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Stufenlos regelbares hydrostatisches Getriebe, insbesondere für Kraftfahrzeuge
Die Erfindung betrifft ein stufenlos regelbares hydrostatisches Getriebe, insbesondere
für Kraftfahrzeuge, bestehend aus einer Radialkugelkol'benpumpe, die läuferseitig
mit der Antriebswelle und kurvenringseitig mit der Abtriebswelle verbunden ist,
und einem dazu koaxial angeordneten Radialkugelkolbenmotor, der über Steuerkanäle
in den Druckbereichen und in den drucklosen Bereichen an die Radialkugelkolbenpumpe
angeschlossen und mit der Abtriebswelle kuppelbar ist.
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Es sind bereits stufenlos regelbare hydrostatische Getriebe dieser
Art bekannt, die aber keine selbsttätige Regelung besitzen. Sie beanspruchen auch
viel Raum, und außerdem treten bei ihnen einseitige Lagerdrücke auf, die erhöhten
Verschleiß zur Folge haben.
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Andererseits ist eine Vorrichtung zum selbsttätigen Regeln der Fördermenge
von Flüssigkeitspumpen, insbesondere für Flüssigkeitsgetriebe von Kraftfahrzeugen,
bekannt. Die Regelung erfolgt jedoch hier durch radiales Verschieben des Getriebestators.
Hierzu ist eine Verstellvorrichtung vorgesehen, die in Richtung der Vergrößerung
der Fördermenge durch ein Luft- oder Gaskissen und in Richtung der Verkleinerung
der Fördermenge durch den Flüssigkeitsdruck der Druckleitung betätigt wird.
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Ferner kennt man ein Flüssigkeitsgetriebe mit einer Vorrichtung zum
selbsttätigen Regeln bei wechselndem Antriebsmoment. In diesem Falle wird zum Regeln
der Speisedruck mitverwendet, der den Stator radial verschiebt, und zwar wirkt auf
die eine Seite des Stators ein unter dem Speisedruck stehender Kolben, dem auf der
anderen Seite eine Feder entgegenwirkt. Auch diese Regelvorrichtung ist sehr umständlich.
Außerdem beruht das hydrostatische Getriebe auf einem anderen Prinzip.
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Bekannt ist weiterhin ein Flüssigkeits- und Wendegetriebe mit einem
Kurvenring von der Form eines elliptischen Trichters, der nach innen zu in Kreisform
übergeht. Die hier von Hand vorzunehmende Regelung erfolgt durch axiales Verschieben
des Pumpenrotors gegenüber dem Kurvenring.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hydrostatisches Getriebe
zu schaffen, dessen Regelung selbsttätig in Abhängigkeit vom Speisedruck und vom
Arbeitsdruck erfolgt, wodurch eine besonders gedrungene Bauart erreicht wird.
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Die Erfindung besteht bei einem stufenlos regelbaren hydrostatischen
Getriebe der eingangs genannten Art darin, daß der Radialkugelkolbenmotor einen
axial nicht verschiebbaren, mit der Abtriebswelle gekuppelten Kurvenring hat, dessen
Laufbahn in an sich bekannter Weise die Form eines ungefähr elliptischen Trichters
besitzt, der nach innen zu in Kreisform übergeht, ferner daß der Radialkugelkolbenmotor
einen axial verschiebbaren Kugelkolbenstator aufweist, der von seiner speiseseitigen
Stirnseite durch den in an sich bekannter Weise zum Regeln dienenden Speisedruck
und auf der pumpenseitigen Stirnseite durch den axial entgegenwirkenden Arbeitsdruck
beaufschlaghar ist, wobei die wirksame speiseseitige Druckfläche größer als die
pumpenseitige Druckfläche des Kugelkolbenstators ist, und außerdem daß in den Steuerkanälen
gegen die Speiseseite hinwirkende Rückschlagventile angeordnet sind.
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Der trichterförmige Abschnitt des Kurvenringes wird zweckmäßig so
gestaltet, daß der kleinere Laufbahndurchmesser zur Trichteröffnung hin, vorzugsweise
im gleichen Maße, abnimmt, wie der größere Laufbahndurchmesser zunimmt. Hierdurch
wird erreicht, daß sich die in diesem Abschnitt auf den Kurvenring wirkenden axialen
Schubkräfte gegenseitig aufheben.
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Weiterhin ist es vorteilhaft die Laufbahn der Radialkolbenpumpe und
die Laufbahn des Radialkolbenmotors
in einem gemeinsamen Kurvenring
vorzusehen.
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In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel des hydrostatischen
Getriebes nach der Erfindung veranschaulicht, und zwar zeigt Fig. 1 den Längsschnitt
durch das hydrostatische Getriebe in der Stellung des Radialkugelkolbenstators auf
der kreisförmigen Laufbahn, Fig.2 den gleichen Schnitt in der Stellung des R adialkugelkolbenstators
auf der trichterförmigen Laufbahn, Fig. 3 den Schnitt III-111 der Fig. 1, Fig. 4
den Schnitt IV-IV der Fig. 1, Fig. 5 den Schnitt V-V der Fig. 1.
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In dem Gehäuse 1 (Fig. 1 und 2) befindet sich (in der Zeichnung rechts)
die Radialkugelkolbenpumpe 2. Ihr Läufer 3, in dessen Bohrungen 4 die Kugelkolben
5 geführt werden, ist mit der Antriebswelle 6 an deren Flansch 7 mittels Kopfschrauben
8 fest verbunden. Die Kugelkolben 5 laufen auf der in üblicher Weise ausgeführten
Laufbahn 9 des Kurvenringes 10.
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Der Radialkugelkolbenmotor 11 liegt koaxial zur Radialkugelkolbenpumpe
2. Dieser Radialkugelkolbenmotor hat einen die Kugelkolben 12 in den Bohrungen 13
aufnehmenden Kugelkolbenstator 14, der also feststeht. Er wird durch die im Gehäuse
1 sitzenden Stifte 15, die in die Bohrungen 16 des Kugelkolbenstators eingreifen,
am Drehen gehindert, kann aber in seiner Achsrichtung verschoben werden. Dabei verschieben
sich mit ihm die Kugelkolben 12 auf der ziemlich breiten Laufbahn 17 des Kurvenringes
10. Die Laufbahn 17 ist so gestaltet, daß das Verschieben des Kugelkolbenstators
14 eine Änderung des Kugelkolbenhubes und damit eine Änderung der Leistungsaufnahme
des Radialkugelkolbenmotors 11 zur Folge hat. Der in der Zeichnung am weitesten
rechts liegende Abschnitt der Laufbahn 17 hat kreisrunde Form. Er ermöglicht somit
keinen Kugelkolbenhub. Nach links hat die Laufbahn 17 die Form eines ovalen Trichters
mit einem zur Trichteröffnung hin zunehmenden großen Durchmesser - er verläuft parallel
zur großen Achse der Laufbahn 9 der Radialkugelkolbenpumpe 2 - und einen nach der
gleichen Richtung hin abnehmenden kleinen Durchmesser - er ist parallel zur kleinen
Achse der Laufbahn 9 gerichtet. In der Ansicht nach Fig. 1 vergrößert sich nach
außen (links) hin der in der Zeichnungsebene liegende Laufbahndurchmesser, wogegen
sich der senkrecht dazu stehende Laufbahndurchmesser um das gleiche Maß verringert
(vgl. auch Fig.3). Der Zweck dieser Anordnung wurde schon erwähnt: Aufheben der
axialen Schubkräfte. Je mehr der Kugelkolbenstator 14 und mit ihm die Kugelkolben
12 nach links rücken, um so mehr vergrößert sich daher der Kugelkolbenhub.
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Der Kurvenring 10 ist der Radialkugelkolbenpumpe 2 und dem Radialkugelkolbenmotor
11 gemeinsam; jedoch können auch gesonderte Kurvenringe vorgesehen werden. Gemeinsam
ist außerdem für beide hydrostatische Einheiten auch der Steuerzapfen 18. Er ist
mit dem Kurvenring 10 vermittels Kopfschrauben 19, die die beiden Flansche 20 und
21 durchsetzen, fest verbunden. Nach links hin geht der Steuerzapfen 18 in die Abtriebswelle
22 über, mit der er einfachheitshalber aus einem Stück gearbeitet ist.
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Das hydrostatische Getriebe wird mit Druckmittel (0I) durch den Einlaßstutzen
23 gespeist, von dem der Kanal 24 zu dem Ringraum 25 führt. Von diesem Ringraum
25 zweigen zwei hydraulische Wege ab. Der eine (vgl. Fig. 1) verläuft über die Bohrung
26 und den mit dem Rückschlagventil 27 ausgerüsteten Kanal 28 zu dem Steuerkanal
29 und weiter über den Querkanal 30 zu dem Steuerkanal 31. Der andere (vgl. Fig.
3) führt über die Bohrung 32 und den mit dem Rückschlagventil 33 versehenen Kanal
34 zu dem Steuerkanal 35 und weiterhin über den Querkanal 36 zu dem Steuerkanal
37. Die Steuerkanäle 29 und 31 (Fig. 1) - sie mögen die Druckkanäle sein - stehen
motorseitig über die zugehörigen Zapfenkammern 38 und die sie passierenden Statorausnehmungen
39 mit den Bohrungen 13 und pumpenseitig über die zugehörigen Zapfenkammern 40 und
die diese passierenden Pumpenläuferausnehmungen 41 mit dessen Bohrungen 4 in Verbindung.
Sinngemäß stehen die Steuerkanäle 35 und 37 (vgl. Fig. 3) - sie mögen die drucklosen
Kanäle sein - motorseitig über die an sie anschließenden Zapfenkammern 38 und die
sie passierenden Statorausnehmungen 39 mit den Bohrungen 13 und pumpenseitig über
die zugehörigen Zapfenkammern 40 und die sie passierenden Läuferausnehmungen 41
mit dessen Bohrungen 4 in Verbindung. Es kommunizieren also die jeweiligen Druckbereiche
von Radialkugelkolbenpumpe 2 und -motor 11 miteinander und ebenso deren jeweiligen
drucklosen Bereiche.
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Zum selbsttätigen axialen Verschieben des Kugelkolbenstators 14 sind
einander gegenüberliegend zwei Druckräume vorgesehen. Der eine befindet sich auf
der Speiseseite des Kugelkolbenstators 14. Er wird durch den schon erwähnten Ringraum
25 gebildet, an den die speiseseitige Druckfläche 42 angrenzt. Der andere Druckraum
43 liegt auf der der Radialkugelkolbenpumpe 2 zugekehrten Stirnseite des Kugelkolbenstators
14. Er wird durch die pumpenseitige Druckfläche 44 begrenzt. Letztere ist, auch
soweit es ihre axial wirksame Größe betrifft, kleiner als die speiseseitige Druckfläche
42.
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Den Druckraum 43 speisen die Steuerkanäle 29 und 31 des Steuerzapfens
18, und zwar in der in Fig.5 veranschaulichten Stellung über den Kanal 45, der nach
außen hin durch eine Madenschraube 46 abgeschlossen ist, ferner über den Kanal 47,
der einen Freikolben 48 enthält und außen ebenfalls durch Madenschrauben 46 begrenzt
wird, und weiterhin über den schräg gerichteten Kanal 49. Im Druckraum 43 herrscht
also stets der gleiche Druck wie in den Steuerkanälen 29 und 31 des Steuerzapfens
18, also auch der gleiche Druck wie in den Druckbereichen der Radialkugelkolbenpumpe
2 und des -motors 11. Gemäß Fig. 5 ist noch ein durch eine weitere Madenschraube
abgeschlossener Verbindungskanal 50 vorhanden, der im dargestellten Fall
durch den Freikolben 48 gesperrt ist. Er gewinnt erst Bedeutung, wenn die unter
Druck stehenden Steuerkanäle 29 und 31 und die drucklosen Steuerkanäle 35, 37 ihre
Aufgabe vertauschen (s. Wirkungsweise des Getriebes).
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Die Wirkungsweise des hydrostatischen Getriebes nach der Erfindung
ist folgende: Es wird vom Stillstand des hydrostatischen Getriebes ausgegangen.
Der speiseseitige Öldruck erzeugt kein Drehmoment, da er die Rückschlagventile 27
und 33 öffnet. Dies hat zur Folge, daß sich alle Steuerkanäle 29, 31, 35, 37 und
die an sie anschließenden Wege bis zu den Kugelkolben der Radialkugelkolbenpumpe
2 und des -motors 11 heran gleichmäßig mit Drucköl füllen. Die Summe aller am Kurvenring
10 wirkenden Drehkräfte ist daher sowohl pumpenseitig als auch motorseitig zunächst
noch Null. Auch im Ringraum 25 und im Druckraum 43 herrscht gleicher Druck. Da jedoch
die speiseseitige Druckfläche 42 des Kugelkolbenstators 14 größer ist als
die pumpenseitige
Druckfläche 44, wird der Kugelkolbenstator nach
innen zu, also in die Stellung der Fig. 1, verschoben, in der sich seine Kugelkolben
12 auf dem kreisrunden Abschnitt der Laufbahn 17 befinden. Wird nun die Antriebswelle
6 angetrieben, so dreht sich auch der mit ihr gekuppelte Läufer 3. Er will jetzt
Öl verdrängen, kann es aber in dieser Stellung (Fig.1) nicht. Der von ihm erzeugte
erhöhte Öldruck schließt lediglich das Rückschlagventil 27 der Steuerkanäle 29 und
31 noch fester. Auch in Richtung der Kugelkolben 12 des Kugelkolbenstators 14 vermag
er keine Wirkung hervorzurufen, weil sich diese Kugelkolben 12 auf dem kreisförmigen
Laufbahnabschnitt befinden. Die Folge davon ist, daß zwischen Läufer 3 und Kurvenring
10 eine feste Kupplung entsteht. Der Kurvenring 10 wird daher mit der gleichen Drehzahl
mitgenommen. Er nimmt seinerseits den Steuerzapfen 18, also auch die Abtriebswelle
22 mit. Das übersetzungsverhältnis ist jetzt 1 : 1. Das Getriebe hat also noch keine
ins Langsame übersetzende Wirkung.
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Es erhöht sich aber der Arbeitsdruck innerhalb des hydrostatischen
Getriebes und damit in gleichem Maße der Öldruck im Druckraum 43, also auch der
Druck auf die pumpenseitige Druckfläche 44. Das Maß der Druckerhöhung hängt dabei
von der Belastung der Abtriebswelle 22 ab. Solange die auf die pumpenseitige Druckfläche
44 wirkende axiale Gesamtkraft kleiner bleibt oder nicht größer wird als die ihr
speiseseitig auf der Druckfläche 42 entgegenwirkende Gesamtkraft, ändert sich an
dem Zustand nichts. Übersteigt sie aber die auf die speiseseitige Druckfläche wirkende
Kraft, so verschiebt sich .der Kugelkolbenstator 14 nach links, wobei seine Kugelkolben
12 auf den trichterförmigen Abschnitt der Laufbahn 17 gelangen. Die Verschiebung
des Kugelkolbenstators hält so lange an, bis die axial sich entgegenwirkenden Kräfte
auf den Druckflächen 42 und 44 wieder gleich groß sind. Das Einstellen des Kugelkolbenstators
14 hängt vom Speisedruck und von der Belastung der Abtriebseite ab.
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Nunmehr vermag der Radialkugelkolbenmotor 11, Öl zu schlucken und
die Radialkugelkolbenpumpe 2 daher 01 zu verdrängen mit der Folge, daß die
Drehzahl des Kurvenringes 10 sich verringert und dessen Drehmoment sich erhöht.
Der Radialkugelkolbenmotor 11 erzeugt am Kurvenring 10 ein zusätzliches Drehmoment,
das proportional der sich einstellenden Schluckmenge desselben ist. Dieses zusätzliche
Drehmoment wirkt im gleichen Drehsinne wie das vom Läufer 3 erzeugte Drehmoment.
Der Kurvenring 10 ; gibt beide Drehmomente über den Steuerzapfen 18 an die Abtriebswelle
22 weiter.
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Nimmt die Belastung ab, so sinkt auch der Arbeitsdruck, also auch
der Druck im Druckraum 43. Nun überwiegt die im Ringraum 25 auf den Kugelkolbenstator
14 wirkende Verstellkraft. Der Kugelkolbenstator 14 wird jetzt so lange nach rechts
verschoben, bis sich die beiderseitigen Axialkräfte wieder aufheben. Die Schluckmenge
des Radialkugelkolbenmotors 11 wird dadurch kleiner (kleinerer Kolben- E hub), wodurch
sich das Übersetzungsverhältnis wieder 1 : 1 nähert und das Drehmoment sinkt.
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Das kleinste Übersetzungsverhältnis und das größte Drehmoment ergibt
die Stellung, in der sich der Kugelkolbenstator 14 am weitesten links befindet;
e denn hier fällt der Kugelkolbenhub und damit auch die Schluckmenge am größten
aus.
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Der Speisedruck ist veränderlich. Seine Einstellung kann z. B. durch
einen in Abhängigkeit von der Gaspedalstellung und von der Stellung des die Drehzahl
7 anzeigenden Fliehkraftreglers arbeitenden Druckregler erfolgen. Mit Änderung des
Speisedruckes ändert sich das Verhältnis der sich entgegenwirkenden Axialkräfte
im Ringraum 25 und im Druckraum 43. Der Kugelkolbenstator 14 geht somit bei einer
anderen Belastung von dem kreisförmigen Laufbahnabschnitt in den trichterförmigen
Laufbahnabschnitt über. Er kommt auf dieser auch in einer anderen Stellung zum Stillstand,
so daß abtriebseitig eine andere Drehzahl und ein anderes Drehmoment erzeugt wird.
Man erhöht den speiseseitigen Öldruck, wenn der Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeuges
auf hoher Leistung arbeitet und verringert ihn, wenn seine Leistung gesenkt wird.
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Befindet sich das Fahrzeug auf Talfahrt, so wird das hydrostatische
Getriebe von der bisherigen Belastungsseite aus angetrieben. Dadurch vertauschen
die Steuerkanäle 29, 31 einerseits und die Steuerkanäle 35, 37 andererseits ihre
bisherigen Aufgaben. Erstere sind nunmehr die drucklosen Steuerkanäle, letztere
die unter Druck stehenden Steuerkanäle. Die Steuerkanäle 35 und 37 führen jetzt
Drucköl, das den Freikolben 48 (vgl. Fig.5) nach links verschiebt, bis die rechte
Hälfte des Kanals 47 freigegeben ist und das Drucköl nun über diesen Kanal und den
Kanal 49 zum Druckraum 43 gelangen kann.
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Falls mit dem Fahrzeug rückwärts gefahren, also die Antriebswelle
6 umgekehrt angetrieben wird, polen sich im hydrostatischen Getriebe die bisherigen
Druckabschnitte und die drucklosen Abschnitte gegeneinander um, und ebenso wiederum
die Steuerkanäle 29, 31 und 35, 37, wodurch der Freikolben 48 von dem Arbeitsdruck
auf die andere Seite geschoben wird und daher über den Kanal 49 wieder in den Druckraum
43 wirken kann.