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Hydrostatische Drehkolbenmaschine zum Antrieb von Fahrzeugen Für Fahrzeuge,
deren getriebene Räder große Drehmomente entwickeln sollen, ist ein Antrieb dieser
Räder durch eine Drehkolbenmaschine technisch vorteilhaft. Zur Erzielung eines wesentlichen
Fortschritts in der Technik des Fahrzeugwesens genügen jedoch die allgemeinen, durch
einen hydraulischen Antrieb gebotenen Vorzüge an sich noch nicht, wie es der bisherige
Stand der Fahrzeugtechnik erweist. Die Erzeugung großer Momentankräfte mittels Drehkolbenmaschinen
ist nämlich bei Fahrzeugen dadurch erschwert, daß für die Unterbringung des Antriebs
an den geeignetsten Stellen, insbesondere innerhalb eines Rades, nur ein kleiner
Raum zur Verfügung steht, so daß eine geringe räumliche Ausdehnung der Drehkolbenmaschine
erforderlich ist. Weiterhin wirkt erschwerend, daß die Drehkolbenmaschine bei ihrer
Lage innerhalb eines Rades ständig starken Erschütterungen ausgesetzt ist und trotzdem
eine zuverlässige Betriebssicherheit erzielt werden muß.
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Es sind bereits Drehkolbenmaschinen bekanntgeworden, bei denen ein
ringförmiger Hohlraum von konzentrischen und seitlichen Begrenzungswänden eines
drehbaren und eines festen Teils des Motors gebildet wird und bei denen Drehkolben
abwechselnd in den Hohlraum ragen oder feste Kolben überlaufen. Die Drehkolben sind
dabei innerhalb des Rotors- gelagert und ragen in ihrer dichtenden Stellung nur
mit einem im Verhältnis zu ihrer Längenerstreckung kleinen Teil in den Arbeitsraum.
Diese
Konstruktionen zeigen einen schmalen Arbeitsraum im Verhältnis zum Gesamtdurchmesser
der Maschine. Sie können die Forderungen des Fahrzeugwesens nicht technisch vorteilhaft
erfüllen, insbesondere weil sie einen für Fahrzeuge zu großen Raum- und Gewichtsaufwand
verlangen oder zu kleine Drehmomente liefern.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, durch eine besonders
geartete Ausführung des hydraulischen Antriebs die Drehkolbenmaschine für die Bau-
und Betriebsverhältnisse bei Fahrzeugen vorteilhaft verwendbar zu machen. Sie geht
aus von einer hydrostatischen Drehkolbenmaschine mit einem ringförmigen Hohlraum,
in den Zu- und Ableitungen der Treibflüssigkeit münden und der aus seitlichen und
konzentrischen, an ihren Übergangsstellen abgedichteten Begrenzungswänden eines
drehbaren und eines ruhenden Teils gebildet ist, und in den mindestens zwei mit
dem einen Teil fest verbundene, den Hohlraum symmetrisch und dichtend unterteilende
Festkolben ragen, während mehrere mit dem anderen Teil der Drehkolbenmaschine in
Verbindung stehende bewegbare Kolben durch Führungselemente abwechselnd in eine
den Hohlraum unterteilende und in eine die Festkolben überlaufende Stellung gebracht
werden, wobei erfindungsgemäß die ideellen Achsen der an gegenüberliegenden Begrenzungswänden
abgestützten bewegbaren Kolben innerhalb des ringförmigen Hohlraums verlaufen.
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In den Fig. I bis 6 ist beispielsweise eine Ausführungsform veranschaulicht.
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Die Fig. I gibt einen Längsschnitt durch die Maschine wieder; die
Fig. 2 zeigt dazugehörende Querschnitte in zwei verschiedenen Ebenen, und zwar in
ihrer oberen Hälfte einen Radialschnitt der Fig. I nach der Linie A-M, in ihrer
unteren Hälfte einen Schnitt durch die Mittelebene des Hohlraums der Maschine. Die
untere Hälfte der Fig. I gibt einen Längsschnitt nach der Linie M-B in Fig. 2 wieder.
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In der Fig.3 ist die Ansicht der Führungselemente für die bewegbaren
Kolben dargestellt, die sich aus der Fig. I bei Betrachtung des Deckels der Maschine
ergibt, wenn dieser vom Inneren der Maschine aus gesehen wird.
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Die Fig.4 veranschaulicht des näheren die Anordnung einer dichtenden
Nadel und deren durch den Flüssigkeitsdruck erzeugte Kraftwirkung auf die Wand eines
bewegbaren Kolbens, wenn dieser in eine den Hohlraum dichtend unterteilende Stellung
gebracht ist.
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Die Fig. 5 und 6 geben eine Ausführungsform wieder, welche eine selbsttätige
Drosselung des Flüssigkeitsstroms bewirkt in dem Fall, in welchem ein Rad des Fahrzeugs
keinen genügenden Bodenwiderstand findet und die Drehkolbenmaschine ohne Drosselung
des Flüssigkeitsstroms unzulässig hohe Drehzahlen erreichen würde.
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In Fig. I ist die Achse eines Fahrzeugrades, die zugleich die Achse
der Drehkolbenmaschine bildet, mit I bezeichnet. An dem Flansch 2 der Achse I befinden
sich Schraubenbolzen 3 zur Befestigung der Drehkolbenmaschine an dem Fahrzeug. Auf
der Achse I der Maschine ist das Gehäuse 4 mittels der Kugellager 5 und 6 drehbar
gelagert. An dem Gehäuse ist der Flansch 7 zur Befestigung einer Rad felge angeordnet.
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In den Fig. I und 2 ist der ringförmige Hohlraum der Maschine zu erkennen,
der von der Achse I und dem Gehäuse 4 einerseits und den radial verlaufenden Seitenwänden
I3 und I4 bzw. I5 andererseits gebildet wird. Mit 8 sind zwei Festkolben bezeichnet,
die mit der Achse I verbunden - sind. Ferner sind sechs bewegbare Kolben 9 angeordnet.
Die bewegbaren Kolben bestehen aus der Kolbenwand, welche parallel zur Maschinenachse
verläuft und vorübergehend zur Unterteilung des Hohlraums dient, den Armen Io sowie
den Zapfen II und I2, die in den gegenüberliegenden Wandungen I3 und 14 des ringförmigen
Hohlraums gelagert und mit ihrer Achse parallel zur Maschinenachse ausgerichtet
sind. Die Mittellinie der Drehzapfen II und I2 und damit die ideelle Achse des bewegbaren
Kolbens 9 verläuft innerhalb des ringförmigen Hohlraumes.
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Es erweist sich als vorteilhaft, die achsparallelen ideellen Dichtungslinien
der Flächen des bewegbaren Kolbens 9 auf dem ideellen Kreiszylinder anzuordnen,
dessen Achse mit der Achse des Kolbens zusammenfällt. Durch diese Anordnung, die
in Fig. 2 dargestellt ist, wird vermieden, daß auf den bewegbaren Kolben in seiner
dichtenden Stellung von den hydraulischen Kräften Drehmomente ausgeübt werden können,
die den Kolben aus seiner Dichtstellung im Hohlraum herausdrehen könnten.
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Die Arme io jedes-bewegbaren Kolbens 9 liegen in seitlichen Vertiefungen
der Wandungen des Hohlraums. Die Wandstärke, welche die Arme im Bereich ihres größten
Radius besitzen, füllt die Vertiefungen in den Wandungen in der Weise aus, daß beim
Überlaufen über einen Festkolben eine Spaltdichtung besteht. Die Arme io haben auf
ihren kleineren Radien eine geringere Wandstärke, und in diesem Bereich werden die
Arme durch einen Teil der Seitenwand, der mit 15 bezeichnet ist, gegen den Hohlraum
hin abgedeckt. Die Lage der Arme io in Vertiefungen der Begrenzungswände erweist
sich als zweckmäßig.
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Auch sind in der beispielsweisen Ausführung nach der Erfindung Vorkehrungen
getroffen, um sowohl die Arme io wie auch die Drehzapfen ii und 12 von einseitigem
Flüssigkeitsdruck zu entlasten. Dazu sind die Arme io mit Durchbohrungen 16 versehen.
Ferner sind, wie Fig. i zeigt, die Drehzapfen i i in Bohrungen gelagert, die nur
nach dem Hohlraum der Maschine hin offen sind. Dadurch wird ein Druckausgleich an
den Drehzapfen i i erzielt. Die Drehzapfen 12 sind durch die Wand 14 . des Hohlraums
hindurchgeführt bis in den Gehäuseraum der Maschine; sie haben außerdem einen Ring
größeren. Durchmessers, der in eine entsprechende Aussparung der Wand 14. eingreift.
Die beiden Stirnflächen des Ringes besitzen einen Ringquerschnitt, der ebenso groß
ist wie der Querschnitt des Drehzapfens. Die Spalträume an den
Stirnflächen
des Ringes sind durch Bohrungen 46 und 47 einerseits mit dem Hohlraum der Maschine
und andererseits mit dem Gehäuseraum verbunden. Diese Anordnung ergibt einen Ausgleich
der Druckkräfte auf den Drehzapfen I2.
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In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung können dreimal soviel
bewegbare Kolben wie Festkolben angeordnet werden, wie es die Fig. I und 2 zeigen,
weil dabei auf kleinem Bauraum große Momentenkräfte und zugleich günstige Verhältnisse
für die Schwenkbewegung der bewegbaren Kolben erzielt werden.
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Die Drehung der Kolben 9 durch die Bauteile II und I2 wird, wie Fig.
3 zeigt, mittels der Kurbeln I7 bewirkt, welche den Kurbelzapfen I8 tragen. Der
Kurbelzapfen I8 greift in eine Führungsbahn I9 ein, die in dem Führungsflansch 2o
angeordnet ist. Dieser Führungsflansch 2o ist mit der Achse I der Maschine verbunden,
wie es in der Fig. I durch eine gestrichelt gezeichnete Schraube angedeutet ist.
Es ist vorteilhaft, entsprechend der in der Fig. I angegebenen Konstruktion, die
Führungselemente für die Drehung der Drehkolben außerhalb des Hohlraums der Maschine
anzuordnen.
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In der Fig. 3 ist der Führungsflansch näher dargestellt, und zwar
in einer Ansicht vom Inneren der Maschine aus. Der Gehäusedeckel 21, welcher den
Führungsflansch 2o umgreift, ist strichpunktiert angedeutet. Er ist mit dem Gehäuse
4 durch Schrauben verbunden, wie es die Fig. I zeigt. Ferner zeigt die Fig. 3 die
Lage der im Schnitthervortretenden Zapfen I2 sowie die an die Zapfen I2 angreifenden
Kurbeln I7. Es ist erkennbar, welche Stellung den Kurbeln I7 durch die Führungsbahn
I9 und die Kurbelzapfen I8 gegeben wird. Die Anordnung von Führungselementen, die
aus einer Kurbel mit Kurbelzapfen und einer Führungsbahn für diesen besteht, hat
sich als vorteilhaft erwiesen.
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Beim Überlaufen eines Festkolbens 8 ist die Wand jedes bewegbaren
Kolbens 9 durch eine Schwenkbewegung von weniger als 9o° in eine Tasche des den
Hohlraum umhüllenden Gehäuseteils eingeführt. An den Stellen des Übergangs von der
Gehäusewand zur Wand des bewegbaren Kolbens ist der Taschenraum gegen den ringförmigen
Hohlraum der Maschine abgedichtet. Diese Dichtung, die von wesentlicher Bedeutung
ist, ergibt sich einerseits durch eine Anlage der Kolbenwand an diejenige des Gehäuses
bei der Stelle 22 und andererseits durch die Dichtrolle 23 an der anderen Seite
der Taschenöffnung.
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Der Raum einer Tasche des Gehäuses erfährt beim Einführen und beim
Herausführen eines bewegbaren Kolbens eine Änderung seines Flüssigkeitsinhalts.
Um das Verdrängen und das Einströmen von Flüssigkeit zu erleichtern, sind Ausgleichskanäle
mit den Öffnungen 24 und 25 angeordnet, deren Durchführung 26 durch die Wand I4
im oberen Teil der Fig. 2 und im unteren Teil der Fig. I gestrichelt gezeichnet
erkennbar ist. Die aus der Wand I4 in den ringförmigen Hohlraum der Maschine mündende
Öffnung 25 wird beim Überlaufen eines bewegbaren Kolbens 9 über einen Festkalben
8 durch die seitliche Begrenzung des Festkolbens dichtend verschlossen, so daß.
der Taschenraum nur vorübergehend mit dem ringförmigen Hohlraum in Verbindung steht.
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Während des Überlaufens eines bewegbaren Kolbens 9 über einen Festkolben
8 wird der Taschenraum in der umhüllenden Gehäusewand mit einem Raum innerhalb der
Maschine in Verbindung gesetzt, der geringen Flüssigkeitsdruck hat. Um dies zu erzielen,
ist in der Wand 14 der Kanal 26 ' bis zu der zylindrischen Bohrung der Wand 14 geführt.
Die Mündung des Kanals 26 liegt somit, wie in Fig. i und 2 gestrichelt gezeichnet,
in der Spaltdichtung zwischen der Wand 14 und der Maschinenachse i. Die Mündung
ist fast über den gesamten Umfang der Maschinenachse hin abgeschlossen. Nur über
einen Teil der Umfangsstrecke hin, während welcher ein bewegbarer Kolben 9 in seiner
Gehäusetasche liegt, wird die Mündung des Kanals 26 mit dem Gehäuseraum verbunden.
Zu diesem Zweck ist die Achse i an ihrem Ende und in der Nähe der Festkolben 8 mit
Nuten 27 versehen, wovon eine in den Fig. i und 2 gestrichelt eingezeichnet -ist.
Es ist von bedeutendem Vorteil, ein°_ Druckentlastung der Flüssigkeit in einer Kolbentasche
des Gehäuses während derjenigen Kolbenstellung vorzusehen, in welcher ein bewegbarer
Kolben einen Festkolben dichtend überläuft. Diese Maßnahme bewirkt, daß der bewegbare
Kolben in jedem Fall durch Flüssigkeitsdruck innerhalb des Hohlraums der Maschine
in seiner Lage festgehalten wird; ohne daß eine Beanspruchung der Führungselemente
für die Kolbendrehung auftritt.
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In der. den Hohlraum dichtend unterteilenden Stellung des bewegbaren
Kolbens, wie sie in Fig. 2 von den Kolben in der Nähe der horizontalen Mittellinie
eingenommen wird, ist es zweckmäßig, wenn der Kolben auf die- Dichtungslinie gegen
die Maschinenachse i. mit einer geringen äußeren Kraft gedrückt wird. In der Fig.
4 ist beispielsweise eine dementsprechende Anordnung dargestellt. Die Dichtrolle
23 übt bei"Überdruck der Flüssigkeit an einer Seite der Kolbenwand eine Kraft
auf den Kolben aus, die in Richtung des Pfeiles 28 verläuft. Zu diesem Zweck ist
die zylindrische Außenwand des bewegbaren Kolbens 9 an der Stelle, an welcher die
Rolle 23 auf die Kolbenwand drückt, derart abgeflacht, daß die Wand rechtwinklig
zur Richtung des Pfeiles 28 verläuft. Durch diese Kraftrichtung wird in jedem
Fall, gleichgültig ob der mit p und pp bezeichnete Flüssigkeitsdruck an der einen
oder an der anderen Kolbenseite größer ist, ein Moment auf die Kolbenwand ausgeübt,
welches die erwünschte Kraft auf die Spaltdichtung an der Maschinenachse ergibt.
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Die Zu- und Ableitung der Flüssigkeit erfolgt zweckmäßig in radialer
Richtung und beiderseits von den Festkolben. Die Fig. i und 2 zeigen eine derartige
Anordnung der Flüssigkeitsführung. Die Zuleitung der Flüssigkeit ist durch den Pfeil
29, die Ableitung durch den Pfeil 30 veranschaulicht. In der Fig. 2 liegt
der Kanal zu Pfeil 29 im oberen
Teil der Maschinenachse, und der
Kanal zu Pfeil 30 rechts vom Mittelpunkt der Maschine.
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Es ist vorteilhaft, in dem Gehäuseraum der Drehkolbenmaschine stets
einen Druck aufrechtzuerhalten, der in der Größe des Atmosphärendrucks liegt. Die
Maschinenachse kann dann als Achsstummel ausgeführt werden, ohne daß durch Flüssigkeitsdruck
axiale Kräfte auf das Gehäuse ausgeübt werden. Um dies zu erreichen, ist bei der
Drehkolbenmaschine gemäß Fig. I ein Kanal 31 angeordnet, welcher von dem Gehäuseraum
durch den Flansch :2 und eine anschließende Rohrleitung 32 zu einem Behälter führt,
in welchem ungefähr Atmosphärendruck besteht. Zweckmäßig ist es, diesen Behälterdruck
um ein geringes Maß höher zu halten als den Atmosphärendruck, um den Eintritt von
Luft in den Kreislauf der Flüssigkeit ohne weiteres Mittel zu vermeiden. In der
Fig. I ist weiterhin ein Kanal 33 wiedergegeben; dieser verbindet die linke und
die rechte Seite des Gehäuseraums, um zu erreichen, daß beiderseits des Gehäuseraums
stets gleicher Flüssigkeitsdruck besteht.
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Beim Antrieb eines Fahrzeugs tritt gelegentlich ein Betriebszustand
ein, bei welchem eines der angetriebenen Fahrzeugräder keinen genügenden Bodenwiderstand
findet. Dies ergibt sich auch bei Betriebszuständen, in denen an sich ein hohes
Drehmoment eines jeden Rades erforderlich ist, wobei demgemäß ein hoher Flüssigkeitsdruck
besteht. Sofern dann der Bodenwiderstand mehr oder weniger fortfällt, würde das
vom Widerstand entlastete Fahrzeugrad unverzüglich eine hohe Drehzahl annehmen.
Die Drehkolbenmaschine würde bei einer hohen Drehzahl eine unzulässig beschleunigte
Verstellung der bewegbaren Kolben durchführen und dadurch gefährdet. Um dies zu
vermeiden, ist es vorteilhaft, die Leitung des Flüssigkeitsstroms einer Drehkalbenmaschine
mit einer drosselnden Einrichtung zu versehen, die den Flüssigkeitsstrom beim Überschreiten
eines Höchstwertes der Strommenge selbsttätig drosselt.
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In den Fig. 5 und 6 ist eine Einrichtung dieser Art beispielsweise
dargestellt. Die Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt, die Fig. 6 eine Sicht auf die
Einrichtung, gesehen auf die obere Seite von Fig. 5. Die Leitung 34 gibt einen Bestandteil
der Leitung des Flüssigkeitsstroms für ein Fahrzeugrad wieder. In der Leitung 34
ist ein Stauteller 35 angeordnet, der durch einen Schaft 36 beiderseits gelagert
ist. Diese Lagerung befindet.sich in den Deckeln der Zylinder 37; an den Enden des
Schaftes 36 sind Scheiben 38 angeordnet. Diese Scheiben 38 werden von Schraubenfedern
39 unter einer derartigen Vorspannung gehalten, daß beim normalen Betrieb des Fahrzeugs
keine Änderung der Lage des Stautellers 35 eintritt. Wird dagegen die zulässige
Strömungsgeschwindigkeit überschritten, dann bewegt sich der Stauteller 35 in der
Strömungsrichtung der Flüssigkeit und führt infolge der dann eintretenden, aus der
Fig.5 erkennbaren Verengung des Strömungsquerschnitts, eine Drosselung des Flüssigkeitsstroms
herbei. Durch die Wahl einer entsprechenden Größe der Scheiben 38 kann der Vorgang
ohne weiteres mit einer erwünschten Dämpfung der Bewegungen geregelt werden.
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In den Fig. 5 und 6 ist außerdem veranschaulicht, in welcher Weise
auch eine willkürliche Drosselung oder Absperrung des Flüssigkeitsstroms durchgeführt
werden kann. Der Betrieb eines Fahrzeugs kann dies in einigen Fällen erwünscht erscheinen
lassen. Die axial verschiebliche Hülse 40 ist in der Fig. 5 in einer Stellung gezeichnet,
in welcher der Flüssigkeitsstrom einen unbehinderten Durchfluß hat. An der Hülse
4o ist ein Zapfen 41 angebracht, an welchem ein Hebel 42 angreift. Dieser Hebel
42 ist in der Fig. 6 gestrichelt angedeutet. Durch eine Welle 43 ist der Hebel 42
mit dem Hebel 44 verbunden. Wenn der Hebel 44 in Richtung des Pfeiles 45 in Fig.
6 geführt wird, bewegt sich die Hülse 4o nach rechts und verengt den Flüssigkeitsdurchlaß
innerhalb der Einrichtung, gegebenenfalls bis zur völligen Absperrung.
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Die Erzielung eines großen Drehmoments bei geringem Bauraum einer
Drehkolbenmaschine führt dazu, daß die Technik des Fahrwesens durch größere Beschleunigung
des Fahrzeugs; bessere Bremsmöglichkeit, welche ohne weiteres durch Drosselung des
Flüssigkeitsstroms erreicht wird, und durch erhöhte Wendigkeit eine gesteigerte
Verkehrssicherheit und einen glatteren Ablauf des Verkehrs erreicht. Zugleich ist
eine Verbesserung der Geländegängigkeit von Fahrzeugen gegeben, zumal die erfindungsgemäße
Drehkolbenmaschine es ohne weiteres ermöglicht, durch das Drehmoment der Drehkolbenmaschine
Zugkräfte der Fahrzeugräder zu erzeugen, die größer sind als dem Gewicht eines Fahrzeugs
entspricht.
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Die Anwendung der erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine ist nicht auf
Fahrzeuge beschränkt. Für technische Gebiete, die ähnliche betriebliche oder bauliche
Bedingungen aufweisen wie Fahrzeuge, ist die Drehkolbenmaschine nach der Erfindung
ebenfalls geeignet. Bei anderen Anwendungen der Drehkolbenmaschine kann zweckentsprechend,
auch das Gehäuse ruhend und der andere Maschinenteil drehbar ausgeführt werden.