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Stufenloses hydrostatisches Getriebe Die Erfindung bezieht sich auf
ein stufenlos regelbares hydrostatisches Getriebe für die übertragung drehender
Bewegung, wobei das Getriebe aus zwei Einheiten besteht, von welchen die eine als
Pumpe arbeitet und das Arbeitsmittel, meist öl, in die andere Einheit, den
als Hydromotor wirkenden Sekundärteil, fördert, in dem hydrostatische Druckenergie
in mechanische Energie, bei gleichzeitiger Wandlung von Drehzahl und Drehmoment,
zurückgewonnen wird.
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Die bekannten Getriebe dieser Art haben einen so ungünstigen Wirkungsgrad
und sind so groß und schwer, daß ihnen zahlreiche Anwendungsgebiete im allgemeinen
Maschinenbau und im Fahrzeugbau verschlossen bleiben. Die Erfindung stellt sich
die Aufgabe, diese Mängel zu beheben und ein Getriebe zu schaffen, welches besonders
klein ist und einen besonders hohen Wirkungsgrad hat. Dieses Getriebe hat eine gedrungene
Form und ist, bezogen auf die übertragbare Leistung, besonders leicht, so daß es
im allgemeinen Maschinenbau und im Fahrzeugbau überall, also auch dort angewendet
werden kann, wo die bekannten hydrostatischen Getriebe den Anforderungen nicht genügen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe haben die in diesem Getriebe als Pumpe und
Hydromotor arbeitenden Einheiten je mehrere stabförmige und längsverschiebliche
Förderkolben, welche in ruhenden und kreisförinig gebogenen Zylinderräumen umlaufen
und je
einen Steuerkolben, dessen Drehpunkt innerhalb der Förderkolbenbahn
liegt und der von den Förderkolben durch unmittelbaren Eingriff in die Steuerkolbenausschnitte
angetrieben wird. Beide Einheiten werden in einem gemeinsamen Gehäuse so untergebracht,
daß sie sich spiegelbildlich gegenüberstehen. Der stimseitige Abschluß der Zylinderräume
beider Einheiten erfolgt durch ein gemeinsames Ab-
dichtungsteil, welches
der gleichzeitigen axialen Verschiebung der Förderkolben beider Einheiten folgt.
Das Abdichtungsteil erhält von beiden Seiten gleich hohe Drücke. Diese heben sich
daher schon innerhalb des Abdichtungsteiles auf, und dieses sowie seine Lagerung
und Führung können leicht und raumsparend ausgeführt werden. Dadurch wird auch das
Getriebe leicht und klein. Da sich am Abdichtungsteil zu beiden Seiten etwa gleich
große Drücke gegenüberstehen und deshalb an ihm keine Druckdifferenzen bestehen,
können auch keine Leckverluste auftreten. Das bedeutet eine Verbesserung des Wirkungsgrades.
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Alle zur Förderinengenänderung längsverschieblichen Teile werden gleichsinnig
so verschoben, daß die Verkürzung in der einen Einheit die entsprechende Verlängerung
in der anderen Einheit bewirkt und umgekehrt. Zur Erleichterung dieser Verschiebung
werden erfindungsgemäß die zwischen den Förderkolben befindlichen Räume sowie die
Steuerkolbenkammern beider Einheiten durch Bohrungen so miteinander verbunden, daß
jeweils die sich gegenüberstehenden Räume Verbindung miteinander haben. Damit wird
die Verstellmöglichkeit verbessert, da die in diesen Räumen eingeschlossenen ölmengen
schnell in die zugeordneten Räume der anderen Einheit strömen können. Infolge der
gleichsinnigen Verschiebung sind die verdrängten oder aufzufüllenden Ölmengen stets
einander gleich.
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Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird die Nachfolgebewegung
der Förderkolben hy-
draulisch bewirkt. Zu diesem Zweck werden die
öl-
gefüllten Flanschräume beider Einheiten durch eine Bohrung miteinander
verbunden. Beim Herausziehen, also Verkürzen der Förderkolben der einen Einheit,
strömt das verdrängte Öl durch die Bohrung in den Flanschraum der anderen
Einheit und drückt dort die Förderkolben entsprechend hinein, so daß der gleiche
Abstand immer gewahrt bleibt.
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Da in der verwendeten Pumpenart alle Räume mit öl gefüllt sind,
ist es nach einer weiteren Verbesserung dieser Erfindung vorgesehen, den Ölsammelbehälter
über dem Getriebe anzuordnen, so daß dessen ölspiegel höher liegt als alle ölführenden
Getrieberäume und Leitungen. Da nun die Leckölmengen von unten nach oben steigend
in den Ölsammelbehälter gelangen, wird vermieden, daß das Öl der Luft eine
große Oberfläche bietet. Es kann keine wesentlichen Luftmengen aufnehmen, und der
günstige Zustand der möglichst geringen Kompressibilität bleibt weitgehend erhalten,
was für den Betrieb hydraulischer Getriebe sehr wichtig ist Außerdem ist durch diese
hochliegende Anordnung des Ölsammelbehälters das Getriebe immer betriebsbereit,
da es in den Betriebspausen nicht leertropfen kann.
Eine weitere
Ausbildung dieser Erfindung bringt eine Verkleinerung und Leistungssteigerung des
Getriebes dadurch, daß der ölsammelbehälter unter Druck gesetzt wird, um den Gebrauch
höherer Drehzahlen zu gestatten. Um bei hohen Drehzahlen die Vakuumbildung in der
Saugleitung einer Pumpe zu vermeiden, ist es bekannt, dieser das Öl mit einer
Hilfspumpe unter Druck zuzuführen. Die Leistung dieser Pumpe ist aber eine ständig
aufzubringende Verlustleistung. Diese wird nach der Erfindung in einfachster Weise
dadurch vermieden, daß das Öl
im Sammelbehälter unter einen statischen Druck
gesetzt wird. Hierzu kann über dem ölspiegel einmalig eine bestimmte Luftmenge eingebracht
werden. Oder man bildet eine Wandung des ölsammelbehälters elastisch aus, etwa als
WeRrohrkörper, welcher unter Federdruck steht. Dann hat das Betriebsöl überhaupt
keine Berührung mit der Luft und kann in entgastem Zustand in das Getriebe eingefüllt
werden. Ein Wiederaufnehmen von Luft und Gasen während des Betriebes ist nicht zu
befürchten.
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An Hand der Ab b. 1 bis 5 wird die Erfindung beschrieben.
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Abb. 1 zeigt den Längsschnitt durch das Getriebe, #
b b. 2 einen Querschnitt nach der Linie A-B und # b b. 3 einen Querschnitt
nach der Linie C-D; A b b. 4 zeigt die Abwicklung des Dichtungskörpers;
A b b. 5 stellt einen Schnitt durch den als Wellrohrkörper ausgebildeten
Ölsammelbehälter dar.
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In den A b b. 1, 2 und 3 ist 1 das von beiden
Pumpen gemeinsam benutzte Gehäuse. Die Förderkolben 2 laufen im Förderkanal
3 um. Dieser wird durch das Pumpengehäuse 1, das sichelförmige Gehäuseteil
4 und das verschiebliche Dichtungsteil 5 gebildet. Der Steuerkelben
6 wird von den Förderkolben beim Umlauf mitgenommen und schleust diese von
der Druck- zur Saugseite zurück. Er dreht sich um die Achsd 7, die an der
Grundplatte 8 befestigt ist oder mit dieser aus einem Stück bestehen kann.
Diese Grundplatte 8 ist zusammen mit der Sichel 4 und den Abstandsstücken
9 so in dem Pumpengehäuse 1 befestigt, daß dadurch die Arbeitsräume
für beide Pumpen gleichzeitig gebildet werden. Das Dichtungsteil 5, dessen
Abwicklung in der Ab b. 4 dargestellt ist, hat beispielsweise drei Ausnehmungen
für die Abstandsstücke 9, so daß es um diese herumfaßt. Für eine leichtere
Montage kann man das Dichtungsteil so aufteilen, daß die Leiste
5 a entsteht, welche nachträglich angeschraubt wird. In
Ab b. 3 ist die Lage des Dichtungsteiles 5
und der Abstandsstücke
9 zu erkennen. Mittels des Zahnrades 10 kann das Dichtungsteil axial
verschoben werden.
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Die Förderkolben 2 befinden sich im Flansch 11,
der mit einer
Achse 12 fest verbunden ist. Diese ist einerseits in einer Bohrung im Steuerkolbenachsenteil
7 und andererseits im Gehäusedeckel 13 längsverschieblich gelagert.
Die Achse 12 ist in ihrer Bohrung mit einem Keilnabenprofil versehen und verschiebt
sich auf der entsprechenden Keilwelle 14, welche zur Kraftübertragung zur Pumpe
von außen dient. Mittels einer Feder 15 wird die Achse 12 mit Flansch und
Förderkolben gegen das Dichtungsteil 5
gedrückt.
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Die Scheibe 16 hat Durchbrüche vom gleichen Querschnitt wie
die Förderkolben 2, durch welche diese in den Förderraum hineinragen. Der an der
Steuerkolbenachse 7 befestigte Ring 17 hält die Scheibe
16 mit großem Spiel an der Gehäusestirnseite. Von der Gehäuseseite aus wirken
die unterschiedlichen Drücke in den verschiedenen Arbeitsräumen der Pumpe auf die
Scheibe 16. Der Raum 18
ist ebenfalls mit Öl gefüllt, welches
bei 35 aus den Arbeitsräumen der Pumpe in den Raum 18 dringt und dessen
Druck so auf die Scheibe 16 wirkt, daß diese einen bestimmten Abstand zur
Gehäusestirnseite aufrechterhält. Während des Betriebes wird also die Scheibe
16 durch die von beiden Seiten auf sie einwirkenden öldrücke in einem kleinen,
geregelten Abstand von der Gehäusestimseite gehalten. Die nach A b b. 1 für
die linke Pumpe beschriebenen Vorgänge gelten sinngemäß auch für die rechte Pumpe.
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Das Gehäuse 1 hat bei 19 und 19 a Kanäle
für den ölumlauf zwischen beiden Pumpen. Der Kanal 19 leitet das Drucköl
von der Pumpe zum hydraulischen Motor, und 19a ist der Rücklauf- und Saugkanal,
der auch Verbindung mit dem Olvorratsbehälter 20 hat. In Ab b. 1 ist die
linke Pumpe mit ganz eingetauchten Förderkolben gezeichnet, während die rechte Pumpe,
die in diesem Beispiel als hydraulischer Motor läuft, sehr weit herausgezogene Förderkolben
hat, Wenn die linke Pumpe angetrieben wird, dann macht die rechte Pumpe eine hohe
Drehzahl, im umgekehrten Verhältnis der eingestellten Förderraumgrößen, beziehungsweise
Förderkolbenlängen. Verschiebt man durch Drehen des Zaharades 10 das Dichtungsteil
5 nach links, dann verkürzen sich die Förderkolben der linken Pumpe, und
die der rechten verlängern sich. Das heißt, die Drehzahl der rechten Pumpe wird
geringer. Die Verlängerung der Förderkolben der einen Pumpe bedeutet die Verkürzung
der Kolben der anderen Pumpe um das gleiche Maß. Die verschiedenen Anforderungen
hinsichtlich der Übertragung von Drehmoment, Leistung und Übersetzungsverhältnis
kann mari durch Wahl geeigneter Grundlängen der Förderkolben erfüllen. Das sind
Förderkolbenbereiche, die an der Veränderung nicht teilnehmen und immer im Förderraum
verbleiben, so wie das in A b b. 1 die rechte Pumpe in der gezeichneten Stellung
zeigt.
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In Ab b. 4 sind außer der Abwicklung des Dichtungsteiles
5 auch schematisch die dagegen laufenden Förderkolben2 und 2a beider Pumpen,
sowie auch die Scheiben 16 und 16 a dargestellt, welche die Förderkanäle
3 und 3 a nach außen abdichten. Bei einer Verschiebung
des Dichtungsteiles 5 in Pfeilrichtung 22 werden die Förderkolben 2 herausgeschoben,
und die Förderkolben 2 a folgen nach und verlängern sich dabei. Die Scheiben
16 und 16 a
bleiben stehen, da sie im Kontakt mit den Gehäusestimseiten
bleiben. Ebenso bleiben die Abstandsstücke 9 als Bestandteil des Gehäuses
stehen. Dementsprechend verkleinern sich die Förderkanäle 3,
und die Räume
3 a vergrößern sich. Das Öl könnte aus den Förderkanälen
3 durch die unvermeidlichen engen Leckstellen zwar entweichen, aber das geht
langsam und erfordert auch einen gewissen Kraftaufwand, mit dem das Dichtungsteil
5 verschoben werden müßte. Deshalb werden die Bohrungen 23 vorgesehen,
die die Förderkanäle 3 und 3 a miteinander verbinden. Nun kann das
Öl aus den Kanälen 3
direkt in die Kanäle 3 a überströmen, wo
es auch in
genau gleicher Menge gebraucht wird. Die Einstellung
kann jetzt schnell und ohne Kraftaufwand erfolgen. Die Bohrungen können auch an
anderen Stellen des Dichtungsteiles angebracht werden. Wichtig ist .nur, daß ihr
Abstand nicht kleiner ist als der Zwischenraum zwischen zwei Förderkolben, da sonst
zwei Räume verschiedenen Druckes der anderen Pumpe kurzgeschlossen würden, was für
das Arbeiten der Pumpe nachteilig sein kann. Dagegen ist die Verbindung nur eines
jeweils gegenüberstehenden Raumpaares möglich, da dieses unter gleichem oder annähernd
gleichem Druck steht. Auch die Versetzung der Förderkolben gegeneinander auf Grund
der verschiedenen Drehzahlen und der entgegengesetzten Drehrichtung der Pumpen verursacht
keine Nachteile.
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Ein ähnlicher Vorgang ergibt sich beim Ein- oder Austauchen der Förderkolben
in die Steuerkolbenkammern 24 a, 24 b, 24 c, die nach A b b.
2 gerade allseitig geschlossen sind. Es werden Bohrungen 25
in der Grundplatte
8 angebracht, welche die entsprechenden druckgleichen Räume beider Pumpen
miteinander verbinden, um den ölaustausch leicht zu ermöglichen.
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Die Förderkolben der einen Pumpe werden beim Verschieben des Dichtungsteiles
5 herausgeschoben, während die der anderen durch die Feder 15 nachgerückt
werden. Federn sind nachteilig, weil sie beiin gelegentlichen Klemmen eines Teiles
ihre Kraft nicht erhöhen und deshalb versagen können. Das Nachfolgen der Förderkolben
wird hydraulisch betätigt. Die beiden Flanschräume 18 und 18 a werden
durch eine Bohrung 26 miteinander verbunden. Nun strömt die dem Volumen der
herausgedrückten Förderkolben entsprechende Öhnenge durch die Bohrang in den anderen
Flanschraum und drückt die Förderkolben dort in den Förderraum hinein. Diese Betätigung
ist betriebssicher, da sie wegen der hy-
draulischen Zwangläufigkeit ein Haken
und Festsetzen der Teile nicht zuläßt.
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Die Schmierung der Gleitlager der Achse 12 erfolgt durch das Drucköl
im Raum 18. Dieses gelangt dabei in die Räume 27 und 28. Aus
dem Raum 27 tritt es durch Bohrungen oder Nuten in der Keilwelle 14 ebenfalls
in den Raum 28. Von hier gelangt dieses Lecköl durch die Bohrung
29 nach A b b. 3 in den Vorrats- und Sammelbehälter 20, von wo es
in den Saugkanal 19 a und wieder in den Kreislauf kommt. Der Ölspiegel im
Behälter 20 ist höher als die durchweg mit Öl gefüllten Räume des Getriebes.
Hierdurch wird erreicht, daß das Getriebe in den Betriebspausen nicht vom
Öl leerlaufen kann. Es ist vielmehr immer gefüllt und sofort betriebsbereit.
Auch wird der unerwünschte Kontakt des öles mit der Luft sehr vermindert.
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Eine weitere Verbesserung wird erreicht, wenn das Öl im Sammelbehälter
unter Druck gesetzt wird. Man kann dadurch die Drehzahlen und damit die Leistung
ties Getriebes wesentlich erhöhen, ohne das in hydrostatischen Getrieben sehr schädliche
Auftreten von Kavitation befürchten zu müssen. Man kann das dadurch erreichen, daß
man in den Sammelbehälter über dem ölspiegel bei 30 nach Ab b. 3
eine
bestimmte Luftinenge einbringt. Noch besser ist nach einem weiteren Merkmal der
Erfindung die Anwendung einer elastischen Wandung am Sammelbehälter. Nach
A b b. 5 wird beispielsweise ein Wellrohrkörper 31 benutzt, der vollständig
mit Öl ohne Luftpolster angefüllt ist. Er wird so unter Druck gesetzt, beispielsweise
durch die Feder 32, daß ein gewünschter öldruck in der Saugleitung entsteht.
In dem Bügel 33 befindet sich die Schraube 34, mit welcher man die Spannung
der Feder 32 und damit den Öldruck einstellen kann. Sowohl die Feder als
auch das Luftpolster 30 können Volumenänderungen der Ölfüllung aufnehmen,
die durch Temperaturschwankungen hervorgerufen werden.
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Die Drücke in den Räumen 18 und 18 a hängen von den
Arbeitsdrücken der zugehörigen Pumpen ab. Die Druckleitung 19 zwischen den
beiden Pumpen ist zwar sehr kurz, trotzdem wird in ihr ein gewisser Druckabfall
erfolgen, der eine kleine Differenz im Arbeitsdruck zwischen beiden Pumpen bedingt.
Damit würden auch die Drücke in den Räumen 18 und 18 a etwas verschieden
sein, da diese durch die Regeltätigkeit der Scheibe 16 in einem bestimmten
Verhältnis zum Arbeitsdruck gehalten werden. Die Verbindung dieser Räume durch die
Bohrung 26
würde den Regelvorgang durch den ständigen Ausgleich dieser Druckdifferenz
stören. Man kann beispielsweise durch Änderung der Größe der Gleit-und Dichtflächen
des Regelspaltes bei 35 erreichen, daß die Drücke in den Räumen
18 und 18 a normalerweise gleich groß sind. Auch durch eine Drosselstelle
in der Bohrung 26 kann man die gleiche Wirkung erzielen. Dann kann die Bohrung
26 mit ihrem überlagemden Förderkolbenschub nicht stören.
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Das im Gehäusemittelteil laufende Ende 36 der Achse 1-2 hat
einen größeren Durchmesser als das im Deckel 13 laufende Ende. Der ini Raum
18 herrschende Druck drückt daher die Achse zur Gehäusemitte, so daß die
Förderkolben 2 mit ihren Stimflächen abdichtend am Dichtungsteil 5 anlaufen.
Damit wird der Kontakt zwischen Förderkolben und Dichtungsteil in Abhängigkeit vom
Arbeitsdruck der Pumpen gewahrt. Die Feder 15 soll vorzugsweise das Abheben
der Förderkolben vom Dichtungsteil beim Stillstand oder Leerlauf der Pumpen verhindern.
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Es ist auch möglich, die Verstellung der Förderkolben mit ihren Achsen
so vorzunehmen, daß man die Achsen durch eine Axiallagerung kuppelt und die Verstellung
durch Angriff an dieser Kupplung von außen tätigt. Dann würde das Zahnrad
10 zum Verschieben des Dichtungsteiles 5 wegfallen, und das Dichtungsteil
könnte kürzer werden, was auch eine Verkürzung des ganzen Getriebes zur Folge hätte.
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Wenn nach Ab b. 4 der öldruck aus dem Druckkanal
19 in PfeMchtung 37 auf das Dichtungsteil 5
wirkt, dann wird
sich dieses bei 38 am Abstandsstück 9 anlegen und dort beim Verschieben
gleiten. Hier greift auch das Zahnrad 10 an. Die Abstandsstücke
9 sind kleiner als die Ausbrüche im Dichtungsteil 5, so daß der öldurchtritt
durch die Bohrungen 23 ungehindert erfolgen kann.
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Die Keilwelle 14 hat einen Bund 39, der in bekannter Weise
auch zum Abdichten des im Sammelbehälter 20 und damit auch im Raum 27 herrschenden
Druckes ausgebildet sein kann.