-
Rydrostatflsche Schaltkupplung mit veränderlichem Anlaufdrehmoment"
Die Erfindung bezieht sich auf hydrostatische Schaltkupplungen mit veränderlichem
Anlaufdrehmoment. Bei bekannten hydraulischen Schaltkupplungen, die auch als Anlaufkupplungen
und Sicherheit skupplungen Verwendung finden, hängen Fllnktion und übertragene Leistung
in hohem Maße von der eingeleiteten Drehzahl ab. Demgemäß ist bei ihrer Anwendung
hinter einer Kraftmaschine mit konstanter Drehzahl eine Veränderung der Ubertragenen
Leistung nicht möglich. Auch beim regelbaren Drehmomentwandler, dessen Leistung
durch Hinzufüliren oder Abführen von Druckflüssigkeit beeinflußt werden kann, ist
eine Veränderung der übertragenen Leistung meistens nur im Bereich der zugrundegelegten
maximalen Drehzahl der Kraftmaschine möglich. Die bekannten Drehmomentwandler entsprechen
deshalb nicht allen Forderungen der Antriebstechnik, insbesondere sind sie als Anlaufkupplungen
hinter Kraftmaschinen mit niedriger Drehzahl und großer Leistung kaum anwendbar,
weil sie dazu unerwünscht große Abmessungen haben müßten.
-
Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer hydrostatischen Jchal-tkupplung,
deren Drehmoment unabhängig
von der Drehzahl der Kraftmaschine in
weiten Grenzen unter Einschluß der Bereiche niedrigster Drehzahlen stufenlos regelbar
ist und die sich deshalb beispielsweise als Anlaufkupplung auch hinter Kraftmaschinen
mit konstanten Drehzahlen besonders eignet.
-
Bei einer hydraulischen Wellenkupplung mit veränderlichem Drehmoment
erreicht die Erfindung dieses Ziel prinzipiell durch die Verwendung einer Flüssigkeitspumpe
mit zwei zu ihrem Betrieb gegeneinander verdrehbaren Teilen als Kupplungsglied zwischen
der an einen Teil anschließbaren treibenden und der an den anderen Teil anschließbaren
getriebenen Welle sowie dadurch, daß die Druckseite der Pumpe an den als allseitig
geschlosseiner Druckflüs sigkeitsbehälter ausgebildeten Gehäuseraum über ein Regelventil
mit von außen veränderlichem Durchlaßquerschnitt angeschlossen ist.
-
Zur Erläuterung der Erfindung dienen mehrere in der Zeichnung schematisch
dargestellte Ausführungsbeispiele für den Gegenstand der Erfindung. Die gezeichneten
Ausführungsbeispiele unterscheiden sich im wesenilichen durch die Art der zur Verwendung
gelangenden Lelüssigkeitspumpen und die sich aus ihrer Bauart und Arbeitsweise ergebenden
Anpassungen an den Zweck der Erfindung.
-
In der Zeichnung zeigen Fig. 1 im Iängsschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel
für eine Kupplung nach der Erfindung mit einer Axialkolbenpumpe, b . 2 eine abgewandelte
Ausführungsforin der Kupplung nach L^'ig. 1 gleichfalls im Längsschnitt}
Fig.
3 einen Querschnitt durch die Kupplung nach Fig. 2 im Zuge der Linie A -Fig. 4 Querschnitte
der gleichen Kupplung im Zuge der linien B - B, C - C, D -Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel
im Längsschnitt mit einer Hadialkolbenpumpe, Fig. 6 einen Querschnitt im Zuge der
Linie A - A der Fig. 5, Fig. 7 ein viertes Ausführungsbeispiel mit einer Zahnradpumpe
in einer Achsebene geschnitten, Fig. 8 einen Querschnitt der gleichen Kupplung im
Zuge der Linie A - A der Fig. 7, Fig. 9 einen weiteren Achsschnitt im Zuge der Linie
B - B der Fig. 8.
-
Sämtliche Ausführungsbeispiele stimmen darin überein, daß die jeweils
verwendete Pumpe Flüssigkeit aus dem als allseitig geschlossener Druckflüssigkeitsbehälter
ausgebildeten Pumpengehäuse in das gleiche Gehäuse fördert, und die Öffnungen, über
die die Druckseite der Pumpe an den Gehäuseraum angeschlossen ist, als einstellbares
Regelventil mit von außen veränderlichem Durchlaßquerschnitt ausgebildet ist, sowie
darin, daß einer der beiden zum Betrieb der Pumpe gegeneinander verdrehbaren Pumpenteile
an die treibende und der andere Pumpenteil an die getriebene Welle anschließbar
ist.
So lange die Pumpe der eine Arbeitsmaschine mit einer Kraftmaschine verbindenden
Kupplung die aus dem Gehäuseraum angesaugte Flüssigkeit an diesen ohne Drosselung
wieder abgibt, findet offensichtlich keine Kraftübertragung zwischen den Wellen
der miteinander gekuppelten Maschinen statt; denn die von der Pumpe praktisch widerstandslos
geförderte Flüssigkeit übt auf den mit der Arbeitsmaschine verbundenen Pumpenteil
nur ein vernachlässigbar kleines Drehmoment aus. Dieses Drehmoment nimmt jedoch
zu, je mehr der Förderstrom durch Verkleinern der Auslaßöffnung gedrosselt wird,
bis bei völligem Absperren der Auslaßöffnung dieses Moment unendlich groß ist und
die beiden Pumpenteile über die Druckflüssigkeit praktisch starr miteinander verbunden
sind. Aus dieser Funktion der Pumpe ergibt sich die gewünschte zunächst allmählich
zunehmende nachgiebige und schließlich volle Mitnahme der ange triebenen Maschine
durch die treibende Maschine über die sie verbindende Kupplung. Das gilt auch für
eine mit konstanter Drehzahl angetriebene Pumpe.
-
In den gezeichneten Ausführungsbeispielen besteht das den Querschnitt
der von radialen Bohrungen einer Hohlwelle oder Hohlachse gebildeten Auslaßöffnungen
der Pumpe stufenweise oder stufenlos verändernde Regelglied aus einer im Bereich
dieser Bohrungen auf der Weile oder Achse axial verschieblichen durch das Eupplungsgehäuse
dicht nach außen geführten Büchse, die mit Hilfe eines außen ortsfest gelagerten,
mit Nocken' an einem gabelförmigen Ende in eine Ringnut eines auf dem äußeren Ende
der BUchse sitzenden Stellrings eingreifenden doppelarmigen Stellhebels verschoben
werden kann, Selbstverständlich sind auch andere Ausführungen
und
Betätigungsarten des Regelventils möglich.
-
Da bei allen Ausführungsbeispielen damit gerechnet werden muß, daß
die das Kupplungsgehäuse unter Umständen nicht völlig ausfüllende Druckflüssigkeit
beim Betrieb der Kupplung durch die Schleuderwirkung des mit umlaufenden Gehäuses
oder umlaufender Pumpenteile an die Gehäusewand verdrängt wird, sind die Ansaugöffnungen
der Pumpe durchweg radial gerichtet und nahe genug an der Kupplungsgehäusewand angeordnet.
-
Der Wirkungsgrad der den Gegenstand der Erfindung bildenden Kupplung
ist außerordentlich hoch. Er wird lediglich verringert durch Beckverluste im FlUssigkeitsumlauf,
die sich bei Kolbenpumpen mit guter Dichtigkeit bis auf 1% verringern lassen Anderseits
bedeuten gleitende und rollende Reibung sowie Hafteffekte zwischen gegeneinander
beweglichen Teilen der Kupplung, auch soweit sie durch Kolbenverkantungen udgl.
verstärkt sind, infolge der erfindungsgemäßen Anwendung der Pumpe keinen Verlust,
sondern Gewinn an Ubertragener Leistung, Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1
ist die Verbindung des eine Axialkolbenpumpe enthaltenden Kupplung gehäußes 1, über
dessen Stirndeckel 2 an eine Antriebsmaschine mittels Schrauben vorgesehen. Diese
Maschine treibt mit dem Gehäuse 1 auch die mit dem Gehäuse deckel 2 fest verbundene
Schrägscheibe 3 der Pumpe an.
-
Anderseits ist die mit dem Zylinderblock 4 über den damit verschraubten
Ventilblock 5 verbundene Antriebs-.
-
welle 6 zum Anschluß an eine Arbeitsmaschine bestimmt.
-
Der vom Gehäuse 1 und dem Deckel 2 allseits dicht umschlossene
Raum
ist nahezu völlig mit DruckflUssigkeit gefüllt. Beim Drehen der Schrägscheibe 3
mit dem Gehäuse 1 gegenüber dem zunächst durch die Arbeitsmaschine festgehaltenen
Zylinderblock 4 wird von den jeweils durch Druckfedern, 8 auswärts bewegten Hohlkolben
7 durch die Kolbenwandbohrungen 10, den Ringraum 11 und die Bohrungen 12 über das
Ansaugventil 13 unter Anheben der Ventilplatte 13a gegen die Schließfeder 13b Druckflüssigkeit
aus dem Gehäuseraum in den Zylinderraum 9 hinter dem auswärts gehenden Kolben 7
eingesaugt. Anderseits wird von den jeweils durch die Schrägscheibe in den Zylinderblock
4 eingeschobenen Kolben 7 Druckflüssigkeit ausden zugeordneten Zylinderräumen 9
durch die Bohrungen 14, 15, 16 mit dem RUckschlagventil 17 in den hohlen die Antriebswelle
6 bildenden außen dichtTJerschllosSenen Achszapfen des Ventilblocks 5 gedrückt,
von wo aus sie durch die radialen Auslaßbohrungen 18 in den Gehäuseraum zurückgelangt.
-
Die in achsparallelen Reihen angeordneten Auslaßbohrungen 18 können
nacheinander durch eine Steuerbüchse 19 überdeckt werden, die auf der Abtriebswelle
6 axial verschiebbar und mit dieser gemeinsam über ein Nadellager 20 im Gehäuse
1 gelagert ist. Zum Verstellen der Steuerbüchze 19 dient ein außen ortsfest gelager-ter
doppelarmiger Schwenkhebel 21» der mit seinem einen gegabelten Ende in eine Ringnut
des auf dem äußeren Ende der Steuerbüchse 19 sitzenden Stellrings 19a eingreift.
-
Die Steuerbüchse 19 kann auf der Welle 6 über durch Federn 22 belastete
Kugeln 23 und im axialen Abstand
der Auslaßbohrungen 18 angeprdnete
Ringnuten 24 in verschiedenen Stellungen verrastet werden. Diese Stellungen entsprechen
den Stellungen 2, I, II und III des Schwenkhebels 21.
-
Sieht man anstelle der in achsparallelen Reihen angeordneten Auslaßbohrungen
18 Langlöcher (vgl. Fig. 7) vor, und macht man die Büchse 19 kontinuierlich verschiebbar
und den Schwenkhebel 21 in beliebigen Stellungen feststellbar, so ist eine stufenlose
Veränderung des Durchlaßquerschnitts der Auslaßöffnungen möglich.
-
Druckflüssigkeitsverluste durch den Spalt zwischen der Abtriebswelle
6 und der Steuerbüchse 19 verhindert eine Ringdichtung 25.
-
Die vom angetriebenen Gehäuse 1 auf die Abtriebswelle 6 übertragene
Leistung ist davon abhängig, wie viele der Auslaßbohrungen 18 von der Steuerbüchse
19 überdeckt sind. Sind durch sie alle Öffnungen verschlossen, sind die Schrägscheibe
3 und der Zylinderblock 4 über die Kolben 7 und die-im Zylinderblock 4 eingeschlossene
Druckflüssigkeit praktisch festgekuppelt, so daß die Drehbewegungen des Gehäuses
1 auf die Abtriebswelle 6 annähernd im Verhältnis 1 : 1 übertragen werden. Dieses
Verhältnis verringert sich lediglich durch die Druckmittelverluste an den Kolben
und an der Steuerbüchse 19.
-
Zur Verhinderung unerwünschten Überdrucks durch Wärmeausdehnung der
Druckflüssigkeit ist das Uberdruckventil 26 vorgesehen, das den Gehäuseraum ins
Freie öffnet.
-
Ein weiteres - einstellbares - Uberdruckventil 27 mit Feder 27a in
den Verbindungskanälen 28a bis d zwischen
der Druckseite der Pumpe
und dem Gehäuseraum dient einer allenfalls gewünschten Leistungsbegrensung.
-
Mit dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es möglich, auch bei
niedrigsten Drehzahlen die volle Leistung der Kraftmaschine auf die mit der Abtriebswelle
verbundene Arbeitsmaschine zu übertragen. Arbeitsweise und Wirkung der Kupplung
sind unabhängig vom Drehsinn und auch von der Anordnung der Kupplung zwischen den
Maschinen.
-
Bei der Kupplung nach den Fig. 2 bis 4 steht das Gehäuse 1' fest.
Demzufolge ist die Schrägscheibe 3' mit einer in einer Gehäusestirnwand 1'a gelagerten
und durch sie nach außen geführten Welle 36 drehfest verbunden, dc hier aus noch
anzugebenden Gründen die Abtriebswelle der Kupplung bildet. Die gegenüberliegende
Strnwand 1'b enthält das Lager für Antriebswelle 31, die den Zylinderblock 4' antreibt.
Die Zylinderräume 9' sind hier mit dem Gehäuseraum ni,cfrb über Sin- und Auslaßventile
sondern über einen üblichen Steuerspiegel 31 (vgl. auch Fig, 3) verbunden, dessen
Steuernieren 31a und 31b die Zylinderraume 9? abwechselnd mit Je einer Gruppe von
Ansaugöffnungen 32 und Auslaßöffnungen 35 verbinden, die beide hier nicht unmittelbar
in den Behälterraum sondern in einen Ringraum 34 münden, den ein Ansatz 19'b der
Steuerbüchse 19' mit dem von ihr umschlossenen Steuerspiegel 31 bildet, Der hier
im Gehäuse 1' gelagerte Schwenkhebel 21 greift in eine Nut 19'a eins die unmittelbar
in die Steuerbüchse 19 eingeschnitten ist.
-
Zur Deckung der hier größeren unvermeidlichen Druckmittelverluste
ist eine Speisepumpe 35 vorgesehen, deren Gehäuse am Kupplungsgehäusedeckel i'b
befestigt ist und die Druckflüssigkeit aus dem unteren Teil des lcupplungsgehäuseraums
über einen radial abwärts gerichteten Saugkanal 35a entnimmt und durch ihre achsparallele
Auslaßbohrung 35b über einen Ringraum 37 sowie eine achsparallele Bohrung 38 im
Steuerspiegel in dessen mit der Ansaugöffnung 32 verbundene Steuerniere 31 einspeist,
Der Ringraum 97 zwischen dem Gehäuse der Speisepumpe und der ihr zugewandten Stirnfläche
des Steuerspiegels 31 ist gegen den Kupplungsgehäuseraum durch einen Dichtring 57a
abgeschlossen, der sich vom Speisepumpengehäuse 35 in eine zylindrische Ausnehmung
an der Stirnseite des Steuerspiegels 31 erstreckt. Gegen den Dichtring 37a stützt
sich eine Tellerfeder 38' ab, die über den Steuerspiegel 31 und eine den Zylinderblock
34 mit Abstand umgebende Büchse 39 den die Schrägscheibe 3t tragenden Flansch 36a
der Abtriebswelle 36 gegen den Innenring des Lagers dieser Welle 36 drückt.
-
Aufbau und Wirkungsweise der als Innenzahnradpumpe ausgebildeten Speisepumpe
ergeben sich im einzelnen aus Fig. 4.
-
Das Innenzahnrad 40 der Speisepumpe ist auf der Antriebawelle 30 mittels
Stifts 40a befestigt. Bei Drehung der Welle in ltichtung des Pfeils nimmt das Zahnrad
40 den mit ihm verzahnten exzentrisch zur Aehse der Welle 30 im Speisepumpengehäuse
35 frei drehbaren
Außenring 41 mit. Der sichelförmige Raum zwischen
Zahnrad und Außenring ist durch die Trenninsel 42 in zwei Teilräume unterteilt,
von denen der in Drehrichtung vor der Insel 42 liegende Raum des Saugraums 45 und
der hinter der Insel liegende Raum den Druckraum 44 bildet.
-
Der Saugraum 43 steht über die Bohrungen 35c mit dem von einer Gehäusebohrung
gebildeten Ansaugkanal 35a in Verbindung, während von dem Druckraum 44 Auslaßbohrungen
35b in den Ringraum 37 führen.
-
Die zwischen den Zähnen des Zahnrads 40 und des Außenrings 41 an der
Insel entlang beförderte Druckflüssigkeit erzeugt im Raum 43 vor der Insel 42 den
gewünschten Unterdruck und im Raum 44 hinter der Insel den erstrebten Überdruck.
Im Überschuß von der Speisepumpe geförderte Druckflüssigkeit wird durch die Bohrungen
45 und 46 über ein Rückschlagventil 47 in den Gehäuseraum zurückgeführt.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 2 bis 4 ist die Speisepumpe
bewußt von der Antriebswelle 36 angetrieben, damit sie auftretende Druckmittelverluste
unabhängig von der jeweiligen Drehzahl der Abtriebswelle deckt.
-
Auch die Kupplung nach Fig. 2 kann wahlweise in beiden Drehrichtungen
betrieben werden, sofern man dafür sorgt, daß die Räume der Speisepumpe mit den
zugeordneten Steuernieren über entsprechend angeordnete Rückschlagventile verbunden
sind.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 findet fUr den Zweck der Erfindung
eine Radialkolbenpumpe Verwendung.
-
Ili.er sind mit der Antriebswelle 50 durch einen Keil 1
der
Deckel 2" des Gehäuses -1", sowie über einen. Keil 52 die Doppelexsenterscheibe
53 drehfest verbunden.
-
Der Zylinderblock 54 ist einerseits über Kugellager 55 auf der Antriebswelle
50, anderseits mit einem zentrischen, zugleich die Abtriebswelle 56 bildenden Achszapfen
gemeinsam mit der darauf axial verschieblichen Steuerbüchse 23" über ein Nadellager
57 im Gehäuse 1" gelagert.
-
Die im Zylinderblock 54 geführten Radialkolben 58 werden durch die
Kolbenfedern 58a über Gleitschuhe 60 mit dem Doppelexzenter 53 in steter Anlage
gehalten. Druckflüssigkeit wird von den jeweils gegen die Welle 50 bewegten Kolben
58 aus dem Gehäuseraum durch je einen von mehreren Bohrungen gebildeten Ansaugkanal
61 mit dem Rückschlagventil 62 in die einzelnen Zylinderräume 59 angesaugt, und
von den jeweils entgegengesetzt bewegten Kolben aus den Zylinderräumen 59 durch
den ~anal 63, das Rückschlagventil 64 sowie den gleichfalls aus mehreren Bohrungen
bestehenden Druckkanal 65 65 zu den Auslaßöffnungen 66 im hohlen, nach außen abgedichteten
Achszapfen 56 gedrückt und über diese in den Gehäuseraum zurückgeführt. Die Beeinflussung
des Auslaßquerschnitts erfolgt mit Hilfe der Steuerbüchse 23, des Stellrings 23"a
und des Schwenkhebels 21 in der bei den vorbeschriebenen Ausführungen gezeigten
Weise.
-
Auch hier ist der Wärmeausdehnung der Druckflüssigkeit durch ein ins
Freie öffnendes ?;Uckschlagventil 25' Rechnung getragen, und die Möglichkeit einer
Beeinflussung der zu übertragenden Leistung durch zwei einstellbare in den Gehäuseraum
öffnende Uberdruckventile 26' geschaffen.
-
Die Wirkung der Kupplung hinsichtlich der-Eräfteübertragung zwischen
den durch sie verbundenen Wellen ist die gleiche wie bei den zuvor beschriebenen
Ausführungsbeispielen Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 7 bis 9 findet
eine Zahnradpumpe Verwendung. Die mittels eines Keiles 97 an eine Kraftmaschine
anschließbare Antriebswelle 70 ist durch einen Keil 71 drehfest mit dem Deckel 2'''
des Kupplungsgehäuses 1''' sowie durch einen Keil 72 mit dem mittleren Zahnrad 77
von insgesamt drei mit ihren Achsen in einer Ebene liegenden Pumpenzahnrädern verbunden.
Die beiden äußeren Zahnräder 78, 79 sind im Pumpenblock 74 frei drehbar über Nadellager
73 auf Achsbolzen 75 gelagert. Der Pumpenblock 74 ist auf iXdellagern 80 um die
Antriebswelle 70 drehbar und wie die Zylinderblöcke der bereits beschriebenen Ausführungsbeispiele
zusätzlich über einen zentralen, zugleich die Abtriebswelle 76 bildenden Achszapfen
gemeinsam mit der darauf axial verschiebbaren Steuerbüchse 23 H über ein Nadellager
81 im Kupplungsgehäuse 1 t gelagert. Bei durch die Antriebswelle 70 in dem zunächst
über die Abtriebswelle 76 durch die Arbeitsmaschine festgehaltenen Pumpenblock 74
gedrehten Zahnrad 77 wird von diesem sowie von den beiden mit ihm kämmenden äußeren
Zahnrädern 78, 79 DruckSlüssigkeit aus dem Gehäuseraum durch die Bohrungen 82 und
83 angesaugt und teils in die Bohrungen 84, teils in die Bohrungen 85 gedrückt,
von wo es durch die achsparallelen Bohrungen 86, 87 sowie die Radialbohrungen 89,
90 in den hohlen Achszapfen 76 und von dort über die Auslaßöffnungen 88 in den Gehäuseraum
zurückgelangt.
Wird durch Drosselung des Durchlaßquerschnitts der Öffnungen 88 durch die Steuerbüchse
25 der Strömungswiderstand der von der Pumpe geförderten Druckflüssigkeit erhöht,
beginnen die Außenzahnräder 78, 79 unter Mitnahme des Pumpenblocks 74 sich um das
mittlere Zahnrad 77 zu drehen, wobei auch über die Abtriebswelle 76 die Arbeitsmaschine
angetrieben wird, bis bei völligem Verschließen der Auslaßöffnungen 88 schließlich
die Druckmittelförderung durch die Pumpe völlig aufhört und die Außenzahnräder 78,
79 ohne eigene Drehung um ihre Achsen vom mittleren Zahnrad 77 mitgenommen und infolgedessen
auch der Pumpenblock 74 und die Abtriebswelle 76 mit der gleichen Geschwindigkeit
gedreht werden wie die Antriebswelle 70,