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Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang eines Hydraulikantriebs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Antriebsstränge der gattungsgemäßen Art werden oftmals in hydraulisch angetriebenen, fahrbaren Arbeitsmaschinen verwendet, wie sie beispielsweise aus der
DE 44 31 864 A1 bekannt sind. Bei solchen Antrieben höherer Leistung besteht der Bedarf, neben einer hohen Zugkraft auch hohe Fahrgeschwindigkeiten bei guten Wirkungsgraden zu erzielen. Hierfür werden in neuerer Zeit vermehrt Antriebe mit zwei Hydromaschinen eingesetzt, von denen in der Regel beide verstellbar sind. Beispiele hierfür werden durch die
DE 195 10 914 A1 und die
DE 43 07 616 A1 gegeben.
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Hierbei werden beide Hydro-Motoren von einer gemeinsamen Hydropumpe angetrieben und sind bezüglich des Kreislaufs des Druckfluids parallel geschaltet. Der eine Hydro-Motor kann zur Erzielung hoher Fahrgeschwindigkeit auf null Schluckvolumen verstellt werden. Dieser Hydro-Motor wird dann zur Vermeidung von hohen Planschverlusten ausgekuppelt, d. h. er geht auf Drehzahl Null. Damit die Antriebsleistung dieses Hydro-Motors wieder nutzbar wird, muss er über eine Kupplung in den zugehörigen Antriebsstrang eingekuppelt werden. Sind beide Hydro-Motoren im Eingriff mit maximalem Schluckvolumen, so steht die höchste Zugkraft des Fahrzeugs zur Verfügung.
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Ein Nachteil der bekannten Antriebsstränge der beschriebenen Art liegt darin, dass beim erneuten Zuschalten der Hydraulikmaschine bzw. des Hydro-Motors im obig genannten Stand der Technik und der damit verbundenen Einkupplung des Antriebsstranges wegen der üblicherweise verwendeten Synchronkupplungen die Hydraulikmaschine erst beschleunigt werden muss, um die notwendige synchrone Drehzahl für die Einkupplung zu erreichen. Dabei besteht eine Abhängigkeit vom Betriebsdruck des hydraulischen Antriebs und der geforderten Drehzahl, die eine Steuerung aufwändig macht und eine erhebliche Sensorik erfordert. Für Klauenkupplungen gilt dies analog.
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Bei Verwendung von Synchronkupplungen muss die Hydraulikmaschine zunächst auf die Drehzahl der Getriebeantriebswelle gebracht werden, damit ein Einkuppeln, insbesondere bei Klauenkupplungen, möglich ist. Beim Anfahren/Hochfahren bzw. Beschleunigen kann das Schluckvolumen einer verstellbaren Hydraulikmaschine nur so hoch gewählt werden, dass die erforderliche Drehzahl an der noch lastfreien Hydraulikmaschine vor dem Einkuppeln nicht überschritten wird. D. h. das Schluckvolumen und damit das Drehmoment der lastfreien Hydraulikmaschine ist zu diesem Zeitpunkt gerade so hoch, wie es die Trägheit und/oder Reibung der Hydraulikmaschine erfordert. Würde man das Schluckvolumen der Hydraulikmaschine, welche mit einer Synchronkupplung in den Antriebsstrang eingebunden werden soll, noch im lastfreien Zustand auf das abzugebende/aufzunehmende Drehmoment einstellen, so würde sich zum synchronen Einkuppeln eine zu hohe Drehzahl der Hydraulikmaschine gegenüber dem Getriebe oder einem Verbraucher einstellen. Für Konstantmaschinen mit konstantem Schluckvolumen muss die Drehzahlregelung mit dem am Motor anliegenden Hydraulikdruck und Hydraulikflüssigkeitsstrom geregelt werden.
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Hat die lastfreie synchron einzukuppelnde Hydromaschine durch entsprechende Einstellung des Schluckvolumens/Drucks die Drehzahl des Verbrauchers bzw. Getriebes erreicht, kann eingekuppelt werden, wobei das dabei von der Hydraulikmaschine abgegebene bzw. aufzunehmende Drehmoment in den allermeisten Fällen nicht dem erwarteten Leistungsniveau der Hydraulikmaschine entspricht und die Drehzahl im Einklang mit dem Drehmoment nachgeregelt werden muss. Dies kann aber erst nach dem Einkuppeln erfolgen, damit die Drehzahl der Hydraulikmaschine nicht über die des Verbrauchers ansteigt oder zum Stillstand kommt, wenn das eingestellte Drehmoment nicht ausreichend ist. Die aufwändige und komplexe Steuerung erfordert darüberhinaus eine zeitliche Abstimmung des Einkuppelvorgangs, wobei dieser auch dann nicht immer sanft und materialschonend vonstatten geht. Entsprechend wird dieser oftmals von einer komplizierten Sensorik überwacht.
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Aus dem Stand der Technik, so etwa aus der
DE 44 31 864 A1 oder der
US 2009/0090103 A1 , sind Antriebsstränge von Hydraulikantrieben mit zuschaltbaren Hydraulikmaschinen bekannt, bei denen Hydraulikantriebe unter Last zu- oder abgeschaltet werden können, ohne dass eine Synchronisierung erforderlich ist. Diese Möglichkeit besteht jedoch nur bei bestimmten Betriebszuständen, wie einer Rückschaltung bei Stillstand oder geringer Last.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Antriebsstrang eines Hydraulikantriebs einer fahrbaren Arbeitsmaschine bereitzustellen, der einfacher aufgebaut ist als bekannte Systeme und welcher einen reduzierten Steuerungsaufwand bei Kupplungsvorgängen bei der Zu- oder Abschaltung von Hydraulikmaschinen zum oder vom Antriebsstrang erfordert. Zudem soll der Antriebsstrang robust ausgestaltet und kostengünstig herstellbar sein.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1. Weiterbildungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Lösung besteht im Wesentlichen darin, dass bei einem Antriebsstrang eines Hydraulikantriebs mit einer Hydraulikmaschine, die über eine Kupplung mit einem Verbraucher in Wirkverbindung bringbar ist, das Gehäuse der Kupplung aus einem ersten Teil, der mit der Hydraulikmaschine axial fest verbunden ist, und einen zweiten Teil, der mit dem Verbraucher axial fest verbunden ist, aufgebaut ist. Der Begriff Verbraucher umfasst dabei im Rahmen der Erfindung auch ein Über- oder Untersetzungsgetriebe, das zwischen der Kupplung und dem eigentlichen Verbraucher, wie bspw. einem Achsantrieb oder einem Nebenantrieb, angeordnet sein kann.
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Die beiden Teile des Kupplungsgehäuses sind in axialer Richtung relativ zueinander verschieblich angeordnet, sodass die Hydraulikmaschine und der zweite Teil des Kupplungsgehäuses der Kupplung axial verschieblich relativ zueinander gelagert sind. Dabei ist entweder die Hydraulikmaschine, an der der erste Teil des Kupplungsgehäuses befestigt ist, axial verschieblich und der Verbraucher axial fest oder der Verbraucher ist mit dem daran angebrachten zweiten Teil des Kupplungsgehäuses axial verschieblich bei gleichzeitig feststehender Hydraulikmaschine. Für den Fachmann mit vom Erfindungsgedanken ist auch die gleichzeitige axiale Verschiebbarkeit beider Baugruppen umfasst, solange durch die relative axiale Verschiebung der beiden Baugruppen bzw. der Kupplungsgehäuseteile die Hydraulikmaschine in den Antriebsstrang ein- oder ausgekuppelt werden kann.
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Wenn der Verbraucher, der je nach verwendeter Hydraulikmaschine ein Leistungsabnehmer oder Leistungsbereitsteller sein kann, mit einem Getriebe zur Unter- oder Übersetzung der von der Hydraulikmaschine gelieferten oder geforderten Drehzahl versehen ist, so wird der zweite Teil des Kupplungsgehäuses bevorzugt mit dem zum Getriebe gehörenden Teil des Verbrauchers verbunden. Die Eingangswelle des Getriebes trägt demnach gemäß der Erfindung die Reibfläche der Kupplung zur Übertragung der Drehmomente.
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Zum Übertragen der Antriebskräfte ist auf der An-/Abtriebswelle der Hydraulikmaschine eine erste Reibfläche vorgesehen. Die An-/Abtriebswelle des Verbrauchers ist mit einer zur ersten Reibfläche der Abtriebswelle komplementären Reibfläche versehe. Dabei sind die beiden Teile des Kupplungsgehäuses und somit die mit ihnen verbundenen Baugruppen des hydraulischen Antriebsstrangs unter Einwirkung eines Druckfluids derart relativ zueinander bewegbar, dass sich die erste Reibfläche und die zweite Reibfläche relativ zueinander bewegen, sodass sie in oder außer Eingriff gelangen.
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Durch die Erfindung wird ein Antriebsstrang für einen hydraulischen Antrieb bereitgestellt, der es gestattet eine Hydraulikmaschine unter Last über eine Kupplung zu- oder abzuschalten, ohne dass eine Synchronisierung der Drehzahl erforderlich ist. Zudem wird auf Schaltgabeln, Lamellen, Drehdurchführungen und aufwändige Steuerungsmaßnahmen verzichtet.
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Die aufwendige bei synchronen Kupplungen notwendige Steuerung bzw. Koordinierung der Drehzahl und des Schluckvolumens der Hydraulikmaschine zum Erreichen des benötigten Drehmoments, das von der Hydraulikmaschine abgegeben bzw. aufgenommen werden soll, wird erfindungsgemäß bspw. durch Ausgestaltung einer Konenkupplung als Reibkupplung vermieden. Durch gleichzeitige Beaufschlagung der Hydraulikmaschine und des Betätigungsmechanismus der Kupplung mit dem selben Hydraulikdruck kommt es zur Relativbewegung der beiden Kupplungsgehäuseteile und somit zur Annäherung oder Entfernung der beiden Reibflächen, wobei Rückstellkräfte bevorzugt durch elastische Bauelemente, wie Federn, aufgebracht werden.
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Durch Beaufschlagung der Hydraulikmaschine und des Betätigungsmechanismus der Kupplung mit dem selben Hydraulikdruck regelt sich das übertragbare Drehmoment an der Reibkupplung automatisch, ohne dass es einer aufwändigen Regelvorrichtung oder Steuerung bedarf. Je höher das zu übertragende Drehmoment sein soll, desto höher muss auch der Anpressdruck auf die beiden Reibflächen sein, unabhängig der Drehzahlen von Motor und Verbraucher bzw. Getriebe.
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Die Vorteile die für den Einkuppelvorgang erzielt werden, sind analog auch für das Auskuppeln übertragbar. So kann bspw. ein Hydromotor, wenn dessen Antriebsleistung vorübergehend nicht erforderlich ist, bei jeder Drehzahl vom Verbraucher rasch und einfach dadurch getrennt werden, dass einfach die Zuführung von Druckfluid an die Hydraulikmaschine und/oder den Kupplungsbetätigungsmechanismus verringert bzw. unterbrochen wird. Durch bspw. elastische Rückstellkräfte wird die Kupplung, d. h. die Reibflächen auseinander gedrückt, in dem Maße in dem der Hydraulikdruck, der auf die Hydraulikmaschine wirkt, zurückgenommen wird. Weitere Maßnahmen wie beispielsweise Steuerung der Drehzahl der Hydraulikmaschine oder zeitlicher Verlauf des Ein- oder Auskuppelns oder Reduzieren des Schluckvolumens vor Verringerung der Druckfluidzuführung sind nicht erforderlich. Die aus dem Antrieb genommene Hydraulikmaschine muss auch nicht auf „Null” zurückgestellt werden, wenn sie von der Druckmittelvorsorgung bspw. durch Ventile vom Antriebsstrang abgetrennt wird, da kein Druckfluid mehr durch die Hydraulikmaschine fließt. Die Abtrennung einer Hydraulikmaschine von der Druckmittelversorgung kann erfindungsgemäß früher erfolgen, da ein Auskuppelvorgang, wie im Stand der Technik bekannt, nicht abgewartet werden muss. Die mechanische Trennung der Hydraulikmaschine vom Antriebsstrang erfolgt durch Wegnahme der Anpresskräfte auf die Reibbeläge, wobei die Öffnung der Kupplung bevorzugt durch Federkräfte bewerkstelligt wird. Hier ist auch eine Öffnung der Kupplung durch Druckbeaufschlagung einer Druckkammer vorstellbar und im Sinne der Erfindung ausführbar.
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Erzielt werden diese Vorteile u. a. dadurch, dass bspw. die Hydraulikmaschine oder der Verbraucher selbst den Schaltweg, d. h. den Kupplungsweg oder Verschiebeweg der Kupplung, durchläuft, da eine Einheit mit dem verschieblichen Teil des Kupplungsgehäuses und die andere Einheit mit dem anderen axial festen Teil der Kupplung verbunden ist. Die Hydraulikmaschine trägt auf ihrer An-/Abtriebswelle als Reibfläche bspw. einen Konus, der einen ersten Teil der drehmomentübertragenden Reibfläche darstellt und der folglich zusammen mit dem ersten Teil des Kupplungsgehäuses und zusammen mit der Hydraulikmaschine in axialer Richtung relativ zu einem zweiten Teil des Kupplungsgehäuses verschieblich ist. Unter „axialer Richtung” ist hier und im Folgenden stets die Richtung zu verstehen, die durch die Achsen der Hydraulikmaschine und des Getriebes bzw. Verbrauchers vorgegeben ist. Der nicht verschiebliche Teil des Kupplungsgehäuses ist bspw. mit dem Verbraucher- oder Getriebegehäuse fest verbunden. Die Antriebswelle des Getriebes bzw. Verbrauchers, die mit der Abtriebswelle des Motors kolinear angeordnet ist, trägt die andere zweite drehmomentübertragende Reibfläche, bspw. in Form eines zum erstgenannten Konus komplementären Konus.
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Auch wenn im Folgenden die Erfindung beispielhaft anhand von Konen als bevorzugte Reibflächen beschrieben wird, so sind alle anderen dem Fachmann bekannte Ausführungen von Reibflächen vom Erfindungsgedanken umfasst.
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Die exemplarisch verwendeten Konen werden in bevorzugter Weise in Form eines Flansches ausgebildet, der auf der zugehörigen Welle angeordnet ist. Hierbei ist es weiterhin möglich, den Flansch als Teil eines auf die jeweilige Welle aufsteckbaren getrennten Bauteils zu gestalten, der mit der Welle drehfest verbunden ist. Der Flansch bzw. die darauf angeordnete Reibfläche kann dabei axial auf der An-/Abtriebswelle der Hydraulikmaschine oder des Verbrauchers fixiert sein, solange die zur Kupplungsbetätigung erforderliche axiale Relativbewegung der beiden Reibflächen zueinander gewährleistet ist. Dies kann bspw. durch axiale verschiebliche Lagerung der Hydraulikmaschine oder des Verbraucher oder des mit der Hydraulikmaschine oder des Verbrauchers verbunden Getriebes erfolgen. Aber auch eine axiale Verschiebbarkeit der jeweiligen An-/Abtriebswelle ist bei entsprechender Durchführung der Welle durch das jeweilige Gehäuse genauso ausführbar, wie eine axiale Verschiebbarkeit eines auf der An-/Abtriebswelle angebrachten Flansches mit daran angeordneter Reibfläche.
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Wird der Kupplungsweg über die axiale Verschiebbarkeit einer oder beider der beteiligten An-/Abtriebswellen oder Flansche bewerkstelligt, so kann auf eine axial verschiebliche Anordnung der zugehörigen Baugruppe (Hydraulikmaschine, Verbraucher oder Getriebe) verzichtet werden.
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Einer der beiden beispielhaft verwendeten Konen ist nach der Erfindung dabei als Innenkonus ausgebildet und der andere als Außenkonus, derart, dass die Außenkontur des Außenkonus der Innenkontur des Innenkonus entspricht. Die Mantelflächen der Konen bilden hierbei die Reibflächen der Kupplung. Die beiden Konen können zum Zweck der Kupplung ineinandergeschoben werden, so dass die komplementären Reibflächen in Kontakt treten und ein Drehmoment übertragen können.
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Durch Verschieben in axialer Richtung des beweglichen Teils des Kupplungsgehäuses mit der damit starr verbundenen Baugruppe oder durch Verschieben der Antriebswelle bzw. des axial beweglichen aber radial festen Flansches auf dieser Welle mittels des Kupplungsgehäuses, können die beiden Kupplungsflächen in oder außer Eingriff gebracht werden, was dem Ein- bzw. Auskuppeln entspricht.
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Der Ein- als auch Auskuppelvorgang kann unter Last erfolgen. Er wird dadurch bewirkt, dass Druckfluid, welches bevorzugt unter Betriebsdruck in einen Druckraum des Kupplungsgehäuses ein- oder abgeführt wird. Das Druckfluid arbeitet bspw. bei einem Einkuppelvorgang gegen eine von Federn erzeugte Rückstellkraft, welche im druckfreien Zustand der Kupplung die beiden Teile des Kupplungsgehäuses derart verschiebt, dass bspw. die beiden Konen der Kupplung voneinander beabstandet sind. Die Kupplung ist in diesen Zustand ausgekuppelt. Wird der Druckraum mit Druckfluid mit Betriebsdruck des Antriebsstranges beaufschlagt, so wirkt im Druckraum eine Kraft in axialer Richtung auf den verschieblichen Teil des Kupplungsgehäuses. Mit steigendem Druck werden die Federkräfte überwunden, was zu einer axialen Verschiebung des beweglichen Teils des Kupplungsgehäuses führt. Das Volumen des Druckraumes wird hierbei vergrößert. Bei hinreichend hohem Druck im Druckraum geraten die komplementären Konen in Reibkontakt, was dem Einkuppeln entspricht. Der bewegliche Teil des Kupplungsgehäuses bewegt dabei ggf. die Hydraulikmaschine, den Verbraucher, das Getriebe oder die jeweiligen An-/Abtriebswellen bzw. die darauf angeordneten Flansche, je nach Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es versteht sich auch, dass die beispielhaft von Federn aufgebrachte Rückstellkräfte auch von anderen Mitteln aufgebracht werden können, z. B. über eine gegenlaufig wirkende Druckkammer, welche beispielsweise ventilgesteuert ebenfalls mit Betriebsdruck beaufschlagbar ist.
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Der Verschiebeweg zum Betätigen der Kupplung braucht dabei nur so groß zu sein, dass die bei- den bspw. auf Konen angeordneten Reibflächen außer Eingriff gelangen bzw. eine Drehmomentübertragung ermöglichen. Der Verschiebeweg wird konstruktiv bspw. dadurch vorgegeben, dass im ersten und im zweiten Teil des bevorzugt rotationssymmetrischen Kupplungsgehäuses stufenartige Radiusänderungen vorgesehen sind, deren Stirnflächen den Druckraum in axialer Richtung begrenzen. Bei druckfreiem Druckraum verhindern Anschläge ein weiteres Verschieben der beiden Teile des Kupplungsgehäuses, was ein übermäßiges Öffnen der Kupplung bedeuten würde.
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Das Kupplungsgehäuse kann in bevorzugter Weise so ausgestaltet werden, dass der erste Teil mit einem als Stufe ausgebildeten Kupplungskolben versehen ist, der gegenüber dem zweiten Teil des Kupplungsgehäuses abgedichtet und konzentrisch verschieblich gelagert ist, wobei der Kolben einen größeren Durchmesser aufweist als der angrenzende Bereich des ersten Teils. Der Unterschied im Durchmesser ergibt hierbei die gewünschte Stufe. Diese Stufe bildet zugleich eine seitliche Begrenzung des ringförmigen Druckraums der Kupplung. Hierbei ist jede für einen Fachmann geläufige Ausgestaltung der Druckkammer zur Erzielung einer axialen Verschiebung und Erzeugung axialer Anpresskräfte geeignet. Dabei können auch mehrere einzelne radial angeordnete Druckkammern anstatt einer radial umlaufenden Druckkammer zur Anwendung kommen.
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Wie oben bereits angedeutet, werden die Rückstellkräfte der Kupplung bspw. zum Öffnen der Kupplung über Federkräfte erzeugt, wobei hier auch eine für den Fachmann geläufige Ausgestaltung entsprechender Druckräume von der Erfindung umfasst ist. Bevorzugt werden auch diese Druckräume ventilgesteuert mit Druckfluid aus dem Arbeitskreis des Antriebsstranges versorgt.
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Ein Verschieben des bewegliches Teils des Kupplungsgehäuses in Richtung des anderen Teils des Kupplungsgehäuses unter dem Einfluss von in den Druckraum einströmendem Druckfluid führt zu einem Kontakt zwischen den komplementären Konen der Kupplung, was den Verschiebeweg in dieser Richtung begrenzt.
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Es versteht sich, dass die Zufuhr von Druckfluid zur Hydraulikmaschine und eventuell auch zur Kupplung über Leitungen erfolgen muss, die eine Bewegung zumindest in der Größenordnung des Schaltweges der Kupplung erlauben. Dabei wird bevorzugt die Kupplung mit Betriebsdruck der Hydraulikmaschine versorgt, wobei über geeignete Ventile sowohl die Druckfluidversorgung der Hydraulikmaschine als auch der Kupplung nahezu Zeitgleich und mit dem gleichen Druck erfolgt, Dadurch werden die im Stand der Technik auftretenden Nachteile der aufwändigen Steuerung des Einkuppelvorgangs im Zusammenspiel mit der Kraftübertragung vermieden. Erfindungsgemäß herrscht im Druckraum der Kupplung der gleiche Hydraulikdruck wie in der Hydraulikmaschine, was durch einfache Wegeventile bspw. zur Vermeidung von hydraulischen Kurzschlüssen bewerkstelligt werden kann.
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Die im eingekuppelten Zustand erreichte Anpresskraft zwischen den bspw. konischen Reibflächen der Kupplung folgt dem Druck in dem Druckraum, der bevorzugt dem Betriebsdruck der zu kuppelnden Hydraulikmaschine entspricht. Der erforderliche Zufluss von Druckfluid wird bevorzugt von der Druckfluidleitung der Hydraulikmaschine abgezweigt. Hierdurch wird erreicht, dass die Anpresskraft mit zunehmender Belastung der Hydraulikmaschine ansteigt, was verhindert, dass die Kupplung durchrutscht. Dadurch wird eine sichere Übertragung auch von hohen Drehmomenten sichergestellt und der Verschleiß reduziert.
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Es versteht sich, dass für die Betätigung der Kupplung hydraulische und elektromechanische Bauteile und Steuerungselemente, wie Zuleitungen, Dichtungen, schaltbare Ventile und/oder Betätigungselemente erforderlich sind. Diese sind dem Fachmann geläufig und werden deshalb hier nicht weiter erläutert.
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Eine axiale Führung der gegeneinander beweglichen Teile der Kupplung kann bspw. dadurch erzielt werden, dass zwischen den Teilen des Kupplungsgehäuses mehrere Führungsbolzen vorgesehen werden, die sich in axialer Richtung erstrecken und die von Druckfedern beaufschlagt werden können. Die Führungsbolzen sind in einer bevorzugten Ausführungsform mit dem ersten Teil des Kupplungsgehäuses und/oder der Hydraulikmaschine verschraubt und verhindern ein Verdrehen der Kupplungsteile gegeneinander. ihre nach außen ragenden Enden werden in vorteilhafter Weise in Bohrungen im zweiten Teil des Kupplungsgehäuses aufgenommen, die bspw. auch Druck ausübende Feder enthalten.
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Zwei grundsätzliche Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden exemplarisch anhand der 1 bis 3 näher beschrieben. Es zeigen
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1 einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang in schematischer Darstellung,
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2 einen Ausschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines Antriebsstrangs nach der Erfindung, und
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3 einen Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Antriebsstrangs nach der Erfindung
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Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen sind beispielhaft anhand eines Hydraulikmotors als zuschaltbare Hydraulikeinheit dargestellt, gelten aber analog auch für zuschaltbare Hydraulikpumpen, wobei beiden Arten von Hydraulikmaschinen als Konstanteinheiten oder verstellbare Einheiten ausgeführt werden können, deren Drehrichtung umkehrbar ist. Dabei sind auch hydraulische Einheiten umfasst, die sowohl als Pumpe als auch als Motor agieren können.
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1 zeigt in stark schematisierter Darstellung einen Antriebsstrang 1 nach der Erfindung, der Teil eines Antriebssystems einer Arbeitsmaschine mit einem Hydraulikantrieb ist. Der Antriebsstrang umfasst bspw. einen Motor 2, der bevorzugt als verstellbarer Hydro-Motor ausgebildet ist und der von einer Verstellpumpe 6 mit Druckfluid (Hydrauliköl) versorgt wird. Die Verstellpumpe 6 ist beispielsweise von einer nicht gezeigten Verbrennungsmaschine angetrieben und liefert einen Strom von Druckfluid in den Druckleitungen 7 mit einem vorgebbaren Betriebsdruck, der in einem Kreislauf 8 zwischen der Verstellpumpe 6 und einem oder mehreren Verbrauchern, wie dem Motor 2 oder einem Arbeitsgerät, zirkuliert. Der Motor 2 ist über die Kupplung 3 und ein Getriebe 4 mit einem Verbraucher 5 in Wirkverbindung bringbar, so dass bei geschlossener Kupplung 3 die Antriebsleistung des Motors 2 dem Verbraucher 5 zur Verfügung steht. Bei dem Verbraucher 5 kann es sich beispielsweise um einen, hier nicht gezeigten, Fahrantrieb oder Nebenantrieb handeln.
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Das Getriebe 4 ist hier und im Folgenden stets als Teil des Verbrauchers 5 zu sehen, da dies die bevorzugte Ausführungsform darstellt. Es versteht sich jedoch, dass ein Getriebe 4 nicht zwingend erforderlich ist und dass der eigentliche Verbraucher unmittelbar mit der Kupplung 3 verbunden sein kann. An stelle von Getriebegehäuse 21 wäre im weiteren stets Verbrauchergehäuse 21 zu lesen.
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In 2 ist eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Antriebsstranges in teilweise schematisierter Darstellung gezeigt. Der Motor 2 besitzt ein stabiles Motorgehäuse 10 und eine Abtriebswelle 11. Die Abtriebswelle 11 ist mit einem Flansch 12A versehen, der erfindungsgemäß den Konus 9A trägt, der hier als Innenkonus 13 ausgebildet ist. Der Konus 9A ist mit der Abtriebswelle 11 drehfest und in axialer Richtung 18 unverschieblich verbunden. Der Konus 9A weist einen auf die von der Abtriebswelle 11 des Motors 2 vorgegebene axiale Richtung 18 bezogen Konuswinkel 14 auf.
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Die Kupplung 3 besitzt ein Kupplungsgehäuse 20, welches zweiteilig aufgebaut ist. Der im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildete erste Teil 20A ist mit dem Motorgehäuse 10 fest verbunden, was bevorzugt über eine Verschraubung realisiert ist. Der zweite, ebenfalls rotationssymmetrisch geformte Teil 20B ist mit dem Getriebegehäuse 21 fest verbunden. Beide Teile 20A und 20B sind koaxial angeordnet und in axialer Richtung 18 relativ zueinander verschiebbar, wobei ein Teilbereich der Außenfläche des ersten Teils 20A in einem Teilbereich der Innenfläche des zweiten Teils 20B gleitend geführt ist. Zwischen dem ersten Teil 20A und dem zweiten Teil 20B sind mehrere Dichtungen 26 vorhanden, die beispielhaft als in Nuten gelagerte O-Ringe dargestellt sind, und die für eine druckfeste Abdichtung zwischen den beiden Teilen 20A und 20B des Kupplungsgehäuses 20 sorgen. In einen zwischen den beiden Teilen 20A und 20B gebildeten abgedichteten Bereich, den ringförmigen Druckraum 27 mündet eine Druckfluidzuführung 28, die als Bohrung ausgebildet sein kann und die über eine Leitung 29 mit der Druckfluidversorgung des Hydromotors 2 verbunden ist.
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Zwischen dem zweiten Teil 20B des Kupplungsgehäuses 20 und dem ersten Teil 20A und/oder dem Motorgehäuse 10 sind mehrere axiale Führungsbolzen 30 radial beabstandet voneinander angeordnet. Ihre Anzahl beträgt bevorzugt drei. Diese Führungsbolzen 30 sind mit einem Ende fest mit dem ersten Teil 20A des Kupplungsgehäuses 20 und/oder mit dem Motorgehäuse 10 starr verbunden und sind im zweiten Teil 20B des Kupplungsgehäuses 20 in zugehörigen Bohrungen 31 gleitend gelagert. Sie werden von Federn 32 derart mit Kraft beaufschlagt, dass sie den ersten Teil 20A des Kupplungsgehäuses 20 und das Motorgehäuse 10 von dem zweiten Teil 20B des Kupplungsgehäuses 20 in axialer Richtung 18 auseinanderdrücken, derart, dass der ringförmige Druckraum 27 ein minimales Volumen aufweist, wenn kein Fluiddruck ansteht.
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Im Getriebegehäuse 21, mit dem der zweite Teil 20B des Kupplungsgehäuses 20 bevorzugt durch Verschrauben fest verbunden ist, ist die Antriebswelle 22 des nicht näher gezeigten Getriebes 4 gelagert. Das Getriebe 4, dessen Bauart hier nicht von Bedeutung ist, treibt über eine nicht gezeigte Abtriebswelle den ebenfalls nicht gezeigten Verbraucher 5 an, wie in 1 gezeigt ist.
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Die Antriebswelle 22 des Getriebes 4 trägt an ihrem aus dem Getriebegehäuse herausragenden Ende eine Kupplungswelle 23, die im gezeigten Ausführungsbeispiel auf die Antriebswelle 22 aufgesteckt und mit ihr drehfest ist. Die Kupplungswelle 23 trägt an ihrem dem Motor 2 zugewandten Ende einen Flansch 12B, dessen Seitenfläche als Konus 9B, hier ein Außenkonus 24, ausgebildet ist. Der Außenkonus 24 hat den selben Konuswinkel 14, wie der Innenkonus 13. Die Konen 13 und 24 sind somit komplementär zueinander, derart, dass sie bei Annäherung in formschlüssigen Flächeneingriff miteinander gebracht werden können. Bei Kontakt der komplementären Konusflächen entsteht ein Reibschluss, der vom Anpressdruck abhängt und der es gestattet Drehmomente zu übertragen.
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In einer alternativen Bauform kann der Flansch 12B mit dem Konus 9B, 24 auch unmittelbar an der Antriebswelle 22 des Getriebes 4 ausgebildet sein. Desgleichen kann der Konus 9A, 13 an der Abtriebswelle 11 des Motors 2 analog zu der für die Getriebeseite gezeigten Konstruktion auf einer separaten Kupplungswelle vorgesehen sein, die mit der Abtriebswelle 11 drehfest verbunden ist. Es versteht sich, dass die Anordnung von Außenkonus 24 und Innenkonus 13 auch vertauscht sein kann, derart dass der Außenkonus motorseitig und der Innenkonus getriebeseitig zu liegen kommt.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform, die in 3 dargestellt ist, ist die Abtriebswelle 11 des beispielhaft verwendeten Hydromotors 2 axial verschieblich innerhalb des Motorgehäuses 10 gelagert und der bewegliche erste Teil 20A des Kupplungsgehäuses 20 bewegt den Flansch 9A zusammen mit der Antriebswelle 11 derart, dass bei Druckerhöhung bzw. Druckfluidzuführung in den Druckraum 27 die Reibflächen der Kupplung aneinander gedrückt werden und so eine Drehmomentübertragung möglich ist.
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Bei Druckabnahme bzw. Verkleinerung der Druckkammer 27 und somit Druckmittelverdrängung aus dem Druckraum 27 wird der erste Teil 20A des Kupplungsgehäuses 20 in Richtung auf den Hydraulikmotor 2 verschoben, wobei gleichzeitig die An-/Abtriebswelle 11 in das Gehäuse der Hydraulikmaschine geschoben und die Kupplung geöffnet wird.
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Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel kann alternativ mit einer bzgl. der Hydraulikmaschine feststehenden An-/Abtriebswelle 11 ausgeführt werden, wobei dann der Flansch auf der Welle axial verschieblich, jedoch drehfest angeordnet sein muss. Für den Fachmann sind hierbei weitere Ausführungsformen, wie beispielsweise die kinematisch umgekehrte Anordnung der beweglichen und festen Teile sowie andere Arten der Befestigung bzw. Mitführung der Reibflächen 13, 24 mit dem oder den beweglichen Teilen 20A/20B des Kupplungsgehäuses 20 mitoffenbart.
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Die Betriebsweise des Antriebsstrangs 1 ist wie folgt: Im ausgekuppelten Zustand liegt kein Betriebsdruck des Hydraulikantriebs an der Kupplung 3 an. Die Federn 32 drücken über die Führungsbolzen 30 die beiden Teile 20A und 20B des Kupplungsgehäuses 20 derart auseinander, dass die mit ihnen jeweils verbundenen Baugruppen, Motor 2 mit Motorgehäuse 10 bzw. Getriebe 4 mit Getriebegehäuse 21 so weit voneinander beabstandet sind, dass die beiden Konen 13, 24 außer Eingriff sind. Dieser Abstand kann, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel gezeigt, konstruktiv durch die gestufte Ausbildung der Außenkontur des ersten Teils 20A bzw. der Innenkontur des zweiten Teils 20B des Kupplungsgehäuses 20 vorgegeben sein und beträgt bevorzugt 0,5 bis 10 mm besonders bevorzugt 1 bis 2 mm. Er ist bspw. definiert durch den Abstand der Stirnflächen 15, 16 der jeweiligen Stufen. Bei Anlage der Stirnflächen 15, 16 ist die Größe des seitlich durch sie begrenzten, ringförmigen Druckraums 27 minimal. Radial ist der Druckraum 27 durch die gegenüberliegenden zylindrischen Wandungen des ersten Teils 20A und des zweiten Teils 20B des Kupplungsgehäuses 20 begrenzt, welche den Durchmesser D1 bzw. D2 aufweisen, wie aus 2 ersichtlich ist.
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In den in 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Stufe im ersten Teil 20A des Kupplungsgehäuses 20 dadurch ausgebildet, dass der erste Teil 20A mit einem Kupplungskolben 25 versehen ist. Dieser Kupplungskolben 25 ist mit dem ersten Teil 20A des Kupplungsgehäuses 20 verschraubt und ist gegenüber diesem und der Innenwandung des zweiten Teils 20B über die bereits erwähnten Dichtungen 26 druckdicht abgedichtet. Der Außendurchmesser D2 des Kupplungskolbens 25 ist größer als der benachbarte Außendurchmesser des ersten Teils 20A und größer als der Innendurchmesser eines im zweiten Teil 20B ausgebildeten Absatz 16, wodurch sich die gewünschte Stufe zur seitlichen Begrenzung des Druckraums 27 ergibt.
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Da in diesem Betriebszustand die beiden komplementären Konen 13 und 24 voneinander beabstandet sind, weil sie mit dem Motor 2 bzw. dem Getriebe 4 starr verbunden und unter der Wirkung der Federn 32 auseinandergedrückt werden, ist die Kupplung 3 geöffnet. Die Wirkverbindung zwischen dem Motor 2 und dem Verbraucher 5 ist unterbrochen, da die beiden Konusse 9A, 9B sich nicht berühren und somit auch keine Kräfte oder Drehmomente übertragen können.
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Bei dem eingangs beschriebenen beispielhaften Betrieb des hydraulischen Antriebssystems steht der als Vertreter für Hydraulikmaschinen angegebene Hydro-Motor 2 still, wenn seine Versorgung mit Druckfluid unterbrochen ist. Bevorzugt kann der Motor 2 in seiner ausgelenkten Stellung verharren, wenn die Druckmittelversorgung unterbrochen ist, dadurch können Verstellzeiten des Motors 2 (bzw. der Hydraulikmaschine) beim Zuschalten vermieden oder verkürzt werden.
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Wird die Antriebsleistung des Motors 2 vom Verbraucher benötigt, so beginnt der Motor 2 zu drehen, wenn dem Motor Druckfluid zugeführt wird und der Motor 2 eine Betriebsstellung mit Schluckvolumen ungleich null aufweist. Das Druckfluid wird dann über die Druckfluidzuführung 28 auch in den Druckraum 27 geleitet und übt auf die Stirnflächen der Stufen 15, 16 eine Kraft aus, die den Druckkräften der Federn 32 entgegenwirkt. Hierdurch werden mit zunehmendem Fluiddruck im Druckraum 27 der erste Teil 20A und der zweite Teil 20B des Kupplungsgehäuses 20 derart gegeneinander in axialer Richtung 18 verschoben, dass die beiden Konen 13 und 24 sich einander annähern und in Berührung miteinander kommen. Die Anpresskraft zwischen den beiden Konen 13 und 24 folgt dem jeweiligen Betriebsdruck des hydraulischen Antriebs und steigt mit zunehmendem Fluiddruck an. Es ergibt sich eine direkte Abhängigkeit des übertragbaren Drehmoments vom Druck. Hierdurch wird zum Einen ein Durchrutschen der Kupplung verhindert, was den Verschleiß reduziert. Zum Anderen kann bereits beim Anlaufen/Hochfahren des Motors 2 schon bei geringen Drehzahlen ein Drehmoment übertragen werden, das bis zum Erreichen der Nenndrehzahl auf den vorgewählten benötigten Wert steigt.
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Ein aufwendiger und zeitraubender Einkuppelvorgang, bei dem der Motor zunächst lastfrei auf die benötigte Drehzahl gebracht, der Motor mit Hilfe einer Synchronkupplung in bspw. einen Antriebsstrang eingekuppelt und sodann das benötigte Drehmoment mittels Verstellen des Schluckvolumens am Motor eingestellt wird, ist hierbei nicht notwendig.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebsstrang
- 2
- Motor
- 3
- Kupplung
- 4
- Getriebe
- 5
- Verbraucher
- 6
- Pumpe
- 7
- Druckleitung
- 8
- Kreislauf
- 9A, B
- Konus
- 10
- Motorgehäuse
- 11
- Abtriebswelle (des Motors)
- 12A, B
- Flansch
- 13
- Innenkonus
- 14
- Konuswinkel
- 15
- Stirnfläche
- 16
- Stirnfläche
- 17
- Lager
- 18
- axiale Richtung
- 19
- Ventil
- 20
- Kupplungsgehäuse
- 20A
- erster Teil
- 20B
- zweiter Teil
- 21
- Getriebegehäuse
- 22
- Antriebswelle (des Getriebes)
- 23
- Kupplungswelle
- 24
- Außenkonus
- 25
- Kupplungskolben
- 26
- Dichtung
- 27
- Druckraum
- 28
- Druckfluidzuführung
- 29
- Druckleitung
- 30
- Führungsbolzen
- 31
- Bohrung
- 32
- Feder
- 33
- Drucksteuerung
- D1
- Durchmesser
- D2
- Durchmesser
