DE4235710A1 - Hydromechanisches Antriebsaggregat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein hydromechanisches Antriebsaggregat mit mindestens zwei hydrostatischen Motoren, die hydraulisch parallel geschaltet und ausgangsseitig mechanisch miteinander gekoppelt sind und von denen zumindest ein Motor hydraulisch abschaltbar ist, wobei das beim Abschalten des Motors zur Verfügung stehende Druckmittel zur Aufnahme durch den anderen Motor vorgesehen ist.

Derartige Antriebsaggregate werden in zunehmenden Maße als zentrale Verteilergetriebe in Arbeitsmaschinen (Mobilbagger, Radlader etc.) verwendet und ersetzen dort die bisher üblichen Kombinationen aus Hydromotor und nachgeordnetem Schaltgetriebe (häufig auch unter Last schaltbare Getriebe), deren Zweck es ist, den Wandelbereich des aus Pumpe und Motor bestehenden hydrostatischen Fahrantriebs zu vergrößern. Das Getriebe, von dem aus die Antriebsleistung über Gelenkwellen auf die vordere und hintere Antriebsachse verteilt wird, weist überwiegend zwei, seltener auch drei Schaltstufen auf, die beim Schalten zur Vermeidung von Schaltstößen zu synchronisieren sind, was steuerungstechnisch schwierig ist. Darüber hinaus ist in den meisten Fällen der Einsatz von Reibkupplungen erforderlich, wodurch ein solches Antriebsaggregat viele Einzelteile aufweist und erheblichen Bauraum benötigt.

Die Nachteile der Schaltgetriebe werden durch den Einsatz der gattungsgemäßen hydromechanischen Antriebsaggregate vermieden. Hierbei sind mindestens zwei Motoren durch ein Summengetriebe mit fester Übersetzung mechanisch miteinander verbunden. Mit steigender Fahrgeschwindigkeit wird das Schluckvolumen eines der Motoren bis auf Null verringert. Dieser Vorgang läuft stufenlos und ruckfrei ab. Das freiwerdende Druckmittel steht zur Beaufschlagung des anderen Motors zur Verfügung, so daß die Fahrgeschwindigkeit weiter erhöht werden kann. Der abge­ schaltete Motor, der keinen Volumenstrom mehr aufnimmt und auch kein Drehmoment mehr abgibt, ist weiter mit Druck beaufschlagt und dreht auch weiter mit. Wegen der dabei auftretenden hohen Drehzahlen entstehen große Lecköl- und Planschverluste, die sich im Ergebnis als erhebliche Leistungsverluste bemerkbar machen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein einfach aufgebautes und wirtschaftlich herstellbares hydro­ mechanisches Antriebsaggregat der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, dessen Wirkungsgrad verbessert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der abschaltbare Motor als innenbeaufschlagter, langsam laufender Radialkolbenmotor mit einem drehbar gelagerten Gehäuse aus­ gebildet ist und der andere Motor als verstellbarer, schnell laufender Axialkolbenmotor, wobei der Axialkolbenmotor aus­ gangsseitig treibend mit dem Gehäuse des Radialkolbenmotors verbunden ist, das mit einem Abtriebselement des hydro­ mechanischen Antriebsaggregat drehfest in Verbindung steht. Der langsam laufende Radialkolbenmotor hat einen sehr guten Wirkungsgrad, insbesondere beim Anfahren. Nach dem Abschalten des Radialkolbenmotors läuft dessen umlaufendes Gehäuse dann getrieben vom Axialkolbenmotor leer mit. Die hierbei auf­ tretenden Planschverluste sind bei einem Radialkolbenmotor systembedingt gering. Die Anpassung der unterschiedlichen Drehzahlen der beiden Motoren erfolgt durch eine Übersetzung in der Triebverbindung zwischen dem Ausgang des Axialkolbenmotors und dem umlaufenden Gehäuse des Radialkolbenmotors. Die Erfindung ermöglicht einen großen Wandelbereich und einen guten Wirkungsgrad eines hydromechanischen Antriebsaggregats ohne Einsatz eines Schaltgetriebes und verschleißanfälliger Reibkupplungen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Radialkolbenmotor als Konstantmotor ausgebildet ist. Das Abschalten, also die Freilaufschaltung gestaltet sich bei einem solchen Motor sehr einfach. Hierzu erfolgt nämlich eine Trennung vom Hydraulikkreislauf, wobei gleichzeitig das Gehäuseinnere mit einem geringem Druck beaufschlagt wird, beispielsweise 0,5 bis 1 bar, so daß die Kolben von der radial außenliegenden Kurvenbahn an der Innenwandung des Gehäuses in die radial innenliegende Totpunktlage gedrückt werden, wo sie verharren solange der Druck aufrechterhalten wird.

Um ein ruckfreies Zu- und Abschalten des Radialkolbenmotors zu gewährleisten, ist es erforderlich, den Verstellbereich des Axialkolbenmotors und das konstante Schluckvolumen des Radialkolbenmotors aneinander anzupassen. Vor dem Abschalten des Radialkolbenmotors muß der Verstellmotor auf minimales Schluckvolumen eingestellt sein. Unmittelbar danach muß bei gleicher Drehzahl der Axialkolbenmotor auf maximales Schluck­ volumen eingestellt sein, um den vom Radialkolbenmotor nicht mehr aufgenommenen Volumenstrom zusätzlich aufnehmen zu können. Es ist deshalb günstig, wenn der verstellbare Axialkolbenmotor mit einem Konstantdruckregler versehen ist. In diesem Fall wird der Axialkolbenmotor beim Abschalten des Radialkolbenmotors automatisch von minimalem auf maximales Schluckvolumen eingestellt und kann somit das zusätzlich zur Verfügung stehende Druckmittel aufnehmen. Wenn die Fahrgeschwindigkeit reduziert werden soll und daher der Radialkolbenmotor zugeschaltet wird, läuft dieser Vorgang in umgekehrter Richtung ab.

Es erweist sich als vorteilhaft, die Triebverbindung zwischen dem Axialkolbenmotor und dem Radialkolbenmotor derart zu gestalten, daß das Gehäuse des Radialkolbenmotors am Außen­ umfang mit einer Verzahnung versehen ist, die mit einem Zahnrad in Eingriff steht, das drehfest mit der Abtriebswelle des Axialkolbenmotors verbunden ist. Durch die Nutzung des umlaufenden Gehäuses des Radialkolbenmotors als Zahnrad wird der Platzbedarf des hydromechanischen Antriebsaggregats verringert. Es ist deshalb eine sehr kompakte Ausführung möglich, so daß das Antriebsaggregat beispielsweise auch als Radnabenantrieb mit großem Wandelbereich geeignet ist. Hingegen sind herkömmliche Lastschaltgetriebe in Radnabenantrieben bezüglich des Einbauraums und auch im Hinblick auf die Steuerung problematischer. Die Übertragung zweier Funktionen auf ein Bauteil, das gleichzeitig Gehäuse des Radialkolben­ motors und Zahnrad im Antriebsstrang ist, bedeutet darüber hinaus eine Herabsetzung der Herstellkosten.

Wenn das Abtriebselement des hydromechanischen Antriebs­ aggregats aus einer den Radialkolbenmotor zentrisch durchsetzenden Welle besteht, die mit dem Gehäuse des Radialkolbenmotors drehfest verbunden ist und an beiden Wellenenden jeweils eine Drehmomentübertragungseinrichtung aufweist, werden weitere Vorteile erzielt. Zum einen bringt die direkte Verbindung des umlaufenden Gehäuses mit einer Antriebswelle Kostenvorteile, zum anderen ermöglicht die durchgehende Welle einen Abgriff der Leistung an zwei Seiten des hydromechanischen Antriebsaggregats.

Wenn ein größerer Wandelbereich erforderlich ist, als der mit einem Axialkolbenmotor und einem Radialkolbenmotor erreichbare Wandelbereich, ist es zweckmäßig, den Axialkolbenmotor ausgangs­ seitig mit zwei hydraulisch parallel geschalteten und abschalt­ baren Radialkolbenmotoren treibend zu verbinden. Die Radial­ kolbenmotoren werden dann zeitlich hintereinander ab- oder zugeschaltet. Der bereits beschriebene Schaltvorgang läuft dann zweimal nacheinander ab.

Ein günstiger Kraftfluß bei geringen Abmessungen wird dadurch erreicht, daß der Axialkolbenmotor eine durchgehende Abtriebswelle aufweist, die an beiden Enden jeweils treibend mit dem Gehäuse eines Radialkolbenmotors verbunden ist.

Die beschriebenen Ausführungen der erfindungsgemäßen hydro­ mechanischen Antriebsaggregate sind besonders geeignet für die Verwendung als Zentralantrieb in einem Fahrzeug mit Allrad­ antrieb.

Sofern die Motoren in einem gemeinsamen Getriebegehäuse angeordnet sind, können die bisher verwendeten Zentralantriebe problemlos gegen die erfindungsgemäßen hydrostatischen Antriebsaggregate ausgetauscht werden, wobei der Platzbedarf geringer oder zumindest gleich und die Funktion verbessert ist.

Eine weitere Vergrößerung des Gesamtwandelbereichs ist möglich, wenn zum Antrieb der Motoren eine verstellbare hydrostatische Pumpe vorgesehen ist. Beim Ab- bzw. Zuschalten der Motoren wird dann nicht nur das Schluckvolumen des Axialkolbenmotors verändert, sondern auch das Fördervolumen der Pumpe. Beispiels­ weise muß bei einem Wandelbereich der Pumpe von 2 der Verstell­ motor nur die Hälfte des vom Konstantmotors nicht mehr aufge­ nommenen Volumenstroms zusätzlich schlucken, während die andere Hälfte durch Verringern des Fördervolumens der Pumpe kompensiert wird.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungs­ beispiele näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes hydromechanisches Antriebsaggregat bestehend aus zwei Motoren;

Fig. 2 einen Schnitt durch das umlaufende Gehäuse eines Radialkolbenmotors;

Fig. 3 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes hydromechanisches Antriebsaggregat bestehend aus drei Motoren;

Fig. 4 einen Schaltplan für das Antriebsaggregat nach Fig. 1;

Fig. 5 einen Schaltplan für das Antriebsaggregat nach Fig. 3.

Das erfindungsgemäße hydromechanische Antriebsaggregat, das in diesem und im folgenden Ausführungsbeispiel als Zentralantrieb für eine Arbeitsmaschine vorgesehen ist, weist eine im Schluck­ volumen verstellbaren hydrostatischen Axialkolbenmotor 1 auf, der in ein Getriebegehäuse 2 eingeschoben ist. Die in das Innere des Getriebegehäuses 2 ragende Abtriebswelle 3 des Axialkolbenmotors ist mit einem Zahnrad (Ritzel) 4 verbunden, das an einer im Getriebegehäuse 2 gelagerten und auf der Abtriebswelle 3 abgestützten Verlängerungswelle 5 angeformt ist. Zwischen dem Zahnrad 4 und der Innenwandung des Getriebe­ gehäuse 2 kann eine in der Figur nicht dargestellte Lamellen­ bremse angeordnet sein.

Das Zahnrad 4 kämmt mit einer Verzahnung 6, die am Außenumfang des Gehäuses 7 eines innenbeaufschlagten Radialkolbenmotors 8 mit konstantem Schluckvolumen angebracht ist. Das Gehäuse 7 ist drehbar gelagert. Zu diesem Zweck sind zwei Lager 9a und 9b auf einem Zapfen 10 eines Getriebegehäusedeckels 11 angeordnet. Der Getriebegehäusedeckel 11 bildet einen Teil des Getriebegehäuses 2 und ist mit Kanälen 12 zur Zu- und Abfuhr von Druckmittel versehen, die zu den Druckräumen vor den radial angeordneten Kolben 13 des Radialkolbenmotors 8 führen. Auf der in der Figur linken Seite des Radialkolbenmotors 8 ist dessen Gehäuse 7 mit einem Flansch 13 drehfest verbunden, der mittels eines Lagers 14 im Getriebegehäuse 2 abgestützt ist. Der aus dem Getriebe­ gehäuse 2 herausragende Flansch 13 ist als Drehmomentmitnahme­ einrichtung ausgebildet und mit einer Welle 15 drehfest verbunden, die den Radialkolbenmotor 8 zentrisch durchsetzt und die auf der in der Figur rechten Seite des Radialkolbenmotors 8 im Getriebegehäusedeckel 12 gelagert ist. Die Welle 15 ist am rechten Wellenende mit einer Drehmomentmitnahmeeinrichtung 16 verbunden, die ebenso wie der als die Drehmomentmitnahme­ einrichtung ausgebildete Flansch 13 zur Verbindung mit einer Gelenkwelle vorgesehen ist.

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch das umlaufende Gehäuse 7 des Radialkolbenmotors 8 dargestellt. Die Kolben 13 sind in einer drehfest mit dem Zapfen 10 verbundenen Kolbenaufnahme angeordnet. Durch Beaufschlagen der radial inneren Stirnfläche der Kolben 13 mit Druckmittel werden diese radial nach außen gegen eine Kurvenbahn gedrückt, die an der Innenfläche der Gehäusewandung angeformt ist. Dadurch wird eine Drehbewegung des Gehäuses 10 erzeugt. Wenn umgekehrt der Innenraum des Gehäuses 10 mit einem leichten Überdruck beaufschlagt wird, heben die Kolben 13 von der Kurvenbahn ab und werden in ihre radial innere Totpunktlage gedrückt. Das Gehäuse 10 ist dann frei drehbar.

Das hydromechanische Antriebsaggregat funktioniert wie folgt: Der im Schluckvolumen verstellbare Axialkolbenmotor 1 und der im Schluckvolumen konstante Radialkolbenmotor 8 sind zunächst hydraulisch parallel geschaltet. Der Drehzahlunterschied zwischen dem schnell laufenden Axialkolbenmotor 1 und dem langsam laufenden Radialkolbenmotor 8 wird durch eine Übersetzung zwischen dem Zahnrad 4 und der Verzahnung 6 ausgeglichen. Sobald eine bestimmte Drehzahl erreicht ist (diese wird im Bereich der Maximaldrehzahl des Radialkolben­ motors 8 liegen), wird der Radialkolbenmotor 8 durch Trennen vom hydraulischen Kreislauf und gleichzeitiges Beaufschlagen des Gehäuseinnenraums mit einem leichten Überdruck abge­ schaltet. Der vor dem Abschalten auf minimales Schluckvolumen eingestellte Axialkolbenmotor 1 schwenkt nun sofort auf maximales Schluckvolumen, um das freigewordene Druckmittel des Radialkolbenmotors 8 aufnehmen zu können. Die Abtriebsdrehzahl des Axialkolbenmotors 1 und damit auch die Abtriebsdrehzahl des hydromechanischen Antriebsaggregats, die an den Drehmomentmit­ nahmeeinrichtungen abgegriffen wird, kann nun weiter erhöht werden, indem der Axialkolbenmotor 1 in Richtung zum minimalen Schluckvolumen verstellt wird.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem das hydro­ mechanische Antriebsaggregat mit zwei zum Axialkolbenmotor hydraulisch parallel geschalteten Radialkolbenmotoren versehen ist. Hierbei sind sämtliche Motoren vollständig im Innern des Getriebegehäuses 2 angeordnet. Der Axialkolbenmotor 1a ist mit einer durchgehenden Abtriebswelle 3a versehen, auf deren Enden jeweils ein Zahnrad 4a bzw. 4b befestigt ist. Jedes Zahnrad 4a bzw. 4b steht im Eingriff mit dem drehbaren Gehäuse eines Radialkolbenmotors 8a bzw. 8b. Die Radialkolbenmotoren 8a und 8b werden nacheinander ab- oder zugeschaltet. Der bereits beschriebene Schaltvorgang läuft dann zweimal hintereinander ab.

Mit Hilfe einer derartigen Anordnung läßt sich ein größerer Wandelbereich erreichen als mit einer Anordnung, die nur einen Radialkolbenmotor aufweist. Beispielsweise kann bei einem Wandelbereich des verstellbaren Axialkolbenmotors von 3 unter Verwendung von nur einem Radialkolbenmotor mit konstantem Schluckvolumen ein Gesamtwandelbereich von 5, hingegen bei Verwendung von zwei abschaltbaren Radialkolbenmotoren mit konstantem Schluckvolumen leicht ein Gesamtwandelbereich von 7 erreicht werden. Zusammen mit einem Wandelbereich von 2 einer verstellbaren Pumpe, die die Motoren antreibt, ergibt sich für den hydrostatischen Fahrantrieb eines Fahrzeugs dann ein Gesamtwandelbereich von 10 bzw. 14, was für die meisten Anwendungsfälle ausreicht.

Die Fig. 4 und 5 zeigen einen vereinfachten hydraulischen Schaltplan der Anordnung mit einem abschaltbaren Motor (Fig. 4) bzw. der Anordnung mit zwei abschaltbaren Motoren (Fig. 5). Mit Hilfe eines Wegeventils 17 bzw. zweier Wegeventile 17a, 17b erfolgt die Trennung des/der Konstantmotoren vom hydraulischen Kreislauf, während gleichzeitig mit Hilfe eines weiteren Wegeventils 18 bzw. zweier weiterer Wegeventile 18a, 18b die Leerlaufschaltung bewirkt wird.

Claims (10)

1. Hydromechanisches Antriebsaggregat mit mindestens zwei hydrostatischen Motoren, die hydraulisch parallel geschaltet und ausgangsseitig mechanisch miteinander gekoppelt sind und von denen zumindest ein Motor hydraulisch abschaltbar ist, wobei das beim Abschalten des Motors zur Verfügung stehende Druckmittel zur Aufnahme durch den anderen Motor vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der abschaltbare Motor als innen­ beaufschlagter, langsam laufender Radialkolbenmotor (8) mit einem drehbar gelagerten Gehäuse (7) ausgebildet ist und der andere Motor als verstellbarer, schnell laufender Axialkolbenmotor (1), wobei der Axialkolbenmotor (1) ausgangsseitig treibend mit dem Gehäuse (7) des Radialkolbenmotors (8) verbunden ist, das mit einem Abtriebselement des hydromechanischen Antriebsaggregats drehfest in Verbindung steht.

2. Hydromechanisches Antriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Radialkolbenmotor (8) als Konstantmotor ausgebildet ist.

3. Hydromechanisches Antriebsaggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der verstellbare Axialkolbenmotor (1) mit einem Konstantdruckregler versehen ist.

4. Hydromechanisches Antriebsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (7) des Radialkolbenmotors (8) am Außenumfang mit einer Verzahnung (6) versehen ist, die mit einem Zahnrad (4) in Eingriff steht, das drehfest mit der Abtriebswelle (3) des Axialkolbenmotors (1) verbunden ist.

5. Hydromechanisches Antriebsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtriebselement des hydromechanischen Antriebsaggregats aus einer den Radialkolbenmotor (8) zentrisch durchsetzenden Welle (15) besteht, die mit dem Gehäuse (7) des Radialkolbenmotors (8) drehfest verbunden ist und an beiden Wellenenden jeweils eine Drehmomentübertragungs­ einrichtung (13, 16) aufweist.

6. Hydromechanisches Antriebsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Axialkolbenmotor (1a) ausgangsseitig mit zwei hydraulisch parallel geschalteten und abschaltbaren Radialkolben­ motoren (8a, 8b) treibend verbunden ist.

7. Hydromechanisches Antriebsaggregat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Axialkolbenmotor (1a) eine durchgehende Abtriebswelle (3a) aufweist, die an beiden Enden jeweils treibend mit dem Gehäuse eines Radialkolbenmotors (8a bzw. 8b) verbunden ist.

8. Hydromechanisches Antriebsaggregat nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch die Verwendung als Zentralantrieb in einem Fahrzeug mit Allradantrieb.

9. Hydromechanisches Antriebsaggregat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Motoren (1, 8 bzw. 1a, 8a, 8b) in einem gemeinsamen Getriebegehäuse (2) angeordnet sind.

10. Hydromechanisches Antriebsaggregat nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Antrieb der Motoren (1, 8 bzw. 1a, 8a, 8b) eine verstellbare hydrostatische Pumpe vorgesehen ist.