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Steuereinrichtung für ein hydrostatisches Getriebe
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Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für ein hydrostatisches
Getriebe mit wenigstens einer verstellbaren Pumpe, deren Stellglied über einen von
einem Steuerkolben gesteuerten Kraftverstärker eingestellt wird und der Steuerkolben
vom Druck einer Hilfspumpe entgegen Federkraft beaufschlagt ist, wobei Hilfspumpe
und Verstellpumpe von einer gemeinsamen Antriebsmaschine angetrieben sind und in
der Steuerleitung der Hilfspumpe eine Drossel angeordnet ist.
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Eine derartige bekannte Steuereinrichtung dient als Folgesteuereinrichtung
und Druckbegrenzungseinrichtung für die verstellbare und reversierbare Pumpe. Der
Aufwand an Steuer- und Verstellteilen ist für die geringe Anzahl von Funktionen
relativ groß wodurch die Einrichtung teuer wird.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Steuereinrichtung der eingangs
erwähnten Art zu schaffen, mit der das Pumpenantriebsmoment, der Maximalförderdruck
verlustarm und der Ausrolldruck beim Loslassen des Fahrpedals in zwei Förderrichtungen
begrenzt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Steuerdruck'vor
der Drossel auf die Ringfläche eines Meßkolbens entgegen der Kraft einer Meßfeder
einwirkt, auf dessen kleiner Kolbenfläche ebenfalls entgegen-derselben Federkraft
der Hochdruck im Getriebe lastet, und daß die Federkraft so bemessen ist, daß die
Kraft des Hochdrucks im Getriebe zusammen mit der Kraft des Steuerdrucks, der auf
die Ringfläche des Meßkolbens wirkt, bei allen Fördervolumen den gleichen Wert ergibt,
wenn die Antriebsmaschine das maximale Drehmoment abgibt.
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Auf diese Weise werden mit relativ wenig baulichem Aufwand die wesentlichen
Anforderungen an einen hydrostatischen Fahrantrieb erfüllt.
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Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung, den Unteransprüchen und der Zeichnung.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung wiedergegeben.
Diese zeigt in Fig. 1 eine Steuereinrichtung für ein hydrostatisches Getriebe in
im wesentlichen schematischer Darstellung;
Fig. 2 bis 4 Diagramme.
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In Fig. 1 ist mit 10 eine verstellbare und unkehrbare Pumpe bezeichnet,
die von einer Brennkraftmaschine 11 angetrieben ist. Die Brennkraftmaschine wird
von einem Fahrpedal 12 über einen Drehzahlregler 13 gesteuert. Zweckmäßigerweise
ist die Antriebsmaschine ein Dieselmotor. Von der Pumpe 10 führen zwei Hauptleitungen
14, 15 zu einem Hydromotor 16, welcher die Räder eines Fahrzeugs antreibt.
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Von der Antriebswelle 17 der Brennkraftmaschine wird auch eine ililfspumpe
18 angetrieben. Diese saugt Druckmittel aus einem Behälter 19 und fördert esin eine
Leitung 20, welche in die Getriebehauptleitung 15 mündet; in der Leitung 20 ist
eine Drossel 21 angeordnet. Von der Leitung 20, und zwar von einer Stelle, die zwischen
der Hilfspumpe 18 und der Drossel 21 liegt, zweigen zwei Leitungen 22 und 23 ab.
Die Leitung 22 führt einerseits zu einem Druckbegrenzungsventil 24, welches den
Steuerdruck der Pumpe 18 begrenzt, andererseits zur Bohrung 25 einer Meßeinrichtung
26. Diese Meßeinrichtung besitzt einen Stufenkolben 27, dessen Kolben 28 mit kleinem
Durchmesser in der Bohrung 25 geführt ist, sein Kolben 29 mit großem Durchmesser
gleitet dichtend in einer Bohrungsstufe 30. Der Kolben 28 besitzt eine Ringnut 28'.
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An der Stirnseite der Bohrung 25 mündet eine Leitung 31, die von der
Getriebehauptleitung 14 ausgeht. Herrscht in dieser Hochdruck, so wirkt dieser auf
die kleine Kolbenstufe 28, wodurch der Stufenkolben entgegen der Kraft einer Feder
32 verstellt wird, deren eines Ende an einem Druckstück 33 anliegt, welches durch
einen Hebel 34 in axialer Richtung verstellt werden kann. Die von der Leitung 20
ausgehende Leitung 23 mündet in die Leitung 31. In der Leitung 23 ist eine Drossel
35 angeordnet und zwischen dieser und der Mündungsstelle in die Leitung 31 ein Rückschlagventil
das sich in Richtung zur Leitung 31
zu öffnen vermag. Der Querschnitt
der Drossel 35 ist kleiner als derjenige der Drossel 21.
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In die Bohrungsstufe 30 mit dem großen Durchmesser dringt von der
Seite der Bohrung 25 her eine Leitung 38 ein, die von der Bohrung 39 einer Stellvorrichtung
40 herkommt. Von der Bohrung 25 mit dem kleinen Durchmesser der Stufenbohrung verläuft
eine Leitung 41 über ein Wechselventil 42 zu einem Druckbegrenzungsventil 43. Das
Wechselventil 42 ist über Leitungen ll4 bzw. 45, welche an die Getriebehauptleitungen
angeschlossen sind, gesteuert und verbindet jeweils die Leitung mit dem niedrigeren
Druck 14 bzw. 15 mit dem Druckbegrenzungsventil 43.
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Die Leitung 41 ist über eine Leitung 47 mit der Leitung 20 verbunden.
Die Mündungsstelle in die Leitung 20 liegt hinter der Drcssel 21, d.h. zwischen
dieser und der Getriebehauptleitung 15. Von dem die Feder 32 aufnehmenden Raum der
Bohrungsstufe 30 geht eine Leitung 48 aus, die zur Leitung 41 führt und dort an
einer Stelle mündet, die stromab des Wechselventils 42 liegt.
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Von der Leitung 48 führt eine Leitung 49 über ein Vierwegeventil 50
und die Leitung 67 zur Stellvorrichtung 40 und über die Leitungen 38' 49' zur gleichartigen
Stellvorrichtung 51 einer zweiten verstellbaren Pumpe. Durch das Wegeventil 50 führen
auch die Leitungen 20, 31 und 38. Dieses Vierwegeventil dient zur Wahl der Fahrtrichtung
vorwärts oder rückwärts. Seine Schaltstellung sind mit I bis IV bezeichnet.
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In der Bohrung 39 der Stellvorrichtung 40 ist ein Kolben 55 dicht
gleitend geführt. Er besitzt eine Stange 56, welche durch eine Bohrung 57 verläuft,
in der eine Feder 58 angeordnet ist, deren Enden sich an Scheiben 59, 60 abstützen.
Die beiden Scheiben 59> 60 stützen sich an Schultern57', 57" der Bohrung 57 ab.
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In dem Raum der Bohrung 39, welcher zwischen der Scheibe 59 und dem
Kolben 55 liegt'sind zwei Feder 61, 62 angeordnet. Die Feder
62
ist kürzer als die Feder 61 und liegt nicht am Kolben an wie die Feder 61, wenn
dieser sich in seiner Mitteistellung befindet. Rechts von der Bohrung 57 befindet
sich in derselben Achsrichtung eine Bohrung 63, in welche die Stange 56 hineinragt.
Am Ende der Stange ist eine Scheibe 64-arXgeordnet, an welcher sich das eine Ende
einer Feder 65 abstützt, deren anderes Ende an der Scheibe 60 anliegt. In der Bohrung
63 ist noch eine Feder 66 angeordnet, die nicht an der Scheibe 64 anliegt, wenn
sich der Steuerkolben 55 in seiner Mittelstellung befindet. Von dem die Federn 61,
62 aufnehmenden Bohrungsteil der Bohrung 39 führt eine Leitung 67 zur Leitung 49.
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Der Steuerkolben besitzt an seinem Außenumfang eine Verzahnung 69,
welche mit einem gestellfesten Zahnrad 70 zusammenwirkt.
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Das Zahnrad 70 kämmt w-iterhin mit der Außenverzahnung 71 einer Steuerhülse
72 einer Servoeinrichtung 7j, die zum Steuern des Hubrings 74 der Pumpe 10 dient.
In einer Längsbohrung 75 des Kolbens 72 ist ein Steuerschieber 76 geführt, dessen
eines Ende 76' an einem Verstellkolben 77 anliegt, welcher auf den Hubring 74 einwirkt.
Diametral dieser Einwirkstelle gegenüber wirkt auf das Stellglied 74 ein Kolben
78, der in einer Bohrung 79 dicht gleitend angeordnet ist, welche über eine Leitung
80 mit der den Hochdruck führenden Getriebehauptleitung 14 oder 15 verbunden ist.
In der Bohrung 79 herrscht somit immer Hochdruck.
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Der Steuerkolben 76 hat zwei Ringnuten 81, 82, die mit einem Kanal
85 zusammenwirken, welcher mit dem Raum 87 verbunden ist.
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Über Kanäle 84, 85 und 86 wird der Raum 87 der Bohrung 88, in welcher
der Kolben 72 geführt ist, entweder mit der Hochdruck seite oder dem Behälter verbunden.
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Die Hilfspumpe 18 wird drehzahlproportional zur Brennkraftmaschine
11 angetrieben. An der Drossel 21 in der Leitung 20 entsteht dabei ein Steuerdruck,
dessen Höhe abhängig ist vom Strom der Steuerpumpe ud damit von der Drehzahl der
Brennkraftmaschine. Im Diagramm nach der Fig. 2 ist auf der Abszisse die Drehzahl
der Steuerpumpe und auf der Ordinate der Druck der Steuerpumpe
aufgetragen.
Der Steuerdruck vor der Drossel 21 steigt progressiv mit der Drehzahl der Steuerpumpe
an. Es sei angenommen, daß sich das Wegeventil 50 in der gezeichneten Schaltstellung
befindet. Dabei kann der Druck vor der Drossel 21 über die Leitungen 22 und 38 auf
die linke Seite des Steuerkolbens 55 einwirken und diesen entgegen der Kraft der
Federn verstellen. Der Druckkraft auf den Steuerkolben wirken in jeder der beiden
von der Null-Förderung der Pumpe ausgehenden Bewegungsrichtung die drei Federn 58,
61, 62 bzw. 58, 65 und 66 entgegen. Der Steuerdruck vor der Drossel 21 wirkt auch
auf die Ringkolbenfläche (große Fläche) des Stufenkolbens 27. Auf seine kleine Kolbenfläche
wirkt über die LeItung 31 der Druck von der jeweiligen den Hochdruck führenden Getriebehauptleitung.
Es sei angenommen, dies sei die Leitung 14. Übersteigt.die Summe der zwei Druckkräfte
am Stufenkolben die Kraft der Vorgespannten Feder 32, so bewegt sich dieser nach
rechts, wodurch die Leitung 22 über die Ringnut 281 am Kolbenteil 28 mit den Leitungen
41 und 47 in Verbindung kommt, welche die Drossel 21 umgeht. Dadurch fällt der Druck
vor der Drossel 21 und im linken Teil der Bohrung 39. Darauf stellen die Federn
58, 61 und ggf. 52 den Steuerkolben nach links worauf er über das Zahnrad 70 die
Steuerhülse 72 in der entgegengesetzten Richtung verstellt. Darauf kann Druckmittel
von der Hochdruckseite über den Kanal 83 und die Ringnut 81 sowie den Kanal 85 in
die Druckkammer 87 eintreten. In dieser steigt der Druck an. Da jedoch der Durchmesser
der Bohrung 88 wesentlich größer ist als derjenige der Bohrung 79, ist die Kraft
am Verstellkolben 77 größer, so daß das Stellglied 74 der Pumpe jetzt auf kleinere
Exzentrizität und damit kleinereFördermenge eingestellt wird.
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Erst dann, wenn der Förderdruck der Pumpe 10 wieder auf den Ausgangswert
gefallen ist, wird der Stufenkolben 27 durch die Feder 32 wieder in seine Ausgangsstellung
verschoben, wobei er die Leitung 22 wieder von der Leitung 41 trennt und den Steuerkolben
in seine ursprüngliche Stellung zurücksteuert. Der Stufenkolben verhindert durch
Aufsteuern der Leitung 49, daß die Summe der zwei Druckkräfte auf den Stufenkolben
27 die Kraft der Feder 32 übersteigt und dadurch das Antriebsmaschinenmoment zu
groß wird.
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Das Wechselventil 42 wird in bekannter Weise vom Druck der höheren
Leitung 14 oder 15 gesteuert und verbindet die Leitung mit dem niedrigen Druck zum
Druckbegrenzungsventil 43. Wenn in der jeweiligen Niederdruckleitung ein zu hoher
Druck auftritt, öffnet sich das Druckbegrenzungsventil 43 und entlastet diese Leitung
zum Behälter 17. Diese Vorgänge sind bekannt.
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Erfindungsgemäß werden die Kennlinien der Federn 58, 61, 62, 65 und
66 so gewählt, daß die Kraft des Hochdrucks p2 im Getriebe zusammen mit der Kraft
des Steuerdrucks PSt, , der auf die Ringkolbenfläche des Stufenkolbens 27 wirkt,
bei allen Fördervolumen der Pumpe den gleichen Wert erreichen, aber nicht Ubersteigen
kann, wobei dann die Brennkraftmaschine das maximale Drehmoment abgeben muß. Dies
ist der Fall, wenn der Hochdruck P2 auf die Hyperbel a P2 p2 fällt, welche im Diagramm
nach der Fig. 3 aufgetragen ist, wobei a das Flächenverhältnis kleine Kolbenfläche
zu Ringkolbenfläche am Stufenkolben 27 bedeutet. Auf der Abszisse ist das Fördervolumen
im Verhältnis zum maximalen Fördervolumen aufgetragen, auf der Ordinate der Druck
p2 im Verhältnis zum maximalen Förderdruck. Die Hyperbel a p2 ist gestrichelt dargestellt.
Fällt der Hochdruck bei dem eingestellten Fördervolumen auf die Hyperbel, so ist
p2 V V und damit auch das Pumpenmoment p2 ' V/2 gleich konstant ( V = Fördervolumen
der Pumpe).
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Den Verlauf der Federkraft am Steuerkolben 55 findet man, wenn man
die a p2 - Ordinaten von der Abszissenparallelen pst + a p2 in Fig. 3 ausgehend
nach unten abträgt (die Abszissenparallele ist in Fig. 3 dick ausgezogen). Die so
gefundene, von links unten nach rechts oben kurvenförmig verlaufende pst-Linie wird
durch die drei geraden Federkennlinien a, b, c angenähert.
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Die Federkennlinie a entspricht der Feder 61 bzw. 65, die Kennlinie
b entspricht der Summe der Federn 61 + 62 bzw. 65 + 66, während die Kurve c der
Summe der Federn 58, 61, 62 bzw. 58, 65, 66 entspricht.
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Beim Umsteuern der Pumpe 10 und'der Fahrtrichtung wird das We-Wegeventil
50 so gesteuert, daß nun seine Schaltstellung I an den
Leitungen
20, 31 liegt. Die Pumpe 10 fördert nun in die Getriebehauptleitung 15. Alle Vorgänge
sind dann dieselben wie oben beschrieben. Das Wegeventil 50 hat beim Umsteuern der
Fahrtrichtung auch die Leitungen 38 und 49, die zur Stellvorrichtung 40 führen,
umgesteuert.
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Liegt der vom Fahrtwiderstand abhängige Druck p2 unterhalb der a p2-Linie
der Fig. 3, so wird das Moment der Brennkraftmaschine nicht voll genutzt. Links
vom Punkt A in Fig. 3 wird der Druck p2 auf P2max # konstant begrenzt.
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Wird während der Fahrt das Fahrpedal losgelassen, so versucht das
weiterrollende Fahrzeug die Brannkraftmaschine mitzuschleppen, wobei die bisherige
Hochdruckleitung 14 Niederdruckleitung wird, die Leitung 15 dagegen Hochdruckleitung.
Sobald der ansteigende Druck in der Leitung 15 den momentanen Druck der Steuerpumpe
18 erreicht, wird deren gesamter Förderstrom über die Drossel 35,deren Durchflußquerschnitt
kleiner ist als der der Drossel 21, und das Rückschlagventil 36 zur Leitung 14 hin
gezwungen. Der Druck vor der relativ engen Drossel 35 steigt an und verschiebt den
Steuerkolben 55 gegen die Kraft der drei Federn, wobei die Pumpe auf größere Schluckvolumen
verstellt wird, und zwar soweit, daß der Druck in der Leitung 15 den Druck am Steuerkolben
55 nicht übersteigt. Der Druck am Steurkolben wird durch die drei Federn und schließlich
durch das Druckbegrenzungsventil 24 und die Druckkräfte auf den Meßkolben 27 begrenzt.
Der Ausrolldruck im Getriebe kann also den maximalen Steuerdruck nach Fig. 3 nur
wenig übersteigen. Das Fahrzeug wird dementsprechend sanft gebremst. Die eigentliche
Bremsung wird mit einer konventionellen Radbremse bewirkt.
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Aus den Figuren 3 und 4 ergibt sich der Zusammenhang zwischen Brennkraftmaschinendrehzahl
(bzw. Fahrpedalweg) und Pumpenförervolumen (bzw. Fahrgeschwindigkeit), wenn Steuerpumpendruck
und Pumpenfördervolumen nach Fig. 2 und 3 verlaufen. Auf der Abszisse der Fig. 4
ist das momentane Fördervolumen im Verhältnis zum maximalen ZorZdRrZvZõl,uZ7; qufgetragen,
auf der Ordinate
die Drehzahl bezogen auf die maximale-Drehzahl
der Antriebsmaschine bzw. der Fahrpedanweg.
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Soll ein Teil der Brennkraftmasehinen-Leistung für einen mechanischen
Nebenabtrieb oder einen zweiten Hydraulikkreis zeitweilig abgezweigt werden, so
muß die maximale Leistung des Fahrkreises entsprechend reduziert werden. Dies geschieht
durch Schwenken des Hebels 34 entgegen dem Uhrzeigersinn und damit durch Entspannen
der Feder 32 des Stufenkolbens 27. Die Gerade PSt + a P2 nach der Fig. 3 wird dadurch
auf die Gerade Btund die Hyperbel a P2 p2 auf den Kurvenverlauf entsprechend C =
a p2 gesetzt.
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Der Hebel 34 kann beim Einschalten des Nebenantriebs bzw. des zweiten
Hydraulikkreises mitgeschwenkt werden.
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Die Drossel 21 kann auch verstellbar ausgebildet sein. Sie kann z.
B. durch Treten eines zweiten Pedals verstellt werden.
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Die Steuerung ist prinzipiell auch für zwei Pumpen geeignet, dke synchron
oder nicht synchron verstellt werden. In letzterem Falle wirken die summierten Förder-
und Steuerdrücke bzw. deren jeweiligen Mittelwerte auf den Stufenkolben 27. Als
Antriebsmaschine kann jede beliebige Maschine verwendet werden.