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Dreiganggetriebe Die Erfindung bezieht sich auf ein insbesondere für
den Antrieb von Schienenfahrzeugen bestimmtes hydromechanisches Getriebe mit einem
Strömungsgetriebe, dessen Leitrad über einen Umlaufrädertrieb in der niedrigsten
Gangstufe als im Gegenlauf arbeitende zusätzliche Turbine mit der Hauptturbine kuppelbar
und in der nächsthöheren Gangstufe festbremsbar ist.
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Um mit einem derartigen Getriebe noch eine dritte Gangstufe zu erzielen
und damit den Geschwindigkeitsbereich, in dem mit günstigen hydraulischen Wirkungsgraden
gefahren werden kann, zu erweitern, könnte man das Getriebe durch Hinzufügen eines
zweiten Strömungsgetriebes mit höherem optimalem Drehzahlverhältnis oder durch Nachschalten
eines aus zwei Zahnradpaaren oder einem besonderen Umlaufrädertrieb bestehenden
Zweiganggetriebes ergänzen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einem
Getriebe der eingangs genannten Bauart eine dritte Wandlergangstufe zu erzielen
und zu diesem Zweck denselben Umlaufrädertrieb zu verwenden, der in der niedrigsten
Gangstufe dazu dient, das Leitrad des Strömungsgetriebes als Gegenlaufturbine mit
dessen Hauptturbine zu kuppeln.
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Erfindungsgemäß geschieht dies in der Weise, daß in dieser dritten
Gangstufe der Umlaufrädertrieb, dessen eines Zentralrad, wie an sich bekannt, mit
dem Leitrad des Strömungsgetriebes und dessen anderes Zentralrad mit der Ausgangswelle
ständig verbunden ist, außer zum Festbremsen des Leitrades auch zum Erzielen einer
Übersetzung ins Schnelle zwischen der Hauptturbine und der Ausgangswelle dient.
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Bei den bisher bekannten hydromechanischen Getrieben der eingangs
erwähnten oder einer ähnlichen
Bauart ist die Verwendung eines einzigen
Umlauf. rädertriebes in mehr als zwei Wandlergangstufer durchweg nicht vorgesehen.
Demgegenüber wird durch die Erfindung der Vorteil erreicht, daß mit nur einem Strömungsgetriebe
und einem einzigen Umlaufrädertrieb drei Wandlergangstufen erzielt werden, so daß
sich ein Dreiganggetriebe von geringem baulichem Aufwand und entsprechend niedrigem
Gewicht ergibt, das außerdem den Vorteil fluchtender An- und Abtriebswellen besitzt.
Ferner werden überholende Einrichtungen, die sonst in einer anderen Gangstufe notwendig
wären, wie z. B. Freiläufe, vermieden. Ebenso ist es überflüssig, irgendwelche Reibungskupplungen,
die die volle Leistung des Getriebes übertragen müssen, innerhalb des Dreiganggetriebes
vorzusehen.
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In Weiterbildung der Erfindung besteht der Umlaufrädertrieb aus in
einer Ebene angeordneten Stirnrädern. Dadurch ergibt sich eine in axialer Richtung
besonders raumsparende Anordnung.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die wechselweise Verbindung
der Hauptturbine des Strömungsgetriebes mit der Ausgangswelle bzw. mit dem Planetenträger
des Umlaufrädertriebes über eine Zahn- oder Klauenkupplung, die eine auf der Hauptturbinenwelle
axial verschiebbar angeordnete Schaltmuffe mit einem druckmittelbetätigten Verstellelement
aufweist, das seinerseits als Differentialkolben ausgebildet ist. Damit ergibt sich,
wenn weiterhin der Differentialkolben innerhalb der Hauptturbinenwelle angeordnet
ist, eine baulich recht einfache Anordnung.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zur Herbeiführung eines
synchronen Laufes des Umlaufrädertriebes eine zwei Elemente desselben miteinander
verbindende Kupplung vorgesehen, um das Ankuppeln der Schaltmuffe an den Planetenträger
oder an die Ausgangswelle zu erleichtern.
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Schließlich erhält man eine besonders zweckmäßige Ausführungsform,
wenn die Hauptturbine des Strömungsgetriebes in an sich bekannter Weise zwei Schaufelkränze
aufweist, zwischen denen der Leitschaufelkranz angeordnet ist. Dadurch wird in der
niedrigsten Gangstufe das Herabdrücken der Drehzahl der Antriebsmaschine weitgehend
vermindert.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines Dreiganggetriebes
gemäß der Erfindung in einem Längsschnitt schematisch dargestellt.
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Die Hauptteile des Dreiganggetriebes sind ein als Turbowandler I ausgebildeter
Turbokreislauf und ein Nachschaltgetriebe 2, das ein Umlaufrädergetriebe enthält.
Die zu übertragende Leistung wird von der Antriebsmaschine mittels der Pumpenwelle
3, die zugleich die Antriebswelle des Dreiganggetriebes darstellt, in den Turbowandler
eingeführt. Auf der Pumpenwelle 3 sitzt das Pumpenrad 4. Das Turbinenrad des Turbowandlers
I hat zwei im Drehsinn des Pumpenrades 4 umlaufende Schaufelkränze 5 und 6, die
die Hauptturbine bilden und zwischen denen die Beschaufelung des wahlweise als feststehender
Leitapparat oder als Gegenlaufturbine arbeitenden Leitrades 7 angeordnet ist. Die
Schaufelkränze 5, 6 und 7 sind vom feststehenden Gehäuse 8 umschlossen. Die Schaufelkränze
5 und 6 sind durch die Innenhülle 9 miteinander verbunden. Die Nabe des Schaufelkranzes
6 sitzt fest auf der Turbinenwelle Io. Das Leitrad 7 steht mit der Hohlwelle II,
die die Turbinenwelle Io umschließt, in fester Verbindung. Die Hohlwelle II ist
mittels der Lagerung 12 im Gehäuse 8 gelagert und weiterhin an der Lagerstelle 14
gegen die Turbinenwelle Io abgestützt. Die Turbinenwelle Io stützt sich unterhalb
des Lagers 12 an der Lagerstelle 13 gegen die Hohlwelle II ab.
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Mit der Hohlwelle II ist das innere, mit Außenverzahnung versehene
Sonnenrad 15 fest verbunden. In die Außenverzahnung des Sonnenrades 15 greifen die
Trabanten 16, die außerdem mit der Verzahnung des innenverzahnten Sonnenrades 17
im Eingriff stehen. Die Trabanten 16 sind im Planetenträger 2o gelagert, dessen
Umfang als Bremsscheibe ausgebildet ist, an die das Bremsband 21 angedrückt werden
kann. Weiterhin ist mit der Hohlwelle II die Bremsscheibe 18 fest verbunden, an
die das Bremsband I9 andrückbar ist. Mit dem Sonnenrad 17 steht eine als Lamellenkupplung
ausgebildete Hilfsreibungskupplung in Verbindung, die in folgender Weise aufgebaut
ist: Mit dem Sonnenrad 17 sind das Stützblech 22 und das Gehäuse 23 verbunden, das
dauernd mit der Abtriebswelle 4o des Dreiganggetriebes in fester Verbindung steht.
Beispielsweise sind das Stützblech 22 und das Gehäuse 23 mit dem in Getriebelängsrichtung
vorspringenden Kranz des Sonnenrades 17 verschraubt. Das Gehäuse 23 ist mit Nuten,
die sich in Getriebelängsrichtung erstrecken, zur Aufnahme einer außen genuteten
Lamelle 24 versehen. Zwischen der Lamelle 24 und dem Stützblech 22 ist eine innen
genutete Lamelle 27 angeordnet, die in sich in Getriebelängsrichtung erstreckenden
Nuten gelagert ist, die im Gehäuse des Planetenträgers 2o eingestoßen sind. An die
Lamelle 24 kann der Kolben 25, der im Gehäuse 23 geführt ist und dessen dem Raum
26 zugewendete Seite mit Drucköl beaufschlagbar ist, angedrückt werden. Beim Andrücken
des Kolbens 25 an die Lamelle 24 werden Lamelle 24, Lamelle 27 und Stützblech 22
zusammengepreßt und damit das Sonnenrad 17 mit dem Planetenträger 2o gekuppelt.
Auf der der Lamelle 24 zugewendeten Seite des Kolbens 25 ist eine Feder 38 angeordnet,
deren eines Federende sich gegen den Kolben 25 abstützt, während das andere Federende
an einem mit der Abtriebswelle 40 verbundenen Kragen 41 anliegt. Wird der Raum 26
von Drucköl entleert und somit der Druck auf der diesem Raum zugewendeten Kolbenseite
vermindert, so entfernt die Feder 38 den Kolben 25 von der Lamelle 24. Damit ist
die Zusammenpressung von Lamelle 24, Lamelle 27 und Stützblech 22 aufgehoben und
die Hilfskupplung zwischen dem Sonnenrad 17 und dem Planetenträger 2o wieder
gelöst.
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Auf der Turbinenwelle io ist eine Schaltmuffe 28 in bekannter Weise
längsverschieblich, aber undrehbar gegenüber der Turbinenwelle angeordnet, etwa
in der Weise, daß Nuten der Schaltmuffe in entsprechende keilprofilartige Vorsprünge
der Turbinenwelle einreifen. Die Längsverschiebung der Schaltmuffe 28 3.uf der Turbinenwelle
io geschieht durch einen Differentialkolben 29, der im Inneren der Turbinen-,velle
io angeordnet ist. Die Schaltmuffe 28 und der
Differentialkolben
29 sind durch einen Stift 30 miteinander verbunden, der die Turbinenwelle Io in
Schlitzen durchdringt. Die Schaltmuffe 28 ist mit einer Außenverzahnung 42 versehen,
die durch Verschieben der Schaltmuffe in Längsrichtung der Turbinenwelle mit der
Innenverzahnung 32 der Abtriebswelle 40 oder mit der Innenverzahnung 31 des Planetenträgers
2o in Eingriff gebracht werden kann. Die Stirnfläche des kleinen Kolbens 43 des
Differentialkolbens 29 wird durch Drucköl dauernd beaufschlagt, das durch eine in
der Turbinenwelle Io angebrachte Bohrung 33 aus dem Turbokreislauf zugeführt wird.
Die Stirnfläche des großen Kolbens 44 des Differentialkolbens erhält Drucköl durch
die in Mitte der Abtriebswelle 40 verlaufende Bohrung 34 aus der Lagerstelle 35,
die wiederum durch eine Bohrung 36 mit Drucköl versorgt wird. Durch eine in der
Abtriebswelle 40 angeordnete Bohrung 37, die mit der Lagerstelle 39 der Abtriebswelle
verbunden ist, wird dem Raum 26 Drucköl zugeleitet. Wie die Figur ohne weiteres
erkennen läßt, ist die Pumpenwelle 3, die zugleich die Antriebswelle des Dreiganggetriebes
darstellt, gleichachsig mit der Abtriebswelle 40. Das Merkmal, daß die An- und Abtriebswelle
miteinander fluchten, ist durch die in der Figur angegebenen Pfeile noch besonders
hervorgehoben.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Die Pumpenwelle 3 wird durch eine
Antriebsmaschine, z. B. eine Brennkraftmaschine, angetrieben. In der ersten oder
untersten Geschwindigkeitsgangstufe ist das Bremsband 2I angezogen, der Planetenträger
2o somit festgebremst. Die Hauptturbine mit den Schaufelkränzen 5 und 6 läuft im
Drehsinn des Pumpenrades 4 um. Der kleine Kolben 43 des Differentialkolbens 29 wird
von Drucköl, das durch die Bohrung 33 dem Turbokreislauf entnommen wird, beaufschlagt
und verschiebt die Schaltmuffe 28 so, daß die Außenverzahnung 42 mit der Innenverzahnung
32 der Abtriebswelle 40 in Eingriff kommt. Demgemäß treibt die Hauptturbine über
die Turbinenwelle Io, die Schaltmuffe 28 und die Innenverzahnung 32 die Abtriebswelle
4o direkt an. Das Bremsband I9 ist gelöst. Das als Gegenlaufturbine arbeitende Leitrad
7 treibt über die Hohlwelle II, das innere Sonenrad 15 bei stillstehendem Planetenträger
20 und die Trabanten 16 auf das äußere Sonnenrad 17 und damit über das Gehäuse 23
auf die Abtriebswelle 40. Nach einem allgemein gültigen Gesetz ergibt sich, wenn
die Schaufelkränze 5 und 6 der Hauptturbine zusammen den vierfachen Wert des Pumpendrehmomentes
als Anfahrdrehmoment liefern, an dem als Gegenlaufturbine arbeitenden Leitrad 7
der dreifache Wert des Pumpendrehmomentes im entgegengesetzten Drehsinn für die
Anfahrstellung. Sind Sonnenrad 15 und Trabanten 16 in ihrem Durchmesserverhältnis
etwa 4: I abgestimmt, so beträgt die Übersetzung zwischen Leitrad 7 und Abtriebswelle
4o etwa I : (-I,5). Man erhält dann an der Abtriebswelle ein Gesamtdrehmoment von
4 + (-3) (-I,5) = 8,5.
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Mit steigender Abtriebsdrehzahl wird der Wirkungsgradscheitel für
den Bereich mit Gegenlaufturbine überschritten. Dann geht man über zu der zweiten
oder mittleren Geschwindigkeitsgangstufe. Das Bremsband 21 wird gelöst; das Bremsband
I9 angezogen. Das Leitrad 17 und mit ihm die Hohlwelle II und das Sonnenrad 15 stehen
still. Die Schaufelkränze 5 und 6 treiben über die Turbinenwelle Io, die Schaltmuffe
28 und die Innenverzahnung 32 die Abtriebswelle 40 wie zuvor an. Das Sonnenrad 17
wird von der Abtriebswelle 40 über das Gehäuse 23 mitgenommen, d. h., das Umlaufrädergetriebe
läuft leer mit.
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Mit steigender Abtriebsdrebzahl, beispielsweise bei einem Verhältnis
der Drehzahlen der Schaufelkränze der Hauptturbine zum Pumpenrad von o,75, ist der
Wirkungsgradscheiteldes mittleren Fahrbereiches überschritten, und es wird auf die
schnelle oder dritte Geschwindigkeitsgangstufe umgeschaltet. Rechnet man an dieser
Stelle mit einem Wirkungsgrad der Getriebeübertragung von o,75 vor dem Umschalten,
so hat die Turbine nunmehr ein Drehmoment gleich dem Pumpendrehmoment. Zum Umschalten
auf die schnelle Geschwindigkeitsgangstufe werden die Bremsbänder i9 und 21 beide
gelöst und die dem Raum 26 zugewendete Seite des Kolbens 25 mit Drucköl beaufschlagt,
das durch die Bohrung 37 vom Lager zugeführt wird. Unter der Einwirkung des Öldruckes
wird das Sonnenrad 17 mit dem Planetenträger 2o gekuppelt. Das Sonnenrad 17 und
der Planetenträger laufen synchron. Nunmehr wird durch die Bohrungen 36, 34 Drucköl
zugeführt, das den großen Kolben 44 des Differentialkolbens 29 beaufschagt. Unter
Einwirkung des Öldrucks verschiebt der große Kolben 44 entgegen der auf die Stirnfläche
des kleinen Kolbens 43 ausgeübten Kraft die Schaltmuffe 28 nach links, so daß die
Außenverzahnung 42 mit der Innenverzahnung 31 des Planetenträgers 2o in Eingriff
kommt, wobei gegebenenfalls Einrichtungen vorgesehen sind, die einen leichten Eingriff
gewährleisten. Sodann wird der Raum 26 von Drucköl entleert, so daß unter der Einwirkung
der Feder 38 die Kupplung zwischen dem Sonnenrad 17 und dem Planetenträger 2o sich
löst. Nach abermaligem Anziehen des Bremsbandes I9 bei feststehendem Leitrad 7 treibt
die Hauptturbine über die Turbinenwelle Io, die Schaltmuffe 28, die Innenverzahnung
31, den Planetenträger 20, die Trabanten 16, das Sonnenrad 17 und das Gehäuse 23
die Abtriebswelle 40. Das Leitrad 7 und mit ihm die Hohlwelle ii und das Sonnenrad
15 stehen still. Damit erfolgt zwischen der Hauptturbine und der Abtriebswelle 4o
eine Übersetzung ins Schnelle, z. B. bei den oben angegebenen Abmessungen des Sonnenrades
15 und der Trabanten 16 eine Übersetzung ins Schnelle im Verhältnis von i : 1,67.
Fährt man nun den Wandler in der gleichen Form wieder aus, wie im mittleren Fahrbereich,
so hat man an der Turbinenwelle io bei einem Verhältnis der Drehzahlen der Schaufelkränze
der Hauptturbine zum Pumpenrad von 0,75 und bei einem Wirkungsgrad von beispielsweise
0,75 wieder ein Drehmoment gleich dem Pumpendrehmoment. Die Turbinenwelle
ist aber gegenüber der Abtriebswelle um i : 1,67 übersetzt, so daß sich an der Abtriebswelle
nunmehr das = o,6fache Pumpendrehmoment ergibt. Insgesamt
erhält man dann in den Grenzen vom Anfahren in der ersten Geschwindigkeitsgangstufe
bis zur Enddrehzahl in der
dritten Geschwindigkeitsgangstufe eine
= I4fache Drehmomentwandlung. Vom kleinen Kolben 43 bzw. dem großen Kolben 44 des
Differentialkolbens 29 herrührende Leckölmengen laufen am Stift 30 entlang von der
Turbinenwelle Io ab.
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Für die Merkmale der Unteransprüche wird lediglich im Zusammenhang
mit dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches Schutz begehrt.