DE3338747A1

DE3338747A1 - Hydrostatische maschine mit konstantem oder veraenderlichem verdraengervolumen

Info

Publication number: DE3338747A1
Application number: DE19833338747
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Ing. 2000 Hamburg Bavendiek; Heinrich Prof. Dr.-Ing. Nikolaus
Original assignee: Mannesmann Rexroth AG
Current assignee: Bosch Rexroth AG
Priority date: 1983-10-25
Filing date: 1983-10-25
Publication date: 1985-05-09
Also published as: DE3338747C2; US4579043A; JPS60111066A

Description

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Beschreibung.:

Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Maschine mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Wird eine hydrostatische Maschine ohne äußere Belastung im Leerlauf betrieben, so treten durch die in den Zylinderbohrungen hin- und herlaufenden Kolben hydraulische
•^g Verluste auf, welche den Wirkungsgrad der Maschine verschlechtern.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird deshalb darin gesehen, die hydrostatische Maschine der eingangs

jQ geschilderten Art mit einer Kupplung zu versehen, welche die Maschine von dem mechanischen Antriebsstrang trennt, um die hydraulischen Verluste im Leerlauf zu vermeiden
und den Wirkungsgrad zu verbessern. Kupplungen an Axialkolbenmaschinen sind bekannt. So läßt sich an eine Axialkolbenmaschine eine Federdruck-Lamellen-Bremse (Bauart
Rexroth) anbauen, um bei Fahrzeugen und Hebezeugen den
Antrieb abzubremsen. Ferner ist eine auf der Triebwelle einer Axialkolbenmaschine aufgesetzte Kegelreibkupplung bekannt (Bauart Molly), mit der die Maschine bis zum

Stillstand abgebremst werden kann.

Die der Erfindung zugrunde liegende, oben genannte Aufgabenstellung führt dagegen zu einer Lösung, wie sie im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben ist. Erfindungsgemäß erfolgt die Betätigung der Kupplung unter Ausnutzung der von der Maschine erzeugten hydraulischen Druckkräfte als Steuergröße zum selbsttäigen Ein- und
Ausrücken der Kupplung abhängig vom Drehmoment. Es wird also die Rotationsbewegung der Maschine im Leerlauf durch automatisches Ausrücken der Kupplung verhindert, um die volumetrischen und hydraulisch-mechanischen Verluste im

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Leerlauf zu vermeiden. Sobald jedoch in der Maschine hydraulische Druckkräfte wirken bzw. erzeugt werden, je nachdem, ob die Maschine im Motor- oder im Pumpenbetrieb arbeitet , wird von diesen Druckkräften die Kupplung automatisch zum Einrücken gebracht. Da die Kupplungskräfte den hydraulischen Druckkräften entsprechen, kann das gesamte von der Maschine aufgebrachte Drehmoment über die Kupplung übertragen werden.

1Q Erfindungsgemäß handelt es sich um eine mechanisch wirkende Kupplung, die den Kraftfluß im Antriebs- bzw. Abtriebsstrang automatisch unterbricht. Je nach Belastungszustand der Maschine wird die Rotationsbewegung übertragen oder nicht, da die Kraftübertragung abhängig vom Drehmoment bzw.

IQ von dem in der Hochdruckleitung des Systems herrschenden . Druck gesteuert wird.

Grundsätzlich läßt sich die Erfindung sowohl an Axialkolbenmaschinen mit feststehender Hubscheibe und mit mit der Triebwelle verbundener Zylindertrommel, also in Schrägscheibenbauart, wie auch an Maschinen mit mit der Hubscheibe verbundener Triebwelle, also in Schrägachsenbauart realisieren. In jedem Fall muß dafür gesorgt werden, daß die von den Kolben aufgebrachten hydraulischen Druckkräfte auf die eine Kupplungshälfte wirken, während die andere Kupplungshälfte mit der Triebwelle verbunden ist. Die Erfindung läßt sich bei Maschinen in Schrägachsenbauart konstruktiv leicht realisieren, also bei Maschinen, bei denen die Hubscheibe drehbar angeordnet und mit der Triebwelle verbunden ist. Hierauf richten sich die Merkmale der Patentansprüche 2 und 3.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. So kann mit den Merkmalen der Patentansprüche 4 bis 8 eine die Ausrückbewegung der Kupplung unterstützende Kraft erzeugt werden.

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In vorteilhafter Weise können ferner mit den in den Patentansprüchen 9 und 10 angegebenen Merkmalen die Kupplungshälften im ausgerückten Zustand gegeneinander geführt werden.

Schließlich ist in den Patentansprüchen 11 und 12 eine Anordnung angegeben, mit der es möglich ist, bei vollem Betriebsdruck im Motorbetrieb der Maschine ein- und auszukuppeln, im Pumpenbetrieb ein- und auszukuppeln und vom ,Q Pumpen- auf Motorbetrieb und umgekehrt umzuschalten. Somit ist in vorteilhafter Weise die Kupplung auch unter vollem Betriebsdruck schaltbar und wird sin Verschleiß der Kupplung beim Schalten unter Last vermieden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Axialkolbenmaschine der Schrägachsenbauart mit Kupplung,

Fig. 2 einen Teilschnitt durch die in Fig. 1 dargestellte Kupplung im vergrößerten Maßstab,.

Fig. 3 einen Teilschnitt durch eine geänderte Ausführungsform der in Fig. 1 dargestellten Kupplung i_m vergrößerten Maßstab, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Anschlüsse der

Axialkolbenmaschine an eine Hoch- und Niederdruckleitung.
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Gemäß der Darstellung in Fig. 1 sind in einem feststehenden Gehäuse 1 eine Triebwelle 2, eine Hubscheibe 3, eine Zylindertrommel 4 mit mehreren Kolben 5 und Kugelstangen 6 sowie eine Steuerplatte 7 untergebracht. Der Zylinder mit den Kolben 5 ist in einem Winkel zur Wellenachse schräg angeordnet. Die Hubscheibe 3 steht über die KoI-

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benstangen 5 mit dem Zylinder 4 in gelenkiger Verbindung.

Der Zylinder 4 ist auf einem Mittelzapfen 8 gelagert, der eine Verlängerung 9 aufweist, die mit einem kugelförmigen Kopf 10 zentrisch angeordnet in der Hubscheibe 3 aufgenommen ist.

Die Hubscheibe 3 bildet als Triebflansch zusammen mit dem an der Triebwelle 2 angeformten Wellenflansch 12 eine IQ Kegelreibkupplung. Hierzu ist der Triebflansch 3 mit einem Außenkonus 14 versehen, der in einen Innenkonus 15 des Wellenflansches 12 greift.

Die Steuerplatte 7 weist zwei nierenförmige Schlitze 16 und 17 auf, die mit einer Hochdruck bzw. Niederdruck führenden Leitung verbunden sind, die in Fig. 4 dargestellt sind.

Im Motorbetrieb fördert eine nicht dargestellte Pumpe einen Druckflüssigkeitsstrom über den Einlaßschlitz 16 in die Zylinderbohrungen 18 und erzeugt über die Kolben 7 eine Drehbewegung des Triebflansches 3 und ein der Druckdifferenz zwischen der Zuführung und Abführung der Druckflüssigkeit entsprechendes Drehmoment.

Der für die Kupplung 3, 12 nötige Kraftschluß wird durch die auf die Kolben 5 wirkenden hydraulischen Kräfte erzeugt. Bleibt der Arbeitsdruck am Einlaß 16 aus, so fehlen die den Kraftschluß erzeugenden Reaktionskräfte und die Kupplung wird ausgerückt, so daß keine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Triebflansch 3 und der Welle 2 besteht.

Wird dagegen durch eine Pumpe in den Zylinderbohrungen 18 ein hydraulischer Druck erzeugt, so wirkt dieser über die Kolben 5 bzw. Kolbenstangen 6 auf den Triebflansch 3, der auf den Konus 14 des Wellenflansches 12 gepreßt wird, so daß die Kupplung einrückt und der Kraftschluß hergestellt *beispielsweise

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wird. Das von dem Motor gelieferte Drehmoment kann somit vom Triebflansch 3 auf die Welle 2 übertragen werden.

Zwischen dem Wellenflansch 12 und dem Triebflansch 3 weist die Kupplung einen Kupplungsraum 20 auf/ der über eine mittige Bohrung 21 im Triebflansch 3 und einen nicht dargestellten Kanal im Kugelkopf 10, der Verlängerung 9 und dem Mittelzapfen 8, mit einer Bohrung 22 in der Steuerplatte 7 in Verbindung steht, welche in den mit der Nieder- IQ druck führenden Leitung verbundenen Steuerschlitz 17 mündet. Somit wird der Kupplungsraum 20 stets mit Niederdruck beaufschlagt.

Sinkt der Druck in der Hochdruckleitung, indem beispielsweise eine die Hochdruckleitung speisende Verstellpumpe in die Nullage zurückgeschwenkt wird, so unterstützt der im Kupplungsraum 21 wirksame Niederdruck die Ausrückbewegung des Triebflansches 3. Dabei wirkt der Niederdruck auf die vergleichsweise große Querschnittsfläche des Triebflansches 3 und drückt den Triebflansch aus seinem Kegelsitz am Wellenflansch 12 gegen einenam Ende des Gegenkonus 14 auf dem Wellenflansch befestigten Ring 24.

Dies ist im größeren Maßstab in Fig. 2 dargestellt. Der Triebflansch 3 ist dem Konus des Ringes 24 entsprechend bei 25 abgeschrägt. Zwischen dem Ring 24 und dem Triebflansch bildet sich im Bereich der Schräge 25 bei ausgerückter Kupplung ein Spalt aus, durch den die im Kupplungsraum 20 befindliche Druckflüssigkeit ausströmen kann. Durch im Triebflansch 3 angeordnete Nuten 26 wird das Ausströmen der Druckflüssigkeit aus der Kammer 20 in den Spalt erleichtert. Der Ring 24 bildet zusammen mit dem Triebflansch 3 ein hydrodynamisches Lager, welches den Triebflansch bei ausgerückter Kupplung im Wellenflansch führt. Dabei steht der Triebflansch 3 still, während sich die Welle und der Wellenflansch 12 aufgrund einer Schlepplast

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drehen/ wie dies der Fall ist, wenn die Welle z.B. mit dem Rad eines Fahrzeuges verbunden ist.

Im Ring 24 ist ferner eine Bohrung 28 vorgesehen, die bei ausgerückter Kupplung dafür sorgt, daß Druckflüssigkeit aus der Kammer 20 in das drucklose Gehäuseinnere der Maschine ausströmen kann, so daß das Axiallager nicht unnötig hoch belastet wird.

Zur Bestimmung des Kegelwinkels der Reibkupplung gelten die Bedingungen, daß der Kegel nicht selbstheramend sein darf und daß ein Schlupf der Kupplung zu vermeiden ist. Ist der Winkel zu klein, so tritt Selbsthemmung auf.ist der Winkel zu groß, so kann das von der Maschine erzeugte Drehmoment nicht übertragen werden und die Kupplung rutscht durch. Der Kegelwinkel ist in erster Näherung von den geometrischen Abmessungen der Maschine, dem erforderlichen Abtriebsmoment und dem Schwenkwinkel der Zylindertrommel gegenüber der Wellenachse abhängig.

Im Wellenflansch bzw. der Welle 2 ist eine mit dem Raum in Verbindung stehende Bohrung 29 vorgesehen, durch welche Druckflüssigkeit aus dem Raum 20 zu den Lagern geführt werden kann.

Um eine bestimmte Ausrückkraft auf den Triebflansch 3 auszuüben, kann auch zwischen dem Wellenflansch 12 und dem . Triebflansch 3 eine Feder (nicht dargestellt) angeordnet sein. Über die Feder kann der Triebflansch 3 auch dann ausgerückt werden, wenn beispielsweise durch einen Bruch der Niederdruckleitung keine hydraulische Ausrückkraft erzeugt werden kann.

In Fig. 3 ist eine abgeänderte Ausführungsform der Kupplung dargestellt, mit der der Strömungsmittelverlust durch die aus der Kupplungskammer über den Lagerspalt bzw. die Boh-

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rung 28 vermieden werden kann. Hierzu ist zwischen dem Triebflansch 3 und dem Wellenflansch 12 ein Flachmembranzylinder 30 in Form einer elastischen zusammendrückbaren Manschette eingesetzt, die den mit dem Niederdruck beaufschlagten Kupplungsraum 20' von der übrigen Kammer 20 abteilt. Die Manschette sitzt dichtend auf dem Triebflansch und auf der Platte 31 eines Axiallagers 32 auf, das mit einer Dichtung 33 gegenüber der Kammer 20 abgedichtet ist. Mit dem Niederdruck wird nur die zum Druckraum 20" gehe— rende Teilfläche des Triebflansches 3 beaufschlagt.

In Fig. 4 ist der Anschluß einer erfindungsgemäßen Maschine 40 mit Kupplung 41 einlaßseitig über ein entsperrbares Sperrventil S1 an eine den Hochdruck ρ führende Leitung

HD 42 und auslaßseitig über ein entsperrbares Sperrventil S2 an eine den Niederdruck p_ND führende Leitung 43 dargestellt Zwischen dem Auslaß A der Maschine 40 und der Hochdruckleitung 42 liegt eine Bypaßleitung 44 mit einem Rückschlagventil S11, das in Durchflußrichtung zur Leitung 42 öffnet.

Zwischen dem Einlaß E und der Leitung 43 liegt ebenfalls ein Rückschlagventil S21 in einer Bypaßleitung 45. Das Rückschlagventil S21 öffnet in Durchflußrichtung zum Einlaß E. Wie die entsperrbaren Sperrventile S1 und S2 können auchdie Rückschlagventile S11 und S21 als entsperrbare Sperrventile ausgebildet sein, wie in gestrichelten Linien angedeutet ist (wenn beide Drehrichtungen der Maschine gewünscht werden).

Mit der in Fig. 4 dargestellten Anordnung läßt sich die hydrostatische Maschine 4Ό, vorzugsweise mit konstantem Verdrängungsvolumen, im Motorbetrieb wie auch im Schubbetrieb zu- und abschalten sowie von Motor- auf Pumpenbetrieb und umgekehrt umschalten. Die Anordnung ist insbesondere als hydrostatisches Getriebe für den Antrieb eines Fahrzeuges bzw. eines Fahrzeugrades vorteilhaft.

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^Λ. C O 7 / Π i -i /

ό O O O 11

Im folgenden werden die einzelnen Schaltphasen beschrieben;

Einkuppeln und Motorbetrieb einschalten (Zugbetrieb zuschalten)

- SI sei gesperrt und S2 sei offen, kein Volumenstrom durch die Maschine

- S2 sperren, Maschine 40 ist über S21 mit der Niederdruckleitung 43 verbunden, welche das aus der Maschine 40 austretende Lecköl liefert, die Maschine steht, di^e Kupplung 41 ist ausgerückt

- SI zeitverzögert öffnen, worauf die Kupplung 41 einrückt. Ein Drehmoment kann nicht erzeugt werden, da Einlaß und Auslaß der Maschine unter Hochdruck stehen, die Maschine kann ohne Abgabe von Lastmoment auf die

χ5 an der Welle herrschende Drehzahl beschleunigt werden, wobei die Druckflüssigkeit über die Bypassleitung 44 und S11 zurückströmt

- S2 wird zeitverzögert geöffnet, so daß die Druckflüssigkeit von der Leitun 42 über S1 und die Maschine sowie S2 in die Niederdruckleitung 43 abströmt. Dadurch wird das Lastmoment aufgeschaltet und ist die Maschine im Motorbetrieb

II Auskuppeln und Motorbetrieb abschalten

- Wie unter I dargestellt, sind S1 und S2 im Motorbetrieb offen

- S1 wird gesperrt, wodurch die Kupplung 41 ausrückt, bis zum Stillstand der Maschine kann Druckflüssigkeit über S21 umlaufen

- S1 wird verzögert gesperrt, die Maschine steht und ist nur über S21 und die Bypassleitung 45 mit der Niederdruckleitung 43 zur Leckölkompensation verbunden

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Q ^ Q Q 7 4 7 12

III Umschalten von Motor- auf Pumpenbetrieb (von Zug- auf Schubbetrieb)

- Im Motorbetrieb sind S1 und S2 offen wie erläutert

- S2 wird gesperrt, wodurch am Einlaß und Auslaß jeweils Hochdruck anliegt, die Kupplung 41 ist eingerückt, da in der Maschine keine Druckdifferenz erzeugt werden kann, ist das Lastmoment gleich Null, da die Maschine vom Fahrzeug her angetrieben wird, strömt die Druckflüssigkeit über S1, die Maschine

IQ 40 und die Bypassleitung 44 sowie S11 zurück

- S1 wird gesperrt. Die Maschine 40 saugt Druckflüssigkeit aus der Niederdruckleitung 43 über die Bypassleitung 45 in den Einlaß E an und pumpt über den Auslaß A die Druckflüssigkeit über die Bypassleitung 44 und S11 in die Hochdruckleitung 42, d.h. durch Sperren von S1 wird das Bremsmoment aufgeschaltet und die Maschine 40 arbeitet im Pumpenbetrieb

IV Umschalten von Pumpen- auf Motorbetrieb 20

- S1 und S2 sind gesperrt wie unter III erläutert

- S1 wird geöffnet, da Einlaß und Auslaß der Maschine 40 über S11 mit Hochdruck beaufschlagt sind, kann kein Lastmoment mehr abgegeben werden - S2 wird geöffnet, Druckflüssigkeit fließt wieder über S1 und die Maschine 40 und S2 von der Hochdruckleitung in.die Niederdruckleitung, die Maschine ist im Motorbetrieb

V Einkuppeln und Pumpenbetrieb einschalten (Schubbetrieb zuschalten)

- S1 sei gesperrt und S2 wird geschlossen, die Maschine 40 steht, die Kupplung 41 ist noch ausgerückt

-SI wird geöffnet, so daß die Kupplung 41 einrückt und die Maschine ohne Entwicklung von Drehmoment auf die an der Triebwelle herrschende Drehzahl beschleu-

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nigt werden kann, wobei die Druckflüssigkeit von der Hochdruckleitung 42 über die Bypassleitung 44 und S11 umläuft
- Sl wird anschließend gesperrt, damit saugt die Maschine 40 Druckflüssigkeit aus der Niederdruckleitung 43 über S21 an und pumpt sie über S11 in die Hochdruckleitung 42.

Mit der dargestellten Schaltung ist es möglich, das Triebwerk nach dem Einrücken der Kupplung vom Stillstand aus auf eine an der Welle herrschende Drehzahl zu beschleunigen, ohne daß von der Maschine Drehmoment abgegeben bzw. aufgenommen wird. Das entsperrbare Sperrventil S2 schafft hierfür die Voraussetzung. Auf diese Weise wird ein Verschleiß der Kupplung vermieden.

Soll die Anordnung nach Fig. 4 auch für die umgekehrte Drehrichtung der Maschine 40 geeignet sein, so müssen auch die Sperrventile S21 und S11 entsperrbar sein, da sich dann die Durchströmrichtung umkehrt. Die geschilderten Umschaltvorgänge lassen sich dann auch für die Gegenfahrtrichtung, also beispielsweise für die Rückwärtsfahrt des Fahrzeuges verwenden.

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Claims

Patentansprüche:

Hydrostatische Maschine mit konstantem oder veränderlichem Verdrängervolumen, bei der die auf die bzw. von den Kolben ausgeübten hydraulischen Druckkräfte mit einem Drehmoment an einer Triebwelle im Gleichgewicht stehen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Triebwelle (2) und den Kolben (5) eine Kupplung (41) angeordnet ist, die von den hydraulischen Druckkräften dreh-IQ momentabhängig geschaltet wird.
2. Hydrostatische Maschine mit einer mit der Triebwelle verbundenen Hubscheibe, insbesondere Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauart, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kolben (5) bzw. die Kolbenstangen (6) abstützende Hubscheibe als Triebflansch (3) der Kupplung ausgebildet ist.
3, Hydrostatische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung als Kegelreibkupplung ausgebildet ist, wobei ein Konus (14) am Triebflansch (3) und der Gegenkonus (15) an einem an der Triebwelle (2) vorgesehenen Wellenflansch (12) angeordnet ist.
4. Hydrostatische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (20) zwischen den Stirnseiten des Triebflansches (3) und des Wellenflansches (12) mit Niederdruck beaufschlagbar ist, um bei Wegfall des Hochdrucks eine auf den Triebflansch wirkende Ausrückkraft zur Unterstützung des Auskuppeins der Kupplung zu erzeugen.
5. Hydrostatische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (20) über eine Bohrung (21) im Triebflansch (3) und im Mittelzapfen (8, 9, 10) mit der Niederdruckseite des Steuerspiegeis (7) der Maschine verbunden ist.

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6. Hydrostatische Maschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet/ daß der Kupplungsraum (20) beispielsüber eine Drosselbohrung (28) in Lösestellung der Kupplung entlüftet wird.
7. Hydrostatische Maschine nach einem der Ansprüche 4 und/ oder 5 dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Niederdruck

zu beaufschlagende Kupplungsraum (20) von einem elastischen Zylinderelement (30) begrenzt ist, das dichtend XO zwischen dem Triebflansch (3) und dem Wellenflansch (12) angeordnet ist.
8. Hydrostatische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zylinderelement (30) über ein Axiallager (31, 32, 33) am Wellenflansch (12) abgestützt ist.
9. Hydrostatische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Triebflansch (3) an den Wellenflansch (12) mittels eines Axiallagers (24,25) bei ausgerückter Kupplung geführt ist.
10. Hydrostatische Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Axiallager (24, 25) als hydrodynamisches Lager ausgebildet ist, dessen bei ausgerückter Kupplung zwischen dem Triebflansch (3) und dem Wellenflansch (12) gebildeter Ringspalt von dem aus dem Kupplungsraum (20) abströmenden Druckmittel durchströmt wird.
11. Hydrostatische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß und der Auslaß der Maschine (40) über je ein Schaltventil (S1, S2) an eine Hochdruckleitung (42) und Niederdrucklextung (43) angeschlossen sind und zwischen der Hochdruck- und der Niederdruckleitung und dem Einlaß bzw. Auslaß der

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1 Maschine je ein Ventil (S11, S21) vorgesehen ist, das

in Strömungsrichtung der Maschine vom Einlaß zum Auslaß

jeweils öffnet und in umgekehrter Strömungsrichtung sperrte
12. Hydrostatische Maschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltventile (S1, S2) und die Ventile (S11, S21) jeweils entsperrbare Sperrventile sind, so daß eine so geschaltete Maschine in beiden Drehrichtungen 10 betrieben werden kann.

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