-
Als Verdrängermaschine ausgebildete Umwälzeinrichtung für hydrostatische
Getriebe Die Erfindung bezieht sich auf eine als Verdrängermaschine ausgebildete
Umwälzeinrichtung zwischen einem Hochdruckflüssigkeitskreislauf und einem hliederdruckflüssigkeitskreislauf,
bei der die beim Entspannen der Flüssigkeit im Verdrängermotor ge= wonnene Energie
unmittelbar zum Antrieb einer Ver= drängerpumpe ausgenutzt wird, die die unter niedrigem
Druck stehende Flüssigkeit wieder auf Hochdruck bringt, wobei für den durch Schlupf
und keibung bedingten Leistungsverlust ein gemeinsamer Antriebsmotor vorgesehen
ist und durch Pumpe und Motor gleiche Flüssigkeitsvolumina hindurchtreten.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, die Arbeitsflüssigkeit eines unter hohem
Flüssigkeitsdruck arbeitenden hydrostatischen Getriebes, ohne dessen Betrieb zu
stören, außerhalb des Getriebegehäuses in wirtschaftlicher Weise zu behandeln. Insbesondere
soll die Kühlung der Arbeitsflüssigkeit in einem möglichst dünnwandigen, einen guten
Wärmedurchgang vermittelnden Wärmeaustauscher erfolgen können.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Benutzung einer solchen Vmwälzeinrichtung
bei einem hydrostatischen Getriebe zum gleichzeitigen Entspannen der unter Hochdruck
stehenden Arbeitsflüssigkeit und Zurückdrücken der unter niedrigem Druck stehenden
Flüssigkeit in die Hochdruckleitung, wobei die Arbeitsflüssigkeit in der Niederdruckphase
einer Behandlung, z. B. Kühlung, unterzogen wird.
-
Es handelt sich insbesondere um ein solches hydrostatisches Getriebe,
bei dem mindestens zwei Arbeitszylinder eines Verbrennungsmotors oder eines Kompressors
einen Umlaufverdränger antreiben. Dabei wirken die Gaskolben der Arbeitszylinder
auf die Flüssigkeit unmittelbar oder über mit ihnen verbundene Hubverdränger. Die
Flüssigkeit, vorzugsweise Hydrauliköl, wiederum beaufschlagt den Umlaufverdränger
in wenigstens zwei Systemen von Druckkammern, die zwischen dem Gehäuse des hydrostatischen
Triebwerks und dem Unelaufverdränger gebildet werden und verschiedenen Arbeitszylindern
zugehören.
-
Um einen zu großen Temperaturanstieg infolge innerer Lässigkeitsverluste
zwischen den zu verschiedenen Systemen gehörenden Druckkammern und infolge der unvermeidbaren
Reibungsverluste zu vermeiden, muß die Flüssigkeit gekühlt werden. Wollte man zu
diesem Zweck die Flüssigkeit, die in dem hydrostatischen Getriebe unter hohem Druck
steht, aus diesem ablassen, um es nach erfolgter Kühlung wieder in das Getriebe
hineinzupumpen, so wäre das mit einer Störung des Gleichlaufs zwischen dem Umlaufverdränger
und den Hubverdrängern verbunden. hie Kolben der Hubverdränger stehen nämlich über
die Flüssigkeit mit dem Umlaufverdränger in Wirkungsverbindung; dabei ist das Verdrängungsvolumen
des Umlaufverdrängers genau so groß wie das Verdrängungsvolumen der hin- und hergehenden
Hubverdränger. Entnähme man nun Drucköl zum Zweck der Kühlung, so änderte sich durch
das veränderte Ölvolumen die Lage des Hubverdrängers zu den Umlaufverdrängern; die
Folge wäre eine Verschiebung der Totpunktlagen des Hubverdrängers. Dies wird durch
die Erfindung vermieden.
-
Aus der deutschen Patentschrift 366 456 ist ein Verfahren zur Erzeugung
von Kälte bekannt, bei dem ein Kühlmittel in einem geschlossenen Kreisprozeß zunächst
eine Druck- und damit eine Temperaturerhöhung erfährt, welch letztere in einem Kühler
wieder entzogen wird, worauf es durch Entspannung noch eine weitere Temperaturabnahme
erleidet, die durch Wärmeaufnahme von außen wieder ausgeglichen wird. Hierbei dient
die als Verdrängermaschine mit doppeltwirkendem Zylinderkolben ausgebildete Umwälzeinrichtung
nicht dazu, gleichzeitig unter Hochdruck stehende Arbeitsflüssigkeit zu entspannen
und unter niedrigem Druck stehende, behandelte Arbeitsflüssigkeit in die Hochdruckleitung
zurückzudrücken. Die Rohre des hierbei verwendeten Wärmeaustauschers werden wechselweise
innen von hohem Flüssigkeitsdruck, z. B. von 200 at, und außen von niedrigem Flüssigkeitsdruck,
z. B. von 50 ät, beaufschlagt.
-
Aus der französischen Patentschrift 1011579 und aus der deutschere
Auslegeschrift 1009 341 ist es bekannt, daß man Kühlluft bzw. Abgas von Hochofenmaschinen
vor
und hinter einem Wärmeaustauscher über durch Wellen miteinander verbundene Kreiselräder
strömen läßt. In dem einen Fall wird der Kühlluft vor dem Eintreten in den Wärmeaustauscher
durch Entspannung in einer Turbine Energie entzogen, und diese Energie wird hinter
dem Wärmeaustauscher zur Beschleunigung des Luftstromes nutzbar gemacht. In dem
anderen Fall wird das aus einem Rekuperatör- austretende Abgas durch eine Abgasturbine
gestaut _und ein von dieser angetriebener Verdichter sorgt für eine Erhöhung des
Abgasdruckes vor dessen Eintritt in den Rekuperator. Hierbei wird zwar auch die
beim Entspannen eines strömenden Mediums gewonnene Energie im Sinne einer Druckerhöhung
des Mediums nutzbar gemacht. Doch geschieht das nicht in einem Rückkehrstrom der
Arbeitsflüssigkeit eines hydrostatischen Getriebes zwischen einem Hochdruck-Kreislauf
und einem die Behandlung, z. B. Kühlung, der Arbeitsflüssigkeit bewirkenden Niederdruck-Kreislauf.
-
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung besteht die Umwälzeinrichtung
aus einem Zahnradmotor und einer Zahnradpumpe, wobei in an sich bekannter Weise
mindestens ein Zahnrad des Motors auf derselben Welle sitzt wie ein Zahnrad der
Pumpe. Zweckmäßig wird das in den Kühler eintretende Öl nicht ganz, sondern beispielsweise
nur auf einen Druck von etwa 2 atü entspannt, -damit es in dem Kühlersystem keine
Luft aufnehmen kann und außerdem der Pumpenseite des Druckmitteltauschers wieder
zuströmt und nicht angesaugt zu werden braucht. Nach einer weiteren Ausbildung der
Erfindung befindet sich in einer Kurzschlußleitung zwischen dem Flüssigkeitseintritt
des Verdrängungsmotors und dem Flüssigkeitsaustritt der Verdrängungspumpe ein Absperrglied,
das beim Erreichen eines bestimmten Druckes in dem Druckraum des hydrostatischen
Triebwerkes geöffnet wird und beim Öffnen gleichzeitig die Verbindung der Umwälzeinrichtung
zu dem hydrostatischen Triebwerk absperrt. Hierdurch werden in der Umwälzeinrichtung
die bei hohen Betriebsdrücken zu erwartenden großen Lässigkeitsverluste vermieden,
und außerdem werden die Lager der Umwälzeinrichtung nicht zu hoch belastet.
-
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
dargestellt, und zwar zeigt F i g. 1 schematisch ein hydrostatisches Triebwerk mit
einer Umwälzeinrichtung und Zubehör, F i g. 2 in einem Schaubild den Verlauf des
Öldrucks für zwei Druckkammer-Systeme über dem ; Rotorwinkel, F i g. 3 einen Axiälschnitt
durch die Umwälzeinrichtung, F i g. 4 die Ansicht in Richtung des Pfeiles in F i
g. 3, , F i g. 5 und 6 die Schnitte nach den Linien V-V bzw. VI-VI in F i g. 3.
-
F i g. 1 zeigt das hydrostatische Triebwerk 1 mit den beiden Arbeitszylindern
2 und 3, in denen die Arbeitskolben hin- und herlaufen.
-
In dem hydrostatischen Triebwerk befinden sich zwei hier nicht gezeigte
Druckkammersysteme, von denen je ein System mit den Ölkolben der Arbeitszylinder
2 und 3 in Wirkungsverbindung stehen. Der Öldruck möge in den beiden Kammersystemen
nach den Kurvenzügen 12 und 13 in F i g. 2 verlaufen. In F i g. 1 ist die. Umwälzeinrichtung
mit 4 und der ölkühler mit 5 bezeichnet. Das Drucköl strömt aus dem Triebwerk durch
eine Leitung 8 in die Umvc%älzeinrichtung 4 und treibt dabei den Motorteil an, wobei
es auf etwa 2 atü entspannt wird. Alsdann strömt das Öl über eine Leitung 9 in den
Kühler 5. Von hier aus fließt es über eine Leitung 10 dem Pumpenteil der Umwälzeinrichtung
zu, um über eine Leitung 11 wieder in das Triebwerk 1 hineingedrückt zu werden.
-
Da es im allgemeinen nicht exakt möglich ist, die Umwälzeinrichtung
so auszubilden, daß durch das eine Zahnradpaar genau so viel Öl abströmen kann wie
durch das zweite Zahnradpaar wieder dem Triebwerk zugedrückt wird, wird man zweckmäßig
die Pumpe so auslegen, daß bei allen Betriebszuständen etwas mehr Öl dem Triebwerk
entnommen als wieder zugeführt wird. Der hierdurch entstehende geringe Ölverlust
kann beispielsweise durch einen an jedem Triebwerk vorhandenen und hier nicht beschriebenen
Totpunktregler ausgeglichen werden.
-
Ein Rückschlagventil6 sorgt dafür, daß in der Leitung 9 zwischen Pumpe
und Kühler, in der das auf etwa 2 atü entspannte Öl dem unter gleichem Druck stehenden
Kühler zugeführt wird, in einen Ölsumpf 7 abströmen kann, wenn infolge zu kleiner
Förderung der Pumpenseite der Umwälzeinrichtung der Druck über 2 atü ansteigen sollte.
Aus dem Ölsumpf wird dann das überschüssige und abgelassene Öl über den hier nicht
behandelten Totpunktregler dem hydrostatischen Triebwerk wieder zugespeist.
-
In F i g. 3 ist die Umwälzeinrichtung gezeigt. In dem Gehäuse 14 sind
zwei Wellen 15 und 18 angeordnet, auf denen zwei Zahnradpaare gegeneinander abgedichtet
sitzen. Das miteinander kämmende Zahnradpaar 19 und 20 bildet die Flüssigkeitspumpe
und das miteinander kämmende Zahnradpaar 16 und 17 den Flüssigkeitsmotor.
-
F i g. 4 läßt die vier Ölanschlüsse 23, 24, 25 und 26 an dem Gehäuse
der Umwälzeinrichtung erkennen. In den Ölanschluß 23 tritt das vom Triebwerk kommende,
unter Hochdruck stehende Öl ein und geht, nachdem es das als Motor wirkende Zahnradpaar
16, 17 passiert hat, aus der Bohrung 24 heraus in den Kühler 5. Das im Kühler 5
gekühlte Öl tritt nun wieder in die Bohrung 25 der Pumpe ein, wird durch das als
Pumpe wirkende Zahnradpaar 19, 20 auf den Druck des Triebwerkes gebracht und tritt
durch die Bohrung 26 in die zum Triebwerk führende Leitung 11.
-
F i g. 5 zeigt das als Motor wirkende Zahnradpaar 16,17. Das Drucköl
tritt aus dem Triebwerk über die Bohrung 23 in den Kanal 34 ein und treibt dabei
die beiden Zahnräder 16,17 an, die auf den Wellen 15 und 18 befestigt sind. Nachdem
das Drucköl das in Richtung der Pfeile 29 und 30 sich drehende Zahnradpaar durchflossen
hat und dabei auf das im Kühler 5 herrschende Druckniveau entspannt worden ist,
tritt es durch den Kanal 35 in die Bohrung 24 und von hier über die Leitung 9 in
den Kühler 5.
-
F i g. 6 zeigt den Pumpenteil. Die Welle 18, die durch das Zahnradpaar
16,17 angetrieben wird, treibt die Zahnräder 19 und 20 an. Die noch zusätzlich erforderliche
Leistung infolge der Verluste durch Schlupf und Reibung wird über den Zapfen 33
der Welle 18 von außen her zugeleitet. Das Drucköl, das von dem Kühler über die
Bohrung 25 in den Kanal 27 tritt, wird durch das Zahnradpaar 19, 20, das sich in
Richtung der Pfeile 31 und 32 dreht, auf das in
dem Triebwerk herrschende
Druckniveau gebracht und tritt über den Kanal 28 und die Bohrung 26 über die Leitung
11 in das Triebwerk ein.
-
Die Leistung des Pumpenteils wird bis auf wenige Prozent von dem Motorteil
aufgebracht. Lediglich die dem Schlupf im Motor- und im Pumpenteil und die der Lagerreibung
entsprechende Verlustleistung muß von außen her zugeführt werden. Die Umwälzeinrichtung
erfüllt also die beiden an ihn gestellten Forderungen: Erstens wird in jedem Augenblick
dem Triebwerk das gleiche Ölvolumen zu- und abgeführt, zweitens bleibt der größte
Teil der potentiellen Energie des zu kühlen Drucköles erhalten.
-
Wie aus dem Diagramm der F i g. 2 ersichtlich ist, ändern sich bei
einem hydrostatischen Triebwerk, das beispielsweise von einem Verbrennungsmotor
angetrieben wird, die Drücke, über den Rotorwinkel gesehen, erheblich. In F i g.
2 schwanken sie zwischen etwa 5 atü und 175 atü. Wie weiter gezeigt wurde, ist der
Schlupf der Zahnradpaare auf der Motorseite und der Pumpenseite als Verlustleistung
zu werten. Der Schlupf ist abhängig von dem Druckunterschied vor und hinter den
Zahnradpaaren. Es muß also danach getrachtet werden, den Schlupf so klein wie möglich
zu halten.
-
Zu diesem Zweck werden die in F i g. 2 aus den Kurvenzügen 12 und
13 zu ersehenden Druckspitzen abgeschnitten. Hierzu wird mittels eines nicht dargestellten
und durch den Druck selbst gesteuerten Schiebers die vom Triebwerk kommende Leitung
8, die in die Bohrung 23 einmündet, und die zum Triebwerk führende Leitung 11, sobald
ein bestimmter maximal zulässiger Druck erreicht wird, derart kurzgeschlossen, daß
der Zahnradmotor und die Zahnradpumpe durch die Kurzschlußleitung miteinander verbunden
und vom hydrostatischen Triebwerk abgetrennt werden. Mit dem Schieber wird also
gleichzeitig die aus dem Pumpenteil kommende Ölmenge, die nicht mehr in das Triebwerk
gedrückt wird, in die Leitung 23 des Motorteils der Umwälzeinrichtung geleitet.
Das von den beiden Zahnradpaaren umgewälzte Öl kreist nun nur noch zwischen dem
Kühler und der Umwälzeinrichtung. Sobald jetzt der Druck im Triebwerk wieder unter
den vorher festgelegten, maximal zulässigen Druck abfällt, springt der Schieber
in seine ursprüngliche Lage zurück, und der Ausgangszustand ist wieder hergestellt.
-
Bei einem Druck von beispielsweise 20 atü ist der Schlupf einer Zahnradpumpe
nur etwa 2 Prozent, dagegen beträgt er bei einem Druck von 175 atü vielleicht schon
10 Prozent und mehr. Das Abschneiden der Druckspitzen verringert also wesentlich
die Verlustleistung.