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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein leistungsverzweigtes stufenloses Getriebe. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Antriebseinheit mit solch einem leistungsverzweigten stufenlosen Getriebe.
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Stand der Technik
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Leistungsverzweigte stufenlose Getriebe, beispielsweise hydrostatisch-mechanisch leistungsverzweigte Getriebe, kommen im Bereich von Arbeitsmaschinen häufig zum Einsatz. Ein Beispiel für eine Arbeitsmaschine ist ein Traktor. Solche hydromechanischen Getriebe ermöglichen das stufenlose Einstellen der Getriebeübersetzung bei relativ hohen Wirkungsgraden, weisen jedoch eine verhältnismäßig geringe Getriebespreizung auf. Unter der Spreizung eines Getriebes wird das Verhältnis zwischen größter und kleinster Übersetzung verstanden. Zur Vergrößerung der Getriebespreizung ist es bekannt, in einem stufenlosen Getriebe mehrere Fahrbereiche vorzusehen, die unterschiedliche Übersetzungsbereiche aufweisen. Derartige Getriebe sind beispielsweise aus der
DE 195 22 833 A1 bekannt.
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DE 196 21 201 A1 zeigt ein stufenloses Getriebe mit einem hydrostatischen und einem mechanischen Leistungszweig, ein Summierungsgetriebe mit kraftschlüssigen Lamellenkupplungen und ein nachgeschaltetes Schaltgetriebe. Mit dem Schaltgetriebe werden vor allem die niedrigen Vorwärts- und Rückwärtsfahrbereiche realisiert. In einem Fahrbereich, in dem ausschließlich kraftschlüssige Kupplungen im Leistungsfluss liegen, werden formschlüssige Kupplungen bzw. eine Bremse geschaltet.
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Aus
CN 110 360 293 A ist ein stufenloses Getriebe bekannt. Das stufenlose Getriebe umfasst eine Antriebswelle, ein pumpengesteuertes Hydraulikmotorsystem, einen Bus-Planetenreihenmechanismus, einen Duplex-Planetengetriebe-Umkehrmechanismus und eine Leistungsausgangswelle. Eine im Duplex-Planetengetriebe-Umkehrmechanismus installierte Bremse wird unabhängig voneinander gesteuert, so dass zwei Arbeitsmodi der Vorwärts- und Rückwärtsbewegung eines Traktors ausgewählt werden können und eine mehrteilige kontinuierliche stufenlose Geschwindigkeitsregelungsausgabe der Leistung des Traktors realisiert wird.
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Ausgehend von den bekannten Getrieben aus dem Stand der Technik ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin zu sehen, ein verbessertes leistungsverzweigtes stufenloses Getriebe bereitzustellen. Die Aufgabe wird gemäß Patentanspruch 1 und den Weiterbildungen der abhängigen Ansprüche gelöst. Ferner wird eine Antriebseinheit mit einem erfindungsgemäßen Getriebe vorgeschlagen.
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Darstellung der Erfindung
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein leistungsverzweigtes stufenloses Getriebe. Das Getriebe kann zur Verwendung in einer Arbeitsmaschine ausgebildet sein. Bei einem stufenlosen Getriebe ist die Übersetzung stufenlos einstellbar. Bei der Leistungsverzweigung kann es sich beispielsweise um eine hydrostatisch-mechanische Leistungsverzweigung handeln. Alternativ oder zusätzlich ist beispielsweise eine elektrischmechanische Leistungsverzweigung denkbar. Das Getriebe ermöglicht eine hohe Getriebespreizung bei hohem Wirkungsgrad. Das Getriebe umfasst einen Antrieb, an dem die zu übersetzende Größe in das Getriebe eingespeist wird. Das Getriebe kann eine Antriebswelle aufweisen, die an einem Ende den Antrieb ausbilden kann. Die Antriebswelle kann sich durch das Getriebe hindurch erstrecken und an einem dem Antrieb abgewandten Ende eine Entnahme einer Zapfleistung ermöglichen, beispielsweise zum Antrieb eines Arbeitsgeräts der Arbeitsmaschine. Ebenso umfasst das Getriebe einen Abtrieb, an dem die durch das Getriebe übersetzte Größe ausgegeben wird. An dem Abtrieb kann beispielsweise ein Drehmoment für einen Fahrantrieb bereitgestellt werden, beispielsweise zum drehenden Antreiben jeweiliger Räder einer Arbeitsmaschine. Der Antrieb und der Abtrieb können achsparallel zueinander vorgesehen sein. Es ist jedoch auch eine andere Ausgestaltung denkbar.
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Das Getriebe weist einen Variator auf. Der Variator kann eingerichtet sein, um eine Übersetzung des Getriebes, beispielsweise innerhalb eines Fahrbereichs, stufenlos zu variieren. Das Getriebe weist eine Planetenbaugruppe auf, welche unterschiedliche Fahrbereiche zur Verfügung stellen kann. Der jeweilige Fahrbereich kann durch Schaltelemente eingestellt werden, welche jeweils Teil der Planetenbaugruppe sein können. Unter einem Fahrbereich des Getriebes kann ein Zustand verstanden werden, bei dem ein festes mechanisches Übersetzungsverhältnis zwischen Antrieb und Abtrieb des Getriebes vorliegt, wobei die Übersetzung des Getriebes innerhalb des Fahrbereichs durch den Variator stufenlos variiert werden kann.
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Die Planetenbaugruppe weist fünf Planetenradsätze auf. Der erste, zweite, dritte und vierte Planetenradsatz weist jeweils ein Sonnenrad, einen Planetenträger mit jeweiligen drehbar daran gelagerten Planetenrädern und ein Hohlrad auf. Beispielsweise sind der erste bis vierte Planetenradsatz als Minus-Planetenradsatz ausgebildet. Ein Minus-Planetenradsatz weist eine negative Standübersetzung auf. Beispielsweise kämmen die jeweiligen Planetenräder des jeweiligen ersten bis vierten Planetenradsatzes mit dem jeweiligen zugeordneten Sonnenrad und dem jeweiligen zugeordneten Hohlrad. Der jeweilige Planetenträger der Planetenradsätze kann, je nach Schaltzustand und Verbindung, rotieren, wodurch die jeweiligen daran gelagerten Planetenräder die zugeordnete Sonne umlaufen können. Weiterhin weist die Planetenbaugruppe einen fünften Planetenradsatz auf, welcher als ein Plus-Planetenradsatz ausgebildet ist. Der fünfte Planetenradsatz weist ein Sonnenrad, einen Planetenträger mit jeweiligen drehbar daran gelagerten inneren und äußeren Planetenrädern und ein Hohlrad auf. Ein Plus-Planetenradsatz hat eine positive Standübersetzung. Die inneren Planetenräder sind üblicherweise mit dem Sonnenrad und den äußeren Planetenrädern mechanisch wirkverbunden, beispielsweise indem diese miteinander kämmen. Die äußeren Planetenräder sind üblicherweise mit den inneren Planetenrädern und dem Hohlrad mechanisch wirkverbunden, beispielsweise indem diese miteinander kämmen. Die inneren und äußeren Planetenräder des Plus-Planetensatzes können einen gleichen Wirkdurchmesser haben. Vorteilhafterweise können die inneren und äußeren Planetenräder als Gleichteile ausgebildet sein. Jeweilige Drehachse der jeweiligen äußeren Planetenräder ist beispielsweise radial außen zu jeweiligen Drehachsen der jeweiligen inneren Planetenräder angeordnet.
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Beispielsweise sind die jeweiligen fünf Planetenradsätze frei von weiteren Elementen, insbesondere jeweiligen Drehelementen, wie weiteren Hohlrädern, Planetenträgern, Planeten und Sonnenrädern. Die jeweiligen Planetenradsätze weisen beispielsweise drei Planetenräder oder mehr auf. Der Plus-Planetenradsatz kann beispielsweise drei, vier oder mehr innere Planeten und drei, vier oder mehr äußere Planeten und damit drei, vier oder mehr Sätze von Planeten aufweisen. Die jeweiligen Hohlräder können als Gehäuseelement des Getriebes oder der Planetenbaugruppe ausgebildet sein.
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Sind zwei Elemente mechanisch wirkverbunden, so sind diese unmittelbar oder mittelbar derart miteinander gekoppelt, dass eine Bewegung des einen Elements eine Reaktion des anderen Elements bewirkt. Beispielsweise kann eine mechanische Wirkverbindung durch eine formschlüssige oder reibschlüssige Verbindung bereitgestellt werden. Beispielsweise kann die mechanische Wirkverbindung ein Kämmen von korrespondierenden Verzahnungen der zwei Elemente entsprechen. Zwischen den Elementen können dabei weitere Elemente, beispielsweise eine oder mehrere Stirnradstufen, vorgesehen sein. Unter einer permanent drehfesten Verbindung zweier Elemente wird hingegen eine Verbindung verstanden, bei welcher die beiden Elemente zu allen bestimmungsgemäßen Zuständen des Getriebes starr miteinander gekoppelt sind. Die Elemente können dabei als drehfest miteinander verbundene Einzelkomponenten oder auch einstückig vorliegen.
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Ist ein Schaltelement zwischen zwei Elementen des Getriebes vorgesehen, so sind diese Elemente nicht permanent drehfest miteinander verbunden, jedoch über das Schaltelement drehfest miteinander verbindbar. Eine drehfeste Verbindung wird erst durch Betätigung des zwischenliegenden Schaltelements herbeigeführt. Dabei bedeutet eine Betätigung des Schaltelements, dass dieses in einen geschlossenen Zustand überführt wird, sodass die an das Schaltelement unmittelbar angekoppelten Bauelemente in ihren Drehbewegungen aneinander angeglichen werden. Ein unbetätigtes Schaltelement gibt diese Verbindung frei. Die jeweiligen Schaltelemente sind beispielsweise wenigstens zwischen einem geöffneten und einem geschlossenen Zustand schaltbar. Ist das betroffene Schaltelement als formschlüssiges Schaltelement ausgebildet, werden die hierüber unmittelbar drehfest miteinander verbundenen Bauelemente unter gleicher Drehzahl laufen. Im Falle eines reibschlüssigen Schaltelements können, auch nach einem Betätigen desselbigen, Drehzahlunterschiede zwischen den Bauelementen bestehen. Dieser gewollte oder auch ungewollte Zustand wird im Rahmen der Erfindung dennoch als drehfeste Verbindung der jeweiligen Bauelemente bezeichnet. Bei einer reibschlüssigen Verbindung kann beispielsweise aufgrund eines Schlupfes eine gewisse Drehzahldifferenz zwischen den zwei miteinander verbundenen Elementen vorliegen. Die Drehzahlen der beiden Bauteile sind dabei üblicherweise zudem trotz des Schlupfes näherungsweise identisch. Entsprechend wird auch eine solche Verbindung trotz des Schlupfes hier als drehfest angesehen.
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Der Antrieb ist mit dem Hohlrad des ersten Planetenradsatzes und dem Planetenträger des zweiten Planetenradsatzes permanent drehfest verbunden. Der Planetenträger des ersten Planetenradsatzes ist mit dem Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes permanent drehfest verbunden. Das Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes ist mit dem Planetenträger des dritten Planetenradsatzes permanent drehfest verbunden. Das Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes ist mit dem Sonnenrad des dritten Planetenradsatzes permanent drehfest verbunden. Der Planetenträger des vierten Planetenradsatzes ist mit dem Sonnenrad des fünften Planetenradsatzes permanent drehfest verbunden. Das Hohlrad des vierten Planetenradsatzes ist mit dem Hohlrad des fünften Planetenradsatzes permanent drehfest verbunden. Ferner ist das Hohlrad des dritten Planetenradsatzes mit dem Sonnenrad des vierten Planetenradsatzes mittels eines ersten Schaltelements drehfest verbindbar. Das Sonnenrad des dritten Planetenradsatzes ist mit dem Sonnenrad des vierten Planetenradsatzes mittels eines zweiten Schaltelements drehfest verbindbar. Der Planetenträger des ersten Planetenradsatzes ist mit dem Planetenträger des vierten Planetenradsatzes mittels eines dritten Schaltelements drehfest verbindbar. Das Hohlrad des fünften Planetenradsatzes ist mittels einer Bremse an einem stationären Bauteil festsetzbar. Das stationäre Bauteil kann ein unbewegliches Teil des Getriebes sein, wie beispielsweise ein Gehäuse.
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Alle Schaltelemente des Getriebes der vorliegenden Erfindung können als reibschlüssige Schaltelemente, beispielsweise als Lamellenkupplungen, ausgebildet sein. Ebenso können einige oder alle Schaltelemente auch als formschlüssige Schaltelemente, wie beispielsweise Klauenkupplungen oder Synchronisierungen, ausgebildet sein. Unter einer Synchronisierung wird eine formschlüssige Kupplung zwischen zwei Wellen verstanden, bei welcher die Wellen vor Herstellen der formschlüssigen Verbindung in Gleichlauf gebracht, also synchronisiert, werden. Bei der Bremse kann es sich ebenfalls um eine formschlüssige Bremse oder um eine reibschlüssige Bremse handeln.
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Darüber hinaus ist der Variator mit dem Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes und dem Antrieb mechanisch wirkverbunden. Der Variator kann zwei Energiewandler aufweisen, die beispielsweise als Hydrostat ausgebildet sind. Die Energiewandler des Variators können aber auch als elektrische Maschinen ausgebildet sein. Die Energiewandler können koaxial zum Antrieb des Getriebes ausgebildet sein. Ebenso ist es denkbar, dass sie achsparallel zum Antrieb ausgebildet sind. Typischerweise können die jeweiligen hydraulischen Maschinen als Schrägscheibeneinheiten ausgebildet sein.
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Das Getriebe ist so ausgebildet, dass zwischen dem fünften Planetenradsatz und dem Abtrieb ein Drehmoment übertragen werden kann. Beispielsweise kann die Kopplung durch eine oder mehrere Getriebestufen, beispielsweise Stirnradstufen, bereitgestellt werden. Zum Übertragen eines Drehmoments kann es erforderlich sein, dass ein oder mehrere Schaltelemente betätigt werden müssen. Der fünfte Planetenradsatz kann nicht nur mit einem sondern auch mit mehreren Drehelementen, beispielsweise sowohl mit dem Sonnenrad als auch dem Planetenträger, mit dem Abtrieb gekoppelt werden. Die Kopplung kann in diesem Fall schaltbar sein, beispielsweise durch weitere Schaltelemente, um steuern zu können, welche Elemente des fünften Planetenradsatzes mit dem Abtrieb gekoppelt sind.
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Jeweilige Planetenradsätze können koaxial zueinander angeordnet sein. Die jeweiligen Sonnenräder, Planetenträger und Hohlräder können eine gemeinsame Drehachse haben, welche beispielsweise einer Drehachse des Antriebs entspricht. Jeweilige Schaltelemente können koaxial zueinander und alternativ oder zusätzlich koaxial zu den jeweiligen Planetenradsätzen angeordnet sein.
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Das leistungsverzweigte Getriebe erlaubt mit wenigen Schaltelementen viele Fahrbereiche bereitzustellen und weist demnach eine große Getriebespreizung auf. So kann eine hohe Anzahl an Fahrbereichen für eine Rückwärtsfahrt mit wenigen Elementen bereitgestellt werden. Dabei kann ein Übergang zwischen den Fahrbereichen synchron erfolgen. Das kann heißen, dass bei Erreichen einer Untergrenze oder Obergrenze einer Drehzahl eines jeweiligen Fahrbereichs der nächste Fahrbereich eingelegt werden kann, ohne dass eine Einstellung am Variator vorgenommen werden muss. Der Variator muss beispielsweise nicht seine Drehzahl oder Stellung ändern, um einen Fahrbereichswechsel zu vollziehen. Zudem kann der Variator an der Untergrenze und Obergrenze der jeweiligen Fahrbereiche auch in einer Maximalstellung oder Minimalstellung sein. In den jeweiligen Fahrbereichen kann eine geringe Anzahl von Schaltelementen in deren jeweiliger Offenstellung sein, wodurch Schleppverluste reduziert und damit die Getriebeeffizienz erhöht werden kann.
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In einer Ausführungsform des Getriebes kann es vorgesehen sein, dass das Sonnenrad des fünften Planetenradsatzes mit dem Abtrieb mittels eines vierten Schaltelements mechanisch wirkverbindbar ist. Statt des vierten Schaltelements kann auch eine dauerhafte drehfeste Verbindung zwischen dem Sonnenrad des fünften Planetenradsatzes und dem Abtrieb als Kopplung vorgesehen sein. In einer Ausführungsform des Getriebes kann es vorgesehen sein, dass der Planetenträger des fünften Planetenradsatzes mit dem Abtrieb mittels eines fünften Schaltelements mechanisch wirkverbindbar ist. Auch hier kann alternativ zu dem Schaltelement eine drehfeste Verbindung zwischen dem Planetenträger des fünften Planetenradsatzes und dem Abtrieb vorgesehen sein.
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Durch das Vorsehen sowohl des vierten als auch des fünften Schaltelements kann zwischen jeweiligen Vorwärtsfahrbereichen und jeweiligen Rückwärtsfahrbereichen umgeschaltet werden. Es kann beispielsweise ein zusätzlicher Vorwärtsfahrbereich zur Verfügung gestellt werden, indem gleichzeitig sowohl das vierte als auch das fünfte Schaltelement geschlossen ist. Für die restlichen Vorwärtsfahrbereiche ist beispielsweise das vierte Schaltelement geschlossen und das fünfte Schaltelement geöffnet. Für die jeweiligen Rückwärtsfahrbereiche kann das fünfte Schaltelement geschlossen und das vierte Schaltelement geöffnet sein. Der Vorwärtsfahrbereich, welcher bei geschlossenem viertem und fünftem Schaltelement eingelegt ist, kann eine besonders hohe Übersetzung haben, beispielsweise die höchste Übersetzung der jeweiligen Fahrbereiche. Dadurch kann bei einem Transport der Arbeitsmaschine, beispielsweise bei Landstraßenfahrt, das Getriebe einen besonders hohen Wirkungsgrad aufweisen. Bei der beschriebenen Bauweise ist beispielsweise im Vorwärtsfahrbereich mit der höchsten Übersetzung lediglich die Bremse offen und nicht die Bremse und zusätzlich eines von dem vierten und fünften Schaltelement, wodurch nur kleine Schleppverluste entstehen.
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Im Rahmen einer Ausführungsform weist das Getriebe eine Hohlwelle auf, die mittels des vierten Schaltelements drehfest mit dem Sonnenrad des fünften Planetenradsatzes und mittels des fünften Schaltelements drehfest mit dem Planetenträger des fünften Planetenradsatzes verbindbar ist. Auf der Hohlwelle kann ein Festrad vorgesehen sein, das mit einem drehfest mit dem Abtrieb verbundenen Gegenrad kämmt. So wird ein Getriebe mit geringer Komplexität bereitgestellt, welches nur eine einzige Stirnradstufe aufweist. Ebenso sind in dieser Ausführungsform nur wenige Wellen, beispielsweise Hohlwellen, erforderlich.
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In einer Ausführungsform des Getriebes kann es vorgesehen sein, dass die Planetenbaugruppe als Planetenwalze ausgebildet ist. Eine Planetenwalze kann kompakt und robust sein. Insbesondere kann eine radiale Erstreckung des Getriebes so gering sein. Die Ausbildung als Planetenwalze kann bedeuten, dass die Planetenbaugruppe nur koaxiale Elemente aufweist, also koaxiale Schaltelemente, koaxiale Planetenräder, koaxiale Sonnenräder, koaxiale Hohlräder und koaxiale Bremsen. Zudem kann die Ausbildung als Planetenwalze bedeuten, dass die Planetenbaugruppe frei von Stirnradstufen ist. Stirnräder sind bei dem Getriebe beispielsweise nur zwischen dem Variator und der Planetenbaugruppe und der Planetenbaugruppe und dem Abtrieb vorgesehen. Die jeweiligen drei bis fünf Schaltelemente und die Bremse können als Teil der Planetenbaugruppe ausgebildet sein.
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In einer Ausführungsform des Getriebes kann es vorgesehen sein, dass der Variator einen ersten und einen zweiten Energiewandler aufweist, die miteinander gekoppelt sind, wobei der erste Energiewandler mit dem Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes mechanisch wirkverbunden ist, beispielsweise über eine einstufige Getriebestufe, wie einer einstufigen Stirnradstufe. Der zweite Energiewandler kann mit dem Antrieb mechanisch wirkverbunden sein, beispielsweise über eine zweistufige Getriebestufe, wie einer zweistufigen Stirnradstufe. Bei einem Energiewandler, beispielsweise dem zweiten Energiewandler, kann es sich um eine Verstelleinheit, die über eine Steuerung eingestellt werden kann, handeln. Bei dem anderen Energiewandler, beispielsweise dem ersten Energiewandler, kann es sich um eine nicht einstellbare Konstanteinheit handeln. In einer Ausführungsform des Getriebes kann es vorgesehen sein, dass der erste Energiewandler als hydraulische Maschine mit festem Schluckvolumen ausgebildet ist, welche als Schrägachseneinheit ausgeführt ist. Dadurch kann das Getriebe besonders effizient sein.
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Wenigstens eines der Schaltelemente kann als reibschlüssiges Schaltelement, beispielsweise als Lamellenkupplung ausgebildet sein. Lamellenkupplungen können auch bei einer Drehzahldifferenz geschlossen werden. Lamellenkupplungen können besonders schnelle Schaltvorgänge ermöglichen. Auch die Bremse kann als reibschlüssiges Schaltelement ausgebildet sein. Ferner kann wenigstens eines der Schaltelemente als formschlüssiges Schaltelement, beispielsweise als Klauenkupplung, ausgebildet sein. Klauenkupplungen können besonders gut hohe Lasten übertragen. Beispielsweise kann eine Klauenkupplung im Vergleich zu einer Lamellenkupplung bei geringerem Bauraumbedarf und Gewicht das gleiche maximale Drehmoment übertragen. Auch die Bremse kann als formschlüssiges Schaltelement ausgebildet sein.
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In einer Ausführungsform des Getriebes kann es vorgesehen sein, dass das erste, zweite und dritte Schaltelement sowie die Bremse jeweils als formschlüssiges Schaltelement ausgebildet sind. Das vierte und fünfte Schaltelement können in dieser Ausführungsform als reibschlüssiges Schaltelement, beispielsweise als Lamellenkupplung, ausgebildet sein. Eine solche Bauweise kann ein Powerreversieren erlauben. Powerreversieren kann als Wechsel der Fahrbereichsrichtung, also von einem Vorwärtsfahrbereich in einen Rückwärtsfahrbereich oder umgekehrt definiert sein, bei welchem noch kein Stillstand erfolgt ist. Dies kann ein schnelles Manövrieren und zudem bestimmte Arbeitsweisen mit Arbeitsmaschinen erleichtern.
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In einer Ausführungsform des Getriebes kann es vorgesehen sein, dass das erste, zweite und dritte Schaltelement als reibschlüssiges Schaltelement, beispielsweise als Lamellenkupplung, ausgebildet ist. Das vierte und fünfte Schaltelement sowie die Bremse können als formschlüssiges Schaltelement ausgebildet sein. Dadurch kann das Getriebe besonders klein und leicht sein, während dennoch schnelle Schaltvorgänge möglich sind. Bei dieser Ausgestaltung sind die besonders hoch belasteten Schaltelemente als formschlüssige Schaltelemente ausgebildet. Letztere können hohe Lasten besonders gut abstützen.
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Das erste und das zweite Schaltelement können als gemeinsames Doppelschaltelement ausgebildet sein. Dadurch kann das Getriebe besonders kompakt sein. Dieses Doppelschaltelement kann dazu ausgebildet sein, als ersten Zustand eine Verbindung zwischen dem Hohlrad des dritten Planetenradsatzes und dem Sonnenrad des vierten Planetenradsatzes und als zweiten Zustand eine zweite Verbindung zwischen dem Sonnenrad des dritten Planetenradsatzes und dem Sonnenrad des vierten Planetenradsatzes herzustellen. Das vierte und das fünfte Schaltelement können als gemeinsames Doppelschaltelement ausgebildet sein. Dadurch kann das Getriebe besonders kompakt ausgebildet sein. Dieses Doppelschaltelement kann dazu ausgebildet sein, als ersten Zustand eine Verbindung zwischen dem Planetenträger des fünften Planetenradsatzes und dem Abtrieb und als zweiten Zustand eine Verbindung zwischen dem Sonnenrad des fünften Planetenradsatzes und dem Abtrieb herzustellen. Als weiteren Zustand kann dieses Doppelschaltelement die erste und zweite Verbindung herstellen, also sowohl das Sonnenrad als auch den Planetenträger des fünften Planetenradsatzes mit dem Abtrieb mechanisch wirkverbinden.
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In einer Ausführungsform des Getriebes kann es vorgesehen sein, dass das Getriebe dazu ausgebildet ist, bei geschlossenem erstem und viertem Schaltelement und geschlossener Bremse einen ersten Vorwärtsfahrbereich bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann das Getriebe dazu ausgebildet sein, bei geschlossenem zweitem und viertem Schaltelement und geschlossener Bremse einen zweiten Vorwärtsfahrbereich bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann das Getriebe dazu ausgebildet sein, bei geschlossenem zweitem, drittem und viertem Schaltelement einen dritten Vorwärtsfahrbereich bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann das Getriebe dazu ausgebildet sein, bei geschlossenem zweitem, viertem und fünftem Schaltelement einen vierten Vorwärtsfahrbereich bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann das Getriebe dazu ausgebildet sein, bei geschlossenem erstem und fünftem Schaltelement und geschlossener Bremse einen ersten Rückwärtsfahrbereich bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann das Getriebe dazu ausgebildet sein, bei geschlossenem zweitem und fünftem Schaltelement und geschlossener Bremse einen zweiten Rückwärtsfahrbereich bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann das Getriebe dazu ausgebildet sein, bei geschlossenem drittem und fünftem Schaltelement und geschlossener Bremse einen dritten Rückwärtsfahrbereich bereitzustellen. Beispielsweise folgen die Fahrbereiche direkt aufeinander. Die Nummerierung der Fahrbereiche kann deren relative Fahrgeschwindigkeit angeben. Beispielsweise erlaubt der zweite Vorwärtsfahrbereich eine schnellere Fahrgeschwindigkeit als der erste Vorwärtsfahrbereich.
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Zum Einlegen der Fahrbereiche und dem Steuern der verschiedenen Schaltelemente und der Bremse kann das Getriebe eine dazu ausgebildete Steuerungsvorrichtung aufweisen. Die Steuerungsvorrichtung kann dazu ausgebildet und eingerichtet sein, einen jeweiligen Zustand der Schaltelemente und der Bremse zu steuern. Die Steuerungsvorrichtung kann dafür jeweilige Aktuatoren und alternativ oder zusätzlich Stellungssensoren und alternativ oder zusätzlich Drehzahlsensoren aufweisen. Das Getriebe und beispielsweise die Planetenbaugruppe kann frei von weiteren als den beschriebenen Elementen sein.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Antriebseinheit, welche ein leistungsverzweigtes stufenloses Getriebe gemäß dem ersten Aspekt aufweist. Die Antriebseinheit weist einen Motor auf, welcher zum Antreiben des Getriebes mit dem Antrieb mechanisch wirkverbunden ist. Der Motor kann beispielsweise ein Verbrennungsmotor sein. Ebenso ist hier ein Elektromotor denkbar. Die Antriebseinheit kann dazu ausgebildet sein, den Motor mit im Wesentlichen konstanter Drehzahl zu betreiben. Eine jeweilige Fahrgeschwindigkeit und optional Fahrrichtung kann beispielsweise mittels des gewählten Fahrbereichs und dem Variator gesteuert werden. Ein weiterer Aspekt betrifft eine Arbeitsmaschine mit einem leistungsverzweigten stufenlosen Getriebe gemäß dem ersten Aspekt und alternativ oder zusätzlich einer Antriebseinheit gemäß dem zweiten Aspekt.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Getriebes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt ein Schaltschema des Getriebes aus 1.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
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1 veranschaulicht in einer schematischen Ansicht ein leistungsverzweigtes stufenloses Getriebe 10 mit einem Antrieb 12, einem Abtrieb 14, einem Variator 16 und einer Planetenbaugruppe 18, welche fünf Planetenradsätze aufweist. Der Antrieb 12 ist mit einer Ausgangswelle eines Motors 20 drehfest verbunden. Der Motor 20 ist in der vorliegenden Ausführungsform als Verbrennungsmotor ausgebildet, kann aber beispielsweise auch als Elektromotor ausgebildet sein. Der Motor kann mit dem Antrieb in einer anderen Ausführungsform mittels einer Kupplung verbindbar sein. An einem dem Motor 20 abgewandten Ende 22 der Antriebswelle kann eine Zapfleistung entnommen werden. Der Abtrieb 14 ist achsparallel zur Antriebswelle vorgesehen. Die Planetenbaugruppe 18 ist als Planetenwalze ausgebildet.
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Ein erster Planetenradsatz der Planetenbaugruppe 18 weist ein Sonnenrad 24, einen Planetenträger 26 mit jeweiligen drehbar daran gelagerten Planetenrädern 28 und ein Hohlrad 30 auf. Ein zweiter Planetenradsatz der Planetenbaugruppe 18 weist ein Sonnenrad 32, einen Planetenträger 34 mit jeweiligen drehbar daran gelagerten Planetenrädern 36 und ein Hohlrad 38 auf. Ein dritter Planetenradsatz der Planetenbaugruppe 18 weist ein Sonnenrad 40, einen Planetenträger 42 mit jeweiligen drehbar daran gelagerten Planetenrädern 44 und ein Hohlrad 46 auf. Ein vierter Planetenradsatz der Planetenbaugruppe 18 weist ein Sonnenrad 48, einen Planetenträger 50 mit jeweiligen drehbar daran gelagerten Planetenrädern 52 und ein Hohlrad 54 auf. Der erste bis vierte Planetenradsatz sind jeweils als Minus-Planetenradsatz ausgebildet. Die jeweiligen Sonnenräder 24, 32, 40, 48 kämmen mit den jeweiligen Planetenrädern 28, 36, 44, 52 des jeweiligen Planetenradsatzes. Die jeweiligen Planetenräder 28, 36, 44, 52 kämmen mit den jeweiligen Hohlrädern 30, 38, 46, 54 des jeweiligen Planetenradsatzes. Sofern die jeweiligen Planetenräder 28, 36, 44, 52 eine Umlaufbewegung vollführen, dreht sich der jeweilige zugeordnete Planetenträger 26, 34, 42, 50 um dessen Drehachse mit.
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Die Planetenbaugruppe 18 weist einen fünften Planetenradsatz auf, welcher als ein Plus-Planetenradsatz ausgebildet ist. Der fünfte Planetenradsatz weist ein Sonnenrad 56 und einen Planetenträger 58 mit jeweiligen drehbar daran gelagerten inneren Planetenrädern 60 und äußeren Planetenrädern 62 auf. Zudem weist der fünfte Planetenradsatz ein Hohlrad 64 auf. Die inneren und äußeren Planetenräder 60, 62 kämmen paarweise miteinander. Die jeweiligen inneren Planetenräder 60 kämmen mit dem Sonnenrad 56. Die jeweiligen äußeren Planetenräder 62 kämmen mit dem Hohlrad 64.
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Der Antrieb 12 ist mit dem Hohlrad 30 des ersten Planetenradsatzes und dem Planetenträger 34 des zweiten Planetenradsatzes permanent drehfest verbunden ist. Der Planetenträger 26 des ersten Planetenradsatzes ist mit dem Hohlrad 38 des zweiten Planetenradsatzes permanent drehfest verbunden, hier mittels einer ersten Hohlwelle 27. Das Hohlrad 38 des zweiten Planetenradsatzes ist mit dem Planetenträger 42 des dritten Planetenradsatzes permanent drehfest verbunden, wobei diese drehfeste Verbindung ebenfalls mittels der ersten Hohlwelle 27 gebildet ist. Die erste Hohlwelle 27 ist radial außerhalb des ersten und zweiten Planetenradsatzes angeordnet. Das Sonnenrad 32 des zweiten Planetenradsatzes ist mit dem Sonnenrad 40 des dritten Planetenradsatzes mittels einer zweiten Hohlwelle 33 permanent drehfest verbunden. Die zweite Hohlwelle 33 ist radial außerhalb des Antriebs und innerhalb der ersten Hohlwelle 27 angeordnet. Der Planetenträger 50 des vierten Planetenradsatzes ist mit dem Sonnenrad 56 des fünften Planetenradsatzes permanent drehfest verbunden, hier mittels einer dritten Hohlwelle 51. Das Hohlrad 54 des vierten Planetenradsatzes ist mit dem Hohlrad 64 des fünften Planetenradsatzes permanent drehfest verbunden, hier mittels einer vierten Hohlwelle 55.
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Das Hohlrad 46 des dritten Planetenradsatzes ist mit dem Sonnenrad 48 des vierten Planetenradsatzes mittels eines ersten Schaltelements 66 drehfest verbindbar. Das Sonnenrad 40 des dritten Planetenradsatzes ist mit dem Sonnenrad 48 des vierten Planetenradsatzes mittels eines zweiten Schaltelements 68 drehfest verbindbar. Das erste und das zweite Schaltelement 66, 68 ist dabei als Doppelschaltelement ausgebildet, welches neben den drehfesten Verbindungen auch eine Neutralstellung aufweisen kann. In einer Ausführungsform weist dieses Doppelschaltelement jedoch keine Neutralstellung auf. Der Planetenträger 26 des ersten Planetenradsatzes ist mit dem Planetenträger 50 des vierten Planetenradsatzes mittels eines dritten Schaltelements 70 drehfest verbindbar. Genauer gesagt erstreckt sich die dritte Hohlwelle 51 von dem Planetenträger 50 des vierten Planetenradsatzes axial vor bis zu dem Planetenträger 26 des ersten Planetenradsatzes, um an diesen mittels des dritten Schaltelements 70 anbindbar zu sein. Dabei ist dritte Hohlwelle 51 in diesem Bereich radial außerhalb des ersten, zweiten und dritten Planetenradsatzes angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform sind alle Schaltelemente als Lamellenkupplungen ausgebildet.
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Das Hohlrad 64 des fünften Planetenradsatzes ist mittels einer Bremse 72 an einem stationären Bauteil, vorliegend einem Gehäuse, festsetzbar. Die Bremse 72 kann ebenfalls zwischen einem offenen Zustand und einem geschlossenen Zustand geschaltet werden. Die Funktion der Bremse 72 ist es, im geschlossenen Zustand eine Rotation des Hohlrads 64 des fünften Planetenradsatzes zu verhindern. Im geöffneten Zustand der Bremse 72 kann das Hohlrad 64 des fünften Planetenradsatzes dagegen um seine Drehachse rotieren. Genauer gesagt ist mittels der Bremse 72 die vierte Hohlwelle 55 und damit sowohl das Hohlrad 54 des vierten Planetenradsatzes als auch das Hohlrad 64 des fünften Planetenradsatzes an dem Gehäuse des Getriebes festsetzbar. Die Bremse 72 kann dabei, vom Antrieb 12 aus betrachtet, in axialer Richtung hinter dem fünften Planetenradsatz und den Schaltelementen 74, 76 angeordnet sein, die im Folgenden beschrieben werden.
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Das Sonnenrad 56 des fünften Planetenradsatzes ist mit dem Abtrieb 14 mittels eines vierten Schaltelements 74 mechanisch wirkverbindbar. Der Planetenträger 58 des fünften Planetenradsatzes ist mit dem Abtrieb mittels eines fünften Schaltelements 76 mechanisch wirkverbindbar. Das Getriebe 10 ist demnach derart ausgebildet, dass zwischen dem fünften Planetenradsatz, genauer gesagt dem Sonnenrad 56 und dem Planetenträger 58 des fünften Planetenradsatzes, und dem Abtrieb 14 ein Drehmoment übertragen werden kann. Das vierte und fünfte Schaltelement 74, 76 sind in der vorliegenden Ausführungsform als Doppelschaltelement ausgebildet, welches eine wahlweise oder simultane Verbindung des Planetenträgers 58 und des Sonnenrads 56 des fünften Planetenradsatzes jeweils mit dem Abtrieb 14 ermöglicht. Das vierte 74 und fünfte Schaltelement 75 sind dabei radial ineinander verschachtelt und auf gleicher axialer Höhe entlang des Antriebs 12 angeordnet.
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Der Variator 16 weist einen ersten Energiewandler 78 und einen zweiten Energiewandler 80 auf, welche miteinander gekoppelt sind. Beide Energiewandler 78, 80 sind in der vorliegenden Ausführungsform als hydraulische Maschinen ausgebildet, wobei der erste Energiewandler 78 ein festes Schluckvolumen und der zweite Energiewandler 80 ein variables Schluckvolumen aufweist. Der erste Energiewandler 78 ist mit dem Sonnenrad 24 des ersten Planetenradsatzes mechanisch wirkverbunden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist diese Verbindung dabei indirekt, nämlich mittels einer einstufigen Stirnradstufe 82. Die einstufige Stirnradstufe 82 ist durch zwei kämmende Stirnräder gebildet, von denen eines mit einer Welle des ersten Energiewandlers 78 drehfest verbunden ist. Das andere Zahnrad ist über eine fünfte Hohlwelle 83 drehfest mit dem Sonnenrad 24 des ersten Planetenradsatzes verbunden. Die fünfte Hohlwelle 83 ist radial außerhalb des Antriebs 12 und innerhalb des ersten Planetenradsatzes angeordnet. Die fünfte Hohlwelle 83 erstreckt sich in Axialrichtung von dem ersten Planetenradsatz vor zum Antrieb 12. Der zweite Energiewandler 80 ist mit dem Antrieb 12 an einem dem Motor 20 abgewandten Endbereich, nämlich in Axialrichtung des Getriebes vom Antrieb 12 aus betrachtet, hinter dem fünften Planetenradsatz, mechanisch wirkverbunden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist diese Verbindung dabei indirekt, nämlich mittels einer zweistufigen Stirnradstufe 84, 86. Ein Stirnrad ist mit einer Welle des zweiten Energiewandlers 80 drehfest verbunden. Das Stirnrad kämmt mit einem auf einer Zwischenwelle gelagerten Zwischenrad, welches wiederum mit einem Stirnrad kämmt, das drehfest mit der Antriebswelle verbunden ist.
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Ferner ist das erste Schaltelement 66 mit dem Hohlrad 46 des dritten Planetenradsatzes mittels einer sechsten Hohlwelle 67 drehfest verbunden, welche radial zwischen der dritten Hohlwelle 51 und der zweiten Hohlwelle 33 angeordnet ist. Das zweite Schaltelement 68 ist mittels der zweiten Hohlwelle 33 drehfest mit dem Sonnenrad 40 des dritten Planetenradsatzes verbunden. Das zweite und dritte Schaltelement 66, 68 sind mittels einer siebten Hohlwelle 69 drehfest mit dem Sonnenrad 48 des vierten Planetenradsatzes verbunden, welche radial innerhalb der dritten Hohlwelle 51 angeordnet ist. Ferner ist im Bereich des vierten und fünften Planetenradsatzes und des vierten und fünften Schaltelements 74, 76 die dritte Hohlwelle 51 radial innen zu der vierten Hohlwelle 55 angeordnet und verbindet das vierte Schaltelement 74 drehfest mit dem Sonnenrad 56 des fünften Planetenradsatzes. Ferner ist eine achte Hohlwelle 77 radial zwischen der dritten Hohlwelle 51 und der vierten Hohlwelle 55 angeordnet. Die achte Hohlwelle 77 verbindet das fünfte Schaltelement 76 drehfest mit dem Planetenträger 58 des fünften Planetenradsatzes.
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Das vierte und fünfte Schaltelement 74, 76 sind mittels einer einzigen einstufigen Stirnradstufe 87 mit dem Abtrieb 14 mechanisch wirkverbunden. Die einstufige Stirnradstufe 87 ist durch zwei Stirnräder gebildet, von denen eines drehfest mit dem vierten und fünften Schaltelement 74, 76 mittels einer sechsten Hohlwelle 89 verbunden ist. Das andere Stirnrad ist drehfest mit der Welle des Abtriebs 14 verbunden. Der Abtrieb 14 und der Variator 16 sind achsparallel zum Antrieb 12 vorgesehen. Ferner sind die Planetenradsätze und die Schaltelemente koaxial zum Antrieb 12 angeordnet. Neben den beschriebenen Getriebestufen weist das Getriebe 10 der vorliegenden Ausführungsform keine weiteren Getriebestufen, beispielsweise Stirnradstufen, auf.
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2 veranschaulicht ein Schaltschema des Getriebes 10 aus 1. Eine erste Spalte 88 veranschaulicht den Schaltzustand des ersten Schaltelements 66. Eine zweite Spalte 90 veranschaulicht den Schaltzustand des zweiten Schaltelements 68. Eine dritte Spalte 92 veranschaulicht den Schaltzustand des dritten Schaltelements 70. Eine vierte Spalte 94 veranschaulicht den Schaltzustand der Bremse 72. Eine fünfte Spalte 96 veranschaulicht den Schaltzustand des vierten Schaltelements 74. Eine sechste Spalte veranschaulicht den Schaltzustand des fünften Schaltelements 76. In den jeweiligen Zeilen sind dabei Fahrbereiche des Getriebes 10 veranschaulicht. Ein Punkt in den Spalten veranschaulicht dabei, dass das jeweilige Element geschlossen ist. Kein Punkt in den Spalten veranschaulicht, dass das jeweilige Element geöffnet ist.
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Eine Spalte 100 zeigt den jeweiligen Geschwindigkeitsbereich der verschiedenen Fahrbereiche. So reicht der erste Fahrbereich von der Geschwindigkeit v=0 bis zu der Geschwindigkeit v=x. Die jeweiligen Geschwindigkeitsbereiche folgen in ihrer Nummerierung aufeinander, sodass der erste Geschwindigkeitsbereich 102 bei der Geschwindigkeit v=x endet, bei welcher der zweite Geschwindigkeitsbereich 104 beginnt etc.
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Eine erste Zeile 102 veranschaulicht einen ersten Vorwärtsfahrbereich des Getriebes 10, bei dem das erste und vierte Schaltelement 66, 74 sowie die Bremse 72 geschlossen sind. Eine zweite Zeile 104 veranschaulicht einen zweiten Vorwärtsfahrbereich des Getriebes 10, bei dem das zweite und vierte Schaltelement 68, 74 sowie die Bremse 72 geschlossen sind. Eine dritte Zeile 106 veranschaulicht einen dritten Vorwärtsfahrbereich des Getriebes 10, bei dem das zweite, dritte und vierte Schaltelement 68, 70, 74 geschlossen sind. Eine vierte Zeile 108 veranschaulicht einen vierten Vorwärtsfahrbereich, bei dem das zweite, vierte und fünfte Schaltelement 68, 74, 76 geschlossen sind. Eine fünfte Zeile 110 veranschaulicht einen ersten Rückwärtsfahrbereich, bei dem das erste und fünfte Schaltelement 66, 76 sowie die Bremse 72 geschlossen sind. Eine sechste Zeile 112 veranschaulicht einen zweiten Rückwärtsfahrbereich, bei dem das zweite und fünfte Schaltelement 68, 76 sowie die Bremse 72 geschlossen sind. Eine siebte Zeile 114 veranschaulicht einen dritten Rückwärtsfahrbereich, bei dem das dritte und fünfte Schaltelement 70, 76 sowie die Bremse 72 geschlossen sind. Die Klammer 116 veranschaulicht damit die Vorwärtsfahrbereiche und die Klammer 118 die Rückwärtsfahrbereiche. Jeweilige Schaltelemente und die Bremse 72 können in den jeweiligen Fahrbereichen offen sein, sofern diese nicht als geschlossen beschrieben werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Leistungsverzweigtes stufenloses Getriebe
- 12
- Antrieb
- 14
- Abtrieb
- 16
- Variator
- 18
- Planetenbaugruppe
- 20
- Motor
- 22
- Zapfwelle
- 24, 32, 40, 48, 56
- Sonnenrad
- 26, 34, 42, 50, 58
- Planetenträger
- 28, 36, 44, 52
- Planetenräder
- 60
- innere fünfte Planetenräder
- 62
- äußere fünfte Planetenräder
- 30, 38, 46, 54, 64
- Hohlrad
- 27, 33, 51, 55, 67, 69, 77, 83, 89
- Hohlwelle
- 66, 68, 70, 74, 76
- Schaltelement
- 72
- Bremse
- 78, 80
- Energiewandler
- 82, 84, 86, 87
- Stirnradstufe
- 88, 90, 92, 94, 94, 98
- Schaltzustand Schaltelement
- 100
- Geschwindigkeitsbereich
- 102, 104, 106, 108
- Vorwärtsfahrbereich
- 110, 112, 114
- Rückwärtsfahrbereich
- 116
- Vorwärtsfahrbereiche
- 118
- Rückwärtsfahrbereiche