Hydrostatisch- mechanisches ... - VDS - Getriebe

Hydrostatisch- mechanisches
Leistungsverzweigungsgetriebe VTP
Hydrostatic mechanical powersplit transmission VTP
Dipl.-Ing. H. Aitzetmüller, VDS Getriebe GmbH, Wolfern/ Österreich;
Abstract
CVT based on the principle of hydrostatic- mechanical powersplit have been on the market
for more than a decade and are well accepted in agricultural applications. Due to the high
production costs there are just few CVT vehicles in price sensible applications like low power
tractors and handling machines available.
VDS Getriebe GmbH has developed a new system of power split transmissions, called VTP
transmission, that is characterized by a simple and modular concept and that is suited for
agricultural, construction, handling or municipal applications. There are foreseen one hydro-
static gear at low speed and up to three powersplit ranges. A twin planetary gearset at
transmission output is defining the core component of the new transmission.
There is achieved high drawbar pull and wide transmission ratio with small hydro units. The
VTP transmission is characterized by simple and cost effective design and can easily be
adapted to meet specific installation requirements.
Configurations and functional data for agric tractor applications with compact hydrounits and
for telehandlers with separate hydropump and hydromotor are shown.
1. Einleitung
Stufenlosgetriebe mit hydrostatisch- mechanischer Leistungsüberlagerung sind seit vielen
Jahren in Traktoren auf dem Markt und haben sich im täglichen Einsatz bestens bewährt.
Steigende Treibstoffpreise verstärken die Bestrebungen nach effizienten Antriebssystemen
unter Beibehaltung der funktionellen Anforderungen auch in Baumaschinen, Handling-
maschinen und ähnlichen Anwendungen . So wurden auf der BAUMA 2010 in München
erste Stufenlosgetriebe mit hydrostatisch- mechanischen Überlagerungssystemen für
Radlader von den Firmen Caterpillar, ZF und einer Kooperation von Bosch Rexroth und
DANA vorgestellt (Bilder 1 bis 3).
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Braunschweig 27. und 28. Oktober 2010
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Bild 1: Caterpillar CVT Bild 2: ZF CVT mit
Doppeljoch- Hydrostat
Bild 3: Dana/ Bosch
Rexroth CVT
Aufgrund der deutlich höheren Kosten der Stufenlosgetriebe im Vergleich zu Wandler-
getrieben, Lastschaltgetrieben oder rein hydrostatischen Antrieben ist die Verbreitung in
preissensiblen Anwendungen und in den unteren Leistungsklassen gering. VDS Getriebe
GmbH hat ein neues System von Überlagerungsgetrieben ausgearbeitet (Bezeichnung VTP-
Getriebe), welches sich durch einen einfachen und modularen Getriebeaufbau auszeichnet
und neben dem Einsatz in Traktoren für unterschiedlichste Anwendungen in Arbeits-
maschinen geeignet ist.
2. Beschreibung VTP Getriebe
Das VTP Getriebesystem arbeitet auf dem Prinzip der hydrostatisch- mechanischen
Leistungsverzweigung mit einem rein hydrostatischen Fahrbereich bei geringen Ge-
schwindigkeiten und, je nach Ausführungsform und Konfiguration, mit einem, zwei oder drei
Überlagerungsbereichen. Das Kernelement des neuen VTP- Stufenlosgetriebes wird durch
einen Doppelplanetensatz am Getriebeausgang gebildet.
Einer der beiden Planetensätze ist als Umkehrplanetensatz ausgeführt und ist nur bei
geringen Geschwindigkeiten im rein hydrostatischen Betrieb aktiv. Im zweiten Planetensatz
findet die Überlagerung von mechanisch und hydrostatisch übertragener Leistung statt. Das
Getriebeschema des VTP Getriebes in gestreckter Ausführung, sowie eine Darstellung der
Hauptkomponenten in einem Traktortriebwerk wird in den Bildern 4 und 5 gezeigt.
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Bild 4: VTP Getriebeschema
Traktor
Bild 5: VTP Getriebe- Anordnung der Komponenten in
einem Traktor- Triebwerk
Infolge der gewählten Übersetzungsverhältnisse in den beiden Planetensätzen kann mit
kleinen Hydrostateinheiten einerseits eine hohe Zugkraft, andererseits eine große Getriebe-
spreizung bei geringem Aufwand erreicht werden.
3. Funktionsbeschreibung VTP Getriebe
Arbeitspumpe Kupplungswelle
(3- Überlagerungsbereiche)
Eingangswelle
Hydrostateinheit
back-to-back
Doppelplanetensatz
Bei geringen Geschwindigkeiten wird das Fahrzeug nur über den hydrostatischen
Leistungszweig angetrieben. Durch Verbindung des Hohlrades H2 im Planetensatz 2 mit
dem Gehäuse wird der Kraftfluss vom Hydromotor über das Sonnenrad S2 und den
Planetenträger zu den Antriebsrädern geschlossen (Bild 6). Die mechanischen Ge-
triebekomponenten übertragen in diesem Betriebsbereich keine Last, deren Drehzahlen sind
jedoch über den Planetensatz 1 und die Drehzahl an der Getriebeeingangswelle definiert.
Im Planetensatz 2 ist eine hohe Übersetzung gewählt, um hohe Zugkräfte bei kleinen
Hydrostateinheiten zu erreichen. Durch die Drehbewegung an den Sonnenrädern S1 und S2
bzw. am Planetenträger wird infolge der mechanischen Kopplung im Planetensatz 1 dem
Hohlrad H1 eine Drehbewegung aufgezwungen, welche an den Kupplungen K1 bei Vor-
wärtsfahrt bzw. an der Kupplung KR bei Rückwärtsfahrt bei ausreichend hoher Drehzahl am
Hydromotor bzw. an den Sonnenrädern S1 und S2 zu Synchrondrehzahlen führt.
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PTO

Planetensatz 2
Hohlrad H2
Sonne S2
Planetenräder P2a
P2b
Bild 6: Doppelplanetensatz Bild 7: Drehzahlschaubild VTP Getriebe
Bei Erreichen der Synchrondrehzahlen erfolgt eine Umschaltung vom hydrostatischen Be-
reich in den angrenzenden leistungsverzweigten Bereich ohne Unterbrechung der Zugkraft.
Nach der Umschaltung wird die Antriebsleistung über den Planetensatz 1 leistungsverzweigt
übertragen und durch kontinuierliche Veränderung der Drehzahl im hydrostatischen Zweig
stufenlos angepasst. Bild 7 zeigt die Drehzahlverhältnisse im VTP Getriebe.
Bei Traktorgetrieben ist für Vorwärtsfahrt ein zusätzlicher Überlagerungsbereich vorgesehen.
Die Umschaltung vom ersten in den zweiten leistungsverzweigten Bereich erfolgt durch
Steigerung der Hohlraddrehzahl H1 über lastschaltbare Kupplungen bei gleichzeitiger Kom-
pensation des Stufensprunges durch Anpassung der Sonnenraddrehzahl S1 im hydro-
statischen Kreis.
Die Standübersetzung im Planetensatz 1 ist deutlich kleiner als im Planetensatz 2 gewählt,
um einerseits eine hohe Getriebespreizung in den leistungsverzweigten Bereichen zu er-
reichen und andererseits das Druckniveau im hydrostatischen Kreis in günstige Betriebsbe-
reiche zu legen.
Planetenträger
Planetensatz 1
Planetenräder P1
Hohlrad H1
Sonne S1
4. Leistungsdaten VTP Traktorgetriebe
Umschaltung Shifting done at bei
Synchrondrehzahlen
synchronous speeds
Leistungsverzweigter
Power split gear reverse
Bereich retour
Hydrostatischer
Hydrostatic gear
Bereich
Umschaltung Shifting done über by
friction schleifende clutches with
Kupplungen shifting gap mit
Kompensation compensation ∆n
1. 1st leistungsverzweigter
powersplit gear
Bereich forward vorwärts
In Tabelle 1 sind mögliche Konfigurationen für Traktorgetriebe zusammengestellt. Bei den
hydrostatischen Variatoren eignen sich in Traktortriebwerken im Besonderen Kompakt-
einheiten in back-to-back Ausführung mit Schwenkscheiben- Verstellpumpen und Konstant-
motoren in Schrägscheiben- oder in Schrägachsenausführung. Bei der Konzeption der Ge-
triebevarianten wurde darauf geachtet, dass bei den wesentlichen Komponenten auf in Serie
vorhandene Einheiten zurückgegriffen und die Aufwendungen für Anpassungen der Getriebe
in bestehende Fahrzeugkonfigurationen gering gehalten werden kann.
2. leistungsverzweigter
2nd powersplit gear
Bereich forward vorwärts
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Tabelle 1: Leistungsdaten VTP- Traktorgetriebe
VTP-TR60
VTP-TR90 *)
VTP-TR120
VTP-TR160
VTP-TR220
VTP-TR300
Eingangsleistung
60 kW
(82 HP)
90 kW
(125 PS)
90 kW
(125 PS)
120 kW
(163 PS)
160 kW
(215 PS)
220 kW
(300 PS)
280 kW
(380 PS)
Traktor
Gesamtgewicht
*) Verschiedene hydrostische Variatoren verfügbar
Zugkraft
Getriebeversion
Höchstgeschwindigkeit
vorwärts retour
Hydropumpe
Hydromotor
5500 kg 47 kN 1RH2F 50 km/h 28 km/h 28 cc 28 cc
7500 kg 70 kN 1RH2F 50 km/h 28 km/h 45 cc 45 cc
7500 kg 72 kN 1RH2F 50 km/h 29 km/h 55 cc 55 cc
10000 kg 90 kN 1RH2F 50 km/h 27 km/h 75 cc 75 cc
13000 kg 124 kN 1RH2F 50 km/h 25 km/h 110 cc 90 cc
17000 kg 160 kN 1RH2F 48 km/h 25 km/h 145 cc 107 cc
21000 kg 200 kN 1RH2F 42 km/h 22 km/h 175 cc 125 cc
5. Anwendungen und Konfigurationen des VTP Getriebes
Das gezeigte VTP- Getriebesystem für Traktoren mit einem Überlagerungsbereich für Rück-
wärtsfahrt, einem hydrostatischen Bereich und zwei Überlagerungsbereichen (Ausführung
1RH2F) für Vorwärtsfahrt stellt die aufwändigste Konfiguration dar.
Alternativ kann das VTP- Getriebe, abhängig von den funktionellen Anforderungen und den
vorgesehenen Variatoren, mit einer geringeren Anzahl von Überlagerungsbereichen ausge-
führt werden. Die Verwendung von hydostatischen Variatoren in aufgelöster Bauweise mit
Konstant- oder Verstellmotoren eröffnet weitere Einsatzfälle und Anwendungsmöglichkeiten
als effizienter Fahr- oder Maschinenantrieb (Konfigurationen in Bildern 8 bis 10).
Bild 8: VTP Version H1F Bild 9: VTP Version 1RH1F Bild 10: VTP Version H2F
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6. VTP Getriebe für Telehandler
Telehandler werden auch auf europäischen Märkten in zunehmendem Maße in der
Landwirtschaft genutzt, wobei neben den innerbetrieblichen Handlingaufgaben der Transport
von Gütern und in einzelnen Anwendungen auch der Einsatz als Zugfahrzeug beobachtet
werden kann. Das VTP Getriebe in unterschiedlichen Ausführungen eignet sich besonders
für den Einsatz in Telehandlern, weil es einerseits beste Funktionalität, analog zu rein
hydostatischen Antrieben, andererseits hohe Endgeschwindigkeit und gute Wirkungsgrade
bietet. Für Telehandler empfiehlt sich die Ausführung 1RH1F (Bild 9). Tabelle 2 gibt einen
Überblick über VTP- Getriebekonfigurationen für Telehandler zwischen 45 und 110 kW.
Tabelle 2: Leistungsdaten und Konfigurationen VTP Getriebe für Telehandler
Eingangsleistung
Zugkraft *)
VTP-TH45 45 kW 42 kN
VTP-TH56 56 kW 56 kN
VTP-TH75 75 kW 74 kN
VTP-TH110 110 kW 105 kN
Getriebeversion
Max. Geschw.
vorwärts *)
Max. Geschw.
retour *)
Hydropumpe
Hydromotor
H1F 40 kph 12 kph < 30 cc < 30 cc
1RH1F 40 kph 40 kph < 30 cc < 30 cc
H1F 40 kph 13 kph < 30 cc < 55 cc
1RH1F-L **) 31 kph 31 kph < 30 cc < 30 cc
1RH1F-H **) 40 kph 40 kph < 30 cc < 55 cc
1RH1F 40 kph 40 kph < 30 cc < 55 cc
1RH2F 40 kph ***) 28 kph < 30 cc < 30 cc
1RH1F 40 kph 40 kph < 55 cc < 80 cc
1RH2F 40 kph ***) 30 kph < 40 cc < 55 cc
*) Abhängig von Achsübersetzung und Reifendimension. **) verschiedene hydrostatische Variatoren verfügbar.
***) Maximalgeschwindigkeit bei reduzierter Motordrehzahl
7. Zusammenfassung und Ausblick
Das VTP Getriebe stellt eine neue Generation von Stufenlosgetrieben dar mit einem hydro-
statischen Bereich und einem bis drei Überlagerungsbereichen.
Der Vorteil der gewählten Konfiguration von mechanischen und hydrostatischen Kompo-
nenten besteht darin, dass mit kleinen Variatoreinheiten einerseits hohe Zugkräfte, anderer-
seits hohe Getriebespreizungen erreicht werden. In Traktoren sind drei mechanische Über-
lagerungsbereiche vorgesehen. Alternative Ansätze für Telehandler, Baumaschinen etc. mit
reduziertem mechanischem Aufwand wurden gezeigt.
Das System eignet sich für alle Anwendungen, in denen die Funktionalität hydrostatischer
Antriebe mit den Wirkungsgradvorteilen mechanischer Antriebe kombiniert werden sollen.
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