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Beschreibung
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Hydrostatisches Differentialgetriebe mit Einrichtung zur Bremsenergie-Rückgewinnung
für Fahrzeuge Die Erfindung bezieht sich auf ein hydrostatisches Differentialgetriebe
für Fahrzeuge, das die Umwandlung der kinetischen Energie des Fahrzeuges in potentielle
Energie eines Hydrospeichers und umgekehrt gestattet (Bremsenergie-Rückgewinnung).
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Im sog. Stop-and-Go-Betrieb von Fahrzeugen, also bei wiederholtem
Verzögern des Fahrzeuges und anschließendem Beschleunigen bei relativ kleinen Fahrgeschwindigkeiten
(z.B. im Rahmen des Stadtverkehrs), wird ein großer Teil der mechanischen Antriebsleistung
für das Beschleunigen der Fahrzeugmasse selbst aufgewandt. Dagegen ist die zur Deckung
der Fahrwiderstände (Rollreibungs- und Luftwiderstand) erforderliche Leistung relativ
klein. Üblicherweise wird die kinetische Energie des Fahrzeuges in den Verzögerungsphasen
in Wärme umgesetzt und kann daher nicht weiter für Antriebs zwecke ausgenutzt werden.
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Diese Verhältnisse führen dazu, daß die während einer bestimmten Zeit
aufzuwendende mechanische Antriebsenergie, je nach dem zeitlichen Anteil der Beschleunigungsphasen,
wesentlich größer ist, als dies zur Deckung der Summe aller Fahrwiderstände im betrachteten
rahrzyklus eigentlich erforderlich wäre. Entsprechend höhere Beträge an Eingangsenergie
müssen der Kraftmaschine zur Verfügung gestellt werden, so daß der Gesamtwirkungsgrad
des Prozesses, definiert als das Verhältnis der Verlustenergie aus allen Fahrwiderständen
bezogen auf die der Kraftmaschine zugeführte Eingangsenergie, sehr niedrig wird.
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Bei Fahrzeugen, die überwiegend unter Stop-and-Go-Bedingungen betrieben
werden (z.B. Stadtlinienbussen), kommt als weiterer Nachteil hinzu, daß die Leistung
der installierten Kraftmaschine hauptsächlich im Hinblick auf verkehrsgerechte Beschleunigungswerte
bemessen sein muß und die Kraftmaschine daher für alle anderen Fahrzustände überdimensioniert
ist. Dies hat nicht nur vergleichsweise hohe Anschaffungskosten für die Kraftmaschine
zur Folge, sondern zusätzlich noch den Nachteil, daß die Kraftmaschine in allen
Fahrzuständen außer den Beschleunigungsphasen nur im Teillast-Bereich betrieben
wird, wo der Kraftmaschinen-Wlrkungsgrad, definiert als das Verhältnis der
abgegebenen
mechanischen Leistung bezogen auf die der Kraftmaschin pro Zeiteinheit zugeführte
Eingangsenergie, im allgemeinen niedrig ist. Dies gilt vor allem für Verbrennungs-Kraftmaschinen,
die heut zum Antrieb von Fahrzeugen überwiegend eingesetzt werden.
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Um die der Kraftmaschine zugeführte Eingangsenergie beim Stop-and-Go-Betrieb
von Fahrzeugen zu minimieren und um die anderen beschri benen Nachteile zu beseitigen,
sind schon seit längerer Zeit Bestr bungen im Gange, die kinetische Energie des
bewegten Fahrzeuges in den Verzögerungsphasen nicht in Wärme, sondern in weitgehend
verlu los speicherbare mechanische, elektrische oder hydraulische Energi umzusetzen,
und diese anschließend zum Wiederanfahren auszunutzen (Bremsenergie-Rückgewinnung).
Es läßt sich jedoch feststellen, daß sich die bisher vorgeschlagenen Einrichtungen
zur Bremsenergie-Rüc@ gewinnung im allgemeinen nur für solche Fahrzeuge mit wirtschaftlis
vertretbarem Aufwand realisieren lassen, deren Kraftmaschine eine thermodynamischen
Sinne reversible Prozeßführung aufweist (z.B. Ele tromotoren). Hierbei läßt sich
nämlich die Kraftmaschine während de Verzögerungsphasen in umgekehrter Weise betreiben
und die dem Fahrzeug entzogene kinetische Energie in eine Vergrößerung des Vorrats
an von außen zugeführter oder im Fahrzeug mitgeführter Kraftmaschin Eingangsenergie
umsetzen. In einigen Fällen, insbesondere bei oeles trisch angetriebenen Schienenfahrzeugen,
werden entsprechende Antr systeme bereits praktisch angewendet.
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Demgegenüber sind die bisher vorgeschlagenen Einrichtungen zur Bren
energie-Rückgewinnung für Fahrzeuge mit Antrieb durch Wärmekraftmaschinen nach dem
heutigen Stand der Technik noch mit großem technischem und wirtschaftlichem Aufwand
verbunden, so daß sie sich in de Praxis kaum durchsetzen konnten. Dies liegt hauptsächlich
daran, da die physikalische Grundlage von Wärmekraftmaschinen ein nicht-revei sibler
Energie-Umwandlungsprozeß ist, so daß für die Bremsenergie-Rückgewinnung ein von
der Wärmekraftmaschine völlig getrennter Leistungszweig des Antriebssystems erforderlich
wird. Dessen getriebetechnische Ankopplung und weitere Ausführung wird in den bisherige
Vorschlägen zur Bremsenergie-Rückgewinnung für Fahrzeuge mit Wärmekraftmaschinen
den praktischen und wirtschaftlichen Anforderungen nicht in vollem Umfang gerecht.
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Die in den derzeit bekannten Konzepten am häufigsten vertretene Ausführung
ist die mechanische Ankopplung der Einrichtung zur Bremsenergie-Rückgewinnung, meist
mit Hilfe eines dreiwelligen Zahnrad-Umlaufgetriebes. Dies wird z.B. in einem Aufsatz
von Korkmaz/Willumeit/Benneter/Thier "Stadtlinienbus mit hydrostatischer Bremsenergierückgewinnung"
in ölhydraulik und Pneumatik 22 (1978), Nr. 4, S. 195 ff in mehreren Varianten vorgeschlagen,
liegt jedoch auch z.B. den Schriften DE-PS 742 835, DE-PS 891 503, DE-OS 22 04 607,
DE-OS 25 13 554, DE-OS 28 10 086, DE-OS 30 11 833, DE-OS 30 31 232, DE-OS 31 02
513 und DE-OS 31 22 977 zugrunde. Soll die Bremsenergie mechanisch als kinetische
Energie eines Schwungrades gespeichert werden, so sind außer dem Verzweigungsgetriebe
noch weitere meist stufenlos verstellbare Getriebekomponenten zur Drehzahl- und
Drehmomentanpassung des Schwungrades an das Fahrzeug in den entsprechenden Vorschlägen
vorgesehen. Soll die Bremsenergie elektrisch oder hydrostatisch gespeichert werden,
so sind außer dem Verzweigungsgetriebe noch zusätzliche mechanisch-elektrische bzw.
mechanischhydraulische Wandler erforderlich, die unter Umständen durch zusätzliche
Getriebekomponenten noch-auf die Drehzahlen und Drehmomente des mechanischen Leistungszweiges
abgestimmt werden müssen. Der Nachteil aller dieser Lösungsvorschläge besteht darin,
daß die angesprochenen Getriebekomponenten zusätzlich zum vorhandenen Antriebssystem
des Fahrzeuges vorgesehen werden müssen.
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Grundsätzlich davon verschieden sind Vorschläge, die von einer hydraulischen
oder elektrischen Speicherung der kinetischen Energie ausgehen, und die die Anzahl
der Getriebekomponenten dadurch verringern, daß sie die üblicherweise mechanische
Kraftübertragung eines Fahrzeuges durch einen hydraulischen bzw. elektrischen Drehmoment-/
Drehzahlwandler ersetzen. Hierdurch sind einerseits die erforderlichen mechanisch-hydraulischen
bzw. mechanisch-elektrischen Wandler bereits Bestandteil des Systems, und andererseits
läßt sich eine hydraulische bzw. elektrische Ankopplung des Leistungszweiges für
die Einrichtung zur Bremsenergie-Rückgewinnung meist wesentlich einfacher realisieren
als die oben angesprochene mechanische Ankopplung.
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Die Vorschläge nach DE-AS 10 02 776, DE-OS 22 30 755 zeigen Ausführungen
dieses Grundgedankens, aber auch der Vorschlag nach DE-AS 10 48 158 zählt im weiteren
Sinne hierzu. Der Nachteil aller dieser Lösungsvorschläge besteht darin, daß auch
im Fahrbetrieb außerhalb der Brems- und Wiederanfahr-Phasen die Leistung mit vollem
Betrag durch
den hydraulischen bzw. elektrischen Drehmoment-/Drehzahlwandler
übertragen wird, wodurch sich im Vergleich zu einer mechanischen Kraftübertragung
Wirkungsgradeinbußen ergeben. Beim Einsatz elektrischer Aggregate ist darüberhinaus
mit hohem Gewicht zu rechnen, hydrostatische Aggregate verursachen bei großen durchgesetzten
Leistungen im allgemeinen erhebliche Geräuschprobleme.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Einrichtung
zur Bremsenergie-Rückgewinnung für Fahrzeuge zu schaffen, die einer seits mit relativ
wenigen zusätzlichen Getriebekomponenten auskommt und daher wirtschaftliche Vorteile
gegenüber bisher bekannten Vorschlägen bietet, und die sich andererseits im Fahrbetrieb
außer halb der Brems- und Wiederanfahr-Phasen nicht nachteilig oder störend auswirkt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe für Mehrspur-Fahrzeuge dadurch
gelöst, daß anstelle eines üblicherweise vorhandenen mechanischen Differentialgetriebes
ein dreiwelliges hydrostatisches Umlaufgetriebe als Differentialgetriebe vorgesehen
wird, dessen Antriebswelle von der Kraftmaschine abgekuppelt und festgebremst werden
kann, und an dessen hydraulischen Kreislauf über Ventile hydraulische Speicher angeschlossen
sind.
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Wie an sich bekannt ist und beispielsweise aus Müller, H.W. "Die Umlaufgetriebe",
Springer-Verlag Berlin-Heidelberg-New York (1970), S. 4 ff. hervorgeht, läßt sich
jedes beliebige zwangläufige zweiwellige Getriebe (sog. Standgetriebe) dadurch zu
einem sog. dreiwelligen Umlaufgetriebe machen, daß man das zuvor stillstehende Gehäuse
und mit ihm alle darin befestigten Organe drehbar lagert und eine daran angeschlossene
dritte Welle (sog. Stegwelle) mit An-oder Abtriebsleistung beaufschlagt. Ein solches
Umlaufgetriebe besitzt grundsätzlich zwei kinematische Freiheitsgrade, d.h. daß
zwei der insgesamt drei Wellendrehzahlen unabhängig voneinander vorgegeben werden
können, und einen statischen Freiheitsgrad, d.h. daß alle drei Drehmomente in einem
festen, nur von der Dimensionierung der Getriebeelemente abhängigen Verhältnis zueinander
stehen. Dies sind genau die Funktionen, die von einem Differentialgetriebe für Mehrspur-Fahrzeuge
zu erfüllen sind: Die Drehzahlen der beiden Räder einer angetriebenen Achse sollen
sich bei Kurvenfahrt je nach Kurvenradius und Fahrgeschwindigkeit beliebig zueinander
einstellen können, wähnend das Antriebsdrehmoment mit festem Verhältnis, im
allgemeinen
zu gleichen Teilen, auf die beiden Räder verteilt werden sollen.
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Wie Fig. 1 unter Verwendung der in der VDI-Richtlinie 2152 empfohlenen
Symbole nach DIN 24 300 zeigt, werden diese Funktionen durch das hydrostatische
Differentialgetriebe dadurch realisiert, daß die beiden Wellen 1, 2 der hydrostatischen
Einheiten 3, 4 an die Räder 5, 6 der angetriebenen Fahrzeugachse gekoppelt sind,
und daß die Stegwelle 7 des hydrostatischen Differentialgetriebes von der Kraftmaschine
8 über den Drehmoment-/Drehzahlwandler 9, die Welle 10, die Kupplung 11 und das
Kegelradgetriebe 12 angetrieben wird. Im Fahrbetrieb außerhalb der Brems- und Wiederanfahrphasen
ist Kupplung 11 so geschaltet, daß sie die Welle 10 mit dem Ritzel des Kegelradgetriebes
12 verbindet. Für die üblicherweise erwünschte gleiche Größe der Drehmomente an
beiden Antriebsrädern müssen die hydrostatischen Einheiten 3, 4 betragsmäßig das
gleiche Verdrängungsvolumen besitzen bzw., sofern es sich um verstellbare hydrostatische
Einheiten handelt, auf das betragsmäßig gleiche Verdrängungsvolumen eingestellt
sein. Die Förderrichtung der beiden Einheiten muß jedoch,jeweils bei gleichsinniger
Drehrichtung der Wellen betrachtet, entgegengesetzt sein. Bei Geradeausfahrt drehen
sich die Antriebsräder 5, 6 des Fahrzeuges und damit zwangsläufig auch die Stegwelle
7 des hydrostatischen Differentialgetriebes mit gleichen Drehzahlen.
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Da dann keine Relativdrehzahl zwischen der Stegwelle 7 und den Wellen
1, 2 der hydrostatischen Einheiten 3, 4 vorliegt, besitzt der geförderte Öl-Volumenstrom
im hydraulischen Kreislauf den Wert 0.
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Obwohl das Fluid proportional dem Antriebsdrehmoment unter Druck steht,
wird daher keine hydraulische Leistung umgesetzt. Dadurch treten von allen hydraulischen
Verlusten nur die Leckverluste im ölkreislauf negativ in Erscheinung, die z.B. von
einer niederdruck-oder hochdruckseitig angeordneten System-Speisepumpe gedeckt werden
können, worauf im einzelnen hier nicht eingegangen wird. Auch die sonst bei hydrostatischen
Einheiten kritischen Geräuschprobleme treten nicht auf. Nur bei Kurvenfahrt wird
ein Teil der Antriebsleistung hydraulisch umgesetzt, wobei der Öl-Volumenstrom der
Differenzdrehzahl der beiden Antriebsräder 5, 6 proportional ist. Diese hydraulisch
umgesetzte Leistung ist im allgemeinen jedoch um mindestens eine Größenordnung kleiner
als die Antriebs leistung, so daß
auch bei Kurvenfahrt die hydraulischen
Verluste den Gesamtwirkungs grad des hydrostatischen Differentialgetriebes nur unwesentlich
ve mindern.
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Um das Fahrzeug zu verzögern und dabei seine kinetische Energie in
wiederverwendbare potentielle hydraulische Energie umzuwandeln, wi die Kupplung
11 so geschaltet, daß das Antriebsritzel des Kegelrad getriebes 12 gegen das stillstehende
Gehäuse 13 festgebremst wird.
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Gleichzeitig werden die Ventile 14, 15 geöffnet, um den Niederdruc
speicher 16 mit der Niederdruckseite bzw. den Hochdruckspeicher 17 mit der Hochdruckseite
des hydraulischen Kreislaufs zu verbinden.
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Da die Stegwelle 7 nun stillsteht, fördert jede der beiden hydrostatischen
Einneiten 3, 4 einen der absoluten Drehzahl des angeschlossenen Rades proportionalen
öl-Volumenstrom aus dem Nieder druckspeicher 16 in den Hochdruckspeicher 17. Der
momentanen Druck differenz zwischen Hoch- und Niederdruckspeicher proportional ist
dabei das Bremsmoment an jedem Rad. Ist das Fahrzeug zum Stillstanc gekommen, steht
nach dem Schließen der Ventile 14, 15 die kinetische Energie des Fahrzeuges vor
dem Verzögerungsvorgang vermindert um unvermeidliche mechanische und hydraulische
Verluste als potentielle hydraulische Energie im Hochdruckspeicher für das Wiederanfahren
zur Verfügung; Das Wiederanfahren selbst geschieht prinzipiell in umgekehrter Weise
gegenüber dem Verzögerungsvorgang.
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Die geschilderte Funktionsweise des hydrostatischen Differentialgetriebes
mit Einrichtung zur Bremsenergie-Rückgewinnung kann grunc sätzlich auf zwei verschiedene
Arten konstruktiv realisiert werden, die mit der Tatsache zusammenhängen, daß beim
angetriebenen gegenüber dem schiebenden Fahrzeug das Drehmoment seine Richtung wechselt,
während die Drehrichtung die gleiche bleibt. Bezogen auf die hydraulischen Größen
bedeutet eine Drehmomentenumkehr das Vertauschen von Hoch- und Niederdruckseite
des hydraulischen Kreislaufes, wenn das Verdrängungsvolumen der angeschlossenen
hydrostatischen Einheit nicht gleichzeitig das Vorzeichen wechselt.
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Fig. 1 zeigt die erste Ausführung des hydrostatischen Differentialgetriebes
mit Einrichtung zur Bremsenergie-Rückgewinnung, die dadur gekennzeichnet ist, daß
die Verdrängungsvolumina beider hydrostatischen
Einheiten 3, 4
beim Uebergang vom normalen Fahrbetrieb (Fahrzeug durch Kraftmaschine angetrieben)
zum Bremsbetrieb durch den Wert 0 hindurch auf einen Wert unterschiedlichen Vorzeichens
gestellt werden. Durch diese Maßnahme ist in beiden betrachteten Betriebszuständen
die Lage von Hoch- und Niederdruckseite im hydraulischen Kreislauf die gleiche.
Vor dem Wiederanfahren werden die Verdrängungsvolumina der beiden hydrostatischen
Einheiten wieder durch den Wert 0 hindurch auf einen Wert mit dem ursprünglichen
Vorzeichen gebracht, so daß sich auch hierbei Hoch- und Niederdruckseite nicht vertauschen.
Diese Ausführung setzt verstellbare hydrostatische Einheiten voraus. Dies ist jedoch
ohnehin grundsätzlich zu empfehlen, um über verstellbare Verdrängungsvolumina der
hydrostatischen Einheiten die Größe des Bremsmomentes von der momentanen Druckdifferenz
zwischen Hoch- und Niederdruckspeicher unabhängig zu machen. Außerdem läßt sich
das Durchfahren des Wertes O für die Verdrängungsvolumina in vorteilhafter Weise
mit der weiter unten erläuterten zusätzlich realisierbaren Freilauf-Funktion des
hydrostatischen Differentialgetriebes kombinieren. Als Vorteil kann weiterhin angesehen
werden, daß nur eine Hälfte des hydraulischen Kreislaufs für die maximalen Systemdrücke
ausgelegt werden muß.
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Fig. 2 zeigt die zweite Ausführung des hydrostatischen Differentialgetriebes
mit Einrichtung zur Bremsenergie-Rückgewinnung, die dadurch gekennzeichnet ist,
daß die Verdrängungsvolumina beider hydrostatischen Einheiten 3, 4 in allen Betriebszuständen
das gleiche Vorzeichen behalten. Dies hat zur Folge, daß sich beim Ubergang vom
normalen Fahrbetrieb zum Bremsbetrieb und erneut beim Wiederanfahren die Hoch- und
Niederdruckseiten des hydraulischen Kreislaufs vertauschen. Hoch- und Niederdruckspeicher
müssen daher jeweils an beiden Seiten über Ventile angeschlossen sein, wobei für
den Bremsbetrieb und das Wiederanfahren unterschiedliche Ventilpaare geöffnet werden
müssen (z.B. Ventile 14 und 15 für den Bremsbetrieb, Ventile 18 und 19 für das Wiederanfahren).
Obwohl dies für die Ausführung nach Fig. 2 keine Voraussetzung ist, werden auch
hierbei betragsmäßig einstellbare Verdrängungsvolumina der hydrostatischen Einheiten
aus oben genannten Gründen empfohlen (gestrichelte Verstellpfeile in Fig. 2).
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Die Fig. 1 und 2 gehen exemplarisch von längs eingebauter Kraftmaschine
8 und längs eingebautem Drehmoment-/Drehzahlwandler 9 aus. Für quer eingebaute Aggregate
muß lediglich das Kegelradgetriebe 12 durch eine Stirnradstufe ersetzt werden, ohne
daß sich am Wirkprinzip der Erfindung Änderungen ergeben. Außerdem zeigen Fig. 1
und Fig. 2 nach VDI 2152 symbolisierte hydrostatische Einheiten 3, 4 mit außenliegenden
Rotoren. Diese sind durch solche mit innenliegenden Rotoren ersetzbar. Ohnehin ist
das hydrostatische Differentialgetriebe mit Einrichtung zur Bremsenergie-Rückgewinnung
nicht auf bestimmte Bauarten hydrostatischer Einheiten beschränkt, sofern nicht
eine erforderliche Verstellbarkeit der Verdrängungsvolumina die Auswahl einengt.
Auch die in Fig. 1 und Fig. 2 vorgeschlagene Anordnung der Kupplung 11 sowie deren
Ausführung als kombinierte Wellenkupplung und Feststellbremse stellen nur Beispiele
von jeweils mehreren denkbaren Alternativen dar.
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Außer der Möglichkeit zur Bremsenergie-Rückgewinnung wird auch eine
andere der Energieersparnis dienende Zusatzfunktion von Fahrzeug-Antriebssystemen
zunehmend in die Diskussion gebracht. Es handelt sich hierbei uin die sog. Freilauf-Funktion,
wodurch die Kraftmaschine bei schiebendem Fahrzeug vom Fahrzeugantrieb abgekoppelt
wird. Dadurch ergeben sich insbesondere bei Wärmekraftmaschinen deshalb Ersparnisse,
weil diese in diesem Fahrzustand dann im Leerlauf läuft.
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Es sind eine Reihe mechanischer Realisierungsmöglichkeiten für die
Freilauf-Funktion bekannt, etwa durch Klemmkörper-Freiläufe verschiedener Bauarten
oder durch automatisches Trennen der üblicherweise vorhandenen Kupplung zwischen
Kraftmaschine und Drehmoment-/Drehzahlwandler. Unabhängig davon, ob das oben erläuterte
hydrostatische Differentialgetriebe mit oder ohne Einrichtung zur Bremsenergie-Rückgewinnung
ausgestattet ist, läßt sich damit eine Freilauf-Funktion in neuartiger Weise realisieren.
Es ist dies durch zwei grundsätzlich verschiedene Ausführungen möglich: Fig. 3 zeigt
schematisch ein hydrostatisches Differentialgetriebe, bei dem die Verdrängungsvolumina
der beiden hydrostatischen Einheiten 3, 4 bei schiebendem Fahrzeug auf den Wert
0 gestellt werden (gestrichelte Verstellpfeile). Die Steuerung könnte dabei z.B.
in Abhängigkeit von der Druckdifferenz zwischen den beiden hydraulischen Leitungen
erfolgen, die beim Übergang vom normalen Fahrbetrieb (Fahrzeuq durch Kraftmaschine
getrieben) in den Freilauf-Betrieb
den Wert 0 annimmt. Für diese
Ausführung des hydrostatischen Differentialgetriebes mit zusätzlicher Freilauf-Funktion
müssen die hydrostatischen Einheiten verstellbar sein. Wie oben bereits erwähnt
wurde, läßt sich das Konzept zur Realisierung der Frei auf Funktion nach Fig. 3
vorteilhaft mit der Einrichtung zur Bremsenergie-Rückgewinnung in der Ausführung
nach Fig. 1 kombinieren.
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Die Steuerung eines derart kombinierten Systems (Hydrostatisches Differentialgetriebe
mit Einrichtung zur Bremsenergie-Rückgewinnung und zusätzlicher Freilauf-Funktion)
könnte z.B. folgendermaßen ablaufen: Durch einen ersten Signalzweig ("Beschleunigungspedal")
kann der Fahrzeugführer die Leistungsabgabe der Kraftmaschine beeinflussen. Solange
die Kraftmaschine das Fahrzeug antreibt, übernimmt das hydrostatische Differentialgetriebe
lediglich die Funktionen der Drehmomentenübertragung und des Drehzahlausgleiches
der Antriebsräder bei Kurvenfahrt. Wird die von der Kraftmaschine abgegebene Leistung
auf den Wert 0 gebracht, werden die Verdrängungsvolumina der hydrostatischen Einheiten
ebenfalls auf den Wert 0 gefahren, so daß die Freilauf-Funktion realisiert wird.
Bei Betätigung eines zweiten Signalzweiges ("Verzögerungspedal") werden die Verdrängungsvolumina
der hydrostatischen Einheiten über den Wert 0 hinaus auf gegenüber der ursprünglichen
Einstellung vorzeichenverkehrte Werte gesteuert, so daß bei gleichzeitigem Öffnen
der Ventile zu den Hydrospeichern das Fahrzeug unter Umwandlung seiner kinetischen
Energie in potentielle hydraulische Energie verzögert wird.
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Fig. 4 zeigt schematisch eine alternative Ausführung der Frei auf
Funktion für das hydrostatische Differentialgetriebe. Dies geschieht hierbei durch
Öffnen des Ventils 20, das im hydraulischen Kreislauf einen Kurzschluß zwischen
Hoch- und Niederdruckseite bewirkt, so daß kein Drehmoment durch das hydrostatische
Differentialgetriebe übertragen werden kann. Für die Ausführung der Freilauf-Funktion
nach Fig. 4 werden keine verstellbaren hydrostatischen Einheiten 3, 4 benötigt.
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Als Zusatz funktion von Differentialgetrieben wird für bestimmte Anwendungsfälle
eine sog. Differential-Sperre gefordert (siehe hierzu auch die untenstehenden Erläuterungen
zum hydrostatischen Differentialgetriebe mit Einrichtung zur Abgabe unterschiedlich
großer Drehmomente
an die Antriebsräder). Hierbei wird die freie
Einstellbarkeit der Drehzahlen der Antriebsräder 5, 6 ganz oder teilweise aufgehoben
(100%- bzw. Teil-Sperre). Abgesehen davon, daß diese Funktion auch beim hydrostatischen
Differentialgetriebe in an sich bekannter Weise durch mechanische Kupplungen realisiert
werden kann ist dies in neuartiger und bezüglich der Steuerung vereinfachter Weise
durch Eingriffe in den hydraulischen Zweig möglich. Fig. 5 zeigt ein hydrostatisches
Differentialgetriebe mit Teil-Sperre, die durch eine einstellbare Drossel 21 vorzugsweise
in der Hochdruckleitung des hydraulischen Kreislaufs realisiert ist. Fig. 6 zeigt
ein hydrostatisches Differentialgetriebe mit 100%-Sperre, die durch ein Ventil 22
vorzugsweise in der Hochdruckleitung des hydraulischen Kreislaufs realisiert ist.
Die dargestellte teilweise oder 100%ige Sperrung des hydrostatischen Differentialgetriebes
in den dargestellten Ausführungen kann unabhängig davon, ob die hydrostatischen
Einheiten 3, 4 konstante oder verstellbare Verdrängungsvolumina besitzen, und unabhängig
davon, ob das hydrostatische Differentialgetriebe mit oder ohne Einrichtung zur
Bremsenergie-Rückgewinnung ausgestattet ist, eingesetzt werden.
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Noch eine weitere Zusatzfunktion, die in der nachfolgend näher erläuterten
Ausführung nach Fig. 7 eine interessante Neuheit darstellt kann von dem hydrostatischen
Differentialgetriebe erfüllt werden, un abhängig davon, ob es eine Einrichtung zur
Bremsenergie-Rückgewinnun besitzt, und unabhängig davon, ob es darüberhinaus zur
Erfüllung ei der anderen genannten Zusatzfunktionen herangezogen wird. Es ist die
die Abgabe unterschiedlich großer Drehmomente mit einstellbarem Dreh momenten-Verhältnis
an die beiden Antriebsräder 5 und 6. Diese Maßnahme ermöglicht es, gegenüber herkömmlichen
Differentialgetrieben die Summe der an beiden Antriebsrädern übertragbaren Vortriebskräfte
zu steigern, wenn die an beiden Antriebsrädern einzeln übertragbaren Vortriebskräfte
unterschiedlich groß sind. Dies ist beispielsweise bei unterschiedlichen Reibverhältnissen
an den Rädern (z.B. ei Rad auf trockener, ein Rad auf feuchter/glatter Fahrspur)
und/oder bei unterschiedlich großen Radlasten (z.B. infolge des Fliehkraft-Kippmomentes
bei Kurvenfahrt) der Fall. Bei herkömmlichen Differentialgetrieben ohne Differential-Sperre
wird unter diesen Umständen das übertragbare Drehmoment und damit die insgesamt
übertragbare Vortriebskraft durch die kleinere an den Antriebsrädern einzeln übertragbare
Vortriebskraft begrenzt. Im Extremfall führt dies dazu,
daß das
Antriebsrad mit der kleineren übertragbaren Vortriebskraft vom Rollreibungs- in
den Gleitreibungszustand übergeht ("Durchdrehen" des Rades), was wegen des damit
gleichzeitig verbundenen Verlustes an Seitenführungskraft an dem betreffenden Rad
die Fahrsicherheit beeinträchtigt. Um den Grenzwert für die insgesamt maximal übertragbare
Vortriebskraft zu erhöhen, kann man Differentialgetriebe mit teilweiser Sperrung
entweder in herkömmlicher Bauart oder in der Ausführung für hydrostatische Differentialgetriebe
nach Fig. 5 vorsehen. Dabei müssen allerdings nachteilige Leistungsverluste in Kauf
genommen werden. Eine andere bekannte Maßnahme zur Steigerung der unter den beschriebenen
Verhältnissen maximalen Vortriebskraft ist der Einsatz eines zu 100% gesperrten
Differentialgetriebes, das in herkömmlicher Bauart oder als hydrostatisches Differentialgetriebe
nach Fig. 6 ausgeführt sein kann. Da das zu 100% gesperrte Differentialgetriebe
nur noch einen kinematischen Freiheitsgrad besitzt, muß dabei jedoch auf die unabhängige
Einstellbarkeit der Drehzahlen der beiden Antriebsräder verzichtet werden, wodurch
das Fahrverhalten des Fahrzeugs in Kurven erheblich beeinträchtigt ist. Das in Fig.
7 dargestellte hydrostatische Differentialgetriebe mit Einrichtung zur Abgabe unterschiedlich
großer Drehmomente mit einstellbarem Drehmomenten-Verhältnis an die Antriebsräder
vermeidet die genannten Nachteile der bekannten Lösungsvorschläge. Die Funktion
wird dadurch realisiert, daß die Verdrängungsvolumina der beiden hydrostatischen
Einheiten 3, 4 unabhangig voneinander verstellbar sind, und die an das Antriebsrad
mit der größeren übertragbaren Vortriebskraft angeschlossene hydrostatische Einheit
entsprechend dem Verhältnis der an den Antriebsrädern 5, 6 übertragbaren Vortriebskräfte
auf das größere Verdrängungsvolumen eingestellt wird. Gegenüber einem in DE-OS 24
55 878 gemachten Vorschlag mit ähnlicher Funktion behält das hydrostatische Differentialgetriebe
nach Fig. 7 dabei jedoch seine zwei kinematischen Freiheitsgrade, so daß eine Beeinträchtigung
des Fahrverhaltens bei Kurvenfahrt nicht auftreten kann.
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Abgesehen von der Anwendung des hydrostatischen Differentialgetriebes
mit Einrichtungen zur Bremsenergie-Rückgewinnung nach Fig. 1 und 2, und/oder mit
Einrichtungen zur Realisierung einer Freilauf-Funktion nach Fig. 3 und 4, und/oder
mit Einrichtung zur teilweisen oder 100%igen Differential-Sperre nach Fig. 5 bzw.
6, und/oder mit Einrichtung
zur Abgabe unterschiedlich großer
Drehmomente mit einstellbarem Drehmomenten-Verhältnis nach Fig. 7 für Fahrzeuge
kann die Erfindung auch für andere technische Anwendungen ähnlicher Art eingesetzt
werden. Es sind dies alle Antriebssysteme, die eine Kraf maschine mit zwei Arbeitsmaschinen
derart verbinden, daß sich zwei Drehzahlen während des Betriebes beliebig einstellen
können und alle drei Drehmomente in einem festen Verhältnis zueinander stehen (Antriebssysteme
mit einem Antrieb und zwei Abtrieben mit zwei kinematischen Freiheitsgraden und
einem statischen Freiheitsgrad).
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Unterschiedliche Drehmomenten-Verhältnisse gegenüber der Anwendung
in Fahrzeugen können dabei über die Dimensionierung der Verdränguns volumina der
hydrostatischen Einheiten realisiert werden.
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