-
Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Axialkolbenmaschine mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
-
Eine derartige Axialkolbenmaschine ist bekannt (DE-AS 12 51 154). Die Reibkupplung ist eine Scheibenkupplung, deren eine Hälfte mit der Triebwelle und deren andere Hälfte über eine Zwischenwelle mit der Hubscheibe der Axialkolbenmaschine verbunden ist. Triebwelle und Zwischenwelle müssen beide in Radial- und Axiallager gelagert sein, wobei zum Ein- und Ausrücken der Scheibenkupplung eine axiale Verschiebbarkeit vorgesehen werden muß. Die Ausrückkräfte für die Kupplung werden von einer Andruckfeder aufgebracht.
-
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird darin gesehen, die hydrostatische Axialkolbenmaschine der eingangs geschilderten Art so auszubilden, daß die Bauweise hinsichtlich der Lageranordnung und der Kupplung vereinfacht wird.
-
Die genannte Aufgabe ist durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
-
Erfindungsgemäß ist somit die Hubscheibe selbst mit einer Reibfläche der Konusreibkupplung versehen und wirkt mit der am Wellenflansch der Triebwelle vorgesehenen Gegenfläche zusammen. Damit bedarf es nur der ohnehin erforderlichen Lagerung der Triebwelle, ohne daß zusätzliche Lageranordnungen erforderlich sind. Auch eine Feder zum Ausrücken der Kupplung entfällt. Die Konusreibkupplung kann sehr hohe Antriebskräfte sicher übertragen. Das selbsttätige Ein- und Ausrücken der Kupplung erfolgt unter Ausnutzung der Kolbenreaktionskräfte abhängig vom Drehmoment, so daß die Rotationsbewegung der Maschine im Leerlauf durch automatisches Ausrücken der Kupplung verhindert wird, um die volumetrischen und hydraulisch- mechanischen Verluste im 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.
-
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.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Mit den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 6 wird eine die Ausrückbewegung der Kupplung unterstützende Kraft erzeugt. Es ist bekannt (DE-OS 28 15 476) Bohrungen im Mittelzapfen einer Axialkolbenmaschine vorzusehen, um zwecks Lagerschmierung vom Steuerspiegel über die Bohrung im Mittelzapfen Schmiermittel zum Lager zu führen.
-
In vorteilhafter Weise können ferner mit den in den Patentansprüchen 7 un 8 angegebenen Merkmalen die Kupplungshälften im ausgerückten Zustand gegeneinander geführt werden.
-
Schließlich ist in den Patentansprüchen 9 und 10 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 Pumpen- auf Motorbetrieb und umgekehrt umzuschalten. Somit ist in vorteilhafter Weise die Kupplung auch unter vollem Betriebsdruck schaltbar und wird ein 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 im vergrößerten Maßstab, und
-
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Anschlüsse der Axialkolbenmaschine an eine Hoch- und Niederdruckleitung.
-
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 4 mit den Kolben 5 ist in einem Winkel zur Wellenachse schräg angeordnet. Die Hubscheibe 3 steht über die Kolbenstangen 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 Kegelreibkupplung. Hierzu ist die Hubscheibe 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 der Hubscheibe 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 der Hubscheibe 3 und der Welle 2 besteht.
-
Wird dagegen beispielsweise durch eine Pumpe in den Zylinderbohrungen 18 ein hydraulischer Druck erzeugt, so wirkt dieser über die Kolben 5 bzw. Kolbenstangen 6 auf die Hubscheibe 3, die auf den Konus 14 des Wellenflansches 12 gepreßt wird, so daß die Kupplung einrückt und der Kraftschluß hergestellt wird. Das von dem Motor gelieferte Drehmoment kann somit von der Hubscheibe 3 auf die Welle 2 übertragen werden.
-
Zwischen dem Wellenflansch 12 und der Hubscheibe 3 weist die Kupplung einen Kupplungsraum 20 auf, der über eine mittige Bohrung 21 in der Hubscheibe 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 Niederdruck 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 der Hubscheibe 3. Dabei wirkt der Niederdruck auf die vergleichsweise große Querschnittsfläche des Triebflansches 3 und drückt die Hubscheibe aus seinem Kegelsitz am Wellenflansch 12 gegen einen am 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 der Hubscheibe 3 bildet sich im Bereich der Schräge 25 bei ausgerückter Kupplung ein Spalt aus, durch den die im Kupplungsraum 20 befindliche Druckflüssigkeit ausströmen kann. Durch in der Hubscheibe 3 angeordnete Nuten 26 wird das Ausströmen der Druckflüssigkeit aus der Kammer 20 in den Spalt erleichtert. Der Ring 24 bildet zusammen mit der Hubscheibe 3 ein hydrodynamisches Lager, welches den Triebflansch bei ausgerückter Kupplung im Wellenflansch führt. Dabei steht die Hubscheibe 3 still, während sich die Welle und der Wellenflansch 12 aufgrund einer Schlepplast 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 selbsthemmend 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 20 in Verbindung stehende Bohrung 29 vorgesehen, durch welche Druckflüssigkeit aus dem Raum 20 zu den Lagern geführt werden kann.
-
Um eine bestimmte Ausrückkraft auf die Hubscheibe 3 auszuüben kann auch zwischen dem Wellenflansch 12 und der Hubscheibe 3 eine Feder (nicht dargestellt) angeordnet sein. Über die Feder kann die Hubscheibe 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 Bohrung 28 vermieden werden kann. Hierzu ist zwischen der Hubscheibe 3 und dem Wellenflansch 12 ein Flachmembranzylinder 30 in Form einer elastischen zusammendrückbaren Manschette eingesetzt, die den mit dem Niederdruck beaufschlagten Kupplungsraum 20&min; von der übrigen Kammer 20 abteilt. Die Manschette sitzt dichtend auf der Hubscheibe 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&min; gehörende Teilfläche des Triebflansches 3 beaufschlagt.
-
In Fig. 4 ist der Anschluß einer erfindungsgemäßen Maschine 40 mit Kupplung 41 einlaßseitig über ein entsperrbares Sperrventil S 1 an eine den Hochdruck p HD führende Leitung 42 und auslaßseitig über ein entsperrbares Sperrventil S 2 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 S 11, das in Durchflußrichtung zur Leitung 42 öffnet. Zwischen dem Einlaß E und der Leitung 43 liegt ebenfalls ein Rückschlagventil S 21 in einer Bypaßleitung 45. Das Rückschlagventil S 21 öffnet in Durchflußrichtung zum Einlaß E. Wie die entsperrbaren Sperrventile S 1 und S 2 können auch die Rückschlagventile S 11 und S 21 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 40, 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.
-
Im folgenden werden die einzelnen Schaltphasen beschrieben:
I Einkuppeln und Motorbetrieb einschalten (Zugbetrieb zuschalten)
-
- - S 1 sei gesperrt und S 2 sei offen, kein Volumenstrom durch die Maschine
- - S 2 sperren, Maschine 40 ist über S 21 mit der Niederdruckleitung 43 verbunden, welche das aus der Maschine 40 austretende Lecköl liefert, die Maschine steht, die Kupplung 41 ist ausgerückt
- - S 1 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 an der Welle herrschende Drehzahl beschleunigt werden, wobei die Druckflüssigkeit über die Bypassleitung 44 und S 11 zurückströmt
- - S 2 wird zeitverzögert geöffnet, so daß die Druckflüssigkeit von der Leitung 42 über S 1 und die Maschine sowie S 2 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 S 1 und S 2 im Motorbetrieb offen
- - S 1 wird gesperrt, wodurch die Kupplung 41 ausrückt, bis zum Stillstand der Maschine kann Druckflüssigkeit über S 21 umlaufen
- - S 1 verzögert gesperrt, die Maschine steht und ist nur über S 21 und die Bypaßleitung 45 mit der Niederdruckleitung 43 zur Leckölkompensation verbunden
III Umschalten von Motor- auf Pumpenbetrieb (von Zug- auf Schubbetrieb)
-
- - Im Motorbetrieb sind S 1 und S 2 offen wie erläutert
- - S 2 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 S 1, die Maschine 40 und die Bypaßleitung 44 sowie S 11 zurück
- - S 1 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 S 11 in die Hochdruckleitung 42, d. h. durch Sperren von S 1 wird das Bremsmoment aufgeschaltet und die Maschine 40 arbeitet im Pumpenbetrieb
IV Umschalten von Pumpen- auf Motorbetrieb
-
- - S 1 und S 2 sind gesperrt wie unter III erläutert
- - S 1 wird geöffnet, da Einlaß und Auslaß der Maschine 40 über S 11 mit Hochdruck beaufschlagt sind, kann kein Lastmoment mehr abgegeben werden
- - S 2 wird geöffnet, Druckflüssigkeit fließt wieder über S 1 und die Maschine 40 und S 2 von der Hochdruckleitung in die Niederdruckleitung, die Maschine ist im Motorbetrieb
V Einkuppeln und Pumpenbetrieb einschalten (Schubbetrieb zuschalten)
-
- - S 1 sei gesperrt und S 2 wird geschlossen, die Maschine 40 steht, die Kupplung 41 ist noch ausgerückt
- - S 1 wird geöffnet, so daß die Kupplung 41 einrückt und die Maschine ohne Entwicklung von Drehmoment auf die an der Triebwelle herrschende Drehzahl beschleunigt werden kann, wobei die Druckflüssigkeit von der Hochdruckleitung 42 über die Bypaßleitung 44 und S 11 umläuft
- - S 1 wird anschließend gesperrt, damit saugt die Maschine 40 Druckflüssigkeit aus der Niederdruckleitung 43 über S 21 an und pumpt sie über S 11 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 Drehmomet abgegeben bzw. aufgenommen wird. Das entsperrbare Sperrventil S 2 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 S 21 und S 11 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.