DE3630515A1 - Regelbarer hydrostatischer antrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen regelbaren hydrostatischen An­ trieb, insbesondere für die Nebenaggregate von Kraftfahr­ zeug-Brennkraftmaschinen, bestehend aus einer mit einem Motor verbundenen Pumpe.

Brennkraftmaschinen, insbesondere die Antriebsmotoren von Kraftfahrzeugen, müssen in Nebentrieben Aggregate antrei­ ben, die entweder dem Betrieb der Brennkraftmaschine selbst oder anderen Zwecken dienen. Dem Betrieb der Brennkraftma­ schine selbst dienen zum Beispiel Wasserpumpe, Lüfter, Lichtmaschine und Schmierölpumpe. Für andere Zwecke gibt es beispielsweise Ölpumpen für Servolenkung, Niveauregulierung und Komforthydraulik, Kompressoren für Klimaanlage und Luft­ federung. Die Leistungen der Aggregate sollen auch bei Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine ausreichend sein. Von diesen Aggregaten benötigen einige ständig ihre dreh­ zahlabhängige volle Leistung, zum Beispiel die Wasser- und die Schmierölpumpe; andere Aggregate, wie beispielsweise eine Lichtmaschine und ein Lüfter mit Viskositätskupplung, entnehmen eine geregelte Leistung und wieder andere Aggrega­ te werden zeitweise mit Nennleistung betrieben und dann auf Leerlaufleistung abgeschsltet, wie beispielsweise Kompresso­ ren für eine Klimaanlage und die Luftfederung.

Es ist bekannt, daß alle Aggregate mit ihrer maximalen Lei­ stung zugeschaltet sind. Die Summe der Leistungen kann dann einen solchen Wert annehmen, daß die geforderte Leerlauf­ leistung der Brennkraftmaschine, insbesondere bei Maschinen mit kleinem Volumen, nur durch eine erhöhte Leerlaufdreh­ zahl möglich ist. Eine höhere Leerlaufdrehzahl ist aller­ dings deshslb unerwünscht, weil sich die Geräuschbildung erhöht bei Verwendung hydrodynamischer Wandler oder Kupp­ lungen das Kriechmoment und die Schlupfwärme größer sowie der Kraftstoffverbrauch und die Gesamtumdrehungen erhöht werden.

Damit sich die Nebenaggregate im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine besser versorgen lassen, ohne über­ mäßige Verluste in hohen Drehzahlbereichen hinnehmen zu müssen, sind hydrostatische Getriebe und hydraulische Um­ wandler bestehend aus einer Pumpe und einem Motor bekannt. Mit diesen Antrieben bzw. Umwandlern läßt sich die für die Nebenaggregate benötigte Drehzahl durch Verändern des För­ dervolumens des die Nebensggregate antreibenden Motors ge­ genüber dem Fördervolumen der mit der Drehzahl der Brenn­ kraftmaschine umaufenden Pumpe erreichen.

Bei einem aus der DE-OS 30 21 883 bekannten hydraulischen Wandler sind Pumpe und Motor als Flügelzellenmsschinen aus­ gebildet und radial ineinander eingesetzt. Zwischen der als Motor dienenden äußeren Flügelzellenmaschine und der als Pumpe dienenden inneren Flügelzellenpumpe ist ein stellba­ rer Statorring angeordnet, mit dessen Außenseite die Flügel des Motors und mit dessen Innenseite die Flügel der Pumpe zusammenwirken. Je nach der Exzentrizität des dem Motor und der Pumpe gemeinsamen Statorringes läßt sich der Flüssig­ keitsdurchsatz für den Antrieb des Rotors des Motors und damit auch das Fördervolumen durch die Flügel der Pumpe verändern.

Allerdings lassen sich die Fördervolumina von Pumpe und Motor nur gleichsinnig verstellen und nur eine geringe Über­ setzung erreichen, was insbesondere bei einer großen Sprei­ zung der Drehzahlen, beispielsweise im Verhältnis 1:10 von Leerlauf- zu Maximaldrehzahl, wie sie bei einer ange­ strebten Leerlaufdrehzahl von 600 bis 650 Umdrehungen pro Minute und einer Maximaldrehzahl der Brennkraftmaschine von 7000 Umdrehungen pro Minute vorliegt, nicht ausreicht, um die Drehzahl so weit herabzusetzen bzw. zu verändern, daß die Nebenaggregate weitestgehend verlustfrei betrieben wer­ den können. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß die Verlust­ leistungen der Aggregate überproportional zur Drehzahl an­ steigen. Trotz der radialen Bauweise der Motor-/Pumpenein­ heit ist das Bauvolumen des bekannten hydraulischen Umwsnd­ lers insbesondere wegen der Flügelzellenmaschinen uner­ wünscht hoch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die hohen Ver­ lustleistungen insbesondere der auf den Leerlaufbetrieb bzw. der in der Nähe der Leerlaufdrehzahl ausgelegten Neben­ aggregate einer Brennkraftmaschine insbesondere bei anstei­ genden Drehzahlen weitestgehend zu reduzieren und dabei die Baugröße eines dazu verwendeten hydrostatischen Antriebes in engen Grenzen zu halten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch gegensinnig ein­ stellbare Fördervolumina von Pumpe und Motor gelöst. Das Übersetzungsverhältnis läßt sich damit gegenüber bekannten Lösungen verdoppeln, so daß große Über- bzw. Untersetzungen zu erreichen sind, weil nämlich das Fördervolumen der Pumpe abnimmt, während gleichzeitig das Fördervolumen des Motors zunimmt, und umgekehrt. Außerdem läßt sich damit der Stell­ weg sehr klein halten, was eine Kompaktbauweise des Antrie­ bes unterstützt.

Ein kleinbauender Kompaktantrieb läßt sich insbesondere durch eine radial ineinandergebaute Pumpen-/Motoreinheit und durch einen vorteilhaft zwischen der Pumpe und dem Motor angeordneten Verstellring mit entgegengesetzt exzen­ trischen Kurvenverlauf von Innenring- und Außenringfläche erreichen. Der Verstellring, der sich beispielsweise radial verschiebbar im Gehäuse anordnen läßt, kann mit lediglich einem Stellorgan, z. B. einem Zylinder, gemeinsam mit dem Gehäuse verstellt werden. Beim Verschieben verändert sich der radiale Abstand von Außenring- und Innenringfläche zum Mittelpunkt des Rotors bzw. einer damit gekoppelten Ab­ triebswelle durch die unterschiedliche Exzentrizität genau entgegengesetzt, was unmittelbar die Befüllung von Pumpe und Motor beeinflußt; denn die dann gegensinnig geänderten Hubkurven bewirken, daß das Kammervolumen der Pumpe ab- und das des Motors zunimmt, oder umgekehrt.

Vorzugsweise umgibt die Pumpe den Motor und die Pumpen-/Mo­ toreinheit wird in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, wobei die Pumpen-/Motoreinheit vorteilhaft aus einer Rollen­ zellenpumpe und einem Flügelzellenmotor besteht. Wegen der geringen Größe einer Rollenzellenpumpe erlaubt ein damit gekoppelter Flügelzellenmotor einen besonders platzsparen­ den Ineinanderbau des hydrostatischen Koppelgetriebes; außerdem ist die mit der Drehzahl der Brennkraftmaschine umlaufende Rollenzellenpumpe wegen der geringeren Reibungs­ verluste gegenüber einer Flügelzellenpumpe für hohe Drehzah­ len besser geeignet.

Der Gedanke der gegensinnig einstellbaren Fördervolumina von Pumpe und Motor läßt sich allerdings auch dann realisie­ ren, wenn außen beispielsweise eine Radialkolben- oder eine Zahnradpumpe angeordnet ist; eine Zahnradpumpe setzt aller­ dings voraus, daß der in diesem Fall innenliegende, d.h., von der Pumpe umhüllte Motor verstellbar ist, um eine Übersetzung überhaupt zu erreichen. Mit einer außen angeord­ neten Rollenzellenpumpe läßt sich beispielsweise auch ein Schwenkflügel-, Sperrflügel- oder Radialkolbenmotor kombi­ nieren. Anzustreben ist in allen Fällen eine solche Kombina­ tion, die unter Berücksichtigung des Bauvolumens zum För­ dervolumen einen platzsparenden radialen lneinanderbau er­ möglicht.

Die Außenringfläche des Verstellrings läßt sich vorteilhaft als innerer Laufring der Rollenzellenpumpe ausbilden und die Innenringfläche umgibt vorzugsweise den Rotor des Mo­ tors. Die zentrale Lagerung von Motor und Pumpe unter Einbeziehung des Verstellringes als exzentrische Hubkurven zur Verfügung stellendes Element fördert die für einen platzsparenden Einbau des hydrostatischen Antriebes ange­ strebte Kompaktbauweise.

Der Verstellring kann zwischen Außen- und Innenringfläche zumindest eine kanalartige Axialkammer und im Bereich der Kammer angeordnete außen- und innenseitige Wandschlitze auf­ weisen. Das Treibmedium, wozu sich beispielsweise das Motor­ öl verwenden läßt, kann damit von den zwischen den Rollen begrenzten Kammern der Rollenzellenpumpe über die außensei­ tigen Radialschlitze in die Axialkammer strömen sowie von dort über die innenseitigen Radialschlitze des Verstellrin­ ges in die Flügelzellenkammern des Motors einströmen und im drucklosen Bereich axial aus den Flügelzellenkammern des Motors abströmen. Die den Verstellring axial nicht völlig durchdringende Axialkammer bzw. der damit definierte Zu­ ström- und Verteilkanal schließt etwa 270° des Umfangs des Flügelzellenmotors ein.

Die Pumpen-/Motoreinheit lagert vorteilhaft auf der Kurbel­ welle der Brennkraftmaschine, wobei diese Aufstecklösung insbesondere den Bauaufwand reduziert, da in diesem Fall ein Lager eingespart werden kann.

Die entweder mit variabler oder konstanter Ausgangsdrehzahl zu betreibende Pumpen-/Motoreinheit läßt sich vorteilhaft mit zumindest einer zweiten Pumpen-/Motoreinheit kombinie­ ren.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläu­ tert. ln der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine radial ineinander gebaute Pumpen-/Motorein­ heit bestehend aus einer äußeren Rollenzellenpum­ pe und einem Flügelzellenmotor, in der Vorderan­ sicht dargestellt; und

Fig. 2 den Gegenstand gemäß Fig. 1 entlang der Linie II-II geschnitten.

In einem Getriebegehäuse 1 lagern eine Rollenzellenpumpe 2 und ein Flügelzellenmotor 3. Zwischen einem mit der Dreh­ zahl einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine rotieren­ den Verdrängerkörper 4 der Pumpe 2 und einem Rotor 5 des Flügelzellenmotors 3 ist ein zusammen mit dem Gehäuse 1 radial verstellbarer Ring 6 angeordnet. Der Verstellring bildet mit seiner Außenringfläche 7 einerseits einen inne­ ren Laufring für weiterhin von einem äußeren Stützring 8 eingeschlossene Rollen der Pumpe 2 und nimmt weiterhin den zentrisch im Gehäuse 1 gelagerten Rotor 5 des Motors auf; im Rotor 5 durch Fliehkraft oder Federn radial verschieb­ lich angeordnete Flügel 9 legen sich dichtend gegen die innere Ringfläche 10 des Verstellringes 6. Der Verstellring 6 weist einen axialen Kanal bzw. eine Axialkammer 11 auf, die sich etwa über 270° des Umfanges des Flügelzellenmotors 3 erstreckt und einerseits über außenseitige Radialschlitze 12 mit von den Rollen begrenzten Kammern 13 der Rollen­ zellenpumpe 2 und andererseits über innenseitige Radial­ schlitze 14 mit zwischen den Flügeln 9 des Flügelzellenmo­ tors 3 eingeschlossenen Kammern 15 verbindbar ist.

Das Treibmedium strömt in der in Fig. 1 dargestellten Betriebsphase der Rollenzellenpumpe 2 axial in dem Bereich zu, in denen die Kammern 13 der Pumpe keine Verbindung mit der Axialkammer 11 des Verstellringes 6 haben. Beim weite­ ren Rotieren des Verdrängerkörpers 4 in Pfeilrichtung 16 kommen diese Kammern in den Bereich des Verstellringes 6 mit den außenseitigen Radialschlitzen 12, wie in der rech­ ten Hälfte von Fig. 1 dargestellt, so daß das Treibmedium unmittelbar nachdem die in Drehrichtung vordere Rolle der Rollenzellenpumpe 2 die Vorderkante des ersten Radialschlit­ zes überfahren hat in die Axialkammer 11 eintritt, wie durch die Zuströmpfeile 17 verdeutlicht wird. Das Treibme­ dium strömt danach der in Fig. 1 dargestellten linken Hälf­ te des Flügelzellenmotors 3 zu und tritt über die innensei­ tigen Radialschlitze 14 gemäß den Zuströmpfeilen 18 in die zwischen den Flügeln 9 eingeschlossenen Kammern des Motors 3 ein. Entsprechend der Menge des zugeführten Treibmediums wird der Rotor 5 mehr oder weniger schnell angetrieben, wobei das Treibmedium nach vollbrachter Arbeit über die in Fig. 1 in der rechten Hälfte dargestellten Kammern des Motors 3 axial abströmt.

Der Verdrängerkörper 4 der Rollenzellenpumpe 2 wird, wie in Fig. 2 dargestellt, mittels einer Nabe 19 auf eine Kurbel­ welle 20 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine aufge­ steckt, so daß der Verdrängerkörper mit einer der Drehzahl der Brennkraftmaschine entsprechenden Drehzahl rotiert. Die­ se Drehzahl wird über den Flügelzellenmotor 3 auf einen für die Nebenaggregate geeigneten Wert herabgesetzt bzw. erhöht und von einer Riemenscheibe 21, die auf einem Wellenzapfen 22 des Rotors 5 des Flügelzellenmotors 3 befestigt ist, an die Aggregate abgegeben.

Das Übersetzungsverhältnis von Pumpendrehzahl zu Motordreh­ zahl der hydrostatischen Antriebseinheit 2, 3 wird durch gemeinsames radiales Verstellen von Ring 6 und Gehäuse 1 in Pfeilrichtung 23 an die jeweilige Lastbedingung angepaßt. Denn bedingt durch die vom Mittelpunkt M des Rotors 5 einander genau entgegengesetzten Exzentrizitäten E 2 bzw. E 3 der die Hubkurve für die Rollen der Pumpe 2 bestimmende Außenringfläche 7 bzw. für die Flügel des Motors 3 be­ stimmende Innenringfläche 10 des Verstellringes 6, werden die von den Rollen bzw. Flügeln eingeschlossenen Volumen gegensinnig verändert. Bei der beispielsweise in Fig. 1 dargestellten Betriebsphase, in der die Exzentrizität E 3 des Motors 3 in der unteren Hälfte der Figur und in der dementsprechend die Exzentrizität E 2 der Pumpe 2 in der oberen Hälfte der Figur am größten ist, verlagern sich mit dem radialen Verstellen des Ringes 6 in Richtung der nach unten weisenden Spitze des Doppelpfeiles 23 die Exzentrizi­ täten genau entgegengesetzt, d. h. die Exzentrizität des Motors 3 ist dann in der oberen und die Exzentrizität der Pumpe 2 in der unteren Hälfte der Figur am größten. Das radiale Verstellen des Gehäuses 1 mit dem Ring 6 läßt sich mittels einer nicht dargestellten Stelleinheit erreichen, beispielsweise durch einen Zylinder.

Claims (10)

1. Regelbarer hydrostatischer Antrieb, insbesondere für die Nebenaggregate von Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschi­ nen, bestehend aus einer mit einem Motor verbundenen Pumpe, gekennzeichnet durch gegensinnig einstellbare Fördervolumina von Pumpe (2) und Motor (3).

2. Antrieb nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine radial ineinandergebaute Pumpen-/Motoreinheit (2, 3).

3. Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen der Pumpe (2) und dem Motor (3) ein Verstellring (6) mit entgegengesetzt exzentrischem Kur­ venverlauf von Innenring- und Außenringfläche (10 bzw. 7) angeordnet ist.

4. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (2) den Motor (3) umgibt und die Pumpen-/Motoreinheit in einem ge­ meinsamen Gehäuse (1) angeordnet ist.

5. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpen-/Motorein­ heit (2, 3) aus einer Rollenzellenpumpe und einem Flügelzellenmotor besteht.

6. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenringfläche (7) des Verstellrings (6) als innerer Laufring der Rollen­ zellenpumpe (2) ausgebildet ist.

7. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenringfläche (10) des Verstellrings (6) den Rotor (5) des Motors (3) umgibt.

8. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstellring (6) zwischen Außen- und Innenringfläche (7, 10) zumindest eine kanalartige Axialkammer (11) und im Bereich der Kammer (11) angeordnete außen- und innenseitige, radia­ le Wandschlitze (12, 14) aufweist.

9. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpen-/Motorein­ heit (2, 3) auf der Kurbelwelle (20) der Brennkraftma­ schine lagert.

10. Verwendung des Antriebes nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 in Kombination mit zumindest einer zweiten Pumpen-/Motoreinheit (2, 3).