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Geschwindigkeitsumformer
Gegenstand der Erfindung ist ein stufenloser Geschwindigkeitsumformer unter Verwendung einer in einem Behälter mit Flüssigkeit arbeitenden Drehkolbenpumpe.
Hydraulische Getriebe sind in zahlreichen Ausführungen bekannt. Ein Vorschlag behandelt ein solches Getriebe mit einer Drehkolbenpumpe, doch ist hier keine Regelung der relativen Geschwindigkeit der bei- den gekuppelten Wellen möglich. Es ist auch ein hydraulisches Getriebe mit einer Drehkolbenpumpe vorbeschrieben, in dem eine Geschwindigkeitsregelung durch Verstellung von Geschwindigkeitssteuerschiebern, die den Querschnitt der Durchflusskanäle mehr oder weniger weit öffnen, möglich ist. Das Öl oder die Flüssigkeit verbleibt hier aber im Bereich der Kuppelvorrichtung, wodurch eine genaue und zufriedenstellende Geschwindigkeitsregelung verhindert wird. In diesem Vorschlag ist überdies keinerlei automatische Regelung vorgesehen, um die Geschwindigkeit auch im Falle plötzlicher Belastungsänderungen gleich zu halten.
Es ist des weiteren eine hydraulische Kupplungsvorrichtung mit Drehkolbenpumpe bekannt, in der durch Einschaltung eines Ventiles die Druckzone des Öles mit der Zone, in der das Öl im Unterdruck steht, verbunden wird. Durch Veränderung der Ventilöffnung von Hand aus durch einen auf der Welle angeord- neten Hebel lässt sich die Geschwindigkeit im gewünschten Masse regeln. Hier handelt es sich aber nur um eine einfache hydraulische Kupplung, die normalerweise nur im Direktgang arbeitet und nur ausnahmsweise-z. B. beim Anfahren oder bei kurzen Geschwindigkeitsänderungen während des Betriebes - eine Regelung erforderlich macht. Da keine Vorrichtung zum Abkühlen des Öles oder zum Konstanthalten der Geschwindigkeit vorgesehen ist, kann diese Vorrichtung nicht mit längerer Überbelastung arbeiten.
In einem Vorschlag für eine hydraulische Kupplung ist die Regelung der Öffnung der Eintrittsdüsen für die Flüssigkeit durch Zentrifugalkraft vorgesehen. Diese Art der Regelung arbeitet aber langsam und ist daher wenig wirksam, im übrigen ist hier nur auf kurzzeitige Geschwindigkeitsänderungen der Antriebswelle Bedacht genommen und länger andauernde Regelungen sind hier ausgeschlossen. Auch ein bekanntes hydraulisches Getriebe mit mehreren Drehkolbenpumpen, die über mechanische Getriebe mit der Antriebswelle verbunden sind, erlaubt keine automatische Regelung.
In der Praxis besteht vielfach Bedarf an einem hydrodynamischen Geschwindigkeitsumformer, derausser einer grossen Elastizität auch einen einfachen Aufbau aufweist und der die Drehzahl der Abtriebswelle automatisch an die Drehzahl der Antriebswelle in Abhängigkeit vom jeweiligen Lastmoment anpasst.
Die bisher versuchten Lösungen der gestellten Aufgabe waren unbefriedigend. Mechanische stufenlose Geschwindigkeitsumformer, die durch Reibung gekoppelte Elemente verwenden, sind in verhältnismässig kurzer Zeit einer starken Abnützung unterworfen und sprechen dann auf Geschwindigkeitsänderungen nur mehr in einem begrenzten Bereich an.
Hydrodynamische Geschwindigkeitsumformer mit Kolbenpumpen, deren Lauf regelbar ist, unterliegen einem starken Verschleiss wegen der vielen sich alternativ bewegenden Teile, sie sind ausserdem sehr verwickelt im Aufbau und damit auch kostspielig. Nach einem weiteren Vorschlag kommen zwei Kolbenpumpen zur Verwendung. Die erste wirkt als Druckpumpe und ihr Läufer ist mit der Antriebswelle verbunden, wogegen die zweite, deren Läufer mit der Abtriebswelle gekoppelt ist, als hydraulischer Motor wirkt. Die Geschwindigkeit wird hier durch die Verstellbarkeit der Exzentrizität der Pumpen geregelt.
Auch die-
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se Umformer weisen einen sehr verwickelten Aufbau auf, unterliegen einer verhältnismässig starken Abnutzung und halten ausserdem das gewünschte Gleichbleiben des Verhältnisses der Drehzahlen von der Antriebswelle zur Abtriebswelle nicht ein.
Mit dem Vorschlag nach der Erfindung wird ein stufenloser Geschwindigkeitsumformer geschaffen, dessen Elemente nur drehenden Bewegungen unterworfen sind, so dass die Drehzahl bei verhältnismässig einfachem Aufbau der Vorrichtung bei gleichbleibendem Antriebsmoment leicht von Null bis zu einem Maximalwert geändert werden kann.
Im wesentlichen besteht die Erfindung aus einer Drehkolbenpumpe, deren Laufrad mit der Antriebswelle und deren Pumpenkörper mit der Abtriebswelle starr verbunden sind, wobei die Pumpe die Flüssigkeit in Umlauf setzt und die Intensität des Flüssigkeitsstromes durch ein von Hand zu betätigendes Ventil regelbar ist und sich somit auch die Drehzahl der Abtriebswelle entsprechend der Menge der in geschlossenem Kreis umlaufenden Flüssigkeit an die Drehzahl der Abtriebswelle anpassen lässt. Die mit Kühlungflügeln ausgestattete Pumpe ist vollständig in eine geeignete Flüssigkeit, z. B. Öl, in einen Behälter getaucht und veranlasst die Flüssigkeit in einem geschlossenen Kreis umzulaufen, wobei die jeweilige Off- nungsweite des einstellbaren Ventils, das aber nicht den Einlass begrenzt, die Geschwindigkeit derAbtriebswelle regelt.
Die Drehzahl der letzteren kann also von Null - wenn das Ventil ganz offen ist-bis zu einem der Drehzahl der Antriebswelle entsprechenden Maximalwert - bei völlig geschlossenem Ventil-geregelt werden. In letzterem Falle ist der Flüssigkeitsumlauf vollständig blockiert und die Antriebsund Abtriebswelle sind miteinander fest gekoppelt, rotieren also mit der gleichen Geschwindigkeit.
Um ein Arbeiten des Geschwindigkeitsumformers in beiden Drehrichtungen ohne jegliches manuelles Zutun zu ermöglichen, sind in der Drehkolbenpumpe zwei verschiedene Einlassöffnungen für die Flüssigkeit vorgesehen, wobei unter dem Druck der umlaufenden Flüssigkeit stehende Ventile - z. B. inder Druckleitung vorgesehene Kügelchen - jeweils eine Öffnung offen halten und die andere verschliessen.
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weiteres Merkmal derwenn auf der Abtriebswelle kein Belastungsmoment auftritt und diese somit unbelastet mitgeschleppt würde. Diese Bremsung hört automatisch auf, wenn der Flüssigkeitsdruck gegen das Einstellventil einen entsprechend grossen Wert erreicht hat, um dieses zu öffnen, was dann der Fall ist, wenn auf der Abtriebswelle eine entsprechende Belastung liegt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren der Zeichnung dargestellt, doch soll die Erfindung nicht darauf beschränkt bleiben. Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch den erfindungsgemässen Umformer nach der Linie G-H-1 von Fig. 2, Fig. 2 ein Querschnitt nach der Linie A-B in Fig. 1, Fig. 3
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lung der Läufer bei einer Anordnung nach Fig. 5.
Der Läufer 3 der Drehkolbenpumpe ist mit der Antriebswelle 1 und der Pumpenkörper 4 mit der Abtriebswelle 2 fest verbunden. Am Läufer 3 sind Flügel 5 angeordnet, die vermittels derRin- ge 6 und des Druckes der aus der Leitung 41 kommenden Flüssigkeil eng an der Innenwand des Pum- pengehäuses 4 anliegen. Die Pumpe ist ganz in der Flüssigkeit im Behälter 7 - z. B. Öl - einge- taucht.
Die in geschlossenem Kreis umlaufende Flüssigkeit tritt durch den Kanal 8 in die Pumpe ein und wird durch die Leitung 9 im Pumpenkörper und die Leitung 10 im Pumpenkopf dem Einstellventil 11 zugeführt, von wo sie durch den Auslass 12 wieder in den Behälter 7 zurückfliesst (s. Fig. 4). Wenn die Drehrichtung des Läufers umgekehrt verläuft, tritt die Flüssigkeit durch den Kanal 9 ein und fliesst durch den Kanal 8 wieder in den Behälter 7 zurück. Zu diesem Zweck sind in den Kanälen 8 und 9 Ventile, die aus Kügelchen 13, 14 und 15, 16 bestehen, vorgesehen, die unter dem Druck der kreisenden Flüssigkeit die Ein- und Auslassöffnungen der Kanäle 8 und 9 je nach Erfordernis öffnen oder schliessen.
Die Kanäle 8 und 9 (Fig. 3) sind auf den gegenüberliegenden Seiten einer durch die Antriebswelle 1 und die im Pumpenzylinder vorgesehene Achse 17 gedachten Ebene angeordnet, wobei die Achse 17 exzentrisch zur Antriebswelle 1 liegt.
Wenn sich der Geschwindigkeitsumformer im Sinne des Pfeiles 18 von Fig. 3 dreht, wird die Flüssigkeit in den Kanal 8 eingelassen, hingegen gilt der Kanal 9 als Einlassleitung, wenn die Drehrichtung umgekehrt verläuft.
Im erstgenannten Fall werden die Kügelchen 13, 14 in die in Fig. 1 dargestellte Lage gedrängt, so dass die Einlassöffnung 37 geöffnet wird, während die Auslassöffnung 38 durch das Kügelchen 14
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geschlossen bleibt. Das Kügelchen 14 steht dabei ausserdem unter dem Druck, der aussen von der Lei- tung 10 herkommt.
In der Leitung 9 stehen die Kügelchen 15 und 16 unter dem Flüssigkeitsdruck und bewegen sich daher gegen die Enden dieser Leitung 9, wobei sie einerseits die Einlassöffnung 39 verschliessen und anderseits die Auslassöffnung 40 öffnen.
Um die Antriebswelle 2 zu bremsen und bei fehlender Belastung nicht mitdrehen zu lassen, ist er- findungsgemäss eine Bandbremse 19 vorgesehen, die aussen um das Gehäuse 4 der Pumpe gelegt ist.
Diese wird durchFedern 20, 21 festgehalten, die durch Stellschrauben in ihrer Spannkraft geregelt wer- den können. Unter dem Einfluss der von der Kammer 25 des Einstellventils über die Leitung 26 ein- dringenden Flüssigkeit werden zwei kleine Kolben 2, 24 gegen die Wirkung der Federn 20, 21 ver- schoben und lockern damit die von diesen bewirkte Spannung der Bandbremse 19 mehr oder weniger stark (Fig. 1 und 4). Da der Druck der Flüssigkeit in der Kammer 25 von der Grösse der Öffnung des
Regelventiles abhängig ist, die wieder durch die Grösse des auf die Abtriebswelle 2 wirkendenLastmo- mentes bestimmt ist, gewährleisten die Federn 20, 21 eine verlässliche automatische Bremsung der
Welle 2, wenn das Regelventil vollkommen offen steht.
Durch Schliessen des Regulierventiles kann man einen vorbestimmten Wert für den Flüssigkeitsdruck einstellen und damit die Bremskraft der Bandrem- se 19 im gewünschten Masse regeln.
Es hat sich als zweckmässig erwiesen, die Spannkraft der Federn 20, 21 so einzustellen, dass die
Bandbremse 19 beim gleichen Flüssigkeitsdruck gelockert wird, der den kleinen, konzentrisch zur Na- del 27 desRegulierventiles angeordneten Kolben 46 in Bewegung setzt (Fig. 4). Dies um die grösst- mögliche Stabilität der Drehzahl der Abtriebswelle 2 auch im Falle von plötzlichen Belastungsände- rungen zu gewährleisten.
DasRegulierventil (Fig. 4) besteht im wesentlichen aus einer Nadel 27, die durch das Handrad 28 einer Spindel axial verschoben werden kann und damit das Auslassventil 29 schliesst. Die aus dem Ka- nal 10 kommende und unter Druck stehende Flüssigkeit dringt in die Kammer 25 ein, die mit der
Kammer 30 durch Öffnungen 31 und 32 in Verbindung steht, die im feststehenden Zylinder 33 bzw. im beweglichen Hohlkolben 46 angeordnet sind. Der Kolben 46 kann von der durch die Öff- nungen 31 und 32 eindringenden Flüssigkeit entgegen der Wirkung der hinter ihm in einer zylindrischen
Ausnehmung eingesetzten Feder 34 verschoben werden, wobei je nach der Stellung des Kolbens 46 die Öffnung 31 mehr oder weniger geöffnet wird bzw. gänzlich verschlossen ist.
Auf diese Weise wird die Quantität der austretenden Flüssigkeit von der Grösse der Öffnung 31 bestimmt und damit die Dreh- zahl der Abtriebswelle 2 auchbeiplötzlicherBelastungsänderungkonstant gehalten. Wird das Ventil 29 durch die Nadel 27 geschlossen und ist somit der Flüssigkeitsumlauf vollständig gedrosselt, steht die
Antriebswelle mit der Abtriebswelle in direkter Verbindung und rotiert wie diese mit gleicher Drehzahl.
Weist hingegen die Nadel 27 eine Stellung auf, die die Ventilöffnung 29 völlig freigibt, erreicht der Flüssigkeitsumlauf in der Drehkolbenpumpe ein Maximum und die Abtriebswelle 2 wird durch die elastische Bandbremse 19 vollkommen festgehalten.
In jeder zwischen diesen beiden Extremstellungen vorkommenden Zwischenlage wird die Drehzahl der Abtriebswelle 2 zwischen Null und der Drehzahl der Antriebswelle 1 stehen.
Durch Verstellung der Nadel 27 mittels des Handrades 28 lässt sich die Drehzahl der Abtriebs- welle 2 daher gleichmässig im jeweils gewünschten Masse regeln.
Bei einer plötzlichen Erhöhung des Lastmomentes auf der Abtriebswelle 2 wird deren Drehzahl herabgesetzt, was eine Zunahme der Hubzahl der Pumpe und damit einen erhöhten Flüssigkeitsdruck in der
Kammer 30 vor dem Auslassventil 29 zur Folge hat. Hiedurch wird der Kolben 46 gegen die Wir-
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der Feder 34 verschoben und verschliesst die Öffnungdrosselt und die Abtriebswelle 2 auf die gewünschte Drehzahl zurückgeführt wird.
Die obigen Regelmöglichkeiten der Abtriebswelle 2 sind selbstverständlich auf der Annahme ge- gründet, dass die Drehzahl der Antriebswelle l trotz möglicher starker Schwankungen. in der Belastung auf der Abtriebswelle 2 stets gleich bleibt. Selbstverständlich haben Schwankungen in der Drehzahl der Abtriebswelle 2 auch solche in der Leistung zur Folge, wobei die verlorengehenden Kräfte zumeist in Wärme umgesetzt werden, was wieder eine Erhöhung der Temperatur der Flüssigkeit zur Folge hat. Darum
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der Behälterund auf der Antriebswelle l ein Ventilator 36 vorgesehen, so dass für ausreichende Abkühlung der Flüssigkeit gesorgt ist.
Der Behälter 7 ist ausserdem mit einer Öffnung 42 für das Eingiessen der Flüssigkeit versehen, in der neben einem Luftkanal 44 ein Gitter 43 angeordnet ist, um ein Verspritzen
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nehmen.
Als Variante der erfindungsgemässen Anordnung können beispielsweise mehrere Drehkolbenpumpen vorgesehen werden, wie Fig. 5 zeigt. Hier ist jede Achse dieser Pumpe parallel zur Zentralachse und in gleichem Abstand von dieser angeordnet. In diesem Falle wird der Rotor ebenso viele Zylinder aufweisen als Drehkolbenpumpen vorgesehen sind. Zwischen ihnen wird die exzentrische Trommel der Drehkolbenpumpe mit Radialflügeln eingebaut.
Die Läufer der Drehkolbenpumpen werden, wie beispielsweise in Fig. 6 gezeigt, über ein mechanisches Getriebe von der Zentralwelle angetrieben.
Die Anordnung mit mehreren Pumpen ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Umformer für starke Belastungen vorgesehen ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Stufenloser Geschwindigkeitsumformer unter Verwendung einer in einem Behälter mit Flüssigkeit arbeitenden Drehkolbenpumpe, dadurch gekennzeichnet, dass deren Laufrad (3) mit der Antriebswelle (1) und der Pumpenkörper (4) mit der Abtriebswelle (2) starr verbunden sind, wobei die Pum-
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4)betätigendes Ventil (29) regelbar ist und sich somit auch die Drehzahl der Abtriebswelle (2) entsprechend der Menge der in geschlossenem Kreis umlaufenden Flüssigkeit an die Drehzahl der Antriebswelle (1) anpassen lässt.