EP1802867A1

EP1802867A1 - Hydrostatische axialkolbenmaschine sowie verwendung einer solchen maschine

Info

Publication number: EP1802867A1
Application number: EP05791487A
Authority: EP
Inventors: Markus Liebherr; Josef HÄGLSPERGER; Peter Dziuba; Josef Bauer; Johann Federholzner
Original assignee: Markus Liebherr International AG
Current assignee: MALI MARKUS LIEBHERR INTERNATIONAL AG
Priority date: 2004-10-20
Filing date: 2005-10-20
Publication date: 2007-07-04
Also published as: WO2006042435A1; JP2008517205A; CN100529389C; CA2588231A1; CN101044317A; US20070261547A1; EA200700800A1; KR20070067187A; BRPI0516387A; US7661351B2; EA010848B1

Abstract

Eine hydrostatische Axialkolbenmaschine (10) umfasst einen um eine erste Achse (39) drehbaren Zylinderblock (30) mit einer Mehrzahl von auf einem zur ersten Achse (39) konzentrischen Teilkreis angeordneten, sich in axialer Richtung erstreckenden Zylinderbohrungen (28), sowie eine um eine zweite Achse (38) drehbare Ebene (12), auf welcher eine der Anzahl der Zylinderbohrungen (28) entsprechende Anzahl von in die zugehörigen Zylinderbohrungen (28) verschiebbar eintauchenden Kolben (27, 27') auf einem zur zweiten Achse (38) konzentrischen zweiten Teilkreis verschwenkbar angelenkt sind und einen Kranz bilden, sowie Mittel (19,..,25) zur Synchronisierung der Drehungen des Zylinderblocks (39) um die erste Achse (39) und der Abtriebswelle (11 ) um die zweite Achse (38), wobei der Zylinderblock (39) und die Abtriebswelle (11 ) mit ihren beiden Achsen (38, 39) zwischen einer ersten Stellung, in welcher die beiden Achsen parallel (38, 39) sind, und einer zweiten Stellung, in welcher die beiden Achsen (38, 39) einen von Null verschiedenen maximalen Schwenkwinkel (a<sub

Description

BESCHREIBUNG

HYDROSTATISCHE AXIALKOLBENMASCHINE SOWIE VERWENDUNG EINER

SOLCHEN MASCHINE

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Axialkolbenmaschinen. Sie betrifft eine hydrostatische Axialkolbenmaschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie die Verwendung einer solchen Maschine.

STAND DER TECHNIK

Stufenlose hydrostatische Leistungsverzweigungsgetriebe, insbesondere in bau- oder landwirtschaftlich genutzten Fahrzeugen, sind seit langem aus dem Stand der Technik bekannt (siehe z.B. die Druckschriften DE-AS-1 113 621 , DE-C2-29 04 572, DE-A1-37 07 382, DE-A1-43 43 401 und EP-A1-1 195 542). In diesen Getrieben wird die übertragene Leistung in Abhängigkeit von der

Fahrgeschwindigkeit auf einen mechanischen und einen hydrostatischen Zweig des Getriebes aufgeteilt, übertragen und anschliessend wieder zusammengeführt. Der hydrostatische Leistungsübertragungszweig des Getriebes umfasst üblicherweise zwei hydrostatische Axialkolbenmaschinen, die hydraulisch miteinander in Verbindung stehen und von denen die eine jeweils als Pumpe und die andere als Motor arbeitet. Je nach Fahrstufe können die beiden Maschinen dabei ihre Rollen vertauschen.

Die hydrostatischen Axialkolbenmaschinen stellen einen wesentlichen Bestandteil des hydrostatischen Leistungsverzweigungsgetriebes dar und prägen massgeblich die Eigenschaften des Getriebes wie z.B.. den Wirkungsgrad, die Baugrösse, die Komplexität, den überdeckten Geschwindigkeitsbereich, Art und Anzahl der

Fahrstufen und dgl.. Beispiele für derartige hydrostatische Axialkolbenmaschinen sind in der DE-A1 -198 33 711 oder der DE-A1 -100 44 784 offenbart. Funktionsweise und Theorie von hydrostatischen Axialkolbenmaschinen sowie eines damit ausgerüsteten leistungsverzweigten Traktorgetriebes sind in einer Veröffentlichung der TU München aus dem Jahr 2000 von H. Bork et al.,

„Modellbildung, Simulation und Analyse eines stufenlosen leistungsverzweigten Traktorgetriebes", beschrieben.

Bei den hydrostatischen Axialkolbenmaschinen kann der Zylinderblock, in den die Axialkolben eintauchen, gegenüber dem Triebflansch, an dem die Axialkolben verschwenkbar gelagert sind, um einen Schwenkwinkel aus der achsenparallelen Grundkonfiguration verschwenkt werden. Je nach Schwenkwinkel fördert eine als Pumpe arbeitende Axialkolbenmaschine bei konstanter Drehzahl mehr oder weniger Volumen pro Zeiteinheit. Bei einer als Motor arbeitenden Axialkolbenmaschine beeinflusst der Schwenkwinkel das abgegebene

Drehmoment und die Drehzahl. Durch das Zusammenwirken zweier als Pumpe und Motor arbeitender Axialkolbenmaschinen in einem leistungsverzweigten Getriebe kann unabhängig von der Motordrehzahl des antreibenden Verbrennungsmotors die Fahrgeschwindigkeit eingestellt werden, indem die Schwenkwinkel von Pumpe und Motor in geeigneter Weise verändert werden. So ist es bei einem Traktor z.B. möglich, trotz sich ändernder Fahrgeschwindigkeit die Drehzahl des Dieselmotors konstant zu halten und den Motor im günstigsten Betriebspunkt zu betreiben, oder die Drehzahl der Zapfwelle optimal an die Arbeitsaufgabe des mit der Zapfwelle angetriebenen Zusatzgerätes anzupassen.

Der maximal mögliche Schwenkwinkel der Axialkolbenmaschine bestimmt den Betriebsbereich der Axialkoibenmaschine und damit auch die Eigenschaften des Getriebes. Bei bisher bekannten Axialkolbenmaschinen ist der maximale Schwenkwinkel auf werte kleiner gleich 45° beschränkt. Dies führt zu einer Beschränkung der Leistung und des Variationsbereiches. Dies hat auch zur Folge, dass die Leistungsverzweigungsgetriebe, in denen die Axialkolbenmaschinen eingesetzt sind, im Wirkungsgrad beschränkt sind, pro Fahrstufe einen eingeschränkten Geschwindigkeitsbereich abdecken und vergleichsweise aufwändig im Aufbau und Platzbedarf sind.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine hydrostatische Axialkoibenmaschine zu schaffen, welche sich gegenüber den bekannten Axialkolbenmaschinen durch deutlich verbesserte Eigenschaften auszeichnet, und beim Einsatz in einem Leistungsverzweigungsgetriebe zu entsprechenden Verbesserungen der Getriebeeigenschaften führt.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, bei der Axialkoibenmaschine einen maximalen Schwenkwinkel von grösser als 45°, insbesondere von grösser gleich 50°, vorzusehen. Durch die Vergrösserung des maximalen Schwenkwinkels verbessert sich der Wirkungsgrad der Maschine. Gleichzeitig vergrössert sich die Spreizung, d.h., bei konstanter Drehzahl ergibt sich ein erweiterter Arbeitsbereich. Darüber hinaus wird bei gleicher Baugrösse die Leistung erhöht bzw. bei gleicher Leistung eine verringerte Baugrösse ermöglicht. Diese Verbesserungen in der einzelnen Axialkoibenmaschine führen auch zu entsprechenden Verbesserungen in einem mit solchen Maschinen ausgestatteten Leistungsverzweigungsgetriebe. Eine bevorzugte Ausgestaltung der hydrostatischen Axialkolbenmaschine nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die drehbare Ebene am einen Ende einer um die zweite Achse drehenden Abtriebswelle angeordnet ist, dass die Synchronisiermittel eine innerhalb des Kranzes der Kolben angeordnete, zentrale Synchronisierwelle umfassen, welche am einen Ende über ein erstes Gelenk mit der Abtriebswelle und am anderen Ende über ein zweites Gelenk mit dem Zylinderblock in drehfestem Eingriff steht, und dass die Synchronisierwelle zum Erreichen eines von Null verschiedenen Schwenkwinkels in einer innerhalb des Kranzes der Kolben angeordneten, zentralen trichterförmigen Öffnung der Abtriebswelle allseitig verschwenkbar ist, derart, dass der maximale Schwenkwinkel der Maschine massgeblich durch Grosse und Ausgestaltung der . trichterförmigen Öffnung und des Querschnitts der Synchronisierwelle bestimmt wird, wobei das erste und zweite Gelenk jeweils als Tripodengelenk ausgebildet ist, die Synchronisierwelle zum Ausgleich von Abstandsänderungen bei

Änderungen des Schwenkwinkels in der Antriebswelle axial verschiebbar gelagert ist, und in der Antriebswelle Mittel vorgesehen sind, welche die Synchronisierwelle in Richtung auf den Zylinderblock federnd vorspannen, und wobei die Vorspannmittel eine axiale Druckfeder umfassen, welche über einen Druckkolben und einen ersten, schwenkbar mit dem einen Ende der Synchronisierwelle verbundenen Druckstift Druck ausübt, und sich die Synchronisierwelle am anderen Ende über einen zweiten, schwenkbar mit ihr verbundenen Druckstift am Zylinderblock abstützt.

Bei einer solcherart ausgestalteten hydrostatischen Axialkolbenmaschine ist zur Vergrösserung des maximalen Schwenkwinkels vorzugsweise die trichterförmige Öffnung jeweils zwischen benachbarten Kolben durch Ausbuchtungen lokal erweitert, und ist die Querschnittskontur der Synchronisierwelle den Ausbuchtungen angepasst. Die Ausbuchtungen können grundsätzlich verschiedene Formen haben, sofern die im Zusammenhang mit der angepassten Querschnittskontur der Synchronisierwelle dazu führen, dass die Synchronisierwelle stärker nach aussen verschwenkt werden kann. Besonders günstig ist es, wenn gemäss einer bevorzugten Weiterentwicklung die Randkontur der trichterförmigen Öffnung ein Vieleck mit einer der Anzahl der Kolben entsprechenden Anzahl von Ecken ist, und wenn die Ecken des Vielecks jeweils zwischen benachbarten Kolben angeordnet sind und eine Ausbuchtung bilden.

Insbesondere kann eine durch 3 teilbare Anzahl von Kolben vorgesehen sein, und die Querschnittskontur der Synchronisierwelle eine Rotationssymmetrie aufweisen, welche durch Drehung um 120° in sich selbst übergeht, wobei die 120°-Rotationssymmetrie der Querschnittskontur der Synchronisierwelle durch drei in axialer Richtung verlaufende, jeweils um 120° verdreht angeordnete rinnenförmige Ausbuchtungen in der Synchronisierwelle erzeugt wird. Bevorzugt sind dabei 9 Kolben vorgesehen.

Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemässen hydrostatischen Axialkolbenmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben jeweils an einem Ende eines Kolbenschaftes angeordnet sind, dass der Kolbenschaft sich zum anderen Ende hin verjüngt und am anderen Ende mit einem Kugelkopf in einem sphärischen Lager schwenkbar gelagert ist, dass die sphärischen Lager auf dem zweiten Teilkreis in einem an der Abtriebswelle ausgebildeten Flansch befestigt sind, welcher die um die zweite Achse drehbare Ebene bildet, und dass die Kolben, die Kolbenschäfte und die Kugelköpfe jeweils Teile eines einstückigen Elementes sind.

Erfindungsgemäss wird die hydrostatische Axialkolbenmaschine nach der Erfindung in einem Leistungsverzweigungsgethebe eines durch einen

Verbrennungsmotor angetriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines Traktors, verwendet, wobei ein Teil der vom Leistungsverzweigungsgethebe übertragenen Antriebsleistung hydraulisch übertragen wird, und zur hydraulischen Leistungsübertragung wenigstens zwei hydraulisch untereinander verbundene hydrostatische Axialkolbenmaschinen verwendet werden, die abwechselnd als Pumpe und Motor arbeiten. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine hydrostatische Axialkolbenmaschine mit unverschwenktem Zylinderblock gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 in einem Ausschnitt die hydrostatische Axialkolbenmaschine aus

Fig. 1 mit dem um +50° verschwenkten Zylinderblock;

Fig. 3 in einem Ausschnitt die hydrostatische Axialkolbenmaschine aus

• Fig. 1 mit dem um -50° verschwenkten Zylinderblock;

Fig. 4 im Längsschnitt die vergrösserte Darstellung des Kopfteils der Abtriebswelle der Maschine aus Fig. 1 mit den Aussparungen für das eine Tripodengelenk und die Synchronisierwelle;

Fig. 5 den Kopfteil der Abtriebswelle aus Fig. 4 in der Draufsicht in

Achsenrichtung;

Fig. 6 in mehreren Teilfiguren a) bis e) verschiedene Ansichten der

Synchronisierwelle aus Fig. 1 mit den Ausnehmungen am Schaft und den an beiden Enden ausgebildeten Zapfen für die Tripodengelenke, wobei Fig. 6a und b Seitenansichten zeigen, Fig. 6c einen Längsschnitt in der Ebene B-B aus Fig. 6b zeigt, Fig.

6d einen Querschnitt in der Ebene A-A aus Fig. 6a zeigt, und Fig. 6 e eine perspektivische Seitenansicht darstellt; Fig. 7 in der Draufsicht von oben die Lage der Synchronisierwelle in der trichterförmigen Öffnung in dem Augenblick der Drehung, wo eine der rinnenförmigen Ausnehmungen der Synchronisierwelle in der Breite parallel zu einer der Seiten des 9-eckigen Trichters liegt;

Fig. 8 das abstrakte Schema eines beispielhaften

Leistungsverzweigungsgetriebes für einen Traktor mit zwei wahlweise als Pumpe und Motor arbeitenden hydrostatischen Axialkolbenmaschinen gemäss Fig. 1-6;

Fig. 9 ein stark vereinfachtes Getriebe gemäss dem Schema der Fig. 8, jedoch ohne durchgehende Zapfwelle;

Fig. 10 in verschiedenen Teilfiguren Fig. 10(a1 ) bis Fig. 10(c) die verschiedenen Schaltstellungen des Getriebes nach Fig. 9 in der ersten Vorwärtsfahrstufe (Fig. 10(a1)-10(a3)), in der zweiten Vorwärtsfahrstufe (Fig. 10(b1)-10(b3)) und bei der Rückwärtsfahrt (Fig. 10(c)); und

Fig. 11 den Wirkungsgrad eta (Kurve A) und den prozentualen hydrostatischen Anteil an der Leistungsübertragung (Kurve B) in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit v des Traktors mit dem Leistungsverteilungsgetriebe nach Fig. 8 bis 10 bei einer Getriebeeingangsleistung von 195 kW bei 1800 U/min und einer

Endgeschwindigkeit von 62 km/h bei 2100 U/min.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

in Fig. 1 ist einen Längsschnitt eine hydrostatische Axialkolbenmaschine mit unverschwenktem Zylinderblock (Schwenkwinkel α=0) gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die hydrostatische Axialkolbenmaschine 10 umfasst eine längliche Abtriebswelle 11 , einen Zylinderblock 30, eine Mehrzahl von Kolben 27 sowie eine Synchronisierwelle 23 zur Synchronisierung der Drehungen von Abtriebswelle 11 und Zylinderblock 30. Die Abtriebswelle 11 ist auf ihrer Länge in unterschiedlich bearbeitete Abschnitte unterteilt, die der Lagerung der Welle, der Aufnahme von Getriebezahnrädern und der Aufnahme und Betätigung von Kupplungen dienen, wenn die hydrostatische Axialkolbenmaschine 10 Teil eines Leistungsverzweigungsgetriebes ist, wie dies in Fig. 7 an einem Beispiel schematisch dargestellt ist._.

Am einen Ende, welches dem Zylinderblock 30 zugewandt ist, verdickt sich die Abtriebswelle 11 und endet in einem zur Achse 38 der Abtriebswelle 11 konzentrischen Flansch 12. In die Stirnseite des Flansches 1.2 sind auf einem Teilkreis um die Achse 38 gieichmässig verteilt neun kreiszylindrische Lageraufnahmen 32 eingefräst (siehe auch Fig. 4 und 5), in welche sphärische Lager 18 zur schwenkbaren Lagerung der Kolben 27 eingesetzt sind. Die Achsen der Lageraufnahmen 32 sind relativ zur Achse 38 der Abtriebswelle 11 um einige Grad (z.B. 5°) radial nach aussen gekippt. Die Stirnfläche des Flansches 12 ist entsprechend nach aussen abfallend bearbeitet, so dass sie im Bereich der Lageraufnahmen 32 senkrecht zu deren Achsen verläuft.

Im Zentrum des Flansches 12 ist eine trichterförmige Öffnung 13 vorgesehen (Fig. 4, 5), die weiter im Inneren der Abtriebswelle 11 in eine zentrale, im Durchmesser abgestufte Bohrung 15 übergeht. Um die Bohrung 15 herum und teilweise mit der Bohrung 15 überlappend sind drei um jeweils 120° verdreht angeordnete, achsenparallele Bohrungen 14 in die Abtriebswelle 11 eingebracht, die Teil eines ersten Tripodengelenks 22 sind. Vergleichbare Bohrungen sind gegenüber im Zylinderblock 30 vorhanden und sind Teil eines zweiten Tripodengelenks 24. Die beiden Tripodengelenke 22 und 24 ermöglichen eine drehfeste Kopplung der Synchronisierwelle 23 mit der Abtriebswelle 11 und dem Zylinderblock 30 bei gleichzeitiger Verschwenkbarkeit des Zylinderblocks 30 relativ zum Flansch 12 bzw. der Abtriebswelle 11. Die Synchronisierwelle 23 ist zu diesem Zweck gemäss Fig. 6 an den beiden Enden jeweils mit drei um 120° verdreht angeordneten, radial orientierten, zylindrischen Zapfen 34 ausgestattet, welche - im Fall des ersten Tripodengelenks 22 - von der zentralen Bohrung 15 aus durch den seitlich offenen Überlappungsbereich in die benachbarten Bohrungen 14 hineinreichen. Ein vergleichbarer Eingriff der Zapfen 34 erfolgt auch im zweiten Tripodengelenk 24. Zur Verringerung des Spiels sind auf die Zapfen 34 jeweils Ringe 17 (Fig. 1 ) aufgezogen, die an der Aussenseite bombiert sind.

Wenn der Zylinderblock 30 gegenüber dem Flansch 12 verschwenkt wird, ändert sich der von der Synchronisierwelle 23 zu überbrückende Abstand zwischen dem Zylinderblock 30 und dem Flansch 12. Um diese Abstandsänderung ausgleichen zu können, ist die Synchronisierwelle 23 im Bereich des ersten Tripodengelenks

22 in axialer Richtung verschiebbar gelagert. Die Synchronisierwelle 23 sitzt mit ihrem dem Zylinderblock 30 zugewandten Ende verschwenkbar auf einem ersten Druckstift 25, der in den Zylinderblock 30 eingesetzt ist und mit einem Abschnitt seiner Länge aus dem Zylinderblock 30 herausragt. Damit die Synchronisierwelle

23 im zweiten Tripodengelenk 24 mit dem Zylinderblock nicht ausser Eingriff gerät, wird sie in axialer Richtung mit einer Vorspannung gegen den zweiten Druckstift 25 gedrückt. Zur Erzeugung der Vorspannung dient eine in der Bohrung 15 untergebrachte Druckfeder 19, die über einem axial verschiebbaren Druckkolben 20 und einen zweiten Druckstift 21 auf die Synchronisierwelle 23 drückt. Druckkolben 20, Druckstifte 21 , 25 und Synchronisierwelle 23 haben jeweils einen zentralen Ölkanal.

Der (zylindrische) Zylinderblock 30 weist auf einem Teilkreis um seine Achse 39 neun gleichmässig verteilte achsenparallele Zylinderbohrungen 28 auf, die - wie auch die Lageraufnahmen 32 der Fig. 5 - untereinander jeweils einen Winkelabstand von 40° aufweisen. Die Zylinderbohrungen 28, die im gezeigten Beispiel einen Durchmesser von etwa 26 mm aufweisen, sind von der dem Flansch 12 zugewandten Seite her als Sackbohrungen ausgeführt. In die Zylinderbohrungen 28 tauchen von dieser Seite her die Kolben 27 ein, die im Flansch 12 verschwenkbar gelagert sind. Dazu weist jeder Kolben 27 einen länglichen, sich nach unten verjüngenden Kolbenschaft 27' auf, der am unteren Ende in einen Kugelkopf 26 übergeht, mit dem er im zugehörigen sphärischen Lager 18 verschwenkbar gelagert ist. Wird der Zylinderblock 30 aus der in Fig. 1 gezeigten Stellung (Schwenkwinkel α=0) nach oben verschwenkt, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, fahren die Kolben 27, die oberhalb einer zur Zeichenflächen senkrechten Mittelebene liegen, weiter in ihre Zylinderbohrungen 28 ein und komprimieren bzw. verdrängen durch eine Öffnung das darin befindliche Medium, während die unterhalb der Mittelebene liegenden Kolben 27 weiter aus ihren Zylinderbohrungen 28 herausfahren und das darin befindliche Medium entspannen bzw. durch eine Öffnung ansaugen. Wird der Zylinderblock 30 gemäss Fig. 3 nach unten verschwenkt, vertauschen die oberhalb und unterhalb der Mittelebene liegenden Kolben 27 ihre Rollen. Der maximale Kolbenhub der Kolben 27 beträgt im gezeigten Beispiel etwa 93 mm.

Werden bei einem konstanten Schwenkwinkel α≠O die Abtriebswelle 11 und damit über die Synchronisierwelle 23 auch der Zylinderblock 30 um ihre jeweiligen Achsen 38 bzw. 39 gedreht, durchläuft jeder der neuen Kolben 27 pro Umdrehung einen vollständigen Hubzyklus, wobei der obere und untere Totpunkt jeweils durchlaufen werden, wenn sich Kolben und Zylinderbohrung (für α>0; siehe Fig. 2) im oberen und unteren bzw. (für α<0; siehe Fig. 3) im unteren und oberen Scheitelpunkt der Drehbewegung befinden. Die hydrodynamische Axialkolbenmaschine 10 kann dabei als hydraulische Pumpe arbeiten, wenn ein Antrieb über die Abtriebswelle 11 erfolgt und ein hydraulisches Medium durch die aus der Zylinderbohrung 28 herausfahrenden Kolben 27 angesaugt und durch die in die Zylinderbohrung 28 hineinfahrenden Kolben herausgedrückt wird. Die

Pumpleistung in Volumen pro Umdrehung ist dabei umso grösser, je grösser der Schwenkwinkel α ist. Sie kann aber auch als hydraulischer Motor arbeiten, wenn die Zylinder jeweils zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt mit einem unter Druck stehenden hydraulischen Medium beaufschlagt werden und die entstehende Drehbewegung an der Abtriebswelle 11 abgenommen wird. Das Drehmoment ist dabei umso grösser, je grösser der Schwenkwinkel α ist. Sollen dagegen hohe Drehzahlen an der Abtriebswelle 11 erreicht werden, muss der Schwenkwinkel α klein gemacht werden. In einem Leistungsverzweigungsgetriebe 40, wie es in Fig. 7 schematisch dargestellt ist, wird der hydraulische Leistungszweig durch zwei hydraulisch miteinander verbundene hydrostatische Axialkolbenmaschinen H1 und H2 der in Fig. 1 gezeigten Art gebildet, die - je nach Geschwindigkeitsbereich - wahlweise als Pumpe und als Motor arbeiten.

Der von den Kolben 27 begrenzte Arbeitsraum in den Zylinderbohrungen 28 ist durch Anschlussöffnungen 29 von der äusseren Stirnseite des Zylinderblocks 30 her zugänglich. Zur Ansteuerung der einzelnen Zylinder dient eine in den Fig. 1 bis 3 nicht dargestellte drehfeste Steuerscheibe mit entsprechenden Öffnungen, an der sich der Zylinderblock 30 mit der äusseren Stirnfläche über ein Gleitlager axial abstützt (für die radiale Lagerung ist im Zylinderblock 30 eine Lagerbohrung 31 vorgesehen). Einzelheiten einer solchen Steuerung sind bekannt und können den eingangs genannten Druckschriften entnommen werden. Dasselbe gilt für den Schwenkmechanismus, der benötigt wird, um den Zylinderblock 30 gegenüber dem Flansch 12 um den gewünschten Schwenkwinkel α zu verschwenken.

Die bisher bekannten hydrostatischen Axialkolbenmaschinen, wie sie in den eingangs genannten Druckschriften beschrieben sind, weisen einen Schwenkbereich auf, der durch einen maximalen Schwenkwinkel α_max von 45° begrenzt ist. Hierdurch ist der Kolbenhub pro Zylinder begrenzt und damit - bei gleich bleibender Baugrösse - auch der Verstellbereich für die Leistung. Dies führt insbesondere zu Einschränkungen, wenn die hydrostatischen Axialkolbenmäschinen in Leistungsverzweigungsgetrieben eingesetzt werden sollen. Bei den hydrostatischen Axialkolbenmaschinen gemäss der vorliegenden Erfindung wird diese Begrenzung dadurch aufgehoben, dass maximale. Schwenkwinkel α_maχ von grösser 45°, vorzugsweise von bis zu 50°, verwirklicht werden.

Eine wesentliche Begrenzung für den maximalen Schwenkwinkel α_max einer hydrostatischen Axialkolbenmaschine gemäss Fig. 1 bis 3 ist durch den Synchronisiermechanismus zwischen Abtriebswelle 11 und Zylinderblock 30 gegeben. Die Synchronisierwelle 23 schwenkt, wenn der Zylinderblock 30 um den Schwenkwinkel α verschwenkt wird, um etwa den halben Schwenkwinkel aus der Achse 38 der Abtriebswelle heraus. Um für diese Schwenkung Platz zu schaffen, ist gemäss Fig. 4 und 5 im Zentrum der auf einem Teilkreis angeordneten Lageraufnahmen 32 die trichterförmige Öffnung 13 vorgesehen, deren

Öffnungswinkel den Schwenkbereich der Synchronisierwelle 23 bestimmt. Bei den bekannten hydrostatischen Axialkolbenmaschinen ist die Öffnung 13 kegelförmig ausgebildet. Die Weite der Öffnung ist dann durch einen Kreis bestimmt, der den Lageraufnahmen 32 einbeschrieben ist. Bei der vorliegenden Lösung wird dagegen der zwischen den benachbarten Lageraufnahmen 32 vorhandene Platz ausgenutzt, um den möglichen Schwenkbereich der Synchronisierwelle 23 zu vergrössern. Dazu werden im Winkelbereich zwischen benachbarten Lageraufnahmen 32 gemäss Fig. 5 Ausbuchtungen 33 in der Öffnung vorgesehen, die über den einbeschriebenen Kreis hinausreichen. Gleichzeitig wird gemäss Fig. 6d die Querschnittskontur der Synchronisierwelle 23 vom Kreis abweichend so verändert, dass sich im Zusammenwirken mit den Ausbuchtungen 33 in der Öffnung 13 ein vergrösserter Schwenkbereich für die Synchronisierwelle 23 ergibt. Die Synchronisierwelle 23 rollt dabei, wenn sich die Axialkolbenmaschine dreht, nach Art eines Zahnrades in einem Hohlrad an der mit den Ausbuchtungen 33 versehenen Randkontur der Öffnung 13 ab.

Die Randkontur der Öffnung 13 kann grundsätzlich wellenförmig gestaltet sein, wobei die Wellenberge zwischen den Lageraufnahmen 32 liegen und die Wellentäler direkt bei den Lageraufnahmen 32 angeordnet sind. Bevorzugt ist gemäss Fig. 5 die Randkontur der trichterförmigen Öffnung 13 ein Vieleck mit einer der Anzahl der Kolben 27 entsprechenden Anzahl von Ecken, d.h. ein 9-Eck, wobei die Ecken des Vielecks jeweils zwischen benachbarten Kolben 27 bzw. Lageraufnahmen 32 angeordnet sind und eine Ausbuchtung 33 bilden. Die Querschnittskontur der Synchronisierwelle 23 weist dagegen eine Rotationssymmetrie auf, welche durch Drehung um 120° in sich selbst übergeht. Diese 120°-Rotationssymmetrie wird durch drei in axialer Richtung verlaufende, jeweils um 120° verdreht angeordnete rinnenförmige Ausnehmungen 35 in der Synchronisierwelle 23 erzeugt. Die zwischen den rinnenförmigen Ausnehmungen stehen bleibenden Rippen der Synchronisierwelle 23 tauchen bei entsprechender Winkelausrichtung des Tripodengelenks 22 synchron in die Ausbuchtungen 33 der Öffnung 13 ein, wenn die Synchronisierwelle bei maximalem Schwenkwinkel α_max an der Wand der Öffnung 13 abrollt. Wegen der 120°-Symmetrie der Synchronisierwelle 23 und der 40°-Symmetrie der Öffnung 13 erfolgt das Eintauchen nur bei jeder dritten Ausbuchtung 33. Eine Momentaufnahme des Abrollvorgangs, bei dem eine der rinnenförmigen Ausnehmungen 35 der Synchronisierwelle 23 in der Breite gerade parallel zu einer der Seiten des 9- eckigen Trichters 13 liegt; ist in Fig. 7 wiedergegeben.

Aufgrund des erweiterten Schwenkbereichs ist die hydrostatische Axialkolbenmaschine gemäss Fig. 1 bis 3 besonders geeignet für den Einsatz in einem Leistungsverzweigungsgetriebe eines durch einen Verbrennungsmotor (Dieselmotor) angetriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines Traktors, bei dem einerseits in einem Bereich niedriger Fahrgeschwindigkeit ein hohes Drehmoment bereitgestellt werden muss und andererseits höhere Fahrgeschwindigkeiten mit gutem Wirkungsgrad ermöglicht werden sollen. Das Schema eines solchen Leistungsverzweigungsgetriebes ist in Fig. 8 wiedergegeben, ein stark vereinfachtes Getriebe nach dem Schema der Fig. 8 zeigt Fig. 9 (die durchgehende Zapfwelle 42 der Fig. 8 ist dabei allerdings durch eine im Sttufenplanetengetriebe 45 endende Antriebswelle 56 ersetzt; ebenso fehlt der Torsionsdämpfer 49). Das dargestellte Leistungsverzweigungsgetriebe 40 ist über eine Gelenkwelle 41 und einen Torsionsdämpfer 49 mit einem Verbrennungsmotor 50 verbunden, der durch eine Kolben-Zylinderanordnung symbolisiert ist. Durch das Leistungsverzweigungsgetriebe 40 hindurch läuft eine Zapfwelle 42, die am einen Ende direkt mit der Gelenkwelle 41 verbunden ist und am anderen Ende über eine Kupplung 46 mit einer Abtriebswelle 47 verbindbar ist. Mittels der Abtriebswelle 47 können im Fall des Traktors landwirtschaftliche Zusatzgeräte angetrieben werden. Auf der Zapfwelle 42 sitzt das grosse Sonnenrad z1 eines Stufenplanetengetriebes 45, das zusätzlich Doppelplanetenräder z2, z2', ein kleines Sonnenrad z1' und ein Hohlrad z3 umfasst. Das kleine Sonnenrad z1' ist drehfest über eine Hohlwelle mit einem weiteren Zahnrad z6 verbunden, das mit einem Zahnrad z7 kämmt. Das Hohlrad z3 ist drehfest mit einem Zahnrad z4 verbunden, welches seinerseits mit einem Zahnrad z5 kämmt. Das Zahnrad z5 kann über eine Kupplung K3 mit der Abtriebswelle 43 einer ersten hydrostatischen Axialkolbenmaschine H1 verbunden werden. Das Zahnrad z7 kann über eine Kupplung K2 mit der Abtriebswelle 44 einer zweiten hydrostatischen Axialkolbenmaschine H2 verbunden werden. Der Planetenträger (55 in Fig. 8) der ^• Doppelplanetenräder z2, z2' ist drehfest mit einem Zahnrad z8 verbunden, welches einerseits mit einem Zahnrad z9 und andererseits mit einem Zahnrad z17 kämmt. Das Zahnrad z9 kann über eine Hohlwelle und eine Kupplung K1 mit der Abtriebswelle 44 der zweiten hydrostatischen Axialkolbenmaschine H2 verbunden werden. Das Zahnrad z17 ist Teil eines Antriebsstrangs 48, der mit den angetriebenen Achsen des Fahrzeugs in Verbindung steht. Im Getriebe der Fig. 9 kann die Leistung für den Fahrzeugvortrieb an einem entsprechenden Abtriebsrad 54 abgenommen werden. Die über den mechanischen und hydraulischen Zweig des Getriebes übertragenen Leistungen werden am Planetenträger 55 ^' aufsummiert. Weiterhin sitzt auf der Zapfwelle 42 drehfest ein Zahnrad z10, das über ein Zwischenzahnrad z12 und ein weiteres Zahnrad z11 mittels der Kupplung K4 mit der Abtriebswelle 43 der ersten hydrostatischen Axialkolbenmaschine H1 verbunden werden kann.

Die beiden hydrostatischen Axialkolbenmaschinen H1 und H2 sind über zwei Hydraulikleitungen 51 und 52 hydraulisch miteinander verbunden, die jeweils als Hin- und Rückleitung eingesetzt sind. Ein in die Hydraulikleitungen 51 , 52 eingesetztes Mehrwegeventil 53 ermöglicht ein Vertauschen der Leitungen, wenn die beiden Axialkolbenmaschinen H1 und H2 ihre Rollen tauschen, d.h., wenn die als Pumpe arbeitende Axialkolbenmaschine als Motor arbeiten soll, und umgekehrt. Die Wirkungsweise des Leistungsverzweigungsgetriebes 40 aus Fig. 8 bzw. Fig. 9 kann anhand der Teilfiguren der Fig. 10 erläutert werden. Die Teilfiguren a1 bis a3 beziehen sich dabei auf eine erste Vorwärtsfahrstufe, die Teilfiguren b1 bis b3 auf eine zweite Vorwärtsfahrstufe, und die Teilfigur c bezieht sich auf die Rückwärtsfahrt. Aus Platzgründen sind die Bezeichnungen der einzelnen

Getriebeteile, die identisch zu den Bezeichnungen der Fig. 9 sind, weggelassen.

Zu Beginn der ersten Vorwärtsfahrstufe (langsame Vorwärtsfahrt; Fig. 10(a1)) sind die Kupplungen. K1 und K2 eingekuppelt. Die erste hydrostatische Axialkolbenmaschine H1 arbeitet in der ersten Vorwärtsfahrstufe als Pumpe, die zweite hydrostatische Axialkolbenmaschine H2 arbeitet als Motor. Die Axialkolbenmaschine H1 (Pumpe) wird zunächst aus dem unverschwenkten Zustand (Schwenkwinkel α=0) langsam in den voll verschwenkten Zustand (Schwenkwinkel α=α_max) verschwenkt, der in Teilfigur Fig. 10(a2) erreicht wird. Sie pumpt dadurch mehr und mehr Hydraulikflüssigkeit in die als Motor arbeitende

Axialkolbenmaschine H2. Diese ist maximal verschwenkt und gibt daher ein hohes Drehmoment bei langsam ansteigender Drehgeschwindigkeit ab. Ist die Axialkolbenmaschine H1 maximal verschwenkt (Fig. 10(a2)) wird die Axialkolbenmaschine H2 langsam zurück auf Null geschwenkt (Fig. 10(a3)). Dabei erhöht sich ihre Drehzahl, während die Drehzahl der Axialkolbenmaschine H1 und die übertragende hydraulische Leistung zum Ende der Fahrstufe auf Null zurückgeht. In Fig. 11 entspricht die erste Vorwärtsfahrstufe dem Geschwindigkeitsbereich zwischen 0 und etwa 18 km/h, in dem der Anteil HP der übertragenen hydraulischen Leistung linear von 100% auf 0% abnimmt.

Beim Übergang von Ende der ersten Fahrstufe (Fig. 10(a3)) zum Anfang der zweiten Fahrstufe (Fig. 10(b1)) wird die Kupplung K1 aus- und dafür die Kupplung K2 eingekuppelt. Da die Axialkolbenmaschine H2 bei Schwenkwinkel Null kein Drehmoment aufnimmt, ist das Schaltmoment praktisch Null. Gleichzeitig mit der Betätigung der Kupplungen K1 und K2 wird durch Umschalten des

Mehrwegeventils 53 die Axialkolbenmaschine H1 in den Motorbetrieb und die Axialkolbenmaschine H2 in den Pumpenbetrieb umgeschaltet. Mit einer anderen Übersetzung laufen nun dieselben Vorgänge ab, wie in der ersten Fahrstufe: Zunächst wird die Pumpe H2 bei voll verschwenktem Motor H1 aus dem unverschwenkten Zustand (Fig. 10(b1)) zunehmend verschwenkt, bis sie ebenfalls voll verschwenkt ist (Fig. 10(b2)). Dann wird der Motor H1 auf Null zurückgeschwenkt (Fig. 10(b3)), wobei er seine Drehzahl erhöht und die übertragene hydraulische Leistung auf Null zurückgeht. Die zweite Vorwärtsfahrstufe entspricht dem Geschwindigkeitsbereich zwischen 18 km/h und 62 km/h in Fig. 11. Der Anteil der übertragenen hydraulischen Leistung steigt dabei von 0% ausgehend zunächst auf eine Maximum von etwa 30% (bei 30 km/h) und fällt dann auf 0% ab (bei etwa 53 km/h) und bleibt für die darüber liegenden Geschwindigkeiten bei 0%. Durch diese Art des Getriebeaufbaus und der Getriebesteuerung ergibt sich gemäss Fig. 11 ein Wirkungsgrad eta des Getriebes, der am Anfang sehr schnell auf Werte von über 85% ansteigt und bei den höchsten Fahrgeschwindigkeiten sogar sein Maximum von etwa 90% erreicht.

Für die Rückwärtsfahrt (Fig. 10(c)) werden die Kupplungen k2 und K3 geöffnet und die Kupplungen K1 und K4 geschlossen. Die Axialkolbenmaschine H1 arbeitet als Pumpe und die Axialkolbenmaschine H2 als Motor. Der Motor H2 ist voll verschwenkt, während die Pumpe H1 vom Schwenkwinkel Null aus verschwenkt wird.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 hydrostatische Axialkolbenmaschine (Motor, Pumpe) 11 Abtriebswelle

12 Flansch

13 Öffnung (trichterförmig)

14 Bohrung (Tripodengelenk)

15 Bohrung (Druckvorrichtung) 16 Axialkanal

17 Ring

18 sphärisches Lager 9 Druckfeder 0 Druckkolben

21 ,25 Druckstift

22,24 Tripodengelenk

23 Synchronisierwelle

26 Kugelkopf

27 Kolben

27' . Kolbenschaft

28 Zylinderbohrung

29 Anschlussöffnung (Zylinderbohrung)

30 Zylinderblock

31 Lagerbohrung

32 Lageraufnahme

33 Ausbuchtung

34 Zapfen (Tripodengelenk)

35 Ausnehmung (rinnenförmig)

36,37 Lagermulde

38 Achse (Abtriebswelle)

39 Achse (Zylinderblock)

40 Leistungsverzweigungsgetriebe

41 Gelenkwelle

42 Zapfwelle

43,44 Abtriebswelie (Axialkolbenmaschine)

45 Stufenplanetengetriebe

46 Kupplung

47 Abtriebswelle

48 Antriebsstrang

49 Torsionsdämpfer

50 Verbrennungsmotor

51 ,52 Hydraulikleitung

53 Mehrwegeventil

54 Abtriebsrad 55 Planetenträger

56 Antriebswelle

H1.H2 hydrostatische Axialkolbenmaschine

K1....K4 Kupplung z1 ,...,z17 Zahnrad α Schwenkwinkel

Ornax maximaler Schwenkwinkei

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Hydrostatische Axialkolbenmaschine (10), umfassend einen um eine erste Achse (39) drehbaren Zylinderblock (30) mit einer Mehrzahl von auf einem zur ersten Achse (39) konzentrischen Teilkreis angeordneten, sich in axialer Richtung erstreckenden Zylinderbohrungen (28), sowie eine um eine zweite Achse (38) drehbare Ebene (12), auf weicher eine der Anzahl der Zylinderbohrungen (28) entsprechende Anzahl von in die zugehörigen Zylinderbohrungen (28) verschiebbar eintauchenden Kolben (27, 27') auf einem zur zweiten Achse (38) konzentrischen zweiten Teilkreis verschwenkbar angelenkt sind und einen Kranz bilden, sowie Mittel (19,..,25) zur Synchronisierung der Drehungen des Zylinderblocks (39) um die erste Achse (39) und der Abtriebswelle (11 ) um die zweite Achse (38), wobei der Zylinderblock (39) und die Abtriebswelle (11 ) mit ihren beiden Achsen (38, 39) zwischen einer ersten Stellung, in welcher die beiden Achsen parallel (38, 39) sind, und einer zweiten Stellung, in welcher die ^■ beiden Achsen (38, 39) einen von Null verschiedenen maximalen Schwenkwinkel (α_max) miteinander bilden, stufenlos verstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Schwenkwinkel (α_max) grösser als 45° ist.

2. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Schwenkwinkel (α_max) grösser gleich 50° ist.

3. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbare Ebene (12) am einen Ende einer um die zweite Achse (38) drehenden Abtriebswelle (11 ) angeordnet ist, dass die Synchronisiermittel (19, ..,25) eine innerhalb des Kranzes der Kolben (27, 27') angeordnete, zentrale Synchronisierwelle (23) umfassen, welche am einen Ende über ein erstes Gelenk (22) mit der Abtriebswelle (11 ) und am anderen Ende über ein zweites Gelenk (24) mit dem Zylinderblock (30) in drehfestem Eingriff steht, und dass die Synchronisierwelle (23) zum Erreichen eines von Null verschiedenen Schwenkwinkels (α) in einer innerhalb des Kranzes der Kolben (27, 27') angeordneten, zentralen trichterförmigen Öffnung (13) der Abtriebswelle (11 ) allseitig verschwenkbar ist, derart, dass der maximale Schwenkwinkel (α_max) der Maschine massgeblich durch Grosse und Ausgestaltung der trichterförmigen Öffnung (13) und des Querschnitts der Synchronisierwelle (23) bestimmt wird.

4. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Gelenk jeweils als Tripodengelenk (22, 24) ausgebildet ist, dass die Synchronisierwelle (23) zum Ausgleich von Abstandsänderungen bei Änderungen des Schwenkwinkels (α) in der Antriebswelle (11) axial verschiebbar gelagert ist, und dass in der Antriebswelle (11 ) Mittel (19, 20, 21) vorgesehen sind, welche die Synchronisierwelle (23) in Richtung auf den Zylinderblock (30) federnd vorspannen.

5. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannmittel eine axiale Druckfeder (19) umfassen, welche über einen Druckkolben (20) und einen ersten, schwenkbar mit dem einen Ende der Synchronisierwelle (23) verbundenen Druckstift (21 ) Druck ausübt, und dass sich die Synchronisierwelle (23) am anderen Ende über einen zweiten, schwenkbar mit ihr verbundenen Druckstift (25) am Zylinderblock (30) abstützt.

6. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergrösserung des maximalen Schwenkwinkels (α_max) die trichterförmige Öffnung (13) jeweils zwischen benachbarten Kolben (27, 27') durch Ausbuchtungen (33) lokal erweitert ist, und dass die Querschnittskontur der Synchronisierwelle (23) den Ausbuchtungen (33) angepasst ist.

7. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Randkontur der trichterförmigen Öffnung (13) ein Vieleck mit einer der Anzahl der Kolben (27, 27') entsprechenden Anzahl von Ecken ist, und dass die Ecken des Vielecks jeweils zwischen benachbarten Kolben (27, 27') angeordnet sind und eine Ausbuchtung (33) bilden.

8. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch 3 teilbare Anzahl von Kolben (27, 27') vorgesehen ist, und dass die Querschnittskontur der Synchronisierwelle (23) eine Rotationssymmetrie aufweist, welche durch Drehung um 120° in sich selbst übergeht.

9. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die 120°-Rotationssymmetrie der Querschnittskontur der Synchronisierwelle (23) durch drei in axialer Richtung verlaufende, jeweils um 120° verdreht angeordnete rinnenförmige Ausbuchtungen (35) in der Synchronisierwelle (23) erzeugt wird.

10. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass 9 Kolben (27, 27') vorgesehen sind.

11. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (27) jeweils an einem Ende eines Kolbenschaftes (27') angeordnet sind, dass der Kolbenschaft (27¹) sich zum anderen Ende hin verjüngt und am anderen Ende mit einem Kugelkopf (26) in einem sphärischen Lager (18) schwenkbar gelagert ist, und dass die sphärischen Lager (18) auf dem zweiten Teilkreis in einem an der Abtriebswelle (11 ) ausgebildeten Flansch (12) befestigt sind, welcher die um die zweite Achse (38) drehbare Ebene bildet.

12. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (27), die Kolbenschäfte (27') und die Kugelköpfe (26) jeweils Teile eines einstückigen Elementes sind.

13. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung der Tripodengelenke (22, 24) die Synchronisierwelle (23) an beiden Enden jeweils 3 um 120° gedrehte, sich in radialer Richtung erstreckende, zylindrische Zapfen (34) aufweist.

14. Verwendung einer hydrostatischen Axialkolbenmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in einem Leistungsverzweigungsgetriebe (40) eines durch einen Verbrennungsmotor (50) angetriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines Traktors, wobei ein Teil der vom Leistungsverzweigungsgetriebe (40) übertragenen Antriebsleistung hydraulisch übertragen wird, und zur hydraulischen Leistungsübertragung wenigstens zwei hydraulisch untereinander verbundene hydrostatische Axialkolbenmaschinen (W ^', H2) verwendet werden, die abwechselnd als Pumpe und Motor arbeiten.