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I. Anwendungsgebiet
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Die
Erfindung richtet sich auf selbstfahrende, insbesondere straßentaugliche,
Arbeitsmaschinen, z. B. Traktoren, Bagger, Radlader und bestimmte Lastkraftwagen.
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II. Technischer Hintergrund
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Dabei
besteht das Problem, daß diese auf der Straße
schnell fahren sollen (hohe Raddrehzahl bei geringem benötigten
Raddrehmoment), bei schweren Bodenverhältnissen und unter
Arbeitslast aber ein sehr hohes Drehmoment an den Antriebsrädern
realisieren müssen, dann allerdings bei geringer Raddrehzahl.
Das Drehmoment an der Antriebsrädern und die invers damit
korrelierte Drehzahl müssen also um einen sehr hohen Faktor
gespreizt werden können. Dagegen erfordert ein guter Wirkungsgrad
des Verbrennungsmotors ein möglich konstantes Drehmoment
auf hohem Niveau, was nur in einem relativ schmalen Drehzahlbereich
erreichbar ist. Folglich benötigt es zwischen dem konstanten
Motor- und dem variablen Raddrehmoment eine weitgespreizte Übersetzungsgetriebe.
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Mechanische
Schaltgetrieben können diese Aufgabe problemlos erfüllen,
benötigen aber enteder beim häufigen Schalten
jeweils eine Zugunterbrechung über eine Kupplung und/der
einen hohen baulichen Aufwand, vor allem bei einer gewünschten
Automatisieung der Schaltvorgänge oder Vermeidung der Zugunterbrechung.
Deswegen haben selbstahrende Arbeitsmaschinen – die für
den lineären Arbeitsantrieb ohnehin Drucköl benötigen – öfters
einen hydraulisch/mechanischen Fahrantrieb, bei dem die Abtriebswelle
des Verbrennungsmotors eine hydraulische Einheit antreibt, die über
Zahnradstufen mit der Antriebsachse bzw. den Antriebsrädern
gekoppelt ist. Diese Einheit besteht gewöhnlich aus einer
Pumpe und einem Motor, wobei zumindest das Verdrängungsvolumen
des Motors verstellbar ist.
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Diese
Lösung ist jedoch mit erheblichen Nachteilen verbunden.
Die sogenannte „Verdrängungssteuerung", mittels
Verstellung der Schrägscheibe oder des Exzenters, kostet
viel Kraft und erfordert eine schwere hydraulische Vorrichtung,
die entsprechend langsam reagiert, teuer ist und Verluste mit sich
bringt. Außerdem geht, bei Axialkolbenmaschinen, die Entfernung
von der mittleren Winkelstellung der Scheibe zunehmend auf Kosten
des Wirkungsgrads. Ein Spreizungsfaktor über 4 ist daher nicht
mehr praktikabel und die Verluste können sich, im Teillastbetrieb,
bis zu einem Drittel der Leistung des Verbrennungsmotors summieren.
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Deswegen
tendiert die Entwicklung zur Drehmomentänderung bei konstantem
Verdrängungsvolumen, durch Steuerung des Zeitanteils, worin
der Motor während einer Umdrehung Drucköl aufnimmt.
So gibt es Radialkolbenmotoren, wobei – wie zum Beispiel
in der
WO 2005/095800 beschrieben – per
Umdrehung für jeden Zylinder zwischen Antrieb und Leerlauf
(oder Niederdrucklauf, um Kavitation zu vermeiden) entschieden wird.
Wenn mindestens ein Zylinder antreiben soll, ist das Drehmoment
mit Faktor 6 bis 8 änderbar. Einen ähnlichen Wert
erreicht ein Axialkolbenmotor mit zum Teil drehbarer Ventilplatte, gemäß der
DE Eine Brücke zwischen den zwei Ventilöffnungen
lässt sich gegenüber der anderen verschieben,
wodurch die Zylinderkammer kürzer oder länger
mit dem Hoch- und dem Niederdruckanschluß verbindbar sind
und der Versorgungsdruck mit Tankdruck reduziert werden kann.
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Die,
im Vergleich zu Verstellmotoren, größen Spreizungsfaktoren
fordern allerdings eine in gleicher Maße größere
Dimensionierung, während – jedenfalls bei der
Axialkolbenvariante – der Ölstrom sich sogar dem
Spreizungsfaktor entsprechend vervielfacht. Außerdem bietet
auch Spreizungsfaktor 8 noch nicht, was zunehmend vom Markt
gefragt und von mechanischen Getrieben geboten wird.
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III. Darstellung der Erfindung
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, die zeitgesteuerten Axialkolben-
und Radialkolbenmotoren derart weiterzubilden, daß ihr Übersetzungsbereich dem
von mechanischen Getrieben mindestens gleichkommt, in einem konkurrenzfähigen
Rahmen von Kosten, Verlusten und Dimensionierung. Die Aufgabe wird
durch den Hauptanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Demnach
treibt der Motor das Rad oder die Achse über einen Planetensatz
an. An sich ist das nicht neu. Bekannt sind Hydromotoren, die mit
Planetensätzen zusammenwirken, welche in Vorwahlstufen
schaltbar oder in einer bestimmten Unter- oder Übersetzung
fixiert sind. Auch gibt es Hydromotoren, die mit Planeten ein während
der Fahrt schaltbares Übersetzungsgetriebe bilden. Dort
arbeiten beide allerdings eher nebeneinander, da die Antriebsenergie über
ihnen verteilt wird, bevor später – wieder summiert – auf
die Räder zu gelangen.
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Dagegen
wirken Hydromotor und Planetengetriebe gemäß der
Erfindung in richtiger Interaktion zusammen. Die Zeitsteuerung kostet
wenig Kraft und somit wenig Zeit. Auch die größtmögliche
Drehmomentänderung dauert nur Millisekunden und ist mit einer
gegenläufigen Momentanpassung des abrupt schaltenden Planetengetriebes
synchronisierbar. Im Ergebnis funktioniert die Einheit „Motor/Planetensatz"
als stufenloses, unter Last schaltbares, automatisches, Übersetzungsgetriebe,
dessen Spreizungsfaktor das Produkt beider Einzelspreizungsfaktoren
ist und selbst dann noch, wenn man den Spreizungsfaktor des Motors
auf 4 halbiert, dem der mechanischen Konkurrenz mühelos
gleichkommt, bei geringen Einbaumaßen, bescheidenen Kosten
und geringen Verlusten.
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Die
Erfindung wird anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
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I. Zeitsteuerung
eines Axialkolben-Konstantmotors;
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II. Anbau und Schaltpositionen des Planetengetriebes;
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III. Axialkolben-Konstantmotor mit zusammenwirkenden
hydraulischer und mechanischer Momentanpassung;
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IV. Zusammenspiel hydraulischer und mechanischer
Momentanpassung.
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I.
ist der DE entnommen und zeigt die Ventilplatte (7) eines
zeitgesteuerten Axialkolbenmotors Sie besteht aus einem drehbaren
Außenring (8) und einem unbeweglichen Innenteil
(9), wobei die üblichen zwei Ventilöffnungen
zwischen den Zylinderkammern und den Ölanschlüssen
hier exemplarisch an der Stelle A, wo die Kammer während
der Rotation am kleinsten sind, sich zu einer Öffnung verbinden.
Die Brücke, welche in Verstellmotoren an dieser Stelle
die zwei Ventilöffnungen trennt, wurde zum Innenteil reichender
Vorsprung am Außenring (10). Der Ring ist, über
einer Verzahnung (11) von einem Elektromotor (12)
nach links oder rechts drehbar, angesteuert von einem Rechner, der
von einer Sensorik über die Bedarfslage informiert wird.
Durch die Drehung verschiebt sich der Vorsprung innerhalb der nunmehr
einen Ventilöffnung und ändert so das Aufnahmeverhältnis
von Hoch- und Niederdrucköl: das Drehmoment. Da der Vorsprung über
die Stelle A hinweg verschiebbar ist, funktioniert die Steuerung
in beiden Dreh- bzw. Fahrtrichtungen.
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II.a. enthält den Grundform des
Planetengetriebes (1), wie es für den zylindergesteuerten Radialkolbenmotor
und den druckvariablen Axialkolbenmotor gleichermaßen geeignet
ist. Der Abtriebswelle (2) des Motors treibt das Sonnenrad
(3) an, der Planetenträger (4) fungiert
als Abtriebswelle des Getriebes (6). Das Hohlrad (5)
kann in drei Positionen geschaltet werden: In Position I ist es
mit dem Sonnenrad oder (hier nicht gezeichnet) dem Planetenträger
fest verbunden, das Getriebe dreht als Block, die Übersetzung
ist 1:1. In Position II ist das Hohlrad festgebremst, die Planeten
rollen auf seinem Zahnkranz ab, der Planetenträger dreht
im von den Zähnezahlen von Hohlrad und Sonnenrad bestimmten
Verhältnis langsamer als das Sonnenrad (Hat dieses z. B.
nur halb soviel Zähne, verlangsamt die Drehzahl um Faktor
3; Übersetzung 1:1/3). In Position III. ist das Hohlrad
weder fest verbunden noch festgebremst; es bewegt sich frei, der
Kraftstrom ist unterbrochen.
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II.b. zeigt die Grundform umgekehrt: der Abtrieb
vom Motor treibt den Planetenträger an, den Abtrieb vom
Getriebe übernimmt das Sonnenrad. Es resultiert die Übersetzung
1:3. Diese Variante ermöglicht höhere Raddrehzahlen
und kommt vor allem für die langsamer drehenden Radialmotoren
in Betracht.
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II.c. zeigt zwei Planetensätze
hintereinander, wobei der Planetenträger des ersten zugleich das
Sonnenrad des zweiten ist. Der Übersetzungsbereich erweitert
sich auf 1:1/9. Die Variante bietet sehr große Momente
bei geringer Geschwindigkeit, und ist vor allem für Axialmotoren
in sogenannten heavy duty Anwendungen gedacht.
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III. zeigt eine Ausführung nach
Axialkolbenbauart, wobei Motor und Planeten vorteilhaft zu einer
Triebeinheit verflanscht sind. Der Durchschnitt D-DD verweist auf
die in I. gezeigte Ventilplatte (7). Synchron
mit einer Umschaltung im Planetensatz, vollzieht der Motor eine
gleichgroße aber gegenläufige Drehmoment/Drehzahl-Wandlung;
diese Vorgänge machen sich somit nicht am Drehmoment und
Drehzahl der Abtriebswelle bemerkbar. Da die Drehung des Außenringes
zwar nur Millisekunden, aber dennoch länger als eine Umschaltung
im Planetensatz dauert, schaltet dieser zunächst in die
Zwischenposition III und erst nach den besagten Millisekunden in
die passende Position I oder II. Analoges gilt für den
Radialkolbenmotor; das Zu- oder Abschalten eines oder mehrere Zylinder
dauert sogar noch kürzer.
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Die IV. verdeutlichen sowohl die fortwährende
Momentanpassung im Motor wie seine sprunghaften Momentänderungen
zum Ausgleich einer zeitgleichen, aber inversen Übersetzungsänderung
im Planetengetriebes. IV.A. betrifft
die Axialkolbenvariante. Der Antrieb startet in der kurzen Übersetzung.
Der Fahrer regelt die Geschwindigkeit mittels dem von der Pumpe
erzeugten Volumenstrom mit – in diesem Beispiel – 399
bar Konstantdruck. Der vom Rechner gesteuerte Elektromotor dreht
währenddessen den Außenring der Ventilplatte im
Motor, damit Niederdrucköl den Hochdrucköl bis
auf den für den Fahrantrieb aktuell benötigten
Druck quasi „verdünnt". Wenn der Druck dabei unter
100 bar sinkt, wechselt das Getriebe in die lange Übersetzung. Gleichzeitig
dreht der Elektromotor den Außenring zurück: der
Niederdruckanteil nimmt schlagartig ab, der Druck – also
das Drehmoment – schnellt auf 300 bar hoch, während
die Motordrehzahl mit Faktor 3 genau auf das Niveau zurückgeht,
das der reduzierte Ölstrom bei der langen Übersetzung
für die gleichbleibende Raddrehzahl braucht. Die Übersetzung bleibt
lang bis der Druck 399 bar übersteigen würde. In
diesem Moment schalten die Planeten wieder kurz, der Druck fallt
zurück auf 133 bar, der Motordrehzahl steigt entsprechend
an und die Raddrehzahl bleibt von allem wieder unberührt.
Solange der Druck sich über 100 bar bewegt, bleibt die Übersetzung
kurz. Die Übersetzungsspreizung hat Faktor 4 × 3
= 12; bei zwei Planetensätzen 36.
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Das
System ist stabil, wenn der Momentsprung der Planeten (hier Faktor
3) deutlich kleiner als der Momentbereich des Motors (hier Faktor
4) ist. Damit ist verbunden, daß eine relativ kleine Erweiterung
dieses Bereichs einen größeren Planetensprung
ermöglicht, wodurch die Übersetzungsspreizung
multiplizierend zunimmt – wie IV.B. illustriert
am Beispiel eines zylindergesteuerten Motors mit sechs Zylindern,
wovon per Umdrehung mindestens ein Zylinder antreibt (Faktor 6).
Der Planetensatz verspringt z. B. mit Faktor 4. Die Übersetzungsspreizung
erreicht Faktor 24.
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Allerdings
lösen große Spreizungsfaktoren die Aufgabenstellung
nur zum Teil; Auch die Kosten und Verluste des hydrostatischen Fahrantriebs
sollen auf das Niveau der mechanischen Konkurrenz gebracht werden.
Das wird erreicht, wenn als vorgeschaltetes Antriebsaggregat ein
Freikolbenmotor verwendet wird. Sein sich frei im Zylinder hin und
her bewegender Kolben verdichtet im Kompressionstakt das Gasgemisch
und pumpt im Expansionstakt Öl auf Druck. Chemische Energie
wird direkt in hydraulische umgesetzt; Kurbelwelle und separate
Pumpe erübrigen sich. Besonders effizient arbeitet eine
Variante, die nur bei konkreter Leistungsnachfrage läuft, und
wobei Taktdauer und Kolbenbewegung unabhängig von Frequenz
und äußeren Umständen immer gleich und
optimiert erfolgen; wie zum Beispiel in der
EP 1232335 erläutert. Ihr
Regelbereich – zugleich Optimumbereich – geht
von nah am Null bis zur Höchstfrequenz. Der Wirkungsgrad
ist deutlich besser als von konventionellen Aggregate aus Verbrennungsmotor
und Hydropumpe, und die Herstellung kommt erheblich günstiger.
Außerdem arbeitet sie ausgesprochen verschleißarm.
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Auch
der Freikolbenmotor wäre mit dieser Verbindung gedient.
Er liefert Konstantdrucköl. Bis vor kurzem stand er damit
seiner Verwendung im Wege. Ein Fahrantrieb, der lediglich über
die Drehmomentspreizung eines Verstellmotors verfügt, und ein
Arbeitsantrieb, der auf den variablen Arbeitsdruck einer Verstellpumpe
verzich ten muß, sind nur bedingt marktfähig. Mittlerweile
haben Hydrotransformatoren, wie beispielsweise in der
EP 0882181 B1 beschrieben,
dieses Problem für den lineären Arbeitsantrieb
(Zylinder) gelöst; sie wandeln einen Eingangsstrom mit
einem bestimmten Druck um in einen Ausgangsstrom mit anderem Druck.
Bislang fehlte aber noch der hydrostatische Fahrantrieb, der auf Basis
eines konstanten Versorgungsdrucks eine marktkonforme Übersetzungsspreizung
realisiert. In diesem Sinne bilden die vorgeschlagenen Hydrogetrieben
zugleich auch das fehlende Glied in Bezug auf ein Konstantdrucksystem
für selbstfahrende Arbeitsmaschinen, in dem der hydraulische
Kreislauf sekundär, also vom Nachfragedruck, geregelt wird – viel
einfacher als bei einer primären Regelung über dem
Angebotsstrom, wie sie heutzutage üblich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/095800 [0005]
- - EP 1232335 [0022]
- - EP 0882181 B1 [0023]