DE4413033C2 - Schaltbare hydrostatische Kupplung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur hydrostatischen Übertragung von Kräften und Drehbewegungen von einer ersten auf eine zweite Welle. Die Einrichtung ist als Kupplung im Fahrzeug- oder Maschinenbau überall dort einsetzbar, wo Drehmomente aller Größenbereiche bei kleineren bis mittleren Drehzahlen übertragen werden sollen. Mit Hilfe einer Betätigungs­ einrichtung kann die Übertragung während des Betriebes oder auch bei Stillstand beliebig oft unterbrochen und wieder zugeschaltet werden; die Richtung des Kraftflusses ist unkritisch, sie kann konstant sein oder auch wechseln.

Neben mechanischen Baugruppen werden in der Technik häufig hydraulische Systeme zur Übertragung von Kräften und Bewegungen genutzt. Die Übertragung erfolgt dabei mit Hilfe einer Flüssigkeitssäule (hydrostatische Systeme) oder durch Ausnutzung der Geschwindig­ keitsenergie eines Flüssigkeitsstromes (hydrodynamische oder Strömungssysteme).

Handelt es sich bei der zu übertragenden Bewegung um eine Drehbewegung, werden in der Regel hydrodynamische Kupplungen verwendet, die im einfachsten Fall aus einem Kreiselpum­ penrad und einem Turbinenrad bestehen. Ihre Wirkungsweise beruht darauf, daß eine zwischen die Beschaufelung von Pumpe und Turbine eingebrachte Flüssigkeitsmenge durch die Zentrifu­ galwirkung in der Pumpe nach außen geschleudert wird und dort das Turbinenrad beauf­ schlagt. Es kommt so zur Mitnahme des anfangs stillstehenden Turbinenrades, das mit der An­ triebswelle verbunden ist. Nachteilig hierbei ist, daß lediglich relativ kleine Drehmomente über­ tragen werden können und daß eine Variation der Übertragungsfähigkeit (Ein- oder Ausschal­ ten; Erhöhung oder Verringerung des übertragbaren Drehmomentes) nur mit hohem konstruk­ tiven Aufwand realisierbar ist, z. B. durch Änderung des Füllungsgrades mittels Schöpfrohr, Zahnradpumpe usw.

Bekannte hydrostatische Systeme zur Übertragung drehender Bewegungen von Welle zu Welle bestehen grundsätzlich aus einer Verdrängerpumpe mit Räder-, Flügel- oder Kolbenzellen und meist auch aus einem eben solchen Flüssigkeitsmotor. Über die Antriebswelle wird der Pumpe mechanische Energie zugeführt, die damit eine Flüssigkeitssäule (Öl) fördert. Dabei stellt sich ein Druck ein, der von dem Widerstand am Hydromotor (abgenommenes Drehmoment) ab­ hängig ist. Die Drehzahl des Hydromotors bestimmt sich aus seinem Schluckvolumen und der von der Pumpe geförderten Ölmenge. Wenn das Drucköl im Motor seine Arbeit verrichtet hat, fließt es beim offenen Kreislauf dem Ölbehälter zu und wird hier von der Pumpe wieder ange­ saugt. Diese Übertragungssysteme sind nachteiligerweise sehr aufwendig, da sie aus mehreren, an sich schon recht aufwendigen Baugruppen bestehen (Motor, Pumpe, Verstelleinrichtungen). Dieser Aufwand wird weiterhin erhöht, wenn die Systeme schaltbar ausgeführt werden sollen und darüberhinaus gefordert wird, daß der Kraftfluß auch in umgekehrter Richtung erfolgen kann (Abtriebswelle wird zur Antriebswelle).

Bekannt ist eine hydraulische Kupplung aus der Offenlegungsschrift DE 20 28 020, wobei ein zylindrischer Kreisringschieber außerhalb der trochoiden Lauffläche ein Absperrelement ist.

Der Nachteil ist, daß in den Öffnungen der Trochoide, die zum Kreisringschieber (55) führen, auch bei Schiebersperrstellung ein Flüssigkeitsaustausch zwischen den Druckzonen erfolgt, so daß das System nicht starr zu stellen ist. Eine andere vorgestellte Hydrauliksteuerung mittels Ventilen in der Trochoide zeigt den gleichen Nachteil.

Bekannt ist weiter eine Publikation der NSU Werke Neckarsulm durch GB 791 689 wonach die Maschine als Pumpe, Gebläse oder als Expansionsmaschine verwendet werden kann, jedoch ist nicht vorgesehen einen Austausch mit Hydraulikflüssigkeit zwischen den Kammern untereinander innerhalb einer Maschine wahlweise zu blockieren oder freizugeben.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein System zur Übertragung von Kräften und Drehbewegungen von einer ersten auf eine zweite Welle zu schaffen, das auf der Grundlage einer unkomplizierten Konstruktion und bei vertretbarem Aufwand die Übertra­ gung kleiner bis sehr großer Drehmomente ermöglicht, das auch bei alternierender Kraftfluß­ richtung einsetzbar ist und das weiterhin die Aufhebung bzw. Zuschaltung der Übertragungs­ funktion im Betrieb oder auch bei Stillstand ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit einer schaltbaren hydrostatischen Kupplung zur Übertragung von Drehmomenten von einer ersten auf eine zweite Welle dadurch gelöst, daß zur Übertragung der Kräfte und der Drehbewegung ein Kreiskolben vorgesehen ist, dessen Querschnitt senk­ recht zu seiner Drehachse die Form eines Bogendreiecks aufweist. Dieser Kreiskolben ist dreh­ bar auf einem Exzenter gelagert und in radialer wie axialer Richtung von einem ebenfalls dreh­ bar gelagerten Gehäuse umschlossen. Die Spitzen des Bogendreiecks berühren die Innenfläche des Gehäuses und die drei Kolbenflächen des Kreiskolbens schließen mit Abschnitten der Ge­ häuseinnenfläche Hohlräume ein, deren Rauminhalte in Abhängigkeit von der Drehphase des Exzenters, des Kreiskolbens und des Gehäuses variabel sind. Kreiskolben und Gehäuse sind zwar relativ zueinander beweglich, jedoch ist diese Beweglichkeit durch ein Zahnradgetriebe festgelegt, bei dem das Ritzel mit Außenverzahnung am Gehäuse und das größere Zahnrad mit Innenverzahnung am Kreiskolben ausgebildet ist. Die Länge des Kreiskolbens in Achsrichtung ist etwa doppelt so groß ist wie die Länge des Exzenters, so daß Oberflächenabschnitte des Kreiskolbens, Abschnitte der Gehäuseinnenfläche und die seitlichen Begrenzungsflächen des Exzenters zwei Kammern bilden. Der Exzenter ist innerhalb des Kreiskolbens axial verschieb­ bar, wobei die beiden Kammern in Mittelstellung des Exzenters etwa gleichen Rauminhalt ha­ ben. Beide Kammern kommunizieren über mindestens einen Durchlaßkanal miteinander. Jeder der drei Hohlräume, welche die Kolbenflächen mit der Gehäuseinnenfläche einschließen, steht über mindestens einen in die jeweilige Kolbenfläche eingebrachten Durchbruch mit einer der Kammern in Verbindung. Die Durchbrüche sind dabei so angeordnet, daß sie bei äußerster axialer Verschiebung des Exzenters durch die Exzenteroberfläche verschlossen sind. Die Hohlräume und Kammern sind mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt. Der Exzenter ist mit der ersten und das Gehäuse mit der zweiten Welle mechanisch fest verbunden.

Als Übertragungsflüssigkeit sollte vorteilhafterweise Öl vorgesehen sein. Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn das Verhältnis der Zähnezahlen von Ritzel zu Zahnrad wie 2 : 3 ausgeführt sind. Als Durchlaßkanal zur Verbindung der Kammern miteinander kann eine Bohrung im Exzenter oder ein in das Gehäuse eingebrachtes Röhrensystem vorhanden sein. Unter Umständen ist es vorteilhaft, wenn der Exzenter aus mehreren einzelnen Scheiben gefertigt ist. Dabei kann die Scheibe, welche den Exzenter zu der Kammer hin abschließt, die mit Durchbrüchen zu den Hohlräumen versehen ist, als Drehschieber ausgebildet sein. Je nach gewünschter Kraftfluß­ richtung kann entweder die erste oder die zweite Welle mit einem Antriebsaggregat der techni­ schen Anlage verbunden sein, innerhalb der die Übertragung des Drehmomentes erfolgen soll. Zur Verschiebung des Exzenters innerhalb des Kreiskolbens kann eine Betätigungseinrichtung vorgesehen sein.

Ist beim Betreiben der erfindungsgemäßen Kupplung der Exzenter mit einer rotierenden Welle verbunden und durch axiale Verschiebung in eine Position gebracht, in welcher die Durchbrü­ che zwischen den Hohlräumen und einer der Kammern freigegeben sind, so wird der Kreiskol­ ben - durch den Exzenter mitgenommen und durch das Zahnradgetriebe relativ zum Gehäuse ebenfalls in Rotation versetzt. Die sich in den Hohlräumen und Kammern befindende Flüssig­ keit wird bei Druckausgleich über die Durchbrüche ausgetauscht; das hat zur Folge, daß in kei­ nem der Hohlräume, deren Rauminhalte sich mit der Rotation des Kreiskolbens ununterbro­ chen ändern, ein wirksamer Druck gegen das Gehäuse aufgebaut werden kann. Das Gehäuse und die mit ihm verbundene Welle stehen still, d. h. die Drehbewegung wird nicht übertragen.

Wird die Position des Exzenters durch Axialverschiebung so verändert, daß die Durchbrüche vermittels der Exzenteroberfläche verschlossen werden, wird die Austauschbarkeit der Flüssig­ keit und damit der Druckausgleich zunehmend behindert, wodurch sich in den Hohlräumen zwischen den Kolbenflächen und der Gehäuseinnenfläche ein Druck einstellt, dessen Höhe vom Widerstand des Gehäuses gegen die Rotationsbewegung abhängig ist. Bei äußerster Position des Exzenters, in der die Durchbrüche von den Hohlräumen zu den Kammern im Inneren des Kreiskolbens verschlossen sind, ist kein Flüssigkeitsaustausch und somit kein Druckausgleich mehr möglich. Die Kräfte und die Drehbewegung werden von den Kolbenflächen über die Flüssigkeit auf das Gehäuse und damit auf die zweite Welle übertragen. Das gilt analog für die umgekehrte Kraftflußrichtung, d. h. bei Übertragung einer Drehbewegung der mit dem Gehäuse verbundenen Welle auf die mit dem Exzenter gekoppelte Welle. In diesem Fall erfolgt der Kraft­ fluß vom Gehäuse über die Flüssigkeit, die Kolbenflächen und den Exzenter auf die Welle.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. In den zugehö­ rigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Lösung in einem Schnitt senkrecht zur Drehachse

Fig. 2 die schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Lösung in einem Schnitt in der Drehachse.

In Fig. 1 ist ein Kreiskolben 1 dargestellt, dessen Querschnitt senkrecht zur Drehachse 2 die Form eines Bogendreiecks aufweist. Der Kreiskolben 1 ist drehbar auf einem Exzenter 2 gela­ gert und in radialer Richtung von einem ebenfalls drehbar gelagerten Gehäuse 3 umschlossen; zur Drehlagerung des Gehäuses 3 dienen die Lager 16. Die Spitzen des Bogendreiecks berüh­ ren die Innenfläche des Gehäuses; die drei Kolbenflächen 4, 5, 6 des Kreiskolbens schließen mit Abschnitten der Gehäuseinnenfläche Hohlräume 4′, 5′, 6′ ein. Jede der Kolbenflächen 4, 5, 6 ist mit einem Durchbruch 7 versehen. Die Länge l₁ des Kreiskolbens 1 ist in Achsrichtung (Fig. 2) etwa doppelt so groß wie die Länge l₂ des Exzenters 2, so daß Oberflächenabschnitte des Kreiskolbens, Abschnitte der Gehäuseinnenfläche und die seitlichen Begrenzungsflächen des Exzenters zwei Kammern 8, 9 bilden. Der Exzenter 2 ist innerhalb des Kreiskolbens 1 axial ver­ schiebbar; eine Betätigungseinrichtung ist nicht dargestellt. In der gezeichneten Position des Exzenters 2 (etwa Mittelstellung) haben die beiden Kammern 8, 9 angenähert gleichen Raumin­ halt-Kreiskolben 1 und Gehäuse 3 sind zueinander beweglich, dabei ist der Kreiskolben 1 durch das Gehäuse 3 gegen Längsverschiebung gesichert; seine Rotationsgeschwindigkeit rela­ tiv zum Gehäuse 3 ist durch ein Zahnradgetriebe bestimmt, dessen Zähnezahlen sich wie 2 : 3 verhalten. Dabei ist das Ritzel 10 als Außenverzahnung am Gehäuse 3 ausgebildet; das Zahn­ rad 11 mit der größeren Zähnezahl befindet sich als Innenverzahnung am Kreiskolben 1. Der Exzenter 2 ist mit einer angetriebenen Welle 12 verbunden; die Antriebsquelle ist nicht darge­ stellt. Die beiden Kammern 8, 9 kommunizieren über einen Durchlaßkanal 13 miteinander. Die Durchbrüche 7 sind so angeordnet, daß sie bei äußerster axialer Verschiebung des Exzenters 2 in Richtung Abtriebswelle durch die Exzenteroberfläche verschlossen sind. Die Hohlräume 4′, 5′, 6′ und die Kammern 8, 9 sind mit Öl als Übertragungsflüssigkeit gefüllt. Bei entsprechen­ der Viskosität kann auf Dichtlippen an den Spitzen des Bogendreiecks verzichtet werden. Das Gehäuse 3 ist mit einer zweiten Welle, der Abtriebswelle 15, mechanisch starr verbunden. Die in den Zeichnungen nicht dargestellten Elemente (Betätigungseinrichtung zur Axialverschie­ bungen von Wellen, Antriebsquellen für Rotationsbewegung) sind in der Technik in unter­ schiedlichsten Konfigurationen hinreichend bekannt und können ohne weiteres aus einschlägi­ gen Veröffentlichungen abgeleitet werden.

Befindet sich beim Betreiben der erfindungsgemäßen Kupplung der Exzenter 2 zunächst in der dargestellten Position, sind die Durchbrüche 7 zwischen den Hohlräumen 4′, 5′, 6′ und der Kammer 8 freigegeben. Rotiert der mit der angetriebenen Welle 12 gekoppelte Exzenter 2, so führt er den Mittelpunkt des Kreiskolbens 1 auf einer Kreisbahn um seine Drehachse. Dabei wälzt sich das Zahnrad 11 über das mit dem Gehäuse 3 stillstehende Ritzel 10 ab und der Kreiskolben 1 rotiert innerhalb des Gehäuses 3. Das hat zur Folge, daß sich die Rauminhalte der Hohlräume 4′, 5′, 6′ mit der Drehphase des Kreiskolbens 1 und des Exzenters 2 fortlaufend ändern bzw. in Abhängigkeit von der Rotation größer und kleiner werden. Bei kleiner werden­ dem Volumen eines der Hohlräume 4′, 5′ oder 6′ wird das Öl über den entsprechenden Durch­ bruch 7 in die Kammer 8 und bei größer werdendem Volumen aus der Kammer 8 in den jewei­ ligen Hohlraum 4′, 5′ oder 6′ gedrückt. Dadurch kann sich in keinem der Hohlräume 4′, 5′, 6′ trotz fortwährender Änderung der Rauminhalte kein wirksamer Druck gegen das Gehäuse 3 aufbauen. Das Gehäuse 3 und die mit ihm verbundene Abtriebswelle 15 stehen still, d. h. die Drehbewegung wird nicht übertragen.

Wird die Position des Exzenters 2 durch Axialverschiebung so verändert, daß die Durchbrüche 7 vermittels der Exzenteroberfläche verschlossen werden, wird der Öl-Austausch zwischen den Hohlräumen 4′, 5′, 6′ und der Kammer 8 zunehmend behindert; in den Hohlräumen 4′, 5′, 6′ bil­ det sich ein Druck aus, dessen Höhe vom Widerstand des Gehäuses 3 gegen die Rotationsbewe­ gung (abgenommenes Drehmoment) abhängig ist. In der äußerster Position des Exzenters 2, bei der die Durchbrüche 7 verschlossen sind, ist kein Öl-Austausch und somit kein Druckaus­ gleich mehr möglich; Exzenter 2, Kreiskolben 1, Öl und Gehäuse 3 bilden eine starre Einheit, die Kräfte und die Drehbewegung werden von der angetriebenen Welle 12 über den Exzenter 2, den Kreiskolben 1 und die Ölfüllung auf das Gehäuse 3 und damit auf die Abtriebswelle 15 übertragen. Angetriebene Welle 12, Exzenter 2, Kreiskolben 1, Gehäuse 3 und Abtriebswelle 15 drehen synchron, Ritzel 10 und Zahnrad 11 befinden sich in relativer Ruhe zueinander.

Die beschriebene Funktionsweise gilt analog für die umgekehrte Kraftflußrichtung, d. h. bei Übertragung einer Drehbewegung von der mit dem Gehäuse 3 verbundenen Welle 15 auf die mit dem Exzenter gekoppelte Welle 12.

Bezugszeichenliste

1 Kreiskolben
2 Exzenter
3 Gehäuse
4, 5, 6 Kolbenflächen
4′, 5′, 6′ Hohlräume
7 Durchbruch
8, 9 Kammern
10 Ritzel
11 Zahnrad
12 angetriebene Welle
13 Durchlaßkanal
14 Durchbrüche
15 Abtriebswelle
16 Lager

l₁ Länge des Kreiskolbens
l₂ Länge des Exzenters.

Claims (9)

1. Schaltbare hydrostatische Kupplung zur Übertragung von Drehmomenten von einer ersten auf eine zweite Welle, dadurch gekennzeichnet,

• - daß zur Übertragung der Kräfte und der Drehbewegung ein Kreiskolben (1) vorgesehen ist, dessen Querschnitt senkrecht zu seiner Drehachse die Form eines Bogendreiecks aufweist,
• - daß der Kreiskolben (1) drehbar auf einem Exzenter (2) gelagert und in radialer wie axialer Richtung von einem ebenfalls drehbar gelagerten Gehäuse (3) umschlossen ist,
• - daß die Spitzen des Bogendreiecks die Innenfläche des Gehäuses (3) berühren und die drei Kolbenflächen (4, 5, 6) des Kreiskolbens (1) mit Abschnitten der Gehäuseinnenfläche Hohl­ räume (4′, 5′, 6′) einschließen, deren Rauminhalte in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Exzen­ ters (2), des Kreiskolbens (1) und des Gehäuses (3) variabel sind,
• - daß Kreiskolben (1) und Gehäuse (3) über ein Zahnradgetriebe miteinander verbunden sind, wobei das Ritzel (10) mit Außenverzahnung am Gehäuse (3) und das Zahnrad (11) mit Innen­ verzahnung am Kreiskolben (1) ausgebildet ist,
• - daß die axiale Länge (l₁) des Kreiskolbens (1) etwa doppelt so groß ist wie die Länge (l₂) des Ex­ zenters (2), so daß von der Gehäuseinnenfläche abgewandte Oberflächenabschnitte des Kreiskolbens (1), Abschnitte der axial gerichteten Gehäuseinnen­ fläche und die seitlichen Begrenzungsflächen des Exzenters (2) eine erste (8) und eine zweite (9) Kammer einschlie­ ßen,
• - daß der Exzenter (2) innerhalb des Kreiskolbens (1) axial verschiebbar ist, wobei in Mittelstel­ lung die Kammern (8, 9) etwa gleichen Rauminhalt haben,
• - daß die beiden Kammern (8, 9) über mindestens einen Durchlaßkanal (13) miteinander verbun­ den sind,
• - daß jeder der drei Hohlräume (4′, 5′, 6′) über mindestens je einen Durchbruch (7) in den Kol­ benflächen (4, 5, 6) mit der Kammer (8) in Verbindung steht, wobei die Durchbrüche (7) bei äußerster axialer Verschiebung des Exzenters (2) durch die Exzenteroberfläche verschlossen sind,
• - daß die Hohlräume (4′, 5′, 6′) und Kammern (8, 9) mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt sind und
• - daß der Exzenter (2) mit der ersten und das Gehäuse (3) mit der zweiten Welle mechanisch fest verbunden sind.

2. Schaltbare hydrostatische Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Übertragungsflüssigkeit Öl vorgesehen ist.

3. Schaltbare hydrostatische Kupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Zähnezahlen des Ritzels (10) und des Zahnrades (11) wie 2 : 3 verhalten.

4. Schaltbare hydrostatische Kupplung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Durchlaßkanal (13) zur Verbindung der Kammern (8, 9) miteinander eine Bohrung im Exzenter vorgesehen ist.

5. Schaltbare hydrostatische Kupplung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Durchlaßkanal (13) zur Verbindung der Kammern (8, 9) ein in das Gehäuse (3) eingebrachtes Röhrensystem vorgesehen ist.

6. Schaltbare hydrostatische Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Exzenter (2) aus mehreren einzelnen Scheiben gefertigt ist.

7. Schaltbare hydrostatische Kupplung nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe, welche den Exzenter zur Kammer (8) hin abschließt, als Drehschieber ausgebildet ist.

8. Schaltbare hydrostatische Kupplung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Welle mit einem Antriebsaggregat verbunden ist.

9. Schaltbare hydrostatische Kupplung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Exzenter (2) mit einer Betätigungseinrichtung zu seiner axialen Verschiebung innerhalb des Kreiskolbens (1) gekoppelt ist.