Hydrostatische Kupplung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf hydro statische Kupplungen, die nach dem Prinzip von Zahnradpumpen arbeiten und besonders für hohe Drehzahlen geeignet sind. Die bisher bekannten hydrostatischen- Kupplungen sind hauptsächlich bei Schiffsantrieben, und zwar als schwingungsdämp- fende Elemente zwischen einer langsam laufenden Antriebsmaschine und der Schraubenwelle verwendet worden.
Hydrostatische Kupplungen können aber auch vorteilhaft als Kupplungen mit vorbestimmtem maxi malem Drehmoment angewendet werden. Eine solche Kupplung enthält zumindest einen als Pumpe ausge bildeten Teil, der, sobald das wirksame Drehmoment kleiner als das praktisch ohne Schlupf durch die Pumpe maximal übertragbare Drehmoment ist, bloss so viel Medium fördert, wie zur Deckung der Leck verluste erforderlich ist. Die beiden Glieder der Kupplung rotieren hierbei fast mit gleicher Drehzahl.
Wenn anderseits das wirksame Drehmoment grösser als das maximal schlupffrei übertragbare Drehmo ment ist, dann fördert die Pumpe das Medium in der Kupplung im Kreislauf über Ventile, die mit einem bestimmten Druck vorbelastet sind, wobei das ge triebene Glied der Kupplung mit geringerer Drehzahl als das treibende Glied rotiert.
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 Pum penrädern und dem Pumpengehäuse Schwierigkeiten bereitet:
Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, sind beim ErfIndungsgegenstand die Pumpenzahnräder nach Art von Planetenrädern angeordnet, die paar weise in Ausnehmungen eines an der einen Kupp- lungswelle angeordneten Gehäuses liegen, wobei das eine Rad einer jeden, von einem Zahnradpaar ge bildeten Pumpe mit einem auf der anderen Kupp lungswelle angeordneten Rad in Eingriff steht.
Jeder Zahnradpumpe ist ferner eine Druckkammer zuge ordnet, die radial ausserhalb der Pumpenräder liegt und sich in Umfangsrichtung über beide Pumpen räder erstreckt, so dass die Resultierende des hydrau lischen Druckes auf jedes Pumpenrad oder die grö ssere von zwei senkrecht zueinander .stehenden Kom ponenten dieser Resultierenden gegensinnig zur Rich tung der auf das Rad wirkenden Fliehkraft verläuft.
Vorteilhaft sind die beiden Zahnräder jeder Pumpe entweder gleich gross und in verschiedenen Radialab :ständen von der erstgenannten Kupplungs welle angeordnet, wobei die Differenz dieser Radial abstände gleich der Zahnhöhe der Räder ist, oder sie sind in gleichen Rad alabständen von dieser Kupp lungswelle angeordnet und verschieden gross, wobei dann die Differenz der Radien dieser Räder gleich der Zahnhöhe ist.
Hierdurch wirkt die Fliehkraft nicht zu stark unterschiedlich auf die beiden Räder und kann der Einfluss der Fliehkraft auf :die von der Differenz zwischen der Fliehkraft und dem resul tierenden hydraulischen Druck abhängigen Lager drücke beider Räder ungefähr in gleichem Masse ausgeglichen werden.
Um das durch die Kupplung maximal schlupffrei übertragbare Drehmoment festzulegen, kann jede Pumpe ferner mit einem Ventil versehen sein, das in einem Zirkulationsweg zwischen der Druckseite und der Saugseite der Pumpe liegt.
Jedes dieser Ventile kann mit einer Feder versehen sein, welche den beweglichen Ventilkörper gegen seinen Sitz drückt. Um einen möglichst synchronen Anlauf der verschiedenen Zahnradpumpen zu erreichen, können diese Federn einzeln einstellbar sein. Je nach der Ausführung dieser Ventile können der Kupplung verschiedene Eigenschaften, insbeson dere verschiedene Drehmomentenkennlinien, erteilt werden.
Wenn der bewegliche Ventilkörper so ange ordnet ist, dass .seine Schliessbewegung zu seinem Sitz radial nach aussen erfolgt, dann unterstützen einander die Ventilfederkraft und die Fliehkraft, wodurch sich eine Kupplung ergibt, die bei hohen Drehzahlen ein grösseres maximales Drehmoment als bei niedrigen Drehzahlen schlupffrei übertragen kann, was beson dere Vorteile bietet, wenn die Antriebsanordnung einschliesslich der Kupplung eine niedrige kritische Drehzahl hat, die während des Antriebs durchlaufen werden muss. Unter Umständen können die Ventil federn bei dieser Anordnung völlig entfallen, so dass das Ventil dann nur durch die Fliehkraft gesteuert wird.
Wenn anderseits der bewegliche Ventilkörper bei seiner Schliessbewegung zu seinem Sitz radial nach innen bewegt werden muss, wirkt die Fliehkraft der Ventilfederkraft entgegen, wodurch sich eine Kupp lung ergibt, die bei niedrigen Drehzahlen ein grösseres maximales Drehmoment als bei hohen Drehzahlen schlupffrei überträgt, so dass die übertragene Leistung ungefähr konstant gehalten werden kann.
Durch Änderung der Steifigkeit der Ventilfeder und der Masse des beweglichen Ventilkörpers können die Kupplungseigenschaften in gewünschter Weise eingeregelt werden.
Wenn schliesslich das maximal schlupffrei über tragbare Drehmoment konstant gehalten werden soll, so empfiehlt es sich, den beweglichen Ventilkörper nur parallel zur Welle verstellbar anzuordnen, wo durch ein Einfluss der Fliehkraft auf die Betätigung des Ventils vollkommen ausgeschaltet wird.
Ein wesentlicher Teil der Leckve,rluste in einer Zahnradpumpe tritt zwischen den Seitenflächen der Zahnräder und den an diese Seitenflächen anschlie ssenden Gehäusewänden auf. Zweckmässig ist deshalb jede Zahnradpumpe mit Dichtungsplatten versehen, die in axialer Richtung gegen die Zahnräder gedrückt werden.
Dieses Einwärtsdrücken kann entweder durch Zuleiten von Druckmedium von der Druckseite der Pumpe über eine Leitung zu jenen Seiten der Dichtungsplatten erfolgen, die den Pumpenrädern abgekehrt sind, oder auch durch eine solche An ordnung von Druckfedern, dass diese auf jene Seiten der Dichtungsplatten wirken, die den Pumpenrädern abgekehrt sind. Auch eine Kombination dieser beiden Massnahmen zum Andrücken der Dichtungsplatten kann angewendet werden.
Um mittels der hydrostatischen Kupplung einen Betrieb in beiden Richtungen zu ermöglichen, sind zweckmässig die einen Zahnradpumpen so angeord net, dass sie das Medium bei der einen relativen Dreh richtung zwischen dem an der einen Kupplungswelle angeordneten und die Pumpenräder abstützenden Gehäuse und dem mit der anderen Kupplungswelle verbundenen Zahnrad in die zugeordneten Druck kammern fördern, wogegen die anderen Zahnrad- pumpen das Medium in die zugeordneten Druck kammern bei der entgegengesetzten relativen Dreh richtung zwischen dem Gehäuse und diesem Zahnrad fördern.
Um die Probleme der Lagerung und Abdichtung zu vereinfachen, empfiehlt es sich ferner, die Achsen für die Pumpenräder feststehend im Gehäuse anzu ordnen und die Pumpenräder drehbar auf diesen Achsen zu lagern, vorzugsweise mit Hilfe von Nadel lagern.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genauer beschrieben werden.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Aus führungsbeispiel der Erfindung nach der Linie 1-1 in Fig. 2.
Fig. 2 stellt einen Querschnitt durch das gleiche Ausführungsbeispiel längs der Linie 2-2 in Fig. 1 dar.
Fig. 3 zeigt in Diagrammform die Abhängigkeit des maximal schlupffrei übertragbaren Drehmo mentes von der Drehzahl beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1.
Fig. 4 stellt eine abgewandelte Ausführung einer Einzelheit der Fig. 2 dar.
Fig. 5 zeigt in Diagrammform die Abhängigkeit des maximal schlupffrei übertragbaren Drehmomentes von der Drehzahl beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4.
Fig. 6 stellt eine weitere Abänderung der gleichen Einzelheit wie Fig. 4 dar.
Fig. 7 zeigt wieder in Diagrammform die Abhän gigkeit des maximal schlupffrei übertragbaren Dreh momentes von der Drehzahl beim Ausführungsbei spiel nach Fig. 6.
Fig. 8 stellt eine andere Ausführung einer Einzel heit des Beispiels nach der Fig. 1 dar.
Fig.9 gibt für das Ausführungsbeispiel nach Fig.8 in Diagrammform den Zusammenhang zwi schen dem maximal schlupffrei übertragbaren Dreh moment und der Drehzahl an.
Fig. 10 ist ein Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 11 zeigt schliesslich eine weitere Abänderung einer Einzelheit des Beispiels nach Fig. 1.
Bei allen dargestellten Ausführungsbeispielen ist mit der einen Kupplungswelle 14 fest ein Zahnrad 16 verbunden. Dieses Zahnrad ist mit seinem Zahnkranz innerhalb eines mit einem geeigneten Medium, wie Cal, gefüllten Gehäuses 18 angeordnet, das seiner seits fest mit der anderen Kupplungswelle 19 ver bunden ist, wobei die eine Stirnwand 20 dieses Ge häuses ein Lager 22 für die Nabe 16' des Zahnrades 16 bildet, während die andere Stirnwand 24 des Ge häuses gegen diese Nabe abgedichtet ist. Das Gehäuse ist an der Stirnwand 20 mit einem Fülloch 25 ver sehen, das mit einem Propfen 27 verschliessbar bzw. verschlossen ist.
Im Gehäuse 18 sind radial ausserhalb des Zahn rades 16 mehrere Ausnehmungen 26 vorgesehen. In jeder dieser Ausnehmungen sind zwei Zahnräder 28, 30 mit Hilfe von Nadehagern 32 auf den innerhalb des Gehäuses befindlichen Zahnradachsen 36, 38 drehbar gelagert. Eines dieser Zahnräder, nämlich das Zahnrad 28, greift in das Zahnrad 16 ein, das als Sonnenrad wirkt, während die anderen Zahnräder Planetenräder bilden und das Gehäuse selbst als Träger der Planetenräder dient.
Gemäss Fi:g. 2 sind die beiden in einer Ausneh- mung 26 angeordneten Zahnräder 28, 30 gleich gross, aber in verschiedenen Radialabständen von der über- tragungswelle 19 angeordnet, wobei die Differenz dieser Radialabstände etwa gleich der Zahnhöhe der Räder ist.
Diese Zahnräder rotieren in Richtung der Pfeile 40, 42 und bilden eine Zahnradpumpe, welche das Medium von der zentralen Kammer 44 des Gehäuses 18 in eine Druckkammer 46 fördert, die radial ausserhalb der Pumpenräder vorgesehen ist und sich in Umfangsrichtung über beide Pumpenräder erstreckt, so dass die Resultierende des hydraulischen Druckes auf jedes Rad oder die grössere von zwei senkrecht zueinander stehenden Komponenten dieser Resultierenden gegensinnig zu der auf das Rad wir kenden Fliehkraft gerichtet ist.
Zu beiden Seiten der Pumpenräder sind Dichtungsplatten 48, 50 angeord net, die in axialer Richtung gegen die Zahnräder 28, 30 gedrückt werden, indem durch einen Kanal 52 von der Druckkammer 46 auf die den Rädern der Pumpe abgekehrte Seite jeder Dichtungsplatte -48, 50 Druckmedium geleitet wird.
Zwischen jeder Druckkammer 46 und der zen tralen Kammer 44 ist eine Zirkulationsleitung 54 an geordnet, die mit einem Ventil ausgestattet ist, das aus einem radial verstellbaren Ventilsitz 56, einem beweglichen Ventilkörper 58 und einer Feder 60 besteht, welche den Ventilkörper 58 radial nach aussen gegen den Ventilsitz drückt.
Fig. 4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform dieses das maximal' schlupffrei übertragbare Dreh moment festlegenden Ventils in ähnlicher Darstellung wie Fig. 2. Das Ventil besteht in diesem Falle aus einem Sitz 102 und einem beweglichen 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 Ventil ist mit keinerlei Federn ver sehen.
Fig. 6 zeigt in ähnlicher Darstellung wie Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel für das das maximal schlupffrei übertragbare Drehmoment festlegende Ventil.
Hierbei besteht das Ventil aus einem Sitz 110 und einem beweglichen Ventilkörper 112, der bei einer Bewegung nach innen schliesst und durch eine Feder 114 gegen seinen Sitz gedrückt wird.
Fig. 8 zeigt eine dritte Abwandlung des das maxi mal schlupffrei übertragbare Drehmoment festlegen den Ventils in ähnlicher Darstellung wie Fig. 1. In diesem Falle besteht das Ventil aus einem Sitz 116 und einem beweglichen Ventilkörper 118, der parallel zu der es tragenden LUbertragungswelle verstellbar ist;
der Ventilkörper 118 ist mit Hilfe von Stegen 120 in einer Ausnehmung 122 geführt und wird mittels einer Feder 124 gegen seinen Sitz gedrückt.
Die Fig. 3, 5, 7 und 9 zeigen, wie -sich das maxi mal schlupffrei übertragbare Drehmoment M bei Verwendung dieser verschiedenen Ventilarten mit der Drehzahl n ändert.
Die Drehmomentenkennlinie nach Fig. 3 gilt für ein Ventil der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Aus- führung, bei @de:m die Ventilfederkraft und :die Flieh kraft gleichsinnig wirken; es ergibst sich hierbei ein bestimmtes Anfangsdrehmoment und das Drehmo ment M nimmt mit der Drehzahl stetig zu.
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 M mit der Drehzar stetig zu.
Die Kennlinie nach Fig. 7 gilt für eine Ventil- ausführung nach Fig. 6, bei welcher die Ventilfeder kraft und die Fliehkraft gegensinnig wirken; es ergibt sich dann anfänglich ein hohes Drehmoment M, das aber mit :steigender Drehzahl stetig abnimmt.
Fig. 9 zeigt schliesslich die Kennlinie für ein Ventil der in Fig. 8 dargestellten Ausführung, bei welcher der Einlluss der Fliehkraft beseitigt ist; es ergibt sich dabei ein drehzahlunabhängiges, :das heisst kon stantes Drehmoment M.
Fig. 10 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das Zahnrad 16 ebenfalls inner halb eines mit Druckmedium gefüllten Gehäuses 18 angeordnet ist. Im Gehäuse 18 sind radial ausserhalb des Zahnrades 16 wieder mehrere Ausnehmungen 26 vorgesehen. In jeder dieser Awsnehmungen ist ein Zahnrad 126 bzw. 128 drehbar gelagert, :das mit dem Zahnrad 16 und mit einem zweiten Zahnrad 130 bzw. 132 zusammenwirkt.
Die beiden Pumpenzahnräder 126, 130 bzw. 128, 132, die in einer Ausnehmung 26 liegen, sind in :diesem Falle in gleichen Radialabständen von der sie tragenden Übertragungswelle angeordnet. Das mitlaufende Rad 130 bzw. 132 hat aber einen Radius, der ungefähr um eine Zahnhöhe kleiner als der Radius :des zugeordneten Zahnrades 126 bzw. 128 ist, welches mit dem Zahnrad 16 in Eingriff steht.
Die Zahnräder 130 und 132 sind feiner an ver schiedenen Seiten bezüglich des mit ihnen zusammen wirkenden Zahnrades 126 bzw. 128 angeordnet, so dass das eine Zahnradpaar 126, 130 das Medium bei der einen relativen Drehrichtung zwischen Zahnrad 16 und Gehäuse 18 in die zugehörige Druckkammer 46 fördert, wogegen das andere Zahnradpaar 128, 132 das Medium seiner Druckkammer 46 bei der entgegengesetzten relativen Drehrichtung zwischen Zahnrad 16 und Gehäuse 18 zuführt. Auf diese Weise kann die Kupplung zum Antrieb in beiden Richtun gen verwendet werden.
Fig. 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die axial neben den Pumpenrädern befindlichen Dich tungsplatten 48, 50 statt durch Drucköl mit Hilfe von Federn 134, 136 gegen die Zahnräder 28, 30 gedrückt werden.
Die Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung sind durch die dargestellten Beispiele nicht erschöpft. Ins besondere bestehen verschiedene Kombinationsmög lichkeiten, z. B. die Anwendung gleich grosser Pum penzahnräder in verschiedenen Radialabständen von der sie tragenden übertragungswehe bei einer Kupp lung, bei welcher mehrere Pumpen in verschiedenen Richtungen arbeiten oder die Anwendung verschieden grosser Pumpenzahnräder in gleichen Radialabstän- den von der sie tragenden Übertragungswelle bei einer Kupplung,
bei welcher alle Pumpen in der gleichen Richtung wirken.