Hydrostatic mechanical powersplit transmission VTP

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1 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 hydrostatic 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, Handlingmaschinen 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). 68. Internationale Tagung Landtechnik Seite 1 / 6

2 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 Wandlergetrieben, 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 Arbeitsmaschinen geeignet ist. 2. Beschreibung VTP Getriebe Das VTP Getriebesystem arbeitet auf dem Prinzip der hydrostatisch- mechanischen Leistungsverzweigung mit einem rein hydrostatischen Fahrbereich bei geringen Geschwindigkeiten 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. 68. Internationale Tagung Landtechnik Seite 2 / 6

3 Arbeitspumpe Kupplungswelle (3- Überlagerungsbereiche) Eingangswelle PTO Hydrostateinheit back-to-back Doppelplanetensatz 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 Getriebespreizung bei geringem Aufwand erreicht werden. 3. Funktionsbeschreibung VTP Getriebe 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 Getriebekomponenten 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 Vorwärtsfahrt bzw. an der Kupplung KR bei Rückwärtsfahrt bei ausreichend hoher Drehzahl am Hydromotor bzw. an den Sonnenrädern S1 und S2 zu Synchrondrehzahlen führt. 68. Internationale Tagung Landtechnik Seite 3 / 6

4 Planetensatz 2 Planetensatz 1 Hohlrad H1 Umschaltung Shifting done at bei Synchrondrehzahlen synchronous speeds Umschaltung Shifting done über by friction schleifende clutches with Kupplungen shifting gap mit Kompensation compensation n Hohlrad H2 Sonne S2 Planetenräder P2a P2b Sonne S1 Planetenräder P1 Planetenträger Leistungsverzweigter Power split gear reverse Bereich retour Hydrostatischer Hydrostatic gear Bereich 1. 1st leistungsverzweigter powersplit gear Bereich forward vorwärts 2. leistungsverzweigter 2nd powersplit gear Bereich forward vorwärts Bild 6: Doppelplanetensatz Bild 7: Drehzahlschaubild VTP Getriebe Bei Erreichen der Synchrondrehzahlen erfolgt eine Umschaltung vom hydrostatischen Bereich 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 Kompensation des Stufensprunges durch Anpassung der Sonnenraddrehzahl S1 im hydrostatischen Kreis. Die Standübersetzung im Planetensatz 1 ist deutlich kleiner als im Planetensatz 2 gewählt, um einerseits eine hohe Getriebespreizung in den leistungsverzweigten Bereichen zu erreichen und andererseits das Druckniveau im hydrostatischen Kreis in günstige Betriebsbereiche zu legen. 4. Leistungsdaten VTP Traktorgetriebe In Tabelle 1 sind mögliche Konfigurationen für Traktorgetriebe zusammengestellt. Bei den hydrostatischen Variatoren eignen sich in Traktortriebwerken im Besonderen Kompakteinheiten in back-to-back Ausführung mit Schwenkscheiben- Verstellpumpen und Konstantmotoren in Schrägscheiben- oder in Schrägachsenausführung. Bei der Konzeption der Getriebevarianten 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. 68. Internationale Tagung Landtechnik Seite 4 / 6

5 Tabelle 1: Leistungsdaten VTP- Traktorgetriebe VTP-TR60 VTP-TR90 *) VTP-TR120 VTP-TR160 VTP-TR220 VTP-TR300 Traktor Gesamtgewicht 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) Zugkraft Hydromotor Getriebeversion Höchstgeschwindigkeit vorwärts retour Hydropumpe 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 kg 90 kn 1RH2F 50 km/h 27 km/h 75 cc 75 cc kg 124 kn 1RH2F 50 km/h 25 km/h 110 cc 90 cc kg 160 kn 1RH2F 48 km/h 25 km/h 145 cc 107 cc kg 200 kn 1RH2F 42 km/h 22 km/h 175 cc 125 cc *) Verschiedene hydrostische Variatoren verfügbar 5. Anwendungen und Konfigurationen des VTP Getriebes Das gezeigte VTP- Getriebesystem für Traktoren mit einem Überlagerungsbereich für Rückwärtsfahrt, 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 ausgeführt 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 68. Internationale Tagung Landtechnik Seite 5 / 6

6 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 Zugkraft *) Max. Geschw. vorwärts *) Max. Geschw. retour *) Eingangsleistung Getriebeversion Hydropumpe Hydromotor VTP-TH45 45 kw 42 kn VTP-TH56 56 kw 56 kn VTP-TH75 75 kw 74 kn VTP-TH kw 105 kn 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 hydrostatischen Bereich und einem bis drei Überlagerungsbereichen. Der Vorteil der gewählten Konfiguration von mechanischen und hydrostatischen Komponenten besteht darin, dass mit kleinen Variatoreinheiten einerseits hohe Zugkräfte, andererseits hohe Getriebespreizungen erreicht werden. In Traktoren sind drei mechanische Überlagerungsbereiche 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. 68. Internationale Tagung Landtechnik Seite 6 / 6