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Energie-Übertragungsvorrichtung für veränderliche Geschwindigkeit,
insbesondere für Fahrzeuge Die Erfindung betrifft eine Strömungskraftübertragung,
insbesondere für Fahrzeuge, mit einem hydrodynamischen D'rehmomentwandler und einer
zum Wandler parallel geschalteten Hilfskupplung, beispielsweise einer mechanischen
Kupplung oder einer füllungsregelbaren Strömungskupplung. Mittels der Hilfskupplung
soll der Drehmomentwan.dler überbrückt und ein direkter Gang hergestellt werden,
bei dem das Verhältnis der Drehmomentübertragung i : i ist.
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Turbodrehmomentwandler ergeben gewöhnlich ein maximales @btriebsmom-ent,
das ungefähr .,5mal so groß wie das Eingangsmoment ist, und, zwar .bei festgebremster
bzw. stillstehender Aibtriebswelle, und .einem Abtriebsmoment gleich dem Eingangsmoment,
wenn -das Verhältnis der Geschwindigkeiten der getriebenen und der treibenden Welle
(n2 : n,) einen bestimmten Wert erreicht. Dieser Wert beträgt etwa o,66/1
und ist von der Bauart des Wandlers abhängig.
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Es ist bekannt, mit einem solchen Turbowandler ein während d-er Fahrt
schaltbares Geschwindigkeitswechselgetriebe in Reihe zu schalten, derart, daß die
A.btriebs.welle des Wandlers mit der Eingangsnvelle des mechanischen Geschwindigkeitswechselgetriebes
gekuppelt wird.
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Da Turbodrehmomentwandler verhältnismäßig teuer sind, ist es zweckmäßig,
so wenig wie möglich Typen zu verwenden. Soll ein solcher Wandler zusammen mit verschiedenen
Typen von Antriebsmotoren
benutzt werden, die verschiedene Normalleistung
und Normaldrehzahl haben, so kann er meistens nicht unmittelbar mit dem Antriebsmotor
gekuppelt werden; er wird vielmehr gewöhnlich über ein Getriebe mit einem bestimmten
unveränderlichen Übersetzungsverhältnis an den Motor angeschlossen. Dabei wird.
meist eine Übersetzung ins Schnelle verwendet, um so einen Wandler mit kleinen Abmessungen
und kleinem Gewicht verwenden zu können.
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Es ist auch .bekannt, einem Getriebe aus einem Strömungswandler und
einer parallel dazu geschalteten Strömungskupplung ein etwa zweistufiges mechanisches
Wechselgetriebe mit mindestens einer ins Hohe übersetzenden Stufe vorzuschalten,
wobei die Kupplung mit allen Gängen; der Wandler aber nur mit der niedersten Stufe
betrieben wird., um eine Überlastung des Motors zu vermeiden. Der Wandler ist also
hierbei für .den kleineren Gang .des vorgeschalteten Wechselgetriebes ausgelegt,
d. h. er nimmt beim Antrieb über den kleineren Gang gerade die volle Motorleistung
auf. Würde bei diesem Getriebe an Stelle des niederen Ganges eine ins Schnelle übersetzende
Vorschaltstufe eingeschaltet, dann würde der Wandler mit seiner erhöhten Antriebs.drehzahl
bei voller Motordrehzahl eine wesentlich höhere Leistung aufnehmen wollen als sie
der Motor überhaupt herzugeben vermag, da die Leistungsaufnahme des Wandlers mit
der dritten Potenz der Antriebsdrehzahl steigt. Wenn also das Übersetzungsverhältnis
zwischen niederer und höherer Vorschaltstufe sich etwa wie i : 1,4 verhält, dann
nimmt der Wandler im schnelleren Gang i,43 = 2;75mal soviel Leistung auf als im
niederen Gang. Bei einer solchen Leistungsaufnahme könnte- der Antriebsmotor nicht
auf seine volle Drehzahl kommen, d. h. er würde in unzulässiger Weise in seiner
Drehzahl gedrückt werden. Anders -ausgedrückt heißt das, daß .das Wandlereingangsmoment
auf .den Wert des vollen Motormoments ansteigen würde, wenn die Drehzahl des Antriebsmotors
noch viel zu klein ist, um eine ausreichende Leistung abzugeben, Dem gegenüber besteht
die Erfindung in dem Vorschlag, bei einem solchen Getriebe aus einem Strömungswandler
und parallel dazu geschalteter Kupplungsvorrichtung und, einem diesem Wandlerkupplungsag.gregat
vorgeschalteten mechanischen Wechselgetriebe den Wandler in seiner Beschaufe-Jung
und in seinen Abmessungen derart auszulegen, daß er bei eingeschaltetem schnellerem
Gang im mechanischen Vorschaltgetriebe gerade die volle Motorleistung aufnimmt.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung soll die Schalteinrichtung
für ein solches Getriebe so ausgebildet sein, daß beim Umschalten von der Wand,lerstufe
auf .den nächsthöheren Gang gleichzeitig mit dem Umschalten des Zahnradwechselgetriebes
der Wandler ausgeschaltet und mittels einer mechanischen oder hydraulischen Kupplung
durchgekuppelt wird. Diese selbsttätige Schaltung bedeutet eine Sicherung gegen
unbefugtes Benutzen des Wandlers im hohen Zahnradgang. Das Verhältnis des höchsten
Ganges im mechanischen Vorschaltwechselgetriebe zum nächsten Gang wird zweckmäßig
gleich oder annähernd gleich demjenigen Drehzahlverhältnis n2 : n1 gemacht, das
im Wandler bei Gleichheit von Primär- und Sel:undärmoment (H2/M,. - i) herrscht.
Bei einem Wert des Verhältnisses n2 : n1 bei Drehmomentgleichheit im Wandler von
o.,66 : i mag das Verhältnis der Geschwindigkeiten eines vorgeschalteten Zweigang-Betriebes
zweckmäßig zwischen 1,2 und 1,6 : i 'betragen.
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Das mechanische Geschwindigkeitswechsel-Betriebe kann ein Planetengetriebe
sein, das eine Reibungskupplung und eine Reibungsbremse zum Einschalten der entsprechenden
Geschwindigkeiten besitzt, oder es kann der Gattung der Gleichlaufselbstschalter
(Synchronselbstschalter) mit einer zwangsläufig den Gang wählenden Kupplung und
Sperrvorrichtungen angehören. Das Geschwindigkeitswechselgetriebe kann eine Reibungsbremse
zum Einschalten des hohen Ganges und eine Gleichlaufkupplung (Synchronkupplung)
zum Einschalten des Direktganges aufweisen.
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Der Drehmomentwandler kann mit einer Turbokupplung parallel geschaltet
und mit Steuermitteln versehen sein, finit denen willkürlich jeweils nur der eine
oder der andere der beiden Turbokreisläufe gefüllt gehalten wird. Der Wandler kann
eine mechanische Zweiwegkupplung haben, mit der die Eingangswelle wahlweise an das
Wandlerpumpenrad oder an die Abtriebswelle gekuppelt werden kann, wobei die Wandlerturbine
die Abtriebswelle durch eine ausrückbare Kupplung, beispielsweise Freilaufkupplung,
antreibt. Der Drehmomentwandler kann der im folgenden beschriebenen Gattung der
Gleichlaufselbstschalter angehören.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel für
eine .durch eine Dieselmaschine angetriebeneLokomotive veranschaulicht; es ist Fig.
i ein Längsschnitt durch die Energie-Übertragungsanlage, Fig.2 Schaulinien der Wirkungsweise
der Anlage.
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Der Motor i des gezeichneten Beispiels liefert gewöhnlich Zoo PS bei
1400 Uml./Min. Der Drehmomentwandler 2 ist mit einer Zweistufenturbine gezeichnet,
kann jedoch irgendeine gewünschte Anzahl von Stufen haben, und ist für eine Leistung
von Zoo PS bei 2ooo Uml./Min. entworfen. Der Wandler weist ein Verhältnis des sekundären
Drehmoments M2 zu dem primären Drehmoment Ml gleich i : i auf, wenn n2/n, ungefähr
gleich 1/1,5 ist.
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Der Motor ist, wenn gewünscht, durch eine hydraulische Kupplung 3
oder eine Federkupplung mit einem Planetengeschwindigkeitswechselgetrie'be 4 verbunden,
das während des Betriebes geschaltet -,werden kann. Die getriebene Welle 5 der Turbokupplung
3 ist an dem Planetenträger 6 des Planetengetriebes befestigt, während der Innenzahnkranz
7 an der. Pumpenradwelle 12- des Wandlers 2 befestigt ist und das Sonnenrad ß aus
einem i Stück reit einer Hülse besteht, auf der gleitbar aber
unverdrehbar
ein Reibkupplungsglied 9 angeordnet ist. Dieses Kupplungsglied ist wahlweise in
ein Kupplungsglied io, das auf der Welle 5 befestigt ist, wodurch der Direkttrieb
gebildet wird, oder in einen feststehenden Reibkranz i i einrückbar, wodurch ein
geschwindigkeitssteigerndes Verhältnis von 1 : 1,43 erzielt wird. Die Änderung der
Geschwindigkeit der Welle 12, infolge einer G.etriebeändierung in dem Planetengetriebe
ist also, als Verhältnis ausgedrückt, von derselben Ordnung wie das Geschwindigkeitsverhältnis
.des Drehmomentwandlers, wenn sich sein Drehmomentverhältnis in der Nachbarschaft
von i : i befindet. Die Welle 12 ist unmittelbar mit dem Treiber 13 des Drehmomentwandlers
verbunden, und parallel zu ihr liegt wahlweise die Direkttriebkupplung 14. Die Auslaßwelle
15 des Drehmomentwandlers ist mit einer Treibachse 16 der Lokomotive durch das übliche
Übersetzungsgetrie;he 17 und das Umschaltgetriebe 18 von geeignetem Verhältnis verbunden.
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Die Direkttriebkupplung 14 des Wandlers 2 ist beispielsweise eine
bekannte Synchronkupplung. Die Kupplung wird durch einen Ring i9 gesteuert, der
nach links in der Zeichnung bewegt wird, wenn diese Kupplung im Eingriff gesperrt
werden soll. Das Geschwindigkeitswechselgetriebe 4 und die Direkttriebkupplung 1.4
sind vorzugsweise mit einer Abhängigkeitssteuervorrichtung versehen, welche in einem
Kurvenschubschlitten z0 besteht. Dieser Schlitten wird durch einen Hebel 21 bedient
und verstellt die Folgerollen 22 und 23, die durch Lenker mit den Gliedern 9 und
i9 verbunden sind. Der Hebel 21 ist in seiner neutralen Stellung N gezeichnet, und
die drei Gangstellungen sind durch G1, G2 und G3 angedeutet.
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Der Drehmomentwandler 2 ist mit einem Freilauf 24 in der Form einer
bekannten Synchronkupplung ausgerüstet, der dem Rückdruckglied 25 erlaubt, vorwärts
zu laufen, wenn die Kupplung 14 eingerückt ist.
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Beim Anlaufen von der Ruhe (Stellung G1) befindet sich das Planetenradgetriebe
4 in hohem Gang, und der Wandler ist wirksam. Hat der Wandler eine konstante Einlaßgeschwindigkeitscharakteristik,
so läuft die Einlaßwelle des Wandlers demgemäß mit einer Geschwindigkeit von 2000
Uml./Min., wobei sie die volle Leistung der Maschine bei ihrer gewöhnlichen Geschwindigkeit
von id.oo Uml./Min. verzehrt, und die Lokomotive beschleunigt sich unter einem Drehmoment
in der Auslaßwelle 15 des Wandlers gleich 1ö 11T. Mz, worin 12"z das. Maschinendrehmoment
ist.
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In Fig. 2, wo .das Maschinendrehmoment als konstant angenommen ist,
bezeichnet die waagerechte Achse die Geschwindigkeit der Auslaßwelle 15 des Wandlers
in Uml./Min. Die Ordinatenachse M2 bezeichnet das Drehmoment in der Welle i .q in
Werten des Maschinendrehmoments als Einheit. Die Ordinatenachse za"z ist die Maschinengeschwindigkeit
und r7 ist der Wirkungsgrad der übertragung von der Maschine auf die Welle 15. Die
mit (a) und (b) bezeichneten Teile der Schaulinien. beziehen sich auf Wandler
mit einer konstanten bzw. steigenden Einlaßgeschwindigkeitscharakteristik.
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Wenn die Geschwindigkeit der Auslaßwelle 15 des Wandlers ungefähr
iioo Uml./Min. erreicht, wird M2/Ml ungefähr 1,5 : i, so daß eine weitere Beschleunigung
im Wandlerbetrieb weniger wirkungsvoll wird als bei Veränderung im durchgehenden
Direkttrieb. Das System wird infolgedessen dadurch auf Normalbetrieb geschaltet,
daß der Hebel 21 in die Stellung G2 gedrückt und .der Primärteil des Wandlers momentan
verzögert wird. Die Direktkupplung 14 rückt ein, und das Planetenrad,getriebe q.
wird zu dem Direkttrieb geschaltet. Die Maschinengeschwindigkeit und .die Geschwindigkeit
der Welle 15 betragen ungefähr iioo Uml./ Min., und das Drehmoment in dieser Welle
ist gleich dem Drehmoment 17m der Maschine, da der Antrieb direkt durchläuft.
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Bewegt man jetzt den Hebel 21 in die Stellung G3, so wird das mechanische
Getriebe d. wieder in sein hohes Übersetzungs:vel'hältnis geändert, und der Wandler
2 bleibt im Direkttrieb, so daß eine Übertriebgeschwindigkeit erreicht wird. Bei
dieser ist, wenn die Maschinengeschwindigkeit 1400 Uml./Min. beträgt, ,die Geschwindigkeit
der Auslaßwelle des Wandlers 2ooo Uml./Min., die sich für eine hohe Fahrgeschwindigkeit
des Wagens unter günstigen Laufbedingungen eignet.
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Ein abweichender Änderungspunkt zwischen der ersten und zweiten Geschwindigkeit,
bei einem Wert fit von ungefähr 95o Uml./Min., ist durch schwach punktierte Linien
angedeutet.
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Ein auf die Geschwindigkeit ansprechender Regler kann durch die Welle
5 oder von einem Teil des Systems zwischen dem Wandler 2 und der Welle 16 angetrieben
und so angeordnet sein, daß er selbsttätig den Getriebewechsel herbeiführt.
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Die Übertragungsvorrichtung kann vorteilhaft bei Fahrzeugen angewandt
werden, die durch Brennkraftmaschinen angetrieben werden und in Gebirgsstrecken
der Tropen verkehren, damit die Veränderung in der höchsten Energieausgabe der Maschine
mit wechselnder Höhe und Temperatur ausgeglichen wird, wenn ein veränderlicher Ruflader
nicht angewandt wird. Die Energieausgabe der Maschine kann beispielsweise um 30°/0
mit steigender Höhe und Temperatur im Verlauf eines Tages fallen, und da sich die
von idem Drehmomentwandler verzehrte Energie in der dritten Potenz der Geschwindigkeit
seiner Einlaßwelle ändert, kann das Geschwindigkeitswechselgetriebe zwischen der
Maschine und <dem Wandler so entworfen sein, daß es zwei oder mehr wählbare Übersetzungsverhältnisse
vorsieht, die denWandler befähigen, nahezu die ganze verfügbare Energie nutzbar
zu machen, wenn das Fahrzeug auf wechselnde Höhen steigt, wobei außerdem ein mittleres
Direktgetriebe von hohem Wirkungsgrad vorgesehen sein kann.