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Hydrostatische Kupplung Die Erfindung bezieht sich auf hydrostatische
Kupplungen nach Art vnn Zahnradpumpen, die besonders für hohe Drehzahlen geeignet
sind. Dis bisher bekannten hydrostatischen Kupplungen sind hauptsächlich bei Schiffsantrieben,
und zwar als schwingungsdämpfende Elemente zwischen einer langsam laufenden Antriebsmaschine
und der Schraubenwelle, verwendet worden.
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Hydrostatische Kupplungen können aber auch vorteilhaft als Kupplungen
mit vorbestimmtem maximalem Drehmoment angewendet werden. Eine solche Kupplung enthält
zumindest einen als Pumpe ausgebildeten Teil, der, sobald das wirksame Drehmoment
kleiner als das maximal übertragbare Drehmoment ist, bloß so viel Medium fördert,
wie zur Deckung der Leckverluste erforderlich ist. Die beiden Kupplungshälften rotieren
hierbei fast mit gleicher Drehzahl. Wenn anderseits das wirksame Drehmoment größer
als das maximal übertragbare Drehmoment ist, dann fördert die Pumpe das Medium in
der Kupplung im Kreislauf über entsprechend vorgespannte Rückschlagventile, wobei
die getriebene Kupplungshälfte mit geringerer Drehzahl als die treibende Kupplungshälfte
rotiert.
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Bei hohen Drehzahlen wächst die Fliehkraft rasch an, was insbesondere
hinsichtlich der Lagerung der Pumpenräder und der gegenseitigen Abdichtung zwischen
diesen Rädern sowie zwischen den Pumpenrädern und dem Pumpengehäuse Schwierigkeiten
bereitet.
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Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, werden die Pumpenzahnräder
nach Art von Planetenrädern angeordnet, die paarweise in Ausnehmungen eines drehfest
mit einer der Kupplungswellen verbundenen Gehäuses liegen, wobei das eine Rad einer
jeden Pumpe mit einem auf der anderen Kupplungswelle angeordneten Rad im Eingriff
steht. Jeder Zahnradpumpe ist erfindungsgemäß eine Druckkammer zugeordnet, die radial
außerhalb der Pumpe liegt und in Umfangsrichtung eine solche Ausdehnung hat, daß
der hydraulische Druck, der auf jedes Pumpenrad wirkt, gegensinnig zu der auf das
betreffende Rad wirkenden Fliehkraft gerichtet ist.
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Die beiden Zahnräder jeder Pumpe- sind entweder gleich groß und in
verschiedenen Radialabständen von der Kupplungswelle angeordnet, wobei die Differenz
dieser Radialabstände gleich der Zahnhöhe der Räder ist, -oder sie sind in gleichen
Radialabständen von der Kupplungsachse angeordnet und verschieden groß, wobei dann
die Differenz der Radien dieser Räder gleich der Zahnhöhe ist. Hierdurch wirkt die
Fliebkraft ungefähr gleich stark auf die beiden Räder, und demnach wird auch der
Einfluß der Fliehkraft auf die Lagerdrücke, die von der Differenz zwischen der Fliehkraft
und dem hydraulischen Druck abhängen, ausgeglichen.
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Um das durch die Kupplung maximal übertragbare Drehmoment festzulegen,
ist jede Pumpe ferner mit einem Rückschlagventil versehen, das in einer Umlaufleitung
zwischen der Druckseite und der Saugseite jeder Pumpe liegt. Jedes dieser Ventile
kann mit einer Feder versehen sein, welche den Ventilkörper gegen seinen Sitz drückt.
Um einen möglichst synchronen Anlauf aller Zahnradpumpen zu erreichen, können diese
Federn einzeln eingestellt werden.
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Je nach Ausführung dieser Ventile können -der Kupplung verschiedene
Eigenschaften, insbesondere verschiedene Drehmomentenkennlinien, erteilt werden.
Wenn der Ventilkörper so angeordnet ist, daß er radial nach außen schließt, dann
unterstützen sich einander die Ventilfederkraft und die -Fliehkraft, wodurch sich
eine Kupplung ergibt, die bei hohen Drehzahlen ein größeres maximales Drehmoment
als bei niedrigen Drehzahlen übertragen kann, was besondere Vorteile bietet, wenn
der Antrieb einschließlich der Kupplung eine niedrige kritische Drehzahl hat, die
während des
Anfahrens durchlaufen werden muß. Unter Umständen können
die Ventilfedern bei dieser Anordnung völlig entfallen, so daß das Ventil dann nur
durch die Fliehkraft gesteuert wird.
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Wenn andererseits der Ventilkörper radial nach innen schließt, wirkt
die Fliehkraft der Ventilfederkraft entgegen, wodurch sich eine Kupplung ergibt,
die bei niedrigen Drehzahlen ein größeres maximales Drehmoment als bei hohen Drehzahlen
überträgt, so daß die zu übertragende Leistung ungefähr konstant gehalten werden
kann.
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Durch Änderung der Steifigkeit der Ventilfeder und der Masse des Ventilkörpers
können die Kupplungseigenschaften in gewünschter Weise eingestellt werden.
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Wenn schließlich das maximal übertragbare Drehmoment konstant gehalten
werden soll, ist der Ventilkörper parallel zur Welle verstellbar anzuordnen, wodurch
ein Einfluß der Fliehkraft auf die Betätigung des Rückschlagventils ausgeschaltet
wird.
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Ein wesentlicher Teil der Leckverluste in einer Zahnradpumpe tritt
zwischen den Seitenflächen der Zahnräder und den an diese anschließenden Gehäusewänden
auf. Gemäß der Erfindung ist deshalb jede Zahnradpumpe mit Dichtungsplatten versehen,
die in axialer Richtung gegen die Zahnräder gedrückt werden. Dieses Andrücken kann
entweder durch Zuleiten von Druckmedium von der Druckseite der Pumpe über eine Leitung
zu jenen Seiten der Dichtungsplatten erfolgen, die der Pumpe abgekehrt sind, oder
auch durch eine solche Anordnung von Druckfedern, daß diese auf jene Seiten der
Dichtungsplatten wirken, die der Pumpe abgekehrt sind. Auch beide Maßnahmen zusammen
können zum Andrücken der Dichtungsplatten angewendet werden.
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Um mittels der hydrostatischen Kupplung einen Betrieb in beiden Richtungen
zu ermöglichen, sind ferner einzelne Zahnradpumpen so angeordnet, daß sie die Flüssigkeit
in ihre Druckkammern bei der einen Drehrichtung zwischen dem an der einen Kupplungswelle
angeordneten und die Pumpenräder abstützenden Gehäuse und dem mit der anderen Kupplungswelle
verbundenen Zahnrad fördern, wogegen die übrigen Zahnradpumpen so angeordnet sind,
daß sie die Flüssigkeit in. ihre Druckkammern bei der entgegengesetzten Drehrichtung
zwischen dem Gehäuse und diesem Zahnrad fördern.
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Um die Probleme der Lagerung und Abdichtung zu vereinfachen, sind
die Achsen der Pumpenräder fest im Gehäuse angeordnet und die Pumpenräder drehbar
auf diesen Achsen gelagert, vorzugsweise mit Hilfe von Nadellagern.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen nun an Hand der Zeichnungen
beschrieben werden. Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel
nach der Linie 1-1 in Fig. 2; Fig.2 stellt einen Schnitt durch das gleiche Ausführungsbeispiel
längs der Linie 2-2 in Pig. 1 dar; Fig. 3 zeigt in Diagrammform die Abhängigkeit
des maximalen Drehmoments von der Drehzahl beim Ausführungsbeispiel nach Fig.1;
Fig.4 stellt eine abgewandelte Ausführung des Rückschlagventils nach Fig.2 dar;
Fig. 5 zeigt in Diagrammform die Abhängigkeit des maximalen Drehmoments von der
Drehzahl beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4; Fig. 6 stellt eine weitere Abänderung
des Rückschlagventils nach Fig. 4 dar; Fig. 7 zeigt wieder in Diagrammform die Abhängigkeit
des maximalen Drehmoments von der Drehzahl beim Ausführungsbeispiel nach Pig. 6;
Fig. 8 zeigt ein parallel zur Kupplungswelle verschließbares Rückschlagventil; Fig.
9 gibt für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 in Diagrammform den Zusammenhang
zwischen dem maximalen Drehmoment und der Drehzahl an; Fig. 10 ist ein Schnitt durch
ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, und Fig. 11 zeigt schließlich das
Andrücken der Dichtungsplatten durch Druckfedern.
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Bei allen dargestellten Ausführungsbeispielen ist mit der einen Kupplungswelle
14 ein Zahnrad 16 fest verbunden. Dieses Zahnrad 16 ist innerhalb eines mit
öl od. dgl. gefüllten Gehäuses 18 angeordnet, das seinerseits mit der anderen
Kupplungswelle 19 fest verbunden ist, wobei -die Welle 14 auf einem Ansatz 22 der
einen Stirnwand 20 des Gehäuses 18 gelagert ist, während die andere Stirnwand 24
des Gehäuses 18 gegen die Welle 14 abgedichtet ist. Die Gehäusestirnwand 20 ist
mit einem Fülloch 25 versehen, das mit einer Schraube 27 verschlossen ist.
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Im Gehäuse 18 sind radial außerhalb des Zahnrads 16 mehrere Ausnehmungen26
vorgesehen. In jeder dieser Ausnehmungen 26 sind zwei Zahnräder 28, 30 mit Hilfe
von Nadellagern 32 auf den im Gehäuse 18
befestigten Achsen 36, 38 drehbar
gelagert. Eines dieser Zahnräder, das Zahnrad 28, greift jeweils in das Zahnrad
16 ein, das als Sonnenrad wirkt, während die anderen Zahnräder 28 Planetenräder
bilden und das Gehäuse 18 selbst als Träger, der Planetenräder dient.
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Die beiden in einer Ausnehmung 26 angeordneten Zahnräder 28, 30 sind
gleich groß, aber in verschiedenen radialen Abständen von der Kupplungsachse angeordnet,
wobei die Differenz dieser Radialabstände der Zahnhöhe der Räder 28s 30 entspricht.
Diese Zahnräder rotieren in Richtung der Pfeile 40, 42 und bilden eine Zahnradpumpe,
welche das l51 öd. dgl. von der zentralen Kammer 44 des Gehäuses 18 in eine
Druckkammer 45 fördert, die radial außerhalb der Pumpe vorgesehen ist. Zu beiden
Seiten der Pumpe sind Dichtungsplatten 48, 50 angeordnet, die in axialer Richtung
gegen die Zahnräder 28, 30 gedrückt werden, indem durch einen Kanal 52 von der Druckkammer
46 auf die der Pumpe abgekehrte Seite jeder Dichtungsplatte 48, 50 Druckflüssigkeit
geleitet wird.
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Jede Druckkammer 46 ist mit der zentralen Kammer 44 durch eine Umlaufleitung
54 verbunden, in der ein Rückschlagventil angeordnet ist, das aus einem radial verstellbaren
Ventilsitz 56, einem Ventilkörper 58 und einer Druckfeder 60 besteht, die den Ventilkörper
58 radial nach außen. gegen den Ventilsitz 56 drückt.
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Fig.4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform dieses das maximale
Drehmoment festlegenden Ventils in ähnlicher Darstellung wie Fig.2. Das Ventil besteht
aus einem Sitz 102- und einem Ventilkörper 104, der bei einer Bewegung nach außen
schließt, eine relativ große Masse aufweist und mit Stegen 106 versehen ist, die
zur Führung in einem Kanal 108 dienen. Dieses Ventiil ist mit keinerlei Federn versehen.
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Fig. 6 zeigt in ähnlicher Darstellung wie Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel
für das das maximale Drehmoment festlegende Ventil. Hierbei besteht das Ventil aus
einem Sitz 110 und einem Ventilkörper 112, der bei einer Bewegung nach innen schließt
und durch eine Schraubenfeder 114 gegen seinen Sitz gedrückt wird.
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Fig. 8 zeigt eine dritte Abwandlung des das maximale Drehmoment festlegenden
Ventils in ähnlicher
Darstellung wie Fig. 1. In diesem Fall besteht
das Ventil aus einem Sitz 116 und einem Ventilkörper 118, der parallel zur Kupplungsachse
verstellbar ist; der Ventilkörper 118 ist mit Hilfe von Stegen 120 in einer Ausnehmung
122 geführt und wird mittels einer Schraubenfeder 124 gegen seinen Sitz gedrückt.
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Die Fig. 3, 5, 7 und 9 zeigen, wie sich das maximal übertragbare Drehmoment
bei Verwendung dieser verschiedenen Ventilarten mit der Drehzahl ändert.
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Die Drehmomentenkennlin.ie nach Fig. 3 gilt für ein Ventil der in
den Fig. 1, und 2 dargestellten Ausführung, bei dem Ventilfederkraft und die Fliehkraft
gleichsinnig wirken; es ergibt sich hierbei ein bestimmtes Anfangsdrehmoment, und
das Drehmoment nimmt mit der Drehzahl stetig zu.
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Fig.5 zeigt die Drehmomentenkennlinie für die Ventilausführung nach
Fig. 4, bei welcher das Ventil ausschließlich durch die Fliehkraft betätigt wird;
hierbei ist das Anfangsdrehmoment fast Null, doch nimmt das Drehmoment mit der Drehzahl
stetig zu.
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Die Kennlinie nach Fig. 7 gilt für eine Ventilausführung nach Fig.
6, bei welcher die Ventilfederkraft und die Fliehkraft gegensinnig wirken; es ergibt
sich dann anfänglich ein hohes Drehmoment, das aber mit steigender Drehzahl stetig
abnimmt.
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Fig. 9 zeigt schließlich die Kennlinie für ein Ventil der in Fig.
8 dargestellten Ausführung, bei welcher der Einfluß der Fliehkraft beseitigt ist;
es ergibt sich dabei ein drehzahlunabhängiges, d. h. konstantes Drehmoment.
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Fig. 10 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem
das Zahnrad 16 ebenfalls innerhalb eines mit Öl -öd. dgl. gefüllten Gehäuses 18
angeordnet ist. Im Gehäuse 18 sind radial außerhalb des Zahnrades 16 wieder mehrere
Ausnehmungen 26 vorgesehen. In jeder dieser Ausnehmungen ist ein Zahnrad 126 bzw.
128 drehbar gelagert, das mit dem Zahnrad 16 und mit einem zweiten Zahnrad 130 bzw.
132 kämmt. ' Die beiden Pumpenzahnräder 126,130 bzw. 128, 132, die in einerAusnehmung26
liegen, sind in diesem Fall in gleichen Radialabständen von der Übertragungswelle
angeordnet. Das mitlaufende Rad 130 bzw. 132 hat aber einen Radius, der um eine
Zahnhöher kleiner als der Radius des zugeordneten Zahnrades 126 bzw. 128 ist, welches
mit dem Zahnrad 16 im Einriff steht.
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Die Zahnräder 130 und 132 sind ferner an verschiedenen Seiten
der mit ihnen zusammenwirkenden Zahnräder 126 bzw. 128 angeordnet, so daß die eine
Zahnradpumpe 126, 130 die Flüssigkeit bei der einen Drehrichtung zwischen Zahnrad
16 und Gehäuse 18 in die zugehörige Druckkammer 46 fördert, wogegen die andere Zahnradpumpe
128, 132 die Flüssigkeit seiner Druckkammer 46 bei der entgegengesetzten Drehrichtung
zwischen Zahnrad 16 und Gehäuse 18 zuführt. Auf diese Weise kann die Kupplung zum
Antrieb in beiden Drehrichtungen verwendet werden.
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Fig. 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Dichtungsplatten
48, 50 statt durch Drucköl mit Hilfe von Federn 134, 136 gegen die Zahnräder 28,
30 gedrückt werden.
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Es bestehen weiterhin verschiedene Kombinationsmöglichkeiten, z. B.
die Anwendung gleich großer Pumpenzahnräder in verschiedenen Radialabständen von
der Kupplungsachse bei einer Kupplung, bei welcher mehrere Pumpen in verschiedenen
Richtungen arbeiten, oder die Anwendung verschieden großer Pumpenzahnräder in gleichen
Radialabständen von derübertragungswelle bei einerKupplung, bei welcher alle Pumpen
in der gleichen Richtung wirken.