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Stufenlos regelbares, hydraulisches Getriebe.
Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Getriebe, welches bei unveränderlichem Kolbenhub durch die Änderung der Zylinderfüllung regelbar ist und zu diesem Zweck mit Steuerschiebern arbeitet.
Das Getriebe gemäss der Erfindung, welches sowohl als Pumpe wie auch als Motor betrieben werden kann, ist mit mehreren Kolben gerader Anzahl ausgebildet, die parallel zur Hauptwelle des Getriebes angeordnet sind und an den entgegengesetzten Seiten eines gemeinsamen, an der Hauptwelle angeordneten Trieb- stüekes angreifen. Dieses Triebstück ist zweckmässig als ein an der Hauptwelle schräg gelagerter, gegen
Verdrehung gesicherter Taumelring ausgebildet. Die Kolbenkräfte wirken auf den Taumelring gleich- achsig und paarweise in einander entgegensetztem Sinne ein, so dass die Hauptwelle ohne Biegung und
Seitenschub auf reine Torsion beansprucht ist.
Ausserdem wird durch diese Anordnung eine besonders gedrängte Bauart gesichert, welche das Getriebe zur Anwendung, insbesondere in Fahrzeugen, sowohl als schnellaufende Pumpe wie auch als schnellaufender Motor besonders für hohe Betriebsdruck geeignet macht.
Es sind hydraulische Getriebe bekannt, bei welchen die Fördermenge bei unveränderlichem
Kolbenhub geregelt werden kann, welche aber mit Ventilen gesteuert werden. Hiebei ist das Einlass- ventil gesteuert, das Auslassventil ein automatisches Ventil. Aus den aus den Westphalschen Ventil- untersuchungen bekannten Regeln folgt es, dass sich eine Ventilsteuerung für schnellaufende hydrau- lische Getriebe, die mit hohem Betriebsdruck arbeiten, nicht eignen kann, da man entweder zu unzu- lässig hohen Ventilschliessgeschwindigkeiten oder zu praktisch unmöglichen Abmessungen des Ventils kommt.
Bei den gebräuchlichen Betriebsdrücken, die im allgemeinen um 100 Atm. liegen, ist ein geräusch- loser und stossfreier Gang mit Ventilen nicht zu sichern, abgesehen davon, dass unter derart hohen Drücken arbeitende Ventile bekanntlich rasch erodiert werden und nicht mehr dicht schliessen.
Um diese Nachteile zu vermeiden, arbeitet die Vorrichtung nach der Erfindung mit Steuer- schiebern mit positiver Überdeckung, von welchen die die Auslassöffnung steuernden Schieber an ihren
Schieberstangen nachgiebig derart gelagert sind, dass sie entlang der Schieberstange eine Bewegungs- freiheit haben, wie in der oben genannten deutschen Patentschrift beschrieben. Die Steuerung des Ge- triebes erfolgt hiebei im Sinne der Erfindung dadurch, dass die wirksame Zylinderfüllung bei unveränder- lichem Kolbenhub durch die Änderung der Regelbewegungen bzw. die Änderung der relativen Lage der
Schieber zur Getriebewelle geregelt wird.
In weiterer Ausführung der Erfindung ist der Voreilwinkel des die Steuerschieber betätigenden Triebstückes zwecks Zusammenlegung der Stelle des Abschaltens der Saugkammer bzw. der Druck- kammer vom Zylinderraum mit einer der Totpunktlage des Kolbens verstellbar. Dadurch wird ein besonders sanfter und stossfreier Übergang gesichert. Das Getriebe arbeitet auch bei den höchsten Dreh- zahlen und Betliebsdrücken vollkommen ruhig, und als weiterer Vorteil ergibt sich der Umstand, dass auch bei grosser Kapazität der zwischen dem Schieber und dem Kolben liegenden Räume die in der
Flüssigkeit angehäufte Kompressionsaibeit nach dem Abschliessen der Druckkammer in der Form von
Expansionsarbeit auf die Getriebewelle abgegeben wird und nicht als Wärme verlorengeht.
Die Zeichnungen zeigen je ein Ausführungsbeispiel des Getriebes als Motor und als Pumpe, wobei diese Ausführungen für den Antrieb eines Fahrzeuges gedacht sind. Das Anwendungsgebiet des Getriebes ist jedoch nicht auf diese Ausführungsart beschränkt.
Fig. 1 zeigt einen Lärgssehnitt durch ein in die Radnabe eines Fahrzeuges eingebauten Motors entlang der Linie A-C der Fig. 2, die Fig. 2 einen Querschnitt durch den Motor nach der Fig. 1, die
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Fig. 3 ist eine schematische Darstellung des Getriebes, die Fig. 4 zeigt eine als Pumpe arbeitende Aus- führungsform in Längsschnitt, die Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie E-F der Fig. 4, die Fig. 6 ist ein Steuerdiagramm zur Erklärung der Wirkungsweise der Vorrichtung gemäss den Fig. 4 und 5.
Die Hauptwelle des Motors nach den Fig. 1 und 2 besteht aus zwei Teilen 1 und, 2. welche mittels Zapfen. 3 des rechten Teiles und Hülse 4 des linken Teiles ineinandergepresst sind. Die Hauptwelle 1,.'2 ist im zweiteiligen Gehäuse 5. 6 an Rollen 7, gelagert. Der mittlere, gekröpfte Teil der Hauptwelle trägt an Rollenlagern 9, 10 angeordnet einen Taumelring 11,-welcher gegen Verdrehung durch den
Zapfen 12 und den am Zapfen 12 vorgesehenen entlang der am Gehäuse 6 befestigten Führung 1.'3 gleiten- den Vierkant 14 gesichert ist. Im Taumelring 11 sitzen vier. gegeneinander um 90'versetzte Kugelzapfen, von welchen in der Fig. 2 bloss zwei, 15 und 15', eingezeichnet sind.
Jeder Kugelzapfen arbeitet mit zwei Kolben zusammen, so das Kugelgelenk 15 (Fig. 1) mit den Kolben 16 und 17. Die mit je einem
Kugelzapfen zusammenarbeitenden Kolben sind an entgegengesetzten Seiten des Taumelringes 11 in
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an. Je zwei einander gegenüberliegende Kolben werden durch ein elastisches Zugglied 22 zusammenge- zogen. so dass beim Hin-und Herschwingen des Kugelzapfens. M zwischen diesen und den Gleitschuhen kein totes Spiel entstehen kann. Die Anzahl der Kugelzapfen, welche jeweils an den Eckpunkten eines um die geometrische Achse der Hauptwelle gelegten regulären Vielecks liegen, ist eine gerade Zahl. so dass einem jeden Kugelgelenk ein zweites diagonal gegenübersteht.
Die Steuerung erfolgt mittels Schieber, die im gemeinsamen Gehäuse 23 ebenfalls parallel zur Hauptwelle angeordnet sind. Im schmiedeeisernen Stück 23 sind ein Hochdruckraum 24, ein Niederdruckraum 25 und für je zwei. an verschiedenen Seiten des Taumelringes einander diagonal gegenüberliegenden Kolben ein gemeinsamer Anschlussraum 26. Die Druckflüssigkeit wird dem Raum 24 über die flexible Leitung 27'zugeführt und die verbrauchte Flüssigkeit aus dem Raum 25 durch die Leitung 28
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Zylinderraum des diametral gegenüberliegenden Kolbens 16' (Fig. 3) verbunden. so dass diese beiden gemeinsam durch den Schieber gesteuert werden. Der Schieber, welcher mit positiver'Überdeckung
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Die Steuerung wird von der Hauptwelle ebenfalls mittels einer Taumelscheibe betätigt.
Zu diesem Zweck ist an der Welle 2 um den Kugelzapfen 34 ein Taumelkopf 35 drehbar gelagert. Er trägt den Taumelring 36, an welchem die die einzelnen Steuerschieber betätigenden Kugelzapfen 37 sitzen.
Der Taumelring wird durch den Zapfen 38 und die Gleitführung 39 am Verdrehen ebenso behindert wie der mit dem Kolben zusammenarbeitende, oben beschriebene Taumelring. Zwischen dem Kugelzapfen 34 und dem Taumelkopf 35 ist ein. in der Zeichnung nicht dargestellter sphärischer Teil mit
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Kopfes um diese Achse ändern zu können. ist der Taumelkopf 35 mit einem Arm 40 versehen und dessen ausserhalb der Drehachse liegendes Ende über das Glied 41 gelenkig mit dem koaxial mit der Hauptwelle drehbar gelagerten Zapfen 42 verbunden., Der Zapfen 42 ist im Sinne des Pfeiles 43 verschiebbar.
Diese Verschiebung kann mittels Flüssigkeitsdruckes oder von Hand aus erfolgen. Für die Bewegung
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Das Getriebegehäuse 5, 6 ist mittels Zapfen 46,47 um die Achse C-D drehbar gelagert. An einer um den Zapfen 46 drehbar gelagerten Gabel 48 greift eine Feder 49 des Fahrzeuges an. wobei das am Zapfen 47 angreifende, am Wagengestell angelenkte Hebelgelenk 50 das Gehäuse 5, 6 am Auskippen hindert. Der Hebel 50, die Feder 49 und die miteinander starr verbundenen Zapfen 47, 48 bilden ein Gelenkparallelogramm mit den Gelenken 51 und 52. Die Drehachse der Gabel 53 um den Zapfen 37 bildet gleichzeitig die Zuleitung der Hochdruckleitung 27. Am Wellenstummel 7 ist eine freiliegende, gepresste Scheibe 54 aufgekeilt. an deren Rand die durch Schrauben 65 befestigte, abnehmbare Laufradnabe 56. sitzt.
Die Vorrichtung arbeitet wie folgt : Wird dem Motor über die Leitung 27 Druckflüssigkeit zuge- führt, so gelangt diese durch die jeweils offenstehenden Drucksehieber in die Zylinderräume der zugehörigen Kolben, welche jeweils nur einander diametral gegenüberstehende Kolben sein können, worauf das Kräftepaar die Hauptwelle in Umdrehung'setzt. Im angenommenen Beispiel ist die Schiebersteuerung stets auf totale Füllung eingestellt. Weiter unten wird noch die Möglichkeit einer Mengenregelung der den Kolben zugeführten Flüssigkeit gezeigt.
Soll die Drehrichtung des Motors umgekehrt werden, so wird die Flüssigkeit aus dem Zylinderraum des Kolbens 57 abgelassen, worauf die Rückholfeder 45 den Zapfen 42 so weit nach rechts verschiebt, bis der Neigungswinkel des Taumelringes 36 seinen Sinn geändert hat. Dies entspricht einer Verlegung des Steuerdiagramms um 180". so dass die Drehriehtung des Motors umgekehrt wird.
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Da stets zwei einander diagonal entgegengesetzte Zylinderräume miteinander verbunden sind. bleiben die Kolbenkräfte 16, 16' (Fig. 3) infolge des hydrostatischen Gleichgewichtes stets gleich gross. jedoch dem Sinne nach einander entgegengesetzt wirkend, so dass die Resultierende dieser Kolbenkräfte keine Komponente in der Richtung der Hauptwelle haben kann. Sämtliche Kolbenkräfte erzeugen demnach ein reines Drehmoment, so dass die Rollenlager als einfache Gleitlager zu bauen sind. Dadurch wird eine äusserst gedrängte, leiehte Bauart und ein guter mechanischer Wirkungsgrad erreicht.
Die Fig : 4 und 5 zeigen eine Ausführungsform als Pumpe, die bei gleichbleibendem Kolbenhub mit regelbarer Fiillung arbeitet, und ist insbesondere geeignet, vom Fahrzeugmotor angetrieben Druckflüssigkeit für den Motor gemäss den Fig. 1 und 2 zu liefern. Der Antrieb und die Anordnung der Pumpent kolben, die Ausbildung der Hauptwelle und des Taumelringes gleichen vollkommen dem Antrieb und der Anordnung gemäss den Fig. 1 und 2. Die gleichen Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Auch die Ausbildung und Anordnung der Steuerschieber und ihres Gehäuses gleicht derjenigen nach den Fig. 1 und 2, wozu noch zu bemerken ist, dass für jedes zusammengehörige Kolbenpaar der Niederdruckraum 68 mit der Leitung 28 und der Hochdruckraum 69 mit der Leitung 27 in nicht gezeichneter Verbindung steht.
Um die Menge der geförderten Druckflüssigkeit bei gleichbleibendem Hub regeln und zu diesem Zweck die Steuerschieber in der Längsrichtung verschieben zu können, ist deren Antrieb vom Antrieb gemäss den Fig. 1 und 2 abweichend ausgebildet. An der Verlängerung 70 der Hauptwelle 2 sitzt lose drehbar und in der Achsrichtung verschiebbar eine Hülse 71, in deren rechtseitigen, die Wulst 72 der
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der Fig. 2 ausgebildet und angeordnet ist. Der Bolzen 7. gleitet mit seinem unteren Ende in einer Spiral- nut 74 der Wulst 72.
Wird also die Hülse 71 um die Welle 70 verdreht, so verschiebt sich hiebei die Hülse entsprechend dem Masse der Steigung der Spiralnut 74 in der Achsrichtung, wobei die Steuerschieber. die an den Kugelzapfen 37 mit Gleitschuhen 76 angreifen, in gleichem Mass in axialer Richtung eben- falls verschoben werden. Um die Hülse 71 verdrehen zu können, greift das äussere Ende des Bolzens 7.' ; in den Schlitz 77 eines an der Scheibe 78 vorgesehenen Mitnehmers. Die Scheibe 78 sitzt an der Welle 70 ebenfalls lose drehbar und ist über die Torsionsfeder 79 mit an der Welle 70 ortsfest verkeilten Scheibe 80 verbunden. In der Scheibe 80 sitzen zwei Bolzen 81 und 8'2. um welche Fliehgewichte 83 und 84 schwing- ) bar gelagert sind.
In jedem der Gewichte 83, 84 sitzt je ein Stift 85 bzw. 86, an welchem einzeln ein mit seinem andern Ende mit der Welle 70 verbundenes Metallband 87. 88 befestigt ist.
Die Vorrichtung arbeitet wie folgt :
Der Steuerschieber arbeitet mit positiver Überdeckung und passiert zufolge der Bewegungsfrei- heit des Schiebers für die Steuerung des Druckkanal die Umschaltstelle unabhängig von der Totpunkt- i lage der zugehörigen Kolben 16, 16', auch wenn die Kolben ihre grösste Geschwindigkeit im Sinne des
Pfeiles 69 aufweisen, ohne dass hiedurch in der Flüssigkeit unzulässig hohe Drucke entstehen würden.
Befindet sich die Hülse 71 in der in der Fig. 4 dargestellten Grenzlage, so wird die Niederdruck- kammer 68, abgesehen von einer kleinen Überdeckungsperiode, während des ganzen Saughubes der
Kolben 16 und 16'mit dem Zylinderraum der betreffenden Kolben verbunden. während die gleichen ) Zylinderräume im Laufe des nachfolgenden ganzen Druckhubes mit dem Hochdruckraum 69 verbunden werden. Fig. 6 zeigt das Steuerdiagramm. Bei der beschriebenen Arbeitsweise erfolgt die Umsteuerung der Kanäle entsprechend den totalen Förderungen stets bei der oberen und unteren Totpunktlage
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Mittellage des Schiebers fällt somit stets mit der Totpunktlage der Kolben zusammen.
Werden nun die Hülse 71 und mit ihr die Steuerschieber im Sinne des Pfeiles 90 um die Länge o verschoben, so verschieben sich auch die Umschaltstellen des Schiebers am Kurbelkreis in Fig. 6 bis zu den der Strecke-a-entsprechenden Punkten I und II. Dann liefert die Pumpe Flüssigkeit bloss zwischen den Punkten 7 und II. Während der Bewegung der Kolben von jr bis I und von II bis 0 wird die Flüssigkeit aus dem Zylinder in die Saugleitung zurückgedrängt. Die Fördermengen, d. i. die wirk- ) samen Füllungen, verhalten sich in den beiden beschriebenen Fällen wie die Grössen H und h.
Es ist vorteilhaft, wenn die Steuerung so verstellt wird. dass die Umschaltstelle 1 (d. i. das Um- schalten von der Saugkammer 68 auf die Druckkammer 69) in der unteren Totpunktlage s ; des Kolbens erfolgt. Hiedurch wird ein sanfter, stossfreier Übergang von der Saugperiode auf die Druckperiode ge- währleistet. Um dies zu erreichen, muss, wie aus der Fig. 6 ersichtlich, der Punkt 1 mit dem unteren t Totpunkt 1r zusammenfallen. also eine Zurückdrehung der Steuerung gegenüber der Kurbelwelle um
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Diese zwangsläufige Verschiebung der Hülse 71 gegenüber der Welle kann durch beliebige Mittel. wenn gewünscht von der Hand aus, bewerkstelligt werden. Nach der Ausführungsform gemäss den Fig. 4 und 5 erfolgt sie in Abhängigkeit von der Drehzahl der Hauptwelle 1. 2. Zu diesem Zweck wird die
Torsionsfeder 79 so abgestimmt, dass bei einer Mindestdrehzahl der Welle 1. 2-7. 8 entsprechend der
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geschoben wird, in welchem Falle die Fördermenge der Pumpe gleich Null ist. Bei dieser Drehzahl befinden sich die Gewichte 83, 84 in der in der Fig. 5 gezeichneten Lage.
Bei der Leerlaufstellung sind daher die Zylinderräume der Kolben der Pumpe stets mit dem t Niederdruckraum 68 verbunden, so dass die durch die Rückleitungen 28 (Fig. 2) mit den ringförmigen
Räumen 26 kommunizierenden Hydromotore leer laufen können.
Sobald jedoch die Drehzahl des Pumpenantriebes gesteigert wird, schwingen die Gewichte 83, < M infolge der Fliehkraft auseinander, wodurch entsprechend der gesteigerten Drehzahl auch die Hülse 71 entgegen dem Sinne des Pfeiles 90 bewegt und hiedurch die Förderleistung der Hochdruckpumpe gesteigert wird.
Falls der Ungleiehformigkeitsgrad des Fliehkraftreglers genügend klein ist, kann eine praktisch hyperbolische Zugkraftcharakteristik erzielt werden, so dass die wirtschaftliche Drehzahl des Antriebs- motors stets erhalten bleibt, während das Getriebe bei veränderlicher Zugkraft sieh stets eine der ver- fügbaren Kraftleistung entsprechende Übersetzung selbsttätig aussucht.
Es kann natürlich auch das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Getriebe mit der gleichen Steuerung ausgerüstet werden, wobei dann auch dieses bei gleichbleibendem Kolbenhub mit veränderlicher, regel- barer Füllung arbeitet. Dadurch kann der Regelbereich der Anlage noch erhöht werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Stufenlos regelbares, hydraulisches Getriebe (Pumpe oder Motor), bei welchem eine Mehrzahl von Kolben mit einer gemeinsamen Getriebewelle zusammenarbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass
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