenwandler sowie ein Differentialgetriebe, wobei
ein erstes Getriebeteil des Differentialgetriebes mit der
Ausgangswelle dauernd, das Turbinenrad des hydrodynamischen
Drehmomentenwandlers jedoch wahlweise mit einer
Zwischenwelle, welche mit einem zweiten Getriebeteil des
Differentialgetriebes verbunden ist, oder mit einer
Überlagerungswelle, welche mit einem dritten Getriebeteil
des Differentialgetriebes in Verbindung steht, koppelbar
ist.
Der hydrodynamische Drehmomentenwandler und das
Differential sind koaxial zueinander angeordnet. Die
allgemein koaxiale Anordnung der einzelnen Aggregat-Elemente
ermöglicht eine sehr kompakte Bauweise des
Kraftübertragungsaggregates. Des weiteren wird gegenüber
den konventionell ausgeführten Mehrkreisregelantrieben, wie
beispielsweise in der US 4,726,255 beschrieben, auf den
Einsatz einer hydrodynamischen Regelkupplung, welche
speziell für den Anfahrvorgang Verwendung findet,
verzichtet. Diese Funktion und weitere zusätzliche
Funktionen, wie beispielsweise die Drehzahl-Drehmomentenänderung
im Regelbetrieb oder die
Synchronisation werden mit weniger Aufwand, d. h. weniger
Bauteilen durch den hydrodynamischen Wandler, welcher im
Regelbetrieb beispielsweise durch Änderung der
Leitschaufelverstellung auf die Abtriebsdrehzahl über das
Differential einwirken kann, realisiert. Mit dem
hydrodynamischen Drehmomentenwandler können somit aufgrund
der Koppelmöglichkeiten mit anderen Bauelementen
verschiedene Aufgaben von einem Aggregat-Element erfüllt
werden, wo ansonsten eine Vielzahl erforderlich wäre. Beim
Anmeldungsgegenstand dient der Wandler zum Anfahren und im
Regelbetrieb zum Antrieb der Überlagerungswelle. Aufgrund
dessen, daß immer noch der Hauptteil der Leistung über den
direkten Durchtrieb zwischen Eingangswelle und Zwischenwelle
übertragen wird, muß der Wandler nur für einen geringen Teil
der zu übertragenden Gesamtleistung bemessen werden,
wodurch nur ein verhältnismäßig kleiner Wandler benötigt
wird, dessen relativ schlechter Gesamtwirkungsgrad sich
somit nur sehr geringfügig auf den Gesamtwirkungsgrad des
Kraftübertragungsaggregates auswirkt.
Die Verwendung des Wandlers als Anfahrwandler bietet den
Vorteil der Ausnutzung der vorteilhaften Eigenschaften
speziell für den Anfahrvorgang.
Die Möglichkeit der wahlweisen Kopplung zwischen
Eingangswelle und Zwischenwelle auf direktem Wege oder aber
indirekt über den Drehmomentenwandler bietet den Vorteil,
bewußt die Vorteile des hydrodynamischen Wandlers für den
Anfahrvorgang auszunutzen und des weiteren diesen als
einfachen Drehzahl-Drehmomentenwandler zur aktiven Regelung
der Abtriebsdrehzahl im Regelbetrieb zu nutzen. Zusätzlich
kann der hydrodynamische Wandler als Synchronisierwandler
genutzt werden. Des weiteren bietet das erfindungsgemäß
ausgeführte Kraftübertragungsaggregat zu jedem Zeitpunkt
die Möglichkeit der Herbeiführung einer Entkopplung
zwischen Antrieb- und Arbeitsmaschine.
Zusätzlich kann zwischen Überlagerungswelle und
Differentialgetriebe eine weitere Getriebeeinheit in Form
eines Über- oder Untersetzungsgetriebes zwischengeordnet
werden. Dieses ist vorzugsweise als Standgetriebe in Form
eines Planetenradgetriebes mit feststehendem Steg
ausgeführt. Entsprechend der Gestaltung und Dimensionierung
von Differentialgetriebe und Standgetriebe sowie in
Abhängigkeit der Turbinenraddrehzahl können verschiedene
Übersetzungsaufgaben gelöst werden.
Mit der erfindungsgemäßen Ausführung eines
Kraftübertragungsaggregates gemäß Anspruch 1 und dem
Verfahren Betreiben eines derartigen Aggregates gemäß
Anspruch 15 ist es somit möglich, ein kompaktes
Kraftübertragungselement, insbesondere einen Drehzahl-Drehmomentwandler,
zu realisieren, bei dem eine Vielzahl
von Funktionen mit möglichst wenigen Elementen realisiert
wird.
Das Kraftübertragungsaggregat kann dabei beispielsweise
folgendermaßen aufgebaut sein:
Das Kraftübertragungsaggregat umfaßt einen hydrodynamischen Drehmomentenwandler, ein Differentialgetriebe in Form eines Umlaufgetriebes und ein Standgetriebe. Diese Komponenten sind koaxial zu einer Achse im Getriebegehäuse angeordnet. Der hydrodynamische Drehmomentenwandler umfaßt ein Pumpenrad, ein Leitrad und ein Turbinenrad.
Das Kraftübertragungsaggregat umfaßt einen hydrodynamischen Drehmomentenwandler, ein Differentialgetriebe in Form eines Umlaufgetriebes und ein Standgetriebe. Diese Komponenten sind koaxial zu einer Achse im Getriebegehäuse angeordnet. Der hydrodynamische Drehmomentenwandler umfaßt ein Pumpenrad, ein Leitrad und ein Turbinenrad.
Das Umlaufgetriebe ist vorzugsweise als Planetenradgetriebe
ausgeführt; es umfaßt im einfachsten Fall ein Sonnenrad,
Planetenräder sowie ein Hohlrad. Das Sonnenrad des
Umlaufgetriebes ist drehfest auf einer Abtriebswelle,
welche mit dem Abtrieb gekoppelt ist, und beispielsweise
der Ausgangswelle entspricht, angeordnet.
Das Standgetriebe weist eine Planetengetriebeanordnung mit
feststehendem Steg auf. Das Standgetriebe umfaßt ein
Hohlrad, Planetenräder und ein Sonnenrad. Der
Planetenträger, d. h. der Steg des Standgetriebes, ist fest
mit dem Gehäuse des Getriebes verbunden.
Die Planetenräder des Umlaufgetriebes sind über einen
Planetenträger miteinander verbunden. Dieser Planetenträger
ist jedoch nicht feststehend, sondern steht beispielsweise
mit dem Hohlrad des Standgetriebes in unmittelbarer
Verbindung.
Das Pumpenrad des Drehmomentenwandlers ist drehfest mit
einer Antriebswelle, welche mit dem Antrieb in Verbindung
steht und beispielsweise der Eingangswelle entspricht,
verbunden. Die Antriebswelle ist beispielsweise über ein
Kupplungselement mit einer Zwischenwelle verbindbar, welche
unmittelbar mit dem Umlaufgetriebe gekoppelt ist.
Beispielsweise ist das Hohlrad des Umlaufgetriebes drehfest
auf der Zwischenwelle angeordnet.
Das Turbinenrad des hydrodynamischen Drehmomentenwandlers
ist über ein weiteres zweites Kupplungselement wahlweise
mit der Zwischenwelle oder aber mit einer
Nebenantriebswelle, die auch als Überlagerungswelle
bezeichnet wird, koppelbar. Auf der Nebenantriebswelle sind
dabei beispielsweise das Sonnenrad des Standgetriebes und
bei Einsatz einer hydrodynamischen Bremse zum Abbremsen der
Nebenantriebswelle dessen Rotorschaufelrad drehfest
gelagert.
Zur Realisierung der Schaltfunktionen sind entsprechende
Kupplungselemente einsetzbar, die verschiedenartig
ausgeführt sein können, beispielsweise als Klauen- oder
Zahnkupplungen. Des weiteren besteht die Möglichkeit, die
Verbindung beispielsweise zwischen der Antriebswelle und
der Zwischenwelle durch eine Schiebewellenanordnung zu
realisieren.
Eine weitere Möglichkeit wäre allgemein die wahlweise
Realisierung eines Form- und/oder Kraftschlusses zwischen
dem Turbinenrad und der Zwischenwelle oder der
Überlagerungswelle oder aber eines Form- oder
Kraftschlusses zwischen der Eingangs- und der
Zwischenwelle.
Die hier beschriebene realisierte Verbindung von
Zwischenwelle und Differential kann auch anders ausgeführt
sein, beispielsweise kann die Verbindung zwischen
Antriebswelle, Zwischenwelle und Differential über die
Kopplung von Zwischenwelle mit dem Steg oder dem Sonnenrad
erfolgen. Die entsprechenden Elemente Überlagerungswelle
bzw. Standgetriebe und Abtrieb stehen dann mit anderen
Getriebeteilen des Differentialgetriebes in Verbindung. Die
entsprechende Ausführung und Dimensionierung der
Einzelelemente erfolgt jedoch immer entsprechend den
Erfordernissen des Einsatzfalles.
Allgemein ist das erfindungsgemäß aufgebaute
Kraftübertragungsaggregat gemäß Anspruch 15 derart zu
betreiben, daß im Anfahrbereich die Eingangswelle über den
hydrodynamischen Drehmomentenwandler mit der Zwischenwelle,
welche mit einem Getriebeteil des Differentialgetriebes
verbunden ist, gekoppelt wird und der hydrodynamische
Drehmomentenwandler dabei mit Betriebsflüssigkeit befüllt
wird. Bei Befüllung des hydrodynamischen Wandlers entsteht
nun am Turbinenrad ein Moment, welches die Zwischenwelle
beschleunigt. Dieses Moment wird an der Überlagerungswelle
bei Einsatz einer, der Überlagerungswelle zugeordneten
Bremse durch diese abgestützt. Ansonsten wird entsprechend
den Übersetzungsverhältnissen zwischen Differentialgetriebe
und Standgetriebe die Überlagerungswelle entgegengesetzt
angetrieben. Dieser Bewegung wirkt nur die Trägheit der
Überlagerungswelle entgegen.
Beim Einsatz einer hydrodynamischen Bremse, welche der
Überlagerungswelle zugeordnet ist wird bei Befüllung dieser
die Drehzahl der Überlagerungswelle und damit aufgrund der
Kopplung mit dem Differentialgetriebe die Drehzahl des mit
der Überlagerungswelle gekoppelten Getriebeteiles
verringert. Vorzugsweise sind Mittel zur Steuerung des mit
der hydrodynamischen Bremse erzeugten Bremsmomentes
vorhanden, beispielsweise können zusätzlich Stellschaufeln
vorgesehen werden, durch deren Verstellung bei
gleichbleibenden Füllungsgrad der hydrodynamischen Bremse
aktiv Einfluß auf das erzeugbare Bremsmoment genommen
werden kann. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den
Füllungsgrad der hydrodynamischen Bremse zu verändern. Ist
der hydrodynamische Wandler ganz gefüllt, kann
beispielsweise durch Schaufelradverstellung am Leitrad die
Zwischenwelle noch weiter beschleunigt werden. Dadurch
steigt auch die Abtriebsdrehzahl. Erreicht die
Zwischenwelle die gleiche Drehzahl wie die Eingangswelle,
wird die Eingangswelle direkt mit der Zwischenwelle
gekoppelt. Der Wandler hat zum Zeitpunkt der Kopplung
zwischen Eingangswelle und Zwischenwelle keine Funktion
mehr und wird entleert. Das zur Realisierung der Kopplung
von Turbinenrad mit den anderen Bauteilen verwendete
Kupplungselement wird in die neutrale Mittelstellung
gebracht.
Der weitere Regelbetrieb funktioniert analog wie bei den
konventionellen Mehrkreisregelantrieben, d. h.
beispielsweise durch Öffnen der Stellschaufeln der Bremse
wird der Nebenantrieb, d. h. die Überlagerungswelle
abgebremst. Dadurch dreht sich die Ausgangswelle aufgrund
der geringer werdenden Rückwirkung der Überlagerungswelle
auf das Differentialgetriebe, d. h. der geringer werdenden
Drehzahl der Überlagerungswelle und des mit diesen in
Verbindung stehenden Getriebegliedes des
Differentialgetriebes, schneller. Zum Zeitpunkt der fast
vollständigen Öffnung der Stellschaufeln der
hydrodynamischen Bremse besitzt die Nebenantriebs- bzw.
Überlagerungswelle nur noch eine geringe Rückwärtsdrehzahl.
In diesem Punkt wird das Turbinenrad des hydrodynamischen
Wandlers mit der Überlagerungswelle verbunden. Dazu müssen
jedoch das Turbinenrad des hydrodynamischen Wandlers und
die Überlagerungswelle synchronisiert werden. Dies
bedeutet, daß das Turbinenrad des hydrodynamischen Wandlers
auf die gleiche Rückwärtsdrehzahl gebracht werden muß, wie
die Überlagerungswelle. Nach erfolgter Synchronisierung
werden die hydrodynamische Bremse entleert und der
hydrodynamische Wandler gefüllt. Im Regelbetrieb besteht
somit ein direkter Durchtrieb von der Eingangswelle zur
Ausgangswelle und des weiteren ein Durchtrieb vom
Turbinenrad des hydrodynamischen Drehmomentenwandlers über
die Überlagerungswelle und das Standgetriebe auf das
Umlaufgetriebe. Durch Änderung der
Leitradschaufelverstellung am hydrodynamischen
Drehmomentenwandler kann dabei die Wirkung des
Nebenantriebes variiert werden. Die eigentliche
Abtriebsdrehzahl an der Ausgangswelle ergibt sich dabei aus
der Überlagerung der am Umlaufgetriebe anliegenden
Drehzahlen.
Es besteht auch die Möglichkeit, die beschriebene
Konfiguration mit nicht regelbarer Bremse, d. h.
beispielsweise mit einer Bremse ohne Stellschaufeln, oder
aber ganz ohne Bremse auszuführen. Der Anfahrvorgang
funktioniert dann analog. Jedoch sind zusätzliche
Vorkehrungen zur Synchronisierung zwischen Turbinenrad und
Überlagerungswelle vorzusehen. Der Regelbetrieb erfolgt
auch hier wie bei den konventionellen
Mehrkreisregelantrieben. Durch die Änderung der
Leitschaufelstellung des hydrodynamischen Wandlers kann die
Drehzahl des Nebenantriebes, insbesondere der
Nebenantriebswelle verändert werden. Im Zusammenhang mit
der Konfiguration von Standgetriebe und Umlaufgetriebe läßt
sich dadurch die Abtriebsdrehzahl am Abtrieb verändern.
Die hier beschriebenen Ausführungen sind Beispiele, die auf
dem Grundkonzept, welches in Anspruch 1 wiedergegeben ist,
aufbauen. Für den Fachmann ergibt sich daraus eine Vielzahl
von Möglichkeiten zur konstruktiven Gestaltung eines
entsprechenden Kraftübertragungsaggregates.
Die konkrete Ausführungsform ist jedoch entsprechend den
Erfordernissen des Einsatzfalles auszulegen.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist nachfolgend
anhand von Figuren erläutert. Darin ist im übrigen
folgendes dargestellt:
Fig. 1a bis 1c zeigen eine erfindungsgemäße Ausführung
eines Kraftübertragungsaggregates zum
Antrieb einer drehzahlvariablen
Arbeitsmaschine in den Betriebsbereichen
Anfahren, Synchronisierung und im
Regelbetrieb;
Die Fig. 2 verdeutlicht eine erfindungsgemäße
Ausführung eines Kraftübertragungsaggregates
zum Antrieb einer drehzahlvariablen
Arbeitsmaschine ohne integrierte Bremse.
In den Fig. 1a bis 1c ist eine Ausführung eines
erfindungsgemäßen Kraftübertragungsaggregates zum Antrieb
einer drehzahlvariablen Arbeitsmaschine mit dargestellter
Kopplung zwischen An- und Abtrieb in den einzelnen
Betriebsbereichen dargestellt. Anhand der Fig. 1a zur
Darstellung des Zusammenwirkens der einzelnen Elemente im
Anfahrbereich wird gleichzeitig der Aufbau des
erfindungsgemäßen Kraftübertragungsaggregates erläutert.
Mit dem Kraftübertragungsaggregat 1 können die Drehzahl und
das Drehmoment zwischen einem Antrieb 2 und einem Abtrieb 3
gewandelt werden. Das Kraftübertragungselement 1 umfaßt
dazu einen hydrodynamischen Drehmomentenwandler 4, eine
hydrodynamische Bremse 5, ein Umlaufgetriebe 6 und ein
Standgetriebe 7. Diese Komponenten sind koaxial zu einer
Achse A im Getriebegehäuse 8 angeordnet.
Der hydrodynamische Drehmomentenwandler 4 umfaßt ein
Pumpenrad 9, ein Leitrad 10 und ein Turbinenrad 11. Die
hydrodynamische Bremse 5 umfaßt ein Statorschaufelrad 12
und ein Rotorschaufelrad 13.
Das Umlaufgetriebe 6 ist vorzugsweise als
Planetenradgetriebe ausgeführt; es umfaßt beispielsweise
wie in der Fig. 1a dargestellt, ein Sonnenrad 14,
stellvertretend die Planetenräder 15 und 16 sowie ein
Hohlrad 17. Das Sonnenrad 14 des Umlaufgetriebes 6 ist
drehfest auf einer Abtriebswelle 18, die der
Getriebeausgangswelle entspricht und mit dem Abtrieb 3
gekoppelt ist, angeordnet.
Das Standgetriebe 7 weist beispielsweise eine
Planetengetriebeanordnung mit feststehendem Steg auf. Das
Standgetriebe umfaßt ein Hohlrad des Standgetriebes 20,
Planetenräder des Standgetriebes - hier stellvertretend 21
und 22 - und ein Sonnenrad des Standgetriebes 23 auf. Der
Planetenträger, d. h. der Steg 24 des Standgetriebes, ist
fest mit dem Gehäuse 8 des Getriebes verbunden.
Die Planetenräder - stellvertretend 15 und 16 - des
Umlaufgetriebes 6 sind über einen Planetenträger 25
miteinander verbunden. Dieser Planetenträger ist jedoch
nicht feststehend, sondern steht mit dem Hohlrad 20 des
Standgetriebes 7 in unmittelbarer Verbindung.
Das Pumpenrad 9 des Drehmomentenwandlers 4 ist drehfest mit
einer Antriebswelle 26, welche der Getriebeeingangswelle
entspricht und mit dem Antrieb in Verbindung steht,
verbunden. Die Antriebswelle 26 ist über ein
Kupplungselement I mit einer Zwischenwelle 27 verbindbar,
welche unmittelbar mit dem Umlaufgetriebe gekoppelt ist.
Das Hohlrad 17 des Umlaufgetriebes 6 ist dabei drehfest auf
der Zwischenwelle 27 angeordnet.
Das Turbinenrad 11 des hydrodynamischen
Drehmomentenwandlers 4 ist über ein weiteres zweites
Kupplungselement II wahlweise mit der Zwischenwelle 27 oder
aber mit einer Nebenantriebswelle 28 koppelbar.
Die Kupplungselemente I und II können dabei als Klauen- oder
Zahnkupplungen ausgeführt sein. Des weiteren besteht
die Möglichkeit, die Verbindung zwischen der Antriebswelle
26 und der Zwischenwelle 27 mit dem Kupplungselement I
durch eine Schiebewellenanordnung auszuführen. Eine weitere
Möglichkeit besteht allgemein in der Realisierung eines
Form- und/oder Kraftschlusses bei der Verbindung von
Antriebswelle und Zwischenwelle sowie bei der wahlweisen
Verbindung von Turbinenrad und der Zwischenwelle 27 oder
der Nebenantriebswelle 28.
In der Fig. 1a ist die Konfiguration, d. h. die Kopplung
bzw. Verbindung der einzelnen Bauelemente für den
Anfahrvorgang dargestellt. Zu Beginn des Anfahrvorganges
dreht sich die Antriebswelle 26 mit konstanter Drehzahl,
und der hydrodynamische Wandler 4 und die hydrodynamische
Bremse 5 sind noch entleert. Das Kupplungselement I ist
geöffnet, und das Kupplungselement II verbindet das
Turbinenrad 11 des hydrodynamischen Drehmomentenwandlers 4
mit der Zwischenwelle 27. Die Abtriebswelle 16 dreht sich
noch nicht. Bei Befüllung des hydrodynamischen Wandlers 4
und der hydrodynamischen Bremse 5 entsteht nun am
Turbinenrad ein Moment, welches über die Kopplung mittels
dem Kupplungselement II die Zwischenwelle 27 beschleunigt.
Dieses Moment wird an der Nebenantriebswelle durch die
Bremse 5 abgestützt. Der Kraftfluß bzw. Drehmomentenfluß
erfolgt hier über das Turbinenrad 11 auf die Zwischenwelle
27, von da über das Hohlrad 17, die Planetenräder 16 und 15
auf das Sonnenrad 14 und damit auf die Abtriebswelle 18.
Des weiteren wird die Nebenantriebswelle 28 über den Steg
25 des Umlaufgetriebes 6 und das Standgetriebe 7
angetrieben. Die Nebenantriebswelle 28 dreht sich jedoch
entgegengesetzt zur Zwischenwelle 27. Aufgrund der
Befüllung der hydrodynamischen Bremse 5 wird die Bewegung
des Steges 25 des Umlaufgetriebes 6 abgebremst und damit
die Leistungsübertragung auf den Abtrieb ermöglicht.
Während dieses Vorganges beschleunigt jedoch die
Abtriebswelle 18. Ist der hydrodynamische Wandler ganz
gefüllt, kann durch Öffnen der Leitschaufeln, d. h.
beispielsweise durch Schaufelradverstellung am Leitrad 10,
die Zwischenwelle 27 noch weiter beschleunigt werden.
Dadurch steigt auch die Abtriebsdrehzahl. Erreicht die
Zwischenwelle 27 die gleiche Drehzahl wie die Antriebswelle
26, wird das Kupplungselement 1 geschlossen. Die
Antriebswelle 26 und die Zwischenwelle 27 sind jetzt starr
miteinander verbunden. Die hydrodynamische Bremse 5 wird
dabei vorzugsweise so ausgelegt, daß die Abtriebswelle 18
in diesem Punkt, d. h. bei Erreichen der Synchrondrehzahl
zwischen Zwischenwelle 27 und Antriebswelle 26, ungefähr 50
% der Nenndrehzahl erreicht hat. Bei einer Ausführung einer
hydrodynamischen Bremse mit Stellschaufeln 30 sind in
diesem Punkt die Stellschaufeln der Bremse in Nullstellung.
Der Wandler hat zum Zeitpunkt der Kopplung zwischen
Antriebswelle 26 und Zwischenwelle 27 keine Funktion mehr
und wird entleert. Das Kupplungselement II wird in die
neutrale Mittelstellung gebracht. Die Konfiguration zum
Zeitpunkt der Synchronisierung ist in der Fig. 1b im
einzelnen nochmals dargestellt.
Der weitere Regelbetrieb funktioniert analog zu dem oben
bereits genannten konventionellen Mehrkreisregelantrieb,
d. h. durch Öffnen der Stellschaufeln der Bremse wird der
Nebenantrieb, d. h. die Nebenantriebswelle 27, abgebremst.
Dadurch dreht sich die Abtriebswelle 18 aufgrund der
geringer werdenden Rückwirkung der Nebenantriebswelle 28
auf den Steg 25 des Umlaufgetriebes 6 schneller. Zum
Zeitpunkt der fast vollständigen Öffnung der Stellschaufeln
der hydrodynamischen Bremse 5 besitzt die
Nebenantriebswelle 28 nur noch eine geringe
Rückwärtsdrehzahl. In diesem Punkt wird das Turbinenrad 11
des hydrodynamischen Wandlers 4 über das Kupplungselement
II mit der Nebenantriebswelle 28 verbunden. Dazu muß jedoch
Turbinenrad 11 des hydrodynamischen Wandlers 4 und
Nebenantriebswelle 28 synchronisiert werden. Dies bedeutet,
daß das Turbinenrad des hydrodynamischen Wandlers 4 auf die
gleiche Rückwärtsdrehzahl gebracht werden muß, wie die
Nebenantriebswelle 28. Nach erfolgter Synchronisierung bei
geschlossenem Kupplungselement II wird die hydrodynamische
Bremse 5 entleert und der hydrodynamische Wandler 4
gefüllt. Im Regelbetrieb besteht somit ein direkter
Durchtrieb vom Antrieb 2 zum Abtrieb 3 über die
Antriebswellen 26 und 27 sowie das Umlaufgetriebe 6 und des
weiteren ein direkter Durchtrieb vom Turbinenrad 11 des
hydrodynamischen Drehmomentenwandlers 4 über die
Nebenantriebswelle 28 und das Standgetriebe 7 auf das
Umlaufgetriebe 6. Durch Änderung der
Leitradschaufelverstellung am hydrodynamischen
Drehmomentenwandler 4 kann dabei die Wirkung des
Nebenantriebes variiert werden. Die eigentliche
Abtriebsdrehzahl an der Abtriebswelle 18 ergibt sich dabei
aus den Drehzahlen vom Hohlrad 17 des Umlaufgetriebes 6
sowie den über den Nebenantrieb, d. h. die
Nebenantriebswelle 28 und das Standgetriebe 7,
angetriebenen Steg 25 des Umlaufgetriebes 6 bzw. den damit
gekoppelten Planetenrädern 15 und 16. Die Konfiguration für
den Regelbetrieb ist in Fig. 1c dargestellt.
Es besteht auch die Möglichkeit, welche hier jedoch im
einzelnen nicht dargestellt ist, die in der Fig. 1
beschriebene Konfiguration auch mit nicht regelbarer
Bremse, d. h. beispielsweise mit einer Bremse ohne
Stellschaufeln, auszuführen. Der Anfahrvorgang funktioniert
dann analog wie bei der Ausführung mit regelbarer Bremse in
der Fig. 1 beschrieben. Zu Beginn des Anfahrvorganges
werden dann auch hier die Bremse und der hydrodynamische
Drehmomentenwandler gefüllt. Durch das Befüllen des
Wandlers und das anschließende Öffnen der Leitschaufeln
wird die Zwischenwelle bis auf Synchrondrehzahl
beschleunigt. Wenn diese erreicht ist, wird das
Kupplungselement 1 geschlossen. Die Bremse ist dabei so
dimensioniert, daß die Abtriebswelle jetzt zwischen 50 und
60% der Nenndrehzahl erreicht hat. Der Wandler hat jetzt
keine Funktion mehr und wird deshalb entleert. Das
Kupplungselement II wird in eine neutrale Mittelstellung
gebracht. Bei vollständiger Leerung des hydrodynamischen
Drehmomentenwandlers kann das Turbinenrad mit der
Nebenantriebswelle 28 verbunden werden. Dazu muß das
Turbinenrad des hydrodynamischen Wandlers durch eine
geeignete Synchronisiereinrichtung auf die gleiche Drehzahl
der Nebenwelle gebracht werden, wozu jedoch das
Ventilations- und das Beschleunigungsmoment des
hydrodynamischen Wandlers zu überwinden ist. Wenn das
Kupplungselement II geschlossen ist, wird die
hydrodynamische Bremse entleert, und der hydrodynamische
Wandler wird gefüllt.
Der Regeltrieb erfolgt auch hier wie bei den oben genannten
konventionellen Mehrkreisregelantrieben. Durch die Änderung
der Leitschaufelstellung des hydrodynamischen Wandlers kann
die Drehzahl des Nebenantriebes, insbesondere der
Nebenantriebswelle verändert werden. Im Zusammenhang mit
der Konfiguration von Standgetriebe und Umlaufgetriebe läßt
sich dadurch die Abtriebsdrehzahl am Abtrieb verändern.
Die Fig. 2 verdeutlicht eine Ausführung eines
erfindungsgemäßen Kraftübertragungsaggregates, welches sich
von denen in den Fig. 1 beschriebenen lediglich durch
das Fehlen der hydrodynamischen Bremse unterscheidet im
Anfahrbereich. Für gleiche Elemente wurden deshalb die
gleichen Bezugszahlen verwendet.
Im Anfahrbereich, hier dargestellt, ist das
Kupplungselement I geöffnet, und das Kupplungselement II
verbindet das Turbinenrad des hydrodynamischen Wandlers mit
der Zwischenwelle 27. Die Abtriebswelle 18 dreht sich
nicht. Bei Befüllung des hydrodynamischen Wandlers 4 mit
Betriebsflüssigkeit wird am Turbinenrad ein Moment erzeugt,
welches die Zwischenwelle 27 beschleunigt. Da in dieser
Konfiguration die Nebenantriebswelle 28 kein Moment
abstützen kann, dreht diese sich rückwärts. Die
Abtriebswelle bleibt weiterhin stehen. Bei vollständiger
Füllung des hydrodynamischen Wandlers 4 kann durch Öffnen
der Leitschaufeln die Zwischenwelle 27 noch weiter
beschleunigt werden, wobei auch die Rückwärtsdrehzahl der
Nebenantriebswelle steigt.
Bei synchronen Drehzahlen zwischen Zwischenwelle 27 und
Antriebswelle 26 wird, hier jedoch nicht dargestellt, die
Kupplung 1 geschlossen. Die Antriebswelle 26 und die
Zwischenwelle sind jetzt starr miteinander verbunden. Der
Wandler hat jetzt keine Funktion mehr und wird von
Betriebsflüssigkeit entleert. Das Kupplungselement II wird
in die neutrale Mittelstellung verbracht.
Zum Zwecke des Durchschaltens und der Drehzahlregelung muß
das Turbinenrad des hydrodynamischen Drehmomentenwandlers 4
mit der Nebenantriebswelle 28 verbunden werden. Dazu ist es
erforderlich, daß das Turbinenrad 11 des hydrodynamischen
Drehmomentenwandlers 4 synchron zur Nebenantriebswelle 28
dreht. Die Synchronisierung kann beispielsweise mittels
einer entsprechenden Synchronisiereinrichtung erfolgen. Der
Beschleunigung des Turbinenrades 11 des hydrodynamischen
Drehmomentenwandlers 4 wirken lediglich die Massenträgheit
des Turbinenrades 11 und das im hydrodynamischen Wandler
erzeugte Ventilationsmoment entgegen. Auf die Realisierung
bzw. konstruktive Ausführung der Synchronisiereinrichtungen
wird hier nicht eingegangen, da diese zum Allgemeinwissen
eines jeden Fachmannes gehören und es bei Kenntnis der
Sachlage jedem Fachmann möglich ist, eine derartige
Synchronisiereinrichtung entsprechend dieses Einsatzfalles
zu gestalten.
Nach Synchronisierung von Turbinenrad 11 des
hydrodynamischen Drehmomentenwandlers und
Nebenantriebswelle 28 wird das Kupplungselement II
geschlossen, so daß nun das Turbinenrad 11 des
hydrodynamischen Drehmomentenwandlers 4 und der
Nebenantrieb starr miteinander verbunden sind. Der weitere
Regelbetrieb funktioniert in Analogie zu dem bei
konventionellen Mehrkreisregelantrieben.
Claims (15)
1. Kraftübertragungsaggregat zum Antrieb einer
drehzahlvariablen Arbeitsmaschine, mit folgenden
Merkmalen:
- 1.1 mit einer Ein- und einer Ausgangswelle;
- 1.2 mit einem hydrodynamischen Drehmomentwandler, umfassend ein Pumpenrad, ein Turbinenrad und ein Leitrad, und einem Differentialgetriebe;
- 1.3 der hydrodynamischer Wandler und das Differentialgetriebe sind koaxial zueinander angeordnet;
- 1.4 ein erstes Getriebeglied des
Differentialgetriebes ist dauernd mit der
Ausgangswelle gekoppelt;
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: - 1.5 die Eingangswelle (26) ist entweder unmittelbar oder über das Turbinenrad (11) des hydrodynamischen Wandlers (4) und mittels einer Zwischenwelle (27) an ein zweites Getriebeglied des Differentialgetriebes (6) koppelbar;
- 1.6 das Turbinenrad (11) ist wahlweise über eine Überlagerungswelle (28) mit einem dritten Getriebeglied des Differentialgetriebes (6) oder über die Zwischenwelle (27) mit dem zweiten Getriebeglied des Differentialgetriebes (6) koppelbar, wobei eine Kopplung von Turbinenrad (11) mit drittem Getriebeglied des Differentialgetriebes (6) nur bei unmittelbarer Kopplung von Eingangswelle (26) mit zweitem Getriebeglied möglich ist.
2. Kraftübertragungsaggregat nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
- 2.1 bei dem zwischen der Überlagerungswelle (28) und dem dritten Getriebeglied des Differentialgetriebes (6) ein Getriebe mit konstanter Über- oder Untersetzung (7) angeordnet ist;
- 2.2 das Getriebe (7) ist als Planeten-Standgetriebe ausgeführt;
- 2.3 das Getriebe (7) ist koaxial zu den übrigen Aggregat-Elementen (4, 6) angeordnet.
3. Kraftübertragungsaggregat nach einem der Ansprüche 1
oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abbremsen der
Überlagerungswelle (28) eine Bremse vorgesehen ist.
4. Kraftübertragungsaggregat nach Anspruch 3,
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
- 4.1 die Bremse ist als hydrodynamische Bremse (5), welche mit Betriebsflüssigkeit füllbar ist, ausgeführt;
- 4.2. die Bremse ist koaxial zur Überlagerungswelle (28) angeordnet.
5. Kraftübertragungsaggregat nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die hydrodynamische Bremse (5)
eine Steuereinrichtung zur veränderlichen Einstellung
des erzeugbaren Bremsmomentes zugeordnet ist.
6. Kraftübertragungsaggregat nach einem der Ansprüche 3
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Standgetriebe
(7) zwischen der Bremse (5) und dem
Differentialgetriebe (6) angeordnet ist.
7. Kraftübertragungsaggregat nach einem der Ansprüche 1
bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die unmittelbare
Kopplung zwischen der Eingangswelle (26) über die
Zwischenwelle (27) mit dem zweiten Getriebeglied
kraft- und/oder formschlüssig erfolgt.
8. Kraftübertragungsaggregat nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Eingangswelle (26) und
Zwischenwelle (27) mittels eines ersten
Kupplungselementes (I), insbesondere einer
Zahnkupplung miteinander verkoppelbar sind.
9. Kraftübertragungsaggregat nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, das Eingangswelle (26) und
Zwischenwelle (27) als Schiebewelle ausgeführt sind.
10. Kraftübertragungsaggregat nach einem der Ansprüche 1
bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die wahlweise
Kopplung zwischen Turbinenrad (11) und Zwischenwelle
(27) oder Turbinenrad (11) und Überlagerungswelle (28)
kraft- und/oder formschlüssig erfolgt.
11. Kraftübertragungsaggregat nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die wahlweise Kopplung mittels
einem zweiten Kupplungselement (II) erfolgt.
12. Kraftübertragungsaggregat nach einem der Ansprüche 1
bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
Überlagerungswelle (28) als Hohlwelle ausgeführt ist
und die Zwischenwelle (27) umhüllt.
13. Kraftübertragungsaggregat nach einem der Ansprüche 3
bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die die Aggregat-Elemente
in folgender Reihenfolge hintereinander
angeordnet sind:
- a) Eingangswelle (26)
- b) hydrodynamischer Drehmomentenwandler (4)
- c) Bremse (5)
- d) Standgetriebe (7)
- e) Differentialgetriebe (6)
- f) Ausgangswelle (18).
14. Kraftübertragungsaggregat nach einem der Ansprüche 1
bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das erste
Getriebeglied des Differentialgetriebes (6) ein
Sonnenrad (14) eines Planetengetriebes, das zweite
Getriebeglied des Differentialgetriebes das Hohlrad
(17) eines Planetengetriebes und das dritte
Getriebeglied der Steg (25) eines Planetengetriebes
ist.
15. Verfahren zum Betreiben eines
Kraftübertragungsaggregates nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die
folgenden Merkmale:
- 15.1 im Anfahrbetrieb
- 15.1.1 ist der hydrodynamische Wandler mit Betriebsflüssigkeit befüllbar;
- 15.1.2 die Eingangswelle ist über das Turbinenrad des hydrodynamischen Wandlers mit der Zwischenwelle gekoppelt;
- 15.2 bei Erreichen gleicher Drehzahlen zwischen
Eingangswelle und Zwischenwelle
- 15.2.1 wird die Eingangswelle direkt mit der Zwischenwelle verbunden;
- 15.2.2 wird das Turbinenrad von der Zwischenwelle entkoppelt;
- 15.2.3 der Drehmomentenwandler wird entleert;
- 15.2.4 bei nahezu synchroner Drehzahl zwischen Überlagerungswelle und Turbinenrad werden beide miteinander gekoppelt;
- 15.3 im anschließenden Regelbetrieb werden Mittel zur Drehzahländerung am Turbinenrad genutzt.
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- 1994-06-29 DE DE19944422444 patent/DE4422444C2/de not_active Expired - Fee Related
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US8663047B2 (en) | 2008-07-25 | 2014-03-04 | Voith Patent Gmbh | Superimposed transmission having coupling shafts |
DE102018116613A1 (de) | 2018-07-10 | 2020-01-16 | Voith Patent Gmbh | Überlagerungsgetriebe |
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