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Kolbenpumpe mit stufenlos veränderlicher Fördermenge und damit hergestelltes hydrostatisches Getriebe
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenpumpe mit stufenlos veränderlicher Fördermenge und ein damit hergestelltes hydrostatisches Getriebe.
Bei der Kolbenpumpe handelt es sich um jene bekannte, keine Federn aufweisende und daher sehr betriebssichere Bauart, bei der der Hubraum des Kolbens über einen Steuerschieber abwechselnd mit einem drucklosen Vorratsraum und einem Druckraum verbunden wird, welcher Steuerschieber über einen
Schwinghebel von der Kurbelwelle aus hin-und hergehend angetrieben ist, wobei die Hübe des Steuer- schiebers gegen die Hübe des Pumpenkolbens zeitlich um eine Vierteldrehung der Kurbelwelle versetzt sind.
Die stufenlose Regelbarkeit einer solchen Kolbenpumpe wird gemäss der Erfindung dadurch erreicht, dass der Drehpunkt des Schwinghebels willkürlich verstellbar und damit auch der Hubbereich des Steuer- schiebers zwischen einer Endstellung für maximale Förderleistung, bei welcher der Zylinderraum prak- tisch während des ganzen Arbeitshubes des Pumpenkolbens mit dem Druckraum verbunden ist, und einer Endstellung für die Förderleistung Null (Leerlauf), bei welcher der Zylinderraum praktisch während des ganzen Arbeitshubes mit dem drucklosen Vorratsraum verbunden ist, veränderlich ist. Es ist klar, dass in den Stellungen, die zwischen den genannten Endlagen liegen, Förderleistungen erhalten werden, die alle Werte zwischen der maximalen und der Null-Förderleistung annehmen können.
Um solche Pumpen auch für hohe Betriebsdrücke und damit auch für hohe Leistungen bei geringem Leistungsgewicht bauen zu können, muss dafür Sorge getragen werden, dass die Verstellung des Steuerschiebers nicht durch die hohen Betriebsdrücke eine zu grosse Kraft erfordert. Der Steuerschieber wird daher in bekannter Weise sowohl in axialer als auch radialer Richtung druckentlastet gebaut.
Um kleine Kolbenbewegungen nahe der äusseren Totlage auch in einer Stellung des Steuerschiebers zu ermöglichen, in der dieser den Hubraum des Pumpenkolbens zur Gänze abschliesst, ist vorzugsweise an den Hubraum anschliessend ein teilweise gasgefüllter Raum oder ein elastisch deformierbarer Wandteil als Puffer für Volumens-Änderung des völlig abgeschlossenen Hubraumes vorgesehen.
Ein weiteres Erfindungsmerkmal betrifft die Art der willkürlichen Verstellung des Drehpunktes des Schwinghebels, die darin besteht, dass der Drehzapfen des Schwinghebels in Führungen am Gehäuse verstellbar gelagert ist und parallel zum Drehzapfen am Gehäuse ferner eine Exzenterwelle od. dgl. gelagert ist, auf deren exzentrischem Teil gelenkig ein vorzugsweise gegabelter Arm sitzt, in dessen Gabeln der Drehzapfen des Schwinghebels gelagert ist, so dass man durch Verdrehen der Exzenterwelle den Drehzapfen des Schwinghebels parallel verschieben kann.
Einen weiteren Erfindungsgegenstand bildet ein mit solchen Kolbenpumpen hergestelltes, hydrostatisches Getriebe mit stufenlos veränderlichem Übersetzungsverhältnis zwischen der treibenden und der getriebenen Welle. Erfindungsgemäss besteht ein solches Getriebe darin, dass mindestens zwei Kolbenpumpen der oben gekennzeichneten Bauart, an der gleichen Exzenter- oder Kurbelwelle sitzend, mit mindestens drei Kolbenmotoren von gleicher Bauart, wie die Kolbenpumpen, jedoch mit fest und nicht verstellbar angeordneten Drehzapfen desSchwinghebels, die auf die gleiche Abtriebs-Exzenter-oder Kurbelwelle arbeiten, in ein gemeinsames Gehäuse eingebaut sind, wobei auch der drucklose Vorratsraum für sämtliche Pumpen und Motoren gemeinsam ist und die Druckräume aller Pumpen und Motoren untereinander verbunden sind.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus dem nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläuterten Ausführungsbeispiel de. r Erfindung hervor.
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Es zeigen : Fig. 1 einen achsensenkrechten Schnitt durch die Kolbenpumpe, Fig. 2 einen Teilschnitt nach Linie II-II der Fig. 1 und Fig. 3 einen achsparallelen Schnitt durch ein Getriebe, bestehend aus mehreren Kolbenpumpen nach Fig. 1 und mehreren Kolbenmotoren, die in ein Gehäuse zusammengebaut sind, wobei jeweils nur die am Ende des Gehäuses befindliche Kolbenpumpe und der am andern Ende des
Gehäuses befindliche Kolbenmotor gezeichnet ist.
In der Zeichnung ist mit 1 ein Gehäuse bezeichnet, dass die ganze Apparatur umschliesst. In diesem
Gehäuse ist die treibende, z. B. mit einem Brennkraftmotor oder Elektromotor gekuppelte Welle, u. zw. eine Exzenter- oder Kurbelwelle 2 gelagert. Am Kurbel- oder Exzenterzapfen 3 dieser Welle greift eine kurze Pleuelstange 4 an, die über einen Kreuzkopf 5 an einem zylindrischen Kolben 6 anschliesst, der sich im Zylinder 7 auf-und abbewegt, der mit dem Gehäuse 1 und den Führungen 8 des Kreuzkopfes aus einem Stück besteht, oder damit fest verbunden ist. Der Hubraum 10 des Pumpenzylinders ist über einen wesentlich schmäleren Ringkanal 11 an den Hohlraum eines Steuerzylinder 12 angeschlossen, in dem zwei Kolben 13,14 gleiten, die über eine Stange 15 starr miteinander verbunden sind.
Der Kolben 13 hat eine grössere, axiale Höhe als die Breite des Kanals 11, der ringförmig den ganzen Kolben 13 umgreift, so dass der Kolben in radialer Richtung druckentlastet ist, da der im Raume 10 herrschende Druck rings um den Kolben auf diesen wirkt. Dies ist für die Erzielung einer leichten Verstellbarkeit des Steuerkolbens
13 bei höheren Drücken von grösster Wichtigkeit. Der zwischen den beiden Kolben 13 und 14 im Zylinder
12 befindliche Hohlraum 16 ist mit dem Druckraum 17 und mit allen entsprechenden Druckräumen der angeschlossenen, weiteren Kolbenpumpen bzw., wenn es sich um ein hydrostatisches Getriebe handelt, auch mit den Druckräumen aller angeschlossenen Kolbenmotoren verbunden.
An der Nabe der Pleuelstange 4 greift an einem Zapfen 19 ein Lenker 20 an, der über den doppelar- migen Hebel 21, der am Zapfen 22 gelagert ist, und über einen Lenker 23 dem Steuerkolben 13 bei jeder Umdrehung der Welle 3 eine einmal hin-und hergehende Steuerbewegung erteilt, die der Bewegung des Pumpenkolbens um 900 nacheilt. Die gezeichnete Stellung ist jene des inneren Totpunktes des Pumpenkolbens 6. In dieser Stellung schliesst der Steuerkolben 13 den Kanal 11 vollkommen ab. Sobald sich aber die Kurbelwelle 2 im Sinne des Uhrzeigers weiterdreht, wird der Steuerkolben 13 über die Getriebeelemente 19 - 23 nach links verschoben, so dass die durch den Kolben 6 verdrängte Flüssigkeit in die Räume 16 und 17 einströmen kann.
Bis zur Erreichung der äusseren Totlage des Kolbens macht der Schwinghebel 21 eine Ausschwingung bis zur Linie 25 und geht dann wieder in die gezeichnete Mittellage zurück.
Dementsprechend geht auch der Kolben 13 wieder in die in vollen Linien gezeichnete Anfangslage zurück, in der der Kanal 11 abgeschlossen ist.
Die aus Gründen der Dichthaltung und der guten Gleitführung des Steuerkolbens 13 gegenüber dem Kanal 11 vorgesehenen Überdeckungen 24 bilden keine Schwierigkeit, weil sich im Kolben 6 ein teilweise lufterfüllter Hohlraum 26 befindet. Bei bereits gegen den Zylinder 16 abgeschlossenem Kolbenraum 10 und Kanal 11 wird nämlich die noch eintretende Volumsänderung durch den letzten Hubweg des Pumpenkolbens durch Zusammendrücken der Luft in dem Raum 26 kompensiert. Dasselbe kann auch mit einem beispielsweise unter Federdruck stehenden, ausbiegbaren Wandteil des Zylinders 7 erreicht werden.
Beim anschliessenden Rückhub des Pumpenkolbens 6 bewegt sich der Steuerkolben 13 nach rechts bis zur Erreichung der Linie 25'des Schwinghebels 21 und kehrt wieder in die gezeichnete Anfangslage zurück. Während dieses Zeitraumes wird aus dem Raume 27 des Gehäuses 1, der als druckloser Vorratsraum für die Betriebsflüssigkeit dient, diese in den Raum 10 eingesaugt. Dann beginnt der beschriebene Vorgang von neuem.
Bei der geschilderten Betriebsweise der Pumpe wird das gesamte Hubvolumen des Kolbens 6 in den Druckraum 17 gefördert, was somit der maximalen Förderleistung einer solchen Pumpe entspricht. Um auch geringere Förderleistungen bis zur Leistung Null (Leerlauf) erreichen zu können, ist der Drehzapfen 22 des Schwinghebels 21 nicht fest, sondern mittels Gleitsteinen 23 inFührungsnuten 23'am Gehäuse verstellbar gelagert. Die Nabe 21'des Schwinghebels 21 wird von einer Gabel 30 umgriffen, deren anderes Ende an einem Zapfen 31 gelenkig gelagert ist. Dieser sitzt exzentrisch an einer Welle 32, die an beiden Enden an Teilen des Gehäuses 1 drehbar gelagert ist, an einer Stelle daraus hervorragt und mit Einrichtungen zum Drehantrieb, z.
B. einer (nicht dargestellten) Handkurbel, oder einem Zahnradgetriebe für Verstellung durch einen Servomotor versehen ist. Zur Ermöglichung der Montage ist die Gabel 30 zweiteilig ausgebildet, wobei der zweite Teil 34 mittels Schrauben 35 an dem Teil 30 lösbar befestigt ist. Verdreht man mittels der erwähnten Handbetätigungsmittel od. dgl. die Welle 32 um 1800, so gelangt der Zapfen 31 in die in Fig. 1 strichpunktiert gezeichnete andere Endlage und verschiebt auch damit über die Gabel 30 den Zapfen 22 des Schwinghebels 21 in die strichpunktiert gezeichnete Lage, in der die Mittelachse
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des Schwinghebels 21 nach der Linie 36 verläuft.
Durch diese Verstellbewegung wird der Steuerkolben 13 in der gezeichneten inneren Totlage des Arbeitskolbens 6 um den Betrag a nach rechts verschoben und ge- langt somit in die in Fig. 1 strichpunktiert gezeichnete Lage, in welcher der Kanal 11 zur Gänze offen und der Hubraum 10 mit dem Vorratsraum 27 verbunden ist. Bei der folgenden Umdrehung der Kurbel- welle 2 bewegt sich der Steuerkolben 13 um die gleichen Beträge, wie früher geschildert, nach rechts und links, ohne dabei (ausseril1 der äussersten Endstellung links in Fig. 1) jemals den Kanal 11 abzuschliessen.
Diese Stellung entspricht also dem Leerlauf der Kolbenpumpe bzw. der Fördermenge Null.
Daraus ist ohne weiteres verständlich, dass man auch Fördermengen, die zwischen Null und dem
Maximum liegen, dadurch einstellen kann, dass man die Welle 32 bzw. den Exzenterzapfen 31 weniger als 1800, also in eine Zwischenstellung verdreht, so dass auch die Anfangsverstellung des Steuerkolbens 13 einem Teilbetrag von a entspricht. Von dieser Anfangsstellung aus bewegt sich der Steuerkolben bei jeder
Umdrehung der Kurbelwelle 2 nach rechts und nach links, wobei der Raum 10 jeweils über einen mehr oder weniger grösseren Zeitraum über den Kanal 11 mit dem Raum 27bzw. mit dem Raum 17 verbunden wird. Von dem Verhältnis der Zeitdauer der Verbindung mit dem Raum 17 bzw. mit dem Raum 27 hängt die Fördermenge der Pumpe ab, die auf diese Weise zwischen Null und dem Maximum des vollen Hub- volumens des Kolbens 6 stufenlos eingeregelt werden kann.
Die beim Betriebe kurzzeitig vorkommenden vollkommenen Überdeckungen des Ringkanals 11 durch denSteuerkolben 13 machen im Betriebe keine Schwierigkeit, weil die durch die Bewegung des Pumpen- kolbens 6 während dieser Zeiten entstehenden Volumsänderungen durch den Luftpuffer 26 oder analoge
Mittel kompensiert werden.
Der zweite Steuerkolben 14 schliesst die Räume 16 und 17 nach der andern Seite gegen den drucklosen Raum 27 hin ab und hat noch eine zweite wichtige Funktion, indem er bewirkt, dass der im Raum 16 herrschende Druck auf beide Kolben 13 und 14 in gleicher Grösse und entgegengesetzter Richtung wirkt, so dass der Kolben 13 auch in axialer Richtung vollkommen druckentlastet ist, was für die Funktionsfähig- keit der Steuerkolben bei höheren Drücken eine ausschlaggebende Rolle spielt.
Zur Herstellung eines hydrostatischen Getriebes unter Verwendung von Kolbenpumpen der geschilderten Bauart kombiniert man mindestens zwei solche, axial aneinandergereihte Kolbenpumpen, die von der gleichen Kurbelwelle 2 über gegenseitig im Winkel versetzte Kurbelzapfen 3 angetrieben sind, mit mindestens drei Kolbenmotoren 40 fast vollkommen gleicher Bauart, nämlich mit dem einzigen Unterschied, dass die Schwinghebel 21 an festen und nicht beweglichen Zapfen 22 gelagert sind. Die Druckräume 17 sämtlicher Pumpen (Fig. 1) und Motoren 40 sind miteinander verbunden und ebenso ist der Vorratsraum 27 für alle Pumpen und Motoren gemeinsam. Die von den Kolbenpumpen geförderte Druckflüssigkeit strömt dann aus dem Raum 17 kommend jeweils beim Arbeitshub des betreffenden Kolbenmotors in den Zylinderraum ein und setzt die Abtriebswelle 41 in drehende Bewegung.
Die beim Rückhub der Kolbenmotoren in den Vorratsraum 27 drucklos zurückströmende Betriebsflüssigkeit gelangt aus diesem Raum im Kreislauf wieder in die Kolbenpumpen. Die Kurbelzapfen der Kolbenmotoren 40 sind jeweils um 1200 gegeneinander versetzt, um ein möglichst gleichmässiges Drehmoment an der Abtriebswelle 41 zu erzielen.
Es ist zweckmässig, aber nicht unbedingt erforderlich, die Antriebs- und die Abtriebswelle 2 bzw. 41 koaxial anzuordnen, wobei ihre innen liegenden Enden einander gegenüberliegen, und hier eine lösbare, z. B. elektromagnetische Kupplung anzuordnen, die eine unmittelbare Verbindung der treibenden und der getriebenenwelle herzustellen gestattet. Es kann dann jeweils, wenn ein Übersetzungsverhältnis von 1 : 1 der beiden Wellen erwünscht ist, diese Kupplung eingerückt werden, wodurch die ganzen Kolbenmotoren und Kolbenpumpen leer laufen, da sich mangels eines Widerstandes der Last im gemeinsamen Druckraum 17 kein höherer Druck ausbildet als im Raum 27.
Auf diese Weise können wesentliche Reibungswiderstände vermieden und ein maximaler Wirkungsgrad für das Übersetzungsverhältnis 1 : 1 erreicht werden.
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