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Hydrostatisches Getriebe
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Die Erfindung betrifft ein hydrostatisches Getriebe, bestestehend
aus einer Flügelzellenpumpe mit einem aus einem Druckring und zwei Stirnplatten
gebildeten Gehäuse und mit einem exzentrisch angeordneten Rotor sowie aus einem
Flügelzellenmotor mit konstantem Schluckvolumen an der Abtriebsseite.
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Es sind hydraulische Getriebe dieses Aufbaus bekannt, bei denen die
Flügelzellenpumpe durch einen Elektromotor konstanter Drehzahl angetrieben wird.
Die Untersetzung durch das Getriebe ergibt sich aus dem Verhältnis des Fördervolumens
der Flügelzellenpumpe zum Schluckvolumen des Flügelzellenmotors.
Diese
Untersetzung ist bei den bekannten hydraulischen Getrieben des geschilderten Aufbaus
konstant.
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Eine Variation der Untersetzung ist nur durch Austausch der Flügelzellenpumpe
gegen eine solche mit anderem Fördervolumen möglich. Eine Drehrichtungsumkehr ist
nicht möglich, es sei denn, es werden Saug- und DruckleitunMen vecttischt angeschlossen.
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Es sind andere hydraulische Getriebe bekannt, die eine Drehrichtungsumkehr
und eine in Grenzen regel bare Untersetzung aufweisen. Bei diesen Getrieben werden
eine Hubkolbenpumpe und ein Hubkolbenmotor hintereinander geschaltet. Durch Anderung
des Hubs der Pumpe läßt sich die Drehzahl von 0 bis zu einem Maximalwert, der vom
Schluckvolumen des Motors abhangt, verändern. Dabei ist eine Untersetzung bis maximal
1:3 zu erreichen. Größere Untersetzungen sind nur durch Nachschaltung eines mechanischen
Getriebes möglich. Diese hydraulischen Getriebe weisen eine beträchtliche Baugröße
auf, weshalb die eingangs genannten Getriebe vorzuziehen sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hydrostatisches Getriebe
des eingangs geschilderten Aufbaus so auszubilden, daß eine direkte Untersetzung
in der hydraulischen Stufe bis 1:100 möglich ist, und zwar in beiden Drehrichtungen.
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Dabei soll ein guter Wirkungsgrad bei geringen Fertigungskosten erreicht
werden Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Druckrincj des
7en llses der Flügelzellenpumpe aus der gegenüber dem Rotor exzentrischen Lage in
eine jenseits der Achse des Rotors liegende exzentrische Lage verschiebbar ist und
daß das Schluckvolumen des Flügelzellenmotors bis zum Hundertfachen des Fördervolumens
der Flügelzellenpumpe beträgt.
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Durch die Veränderung der Exzentrizität läßt sich das Fördervolumen
der Pumpe von einem Maximalwert bis zu dem Wert Null, bei welchem die Achse des
Druckrings mit der Achse des Rotors zusammenfällt, variieren. Entsprechand stufenlos
ändert sich die Drehzahl des Flügelzellenmotors von einem Maximalwert bis zum Stillstand.
Wird der Druckring auf die andere Seite der Rotorachse verschoben, so steigt die
Drehzahl stufenlos an, in diesem Fall jedoch mit anderer Drehrichtung. Die Saugzone
der Pumpe wird zur Druckzone, die Antriebs zone des Motors zur Abtriebszone. Wegen
der bei geringer Baugröße möglichen großen Differenz von Schluckvolumen zum Fördervolumen
ist eine Untersetzung bis 1:100 möglich. Der Wirkungsgrad wird nicht von irgendwelchen
mechanischen Getriebeteilen beeinträchtigt. Der antreibende Elektromotor kann von
einfachster Bauart sein und beispielsweise eine Drehzahl von ca. 1500 U/min aufweisen,
wobei am Flügelzellenmotor eine Abtriebsdrehzahl bis ca. 15 U/min möglich ist.
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Gegenüber hydrostatischen Getrieben mit Kolbenmaschinen ergibt sich
nicht nur der Vorteil der größeren Untersetzung in der hydraulischen Stufe, sondern
auch der geringen Baugröße.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Druckring
des Gehäuses in Gleitführungen eines Gestells gelagert, wobei die Gleitführungen
etwa gegenüber der Saug- bzw. Druckzone der Flügelzellenpumpe angeordnet sind und
die der Druck zone gegenüberliegende Gleitführung durch ein Druckmittel entlastet
ist.
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Das Gestell kann neben den Gleitführungen zugleich auch die Stirnplatten
des Pumpengehäuses aufweisen Damit ergibt sich ein konstruktiv günstiger geschlossener
Gehäuse käfig, in dem der Druckring verschiebbar und der Rotor drehbar gelagert
ist. Durch die Spezielle Anordnung werden
die in der Druckzone auftretenden
Druckkräfte auf die ihr benachbCLe rcij Lführung übertragen. Diese Kräfte können
so groß sein, daß sich der Druckring nicht mehr verschieben läßt, die Pumpe also
zur Änderung der Exzentrizität stillgesetzt werden muß. Durch die erfindungsgemäße
Maßnahme, die entsprechende Gleitführung durch ein Druckmittel zu entlasten, läßt
sich der Druckring auch bei laufender Pumpe verschieben, die Drehzahl des Flügelzellenmotors
also stufenlos während des Betriebs ändern. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Druckentlastung dadurch erreicht, daß die eine Gleitführung mit der Druckzone,
die andere Gleitführung mit der Saugzone hydraulisch verbunden ist. Somit ist die
Gleitführung entlastet, und zwar auch dann, wenn sich - bei gewünschter Drehrichtungsumkehr
des Flügelzellenmotors - der Rotor der Pumpe in der anderen Exzentrizitätslage befindet,
die Saugzone also zur Druck zone geworden ist.
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In einer vorteilhaften Ausbildung ist der Druckring des Gehäuses der
Flügelzellenpumpe zwischen zwei gegeneinander wirkenden, vorgespannten Federn, angeordnet,
deren Vorspannkraft durch ein Jfm nnsames Stellglied gegensinnig veränderbar ist.
Uber die Federn wird die zum Verstellen des Rotors notwendige Kraft auf den Druckring
zur Wirkung gebracht. Weiterhin ist mit Vorteil der Druckring in diametral gegenüberliegenden
Zylindern, von denen einer mit der Druckzone, der andere mit der Saugzone hydraulisch
verbunden ist, schwimmend gelagert. Mit dieser schwimmenden Lagerung in den Zylindern
ist eine Überlastsicherung gegeben, da der Gehäusering bei zu hohem Druck gegen
die Wirkung der Federn ausweichen kann, gegebenenfalls bis die Exzentrizität den
Wert Null annimmt, die Pumpe also nicht mehr fördert.
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Bei Flügelzellenmaschinen werden die Führungsschlitze für die Flügel
im Rotor häufig hydraulisch entlastet, um die die Flügel nach außen drängende und
die Abdichtung gegenüber dem Druckring besorgende Zentrifugalkraft vollständig zur
Wirkung kommen zu lassen. Zu diesem Zweck sind konzentrisch zu dem Saug- und Druckkanal
in den Stirnplatten des Gehäuses Entlastungskanäle angeordnet, über die das Fördermedium
in die Führungsschlitze hinter die Flügel gelangen kann. Bei den bekannten Pumpen
ist der druckseitige Entlastungskanal länger als der saugseitige, so daß der über
den Saugkanal hinwegstreichende Flügel sofort nach Verlassen des Kanals Druck erhält.
Diese Ausbildung der Entlastungskanäle läßt sich für eine Pumpe des erfindungsgemäßen
Aufbaus nicht übernehmen, da sie nur bei einer Exzentrizität des Rotors in einer
Richtung wirksam wäre. Es ist deshalb gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung
vorgesehen, daß die Entlastungskanäle gegenüber den Saug- und Druckkanälen um einen
geringen Drehwinkel versetzt sind. Dabei können die beiden Entlastungskanäle gleich
lang sein. Der Winkelversatz richtet sich im wesentlichen nach der Flügelanzahl,
wobei der Versatz umso geringer wird, je höher die Flügelzahl ist. Eie relativ große
Anzahl von Flügeln hat auch den Vorteil, daß die hydraulischen Verluste am Übergang
von Druck- und Saugzone gering sind.
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Die vorgenannte Ausführungsform setzt eine bestimmte Drehrichtung
des Rotors der Pumpe voraus. In der Praxis ist es aber erwünscht, daß der Rotor
res Flügelzellenpumpe in beiden Drehrichtungen umlaufen kann, damit der Benutzer
die Pumpe unabhängig von der Drehrichtung an den Elektromotor ankuppeln kann. Es
ist deshalb gemäß der Erfindung
vorgesehen, daß zwischen den -
im übrigen gleich langen und symmetrisch zu dem Saug- und Druckkanal angeordneten
-Entlastungskanälen kurze Kanalabschnitte angeordnet sind, die sowohl mit der Saug-
als auch mit der Druck zone der Pumpe hydraulisch verbunden sind, wobei in den Verbindungsleitungen
unter Druck öffnende Rückschlagventile angeordnet sind. Damit stehen die kurzen
Kanalabschnitte stets unter Druck. Mit den Rückschlagventilen ist gewährleistet,
daß das Fördermedium nicht über die Verbindungsleitungen von der Druck- zur Sau
one überströmt.
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Eine ähnliche Anordnung und Ausbildung von Entlastungskanälen ist
mit Vorzug auch an dem Flügel zellenmo tor getroffen, der im übrigen vorteilhafterweise
doppeltwirkend ausgebildet ist, also zwei Antriebsräume und zwei Abtriebsräume aufweist,
so daß er hydraulisch entlastet ist und die Abtriebswelle sowohl achsial als auch
radial hoch beansprucht werden kann.
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Nachstehend ist die Erfindung anhand einiger Ausführungsformen, die
in der Zeichnung gezeigt sind, beschrieben.
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Hierbei zeigen: Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch das Getriebe
mit Flügelzellenpumpe und Flügelzellenmotor; Fig. 2 eine Ansicht einer Stirnplatte
einer ersten Ausführungsform der Flügelzellenpumpe; Fig. 3 eine der Fig.- 2 ähnliche
Ansicht einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 4 einen Schnitt IV-IV
gemäß FigO 3; Fig. 5 eine Ansicht einer Stirnplatte einer Ausführungsform des Flügelzellenmotors
und Fig. 6 einen Querschnitt durch die Flügelzellenpumpe mit einer schematischen
Ansicht der Richtung zum Verstellen der Exzentrizität.
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In Fig. 1 sind die Flügelzellenpumpe 1 und ein Flügelzellenmotor 5
untereinander angeordnet. Diese Anordnung ist natürlich nicht zwingend. I:e Flügelzellenpumpe
1 weist einen Rotor 2 mit Antriebswelle 21 auf. Die Antriebswelle 21 ist an einen
nicht gezeigten Elektromotor konstanter Drehzahl angekuppelt. In Schlitzen 22 des
Rotors 2 gleiten die Flügel 23.
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Der Rotor 2 läuft in einem Gehäuse 3, das aus einem Druckring 31,
zwei Stirnplatten 32 und zwei weiteren Platten 33 besteht. Der Druckring 31, an
dessen Innenfläche sich die Flügel 23 dichtend anlegen, ist in Gleitbahnen 34, die
an den Platten 33 vorgesehen sind, geführt, so daß er quer zur Achse des Rotors
2 in Richtung des Doppelpfeils 35 verschiebbar ist. In Fig. 1 ist mit dem Pfeil
24 die Laufrichtung des Rotors 2 angedeutet. Damit entsteht bei 25 die Saugzone
und bei 26 die Druck zone der Pumpe 1.
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Der Flügelzellenmotor 5 weist einen Rotor 6 und ein Gehäuse 7 auf,
wobei nur der ortsfeste Druckring 71, nicht jedoch die Stirnplatten 72, von denen
eine in Fig. 5 gezeigt ist, erkennbar sind. Der Rotor 6 weist in Schlitzen 61 gleitende
Flügel 62 auf, die sich unter Wirkung der
Zentrifugalkraft und
gegebenenfalls einer zusätzlichen, nicht gezeigten Feder gegen die Innenwand des
Druckrings 71 dichtend anlegen. Der Motor weist zwei Arbeitsräume 63, 64 auf, die
diametral einander gegenüberlie,gen. In den Stirnplatten sind für jeden Arbeitsraum
eine Einlaßöffnung 73 und eine Auslaßöffnung 74 angeordnet.
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Die von der Flügelzellenpumpe geförderte Flüssigkeit gelangt über
eine Leitung 41 und die Einlaßöffnungen 73 in die Arbeitsräume 63, 64 des Motors,
versetzt den Rotor 6 in Drehung, so daß die Abtriebswelle 65 im Uhrzeigersinn gemäß
Pfeil 66 umläuft. Nach geleisteter Arbeit gelangt das Fluid über die Auslaßöffnungen
74 und die Leitungen 42 wieder in die Saugzone 25 der Pumpe 1. Die Leitungen 41
und 42 weisen Zugänge 43 mit Rückschlagventilen 44 auf, über die Fluid nachgesaugt
werden kann, um eventuelle Leckverluste auszugleichen.
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Die Drehzahl der Abtriebswelle 65 richtet sich nach dem Verhältnis
des Schluckvolumens des Motors 5 zum Fördervolumen der Pumpe 1. Durch Verschieben
des Druckrings 31 in den Gleitführungen 34 kann die Exzentrizität a und damit das
Fördervolumen der Pumpe 1 geändert werden. Damit ändert sich die Drehzahl des Motors
5 entsprechend0 Beträgt die Exzentrizität 0, d.h. fällt die Achse des Pumpenrotors
21 mit der Achse des Druckrings 31 zusammen, so fördert die Pumpe 1 nicht mehr und
der Motor 5 bleibt stehen. Bei weiterer Verschiebung des Druckrings 31 in der gleichen
Richtung erscheint die Exzentrizität auf der anderen Seite der Rotorachse 21, und
das Fördervolumen nimmt wieder zu.
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Dabei wechseln die Saug- und Druckzone 25, 26 mit der Folge, daß -
bei gleichbleibender Drehrichtung des Pumpenrotors -sich
die Drehrichtung
des Motors 5 umkehrt, da nunmehr das Druckmittel über die Auslaßöffnungen 74 einströmt
und über die Einlaßöffnungen 73 wieder zur Pumpe zurückläuft.
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Um ein Verstellen des Druckrings 31 im Betrieb zu ermöglichen, sind
die Gleitbahnen 34 über Kanäle 45 mit der Druck- bzw. Saugzone 25, 26 der Pumpe
1 verbunden. Die der Druck zone 26 benachbarte Gleitbahn 34 ist damit hydrostader
tisch entlastet, so daß sich/Druckring 31 ohne nennenswerten Widerstand verschieben
läßt.
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In Fig. 6 ist eine Ausführungsform einer Einrichtung 8 für die Verstellung
des Druckrings 31 gezeigt. Der Druck ring weist diametral gegenüberliegend je einen
Kolben 36 auf, die in je einem ortsfesten Zylinder 81 geführt sind. Die Zylinderräume
82 sind über Kanäle 46 mit den Gleitbahnen 34 und dadurch mit der Druck- bzw. Saugzone
der Pumpe verbunden. Der Druckring 31 sitzt weiterhingwischen zwei gegeneinander
wirkenden vorgespannten Federn 83, deren anderes Ende sich an der Innenseite je
eines Arms 84 einer Gabel 85 abstützt. Durch Verschieben der Gabel 85 in Richtung
des Doppelpfeils 86 läßt sich der Druckring 31 verschieben und damit die Exzentrizität
ändern.
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Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Stirnplatte 32 der Pumpe 1.
In die Stirnplatte ist je ein Druck- und Saugkanal 35, 36 eingearbeitet, an die
über Bohrungen 47,48 die Leitungen 41, 42 (Fig0 1) angeschlossen sind. Konzentrisch
zu dem Druck- und Saugkanal 35, 36 sind zwei Entlastungskanäle 37, 38 für die Flügel
23 der Pumpe 1 angeordnet. Diese Entlastungskanäle stehen einerseits mit
dem
Druck- und Saugkanal über einen Kanal 39, andererseits mit den Schlitzen 22 (Fig.
1) der gerade an ihnen vorbeistreichenden Flügel 23 in Verbindung. Die Entlastungskanäle
37, 38 sind etwa gleichlang und gegenüber dem Saug- und Druckkanal um einen geringen
Drehwinkel oU versetzt. Damit ist sichergestellt, daß die Flügel hydrostatisch entlastet
sind, sich also nur unter Wirkung der Zentrifugalkraft an die Innenwandung des Druckrings
31 (Fig. 1) anlegen, und zwar unabhängig von Ausmaß und Richtung der Exzentrizität
a.
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In Fig. 3 und 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer Stirnplatte 321
der Pumpe 1 gezeigt, bei der es gleichgültig ist, wie die Pumpenwelle 21 umläuft,
d.h. wie sie an den nicht gezeigten Elektromotor angekuppelt ist. Auch hier sind
konzentrisch zu dem Druck- und Saugkanal 351, 361 mit der druck- und saugseitigen
Bohrung 471, 481 Entlastungskanäle 371, 381 angeordnet, die in diesem Fall jedoch
symmetrisch liegen und über Bohrungen 391 mit dem Druck-bzw. Saugkanal 351, 361
verbunden sind. Die Entlastungskanäle 371, 381 sind hier etwas kürzer ausgebildet.
Zwischen ihnen sind zwei weitere kurze Entlastungskanäle 370, 380 angeordnet, die
über Kanäle 372 bzw. 382 sowohl mit dem Druck- als auch mit dem Saugkanal 351 361
verbunden sind und somit immer unter Druck stehen. Ein Übersb5-men des Druckmittels
von dem Druck- zum Saugkanal wird durch Rückschlagventile 373 und 383 verhindert,
die unter Druck öffnen und die Saugseite abschließen.
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Fig. 5 zeigt eine der Stirnplatten 72 des Flügel zellenmotors 5 mit
den Einlaßöffnungen 73 und den Auslaßöffnungen
74. Die Einlaßöffnungen
73 mCinden in antriebsseitige (Druck-) Kanäle 75 ein, während die Auslaßöffnungen
74 die Verbindung zwischen abtriebsseitigen Kanälen 76 und der Saugleitung 42 herstellen.
Konzentrisch zu den antriebs-und abtriebsseitigen Kanälen 75, 76 isst je ein Entlastungskanal
77, 78 für die Flügel 62 des Motors 5 angeordnet.
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Die Entlastungskanäle 77, 78 sind über Bohrungen 79 mit den antriebs-
und abtriebsseitigen Kanälen 77, 78 verbunden.
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Zwischen den Entlastungskanälen 77, 78 sind kurze Kanalabschnitte
771, 781 angeordnet, die über Kanäle 772, 782 sowohl mit einem abtriebs- als auch
einem antriebsseitigen Kanal 75, 76 verbunden sind. Auch diese Verbindungskanäle
772, 782 können mit guter Druck schließenden Rückschlagventilen ausgestattet sein,
um das Überströmen der Druckflüssigkeit von dem antriebsseitigen Kanal 75 über die
Bohrung 79, den Verbindungskanal 772 in den antriebsseitigen Kanal 76 zu verhindern0