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Stufenlos regelbarer hydromechanischer Drehmomentwandler Stufenlos
regelbare mechanische und auch hydraulische Drehmomentwandler für größere Leistungen
sind in vielen Ausführungen bekannt. Die hydrodynamischen Wandler dieser Art in
mehreren Stufen sind im Aufbau sehr schwer und umfangreich, so daß ihre Verwendung
wohl für Triebwagen, jedoch für Straßenzugmaschinen weniger in Frage kommt. Ebenso
erfüllen die einstufigen hydrodynamischen Wandler mit nachgeschalteten mechanischen
Stufengetrieben die Bedingung der Anpassung an die hyperbolische Zugkraftkurve bei
schwierigen Fahrverhältnissen wegen der starken Erwärmung des hydrodynamischen Wandlers
nur unbefriedigend. Bei nachstehend beschriebenem stufenlos regelbaren hydromechanischen
Drehm,omentwandler sollen, bei geringerem Aufwand, die erwähnten Nachteile vermieden
und größere Leistungen mit gutem Wirkungsgrad im ganzen Fahrbereich übertragen werden.
Dieses soll im Zusammeinvirken eines rein mechanischen stufenlosen Drehmomentwandlers
mit einem leistungsmäßig kleineren stufenlosen hydrodynamischen Wandler unter Benutzung
des besonderen Verlaufs des Drehkraftdiagramms der Verbrennungskraftmaschine erzielt
werden. Hierbei übernimmt der rein mechanische stufenlose Umformer die Wandlung
des Hauptdrehmoments. Der kleinere hydrodynamische Wandler dagegen übernimmt die
Rolle des N,achholens und der Schwingungsdämpfung, während die in ihren einzelnen
Phasen veränderliche Drehkraft der Verbrennungskraftmaschine dem zeitlichen Verlauf
des gesamten Wandlungsvorganges angepaßt wird, so daß im Zusammenwirken dieser drei
Faktoren der beabsichtigte
Endeffekt erzielt wird. Der Abtrieb erfolgt
im ganzen Regelbereich von Null bis zum Maximum vorwärts und rückwärts leistungsgleich
bleibend, bei gutem Wirkungsgrad, gleichförmig. Bei dem rein mechanischen Wandler,
dessen Aufgabe darin besteht, die Wandlung des Hauptdrehmoments vorzunehmen, wird
die Drehung. des Motors in stufenlos bis Null veränderliche annähernde Sinusvollschwingungen
umgewandelt. Gegenüber der bei den bekannten stufenlosen Schaltwerkgetrieben benutzten
veränderlichen Kurbellänge kommen hier die Schaltwerke (Freilaufgesperre) zum Fortfall;
es kommt lediglich eine im ununterbrochenen Zahneingriff arbeitende veränderliche
Kurbellänge in Anwendung, die stufenlos bis Null rückwirkungsfrei eingestellt werden
kann. Diese Schwingungsbewegung, zweimal benutzt, und um i 8o' gegeneinander phasenverschoben
in die Innensonnenräder eines Planetengetriebes eingeführt, wird von der gleichförmigen
Drehbewegung eines stufenlosen hydrodynamischen Hilfswandlers, dessen Aufgabe darin
besteht, den Minusteil der jeweiligen Sinusschwi,ngung fast oder bis an die Nullinie
heranzudrücken und dämpfend zu wirken, jeweils überlagert. Um bei dem Hilfswandler
mit einem Brudiseil der Leistung des mechanischen Hauptwanälem auszukommen, wird
das Drehkraftdiagr=m der Verbrennungskraftmaschine, d. h. deren veränderliche Drehkraft,
beim Wandlungsprozeß mit herangezogen und so benutzt, daß bei Verwendung einer zweizylindrigen
Verbrennungskraftmaschine in Boxenanordnung und 36o° Zündabstand die Vorwärtsdrehung
der Schwinge mit der Explosionsperiode und die Rückdrehung derselben mit der An.saug-
bzw. Auspuffperiode (stark abfallende Drehkraft) zusammenfällt. Hierbei wird die
Rückdrehung der Schwinge durch Vorwärtsdrehung des hydrodynamischen Hilfswandlers
überwunden, .so daß im Abtrieb des Planetengetriebes für den Fall, daß der Minusteil
der Sinusschwingung fast bis an .die Nullinie herangedrückt wird, jeweils eine veränderlich
einstellbare Pilgerschrittdrehung zustande kommt. Für den Fall, daß der Minusteil
der Sinusschwingung bis an die Nullinie herangedrückt wird, kommt im Abtrieb des
Planetengetriebes eine fortschreitende pulsierende Vorwärtsdrehung zustande. Werden
zwei um i 8o' phasenverschobene Schwingungen durch je einen zweizylindrigen Boxermotor
mit 36o° Zündabstand als Drehschwingung in je ein Planetengetriebe eingeführt und,
wie beschrieben, durch gleichförmige Drehung überlagert -und die beiden entstandenen
pulsierenden Drehschwingungan. bzw. fortschreibenden Pilgerschrittdrehungen in einem
Differentialgetriebe addiert, so kommt im Abtrieb des Differentialgetriebes jeweils
eine veränderlich einstellbare gleichförmige Drehbewegung heraus. Hierbei ist zu
beachten, da.ß immer zwei mit konstanter und günstigster Drehzahl laufende Motoren
gleicher Leistung und gleicher Drehmomentwandlung addierend zusammenarbeiten. Der
Ungleichförmig keitsgrad der beiden elastisch gekuppelten Verbrennungskraftmaschinen
soll erhalten bleiben, so daß das ausgleichende Schwungrad dem hydrodynamischen
Hilfswandler über einen rücksperrenden Freilauf zugeordnet wird. Der Vorteil der
Gesamtanordnung liegt darin, daß die. Wandlung es Hauptdrehmoments in dem im ganzen
Einstellungsbereich mit gutem Wirkungsgrad arbeitenden rein mechanischen Wandler
erfolgt, während dem hydrodynamischen Wandler lediglich die Hilfsaufgabe des Nachholens
und der Schwingungsdämpfung zufällt. Außerdem wird durch diese Anordnung die Gesamtleistung
motoren- und getriebemäßig geteilt. Hierin liegt ein wesentlicher Unterschied gegenüber
den bekannten Anordnungen, bei denen das Hauptdrehmoment über den hydrodynamischen
Wandler mit nachgeschalteten mechanischen Stufengetrieben gewandelt wird. Außerdem
erfolgt die Wandlung im mechanischen wie auch im hydraulischen Wandler gleichzeitig
stufenlos, während dies bei den nachgeschalteten Stufengetrieben der bekannten Anordnung
nicht der Fall ist.
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Nachfolgend wird das Zusammenwirken der Verbrennungskraftmaschine
mit dem mechanischen Wandler und dem hydrodynamischen Hilfswandler im einzelnen
beschrieben. Als Beispiel eines Hilfswandlers ist ein bekanntes dreistufiges Strömungsgetriebe,
bei dem die Turbinenschaufeln drehbar angeordnet sind, gewählt worden. Nach Abb.
i bis 4 wird die Drehkraft der als Antrieb dienenden beiden zweizylindrigen Boxermotoren
i rund 2 mit je 36o° Zündabstand über die beiden konstanten, 18o° versetzten Kurbelschwingen
3 und 4 in den mechanischen Wandler und durch Kettentrieb 5 über das Freilaufgesperre
6 und das Schwungrad 7 in .den hydrodynamischen Hilfswandler 8 eingeleitet. Die
Abtriebdrehung des Hilfswandlers wird durch die Kegelräder 9 und io über das Wendegetriebe
i i und die Stirnräder 12 und 13 in die äußeren Sonnenräder 14 und 15 der beiden
Planetengetriebe eingeführt. Der von den Kurbeln 3 und 4 erzeugte konstante Hub
wird über die Schwingen 16 in den Kegeltrieben 17 und 18 je um 9o° abgewinkelt,
auf die Schwingen i9 und 20 übergeleitet, um auf die in den Lagerböcken 21 und 22
gelagerten einarmigen Kipphebel 23 und 24 übertragen zu werden. Die Kipphebel
23 und 24 haben je eine über den Drehpunkt hinausgehende Führungsnut 25.
Durch diese Führungsnut werden die Kippbewegungen von 23 und 24 über die Rolle 26
auf die Doppelkipphebe127 und 28 übertragen. Die Kipphebe127 und 28 wiederum sind
in den längs verschiebbaren Lagerböcken 29 und 30 gelagert, die ihrerseits
in den feststehenden Lagern 31 und 32 geführt sind. Die Lagerböcke 29 und 3o besitzen
je eine Schneckenzahnstange 33, die durch Drehung der Schnecken 34 und 35 in den
Führungslagern 31 und 32 längs verschoben werden können. Die hierdurch erreichte
rückwirkungsfreie Längsverschiebung der Kipphebel 27 und 28 ermöglicht eine stufenlose
Veränderung der Kippbewegungen während des Betriebes bis Null, wenn dieselben in
der Führungsnut 25 bis an die Drehpunkte der einarmigen Kipphebel 23 und
24 herangeführt werden. Eine weitere Verschiebung der Doppelkipphebel 27 und 28
über den Drehpunkt
hinaus verursacht eine Umkehrung der Kippbewegung,
die für den Rückevärtsgang des Gesamtgetriebes benutzt wird. Der Gegenarm der Kipphebel
27 und 28 trägt die Rolle 36, die wiederum in die Führungsimt 37 der einarmigen
Schwenkhebel 38 und 39 eingreift. Aus dem Ganzen ist zu ersehen, daß durch die Längsverschiebung
der Doppelkipphebel 27 und 28 eine stufenlos veränderliche Kippbewegung sowie deren
Umkehrung auf die Schwenkliebe138 und 39 übertragen wird. Von hieraus werden die
beiden Schwenkbewegungen als oszillierende Drehbewegungen auf die Imiensonnenräder
40 und 41 übertragen. Hiermit ist die Wandlung des Hauptdrehmoments bis zu seinem
Eingang in das Additionsgetriebe beschrieben. Die Überlagerung der oszillierenden
Drehbewegungen des mechanischen Hauptwandlers durch den hydrodynamischen Hilfswandler
erfolgt durch Antrieb der Sonnenräder 14 und 15, so daß über die Planetenräder 42
und die Planetenträger 43 und 44 die entstandenen zwei i 8o phasenverschobenen fortschreitenden
pulsierenden Drehbewegungen beiderseits in das Additionsgetriebe (Differentialgetriebe)
45 und auf das Abtriebrad 46 addierend übertragen werden. Die Einstellung der stufenlosen
Steuerung ist für den mechanischen als auch für den hydrddynamischen Hilfswandler
gemeinsam und wird einerseits durch Antrieb der Welle 47 über die Kegelräder 48
und 49 in die Verstellschnecken 34 und 35 und andererseits über das Kegelrad 5o,
die Welle 51, in die Schaufelverstelleinrichtung des hydrodynamischen Wandlers eingeleitet.
Die Schaufelverstellung erfolgt durch Antrieb des Schneckentriebes 58 über eine
mit schrägen Schlitzen versehene Muffe 61, die axial verschoben wird. Die Bolzen
62 gleiten in den schrägen Schlitzen der Muffe 61 und verdrehen die Verstellwelle
59, die mit einer Scheibe 6o verbunden ist. Die Zähne am Rande der Verstellscheibe
6o greifen in die Verzahnungen der Schaufeln des Pumpenrades ein.
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Der Vorgang der Drehmomentwandlung, im ganzen gesehen, verläuft nun
folgendermaßen: Aus dem über 36o° verlaufenden Zeit-Geschwindigkeits-Diagramm (Abb.
9 und i i) ist zu ersehen, daß die beiden i 8o' phasenverschobenen, stufenlos von
Null bis zu einem Maximum veränderlichen sinusförmigen Schwingungen I und III des
rein mechanischen Wandlers oberhalb (vorwärts) und unterhalb (rückwärts) der Nullinie
verlaufen. Wird nun der positive Teil der Schwingung I in Übereinstimmung mit dem
Drehkraftdiagramm der Verbrennungskraftmaschine i (Abb. 14) in die i8o' andauernde
Explosionsperiode gelegt und die entsprechende gleichförmige Drehung 1I des hydrodynamischen
Hilfswandlers der Schwingung I (Abb. 9) addierend überlagert, so ist zu erkennen,
daß aus der Sinusschwingung I durch Herandrücken der Minusamplitude bis an die Nullinie
eine vorwärts schreitende pulsierende Drehbewegung IV (Abb. io) entsteht. Das Herandrücken
der Minusamplitude der Schwingung I bis an die Nullinie durch den schwächeren Hilfswandler
erklärt sich aus der stark verminderten Drehkraft der Verbrennungskraftmaschine
i innerhalb der Ausschub- bzw. der Verdichtungsperiode (Abb.14). Eine Überhöhung
des positiven Teils der Schwingung I durch den Hilfswandler ist nicht zu erwarten.
Wird nun der positive Teil der i8o' phasenverschobenen Schwingung III @Abb. i i,
Vorwärtsdrehung) in Übereinstimmung mit dem Drehkraftdiagramm (Abb. 15) der ebenfalls
i 8o' phasenverschoben arbeitenden Verbrennungskraftmaschine 2 in deren Explosionsperiode
gelegt und ebenfalls von der gleichförmigen Drehung II des hydrodynamischen Hilfswandlers
addierend überlagert (Abb. 10,
so erfolgt aus den gleichen Gründen wie bei
Schwingung I durch Herandrücken der Minusamplitude bis an die Nullinie eine vorwärts
schreitende pulsierende Drehbewegung V (Abb. 12 ). Da die entstandenen pulsierenden
Drehbewegungen IV und V (Abb. io und 12) ebenfalls i8o° gegeneinander phasenverschoben
liegen, werden die Planetenträger 43 und 44 bzw. die Eingangswellen 51 und 52 des
Additionsgetriebes wechselseitig bei jeweils entweder in Kraftmaschine i oder 2
verlaufender 1?xplosionsperiode unter kraftvoller Vorwärtsdrehung stehen bzw. zeitweilig
zum Stillstand kommen. Wie aus dem Zeit-Geschwindigkeits-Diagramm (Abb.13) zu erkennen
ist, ergibt die Addition der pulsierenden Drehbewegungen IV und V durch das Additionsgetriebe
die gleichförniige Drehbewegung im Abtrieb desselben. Diese gleichförmige Drehbewegung
VI kann durch Antrieb der Welle 47 von Null bis zu einem Maximum vorwärts und Umschaltung
des Hilfswandlers durch Wendegetriebe i i auf stufenlos rückwärts eingestellt werden.
Für den Endeffekt ist es gleich, ob die Drehbewegungen IV und V (Abb. io und 12)
bis zur Nullinie pulsierend verlaufen oder ob reine Pilgerschrittdrehungen mit zeitweiliger
Rückdrehung im Planetengetriebe erfolgen. In beiden Fällen kommt nach der Addierung
im Differentialgetriebe immer eine gleichförmige Abtriebdrehung heraus. Es besteht
nur der eine Unterschied, daß, mathematisch betrachtet, bei der stufenlosen Einstellung
nur die bis an die Nullinie herangeführten pulsierenden Drehbewegungen eine einwandfreie
Null ergeben. -Es ist zu erkennen, daß bei allen unter verminderter Drehkraft erfolgenden
Rückdrehungen eine gleichzeitige gleichförmige Vorwärtsdrehung durch den hydrodynamischen
Hilfswandler erfolgt, so daß immer alle i 8o' eine Eingangswelle des Additionsgetriebes
45 zeitweilig zum Stillstand kommt. Eine Verbesserung der. Wirkungsweise des Additionsgetriebes
45 ist zu erzielen, wenn beide Eingangswellen 52 und 53 selbstsperrend über Schneckengetriebe
eingeführt werden. Abb. 5, 6, 7 zeigen die Anordnung solch ,eines selbstsperrenden
Differentialgetriebes, welches an die Stelle von 45 gesetzt werden kann, mit den
beiden Eingangsschneckengetrieben 54 und 55. Durch die Selbstsperrung wird die notwendige
Stützkraft erzielt, die erforderlich ist, die in den Explosionsperioden erzeugte
Vorwärtsdrehung im Abtrieb voll zur Auswirkung kommen zu lassen. Die gleichzeitig
schwächeren Rückdrehungen, mit gleichförmiger
Vorwärtsdrehung überlagert,
lassen im Bereich der stärksten Vorwärtsdrehkräfte die Seite des Differentials zeitweilig
im günstigen Sinne zum Stillstand kommen, die die notwendige Stützkraft für die
Vorwärtsdrehung hergeben soll.
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Eine weitere Verbesserung ist zu erzielen, wenn man die Abtriebdrehung
des hydrodynamischen Hilfswandlers 8 überein Differentialgetriebe (Abt. 8 ) zu den
Ritzeln 12 und 13 leitet, wobei dieses Differential den Platz des Wendegetriebes
i i einnimmt und der Hilfswandler 8 weiter nach links angeordnet wird. Hierdurch
wird ein Drücken auf den Hilfswandler vermieden und ein einwandfreites Vorwärtsnachdrehen
des Hilfswandlers während der auftretenden Rückdrehungen in dem Planetengetriebe
gewährleistet.
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Da es sich bei dem Hilfswandler darum handelt, die Wandlung kleinerer
Drehmomente vorzunehmen, ist man an einen hydrodynamischen Wandler nicht gebunden,
sondern man kann ebenso einen hydrostatischen Wandler an dessen Stelle setzen. Natürlich
können auch andere Wandler, wie Reibradgetriebe oder mechanische Wandler, verwendet
werden. Das Wendegetriebe i i käme dann zum Fortfall.
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Die Einstellung der stufenlosen Wandler, d. h. der Antrieb der Welle
47, muß bei Fahrzeugantrieb unbedingt selbsttätig in Abhängigkeit von dem rückwirkenden
Drehmoment der Antriebsräder des Fahrzeuges erfolgen. Dies kann dadurch erreicht
werden, daß zwischen der Antriebswelle der Hinterachse und der treibenden Welle
eine Tors.ionsfeder eingeschaltet wird, deren jeweilige Verdrehung ein Maß für die
Verdrehung der Einstellwelle 47 ist. Unabhängig hiervon muß durch Umschaltung eine
Möglichkeit bestehen, die Betätigung der Einstellwelle 47 von Hand vorzunehmen.
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Die Kupplung der beiden zweizylindrigen Boxermotoren soll wegen der
Erhaltung des Drehkraftdiagramms der beiden Motoren, wie eingangs erwähnt, elastisch
erfolgen. Dies ist dadurch möglich, daß nach Abb. 2 die Ritzel 56 je in das zweigeteilte
Stirnrad 57 eingreifen. Letzteres ist mit je einer gegenläufig gespannten Torsionsfeder
versehen, die durch ein starres Kreuz in Verbindung stehen. Hierdurch werden die
Rückwirkungen der beiden Maschinen gegeneinander durch Spannen und Entspannen der
Torsionsfedern aufgenommen, wodurch die Drehkraftdiagramme (Abt. 14 und 15) der
Maschine erhalten bleiben. Außer dieser erwähnten Einrichtung zur Herstellung des
synchronen Zusammenlaufs zweier Kraftmaschinen können auch alle bisher in der Praxis
benutztem; Einrichtungen dieser Art Anwendung finden.
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Eine Vergrößerung der Antriebseinheiten läßt sich dadurch erzielen,
daß man beispielsweise zwei dreizylindrige Motoren mit je 24o° Zündabstand oder
zwei Vierzylindermotoren mit je 18o° Zündabstand verwendet. Bei den beiden Dreizylindermaschinen
wäre, um insgesamt wieder 18o° Zündabstand zu erreichen, für den Antrieb der Schwingen
eine Untersetzung 2:3, bei den beiden Vierzylindermotoren eine Untersetzung 1:2
ins Langsame erforderlich. Bei Zweitaktmotoren kommt man im Minimum mit zwei Einzylindermaschinen
bei 36o° Zündabstand aus. Noch günstigere Verhältnisse liegen vor, wein man die
Antriebsmotoren als Freikolbenmaschinen mit direkt angetriebener Schwinge ausbildet.
Dieses #,N,ürde bei Viertaktmaschinen für den Antrieb der Steuerwelle und des hydrodynamischen
Hilfs-#alldIers eine Hilfskurbelwelle voraussetzen. Infolge der Boxeranordnung werden
die Antriebsaggregate vorzugsweise als Unterflurmotoren angeordnet werden können.
Ebenfalls ließe sich das gesamte Antriebsaggregat im Heck des Fahrzeuges gut unterbringen.
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Überall, wo es sich darum handelt, Maschinenantriebe mit stufenlos
einstellbaren Pilgerschrittdrehungen anzuwenden (Schüttelroste, Werkzeugmaschinen,
Textilmaschinen usw.), kann das beschriebene Getriebe in der Form Anwendung finden,
daß man eine stufenlos verstellbare Kurbelschwinge mit einer stufenlos einstellbaren
gleichförmigen Drehung im Planetengetriebe wie beschrieben überlagert, um somit
die gewünschte Pilgerschrittdrehung zu erhalten.
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Zu erwähnen ist noch, daß die Drehkraftdiagramme sich auf Vicrtaktvergasermotor@en
beziehen. Bei Verwendung von Dieselmotoren liegen die Verhältnisse günstiger, da
die Explosionsspitzen wesentlich höher liegen. Die ausgleichenden Massen, die zur
Hauptsache dem hydrodynamischen Hilfswandler zugeordnet sind, beschränken sich bei
der Verbrennungskraftmaschine selbst auf das unbedingt notwendige Maß. Da die Antriebsmotoren
mit konstanter Drehzahl arbeiten, kann die für Leistung und Verbrauch günstigste
gewählt werden. Nach Abb. i wird der hydraulische Hilfswandler leistungsmäßig vom
Motor i übernommen. An Stelle der Planetengetriebe können auch alle anderen Arten
von Differentialgetrieben verwendet werden. Da in der Zeichnung alle Kurbellängenverstellorgane
nur in Zapfenlagerung und Rollen mit Linienberührung schematisch dargestellt sind,
wird noch darauf hingewiesen, daß bei der praktischen Ausführung diese Stellen durch
Kugel-, Rollen- oder Nadellager und Steinführungen mit geringen Längsverschiebungen
ersetzt werden.