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Selbsttätige Regelung des Ubersetzungsverhältnisses zwischen dem Antriebsmotor
und dem die Fortbewegungsmittel, z. B. Räder, Gleisketten antreibenden Flüssigkeitsgetriebe
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur stufenlosen Regelung des übersetzungsverhältnisses
zwischen der Antriebsmaschine - z. B. Verbrennungsmotor - und den
Fortbewegungsmitteln -- Räder, Gleisketten- - gleisgebundener und
nicht gleisgebundener Fahrzeuge sowie ferner auch für Windenantriebe von Hebezeugen.
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Der Antrieb von Landfahrzeugen, insbesondere von Kraftfahrzeugen,
sowie auch der verschiedensten geländegängigen Transportmittel, erfolgt größtenteils
durch Verbrennungsmotore; die gleiche Antriebsart findet auch Anwendung für gleisgebundene
Fahrzeuge. Um das Anfahren sowie eine Angleichung der Motorleistung an den jeweiligen
Fahrwiderstand zu erreichen, ist aus bekannten Gründen eine während des Betriebes
lösbare Kupplung und eine Änderung des Übersetzungsverhältnisses zwischen Antriebsmotor
und Laufrädern bzw. Raupen notwendig. Als Kupplung dient meistens eine Reibungs-
oder eine Strömungskupplung. Zur Veränderung des oben angegebonen Übersetzungsverhältnisses
werden überwiegend mehrstufige Zahnrad-Schaltgetriebe verwendet, wobei der Schaltvorgang
von Hand, halb- oder vollautomatisch erfolgt.
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Um eine stufenlose Veränderung des Übersetzungsverhältnisses zu erreichen,
wird die Antriebsleistung unter anderem auch hydraulisch auf die Laufräder, Raupen
in der Weise übertragen, daß vom Verbrennungsmotor eine Regelpumpe angetrieben wird,
die ein hydr. Arbeitsmittel zu einem oder mehreren Hydromotoren fördert, von denen
dann das Fahrzeug angetrieben wird.
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Die stufenlose Regelung geschieht dabei von Hand durch Verstellen
der Regelpumpe. Letztere Art von Fahrzeugantrieben ist zwar in der Bedienung sehr
einfach, da nur ein Hebel betätigt werden muß, dessen Mittelstellung Nullförderung
der Regelpumpe ergibt, also Leerlauf. Durch Ausschwenken des Hebels nach der einen
oder anderen Seite läßt sich die Fahrtrich# tung (vorwärts oder rückwärts) sowie
die jeweilige Geschwindigkeit regeln.
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Diese Art der stufenlosen Regelung bei Fahrzeugen mit hydr. Antrieb
hat jedoch einen großen Nachteil. Der die Regelpumpe antreibende Verbrennungsmotor
muß nämlich während des Fahrens mit annähernd konstanter Drehzahl laufen. Diese
muß unabhängig von der Belastung so hoch eingestellt sein, daß der Motor, wenn erforderlich,
seine höchste im Betrieb geforderte Leistung abgeben kann. Das bedeutet, daß der
Motor bei Teillasten und kleiner Fahrgeschwindigkeit viel zu schnell läuft. Nachteilige
Folgen: hoher Kraftstoffverbrauch, großer Verschleiß, großes Geräusch.
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Weiter ist eine hydraulische Verstellkolbeneinrichtung zur Einstellung
des Untersetzungsverhältnisses stufenlos einstellbarer hydrostatischer Unter- oder
Übersetzungsgetriebe bekannt, bei welcher die Regelung der Fördertnenge der Pumpe
dieses Antriebes durch ein-en vom Verbrennungsmotor angetriebenen Zentrifugalregler
erfolgt. Letzterer verschiebt einen Regelschieber, so daß bei steigender Drehzahl
der Pumpe bzw. des Verbrennungsmotors die Pumpenförderung vergrößert bzw. das Übersetzungsverhältnis
des hydrostatischen Antriebes verkleinert wird. Der Fahrer hat hierbei noch die
Möglichkeit über mechanische Gestänge od. dgl. auf den Zentrifugalregler einzuwirken.
Eine vollautomatische Regelung des Übersetzungsverhältnisses des hydrostatischen
Antriebes ist mit dieser Einrichtung jedoch nicht erreichbar, weil an Stelle einer
abtriebseitigen lastabhängigen und selbsttätig wirkenden Beeinflussung der Regelung
die subjektive Beeinflussung seitens des Fahrers keine Gewähr für die jederzeit
günstigste Übersetzung des hydrostatischen Antriebes bietet.
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Es ist auch eine Regelvorrichtung für Kraftfahrzeuge, insbesondere
für Diesellokomotiven, mit Kraftübertragung durch ein Strömungsgetriebe bekannt,
bei welcher ebenfalls ein vom Verbrennungsmotor ange7 triebener Fliehkraftregler
teils auf einen hydraulischen Steuerschieber, teils auf die Brennstofizufuhr zum
Verbrennungsmotor einwirkt. Außerdem steht der hy-
draulische Steuerschieber
wie auch der Fliehkraftregler unter dem Einfluß einer handbetätigten mechanischen,
Regeleinrichtung. Der Steuerschieber steuert einen hydraulischen Druckstrom zu bzw.
von einem Stellkolben der seinerseits die Leitschaufeln des hydrodynamischen
Getriebes
verstellt. Diese Regeleinrichtung besitzt jedoch einige Nachteile: 1. Im
Laufe der Zeit weicht die effektive Drehmoment- bzw. Leistungskennlinie des Verbrennungsinotors
durch verschiedene Einflüsse mehr oder weniger von derselben des nenwertigen Motors
ab, ohne daß die mechanische Regeleinrichtung darauf reagiert; 2. ist die kraftschlüssige
Verbindung im Strömungsgetriebe bei Stillstand des Fahrzeuges sowie im Leerlauf
des Verbrennungsmotors unterbrochen; 3. ist der Regelbereich des Strömungsgetriebes
relativ klein; 4. ist der Schlupf im Strömungsgetriebe im unteren Drehzahlbereich
sowie bei größer werdenden über-bzw. Untersetzungsverhältnis und damit der Leistungsverlust
groß; 5. ist das Strömungsgetriebe nicht umsteuerbar und erfordert
für Rückwärtsfahrt ein zusätzliches Wendegetriebe.
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Außerdem ist eine Antriebsanordnung für Kraftfahrzeuge bekannt, bei
welcher mittels eines Kontakt-Tachometers nach Erreichen einer bestimmten Geschwindigkeit
des Fahrzeuges ein Elektromagnet eingeschaltet wird, der seinerseits ein Strömungsgetriebe
(hydraulischer Drehmomentswandler) aus- und gleichzeitig eine feste Kupplung einschaltet,
so daß also oberhalb der Umschaltgeschwindigkeit der Antrieb des Fahrzeuges ohne
Übersetzungsregelung direkt erfolgt. Diese Umschaltung vom Getriebe auf Direktantrieb
bzw. zurück zum Getriebeantrieb bei Überschreitung der Umschaltgeschwindigkeit geschieht
jedoch nur dann, wenn der Gashebel gleichzeitig in der Vollgasstellung steht. Eine
selbsttätige Anpassung des Über- bzw. Untersetzungsverhältnisses des Antriebes an
die jeweilige Motorleistung einerseits und den gleichzeitigen Fahrwiderstand andererseits
ist mit dieser Einrichtung nicht möglich. Desgleichen ist auch ein Wendegetriebe
für die Rückwärtsfahrt erforderlich.
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Demgegenüber arbeitet die erfindungsgemäße Regelung selbsttätig nach
dem Prinzip der günstigsten Drehzahleinstellung des Verbrennungsmotors auf die sich.
jeweils aus dem Fahrwiderstand einerseits und der Fahrgeschwindigkeit andererseits
ergebende erforderliche Antriebsleistung.
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In Fig. 1 und 2 sind zwei verschiedene Beispiele des prinzipiellen
Aufbaues und der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung dargestellt,
aus der die Merkmale der Erfindung ersichtlich sind.
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Die erfindungsgemäße Regelanordnung enthält: den Antriebsmotor
1 (z. B. Otto- oder Dieselmotor); die vom Motor 1 angetriebene regelbare
hydraulische Verdrängerpumpe 2; den auf die Fortbewegungsmittel - Räder,
Gleisketten - einwirkenden Flüssigkeitsmotor 3; die vom Motor
1 angetriebene Füllpumpe 4; den Behälter 5 für das hvdraulische Arbeitsmittel;
ein Überdruckventil 6 zur hegrenzung des Druckes der Füllpumpe4; die Rückschlagventile7a
und 7b; den Stellmotor8 und die Rückstellfeder9 für die Verdrängerpumpe 2;
den Umschaltschieber 10 mit Unischalthebel 11; den Regelschieber 12;
den zweistufigen Regelkolben 13.
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Die Fig. 1 zeigt des weiteren noch den vom Motor
1
angetriebenen Fliehkraftregler 14 mit der Regelfeder 15.
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In Fig. 2 sind außerdem enthalten: die Drehzahlregelpumpe
16; der Regelkolben 17 mit Regelfeder 18;
der Hebel
19 mit Einstellschraube 20; die Einstellschraube 21 zum Regelschieber 21;
Kuppelfeder 22. In beiden Figuren. ist der Beschleunigungshebel (Gaspedal) für den
Motor 1 mit dem Bezugszeichen 23 gekennzeichnet.
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Die Wirkungsweise der Regelanordnung ist folgende: Die Rückstellfeder
9 hält die Verdrängerpumpe 2 in der Mittelstellung auf Nullförderung. Solange
der Umschaltschieber 10 ebenfalls in Mittelstellung steht, kann der Motor
1 und damit auch die Verdrängerpumpe 2 mit jeder Drehzahl laufen, während
das Fahrzeug stillsteht. Der Anfahrvorgang vollzieht sich normalerweise wie folgt:
Während der Motor 1 im Leerlauf läuft, wird der Umschalthebel 11 beispielsweise
nach lla geschwenkt und dadurch die Fahrtrichtung (es bedeutet z. B. 11 a
vorwärts, 11 b rückwärts) gewählt, indem der Umschaltschieber 10 nach
links verschoben wird und den Regelschieber 12 mit dem Stellmotor 8 verbindet.
Wird nun der Motor 1
mittels des Hebels 23 (Gaspedal) beschleunigt,
dann verschiebt der vom Motor 1 angetriebene Fliehkraftregler 14 den Regelschieber
12 gegen die vorgespannte Regelfeder 15 nach rechts, sobald eine vorbestimmte
Drehzahl des Motors 1 erreicht ist. Dadurch gelangt das von der Verdrängerpumpe
4 geförderte hydraulische Druckmittel, dessen Druck durch das Überdruckventil
6 begrenzt wird, durch die Leitung 24 in den Regelschieber 12 und von diesem
durch Leitung 25 und den Umschaltschieber 10 in den Stellmotor
8.
Letzterer stellt nun die Verdrängerpumpe 2 gegen die Spannung der Rückstellfeder
9 auf Förderung. Da nun die Regelpumpe 2 mit dem Flüssigkeitsmotor
3
und den Leitungen 26 und 27 einen geschlossenen Kreislauf
bildet, läuft auch der Flüssigkeitsmotor3 an, der seinerseits das Fahrzeug in Bewegung
setzt. Im gleichen Augenblick, in dem der Stellmotor8 die Verdrängerpumpe2 auf Förderung
zu verstellen beginnt, baut sich je nach Förderrichtung der Verdrängerpumpe
2 (Vorwärts- oder Rückwärtsfahrt) ein dem Fahrwiderstand entsprechender hydraulischer
Druck in Leitung26 oder 27 auf. Dieser Druck wird durch Leitung
28 bzw. 29 auf den Regelkolben 13
übertragen, welcher in entgegengesetzter
Richtung des Fliehkraftreglers 14 auf die Regelfeder 15 einwirkt. Die durch
Regelkolben 13 erhöhte Spannung der Feder 15 schiebt den Regelschieber
12 gegen die Stellkraft des Fliehkraftreglers 14 zurück und sperrt die weitere Zuführung
des hydraulischen Druckmittels zum Stellmotor 8 ab. Ist der Fahrwiderstand
sehr tgroß (Steigung, schwere Ladung usw.), dann schiebt der Regelkolben
13 den Regelschieber 12 mittels der Feder 15 so weit nach links, daß
das hydraulische Druckmittel aus dem Stellmotor 8 durch Leitung
25
und 30 entweichen kann und die Regelpumpe 2 von der Rückstellfeder
9 zurückgestellt wird. Bei geeigneter Auslegung der Regelung kann der Motor
1 beim Anfahren weder abgewürgt noch überdreht werden. Das Fahrzeug setzt
sich in Bewegung, sobald die bei einer bestimmten (möglichst kleinen) Drehzahl vom
Motor 1 abgegebene Leistung zur Überwindung des augenblicklichen Fahrwiderstandes
ausreicht. Wird der Motor 1 mittels des Hebels 23 weiter beschleunigt
bzw. seine Leistung erhöht, dann verstellt die erhöhte Fliehkraft über Regelschieber
12 und Stellmotor 8 die Verdrängerpumpe 2 auf größere Fördermenge und damit
höhere Fahrgeschwindigkeit. Steigen die Fahrwiderstände und der zu ihrer Überwindung
erforderliche hydraulische Druck, dann wird durch letzteren die Fördermenge der
Verdrängerpumpe verkleinert, d. h., das Übersetzungsverhältnis vergrößert
und dadurch der Motor 1 entsprechend
entlastet, bis sich
ein der Leistungskennlinie des Motors 1 entsprechend günstiger Gleichgewichtszustand
zwischen Motordrehzahl bzw. -leistung und Fahrwiderstand eingestellt hat. Bei richtiger
Auslegung des Reglers, d. h. den nach den gegebenen Leistungs-und Drehmoment-Kennlinien
des Motors 1 einerseits und den gewünschten Fahreigenschaften des Fahrzeuges
andererseits günstigst gewählten Ansprechpunkt und Regelcharakteristik, ist mit
dieser Regelung sowohl theoretisch als auch praktisch die größtmöglichste Beschleunigung
bei größter Schonung des Motors 1, geringstem Kraftstoffverbrauch und geringster
Geräuschbildung narrensicher zu erreichen. Das kommt daher, daß einmal die bei Stufenschaltung
erforderlichen Schaltpausen wegfallen und daß zum anderen die Beschleunigung kontinuierlich
mit dem in jedem Augenblick den jeweiligen Betriebsverhältnissen entsprechend günstigsten
Übersetzungsverhältnis erfolgt.
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In Fig. 2 ist als weiteres Beispiel eine im Prinzip gleiche Regelanordnung
dargestellt mit dem Unterschied, daß hier an Stelle eines Fliehkraftreglers ein
von einer Regelpumpe 16 beeinflußter Regelkolben 17
vorgesehen ist.
Die Regelpumpe 16 wird vom Motor 1
angetrieben und liefert eine der
Drehzahl proportionale Fördermenge. Sobald der Motor 1 anläuft, fördert die
Regelpumpe 16 das hydraulische Druckmittel in den Reglerzylinder und verschiebt
den Regelkolben 17 so weit gegen die Regelfeder 18 nach rechts, bis
die Abflußöffnung 31 der jeweiligen Fördermenge entsprechend frei wird. Die
Abflußöffnung 31 ist als schmaler Schlitz ausgebildet, so daß je nach
der drehzahlabhängigen Fördermenge genügend große Verstellwege des Regelkolbens
17 erreicht werden. Der Regelkolben 13 w irkt hier über den Hebel
19 mit der Einstellschraube 20 auf die Regelfeder 18 ein. Mittels
der Stellschrauben 21 läßt sich der Regelschieber 12 innerhalb bestimmter Grenzen
einstellen. Die Kuppelfeder 22, deren Spannkraft kleiner sein muß als die der Regelfeder
18 und die sich im Inneren des Regelkolbens 17 befindet, stellt die
kraftschlüssige Verbindung zwischen Regelkolben 17 und Regelschieber 12 her.
Der Regelkolben 17 wird also proportional der Drehzahl verschoben, solange
der Fahrwiderstand konstant bleibt. Ändert sich der Fahrwiderstand, dann wird auch
hier, wie bei der Regelung nach Fig. 1, die Einstellung des Regelkolbens
17 und Regelschiebers 12 vom Regelkolben 13 über Hebel 19,
Stellschraube
20 und Regelfeder 18 korrigiert und damit auch die Regelpumpe 2 mittels
des Stellmotors 8 auf ihre günstigste Stellung eingeregelt.
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Bei beiden Regelanordnungen nach Fig. 1 und 2 liegen die Verdrängerpumpe
2 und der bzw. die Flüssigkeitsmotoren 3 in einem geschlossenen Kreislauf.
Um die unvermeidlichen Leckverluste aus diesem Kreislauf zu ersetzen, ist die Füllpumpe
4 über zwei Rückschlagventile7a und 7b mit an diesen Kreislauf angeschlossen.
Die Füllpumpe4 entnimmt das hydraulische Arbeitsmittel aus dem Vorratsb-ehäIter
5, in welchen es aus der Regleröffnung 31 und dem Stellmotor
8 wieder zurückfließt.