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-Hydrostatisches Getriebe für Schiffsantriebe0 Die Erfindung betrifft
ein hydrostatisches Getriebe für Schiffsantriebe mit wenigstens einer von einem
Antriebsmotor des Schiffes angetriebenen hydraulischen Pumpe und wenigstens einem
mit dem von der Pumpe gelieferten Hydraulikmedium beaufsohiagbaren, mit dem Schraubenantrieb
des Schiffes gekoppelten hydraulischen Axialkolben-Motor.
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Hydrostatische Getriebe haben sich in den letzten Jahren in zunehmendem
Maße für eine Vielzahl von Anwendungsfällen durchgesetzt, wobei insbesondere die
Möglichkeit der einfachen stufenlosen Regelung für die Wahl dieser Getriebe ausschlaggebend
ist. Ein solches Getriebe weist wenigstens eine fördermengenveränderliche hydraulische
Pumpe und wenigstens einen mit dieser verbundenen Hydraulikniotor auf, wobei für
Getriebe zur Übertragung und Kennungswandlung höherer Leistungen heute überwiegend
im geschlossenen Kreislauf zusammengeschaltete Axialkolbenmas chinen als Pumpen
und Motoren Verwendung finden. Bei diesen Maschinen sind in einem drehbaren Zylinderblock
mehrere Kolben konzentrisch zur Drehachse angeordnet, wobei die Hubbewegung der
Kolben bei dor Drehung des Zylinderblocks
durch Anlenkung ihrer
aus dem Zylinderblock vortretenden Enden an einem bezüglich seiner Drehachse zur
Drehachse des Zylinderblocks unter einem Winkel angestellten, die Antriebs- bzw.
Abtriebswelle tragenden Triebflansch erzeugt wirdv der wegen der Schrägstellung
zum Zylinderblock auch als Schrägscheibe bezeichnet wird. Aus kinematischen Gründen
ist die Größe des Schrägungswinkels beschränkt und kann bei fördermengenveränderlichen
Einheiten durch Verschwenken des Zylinders auf beliebige Winkel zwischen O und dem
maximalen Schrägungswinkel verändert werden, wodurch sich der Kolbenhub proportional
von 0 bis zum maximalen Hub ändert. Wegen der relativ geringen Schrägungswinkel
sind in derartigen Maschinen die keinen Beitrag zum Antrieb der Maschine liefernden,
in Axialrichtung wirkenden Komponenten der hydraulischen Kräfte im Vergleich zu
den das Antriebsmoment erzeugenden Umfangskomponenten relativ groß, so daß das diese
axialen Blindkräfte aufnehmende, in der Regel als Wälzlager ausgebildete Längsläger
hoch belastet ist. Die Lebensdauer dieser Einheiten hängt also - wie auch die Praxis
zeigt - in hohem Maße von der Beanspruchung dieses Längslagers abO Dsr Erfindung
liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schiffsantrieb unter Verwendung eines hydrostatischen
Getriebes als Kennungswandler zwischen Antriebsmotor und Schraube anzugeben, bei
dem die Getriebe-Lehensdauer dadurch erhöht wird, daß die Beanspruchungen des Längslagers
des Axialkolben-Motors wesentlich verringert wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Schraube
des anzutreibenden Schiffes derart mit der Welle des Axialkolben-Motors gekoppelt
ist, daß die bei Vorwärtsfahrt des Schiffes von der angetriebenen Schraube
erzeugte
Schubkraft axial auf die Welle des Axialkolben-Motors einwirkt. Da die Schubkraft
der Schraube der auf -das Längslager des Axialkolben-Motors wirkenden Axialkomponente
der hydraulischen Kräft entgegengesetzt ist und einer Schuberhöhung auch eine Drucksteigerung
im Arbeitskreislauf - und'umgekehrt - entspricht, wird also eine Entlastung des
gefährdeten Längslagers dadurch erreicht, daß die Schubkraft der Schraube nicht
mehr - wie bisher üblich - über ein am Schiffskörper vorgesehenes Längslager auf
das Schiff übertragen wird. Vielmehr wirkt die Schubkraft auf die Antriebswelle
des Axialkolben-Motors und wird von dieser auf den Triebflansch der Einheit übertragen,
wobei eine Lagerentlastung erreicht wird. Es ist klar, daß die über die Kolben des
Motors auf den Zylinderblock und von diesem über den Steuerspiegel auf das Gehäuse
übertragene Schubkraft dann durch eine entsprechend starre Lagerung des Motors am
Schiffskörper auf diesen weiterübertragen werden muߢ Die Koppelung der Schraube
mit der Welle des Axialkolben-Motors kann dabei so erfolgen, daß die Welle der Schraube
abgedichtet, jedoch längsverschieblich durch den Schiffskörper geführt und an ihrem
inneren Ende mit der Welle des Axialkolben-Motors gekuppelt ist.
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Vorzugsweise wird der Axialkolben-Motor jedoch von der zugehörigen
Pumpe weggebaut und über Leitungen mit der Pumpe verbunden, wobei die Anordnung
des Axialkolben-Motors so getroffen werden kann daß wenigstens seine Antriebswelle
aus dem Schiffskörper nach außen vorsteht, so daß die Schraube unmittelbar auf der
Antriebswelle des Axialkolben-Motors befestigt werden kann.
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Andererseits'kann der Axialkolben-Motor auch in einer am Schiffskörper
befestigten, gekapselten und in der Form entsprechend strömungsgünstig ausgebildeten
Gondel
angeordnet sein0 Auch die Anordnung des Axialkolben-Motors
im Ruderblatt des Schiffs nach Art eines Aktiv-Ruders ist möglich.
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Ganz allgemein kann festgehalten werden, daß die aufgelöste Bauweise
des hydrostatischen Getriebes mit von der Pumpe weggebautem Axialkolben-Motor neben
der Möglichkeit der direkten Anordnung der Schraube auf der Abtriebswelle des Motors
weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ermöglicht, die speziell bei Schiffsantrieben
erwünscht sind.
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So kann der Antriebsmotor mit der an ihn angeflanschten Pumpe ohne
Rücksicht auf die Lage der Schraubenwelle an der statisch und räumlich für das Schiff
am günstigsten Stelle angeordnet werden, wobei er auch ohne Rücksicht auf die Lage
der Schraubenwelle horizontal ausgerichtet werden kann, was für die einwandfreie
Funktion des Schmierölkreislaufs des Antriebsmotors wesentlich sein kann0 Infolge
der stufenlosen Drehzahl-Regelungsmöglichkeit des hydrostatischen Getriebes bietet
der Antrieb außerdem die Möglichkeit, den Verbrennungsmotor mit konstanter Drehzahl
in seinem optimalen Arbeitsbereich zu fahren, in dem Brennstoffverbrauch, abgegebene
Leistung, Lebensdauer, Geräuschentwicklung und Abgasverhältnisse optimal sind. Die
Möglichkeit der Konstanthaltung der Drehzahl des Antriebsmotors hat dann wieder
den Vorteil, daß ein Wechselstromgenerator für die Stromversorgung des Schiffes
direkt mit dem Antriebsmotor des Schiffs koppelbar ist0, wobei infolge der konstanten
Drehzahl des Antriebsmotors auch die Konstanz der Frequenz des erzeugten Wechselstroms
sichergestellt wird.
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Mit besonderem Vorteil werden hydrostatische Getriebe bei Schiffen
mit Doppelschraubenantrieb und jeweils
einem eigenen Antriebsmotor
für jede Schraube eingesetzt. Dann bietet sich eine Ausgestaltung des hydrostatischen
Getriebes derart an, daß jedem Schraubenantrieb ein separates, im geschlossenen
Kreislauf arbeitendes hydrostatisches Getriebe zugeordnet wird, und daß die hydraulischen
Arbeitskreisläufe der beiden Getriebe durch Verbindungsleitungen und in diese und
die Zweige der Arbeitskreisläufe geschaltete egeventile voneinander trennbar und
miteinander verbindbar sind, so daß die Axialkolben-Motoren wahlweise jeweils von
der ihnen zugeordneten Pumpe oder bei Stillsetzen eines Antriebsmotors gemeinsam
von der Pumpe des zweiten Antriebsmotors mit Hydraulikmedium beaufschlagbar sind.
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Für Langsamfahrten mit geringer Antriebsleistung kann also ein Antriebsmotor
des Schiffes stillgesetzt werden, wobei die beiden Kreisläufe des hydrostatischen
Getriebes hydraulisch so zusammengeschaltet werden, daß die Pumpe des weiterlaufenden
Antriebsmotors beide Axialkolben-Motoren speist. Hierbei wird gleichzeitig hydraulisch
die Drehzahl der Abtriebswellen der Axialkolben-Motoren und damit die Drehzahl der
Schrauben um die Hälfte herabgesetzt. Der nunmehr beide Schrauben antreibende Antriebsmotor
ist relativ höher und damit in einem günstigeren Betriebsbereich beansprucht, als
wenn beide Motoren mit entsprechend verringerter Last angetrieben würden.
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Als besonders vorteilhaft hat sich bei einem derartigen Doppelschraubenantrieb
mit zwei getrennten hydraulischen Arbeitskreisläufen eine Ausgestaltung des hydrostatischen
Getriebes mit wenigstens einer gemeinsam mit der Primärpumpe angetriebenen Hilfspumpe
für jeden Kreislauf zur Lieferung von unter Druck stehendem Hydraulikmedium für
Steuerzwecke erwiesen, wobei die hydraulische Verbindung der beiden Arbeitskreisläufe
so getroffen ist, daß die sie über die Verbindungsleitungen verbindenden Wegeventile
als vom Druck des
Hydraulikmediums der zugeordneten Hilfspumpe hydraulisch
betätigte Ventile ausgebildet und federnd in eine Stellung vorgespannt sind, in
der sie jeweils eine Verbindung zwischen dem Axialkolben-Motor des Arbeitskreislaufs,
in dem sie angeordnet sind, und dem zweiten hydraulischen Arbeitskreislauf herstellen,
während der Druck des von der zugeordneten Hilfspumpe gelieferten Hydraulikmediums
die Ventile entgegen der Vorspannstellung in eine Stellung überführt, in der die
Pumpe und der Axialkolben-Motor des zugeordneten Arbeitskreislaufs miteinander verbunden
sind, jedoch keine Verbindung zum jeweils anderen Arbeitskreislauf besteht.
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Wenn beide Antriebsmotoren des Schiffs laufen, werden also auch beide
Primärpumpen des hydrostatischen Getriebes und damit auch die beiden Hilfspumpen
zur Erzeugung des Steuerdrucks angetrieben. Die hydraulisch betätigten Wegeventile
werden durch diesen Steuerdruck in eine Stellung verschoben, in der die beiden Arbeitskreisläufe
voneinander getrennt sind. Wird nun aber ein Antriebsmotor stillgesetzt oder bleibt
infolge eines Defektes stehen, steht auch die Hilfspumpe still und die hydraulische
Betätigung der dieser Pumpe zugeordneten Ventile wird drucklos, Die federnde Vorspannung
verschiebt diese Ventile dann in die Stellung, in welcher der dem nunmehr stillgesetzten
Antriebsmotor zugeordnete Axialkolben-Motor vom hydraulischen Kreislauf des zweiten
Antriebsmotors gespeist wird. Die Umschaltung erfolgt also selbsttätig und vollautomatisch.
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Um die beiden Schrauben auch bei Antrieb von nur einem Antriebsmotor
aus wahlweise auch in unterschiedlichen Drehrichtungen antreiben zu können, können
in erfindungsgemäß er Weiterbildung in die Verbindungsleitung zwischen
den
Arbeitskreisläufen Wechselventile geschaltet sein, welche die Strömungsrichtung
des Hydraulikmediums in den Verbindungsleitungen zu vertauschen gestatten.
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Die Erfindung ist in der nachstehenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele
anhand der Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt bzw. zeigen: Fig. 1 eine schematische
Teilschnittansicht durch einen hydraulischen Axialkolben-Motor der für das hydraulische
Getriebe vorgesehenen Art und eine Schraube eines Schiffs zur Veranschaulichung
der bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung auf das Längslager des Axialkolben-Motors
einwirkenden Kräfte; Fig. 2 eine schematische Ansicht einer außenbords am Schiffskörper
befestigbaren Gondel zur Aufnahme des Axialkolben-Motors, wobei die Schraube direkt
auf der Abtriebswelle des Axialkolben-Motors angeordnet ist; Fig. 3 ein Aktiv-Ruder,
bei dem der Schraubenantrieb über einen im Ruder angeordneten Axialkolben-Motor
mit direkt auf der Abtriebswelle aufgesetzter Schraube erfolgt; und Fig. 4 a und
4 b hydraulische Schaltpläne jeweils eines Arbeitskreislaufs eines hydrostatischen
Getriebes für einen DoppelschraubenantriebO Fig. 1 zeigt oben eine Teilschnittansicht
eines Axialkolben-Motors 10, der in einem strichpunktiert angedeuteten Querschott
12 eines Schiffs eingebaut sei, und mit dessen Abtriebswelle 14 die Schraubenwelle
16 einer Schiffsschraube 18 so gekoppelt sei, daß der beim Antrieb der Schraube
18 erzeugte Schub direkt auf die Abtriebswelle 14 übertragen werde. Die Abtriebswelle
14 ist mit Kugellagern 22 und 24 im Gehäuse 20 des Axialkolben-Motors 10 drehbar
gelagert und an ihrem gehäuseinneren Ende mit einem Triebflansch 26 versehen, an
dem die Kolbenstangen 28 einer Reihe von Kolben 30 angelenkt sind, die ihrerseits
in den
Bohrungen eines im dargestellten Ausführungsbeispiel bezüglich
seiner Drehachse unter einem Winkel von etwa 25° zur Drehachse der Abtriebswelle
14 geneigt angeordneten Zylinderblocks 32 verschiebbar sind.
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Die Beaufschlagung der im Zylinderblockinnern liegenden Stirnseiten
der Kolben 30 mit Drucköl erfolgt in bekannter Weise über (nicht gezeigte) nierenförmige
Steuerschlitze in einem Steuerspiegel, an dem der Zylinderblock 32 abgestützt ist.
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Die auf den Triebflansch 26 einwirkenden hydraulischen Kräfte sind
von der Anzahl der Kolben, ihrer Stirnfläche und der Größe des sie beaufschlagenden
Drucks abhängig. In Fig. 1 sind diese hydraulischen Kräfte durch den Pfeil H veranschaulicht.
Das zwischen der dem Zylinderblock 32 abgewandten Rückseite des Triebflansches 26
und dem Gehäuse 20 angeordnete, als mehrreihiges Axial-Zylinderrollenlager 34 dargestelltes
Längslager wird durch die Axialkomponente H5 der hydraulischen Kraft H belastet,
während die den Triebflansch 26 ln Umdrehung versetzenden, durch den Pfeil HU veranschaulichten
Umfangskräfte von den Lagern 22 und 24 aufgenommen werden. Unter Berücksichtigung
des Neigungswinkels der Zylinderblockachse zur Abtriebswellenachse von 25° im dargestellten
Ausführungsbei spiel ergibt sich die Größe der auf das Längslager einwirkenden Axialkomponente
HS zu Hcos25°, d.h. etwa 0o9 H während die für die Drehmomentenerzeugung ausnutzbare
Komponente Hu= H.sin25°, d.h. etwa 0,42 H ist.
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Schon diese sehr vereinfachte Rechnun eigtt daß die als Blindkraft
zu betrachtende, im Lager 34 absustUeende Komponente H5 mehr als doppelt so hoch
wie die Umfangskomponente ist.
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Koppelung der Schraubenwelle
16 mit der Abtriebswelle 14 des Axialkolben-Motors 10 derart, daß die von der Schraube
18
erzeugte, durch den Pfeil S veranschaulichte Schubkraft nicht
durch ein Längslager direkt auf den Schiffsrumpf, sondern auf die Antriebswelle
14 und damit den Triebflansch 26 übertragen wird, wird eine Entlastung des Lagers
34 erreicht, da die Schubkraft S der Kraftkomponente H5 entgegengesetzt ist. Bei
Änderungen der Schubkraft 5 tritt eine proportionale Änderung der Kraftkomponente
H5 auf, so daß die erfindungsgemäß erzielte Lagerentlastung also bei allen Betriebszuständen
in Vorwärtsfahrt gegeben ist. Die bei Rückwärtsfahrt des Schiffs durch Drehrichtungsumkehr
der Schraube auftretende zusätzliche Beanspruchung des Lagers tritt nicht nur sehr
selten (ca. 2 der Betriebsdauer) auf, sondern ist auch gering, weil bei Rückwärtsfahrt
in der Regel nur mit gedrosselter Leistung gefahren wird.
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Konstruktiv ist es aber auch ohne weiteres möglich, den bei Rückwärtsfahrt
auftretenden Schub durch ein entsprechend angeordnetes, nur bei Rückwärtsfahrt wirksames
Längs lager direkt von der Schraubenwelle 16 auf den Schiffskörper zu übertragen
und somit eine Zusatzbeanspruchung des Lagers 34 vollständig zu vermeiden.
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Die Schraube 18 kann auch direkt auf die Abtriebswelle 14 des Axialkolben-Motors
10 aufgesetzt werden, wenn dieser im Bereich des Hecks des Schiffes so angeordnet
wird, daß seine Abtriebswelle außerhalb des Schiffskörpers liegt.
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Die in der vorstehenden Beschreibung als Querschott 12 bezeichnete
Wand kann also auch das Heck des Schiffs sein, Weitere Möglichkeiten der Anordnung
der Schiffsschraube 18 direkt auf der Abtriebswelle des Axialkolben-Motors ergeben
sich, wenn der Axialkolben-Motor in einer außen an den Schiffsrumpf angesetzten
abgedichteten Gondel 34 angeordnet wird, wie sie schematisch in Fig. 2 gezeigt ist.
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Die Zu- und Abfuhr des hydraulischen Arbeitsmediums sowie die Abführung
des Lecköls aus dem Axialkolben-Motor erfolgt dann durch den die Gondel 34 am Schiffsrumpf
befestigenden Stiel 36.
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Eine weitere Möglichkeit ist durch die Anordnung des Axialkolben-Motors
im Ruderblatt 38 gegeben, das dadurch zu einem Aktiv-Ruder wird. Die Zu- und Abfuhr
des Hydraulikmediums und die Abfuhr des Lecköls erfolgt dann zweckmäßigerweise über
die hohlgebohrte Ruderwelle 40.
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Die Figuren 4 a und 4 b zeigen schematische Schaltbilder je eines
Arbeitskreislaufs eines hydrostatischen Getriebes für einen Doppelschraubenantrieb,
bei dem jeder Schraube ein eigener Antriebsmotor A1 bzw. A2 zugeordnet ist. Jeder
hydraulische Kreislauf stellt praktisch ein eigenes hydrostatisches Getriebe mit
einer Primärpumpe P1 bzw. P2, einem Axialkolben-Motor M1 bzw.
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M2 und die Pumpe und den Motor verbindenden Leitungen 42, 44 bzw.
46, 48 dar. Außerdem weist jeder Kreislauf das übliche überdruckventil zur Begrenzung
des Höchstdrucks im Arbeitsmedium sowie von einer mit der Primärpumpe Plbzw. P2
gekoppelten Hilfspumpe H1 bzw. H2 belieferte Spül und Speisedruckventile und hydraulische
Verstelleinrichtungen zur Einstellung der Fördermenge der Primärpumpe auf. Da solche
Einheiten ebenso wie die in den Figuren weiter dargestellten Filter und Kühler für
das zum Vorratsbehälter für Hydraulikmedium zurückgeführte Arbeitsmedium bei hydrostatischen
Getrieben bekannt sind, werden sie hier nicht näher erläutert.
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Erfindungswesentlich ist jedoch, daß die das Arbeitsmedium der beiden
Kreisläufe führenden Leitungen 42, 44, 46, 48 durch Verbindungsleitungen 5c, 52,
54, 56 und in der gezeigten Weise in den Leitungen 42, 44, 46, 48 und den Verbindungseitungen
5o, 52, 54, 56 angeordnete
Wegeventile 58, 60, 62, 64 wahlweise
miteinander verbindbar und voneinander trennbar sind, so daß es möglich ist, die
Kreisläufe jeweils für sich als geschlossenes hydrostatisches Getriebe zu betreiben
oder durch Stillsetzen oder bei Defekt -eines der Antriebsmotoren Al oder A2 beide
Axialkolben-Motoren M1 und M2 mit dem von der weiterlaufenden Primärpumpe P2 bzwo
P1 gelieferten Hydraulikmedium zu betreiben.
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Besonders vorteilhaft ist dabei die Ausgestaltung der Wegeventile
58, 60, 62, 64 derart, daß sie mit von der Hilfspumpe H1 bzw. H2 des zugehörigen
Arbeitskreises geliefertem Druckmittel so beaufschlagt werden, daß ihr Steuerschieber
in die Stellung verschoben wird, in der die beiden Arbeitskreisläufe voneinander
getrennt sind. Andererseits wirkt auf jeden Steuerschieber eine Vorspannfeder, welche
den Steuerschieber bei Ausfall des Hilfsdrucks in die Verbindungsstellung der beiden
Kreisläufe verschiebt. Dadurch wird eine vollautomatische Kupplung der beiden Arbeitskreise
bei Ausfall oder Stillsetzen eines Antriebsmotors A1 bzw. A2 erreicht, In die Verbindungsleitungen
5o, 52 und 54, 56 ist jeweils noch ein Wechselventil 66 bzw. 68 geschaltet, um eine
Reversierung eines der Axialkolben-Motoren M1 bzw. M2 relativ zum anderen Motor
M2 b zw. M1 zu ermöglichen.