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Hydraulische Servoschaltvorrichtung
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Die Erfindung betrifft eine hydraulische Servoschaltvorrichtung nachder
im Oberbegriff von Anspruch 1 näher beschriebenen Art.
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Eine Servoschaltung dieser Art ist in der DE-PS 22 24 229 beschrieben.
Dabei wird das Schaltventil über ein Umsteuerventil vom Druck in der Jeweiligen
Rücklaufleitung des geschlossenen Arbeitskreislaufes im Sinne eines Ausrückens der
Uberbrückungskupplung und in Gegenrichtungvon einer durch das Pumpenstellglied beaufschlagten
Feder im Sinne eines Einrückens der Überbrückungskupplung beaufscblagt.Durch diese-Ausgestaltung
kann ein hydrostatisches Getriebe überbrückbar mit einem Verbrennungsmotor verbunden
werden. Im Bedarfsfalle kann Jedoch automatisch oder willkürlich das hydrostatische
Getriebe durch eine Uberbrückungskupplung ausgeschaltet werden. In diesem Falle
wird die Motorleistung in üblicher Weise mechanisch an ein nachgeschaltetes Getriebe
weitergegeben.
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Wenn bei eingerückter Überbrückungskupplung die Übersetzung des Getriebes
im Sinne einer Ausgangsdrehzahlverringerung geändert wird oder durch direktes Verringern
der Pumpenfördermenge, steigt der Druck in der Rücklaufleitung des hydrostatischen
Getriebes
an und führt zu einem Ausrücken der Uberbrückungskupplung. Auf diese Weise kann
dann die Bremskraft des Antriebsmotores infolge der Ubersetzungsänderung verstärkt
eingesetzt werden. Bei anderen Betriebszuständen dient das automatische Ausrücken
der Uberbrückungskupplung zur schnelleren Anpassung der Ubersetzungseinstellung
an die Erfordernisse.
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Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist Jedoch, dass auch bei Einrückung
der Uberbrückungskupplung das Ol in der Stellpumpe und dem Hydromotor umgewälzt
wird. Auch wenn dies drucklos erfolgt treten dadurch Verluste auf, die den Wirkungsgrad
der Anlage beeinträchtigen. Außerdem kann es aufgrund von Toleranzungenauigkeiten
in der Stellpumpe und dem Hydromotor zu einem gewissen Druckaufbau kommen.
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Nachteilig ist weiterhin, daß das hydrostatische Getriebe auf die
maximale Leistung des Verbrennungsmotores ausgelegt und damit entsprechend aufwendig
und teuer ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine hydraulische
Servoschaltvorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die ohne großen Aufwand
auch bei höheren Leistungen des Verbrennungsmotores mit einem guten Wirkungsgrad
einsetzbar ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil
von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Das hydrostatische Getriebe ist erfindungsgemäß nicht mehr auf die
maximale Leistung des Verbrennungsmotores ausgelegt, sondern als Anfahrhilfe oder
für einen Kriechgang, wo bei nach Erreichung der vorgewählten Leistung aufgrund
des Kurzschlusses in dem hydrostatischen Getriebe keine Ölumwälzung mehr stattfindet.
Damit wird keine hydraulische Leistung als Verlust erzeugt. Das Druckmittel, im
allgemeinen O1, kann direkt in den jeweiligen Tank fließen. Damit ist der Druckmittelkreislauf
in dem hydrostatischen Getriebe vollständig unterbrochen.
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Durch diese Ausgestaltung können kleinere Stellpumpen und Hydromotore
mit entsprechend geringerem Aufwand verwendet werden und bei einem Betrieb über
die Überbrüekungskupplung treten nahezu keine Verlustleistungen auf. Damit wird
der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotores besser.
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Damit kann man z.B. im 1. Bereich im Innen- und Stadtverkehr mit vielen
Verzögerunys- und Beschl euni gunysvoryängen stufLfll )5 und verschleißfrei über
das hydrostatische Getriebe fahren.
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In stddtische Randbezirke kann in einem 2. Bereich mit höherer Fahrgeschwindigkeit
iifl i4iotorbetriebsbereich minimal en Verbrauches gefahren werden und ii Linienverkehr
(z.B. Bus) oder Zubringer-LKW Kurzstrecke ist ein Betrieb in einem 3.
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Bereich Möglich.
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Die erfindungsgemäße Servoschaltvorrichtung ist som1twz=t.tügrV Gabelstapler
ohne nachgeschaltetes Getriebe, für Radlader mit nachgeschaltetem Getriebe für Transportfahrt,
für Kommunalfahrzeuge mit hydrostatischem Kriechgang und nachgeschaltetem, Getriebe
für Transport- und Marschfahrt, für Stadtbusse auf Kurzstrecken,und für Schlepper
mit hydrostatischem Arbeitsbereich, welche durch nachgeschaltete Schaltgetriebe
einen erweiterten Fahrbereich für Straßenfahrt bekommen, geeignet.
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Die Überbrückungskupplung kann im Bedarfsfalle auch Trenn-Schaltkupplung
für ein nachgeschaltetes Schaltgetriebe (Synchron-Getriebe)sein.
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In einfacher Weise kann vorgesehen sein, dass der Steuerimpuls ein
von einer von dem Verbrennungsmotor angetriebenen Steuerpumpe erzeugter Steuerdruck
ist.
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Zur optimalen Anpassung der Schaltvorrichtung kann vorgesehen sein,
dass die vorgewählte Leistung für das Getriebe im Bereich des maximalen Drehmomentes
des Verbrennungsmotores liegt.
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Die Umsteuerventile können mit den Stellgliedern verbundene Verstellkolben
aufweisen, die über Steuerkanten den Kurzschluss und die Uberbrückung durch die
Uberbrückungskupplung ansteuern. Dabei können bei eingerückter Uberbrückungskupplung
die Stellglieder der Verstellpumpe und des Hydromotores durch diese Umsteuerventile
in Richtung Nullförderung schwenkbar sein.
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Zur Verschwenkung durch einen auf die Umsteuerventile wirkenden von
der Drehzahl des Verbrennungsmotores abhängigen Steuerdruck können mit einer Steuerdruckleitung
verbundene Zweigleitungen vorgesehen sein.
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Eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich, wenn
Jeweils ein hydraulischer Kolben mit dem Steuerdruck beaufschlagbar ist, der das
Gehäuse des Jeweiligen Umsteuerventiles zusammen mit den mit den Stellgliedern zusammenarbeitenden
Teilen in Richtung auf eine Verschwenkung der Stellglieder zur Nullförderung verschiebt.
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Durch diese Ausgestaltung werden die Fördervolumen der Verstellpumpe
und des Verstellmotores auf Null zurückgestellt, wodurch praktisch keinerlei Olumwälzung
mehr stattfindet. Auf diese Weise lässt sich die Verlustleistung noch mehr reduzieren.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung
prinzipmäßig beschrieben.
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Es zeigt: Fig. 1: Ein Schaltschema der erfindungsgemäßen Servoschaltvorrichtung
mit ausgerückter Überbrückungskupplung;
Fig. 2: eine andere Ausgestaltung
der Servoschaltvorrichtung im Teildarstellung.
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Fig. 3: ein Motorkennfeld.
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Entsprechend dem Ausführungsbeispiel in der Fig. 1 treibt ein Verbrennungsmotor
1 über ein Zahnradgetriebe 2 eine Steuerpumpe 3 an, an die eine hydrostatische Verstellpumpe
a angeflanscht ist. Die Verstellpumpe 4 ist bei einer Verbrennungsmotordrehzahl,
die kleiner als dieNenndrehzahl ist, voll ausgeschwenkt. Durch das als Hochtreiber
ausgebildete Zahnradgetriebe wird die Verstellpumpe so übersetzt, daß sie in diesem
Betriebspunkt mit der zulässigen maximalen Drehzahl betrieben wird. Ein als Verstellmotor
ausgebildeter Hydromotor 5 erreicht bei gleichzeitiger Verstellung mit der Verstellpumpe
4 zum gleichen Zeitpunkt ein Schluckvolumen, das dem der Verstellpumpe ii bei maximalem
Schwenkwinkel entspricht.
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Eine Uberbrückungskupplung 6 ist zwischen der Ausgangswelle 7 der
Verstellpumpe und der Eingangswelle 8 des Hydromotores 5 angeordnet. Die Ausgangswelle
9 des Hydromotores 10 ist mit einem mechanischen Getriebe 10 verbunden. Läßt man
die Wirkungsgrade unberücksichtigt, so drehen sich die Wellen 7 und 8 gleich schnell.Hydraulische
Umsteuerventile 11 und 12
für die Verstellpumpe 4 und den Hydromotor
5 sind so verstellt, daß der Steuerdruck der Steuerpumpe 3,der über eine Meßblende
13 als von der Drehzahl des Verbrennungsmotores abhängiger Druck vorliegt, jeweils
über Leitungen 14 und 15 bzw. 16 und 17 entsprechend der Stellung von Verstellkolben
18 und 19 auf ein Schaltventil 20 wirken. Das Schaltventil 20 wird über eine Feder
21 in der Position A gehalten und kann durch den Steuerdruck in die Position B verstellt
werden.
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In Ventilstellung A wird die Überbrückungskupplung 6 über Leitungen
22, 23 und 24 mit einem Tank 25 gelüftet. Wird das Schaltventil 20 durch einen entsprechenden
Steuerdruck in Stellung B geschaltet, so erhält die Überbrückungskupplung 6 durch
eine Verbindungsleitung 26 über eine mit der Steuerpumpe 3 verbundene Steuerdruckleitung
27 nach Durchgang durch das Schaltventil 20 über die Leitungen 23 und 22 Druck und
wird damit eingerückt. Gleichzeitig wird der Arbeitskreis der Verstellpumpe 4 und
des Hydromotores 5 in dieser Schaltventilstellung über Leitungen 28 und 29 kurz
geschlossen. Damit wird ein evtl. vorhandener Schlupf zwischen den Wellen 7 und
8> der durch Wirkungsgradeinflüsse bedingt ist, ohne Einfluß, d.h. ohne Schaltstoß
bleiben.
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Uber Leitungen 30 und 31 können die beiden Umsteuerventile 11 und
12 Jeweils mit einem Tank 32 bzw. 33 bei entsprechender Lage der Verstellkolben
18 bzw. 19 verbunden werden. Wird nun das hydrostatische Getriebe durch das Wegnehmen,
d.h. durch Reduzieren der Verbrennungsmotordrehzahl und damit auch des Steuerdruckes,
wieder zurückgeschwenkt, wobei bei der Verstellpumpe 4 eine Verkleinerung des Sehwenkwinkels
und bei dem Hydromotor 5 eine Vergrößerung des Schwenkwinkels auftritt, so wird
das Schaltventil 20 durch Verschieben der Verstellkolben 18 und 19 an den hydraulischen
Betätigungen 3" bzw.35 mit den beiden Tanks 32 und 33 verbunden und gibt durch ein
Schalten von Position B nach A die Uberbrückungskupplung 6 und damit das hydrostatische
Getriebe frei.
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Die Verschwenkung von Stellgliedern 36 und 37 der Verstellpumpe 4
bzw.des Hydromotores 5 erfolgt Jeweils über mit den Verstellkolben 18 bzw. 19 verbundene
Gestänge 38 bzw. 39. Die Positionen der Verstellkolben 18 bzw. 19 bei Schaltstellung
B des Schaltventiles 20, d.h. bei einem Kurzschluß des Druckmittels in dem hydrostatischen
Getriebe ist in der Fig. 1 jeweils gestrichelt dargestellt. Im überbrückten Zustand
kann über die verbundenen Wellen 7 und 8, in der das kurzgeschlossene hydrostatische
Getriebe keine Leistung überträgt, weiter beschleunigt werden, d.h der Verbrennungsmotor
1 erhöht seine Drehzahl bis zur zulässigen Nenndrehzahl. Dies bedeutet, es wird
also rein hydrostatisch mit der Möglichkeit zu reversieren stufenlos angefahren
und nach Erreichen einer vorgewählten Drehzahl und einer Einrückung der Uberbrückungskupplung
6
mechanisch durchgetrieben, wodurch mit verbessertem. Wirkungsgrad
auf die volle Verbrennungsmotorleistung beschleunigt werden kann.
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Als Sicherileitseinrichtungen für die erfindungsgemäße Vorrichtuny
dienen - wie üblich - verschiedene Ventile; wie z.-B. ein Sicherheitsventil 48 für
die Steuerpunpe 3 und zwei Sicherheitsventile 49 fu r den ucdruckkreis zwischen
der Pumpe 4 und dein rotor 5. Zwei Einspeisventile 50 von der Steuerpumpe 3 zur
jeweiligen Niederdruckseite zwischen Pumpe 4 und tlotor 5 sind ebenfalls in der
Fig. 1 dargestellt.
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Der erforderliche Arbeitsbereich, d.h. der hydrostatische Betriebsbereich
bezogen auf den Gesamtbetriebsbereich des Verbrennungsmotores, bestimmt dabei den
erforderlichen Aufwand für das hydrostatische Getriebe.
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Wird die Uberbrückungskupplung 6 als Schaltkupplung dimensioniert,
so kann sie der Uberbrückung und der Zusatzaufgabe, nämlich dem Schalten des Schaltgetriebes
10 genügen. Ein Schaltgetriebe erweitert den Anwendungsbereich des beschriebenen
Antriebs deutlich.
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Einer der Hauptvorteile dieser Servoschaltvorrichtung liegt darin,
daß das hydrostatische Getriebe mit dem nicht vermeidbaren schlechteren Wirkungsgrad
gegenüber einem mechanischen Getriebe nur für den Anfahrbereich bzw. unteren Drehzahlbereich
verwendet wird, wodurch Anfahren, Arbeiten im Kriechgang usw. abgedeckt werden können.
Transportfahrten sind hingegen mit hoher Geschwindigkeit und Motorleistung und mit
guten Wirkungsgraden durchführbar.
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Um den Wirkungsgrad im überbrückten Zustand noch mehr zu verbessern,
können mit dem Ja noch weiter in Abhängigkeit von der Drehzahl ansteigendem Steuerdruck
der Steuerpumpe 3 im Bedarfsfalle sowohl die Verstellpumpe 4 als auch der Hydromotor
5 auf eine O-Förderung verstellt werden. Dadurch daß die Gehäuse des hydrostatischen
Getriebes nicht mit Druckmittel gefüllt sind, tritt keine Verminderung der Leistungsbilanz
auf.
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In der Fig. 2 ist eine derartige Lösung dargestellt, wobei nur der
Bereich mit den beiden Umsteuerventilen 11 und 12 dargestellt ist, weil die übrigen
Teile unverändert bleiben.
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Aus diesem Grunde sind auch die gleichen Bezugszeichen beibehalten
worden.
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Von der Steuerdruckleitung 27 zweigen jeweils eine Zweigleitung 40
bzw. 41 zu dem Umschaltventil 11 bzw. 12 ab. Die Zweigleitungen 40 und 41 münden
Jeweils in einen Kolbenraum 42 bzw. 43 mit entsprechenden Druckkolben. Uber die
beiden Druckkolben der Kolbenräume 42 und 43 werden Jeweils die Gehäuse der Umschaltventile
11 und 12 gegen die Kraft einer Feder 44 bzw. 45 vollständig verschoben, wobei die
Druckverhältnisse im Inneren und auch die Verstellkolben 18/19 unverändert bleiben.
Aufgrund der Jeweiligen Verschiebung des gesamten Gehäuses werden Jedoch über die
Gestände 38 und 39 die Stellglieder 36 und 37 in Richtung O-Förderung der Stellpumpe
4 und des Hydromotores 5 verstellt. Dabei ist dem Prinzip des hydrostatischen Getriebes
entsprechend die Korrektur der Schwenkwinkel gegen Null bei der Verstellpumpe 4
und dem Hydromotor 5 entgegengesetzt. Vor einem derartigen Korrekturvorgang sind
die Umschaltventile 11 und 12 zwischen den Federn 1414 bzw. 45 und Anschlägen 46
bzw. 147 eingespannt.
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In der Fig. 3 ist ein Motorkennfeld prinzipmäuig dargestellt, aus
dem ebenfalls die Vorteile der Erfinduny in verschiedenen Fahrbereicnen deutlich
werden.
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In dieser Figur sind über der iotordrehzahl verschiedene Leistunyskurven
mit NMot) Drehmomentkurven TMOt, und Kurven ,minimalen Verbrauches in Parabelform
T dargestellt.
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Wie ersichtlich, können mit der erfi ndungsgemäßen Vorrichtung drei
verschiedene Fahrbereiche in sehr vorteilhafter Weise definiert werden.
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1. Der Verbrennungsinotor wird bein Anfahren auf die Anfahrdrehzahl
A (ca. 1100 U/min) beschleunigt, wobei die Übersetzung des hydrostatischen Getriebes
noch 0 ist und das Fahrzeug steht. Bei nun konstant bleibender Anfahrdrehzahl A
wird nun die Übersetzung des hydrostatischen Getriebes geändert, womit das Fahrzeug
beschleunigt. Im Schnittpunkt einer bestimmten Leistung, wie angegeben etwas über
60 kW, mit der Drehmomentkurve T ist die maximal erreichbare (ibersetzu ng des hydrostatischen
Getriebes eingestellt. Eine weitere Seschwindigkeits- und Leistunyssteigerung über
das hydrostatische Getriebe ist nun nicht mehr möglich. Es wurde jedoch dabei nicht
bis zur Nennleistung, z.B. 130 k hochgefahren.
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Mit anderen Worten: bei unveränderter Drehzahl wird das hydrostatische
Getriebe bis zum Erreiciien eines Drehrnoiientes des Motores hochgefahren, die dieser
Drehzahl und einer zugeordneten Leistung entspricht. Dieser Schnittpunkt ist mit
"51" EI bezeichnet.
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2. An dieser Schnittpunktstelle wird nun das hydrostatische Getriebe
mechanisch überbrückt und die Leistung des Verbrennungsfl0otores fließt nun direkt
zum Abtrieb, wobei eine Leistungs- und Geschwindigkeitssteigerung durch eine entsprechende
Drehzahl erhöhung am Verbrennungsmotor erreicht wird.
Wie angegeben
ist dies bis ungefähr zur Drehzahl 1800 U/min (Position B) möglich, wobei man sich
noch im Kennfeld minimalen Verbrauches bei einer Leistung von ca. 100 kW befindet.
(Der Schnittpunkt ist mit "52" bezeichnet).
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3. Weitere Drehzahl- und Leistungssteigerunyen a Verbrennungsmotor
bis zur Nenndrehzahl, ca. 130 kW in diesem Beispiel, ist nur unter Inkaufnahme höheren
Verbrauches möglich und zwar bis zum Punkt C, bzw. Schnittpunkt "53".