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Die vorliegende Erfindung betrifft ein
Kraftübertragungssystem, insbesondere ein hydromechanisches Getriebe für
selbst angetriebene Maschinen, wie Industrie- und
landwirtschaftliche Fahrzeuge und ähnliche Maschinen.
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Es ist bekannt, dass unterschiedliche hydromechanische
Getriebe für Fahrzeuge und Maschinen, die mit speziellen
Aufgaben betraut sind, so wie Tieflöffelbaggerlager,
Lader, Bagger, Containerträger, Hubkrähne, Landmaschinen
und dgl., bereits entwickelt wurden. Alle diese Getriebe
haben die Aufgabe, die verwendbare Kraft zwischen einem
mechanischen Abschnitt mit Zahnrädern und einem
hydrostatischen Abschnitt (hydrostatischer Motor und
hydrostatische Pumpe) zu verteilen und so die Vorteile, die durch
die hydrostatische Kraftübertragung geboten werden,
welche in der Praxis eine große Geschwindigkeitskontrolle
erlaubt, zusammen mit den Vorteilen zu erreichen, welche
durch eine reine mechanische Kraftübertragung, die in der
Praxis eine hohe Effizienz und Verlässlichkeit bietet,
entstehen.
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Allerdings sind diese hydromechanischen Getriebe nicht
immer in der Lage, den Bereich von Übersetzungsverhältnissen,
wie er von den obengenannten Maschinen benötigt
wird, zur Verfügung zu stellen. Deswegen wird, um diesen
Nachteil zu vermeiden, ein oder mehrere Reduziereinheiten
mit einer hohen Anzahl von Geschwindigkeitsbereichen mit
dem Ausgang des hydromechanischen Getriebes verbunden.
Dieses bringt offensichtlich einen bedeutenden Effekt auf
die Kosten, die Komplexität und die allgemeine
Sperrigkeit mit sich.
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Als eine Alternative zu diesen hydromechanischen
Getrieben ist eine Art eines CVT-Getriebes (d. h. ein
kontinuierlich variables Getriebe, Technikern als I² bekannt)
bereits vorgeschlagen worden, welches im wesentlichen vier,
in Paaren auf gegenüberliegenden Seiten einer
CVT-Einheit, z. B. einer hydrostatischen Einheit, bestehend aus
einem hydrostatischen Motor und einer korrespondierenden
hydrostatischen Pumpe, wobei beide ein variables und
anpassbares Volumen oder eine entsprechende Verdrängung
aufweisen, angeordnete Kupplungen benutzt, so dass es
möglich ist, zu Beginn die Pumpe mit der Kraftquelle (im
allgemeinen ein Dieselmotor) und dem hydrostatischen
Motor mit der Ausgangswelle (Getriebewelle) zu verbinden
und dann, wenn der hydrostatische Motor seine
Maximalgeschwindigkeit erreicht, durch Benutzung des zweiten
Kupplunspaares den hydrostatischen Motor mit der Kraftquelle
(Diesel) zu verbinden, so dass er wie eine hydrostatische
Pumpe arbeitet und es gleichzeitig möglich ist, die Pumpe
mit der Ausgangswelle zu verbinden unter Reduktion ihrer
Verdrängung bis die maximale Rotationsgeschwindigkeit
erreicht ist.
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Dieser Typ eines hydrostatischen Getriebes erlaubt es
demzufolge, von der Minimalgeschwindigkeit zur
Maximalgeschwindigkeit zu gelangen, indem entsprechend die
Verdrängung der Pumpe und des hydrostatischen Motors
eingestellt wird. In der Praxis ist allerdings ihre gesamte
"Bandbreite" nicht immer für gewisse industrielle
Fahrzeuge ausreichend, welche auf Straßen fahren und
vorgeschriebenen Geschwindigkeitsbegrenzungen entsprechen
müssen.
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Folglich ist eine wesentliche Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein hydromechanisches Getriebe für
industrielle Fahrzeuge und dgl. zur Verfügung zu stellen, das so
konzipiert ist, dass es unter Benutzung des Systems, das
als 12 bekannt ist, d. h. eines kontinuierlich variablen
Getriebes mit vier an den gegenüberliegenden Seiten einer
hydrostatischen Motor-Pumpen-Anordnung angeordneten
Kupplungen, in der Lage ist, die allgemeine
Bandbreitenlimitierung dieses Typs hydrostatischer Getriebe zu
überwinden und außerdem in der Lage ist, ein Mittel- und
Hochgeschwindigkeitsfeld zu erlauben, in dem das Getriebe sich
ausschließlich wie ein mechanisches Getriebe benimmt, um
dem Fahrzeug Reisegeschwindigkeiten zu ermöglichen, die
für alle Benutzungsmöglichkeiten und Aufgaben eines
solchen Fahrzeuges geeignet sind und ebenfalls eine
Bremsverriegelung des Fahrzeuges während des Parkens zu
ermöglichen.
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Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein
hydrostatisch-mechanisches Getriebesystem zur Verfügung zu
stellen, welches strukturell einfach, kompakt und höchst
zuverlässig ist.
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Noch eine weitere Aufgabe ist es, ein hydrostatisch
mechanisches Getriebe zur Verfügung zu stellen, unter
Benutzung von Komponenten, welche einfach kommerziell
verfügbar sind und geringe Kosten haben, um die Gesamtkosten
des Systems nicht zu beeinflussen.
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Nach der Erfindung, wie sie im Anspruch 1 definiert wird,
wird ein hydrostatisch mechanisches
Kraft-I²-Übertragungssystem mit einer Eingangsantriebsmaschine und einem
mechanischen Ausgangsgetriebe mit wenigstens zwei
Geschwindigkeitsübersetzungen zur Verfügung gestellt, welches aus
einem hydrostatischen Motor mit einem Abtrieb, einer
hydrostatischen Pumpe mit einem Abtrieb, einer ersten Reihe
von gegenseitig ineinander greifenden Zahnrädern, die ein
Eingangs-Zahnrad beinhalten, das mit der genannten
Eingangs-Antriebsmaschine verbunden ist, um von der
genannten Eingangs-Antriebsmaschine angetrieben zu werden,
einer zweiten Reihe von gegenseitig ineinander greifenden
Zahnrädern, die ein Ausgangs-Zahnrad beinhalten, welches
treibend mit einer Ausgangsachse des genannten
mechanischen Getriebes verbunden ist, einer ersten
Rotationsachse, so angeordnet, um ein erstes Zahnrad der genannten
ersten Reihe von Zahnrädern rotierend zu lagern und um
ein erstes Zahnrad der genannten zweiten Reihe von
Zahnrädern rotierend zu lagern, einer zweiten Rotationsachse,
so angeordnet, um ein zweites Zahnrad der genannten
ersten Reihe von Zahnrädern rotierend zu lagern und um
ein zweites Zahnrad der genannten zweiten Reihe von
Zahnrädern rotierend zu lagern, einem ersten Paar von
getrennten Kupplungseinheiten, um selektiv den Ausgang der
genannten hydrostatischen Pumpe mit den genannten ersten
Zahnrädern, der genannten ersten und zweiten Reihe von
Zahnrädern zu verbinden, sowie einem zweiten Paar von
getrennten Kupplungseinheiten, um selektiv den Ausgang des
genannten hydrostatischen Motors mit den genannten
zweiten Zahnrädern der genannten ersten und zweiten Reihe von
Zahnrädern zu verbinden, besteht.
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Insbesondere ist das mechanische Getriebe, das am Ausgang
des hydrostatischen Getriebes angeordnet ist, mit bevorzugt
mehr als zwei Geschwindigkeitsübersetzungen
(Geschwindigkeitsbereichen) ausgestattet, um niedrige
Geschwindigkeiten durch das selektive Schließen der
Kupplungen und der Anpassung der Verdrängungen der Pumpe und
des hydrostatischen Motors zur Verfügung zu stellen und
dann hohe Geschwindigkeiten durch ein rein mechanisches
Getriebe zu ermöglichen und spezieller, einen ersten
reduzierten Geschwindigkeitsbereich durch das Schließen
eines Kupplungspaares von Kupplungen und einen zweiten
Geschwindigkeitsbereich optional des Overdrive-Typs durch
das Schließen des anderen Kupplungspaares zu ermöglichen.
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Weiterhin kann, wenn die beiden Paare der jeweiligen
Kupplungen aus Scheibenkupplungen mit stabiler
federbeaufschlagter Schließung und hydraulischer Öffnung
bestehen, das System als Parkbremse (S.A.H.R.-Bremse) ohne
Druckbeaufschlagung benutzt werden.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden in der folgenden detaillierten
Beschreibung offensichtlich werden, die unter Bezugnahme zu der
einzigen Figur erfolgt, welche schematisch, teilweise als
Blockdiagramm, das System, welches das hydromechanische
Getriebe nach der Erfindung darstellt, illustriert.
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Unter Bezug auf die obengenannte Figur besteht das hydromechanische
Getriebe nach der Erfindung im wesentlichen
aus einem kastenartigen Gehäuse, das die Zahnräder und
die zugeordneten Kupplungen oder Aktuatoren, nicht
dargestellt, aus einem hydrostatischen Motor, aus einer
hydrostatischen Pumpe und aus einem mechanischen Getriebe
mit zwei oder mehreren Geschwindigkeitsbereichen. Das
Getriebe kann mit einer Welle einer Kraftquelle,
beispielsweise eines Dieselmotors, verbunden werden.
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Genauer ist das Getriebe, allgemein durch die
Referenznummer 1 bezeichnet, direkt mit der
Eingangsantriebsmaschine 2 unter Benutzung einer konventionellen
Torsionsvibrationsdämpfungseinheit 3, auch als flexible Kupplung
bekannt, verbunden. Die Achse 2a der
Eingangsantriebsmaschine 2 ist beispielsweise mit der Hilfspumpe 2b und dem
ersten Zahnrad 4 von einer Reihe von gegenseitig
ineinandergreifenden Zahnrädern, bestehend aus dem Zahnrad 4 und
den Zahnrädern 5 und 6, wobei das Getriebe ebenfalls eine
zweite Reihe von Zahnrädern 8, 9 und 10 aufweist, welche
zu jeder Zeit gegenseitig ineinandergreifen, verbunden.
Der Ausgang ist fest mit dem letzten Zahnrad 10
verbünden.
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Eine konventionelle hydrostatische Pumpe 12 mit variabler
Verdrängung ist fest mit der Achse eines weiteren
Zahnrades 7, das zwischen den beiden Zahnradreihen angeordnet
ist, verbunden. Die Achse eines hydrostatischen Motors
14, ebenfalls in konventioneller Bauart und mit variabler
oder fester Verdrängung ist fest mit der Achse eines
weiteren Zahnrades 13 verbunden, welches zwischen den beiden
genannten Reihen angeordnet ist.
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Ein weiteres Zahnrad 7a, das in das Zahnrad 7 eingreift,
ist zusammenwirkend mit der Pumpe verbunden und gemeinsam
mit der Rotationsachse 7b montiert, die die beiden
gegenüberliegenden Zahnräder 5 und 8, welche mit der Achse 7b
durch die Kupplungen 15 und 16 verbunden werden können,
rotierend lagert. Ebenso ist ein Zahnrad 13a, das so
angeordnet ist, dass es in das Zahnrad 13 eingreift,
zusammenwirkend mit dem hydrostatischen Motor 14 verbunden und
ist gemeinsam mit dem Schaft 13b montiert, welcher die
beiden gegenüberliegenden Zahnräder 6 und 9, die mit der
genannten Achse 13b durch die Kupplung 17 und 18
verbunden werden können, rotierend gelagert.
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Die beiden Kupplungen, allgemein mit den Referenznummern
15 und 16 bezeichnet, sind auf der Achse der beiden
gegenüberliegenden Zahnräder 5 und 8 angeordnet und
bestehen beispielsweise aus Kupplungseinheiten des Typs mit
mehreren einander zugewandten Scheiben, wobei die
Scheiben jeder Kupplung durch eine vorgespannte Feder
verpresst und durch hydraulische Bedienung geöffnet werden
können.
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Ebenso sind die beiden anderen Kupplungseinheiten,
allgemein mit den Referenznummern 17 und 18 bezeichnet,
beispielsweise Kupplungseinheiten mit mehreren Scheiben,
welche genauso jeweils gegenüberliegend und
federbeaufschlagt sind und durch Vorspannung verpresst und
hydraulisch geöffnet werden können, zwischen die
gegenüberliegenden Zahnräder 6 und 9 zwischengeschaltet.
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Die Kraftverbindung der Scheiben jeder Kupplung auf den
jeweiligen Achsen und dem Gehäuse, das sie weiterführt,
ist so gestaltet, dass die Schließung einer Kupplung,
beispielsweise der Kupplung 15, die Bewegung (von dem
rotierenden Zahnrad 5) nur zum Zahnrad 7a überträgt,
welches mit dem Zahnrad 7 verbunden ist, das wirksam an die
Kupplung gekoppelt ist, so dass die Zahnräder 8, 9 und 10
von der Eingangsantriebsmaschine 2 abgekoppelt bleiben.
Ebenso bewirkt die Schließung der Kupplung 17 und die
Öffnung der gegenüberliegenden Kupplungen die Rotation
(übertragen vom Zahnrad 6) nur der Zahnräder 13a und 13
und bewirkt demzufolge die Rotation des hydrostatischen
Motors 14.
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Deshalb erlauben die Kupplungen 15 und 17 in
geschlossener Position selektiv die Pumpe 12 und/oder den hydrostatischen
Motor 14 rotierend mit der
Eingangsantriebsmaschine 2 zu verbinden. Die Kupplungen 16 und 18 erlauben
dagegen das Ausgangszahnrad 10 selektiv mit der Pumpe 12
oder dem hydrostatischen Motor 14 zu verbinden.
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Deshalb wird, wie oben beschrieben, durch selektive
Betätigungen der Kupplungseinheiten das Prinzip des
hydrostatischen Getriebes (12) zur Verfügung gestellt, d. h.
eines kontinuierlich variablen Getriebes, welches es
erlaubt, in zwei Schritten von einer minimalen
Geschwindigkeit zu einer maximalen Geschwindigkeit überzugehen,
abhängig von dem Verhältnis zwischen den Verdrängungen der
hydraulischen Komponenten 12 und 14, die alternativ als
Pumpe und dann als Motor benutzt werden.
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Ebenfalls nach der vorliegenden Erfindung ist, um eine
bessere Leistung gegenüber dem reinen hydrostatischen
Getriebetyp zu erreichen, welcher konventionell eine
Effizienz und Reichweite (beispielsweise des
Geschwindigkeitsintervalls) besitzt, die nicht immer ausreichend ist
für gewisse Maschinen, die nicht nur für stationäre
Arbeiten, sondern auch für Straßen oder Geländereisen
bestimmt sind, für welche höhere Geschwindigkeiten, als die
durch konventionelle hydrokinetische Getriebe zur
Verfügung gestellten, erlaubt sind, ein mechanisches Getriebe
mit wenigstens zwei und bevorzugt mehr als zwei Geschwindigkeitsbereichen,
allgemein durch die Referenznummer 19
in der obigen Zeichnung bezeichnet, und in welchem das
Zahnrad 10 des Ausgangs von dem I²-Getriebe der
Krafteingang ist, mit der Ausgangsachse 11 des oben im Detail
beschriebenen hydrostatischen Getriebes verbunden.
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Die Benutzung der beschriebenen Kraftübertragung mit
mehreren Geschwindigkeiten oder Geschwindigkeitsbereichen
erlaubt in der Praxis das hydrostatische Getriebe bei
eher geringen Geschwindigkeiten zu benutzen, indem die
Kupplungseinheiten 15-18 und 17-16 benutzt werden und
gleichzeitig die Verdrängungen der Pumpe und des
hydrostatischen Motors angepasst werden, wohingegen bei
höheren Geschwindigkeiten das mechanische Getriebe 19 es
erlaubt, eine rein mechanische Kraftübertragung mit einem
reduzierten Geschwindigkeitsbereich zu haben, wenn die
Kupplungen 17 und 18 geschlossen sind (in welchem Fall
die Kraft durch die Zahnräder 4, 5, 6, 9 und 10
übertragen wird) und einen schnelleren Geschwindigkeitsbereich
zu haben, beispielsweise einen Overdrive, wenn die
Kupplungseinheiten 15 und 16 geschlossen sind.
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So ist es beispielsweise mit einem nachgeschaltet
angeordneten Dreiganggetriebe möglich, eine doppelte
I²-hydrostatische Phase zwischen 2 und 19 km/h, ein erstes
Zwei-Gang mechanisches Intervall zwischen 19 und 38,2
km/h und ein zweites Zwei-Gang mechanisches Intervall
zwischen 38,2 und 76 km/h zu erreichen.
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Während rein mechanischer Übertragungsperioden wird der
hydrostatische Motor oder die hydrostatische
Pumpenanordnung wechselnd in Null-Verdrängungsbedingungen und
demzufolge ohne exzessiven Energieverbrauch betrieben.
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Weiterhin ist es in der mechanischen Periode,
beispielsweise wenn die Kupplungseinheiten 17 und 18 geschlossen
sind, ebenfalls möglich, die Kupplungseinheit 15 zu
schließen, was ein konstantes mechanisches Verhältnis
zwischen der Pumpe und dem hydrostatischen Motor
erreicht, um es so zu ermöglichen, das hydrostatische
Getriebe (Pumpe plus Motor) als Verzögerer zu benutzen,
indem die Verdrängung der hydrostatischen Pumpe und des
Motors angepasst werden. Als Alternative ist es möglich,
die Kupplungseinheit 17 zu benutzen, wenn die
Kupplungseinheiten 15 und 16 geschlossen sind.
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Das nachgeschaltete Getriebe 19 vervielfältigt nicht
einfach das Geschwindigkeitsintervall der hydrostatischen
Einheit mehrmals. Vielmehr hat es die Aufgabe, ein erstes
Intervall mit niedrigeren Geschwindigkeiten, worin die
Kraft ausschließlich in hydrostatischer Art und Weise
übertragen wird, um schnelle Übergänge mit perfekter
Geschwindigkeitskontrolle
zu erreichen, von einem zweiten
Intervall mit hohen Geschwindigkeiten zu trennen, in dem
die Kraft rein auf mechanischem Wege übertragen wird, um
stationäre Bedingungen bei exzellenter Effizienz zu
erreichen, worin die Geschwindigkeitsveränderungen durch
den benutzbaren Drehzahlbereich der Kraftquelle geleistet
werden.
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In der Praxis hat sich herausgestellt, dass durch eine
geeignete Wahl der Verhältnisse zwischen der Zahl der
Zähne der verschiedenen ineinander eingreifenden
Zahnräder und mit einem mechanischen Getriebe, das zwei
Geschwindigkeitsbereiche aufweist, es möglich wird, eine
Maximalgeschwindigkeit von über 62 km/h für eine
Maschine, wie einen Kraftlader mit einer Standardschaufel und
einem Leergewicht von 14 t mit einem Dieselmotor, der
einen konventionellen Leistungswert hat (z. B. 120 kW) zu
erreichen. Genauso kann das hydromechanische Getriebe
nach der vorliegenden Erfindung mit einer geeigneten Wahl
der Geschwindigkeitsverhältnisse der Zahnräder, die es
aufbauen, industriellen Fahrzeugen erlauben, maximale
Geschwindigkeiten zu erreichen, die es den Fahrzeugen
ermöglichen, sogar auf Geländestrecken zu reisen. Mit
anderen Worten kann das
Maximalleistungsübertragungsverhältnis des hydromechanischen Getriebes berechnet werden,
so dass es ausreichend ist, all die Anforderungen aller
der vorhergenannten Fahrzeuge abzudecken.
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Die hier konzipierte und illustrierte Erfindung ist für
zahllose und funktionelle und strukturelle Modifikationen
und Variationen geeignet, die innerhalb des Rahmens des
Erfindungskonzeptes liegen, die durch die Ansprüche
definiert sind. Gleichsam können die benutzten Materialien,
die gewählten Dimensionen und die Formen der Komponenten
des oben beschriebenen Getriebes den Anforderungen
entsprechend variiert werden.
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Dort wo technische Merkmale, die in einem Anspruch
genannt sind, mit Bezugszeichen versehen sind, sind diese
Bezugszeichen nur zu dem einzigen Zweck eingeführt
worden, um die Verständlichkeit der Ansprüche zu erhöhen und
demzufolge haben die Bezugszeichen keinen beschränkenden
Effekt auf die Interpretation jedes Elementes, das durch
das Beispiel der Bezugszeichen identifiziert wird.