DE3840572A1 - Hydromechanisches getriebe fuer schwerfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft den motorischen Antrieb von Schwer­ fahrzeugen, insbesondere die hydromechanische Kraftüber­ tragung vom Fahrzeugmotor auf die Wellen der Treibräder. Speziell bezieht sich die Erfindung auf den Einsatz einer mit dem Fahrzeugmotor verbundenen Hydropumpe für die Spei­ sung von zwei Hydromotoren mit Druckflüssigkeit, wobei diese Hydromotoren Drehmoment auf die Treibräder oder die Raupen auf beiden Seiten des Fahrzeugs über ein Umlaufge­ triebe übertragen.

Die bekannten hydraulischen Getriebe in Schwerfahrzeugen umfassen eine Hydropumpe, die vom Fahrzeugmotor angetrieben wird und Druckflüssigkeit an einen Hydromotor liefert, der mit den Treibrädern häufig über ein verstellbares Zahnrad­ stufengetriebe verbunden ist. Das System eignet sich spe­ ziell für Raupenfahrzeuge, die auf beiden Seiten Hydro­ motoren aufweisen, so daß das Raupenfahrzeug dadurch ge­ lenkt wird, daß beide Motoren mit unterschiedlichen Dreh­ zahlen umlaufen, wenn eine Kurve zu durchfahren ist. Sowohl die Hydropumpe als auch die Hydromotoren sind Verstellein­ heiten, was eine Änderung des Ausgangsdrehmoments und der Drehzahlen entsprechend dem Rollwiderstand und der Fahr­ zeuggeschwindigkeit gestattet.

Dieses System ersetzt heute größtenteils die bekannten Automatikgetriebe, die in Personenkraftwagen und leichten Lastkraftwagen verwendet werden und die im Fall von Schwer­ fahrzeugen übermäßig groß wären, insbesondere, wenn es sich um Raupenfahrzeuge handelt, die von Antriebsmaschinen an­ getrieben werden, deren Ausgangsleistung mehrere 100 PS (einige hunderttausend W) beträgt.

Die Größe von Pumpe und Motor ist bestimmt durch das maxi­ male Ausgangsdrehmoment der Antriebsmaschine und die maxi­ malen Drehzahlen, die zum Antreiben des Fahrzeugs erfor­ derlich sind. Eine Brennkraftmaschinen-Charakteristik verläuft entsprechend der Kurve a von Fig. 1, die bei Niedrigdrehzahl hohes Drehmoment und bei Hochdrehzahl niedriges Drehmoment zeigt. Ein hydraulischer Verstell­ motor, der das Drehmoment bei den entsprechenden Drehzahlen übertragen kann, hat sehr große Abmessungen, da seine maximal verlangte Ausgangsleistung (am Punkt b von Fig. 1) gleich dem maximalen Drehmoment multipliziert mit der maximalen Geschwindigkeit ist, die wesentlich höher als die maximale Maschinenausgangsleistung bei jeder Drehzahl ist, und der Hydromotor kann nicht effizient genützt werden, so daß seine Leistung verschwendet ist.

Wenn man ein mechanisches Schaltgetriebe zwischen dem Hydromotor und der Abtriebswelle vorsieht, kann man zwar die Fahrzeuggeschwindigkeit erhöhen, ohne daß die Motor­ verdrängung erhöht zu werden braucht; aber dieses System vermindert die Vorteile der mit dem Hydrauliksystem mög­ lichen stufenlosen Drehzahl, und gegenüber dem konventio­ nellen Automatikgetriebe stellt sich überhaupt kein Vorteil ein. Fig. 2 zeigt die Ausgangsleistung eines Hydromotors in Verbindung mit einem Dreistufengetriebe.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen großen Hydromotor durch zwei Hydromotoren mit jeweils niedrigerer Ausgangsleistung zu ersetzen. Ferner sollen drei verschiedene Übersetzungs­ verhältnisse bei unterschiedlichen Abtriebsleistungen und Drehzahlen der beiden Hydromotoren vorgesehen sein. Und schließlich soll ein einfach aufgebautes, relativ kosten­ günstiges hydromechanisches Getriebe angegeben werden, und es soll eine einfache automatische Betätigung vorgesehen sein, um in optimaler Weise Abtriebsleistung und Drehzahl der Maschine zu nützen.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm einer Brenn­ kraftmaschine und eines Hydromotors, der zur Übertragung der Maschinenausgangsleistung auf eine angetriebene Zugachse geeignet ist;

Fig. 2 ein Drehmoment-Geschwindigkeits-Diagramm einer Brennkraftmaschine sowie die Abtriebsleistung durch ein Dreiganggetriebe;

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Umlaufgetriebe­ einheit, die von zwei Hydromotoren angetrieben wird, wobei ferner die Motoren, die Hydropumpe und die Betätigungsvorrichtungen gezeigt sind;

Fig. 4 einen Schnitt A-A durch die Umlaufgetriebe­ einheit nach Fig. 3;

Fig. 5 eine andere Ausführungsform des Getriebes mit der Umlaufgetriebeeinheit im Querschnitt sowie den beiden Motoren, der Hydropumpe und den Betätigungsvorrichtungen;

Fig. 6 die an der Abtriebswelle der Umlaufgetriebe­ einheit verfügbare Leistung zwischen Still­ stand und Höchstdrehzahl; und

Fig. 7 ein Diagramm eines vereinfachten hydromecha­ nischen Getriebes, das auf dem Prinzip von zwei ein Getrieberad antreibenden Hydromotoren beruht.

Das in den Fig. 3 und 4 gezeigte Getriebe umfaßt einen Verstellmotor II, einen zweiten Verstellmotor III und eine Umlaufgetriebeeinheit IV. Die Umlaufgetriebeeinheit hat ein zylindrisches Außengehäuse 1 mit einem Außenhohlrad 10 und zwei parallelen Innenhohlrädern 11 und 12. Ferner umfaßt die Einheit einen Planetenträger 2, der mit dem Gehäuse 1 koaxial ausgerichtet ist und einen Satz von drei Geradpla­ netenrädern 20 sowie einen Satz von sechs Rückwärtsplane­ tenrädern 21 trägt. Ferner hat die Einheit eine Abtriebs­ welle 3, die in Lagern im Gehäuse und im Planetenträger gelagert ist und auf der frei drehbar zwei parallele Zen­ tralräder 30 und 31 sowie eine mit der Welle fest verbun­ dene Kupplungsplatte 32 angeordnet sind. Zwischen der Kupp­ lungsplatte und den beiden Zentralrädern sind zwei Kupp­ lungen 33 und 34 angeordnet und so ausgelegt, daß sie die Kupplungsplatte entweder mit einem Zentralrad oder gleich­ zeitig mit beiden Zentralrädern fest verbinden.

Die Abtriebswelle 40 des zweiten Verstellmotors III ist mit dem Planetenträger 2 über einen Flansch 41 fest verbunden und trägt außerdem eine Bremsscheibe 42, um den Motor durch Bremsklötze 43 festzulegen.

Das Hohlradgehäuse 1 wird von dem Verstellmotor II über ein Ritzel 51 gedreht, das auf der Abtriebswelle 50 des Motors fest montiert ist, die außerdem eine Bremsscheibe 52 trägt, die den Motor über Bremsklötze 53 abbremst.

Jeder Verstellmotor kann gesondert durch von der Pumpe I zugeführte Hydraulikflüssigkeit angetrieben werden, oder beide Motoren können gleichzeitig, jedoch mit unterschied­ lichen Drehzahlen, angetrieben werden, wie nachstehend erläutert wird. Beim Anfahren wird zum Beschleunigen des Fahrzeugs ein hohes Drehmoment bei Niedrigdrehzahl der Abtriebswelle 3 benötigt. Zu diesem Zweck werden die Kupp­ lungen 33 und 34 betätigt und verbinden die Kupplungsplatte mit beiden Zentralrädern 30 und 31, so daß die Umlaufge­ triebeeinheit als eine starre Einheit umläuft. Die Pumpe fördert Hydraulikflüssigkeit zu beiden Verstellmotoren, die ein maximales Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen liefern, wobei der Motor II mit höherer Drehzahl als der Motor III umläuft, und zwar in Abhängigkeit vom Übersetzungsverhält­ nis von Ritzel 51 und Hohlrad 10. Nachdem das Fahrzeug beschleunigt ist, wird die Kupplung 34 gelöst, während die Kupplung 33 mit dem Zentralrad 30 in Verbindung bleibt, und der Motor III wird angehalten und blockiert. Nunmehr dreht der Motor II das Gehäuse 1 und dadurch das Zentralrad 30 über die Rückwärtsplanetenräder 21 sowie die Abtriebswelle 3, die mit dem Zentralrad 30 über die Kupplung 33 und die Kupplungsplatte 32 verbunden ist. Diese Anordnung resul­ tiert in der zweiten, höheren Drehzahl der Abtriebswelle entsprechend dem Übersetzungsverhältnis von Hohlrad und Zentralrad.

Ein drittes Übersetzungsverhältnis erhält man durch Lösen der Kupplung 33 und Verbinden der Kupplungsplatte 32 mit dem Zentralrad 31 mittels der Kupplung 34 und durch Ab­ schalten und Abbremsen des Motors II. Das führt zu einer Rotation des Planetenträgers 2 sowie einer Rotation der Abtriebswelle 3 über die Geradplanetenräder 20, das Zen­ tralrad 31, die Kupplung 34 und die Kupplungsplatte 32, so daß noch höhere Drehzahlen der Abtriebswelle 3 resultieren.

Beispielsweise seien die Größen der verschiedenen Räder wie folgt gewählt:
Ritzel 51 zu Hohlrad 10 = 1 : 2;
Hohlräder 11 und 12 zu Zentralrädern 30 und 31 = 2 : 1;
dann ist im ersten Gang die Drehzahl der Abtriebswelle gleich der Drehzahl des Motors II, wobei der Motor II mit der doppelten Drehzahl des Motors III umläuft;
im zweiten Gang ist die Abtriebsdrehzahl gleich der Dreh­ zahl des Motors II, d.h. doppelt so hoch wie im ersten Gang, da der Motor II mit der doppelten Drehzahl wie der Motor III umläuft;
im dritten Gang läuft die Abtriebswelle mit der dreifachen Drehzahl des Motors III um, was aus dem Übersetzungsver­ hältnis des Umlaufgetriebes resultiert.

Es ist zu beachten, daß beide Hydromotoren gleiche Größe und Verdrängung haben und mit der gleichen Höchstdrehzahl umlaufen können, so daß sich am Ende der Abtriebswelle 3 ein weiter Abtriebsleistungs- und Drehzahlbereich ergibt.

Die Motoren sind hydraulisch mit der Pumpe I über Druck­ leitungen 60, 61 und Rücklaufleitungen 62, 63 verbunden, und die automatische Flüssigkeitsförderung erfolgt durch Regelung des Pumpenvolumens; die Absperrorgane 64, 65 erlauben in bekannter Weise eine Umschaltung und dienen dazu, jeden Motor abzubremsen, und zwar mit oder ohne Ein­ wirkung der Bremsklötze 43, 53.

Fig. 5 zeigt eine einfachere Umlaufgetriebeeinheit, bei der jedoch im zweiten Gang die Umlaufrichtung des Verstell­ motors II umgesteuert werden muß. Die Anordnung der Pumpe I, der Verstellmotoren II und III und ihrer Hydraulikan­ schlüsse sind mit der Anordnung der vorherigen Ausführungs­ form identisch; bei dieser Umlaufgetriebeeinheit sind jedoch die Rückwärtsplanetenräder sowie das entsprechende Zentralrad weggelassen. Dadurch wird natürlich die zweite Kupplung überflüssig. In Fig. 5 sind alle mit den Fig. 3 und 4 identischen Bauteile mit gleichen Bezugszeichen wie dort versehen.

Die Funktionsweise ist ähnlich derjenigen der ersten Aus­ führungsform: Im niedrigen Gang verbindet die Kupplung 33 das Gehäuse mit dem Planetenträger 2, wodurch die Plane­ tenräder blockiert sind und das Gehäuse als starre Einheit umläuft. Beide Motoren sind aktiviert, und der Motor II läuft mit höherer Drehzahl als der Motor III um.

Im zweiten Gang wird die Kupplung 33 ausgerückt, die Um­ laufrichtung des Motors II wird umgesteuert, und der Motor III wird angehalten. Dadurch wird die Drehrichtung des Gehäuses 1 umgekehrt, während der Planetenträger still­ steht; die Planetenräder 20 laufen nunmehr um und treiben das Zentralrad 31 zusammen mit der Abtriebswelle 3 in der gleichen Richtung wie vorher, aber mit höherer Drehzahl an.

Im dritten Gang wird die Kupplung 33 gelöst, der Motor II wird angehalten, und der Motor III wird aktiviert, so daß die Abtriebswelle mit noch höherer Drehzahl umläuft.

Bei dem in Fig. 7 gezeigten Getriebe sind die Planetenräder der beiden vorhergehenden Ausführungsbeispiele weggelassen und durch ein großes Getrieberad 10′ ersetzt. Dieses wird von den Hydromotoren II und III über die Ritzel 41 und 41′ angetrieben, die auf der Motorwelle 50 über die Kupplung 54 bzw. auf der Motorwelle 40 direkt befestigt sind. Hier sind zwei Drehzahlen verfügbar: eine Niedrigdrehzahl, wobei das Getrieberad 10′ und die Abtriebswelle 3 gleichzeitig von beiden Motoren mit hohem Drehmoment angetrieben werden, und eine Hochdrehzahl, wobei der Motor III das Getrieberad 10′ über das Ritzel 41′ mit niedrigem Drehmoment antreibt. Der jeweils untätige Motor wird von einem der Absperrorgane 64 abgestellt und mittels der Kupplung 54 getrennt.

Es ist zu beachten, daß anstelle von zwei Motoren auch drei oder mehr Motoren vorgesehen sein können, wobei jeder ein anders bemessenes Ritzel aufweist. Diese Anordnung erlaubt die allmähliche Erhöhung der Drehzahl der Welle 3, indem das Getrieberad durch Motoren mit zunehmend größeren Rit­ zeln angetrieben wird, ohne daß merkliche Stöße zwischen den Schaltvorgängen auftreten.

Fig. 6 zeigt den Leistungsverlauf P an der Abtriebswelle bei verschiedenen Drehzahlen für ein hydromechanisches Getriebe mit gegebenen Abmessungen:

Bis zu 1000 U/min treiben beide Hydromotoren II und III die starre Umlaufgetriebeeinheit an; bis zu 2400 U/min treibt der Motor II das Hohlrad, während der Planetenträger ange­ halten ist; und bis zu 7000 U/min treibt der Motor III den Planetenträger, während das Hohlrad stillsteht. Die Kurve P′ bezeichnet die Leistung, die verfügbar wird, wenn man den kurzen Extraleistungsstoß nützt, den eine Brennkraft­ maschine entwickeln kann, wenn ihre Zusatzeinrichtungen wie z.B. das Kühlgebläse abgeschaltet werden.

Claims (4)

1. Hydromechanisches Getriebe für Schwerfahrzeuge mit: einer von einer Brennkraftmaschine angetriebenen Verstell­ pumpe (I),
einem ersten (II) und einem zweiten (III) Verstellmotor, die beide von der Verstellpumpe (I) mit Druckflüssigkeit versorgt werden und mittels Absperrorganen (64, 65) regel­ bar sind, und
einer Umlaufgetriebeeinheit mit einem zylindrischen Gehäuse (1), das ein Innenhohlrad (112) und ein Außenhohlrad (10) enthält, einem auf einer Abtriebswelle (3) angeordneten Zentralrad (31), auf einem Planetenträger (2) angeordneten Planetenrädern (20), die mit dem Innenhohlrad und dem Zentralrad in Eingriff stehen, und einer Kupplung (33), die im eingerückten Zustand eine Relativbewegung des Gehäuses und des Planetenträgers verhindert, so daß die Einheit als starre Einheit umläuft, dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Verstellmotor (II) das Gehäuse (1) über ein mit dem Außenhohlrad (10) kämmendes Ritzel (51) dreht,
daß der zweite Motor (III) den Planetenträger dreht, so daß drei verschiedene Drehzahlen verfügbar sind: eine Niedrig­ drehzahl, wenn die Umlaufrädereinheit als starre Einheit von beiden Motoren gleichzeitig gedreht wird; eine Mittel­ drehzahl, wenn der erste Motor das Gehäuse bei gelöster Kupplung und stillstehendem zweiten Motor dreht; und eine Hochdrehzahl, wenn der zweite Motor den Planetenträger dreht und der erste Motor stillsteht.

2. Hydromechanisches Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Umlaufgetriebeeinheit aufweist:
ein zylindrisches Gehäuse (1) mit einem ersten (12) und einem zweiten (11) Innenhohlrad und einem Außenhohlrad (10), wobei das Außenhohlrad mit einem auf der Abtriebs­ welle (50) des ersten Motors sitzenden Ritzel (51) kämmt, einen Planetenträger (2), der direkt mit der Abtriebswelle (40) des zweiten Motors (III) verbunden und mit der Motor­ drehzahl drehbar ist,
eine Abtriebswelle (3), die in Lagern im Gehäuse (1) und im Planetenträger (2) frei beweglich ist und eine fest mit ihr verbundene Kupplungsplatte (32) sowie ein erstes (30) und ein zweites (31) Zentralrad trägt, die auf entgegengesetz­ ten Seiten der Kupplungsplatte drehbar auf der Welle ange­ ordnet sind,
eine erste (33) und eine zweite (34) Kupplung, die die Kupplungsplatte mit dem ersten oder dem zweiten Zentralrad bzw. alternativ mit beiden Zentralrädern verbinden,
einen ersten Satz Planetenräder (20), die ständig mit dem ersten Innenhohlrad (12) kämmen, und
einen zweiten Satz Rückwärtsplanetenräder (21), die ständig mit dem zweiten Innenhohlrad (11) und dem zweiten Zentral­ rad kämmen.

3. Hydromechanisches Getriebe für Schwerfahrzeuge mit: einer von der Fahrzeugantriebsmaschine angetriebenen Ver­ stellpumpe (I), wenigstens zwei Verstellmotoren (II, III), denen jeweils von der Verstellpumpe Druckflüssigkeit zuführbar ist und die einzeln durch Absperrorgane (64, 65) regelbar sind, wobei jeder der wenigstens zwei Motoren ein Ritzel (41, 51) über eine Kupplung (64) antreibt und die Ritzel identische Teilung, aber unterschiedliche Zähnezahl haben, und ein Getrieberad (10′), das eine Abtriebswelle (3) antreibt und mit den Ritzeln der wenigstens zwei Hydromotoren kämmt, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Drehzahlen ansteigender Größe verfügbar sind, indem anfangs das Getrieberad gleichzeitig von den wenig­ stens zwei Motoren angetrieben wird und das Getrieberad dann schrittweise von einem der Motoren, der ein Ritzel mit höherer Zähnezahl aufweist, angetrieben wird, während die übrigen Verstellmotoren über die Kupplungen von ihren jeweiligen Ritzeln getrennt sind.

4. Hydromechanisches Getriebe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine auf der Welle wenigstens eines der Verstellmotoren angeordnete Scheibenbremse.