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Hydraulische Antriebsübertragung, insbesondere für Kraftfahrzeuge
Die Erfindung bezieht sich auf eine hydraulische Antriebsübertragung, insbesondere
für Fahrzeuge u. dgl., mit Pumpe und hydraulischem Motor veränderlicher Kapazität
für ein zwischen Grenzen kontinuierlich veränderbares Übertragungsverhältnis und
unter Verwendung einer von. einer Maschine bzw. einem Antriebsmotor angetriebenen
Pumpe, die ihrerseits einen oder mehrere hydraulische Motoren antreibt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad einer derartigen
hydraulischen Antriebsübertragung zu verbessern.
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Die von der Maschine angetriebene Pumpe und der hydraulische Motor
bzw. die hydraulischen Motoren können in Kolbenbauart mit einer Taumelscheibe oder
einem Exzenter als Anschlag für den Kolben oder in anderer Bauart mit einer Einrichtung
zum Einstellen der Kapazität ausgeführt sein. Bei Untersuchungen der Charakteristiken
einer bestimmten Taumelscheibenpumpe mit Antrieb durch eine bestimmte Brennkraftmaschine
wurde festgestellt, daß zur Herstellung eines Druckes von beispielsweise 70 kg/cm2
über einen Drehzahlbereich der Pumpe von beispielsweise 500 bis 2500 U/min der Taumelscheibenwinkel
von 9,5° erst anstieg, bis er bei 1200 U/min im wesentlichen konstant blieb, dann
jedoch in wachsendem Maße verkleinert werden mußte auf 10,4° bei 1400 U/min und
weiterhin im wesentlichen gleichförmig zu verkleinern war bis auf etwa 7,6° bei
2500 U/min.
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Es zeigt sich also, daß der Taumelscheibenwinkel zur Herstellung eines
bestimmten Druckes bei zwei unterschiedlichen Pumpendrehzahlen der gleiche ist.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, um die Kapazität der Pumpe diesem Phänomen
entsprechend einzustellen und so die Pumpenleistung und die des zugehörigen hydraulischen
Motors zu verbessern.
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Nach der Erfindung wird bei einer hydraulischen Antriebsübertragung,
bei welcher die Pumpenkapazität über einen Servozylinder im Sinne einer Kapazitätsverminderung
bei Druckanstieg steuerbar ist und bei welcher die Zuleitung zum Servozylinder ein
von der Motordrehzahl gesteuertes Meßventil enthält, in die Ausgangsleitung des
Meßventils ein vom Pumpendruck beaufschlagtes Übersteuerungsventil eingeschaltet
und so ausgebildet, daß es bei übermäßigem Pumpendruck die Ausgangsleitung sperrt
und damit über eine Verstärkung des Meßdruckes im Servozylinder die Pumpenleistung
herabsetzt.
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Nach einem weiteren Erfindungsgedanken kann bei einer hydraulischen
Antriebsübertragung für ein Kraftfahrzeug mit einem von der Pumpe betätigten, durch
einen Servozylinder steuerbaren hydraulischen Motor ein drittes, normalerweise durch
eine Feder offen gehaltenes Ventil, vorzugsweise im Gehäuse des Meßventils, zum
Sperren der Zuleitung von der Pumpe zum Meßventil vorgesehen und dem Druck auf der
Niederdruckseite des Systems ausgesetzt sein, so daß ein Druckanstieg auf dieser
Seite infolge Übersteuerns und der Neigung der Radmotoren, als Pumpen zu arbeiten,
die Zuleitung über das Sperrventil schließt, so daß der erhöhte Druck auf der Niederdruckseite
den Servozylinder für die Pumpe im Sinne einer Herabsetzung der Pumpenkapazität
betätigt und so die Bremswirkung der Pumpe verstärkt wird.
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Eine hydraulische Antriebsübertragung nach der Erfindung ermöglicht
technische Vorteile, die mit keiner der bisher bekannten hydraulischen Steuerungen
erreichbar sind. So liegt ein Vorteil einer erfindungsgemäßen Antriebsübertragung
darin, daß die Pumpeneinheit für einen bestimmten Leistungsbereich verhältnismäßig
klein gehalten werden kann, da die maximale Größe der Pumpe lediglich von dem im
System zulässigen Maximaldruck und der größten zu übertragenden Leistung abhängt.
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Dies beruht darauf, daß bei einer erfindungsgemäßen Antriebsübertragung
die volumetrische Abgabe
der Pumpe nicht nur von der Motordrehzahl,
sondern auch von dem an den Fahrzeugrädern auftretenden Drehmoment abhängt, so daß
hier praktisch eine Steuerung mit Rückführung vorliegt. Das erforderliche Drehzahlverhältnis
ergibt sich dabei durch eine Selbstregelung des Hubes am hydraulischen Motor in
Abhängigkeit vom Druck auf der Eingangsseite, so daß die von der Pumpe abzugebende
Menge nicht über die durch Leistung in PS und Höchstdruck im System gegebenen Grenzen
hinaus gesteigert zu werden braucht.
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Darüber hinaus besteht bei einer Vorrichtung nach der Erfindung der
Vorteil einer automatischen Regelung bei Übersteuerung ohne Energieverschwendung;
mit anderen Worten, die Gefahr eines Druckanstiegs über das vorgesehene Maximum
hinaus wird nicht durch ein Überdruckventil od. dgl. Druckmittelabgabe oder mittels
einer zur Saugseite führenden Nebenleitung, sondern durch eine entsprechende Änderung
des Pumpenhubes vermieden, noch dazu mittels des gleichen Servozylinders, der auch
die normale Steuerung bewirkt.
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Nach der Erfindung wird also eine hydraulische Antriebsübertragung
geschaffen, die so geregelt ist, daß sowohl der Motor wie auch die hydraulische
Anlage jeweils innerhalb ihres Bereiches mit maximalem Wirkungsgrad arbeiten, wobei
eine Pumpe von kleinerer Kapazität ausreicht als bei den bisher bekannten, die Vorteile
der Erfindung nicht aufweisenden Antriebsübertragungen.
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Im folgenden ist an Hand der Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung in Anwendung auf die Antriebsübertragung eines Kraftfahrzeuges beschrieben,
wobei eine Antriebsmaschine eine Taumelscheibenpumpe antreibt, die den Antrieb hydraulisch
auf Taumelscheibenmotoren für den Antrieb der lenkbaren Vorderräder des Fahrzeuges
überträgt. Es zeigt Fig. 1 in Draufsicht den Vorderteil eines Fahrzeugfahrgestells
mit der hydraulischen Antriebsübertragung zwischen dem Fahrzeugmotor und den lenkbaren
Vorderrädern, Fig. 2 ein Schema der hydraulischen Übertragung, wobei zur Vereinfachung
der Darstellung nur ein Taumelscheibenmotor mit dem zugehörigen Einstellmechanismus
für die Kapazität dargestellt ist.
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Gemäß den Zeichnungen, insbesondere Fig. 1, ist eine Antriebsmaschine
bzw. ein Fahrzeugmotor 10 vorgesehen sowie lenkbare Vorderräder 11, die an Querlenkern
12 gelagert sind, ferner eine unmittelbar vom Fahrzeugmotor 10 angetriebene Taumelscheibenpumpe
13 und ein druckabhängiger Servozylinder 14 zum Betätigen der Kapazitätseinstellung
der Pumpe, weiter ein Ventilgehäuse 15 für eine Meßdüse bzw. ein Meßventil, das
in unmittelbarer Abhängigkeit von der Drehzahl der Antriebsmaschine arbeitend über
eine Zweigleitung von der Pumpe 13 kommendes Druckmittel zum Servozylinder 14 strömen
läßt. Jedem Vorderrad 11 ist ein hydraulischer Taumelscheibenmotor 16 zugeordnet
mit je einem druckempfindlichen Servozylinder 17 zum Regeln der Kapazitätseinstellung
der hydraulischen Motoren 16. Eine Hochdruck- und eine Niederdruckleitung 18 bzw.
19 verbinden die Taumelscheibenpumpe 13 mit den beiden Taumelscheibenmotoren 16
und den zugehörigen Servozylindern 17. In den Leitungen 18, 19 ist ein Umschaltventil
20 vorgesehen. Das Fahrgestell des Kraftfahrzeugs ist mit 21 bezeichnet.
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Aus dieser Anordnung ergibt sich, daß der Überschuß der vereinigten
Kapazität der hydraulischen Motoren über die der Pumpe der Geschwindigkeitsverminderung
der Fahrzeugräder entspricht.
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Wie insbesondere aus Fig.2 hervorgeht, in der gleiche Bezugszeichen
gleiche oder entsprechende Teile wie in Fig. 1 bezeichnen, steht die Taumelscheibe
22 der Pumpe 13 unter der Wirkung einer Steuerfeder 23 im Sinne einer Vergrößerung
des Taumelscheibenwinkels; entgegen dieser Feder 23 wirkt ein Servozylinder 14 mit
einer Dämpfung, die durch einen Dämpfungszylinder 24 dargestellt ist.
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Dem Servozylinder 14 wird über eine von einer Seite der Ventilkammer
26 im Ventilgehäuse 15 ausgehende Leitung 25 Druckmittel zugeführt. Die Ventilkammer
26 enthält ein Meßventil in Gestalt eines in seiner Längsrichtung gleitbar gelagerten,
doppelseitigen Nadelventils 27. Das Nadelventil 27 ist am inneren Ende eines Schaftes
28 gelagert, der an der der Leitung 25 gegenüberliegenden Seite durch das Gehäuse
15 herausgeführt ist. Durch das Nadelventil 27 wird eine Mittelöffnung in einer
quer zur Achse der Ventilkammer liegenden Trennwand 29 gesteuert. Druckflüssigkeit
von der Pumpe 13 wird über eine Zweigleitung 30 und einen. Kanal 31 im Ventilgehäuse
dem Teil der Kammer 26 des Meßventils zugeführt, in dem der Ventilschaft 28 liegt.
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Ein von der Drehzahl der Antriebsmaschine abhängiger Regler 32, der
als Zentrifugalregler oder in anderer Weise ausgebildet sein kann, verstellt den
Schaft 28 des Meßventils proportional zur Drehzahl. Bei stillstehender Maschine
steht das freie Ende des doppelseitigen Nadelventils in der Öffnung der Trennwand
29, wie in der Zeichnung dargestellt, und bewegt sich beim Anlaufen der Maschine
nach innen, so daß der dem Servozylinder 14 zugeführte Druck mit kleiner werdender
wirksamer Ventilöffnung allmählich absinkt. Danach bewirkt bei weiterem Drehzahlanstieg
die weitere Einwärtsbewegung des Ventils 27 eine allmähliche Vergrößerung der wirksamen
Ventilöffnung, wodurch der dem Servozylinder 14 zugeführte Druck wieder ansteigt.
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Auf diese Weise ergibt das Meßventil 27 in verschiedenen Stellungen
seines Gesamthubes, der einem Drehzahlbereich der Antriebsmaschine entspricht, den
gleichen Querschnitt der Ventilöffnung und infolgedessen für einen gegebenen Systemdruck
den gleichen Taumelscheibenwinkel; dabei ist die Gesamtanlage so ausgelegt, daß
der Taumelscheibenwinkel der Pumpe, der automatisch vom Servozylinder 14 eingestellt
wird, den theoretisch günstigsten Winkel bei den vorherrschenden Druck- (Drehmoments-)
Verhältnissen in der Übertragung, in Übereinstimmung mit der oben erläuterten Entdeckung,
genau oder möglichst angenähert einstellt.
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Von dem zwischen der Trennwand 29 und der Mündung der Zufuhrleitung
25 zum Servozylinder 14 gelegenen Teil der Ventilkammer 26 führt ein verengter Kanal
33 zu einer Niederdruckkammer 34 im Ventilgehäuse und ist durch eine äußere Anzapfleitung
35 mit der Niederdruckseite 19 des Systems zum Zurückleiten des Strömungsmittels
bzw. der Meßflüssigkeit verbunden.
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Das Ventilgehäuse 15 enthält ein zweites Ventil 36 zum Übersteuern
des Meßventil@ 27 bei übermäßigem Druck auf der Druckseite der Pumpe, wie er beispielsweise
bei heftiger Beschleunigung auftreten kann. Dieses zweite 'Ventil 36 bestet aus
einem federbelasteten Kolbenventil, das bei übermäßigem Druckanstieg von der Seite
der Pumpe her entgegen der Federbelastung den Auslaß der Meßflüssigkeit über den
Kanal 33 zur Niederdruckstite des Systems versperrt,
so daß auf
diese Weise hoher Druck unmittelbar auf den Servozylinder 14 wirken und über diesen
den Taumelscheibenwinkel der Pumpe verkleinern und dadurch den Druck herabsetzen
und die Gefahr einer hydraulischen Selbstsperre des Systems verhindern kann.
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Schließlich enthält das Ventilgehäuse 15 noch ein drittes Ventil 37
zum Regeln des Einlaßkanals 31 zum Meßventil 27 auf der Hochdruckseite. Dieses dritte
Ventil 37 ist ein federbelastetes Kolbenventil, dessen Feder 38 das Ventil
entgegen dem Niederdruck offen hält.
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Es ist daher eine Druckumkehr zwischen der Hoch-und Niederdruckseite
des Systems erforderlich, um das Ventil 37 zu betätigen und damit den Zustrom von
der Leitung 30 zum Meßventil 27 zu versperren. Solche Druckverhältnisse können leicht
entstehen, wenn ein Fahrzeug bergab fährt und eine »Übersteuerung« auftritt, wobei
die »Radmotoren« bzw. die hydraulischen Einzelradantriebe als Pumpen arbeiten; das
Übersteuerungsventi1 37 ergibt hierfür eine verstärkte Motorbremsung durch Verkleinerung
des Taumelscheibenwinkels der Pumpe, indem es einen Druckanstieg im Servozylinder
14 der Pumpe ermöglicht.
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Die Taumelscheibenmotoren 16 besitzen gleichfalls veränderlichen Hub,
wobei der Taumelscheibenwinkel jedes Motors automatisch durch seinen Servozylinder
17 den Druck- (Drehmoments-) Verhältnissen im System entsprechend geändert wird,
jedoch arbeiten die Servozylinder 17 im umgekehrten Sinne wie der Servozylinder
14 der Pumpe, da die Servozylinder 17 unmittelbar vom Druckanstieg in der Hochdruckleitung
nahe den Motoren bzw. Zylindern 16 im Sinne einer Vergrößerung des Taumelscheibenwinkels
der Scheibe 38 entgegen der Federbelastung 39 und einer - durch einen Dämpfungszylinder
40 angedeuteten - Dämpfungseinrichtung betätigt werden..
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Die oben beschriebene Antriebsübertragung für ein Fahrzeug ergibt
also einen Vorderradantrieb konstanter Winkelgeschwindigkeit mit voller Differentialwirkung,
und die Verwendung automatischer Winkeländerungen der Taumelscheibe der Pumpe im
umgekehrten Sinne wie der Druck (das Drehmoment) im System in Verbindung mit automatischen
Winkeländerungen der Taumelscheiben der einzelnen hydraulischen Motoren in gleichem
Sinne wie der Druckgestattet die Verwendung einer kleinstmöglichen Pumpe für eine
gegebene Leistung. Außerdem er- ; möglicht die Anlage einen automatischen Schnellgang
und schafft damit einen Antrieb mit stufenlos veränderlichem Drehzahlverhältnis
über einen größeren Bereich, als er normalerweise erreichbar ist.
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Für ein Fahrzeug mit der beschriebenen Antriebs- ; übertragung muß
die Pumpe in einer neutralen Stellung sperrbar sein, um bei stillstehendem Fahrzeug
den Motor mit leichter Belastung betreiben zu können. Diese Steuerung kann zweckmäßig
mit der Handbremse gekoppelt und ein von Hand betätigbares Nebenschlußventil für
Freilauf der Räder kann für Schleppen oder Freilauf des Fahrzeugs vorgesehen sein.
Ein solches Freilauf-Nebenschlußventil kann im Umschaltventil 20 vorgesehen sein,
das eine Umkehr des Antriebs der Fahrzeugräder ermöglicht.
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Nach Anlassen des Motors und Lösen der Handbremse wird durch Betätigung
des Gashebels der Motor beschleunigt, und der Taumelscheibenwinkel der Pumpe wächst,
bis er bei einem geeigneten vorbestimmten Förderdruck der Pumpe durch den Servozylinder
14 begrenzt und das Fahrzeug in Bewegung gesetzt und beschleunigt wird.
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Beim Erreichen einer Reisegeschwindigkeit wird die Gashebelstellung
zurückgenommen bzw. die Drosselöffnung verkleinert, um diese Geschwindigkeit beizubehalten.
Bei konstanter Fahrgeschwindigkeit arbeitet die Pumpentaumelscheibe 22 mit einer
Einstellung, die den durch den verringerten Druckbedarf bestimmten Hub des Pumpenkolbens
ergibt und eine automatische Verringerung der Winkel der Taumelscheiben 38 von den
Radantrieben bewirkt. Hierdurch entstehen die Druckbedingungen, die wieder eine
Winkelvergrößerung der Taumelscheiben 38 anstreben, wodurch jedoch der Druck wieder
absinken würde, so daß bei Reisegeschwindigkeit Stabilität bei den günstigsten Taumelscheibenwinkeln
von Pumpe und Einzelmotoren für die Geschwindigkeit und das Drehmoment erreicht
wird. Der verkleinerte Taumelscheibenwinkel der Radmotoren. und die konstante Reisegeschwindigkeit
setzen. die erforderliche Pumpenleistung herab; wodurch die Maschine 10 verlangsamt
wird, bis die Drossel geöffnet bzw. der Gashebel zum Beschleunigen betätigt wird;
bei längerem Fahren mit Reisegeschwindigkeit können in der Übertragungsanlage die
Vorbedingungen für Schnellgangbetrieb erreicht werden.
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Beim Zurücknehmen des Gashebels zum Verlangsamen gehen Motor- und
Pumpendrehzahl unter die Erfordernisse zurück, aber die Pumpentaumelscheibe 22 wird
über das Abschaltventil 27 und den Servozylinder 14 auf verringerten Hub eingestellt.
Infolge des niedrigen Drucks auf der Eingangsseite sind die Taumelscheiben 38 der
Radmotoren auf kurzen Hub eingestellt, und die Radmotoren 16 arbeiten als Pumpen
auf die Pumpe 13, die den Motor 10 anzutreiben versucht, der seinerseits in niedrigem
Gang mit guter Bremswirkung arbeitet.
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Beim Bergauffahren besteht die Tendenz zum Verringern der Rad- und
damit der Radmotordrehzahl. Das wachsende Drehmoment (Druckanstieg) vergrößert automatisch,
den Taumelscheibenwinkel der Radmotoren 16 und ergibt damit eine Gangverkleinerung
in der Antriebsübertragung.
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Ein Vergrößern der Drosselöffnung der Antriebsmaschine mit weiterem
Druckanstieg verstellt über das Meßventil 27 und den Servozylinder 14 den Taumelscheibenwinkel
der Pumpe so, daß bei den vorherrschenden Bedingungen bezüglich Drehzahl und Drehmoment
ein maximaler Betriebswirkungsgrad erreicht wird.
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Das den Taumelscheibenwinkel der Pumpe automatisch einstellende Meßventil
macht zusammen mit der automatischen Taumelscheibeneinstellung der Radmotoren einen
verlustreichen unmittelbaren Nebenschluß von der Druckseite zur Ausgangsseite überflüssig
und vermeidet damit einen bei bekannten hydraulischen Übertragungen dieser Art,
bei denen die Pumpenleistung sogar während: des normalen Betriebs so häufig die
Motorleistung übersteigt, allgemeinen Nachteil, indem bei einer Antriebsübertragung
nach der Erfindung die Pumpenleistung und die Kapazität der Radmotoren im wesentlichen
im Gleichgewicht miteinander gehalten werden und Pumpe und Radmotoren über den ganzen
Bereich der Fahrzeug-Betriebsbedingungen für alle vorherrschenden Drehzahl- und
Drehmomentszustände der Antriebsmaschine bei oder nahe bei dem maximalen Wirkungsgrad
arbeiten.
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Natürlich braucht das Meßventil bei einer erfindungsgemäßen Anlage
nicht als doppelt wirkendes
Nadelventil ausgebildet zu sein. sondern
es können auch andere geeignet ausgebildete Ventile zum Erreichen der erfindungsgemäßen
Wirkung verwendet werden.