DE10117139A1

DE10117139A1 - Hydraulische Zahnradpumpe oder Hydraulikmotor mit stufenlos veränderbarem Förderquerschnitt. In Kombination als stufenloses Getriebe verwendbar

Info

Publication number: DE10117139A1
Application number: DE2001117139
Authority: DE
Inventors: Thomas Schipper
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-04-09
Filing date: 2001-04-09
Publication date: 2002-10-17
Anticipated expiration: 2021-04-10
Also published as: DE10117139C2

Abstract

Zweck dieser Erfindung ist es, ein Getriebe für z. B. Kraftfahrzeuge herzustellen, dessen Übersetzungsverhältnis im Stillstand wie im Betrieb stufenlos veränderbar ist, große Kräfte übertragen kann, verschleißarm arbeitet und ohne verformbare Bestandteile auskommt. DOLLAR A Diese Erfindung ersetzt das Getriebe durch eine Kombination aus Zahnradpumpen, von denen mindestens eine als Motor verwendet wird. DOLLAR A Aus dem Grundgedanken, eins der Zahnräder einer Zahnradpumpe axial verschiebbar zu lagern und dadurch den aktiven Querschnitt der Pumpe zu verändern, ergeben sich vielfältige Möglichkeiten der Ausgestaltung. DOLLAR A Beispielsweise ergibt die Kombination von zwei innenverzahnten und zwei außenverzahnten Pumpen ein mechanisch einfaches Getriebe (Zg. 15) ohne Hydraulikschläuche in einem Gehäuse, dessen Verstellbarkeit durch ein Stellglied von frei laufendem Antrieb bei blockiertem Abtrieb über große Untersetzung bis zur großen Übersetzung reicht, gleichzeitig und unabhängig kann von Rechtslauf über Freilauf nach Linkslauf umgestellt werden.

Description

Zweck der Erfindung

Es ist bekannt, dass allgemein nach einer Möglichkeit gesucht wird, für Anwendungen z. B. in Kraft- oder Schienenfahrzeugen ein stufenlos veränderbares Getriebe herzustellen, das in der Lage ist, große Kräfte zu übertragen und dabei möglichst verschleißfrei zu arbeiten.

Dafür gab es bisher noch keine befriedigende Lösung.

Diese Erfindung ersetzt das Getriebe im herkömmlichen Sinne durch eine Kombination aus Hydraulik-Zahnrad-Pumpe und Hydraulik-Zahnrad-Motor. Die Pumpe und der Motor können baugleich und in einem Gehäuse, oder auch räumlich getrennt oder in unterschiedlicher Ausführung sein.

Die Veränderbarkeit der Übersetzung geschieht dabei mittels Veränderung des aktiven Förderquerschnitts, wahlweise vom Motor, der Pumpe oder beider zugleich.

Der Grundgedanke dieser Erfindung ist es, eins der Zahnräder einer normalen Zahnrad-Pumpe axial verschiebbar zu lagern, um dadurch den aktiven Querschnitt der Pumpe zu verändern. Daraus ergeben sich vielfältige Möglichkeiten der Ausgestaltung.

Stand der Technik

Bisherige stufenlose Getriebe werden z. B. mittels Keilscheiben und Keilriemen hergestellt. Daraus ergibt sich der Nachteil des hohen Verschleißes durch Reibung sowie erheblicher Probleme bei der Übertragung großer Kräfte.

Zahnradpumpen sind in drei Varianten bekannt, wobei die Versionen mit nur einem Zahnrad, welche verformbare Zähne aufweisen (Flügelradpumpe), keine großen Kräfte über lange Zeit verkraften können.

Die Versionen mit zwei Stirnzahnrädern sind zwar in der Lage große Kräfte zu übertragen, aber in ihrem Förderquerschnitt bisher konstant und daher für diese Anwendung so nicht geeignet. Für die Versionen mit einem Innenzahnrad in Kombination mit einem Stirnzahnrad gilt das gleiche.

Ausgestaltung der Erfindung Innenverzahnte stufenlose Pumpe/Motor

Als Beispiel wird hierzu zunächst eine innenverzahnte Pumpe herangezogen, bei der das innere Rad axial verschiebbar angeordnet ist.

Dabei sind einige Veränderungen gegenüber der bekannten Pumpenform nötig.

Das normalerweise zwischen den beiden Rädern angeordnete Teil (Zg. 1, 3 + 4), welches den Fluidstrom in die Zahnhohlräume zwingt, wird so in zwei Teile unterteilt, dass die Trennlinie konzentrisch zur Achse des nicht verschiebbaren Innenzahnrades (Zg 1, 1) der Pumpe liegt und sich zwischen den beiden Teilstücken eine Dichtung bildet (Passung).

Das äußere Teilstück (Zg. 1, 3) wird senkrecht zur Zeichenebene verschiebbar gelagert und ist länger als die Dicke der Zahnräder. Die Verschiebung erfolgt starr verkoppelt mit dem verschiebbaren Rad (Zg. 1, 2) und in gleicher Richtung.

Das Teil (Zg. 1, 3) greift beim Verschieben durch das Gehäuse, wo es gegen dieses abgedichtet ist. Das innere Teilstück (Zg. 1, 4) bleibt starr an seinem Platz.

Damit das innere Zahnrad (Zg. 2, 2) beim axialen Verschieben weiterhin gegen das Gehäuse abgedichtet bleibt und sich keine Nebenwege bilden, wird auf der einen Seite der Pumpe ein Innenzahnrad (Zg. 2, 1) so gelagert, dass es auf der gleichen Achse wie das verschiebbare Rad liegt und frei drehbar ist, die gleiche Zahnzahl aufweist wie das verschiebbare Rad, gegenüber dem Gehäuse abgedichtet ist, eine Dichtung (Passung) (Zg. 2, 3) zum verschiebbaren Rad (Zg. 2, 2) bildet und eine ausreichende Dicke aufweist, um das verschiebbare Rad aufzunehmen.

Auf der anderen Seite der Pumpe wird ein Stirnzahnrad (Zg. 3, 1) so gelagert, dass es auf der gleichen Achse wie das nicht verschiebbare Innenzahnrad (Zg. 3, 2) der Pumpe liegt, auf dieser Achse axial verschoben werden kann, eine Dichtung zum nicht verschiebbaren Innenzahnrad bildet (Passung), eine derart große Achsbohrung aufweist, dass durch diese die Welle des verschiebbaren Zahnrades (Zg. 2, 2) und das feststehende Teil des Trennteils (Zg. 1, 4) passt, mit dem verschiebbaren Zahnrad (Zg. 2, 2) gemeinsam um den gleichen Weg verschoben wird und eine entsprechende Dicke aufweist.

In der Bohrung dieses Rades (Zg. 3, 1 = Zg. 4, 1) befindet sich ein mit dem Rad synchron verschiebbarer Zylinder, (Zg. 4, 5) der keine Rotationsbewegung ausführt, aber eine Dichtung zu diesem bildet. Mit dem Zylinder (Zg. 4, 5) wird das verschiebbare Teilstück (Zg. 1, 3 = Zg. 4, 3) verschoben, außerdem greift das feststehende Teilstück (Zg. 1, 4 = Zg. 4, 4) durch diesen Zylinder und bildet mit diesem eine Dichtung. Desweiteren bildet der Zylinder (Zg. 4, 5) eine Dichtung mit der Welle (Zg. 4, 6) des verschiebbaren Rades (Zg. 4, 2 = Zg. 2, 2)

In der Zeichnung 5 sind alle verschiebbaren Teile gemeinsam dargestellt. Sie werden im Betrieb gemeinsam um den gleichen Betrag und in gleicher Richtung entlang der Achse (Zg. 5, 4) verschoben. Rotierende Teile sind hierbei die Achse (Zg. 5, 4) die starr mit dem Fluid fördernden Zahnrad (Zg. 5, 1) verbunden ist, sowie das Zahnrad (Zg. 5, 2), welches frei drehbar gelagert ist. Der Dichtzylinder (Zg. 5, 3) und das äußere Teildichtstück (Zg. 5, 5) werden nur verschoben.

In der Zeichnung 6 sind die nicht verschiebbaren Teile dargestellt. Das Innenzahnrad (Zg. 6, 1) rotiert synchron mit dem Zahnrad (Zg. 5, 1). Das Innenzahnrad (Zg. 6, 2) rotiert synchron mit dem Zahnrad (Zg. 5, 2). Das innere Teildichtstück (Zg. 6, 3) behält seine Position relativ zum nicht dargestellten Gehäuse.

Mit diesen Modifikationen ist es möglich, durch einfache axiale Verschiebung die als Pumpe funktionierende Dicke der Zahnräder zu verändern, ohne dass dabei die Geometrie einzelner Teile verändert werden muß. Dadurch ist es möglich, die Fördermenge einer Zahnradpumpe bei konstanter Drehzahl stufenlos zu verändern oder bei Verwendung als Motor das Drehmoment und die Drehzahl stufenlos zu verändern.

Weil nur formstabile Teile Verwendung finden, die zudem einer ständigen Schmierung durch das verwendete Fluid unterliegen, kann von einer hohen Zuverlässigkeit bzw. Lebensdauer ausgegangen werden.

Zeichnung 7 zeigt ein Aggregat im Schnitt ohne Gehäuse in den Einstellungen für maximalen und minimalen Förderquerschnitt.

In beiden Fällen muß sichergestellt sein, dass alle vier Zahnräder soweit ineinander greifen, dass eine abhängige Rotation erhalten bleibt.

Außenverzahnte stufenlose Pumpe/Motor

Bei Pumpen mit zwei Stirnzahnrädern kann die gleiche Funktion erreicht werden wie bei innenverzahnten Pumpen. Hierzu werden auf beiden Pumpenseiten Innenzahnräder verwendet (Zg. 8, 3 und 4), die mit den Stirnzahnrädern mittels Passung eine Dichtung bilden. Dabei schiebt sich das eine Innenzahnrad (Zg. 8, 3) auf das nicht verschiebbare Stirnzahnrad (Zg. 8, 1). In das zweite Innenzahnrad (Zg. 8, 4) wird das verschiebbare Rad (Zg. 8, 2) geschoben. Zusätzlich werden zwei Dichtstücke (Zg. 8, 5 und 6) benötigt, welche synchron mli verschoben werden.

Die Welle (Zg. 8, 7) ist mit dem Fluid fördernden Rad (Zg. 8, 1) verbunden und dient als An- oder Abtrieb. Die Welle (Zg. 8, 8) ist mit dem zweiten Fluid fördernden Rad verbunden und in dem Dichtstück (Zg. 8, 6) gelagert, welches eine Dichtung zum Gehäuse und zum Innenzahnrad (Zg. 8, 3) bildet. Der Fluidstrom erfolgt zwischen dem Zahnrad (Zg. 8, 2) und der nicht dargestellten Gehäusewand sowie zwischen dem Zahnrad (Zg. 8, 1) und dem Dichtstück (Zg. 8, 5).

Die Zeichnung 8 zeigt die Stellung mit maximalem Förderquerschnitt, Zeichnung 9 die Stellung mit minimalem Förderquerschnitt.

Die Größe des Förderquerschnitts wird bestimmt durch das Maß, um welches die beiden Zahnräder (Zg. 8,1 = Zg. 9, 1 und Zg. 8,2 = Zg. 9, 2) ineinander greifen.

Um, bei Verwendung als Pumpe, den Förderquerschnitt auf Null reduzieren zu können, müssen die beiden Wellen mit einem weiteren Zahnradpaar gekoppelt werden. Andernfalls würden die Räder (Zg. 9, 1 und 2) ihre Synchronität verlieren.

Doppelt verzahnte stufenlose Pumpe/Motor

Eine mechanisch besonders einfache Lösung zur Erzeugung einer stufenlos verstellbaren Pumpe bzw. eines stufenlos verstellbaren Motors ist eine Kombination aus einer innenverzahnten und einer außenverzahnten Pumpe.

Hierbei wird das in einer innenverzahnten Pumpe bekannte Dichtstück durch die zwei ineinandergreifenden Zahnräder (Zg. 10, 3 und 4) einer außenverzahnten Pumpe ersetzt, deren Modul dem der innenverzahnten Pumpe entspricht und deren Räder in die Räder der innenverzahnten Pumpe (Zg. 10, 1 und 2) eingreifen. Dies bedeutet, dass die inneren Zahnräder kleiner als üblich sein müssen, da nun drei Zahnräder in das Innenzahnrad (Zg. 10, 1) passen müssen.

Sind alle Räder gleich dick und in einer Ebene, so erfolgt trotz Rotation keine Fluidförderung. Dies ist jedoch nur bei der Funktion als Pumpe sinnvoll, da dies der Funktion einer Kupplung entspricht. In der Funktion als Motor entspricht dies einem Freilauf, wobei aber der Fluidstrom blockiert ist. Da dieser Zustand zudem unmittelbar nach Erreichen der maximal möglichen Fördergeschwindigkeit durch den Motor eintreten wird, sollte dies mechanisch verhindert werden.

Werden die beiden Räder der außenverzahnten Pumpe (Zg. 11, 3 und 4) axial synchron verschoben und dabei auf einer Seite durch ein entsprechendes Passteil (Zg. 11, 5) ersetzt und auf der anderen Seite der Pumpe in ein übliches Pumpengehäuse (Zg. 11, 7) geschoben, so ergibt sich eine doppelte Pumpe. Eine als innenverzahnte, die Zweite als außenverzahnte.

Um Nebenwege zu vermeiden, wird auf den Wellen der Räder (Zg. 11, 3 und 4) ein Dichtstück (Zg. 11, 6) montiert, welches den Hohlraum im Gehäuse (Zg. 11, 7) gegen den Fluidstrom abdichtet. Das Passteil (Zg. 11, 5) ist ebenfalls auf den Achsen der Räder (Zg. 11, 3 und 4) montiert und wird gegen das Gehäuse abgedichtet.

Der Fluidstrom erfolgt in vier Bereichen:

1. Zwischen dem Zahnrad (Zg. 11, 1) und dem Passteil (Zg. 11, 5)
2. Zwischen dem Zahnrad (Zg. 11, 2) und dem Passteil (Zg. 11, 5)
3. Zwischen dem Zahnrad (Zg. 11, 3) und dem Gehäuse (Zg. 11, 7)
4. Zwischen dem Zahnrad (Zg. 11, 4) und dem Gehäuse (Zg. 11, 7)

Bei maximal eingestelltem Förderquerschnitt müssen alle vier Zahnräder soweit ineinander greifen, dass die Kräfteübertragung sichergestellt bleibt. Als An- bzw. Abtrieb bietet sich die Weile des Zahnrades (Zg. 11, 2) an.

Diese Version ermöglicht es, durch einfaches Verschieben den Querschnitt der Pumpe und damit die Förderleistung oder den Druck stufenlos zu verändern. Zusätzlich ergibt sich eine einfache mechanische Konstruktion, da die verschiebbaren Teile leicht herzustellen sind, miteinander montiert und gemeinsam auswechselbar sind.

Da auch in dieser Ausbildung der Erfindung alle Teile formstabil, dauergeschmiert und beliebig scalierbar sind, sind für alle Anwendungen die passenden Lösungen berechenbar.

Stufenlos verstellbares Getriebe

Eine sehr kompakte Kombination als stufenloses Getriebe ergibt sich aus der Kombination zweier Aggregate nach 4.3, wobei eins als Motor, das andere als Pumpe fungiert.

Hierbei können beide Aggregate in einem Gehäuse montiert werden, wobei sie so angeordnet sind, dass eine Verkleinerung des aktiven Querschnittes der Pumpe gleichzeitig eine Vergrößerung des Querschnitts des Motors erzeugt. Dadurch wird nur ein Stellglied benötigt.

Auf diese Weise sind z. B. Übersetzungsverhältnisse von 10 : 1 bis 1 : 10 mit sehr Meinem Steilweg möglich. Zudem ist die Verstellung im Stillstand und im Betrieb gleichermaßen möglich. Bei geeigneter Wahl der Zahnraddicken ist es möglich, die Pumpenfördermenge auf Null zu reduzieren, wodurch sich ein blockierter Stillstand des Abtriebs bei weiterhin laufendem Antrieb ergibt. Dies ist besonders nützlich bei Fahrzeugantrieben.

Besonders vorteilhaft ist, dass keine Hydraulikschläuche benötigt werden. Das Aggregat ist also wie ein normales Getriebe zu handhaben.

Zeichnung 12 stellt ein solches stufenloses Getriebe in vereinfachter Form dar.

Die Antriebswelle der Pumpe (Zg. 12, 1) ist fest mit dem inneren Zahnrad (Zg. 12, 2) verbunden und bildet mit dem innenverzahnten Rad (Zg. 12, 3) und dem Passteil (Zg. 12, 7) eine innenverzahnte Pumpe. Die beiden Räder (Zg. 12, 5) bilden eine außenverzahnte Pumpe, deren Gehäuse (Zg. 12, 6) durch das Dichtstück (Zg. 12, 4) begrenzt wird.

Die Abtriebswelle (Zg. 12, 8) ist mit dem inneren Rad (Zg. 12, 9) verbunden und bildet mit dem Zahnrad (Zg. 12, 10) und dem Passteil (Zg. 12, 7) einen innenverzahnten Hydraulikmotor. Die Zahnräder (Zg. 12, 12) bilden mit dem Gehäuse (Zg. 12, 13) und dem Dichtstück (Zg. 12, 11) einen außenverzahnten Hydraulikmotor. Auf den beiden Wellen (Zg. 12, 15) sind die Teile (Zg. 12,4, 5, 7, 12 und 11) montiert und bilden eine Einheit, die mit dem Schieber (Zg. 12, 14) in Längsrichtung verstellt werden kann. Dabei ist sichergestellt, dass die Zahnräder beider Aggregate stets jeweils ineinander greifen. Wird die Verstelleinheit weitest möglich zur Motorseite verschoben, so ist die Pumpe außer Funktion, da alle Räder in einer Ebene liegen, der Förderquerschnitt ist Null. Auf der Motorseite greifen die Räder noch ineinander, aber eine Drehbewegung ist nicht möglich, weil das Fluid nicht gefördert werden kann.

Wird die Verstelleinheit in Richtung Pumpe verschoben, so wird von maximaler Untersetzung über gleiche Drehzahl bei Mittelstellung bis zur maximalen Übersetzung das Verhältnis stufenlos eingestellt. An- und Abtriebswelle laufen in dieser Anordnung stets gegensinnig.

Automatisches stufenloses Getriebe

Wird bei einem Getriebe nach 4.4 die Pumpenseite der Verstelleinheit mit dem Innendruck der Pumpe beaufschlagt und die Motorseite von einer Feder gedrückt, so wird sich die Drehzahl auf der abgehenden Seite automatisch dem benötigten Drehmoment anpassen.

Drehmomentdifferential

Wird ein Doppelaggregat, wie in 4.4 beschrieben, als Motor mit zwei abgehenden Wellen verwendet, so kann durch die Verschiebung der Verstelleinheit das Drehmomenlverhältnis der beiden Wellen zueinander stufenlos verstellt werden. Die Fluidzuführung muß dabei von einem dritten Aggregat erfolgen. Die Drehrichtung der beiden Weiten ist dabei gleichsinnig.

Doppelpumpe, Differential

Werden zwei Aggregate als Motor nach 4.3 in einem Gehäuse und in gleicher Orientierung montiert und dabei Zu- und Rückläufe jeweils miteinander verbunden, so ergibt sich ein Differentialglied, dessen Summendrehzahl mit einem Stellglied veränderbar ist.

Stufenlose Pumpe mit Richtungsumkehr

Werden zwei Pumpen nach 4.3 in einem Gehäuse montiert (Zg. 13) und deren Zu- und Rückläufe jeweils über kreuz miteinander verbunden, so ergibt sich eine Pumpe, deren Förderrichtung und deren Fördermenge mit einem Stellglied (Zg. 13, 8) stufenlos variiert werden kann. Anders als in Zeichnung 12 wird hierbei eine Trennwand (Zg. 13, 4) zwischen den beiden Pumpenhälften benötigt und die beiden Zahnräder (Zg. 13, 1 und 2) sind beide auf der gleichen Welle (Zg. 13, 3) montiert. Das Passteil (Zg. 13, 7) in der Mitte der Verstelleinheit greift durch die Trennwand (Zg. 13, 4) und ist gegen diese abgedichtet. Die beiden innenverzahnten Räder (Zg. 13, 5 und 6) sind ebenfalls gegen die Trennwand (Zg. 13,4) abgedichtet.

In Zeichnung 14 sind die externen Fluidverbindungen schematisch dargestellt, welche jeweils den Zulauf der einen Pumpenhälfte mit dem Rücklauf der anderen Pumpenhälfte verbinden. Der nutzbare Fluidstrom kann wahlweise bei einer der Pumpenhälften oder den Kreuzverbindungen abgegriffen werden.

In der Mittelstellung der Verstelleinheit fördern beide Pumpen gleich viel Fluid, durch die Kreuzverbindung ergibt sich dadurch kein nutzbarer Druck.

Durch Verschieben der Verstelleinheit wird die eine Fördermenge größer und die andere kleiner. Nur die Differenz der beiden Fördermengen ist nutzbar und ist je nach Verstellrichtung positiv oder negativ. Wird die Verstelleinheit bis zu einem Anschlag verschoben, so ist die Fördermenge derjenigen Pumpenhälfte, zu der geschoben wurde, maximal, die der zweiten Pumpenhälfte ist Null.

Die Verwendung als Motor ist hierbei nur sinnvoll, wenn in der Mittelstellung der Verstelleinheit, bei der kein externer Fluidstrom möglich ist, z. B. mittels eines Überdruckventils eine Überlastung der Pumpe oder deren Antrieb verhindert wird.

Stufenloses Getriebe mit Richtungsumkehr

Eine für Fahrzeugantriebe besonders geeignete Variante des unter 4.4. beschriebenen Getriebes ist in Zeichnung 15 dargestellt. Hierbei ist zusätzlich die Funktion der Richtungsumkehr der abgehenden Seite und ein Freilauf beider Seen während des Umschaltens.

Dazu ist zunächst eine Trennwand (Zg. 15, 1) zwischen Motorteil und Pumpenteil eingebaut. Außerdem ist das Passteil (Zg. 15, 2) vergrößert worden, dergestalt, dass in diesem eine Durchströmung von der Pumpen zur Motorseite (Zg. 15, 3) und auf einem zweiten Weg von der Motorseite zur Pumpenseite erfolgen kann. Die Strömungswege verlaufen dabei über ein Steuerteil, welches auf der Welle (Zg. 15, 4), innerhalb des Passteils, montiert ist. Durch Drehbewegung der Welle (Zg. 15, 4) mit z. B. einem Hebel (Zg. 15, 5) kann wahlweise Pumpe und Motor direkt oder über Kreuz verbunden werden, wodurch sich die Drehrichtung der abgehenden Welle umschalten läßt. Durch geeignete Ausformung des Steuerteils ergibt sich die Möglichkeit, zwischen den beiden Endstellungen für Vorwärts bzw. Rückwärts einen Bereich zu erzeugen, bei dessen Einstellung beide Strömungswege durch das Passteil miteinander verbunden sind. Daraus ergibt sich dann ein Freilauf beider Seiten. Im Übergangsbereich zwischen Freilauf und einer Richtung ergibt sich die Funktion einer Kupplung, die hier jedoch keine reibenden Flächen benötigt, da nur Strömungsverhältnisse verstellt werden. Die Verstellbarkeit der Drehrichtung ist dabei unabhängig von der Verstellbarkeit des Übersetzungsverhältnisses.

Wird auf der abgehenden Seite des Getriebes ein weiteres als Motor funktionierendes Aggregat angeflanscht, dessen Verstelleinheit und dessen Fluidwege mit denen des Motorteils des Getriebes verbunden sind, so erhält man zusätzlich die Funktion des Differentials. In der Mittelstellung der Verstelleinheit ist nun jedoch eine Untersetzung von zwei zu eins und nicht mehr eins zu eins vorhanden.

Claims

Hydraulische Zahnradpumpe oder Hydraulikmotor mit veränderbarem Förderquerschnitt, sowie beliebige Kombinationen von Hydraulikpumpen und Hydraulikmotoren zu Getrieben oder Getriebe ähnlichen Aggregaten, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eins der verwendeten Zahnräder in axialer Richtung verschiebbar angeordnet ist, so dass sich eine veränderbare Wirkdicke der Zahnräder ergibt.