DE4422444C2 - Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe zum Antrieb von drehzahlvariablen Arbeitsmaschinen und Verfahren zum Betreiben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe zum Antrieb von drehzahlvariablen Arbeitsmaschinen, im Einzelnen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruches 1; ferner ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Kraftübertragungsaggregates.

Hydrodynamisch-mechanische Verbundgetriebe zum Antrieb einer drehzahlvariablen Arbeitsmaschine sind in verschiedenen Ausführungen und Anordnungen bekannt, beispielsweise wie in der US 4,726,255, die eine gattungsgemäße Ausführungsform eines hydrodynamisch-mechanischen Verbundgetriebes 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.

In der DE-AS 12 14 967 ist ein hydrodynamisches Schaltgetriebe für Kraftfahrzeuge offenbart. Dieses arbeitet nach dem Prinzip der Leistungsteilung. Das Getriebe umfaßt einen hydrodynamischen Wandler und einen mechanischen Getriebeteil, welcher von einem Planetenrad-Diffe­ rentialgetriebe gebildet wird, wobei die einzelnen Elemente des Planetenrad- Differentialgetriebes mittels mechanischer Einrichtungen abbremsbar sind. Eine Änderung der Abtriebsdrehzahl wird durch die Änderung der Antriebsdrehzahl realisiert.

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 in Form eines hydrodynamisch-mechanischen Verbundgetriebes 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 hydrodynamisch-mechanischen Verbundgetriebes. 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 Einganswelle und Zwischenwelle übertragen wird, muß der Wandler nur füreinen 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 hydrodynamisch-mechanischen Verbundgetriebes 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 hydrodynamisch- mechanische Verbundgetriebe zu jedem Zeitpunkt die Möglichkeit der Herbeiführung einer Entkopplung zwischen Antrieb- und Arbeitsmaschine.

Zusätzlich ist zwischen Überlagerungswelle und Differentialgetriebe eine weitere Getriebeeinheit in Form eines Übersetzungsgetriebes zwischengeordnet. Diese 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 hydrodynamisch-mechanischen Verbundgetriebes gemäß Anspruch 1 und dem Verfahren zum Betreiben eines derartigen Aggregates gemäß Anspruch 16 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 hydrodynamisch-mechanische Verbundgetriebe kann dabei beispielsweise folgendermaßen aufgebaut sein:
Das hydrodynamisch-mechanische Verbundgetriebe 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 hydrodynamisch-mechanische Verbundgetriebe gemäß Anspruch 16 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 hydrodynamisch- mechanischen Verbundgetriebes.

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 hydrodynamisch-mechanischen Verbundgetriebes zum Antrieb einer drehzahlvariablen Arbeitsmaschine in den Betriebsbereichen Anfahren, Synchronisierung und im Regelbetrieb.

Die Fig. 2 verdeutlicht eine erfindungsgemäße Ausführung eines hydrodynamisch-mechanischen Verbundgetriebes zum Antrieb einer drehzahlvariablen Arbeitsmaschine ohne integrierte Bremse.

In den Fig. 1a bis 1c ist eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Kraftübertragungsaggregates in Form eines hydrodynamisch-mechanischen Verbundgetriebes 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 hydrodynamisch-mechanischen Verbundgetriebes erläutert. Mit dem hydrodynamisch-mechanischen Verbundgetriebe 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 I 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 Zwischenwelle 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 I 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 Regelbetrieb 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 hydrodynamisch-mechanischen Verbundgetriebes, 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 (16)

1. Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe 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 hydrodynamische 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 Nebenantriebswelle (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;
• 1.7 zwischen der Nebenantriebswelle (28) und dem dritten Getriebeglied des Differentialgetriebes (6) ist ein Getriebe mit konstanter Übersetzung (7) angeordnet;
• 1.8 das Getriebe mit konstanter Übersetzung (7) ist als Planeten- Standgetriebe ausgeführt;
• 1.9 es sind Mittel zur Beeinflussung des Übertragungsverhaltens des hydrodynamischen Wandlers vorgesehen.

2. Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel verstellbare Schaufeln des Leitrades des hydrodynamischen Wandlers sind.

3. Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe (7) koaxial zu den übrigen Aggregat-Elementen (4, 6) angeordnet ist.

4. Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abbremsen der Nebenantriebswelle (28) eine Bremse vorgesehen ist.

5. Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• 5.1 die Bremse ist als hydrodynamische Bremse (5), welche mit Betriebsflüssigkeit füllbar ist, ausgeführt;
• 5.2. die Bremse ist koaxial zur Nebenantriebswelle (28) angeordnet.

6. Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die hydrodynamische Bremse (5) eine Steuereinrichtung zur veränderlichen Einstellung des erzeugbaren Bremsmomentes zugeordnet ist.

7. Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Standgetriebe (7) zwischen der Bremse (5) und dem Differentialgetriebe (6) angeordnet ist.

8. Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die unmittelbare Kopplung zwischen der Eingangswelle (26) über die Zwischenwelle (27) mit dem zweiten Getriebeglied kraft- und/oder formschlüssig erfolgt.

9. Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangswelle (26) und Zwischenwelle (27) mittels eines ersten Kupplungselementes (I), insbesondere einer Zahnkupplung miteinander verkoppelbar sind.

10. Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Eingangswelle (26) und Zwischenwelle (27) als Schiebewelle ausgeführt sind.

11. Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die wahlweise Kopplung zwischen Turbinenrad (11) und Zwischenwelle (27) oder Turbinenrad (11) und Nebenantriebswelle (28) kraft- und/oder formschlüssig erfolgt.

12. Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die wahlweise Kopplung mittels einem zweiten Kupplungselement (II) erfolgt.

13. Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenantriebswelle (28) als Hohlwelle ausgeführt ist und die Zwischenwelle (27) umhüllt.

14. Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß 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).

15. Hydrodynamisch-mechanisches Verbundgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, 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.

16. Verfahren zum Betreiben eines hydrodynamisch-mechanischen Verbundgetriebes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• 16.1 im Anfahrbetrieb
  • 16.1.1 ist der hydrodynamische Wandler mit Betriebsflüssigkeit befüllbar;
  • 16.1.2 die Eingangswelle ist über das Turbinenrad des hydrodynamischen Wandlers mit der Zwischenwelle gekoppelt;
• 16.2 bei Erreichen gleicher Drehzahlen zwischen Eingangswelle und Zwischenwelle
  • 16.2.1 wird die Eingangswelle direkt mit der Zwischenwelle verbunden;
  • 16.2.2 wird das Turbinenrad von der Zwischenwelle entkoppelt;
  • 16.2.3 der Drehmomentenwandler wird entleert;
  • 16.2.4 bei nahezu synchroner Drehzahl zwischen Nebenantriebswelle und Turbinenrad werden beide miteinander gekoppelt;
• 16.3 im anschließenden Regelbetrieb werden Mittel zur Drehzahländerung am Turbinenrad genutzt.